04机械制造与夹具教案.docx
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04机械制造与夹具教案
第4章装配技术
教学目标与要求
◆掌握装配工艺方法
◆了解影响装配精度的因素
◆掌握装配尺寸链的解算方法
◆能读懂装配工艺系统图
教学重点
◆装配工艺方法
◆影响装配精度的因素
◆装配尺寸链的解算方法
机械产品的精度要求最终是靠装配实现的。
产品的装配精度、结构和生产类型不同，采用的装配方法也就不同。
装配工艺规程是指导装配生产的主要技术文件，制定装配工艺规程是生产技术准备工作的主要内容之一。
4.1装配工艺规程的设计
科学合理的装配工艺规程对保证装配质量、提高装配生产效率、缩短装配周期、减轻工人的劳动强度、减小占地面积和降低生产成本等都有重要的影响。
1．制定装配工艺规程的原则
①在保证产品装配质量的前提下，尽可能延长产品的使用寿命。
②合理安排装配工序，减少钳工装配工作量，提高效率，缩短装配周期。
③尽可能减少作业面积。
2．制定装配工艺时所需的原始资料
①产品的总装配图、部件装配图和重要的零件图。
②产品的验收标准。
它规定产品主要技术性能的检验、试验工作的内容及方法，是制定装配工艺的主要依据之一。
③产品的生产纲领。
④现有的生产条件，主要包括现有的装配工艺条件、车间的作业面积、工人的技术水平以及时间定额标准等。
3．装配工艺规程的内容
制定装配工艺规程包括以下工作。
①产品分析。
根据装配图分析尺寸链，在弄清零部件相对位置和尺寸关系的基础上，根据生产规模合理安排装配顺序和装配方法，编制装配工艺系统图和工艺规程卡片。
②根据生产纲领，选择装配的组织形式。
③选择和设计所需要的工具、夹具和设备。
④规定总装配和部件装配的技术条件和检查方法。
⑤规定合理的运输方式和运输工具。
4.1.1装配工艺方法
在长期的生产实践中，人们根据不同的机器、不同的生产类型，创造出许多行之有效的装配方法。
这些方法可归纳为互换法、选配法、修配法和调整法4大类。
1．互换法
互换法可以根据互换的程度，分完全互换法和不完全互换法。
（1）完全互换法。
完全互换法就是机器在装配过程中每个待装配零件不需挑选、修配和调整，装配后就能达到装配精度要求的一种装配方法。
这种方法是用控制零件的制造精度来保证机器的装配精度。
完全互换法的装配尺寸链是按极值法计算的。
完全互换法具有装配过程简单，生产效率高；对装配工人的技术水平要求不高；便于组织流水作业及实现自动化装配；容易实现零部件的专业协作；便于备件供应及维修等特点。
由于完全互换法具有上述优点，无论何种生产类型，只要零件在经济精度的情况下，装配后又能保证机器的装配精度，都应采用完全互换法进行装配。
（2）不完全互换法。
当机器的装配精度要求较高，组成环零件的数目较多，用极值法计算各组成环的公差较小，难以满足零件的经济加工精度的要求，甚至很难加工出这些高精度要求的零件时，应采用不完全互换法进行装配。
因此，在大批生产条件下采用概率法计算装配尺寸链，用不完全互换法保证机器的装配精度。
与完全互换法相比，采用不完全互换法进行装配时，零件的加工误差可以放大一些，使零件加工容易，成本低，同时也达到部分互换的目的。
其缺点是往往出现一部分产品的装配精度超差，需要采取一些补救措施，或进行经济论证以决定能否采用不完全互换法。
2．选配法
在成批或大量生产的条件下，若组成环的零件数目不多，而装配精度却要求很高时，可采用选配法进行装配。
采用这种方法时，组成环零件按经济加工精度加工，然后选择合适的零件进行装配，以保证规定的装配精度。
选配法又分为以下3种。
（1）直接选配法。
此法是由装配工人从许多待装零件中，凭经验挑选合适的零件进行装配，来保证装配精度。
