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制品设想、加工和衡量中的参照系和原则元素
 
  新制品开发是由成品图纸设想的CAD、加工工艺设想的CAM和衡量方案设想的CMM三者紧密配合的结果,首先是三者对制品的参照系和原则因素有统一的认 识。图纸设想才能完全表达其安装特性和使用特性、工艺设想才能有正确的定位和合理的工序、衡量设想才能正确地建标得到真实的数据,用以证明图纸设想的可行 性、证明加工工艺的稳定性。   一个新产开发的成功离不开数字化设想开发、数字化加工试制、数字化衡量调整三方面的密切配合协作,成品的参照系和每一个组成参照系的规范因素是设想、加工和衡量三者交流沟通的重要基础,也是三者达成一致认识的前提,更是新品开发成功的首要关键。   一,成品零部件的参照系:   1,制品组件图纸上标注的规格参照系是该参照系内的所有几何尺寸和几何公差之源:一辆汽车上有无数个参照系,对应每个器件的参照系,就像到大剧场看戏的坐票,就能正确地坐上自己的位子。有了参照系,其中的重要几何尺寸和几何公差都由坐标原点标注齐全,参照系真是起到牵一发而动全身得到作用,哪怕是稍有微小的偏差,重要几何尺寸和几何公差都会发生变化。   2,规范参照系是用来作安装定位的:参照系的配置首先是为安装尺度的需要。例如发动机的上缸体下缸体的安装都同样靠一个安装平面和二个定位销(一面二销)来确定的参照系,所有此类参照系都是成对出现的,绝对不会单独存在。   3,简单机件的至少有一个规范参照系,但是复杂的 零部件就可能会有十多个参照系:图1就是发动机缸体图纸中标准因素列表,共有16个规范参照系,48个规格元素。在这些参照系中也像编制计算机程序中的变量一样有全局参照系和局部参照系之分。如发动机的缸体中与缸盖安装的一面二销参照系就是全局性的,该参照系与活塞孔、曲轴孔、安装螺丝孔,还有油孔、冷却水孔等几何位置尺寸都同出一个参照系。如缸体除上下二个大面外,其他四周面安装多个控制器部件,每个安装部件也都各自有一个参照系,这些都属于局部参照系,该参照系中的几何尺寸几何公差与安装小平面和螺栓孔有关。   图1   然后全局参照系与局部参照系又是有着传递关系,如上述的一个局部参照系,其中安装平面和一组螺栓孔中的一个孔与全局参照系是有几何位置关系,其他螺栓孔只是与该安装平面和那个孔有几何位置关系。可见每一个几何公差都是这样一环扣一环的紧紧连在一起,尽管图面很大,数十个原则参照系,成千个几何因素,但是他们之间的关系还是非常清晰,层次分明。   4,当复杂机件的多个规格参照系中是有着规律的传递关系:按一般器件制作工艺无非有 模具铸造、模具 冲压模具焊接和北京非标零件CNC机加工成型,规范参照系就有这样的传递规律:由毛坯参照系传递到北京精密机加工参照系、由全局参照系传递到局部参照系,由一般参照系传递到附加保险。例如发动机的缸体,是由铝合金模具铸造成型的,出模后首先得到是毛坯尺度参照系,用此参照系定位北京机加工得到北京机加工价格原则参照系1,而且是全局参照系,大部分几何尺寸和几何公差都是在此参照系下标注的,连续多道北京锻轨机加工工序都用他定位,加工与此参照系关联的所有几何元素。然后产生北京机加工厂参照系2、北京锻轨机加工参照系3、北京机加工厂家参照系N及关键的几何因素,每一个北京机加工价格参照系都至少有一个安装附件,都是与此参照系直接有几何位置公差关系。除此之外,还有附加参照系,例如发动机缸体的活塞孔、与活塞孔相关的油孔和冷却水孔、与缸盖的结合面、曲轴孔轴线等等大部分元素的几何公差肯定是在全局参照系下的,另外曲轴孔还有一些安装的因素是以轴线为第一尺度,轴向定位面为第二规范和油底壳安装面为第三原则的组成的参照系。