这种方法的优点是简单，但是工人挑选零件的时间较长，而装配精度在很大程度上取决于工人的技术水平，不宜用于大批大量的流水线上装配。
（2）分组选配法。
此法是先把加工零件的制造公差放宽几倍（一般为3～4倍），零件加工后测量分组（公差带放宽几倍就分几组），并按对应组进行装配以保证装配精度。
分组选配法在机床装配中用得较少，而在内燃机、轴承等大批生产中有一定的应用。
例如，如图4-1所示活塞与活塞销的连接情况。
根据装配技术要求，活塞销孔与活塞销外径在冷状态装配时应有0.0025～0.0075mm的过盈量。
但与此相应的配合公差仅为0.005mm。
若活塞与活塞销采用完全互换法装配，且按“等公差”的原则分配孔与销的直径公差时，各自的公差只有0.0025mm。
如果配合采用基轴制原则，活塞销外径尺d=
mm，相应孔的直径D=
mm。
加工这样精度的零件是十分困难的，也是不经济的。
图4-1活塞与活塞销的连接
生产中将上述零件的公差放大4倍（d=
mm、D=
mm），用高效率的无心磨和精镗加工，然后用精密量具测量，并按尺寸大小分成4组，涂上不同的颜色，以便进行分组装配。
具体分组情况见表4-1。
从表中可以看出，各组公差和配合性质与原来的要求相同。
表4-1活塞孔与活塞销直径分组
组别
标志
颜色
活塞销孔直径
活塞销直径
配合情况
最大过盈
最小过盈
Ⅰ
红
0.0075
0.0025
Ⅱ
白
Ⅲ
黄
Ⅳ
绿
采用分组选配法应当注意以下几点。
①为了保证分组后各组的配合精度符合原设计要求，各组的配合公差应当相等，配合公差增大的方向应当相同，增大的倍数要等于以后的分组数，如图4-1所示。
②分组不宜过多，以免使零件储存、运输及装配工作复杂化。
③分组后零件表面的粗糙度及形位公差不能扩大，仍按原设计要求制造。
④分组后应尽量使组内相配零件数相等，如不相等，可专门加工一些零件与其相配。
（3）复合选配法。
此法是上述2种方法的复合，先将零件预先测量分组，装配时再在对应组内凭工人的经验直接选择装配。
这种装配方法的特点是配合公差可以不等，装配质量高，速度较快，能满足一定生产节拍的要求。
在发动机的汽缸与活塞装配中，多采用这种方法。
3．修配法
在单件小批生产中，对于产品中那些装配精度要求较高的多环尺寸链，各组成环先按经济精度加工，装配时通过修配某一组成环的尺寸，使封闭环的精度达到产品精度的要求，这种装配方法称为修配法。
在装配中，被修配的组成环称为修配环，其零件称为修配件。
修配件上一般留有修配量，修配尺寸的改变通常采用刨削、铣削、磨削及刮研等方法来达到。
修配法的优点是能利用较低的制造精度，来获得很高的装配精度。
其缺点是零件修配工作量较大，要求装配工人技术水平高，不易预计工时，不便组织流水作业。
（1）修配方法。
①单件修配法：
在多环尺寸链中，预先选定某一固定的零件作修配件，装配时在非装配位置上进行再加工，以达到装配精度的装配方法称为单件修配法。
例如，在如图4-2所示的装配关系中，床身与压板之间的间隙A0是靠修配压板的C面或D面来改变尺寸A2而保证的。
A2为修配环，装配时须经过多次试装、测量、拆下修配C面或D面，最后保证装配间隙A0要求。
②自身加工修配法：
在机床制造业中，常利用机床本身有切削加工的能力，在装配中采用自己加工自己的方法来保证某些装配精度，这种方法称自身加工修配法。
如图4-3所示的转塔车床，在装配后利用在车床主轴上安装的镗刀作切削运动，转塔作纵向进给运动，依次镗出转塔上的6个刀具安装孔。
经自身加工，主轴轴线与转塔各孔轴线
图4-2机床导轨间隙装配关系图4-3转塔车床的自身加工修配法
的等高度要求就可以方便地达到。
若再在主轴上安装一个可以自动径向进给的专用刀具，还可以分别加工转塔上的6个平面，以保证孔与端面的垂直度。