其次曲轴孔上的偏心油槽是曲轴孔参照系的附加参照系,类似这样的附加参照系也有若干个,所以不管有多少个参照系,没有一个是独立存在,都是与上级参照系有着紧密的传递关系。   5,一个标准参照系是有三个几何原则元素组成:零部件图纸在CAD中设想构画而成。这里的几何尺寸因素和几何公差因素,当然包括规格元素,都不会有丝毫误差的,是理论的几何元素。他组成原则参照系时,无所谓几何原则因素的顺序,三个尺度可以随便构画都没有问题。但是在实际的制品器件体上,要创建参照系就完全不是那回事。 对于参照系用于安装定位也好,用于限制6个可活动自由度也好,必须有完整的三个几何元素才能组合而成,缺一不可,当然这三个标准因素可以是实体上直接得到,也可以通过实体上标准元素与规格因素相交、平移、投影、定角度旋转等数学处理构建的交线、交点、投影线、投影点、平行面和转角面等等的构建元素组合而成。   二,规范参照系中的几何标准因素:   1,解决毛坯原则误差的方法是模拟标准:成品制造工艺都是由模具铸造成型、模具冲压成型和模具焊接成型的方式,他们确定的几何因素,无论是点、线、面和园都是毛坯,本身的几何形状就存在一定的误差,几何元素之间的几何公差同样存在误差,对北京零件机加工和衡量的定位上都带来重复精度问题,在国际和国内的机械标准中都引进了模拟规格的概念。用事先设想和加工好的定位夹具,用具有一定几何精度的模拟规格面与毛坯规范面贴合,并取代毛坯规格元素来创建毛坯原则参照系。   图2是TC制品中的器件导轮衡量树叶的夹具,导轮是铝合金模具压铸成型的,原则因素1是图中所示的毛坯外圆,2是毛坯窄环面,因为规范面既是粗糙的毛坯环面,而且只有1mm左右的窄宽,该因素数据采集很困难,参照系建歪, 树叶的数据无法可信了。所以特意设想专用的定位夹具,六根等高精度的圆柱端面是模拟规范因素,固定在弹簧钢片六个圆弧头模拟园是夹紧尺度外圆,并与夹具重点伸出的圆柱是有同心度精度保证的模拟规范因素。来创建模拟参照系。就靠这模拟原则夹具,能精确衡量出树叶的偏差值,帮助供应商找到模具的问题和误差值,最终保证了导轮成品的质量。   图2   图3是TC制品中涡轮叶子的衡量夹具,该叶子是薄钢板级进模冲压成型,其原则参照系是图中④落在空中,是二十多枚树叶安装的回转重心规范参照系。通过设想了该衡量定位夹具,用6点定位固定,然后在CAD中找到树叶坐标④与夹具坐标⑤的数学转换关系式而在CMM创建叶子参照系,也是运用了模拟参照系的转换概念,这就能按机件图纸指定点坐标值进行编程自动衡量。   图3   2,参照系中的三个原则之间有顺序:在加工工艺中即便是高精度的北京机加工设备,也只能减少加工误差,对于用来创建参照系的原则因素,是容不得任何一点误差,否则就无法创建参照系。尤其在CMM的衡量中为了解决此问题,设想标准中又引进了尺度顺序的概念。用来建标的三个规范因素有明确的顺序排列,完全是与安装定位规范的要求一致,例如:几何位置公差的方框中   有三个尺度A、F、G,其中A为第一标准,常为平面因素,也是成为参照系的XY平面,F为第二尺度可以是点或线,而G是第三原则也可以是平面或是线、点。既然第一规范是平面,根据安装要求,确定是平面完全贴合,如果第二规格F是核心孔,重点孔的几何因素是重点线,因为重点线与A尺度面的几何位置肯定存在误差,无法直接作为建标元素,而只是以核心线与A面的交点作为建标的第二因素,如果G规范是另外一个孔,同样孔轴线与A平面的交点是建标的第三因素,构成一面二点,完成标准参照系的创建。(见图4)可见三个规范因素中只有第一规格是实体的因素,而第二第三规格都是构建而成的,可见选择第一标准的重要性。   图4   CMM衡量机构建参照系还有一个重要特征,一面二点的三元素必须第一标准是通过衡量直接得到,而其他二个元素可以是衡量后通过数学处理构建而成,更重要的是三元素必须同落在一个平面上,三因素不在同一平面也完不成建标。   