此外，平面磨床装配时自己磨削自己的工作台面，以保证工作台面与砂轮平行；牛头刨床、龙门刨床等总装时，用自刨工作台平面的方法来达到滑枕或导轨与工作台面的平行度要求；立式车床装配时通过对自己工作台面进行“自车”来矫正立式车床主轴相对工作台面的垂直度要求；万能铣床总装时为了保证刀杆支架孔对主轴中心线的同轴度要求，可采用一专用工具对支架锥孔进行修整。
自身加工修配法效果理想，加工也较为方便，但必须是具有切削能力的产品才能采用，所以常用于成批生产的机床制造中。
③合并修配法：
将2个或多个零件合并在一起进行加工修配，便为合并修配法。
合并加工所得的尺寸，看作一个组成环，这样既减少了组成环的数目，又减少了修配工作量，使修配加工更为容易。
如图4-4所示的车床尾座装配，为了减少总装时对尾座底板的刮研量，一般先把尾座和底板的配合面分别加工好，并配制横向小导轨，然后将两者装配为一体，以底板的底面为定位基准，镗尾座的套筒孔，直接控制尾座的套筒孔至底板底面的尺寸。
这样，组成环A2、A3合并为A2、3一个环，使原来3个组成环减为2个，加工精度容易保证。
图4-4床头箱主轴中心线与尾架中心线等高示意图
合并加工修配法虽有上述优点，但这种方法要求合并零件对号入座（配对加工），给组织生产带来不便，因此多在单件小批生产中应用。
（2）修配环的选择。
采用修配法来保证装配精度时，正确选择修配环很重要。
修配环一般应按下述要求选择。
①尽量选择结构简单、重量轻、加工面积小、易于加工的零件。
②尽量选择容易独立安装和拆卸的零件。
③修配件修配后不能影响其它装配精度。
因此，不能选择并联尺寸链中的公共环作为修配环。
4．调整法
对于装配精度要求高而组成环较多的尺寸链，可以采用调整法进行装配。
调整法和修配法相似，各组成环可按经济精度加工，由此而引起的封闭环的积累误差的超出部分，通过改变某一组成环的尺寸来补偿。
但两者的方法不同，修配法是在装配时通过对某一组成环（修配环）的补充加工来补偿；调整法是装配时通过调整某一零件的位置或变更组成环（调整环）来补偿封闭环的超差部分。
常见的调整法有以下2种。
（1）可动调整法。
可动调整法是通过改变调整件的位置来保证装配精度的装配方法。
这种方法不必拆卸零件，调整方便，广泛应用于成批和大量生产中。
常用的调整件有螺栓、斜面、挡环等。
图4-5所示为一可动调整的装配实例。
其中：
图（a）是通过螺钉调整轴承间隙；图（b）是通过调整套筒的位置来保证它与齿轮的轴向位置要求；图（c）是用调整螺钉使楔块上下移动来调整丝杠和螺母的间隙。
图4-5可动调整法
可动调整法不但用于装配中，而且在零件加工过程中机床及工艺装备等因磨损、受力变形、热变形等使精度发生变化时，可以及时进行调整以保持和恢复要求的精度。
正由于这些突出的优点，该方法在生产中得到了广泛应用。
（2）固定调整法。
在装配尺寸链中，选择某一组成环作为调整环，将该环按一定的尺寸级别制造一套专用零件，装配时根据各组成环所形成的累积误差的大小，在这套零件中选择一个合适的零件进行装配，以保证装配精度的要求，这种装配方法称为固定调整法。
图4-6（a）所示为车床主轴大齿轮装配图，按照装配的技术要求，当隔套（A2）、齿轮（A3）、
图4-6固定调整法装配示例
垫圈（固定调整件Ak）和弹性挡圈（A4）装在轴上以后，齿轮的轴向间隙A0应在0.05～0.2mm。
图4-6（b）所示是尺寸链简图，其中A1=115mm、A2=8.5mm、A3=95mm、A4=2.5mm、Ak=9mm。
如果采用完全互换法进行装配，则各组成环的平均公差为
显然，按这样小的公差制造零件是不经济的。
如果将尺寸A2、A3及A4按经济精度加工，装配时暂时不装入调整环Ak，装配后出现“空位”，而空位尺寸As将随A1～A4各环尺寸的变化而变化。
空位尺寸As包括封闭环A0和调整环Ak2个环。
由于封闭环的要求是正确的，其公差T（A0）又远小于空位尺寸的变动范围Ts。
为了使调整环进入空位尺寸后能保证封闭环的要求，调整环的尺寸应随着空位尺寸的变化而变化。
因此，调整环应是一个变量。
4.1.2装配工艺系统图
装配工艺规程是用文件、图表等形式规定下来的装配工艺过程。
它是装配生产的指导性文件，又是进行装配生产计划及技术准备的主要依据，也是设计装配工装、设计装配车间的主要依据。
装配工艺规程对于保证产品的装配质量、提高装配生产效率、缩短装配周期、减轻工人的劳动强度、缩小装配车间面积、降低生产成本等都有重要作用。
制定装配工艺规程时需要的原始资料有产品的装配图、部分零件图、产品的验收标准和技术要求、生产纲领和现有生产条件等。
1．绘制装配工艺图的步骤
（1）产品分析。
研究产品图和验收技术条件，审查产品结构装配工艺性，分析装配尺寸链，确定保证产品精度的装配方法。
（2）确定装配的组织形式。
根据生产规模及产品结构尺寸、重量等确定装配生产的组织形式。
（3）划分装配单元及确定装配顺序。
从工艺角度出发，将产品分解成可以独立装配的单元，以便组织装配工作，装配单元常分为零件、合件、组件、部件。
装配单元划分后，可确定各装配单元合理的装配顺序。
（4）划分装配工序、确定各工序的具体内容。
划分工序内容包括确定工序数目、顺序、工作内容、所需的设备及工装、各工序装配质量要求、工时定额等。
（5）编制装配工艺文件。
装配工艺文件包括装配工艺路线卡或装配工序卡。
（6）绘制装配工艺系统图。
产品装配单元的划分及其装配顺序，如装配工艺系统图所示。
现以图4-7所示台式钻床装配图为例，绘制装配工艺系统图，如图4-8所示。
图4-8中装配单元用长方格表示，其上方注明装配单元的名称，左下方为装配单元的代号或件号。
装配工艺系统图的中间为一横线，左端为基准件，右端为产品。
按装配顺序从左向右，将零件画在横线上方，组件、部件画在横线下方。
对于结构较简单的产品可只绘出装配工艺系统图；对于结构复杂、零部件多的产品，还可按装配单元分级绘制装配单元系统图（见图4-9）。
图4-7台式钻床装配图
图4-8装配工艺系统图示例
图4-9装配单元系统图
2．装配实例分析
图4-7所示为ZT512台式钻床的装配图（局部有省略、简化），其零部件明细表见表4-2。
表4-2ZT512台式钻床零、部件明细表
件号
名称
件号
名称
1
底座
18
垫圈
2
立柱
19
2—向心球轴承6205/P6
3
主轴
20
V带A1168
4
压紧螺母
21
主轴带轮
5
密封圈
22
轴用弹性挡圈
6
2－向心球轴承6230/P6
23
平键435
7
推力球轴承5103/P6
24
导杆套部件
8
齿轮轴、弹簧盒部件
25
上罩壳
9
主齿轮条套筒
26
电动机带轮
10
主轴箱
27
平键
11
弹簧
28
紧定螺钉
12
垫圈
29
螺钉
13
轴用弹性挡圈17
30
电机平台
14
轴用弹性挡圈25
31
电机A02-7124
15
下罩壳
32
组合开关导线部件
16
花键套筒
33
左/右锁紧块和手柄部件
17
紧定螺钉M6×16
34
升降螺母部件
ZT512台式钻床主要装配精度要求有主轴回转精度（轴端径向圆跳动0.01mm）、主轴回转中心对底座工作台面的垂直度要求0.03mm、底座平面度要求0.02mm（只许中凸）。
其中，底座平面度主要依靠底座本身的加工精度来保证；主轴回转中心对底座工作台面的垂直度要求主要靠台式钻床主轴箱体上立柱孔与主轴孔间的平行度和立柱中心对立柱端面的垂直度来保证，采用部分互换法装配，必要时修配底座上的立柱安装表面；主轴回转精度的影响因素较多，其中要求主轴齿条套筒与主轴箱体孔的配合间隙为0.003～0.008mm，采用分组选配装配。
根据台式钻床的年产量5000台，属成批生产；其结构尺寸较小，重量较轻，确定其装配组织形式为移动式流水线装配。
根据台式钻床的结构，可将其划分为数个装配单元，见表4-3，其中主要有主轴套筒部件、花键套筒部件、电动机带轮部件、齿轮轴弹簧盒部件、主轴箱部件、导杆套部件、升降螺母部件等。
以底座为装配基准件，按照前一工序不得影响后一工序装配的基本原则，依次从下往上、从内到外，确定台式钻床的装配顺序，绘制出台式钻床装配工艺系统图（见图4-8）和装配单元系统图（见图4-9）。
表4-3装配单元简表
名称
代号
所含部件件号
主轴套筒部件
001
3、4、5、6、7、9、11、12、13
花键套筒部件
002
14、16、18、19、23
电动机带轮部件
003
26、27、28、29、31
齿轮轴弹簧盒部件
004
8
主轴箱部件
005
10
导杆套部件
006
24
组合开关导线部件
007
32
锁紧块、手柄部件
008
33
升降螺母部件
009
34
按装配工艺系统图划分工序内容，确定所需设备与工装，编制装配工艺规程。
台式钻床装配工艺路线见表4-4。
表4-4台式钻床的装配工艺线路
序号
工作内容
10
将底座1吊上装配线工作台
20
把立柱2固定在底座1上，旋紧螺栓4-M12
30
把升降螺母部件009装到立柱2上，要求能自由滑落
40
把主轴箱部件005装到立柱2上
50
将左右锁紧块和手柄部件008装入主轴箱10孔32H7中，要求锁紧后手柄位置应在正上方或正下方；松开手柄，不得抱死立柱
60
将主轴箱10与升降螺母部件009用螺钉3-M5连接并锁紧
70
将下罩壳15装在主轴箱10上方
80
把主轴带轮21装入花键套筒16上，再装上挡圈22
90
将导杆套部件006装到主轴箱10和下罩壳15上方，锁紧螺钉3-M8
100
将电机平台30装入主轴箱尾部上，要求能自由轴向移动
110
将组合开关导线部件007装入主轴箱，旋紧螺钉4-M3，并固定好护线软套
120
装上电动机、带轮部件003，锁紧螺钉4-M825，装上V带20
续表
序号
工作内容
130
将上罩壳25装在导杆、套部件006上，要求上下套罩壳配合良好，导杆在导套内移动灵活
140
将主轴套筒部件001按分组选配装入主轴箱10的50H7孔内，保证间隙为0.003～0.008mm，要求移动灵活并能随其重量自行下滑
150
装上齿轮轴、弹簧盒部件004，调整弹簧，使主轴套筒9下移，放手后可自动复位
160
按电器装配工艺要求，接好电机线
170
检验主轴跳动
180
检验主轴中心对底座垂直度，返修至合格
190
检验底座平面度，复检综合垂直度
200
试车
210
清洗、上油、包装
220
外观总检
230
起吊至木箱底板上，钉箱、入库
4.2装配精度与装配尺寸链
4.2.1装配精度的概念
任何机械产品，设计时不仅应根据使用要求进行合理的结构设计，而且要确定整机或有关部件的运动精度和相互位置精度。
设计的装配精度要求可根据国家标准或其他资料予以确定。
产品的装配精度，是指机器装配以后，各工作面间的相对位置和相对运动参数与规定指标的相符程度。
它主要包括工作面相互间的平行度、垂直度、同轴度、距离、间隙、过盈、运动轨迹、速度的稳定性等。
配合精度的高低是保证机器工作性能、质量和寿命的重要因素。
1．装配精度
产品装配精度一般包括尺寸、相互位置、相对运动和接触精度。
（1）尺寸精度。
尺寸精度是指相关零、部件间的距离尺寸精度和配合精度。
它是零、部件之间相对距离的尺寸要求，如普通车床床头和尾座两顶尖对床身导轨的等高要求，就是一个距离尺寸关系，称为距离精度。
配合精度是配合面间的间隙或过盈要求。
（2）相互位置精度。
位置精度包括相关零、部件间的平行度、垂直度、同轴度及各种跳动，如普通车床主轴轴线对床身导轨的平行度就属于相互位置精度。
（3）相对运动精度。
相对运动精度是产品中有相对运动的零部件在运动方向和相对速度上的精度。
运动方向上的精度是指零部件间相对运动的直线度、平行度、垂直度等，如普通车床溜板移动轨迹对主轴轴线的平行度要求。
相对速度上的精度是指传动精度，即始末两端传动元件相对运动（转角）精度，如车床车削螺纹时主轴与刀架移动的相对运动要求。
（4）接触精度。
接触精度是指相互配合的表面，接触表面达到规定接触面积的大小，如齿轮啮合、锥体与锥孔配合以及导轨副之间均有接触精度要求。
接触精度常以接触面积的大小或接触点的数量级分布情况来衡量。
2．装配精度与零件精度间的关系
图4-10床身导轨简图
A—床鞍移动导轨；B—尾座移动导轨
机械及其部件都是由零件所组成的，装配精度与相关零部件制造误差的积累有关。
显然，装配精度取决于零件特别是关键零件的加工精度。
例如卧式车床尾座移动对床鞍移动的平行度，就主要取决于床身导轨A与B的平行度（见图4-10）；又如车床主轴锥孔轴心线与尾座套筒锥孔轴心线的等高度（A0），即主要取决于主轴箱、尾座、底板的A1、A2、A3的尺寸精度（见图4-4）。
另一方面，装配精度又取决于装配方法，在单件小批生产及装配精度要求较高时装配方法尤为重要。
例如图4-4中所示的等高度要求是很高的，如果靠提高尺寸A1、A2及A3的尺寸精度来保证是不经济的，甚至在技术上也是很困难的。
比较合理的办法是在装配中通过检测，对某个零部件进行适当的修配来保证装配精度。
因此，机械的装配精度不但取决于零件的精度，而且取决于装配方法。
零件精度是保证装配精度的基础，但有了精度合格的零件，若装配方法不当也可能装配不出合格的机械；反之，当零件制造精度不高时，若装配方法恰当（如选配、修配、调整等），也可装配出具有较高装配精度的产品。
所以为保证机械的装配精度，应从产品结构、机械加工及装配等方面进行综合考虑，选择适当的装配方法并合理地确定零件的加工精度。
而装配尺寸链分析，是进行综合分析的有效手段。
4.2.2装配尺寸链的概念及建立
1．装配尺寸链的基本概念
产品或部件的装配精度与构成产品或部件的零件精度有着密切关系。
为了定量地分析这种关系，将尺寸链的基本理论用于装配过程，即可建立起装配尺寸链。
装配尺寸链是产品或部件在装配过程中，由相关零件的尺寸和位置关系所组成的封闭的尺寸系统。
装配尺寸虽然起源于产品设计中，但应用装配尺寸链原理可以指导制定装配工艺、合理安排装配工序、解决装配中的质量问题和分析产品结构合理性等。
装配尺寸链是尺寸链的一种，它与一般尺寸链相比，具有显著的特点。
具体如下。
①装配尺寸链的封闭环一定是机械产品或部件的某项装配精度，因此，装配尺寸链的封闭环是十分明显的。
②装配精度只有在机械产品装配后才能测量。
因此，封闭环只有在装配后才能形成，不具有独立性。
③装配尺寸链中的各组成环不是仅在一个零件上的尺寸，而是在几个零件或部件之间与装配精度有关的尺寸。
2．装配尺寸链的建立
当运用装配尺寸链的原理去分析和解决装配精度问题时，首先要正确地建立起装配尺寸链，即正确地确定封闭环，并根据封闭环的要求查明各组成环。
如前所述，装配尺寸链的封闭环为产品或部件的装配精度。
为了正确地确定封闭环，必须深入了解产品的使用要求及各零部件的作用，明确设计者对产品及零、部件提出的装配技术要求。
为正确查找各组成环，须仔细分析产品或部件的结构，了解各零件连接的具体情况。
查找组成环的一般方法是：
以封闭环两端的2个零件为起点，沿着装配精度要求的位置方向，以相邻零件装配基准间的联系为线索，分别由近及远地去查找装配关系中影响装配精度的有关零件，直至找到同一个基准零件或同一表面。
这样，各有关零件上直线连接相邻零件装配基准间的尺寸或位置关系，即为装配尺寸链中的组成环。
建立装配尺寸链就是要准确地找出封闭环和组成环，并画出尺寸链简图。
图4-4（a）所示的车床主轴中心线与尾座中心线在垂直方向上的等高公差
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