参照系中的第一尺度也必然是符合安装定位的规格,图纸中的重要几何尺寸同样也必然与第一标准发生关系,可见确定第一规范的重要性。如北京孔位置度的第一规格是安装贴合平面,所以核心孔和北京孔的圆心都落实在第一原则面上才能计算北京孔的几何位置度值。   3,机件图纸中对规格元素本身也需要几何形状公差和几何位置公差:设想者要在熟悉成品器件的使用特性、安装特性和必要的制作工艺特性,才能对规范元素本身几何公差标注正确。图五是汽车涡轮增压机中一个阀臂阀门一体化的器件毛坯图,因为使用特性的要求,材料要求高、形状复杂,所以采用石蜡模真空浇注工艺,因为该石蜡模工艺特点,脱模易变形,相对轴更比圆形阀门容易弯曲,就是悬臂北京铝合金机加工,因材质软也易变性,而且该组件属于转动类件,其安装第一标准因素肯定是轴,不是面,所以在毛坯件状态对轴的几何形状和位置公差就需要提出要求,以轴端面S和阀门底面C为原则对轴A的位置度和垂直度,   、   这是没有问题。但是   是为了描述基准与标准A的几何位置关系,那么   几何公差是描述尺度A与基准的的几何位置关系,   与   这就产生矛盾。在铸造的毛坯器件中是基准决定A,还是A决定C,不明确,在同一个参照系中的三个原则,无论依据使用特性、安装特性,还是制造工艺特性,也必须有主次之分,也就是决定以那来定那,而不能随意的颠倒,更不能三者之间发生循环关系(图5)。   图5   4,零部件参照系的原则中第一标准一般分为面和轴线因素二种:   安装形式是以平面贴合,后用销定位或螺栓方式的,第一原则是面。出现的几率也比较大,加工和衡量的定位建标也比较有规律,(一面二点、一面一线一点)都可以明确找到用来建标的尺度元素。但零部件是有转动功能不管是高速或低速,还是360度、或按一定角度摆动的轴,以及安装转动轴的孔系、转动轴机架(如发动机缸体曲轴孔系、转向盘支架等)参照系的第一规范就是轴线,而不是面。图纸的第二规范是指轴定位的台阶面,因为与第一原则的轴线垂直度存在误差,所以第二规格的轴台阶面不能直接参与建标,为了轴向定位,只能用第一原则的轴线与台阶面的交点,作为建标的原点,困难的是如何确定第三尺度面,以限制轴线的转动。在组件图纸上,肯定有过轴线的正视图、俯视图和侧视图等等,找与上述图有特殊位置关系的辅助面,以该面的法向矢量作为第三尺度,组成参照系。如图六,E为转动轴线第一规格,S轴台阶面与轴线交点S1为第二规格,选择辅助平面A是图纸的垂直面,以该面的法向矢量为第三尺度,组成参照系(图6)。   图6   5,在零部件参照系中,第一原则的特殊状态:   当第一标准的平面是有若干个小面组合而成,如基准是组合面,就有C1、C2、C3组合而成;还有C1、C2、C3在二个平行平面,图纸肯定标明平行面的阶梯理论尺寸,可以通过偏置,然后组合成一个平面。   在机件参照系中,第一原则是轴线的也有些特殊的,如转动轴支撑二端的轴承,分别为A和B规范,组成A-B组合规范,第一标准由A和B二点连线组合成轴线标准。   图7   6,原则实例说明:   图7原则A是台阶平面,规格B是台阶园图中对6个北京孔的位置度例举了5种不同的规范表示:   图中以面A为第一规范, B园心落在面A上交点B1为第二规格,第三基准是键槽的核心平面,取任意一点与B1原点连线并落在面A为X轴,完整一面一点一线的建标因素,并对北京孔的位置度,B园和C键槽都有偏离最大实体的补偿;   建标与1完全相同,只是不允许有最大实体原则。要求更高;   第一第二标准与1相同,虽然几何公差中没有第三规格,表示北京孔与基准没有关系,在A面上以B核心任意转动定位,所以就以北京孔中的任意一孔圆心与原点B1的连线为并落在面A上为X轴,所以还是三个标准元素组成参照系   第一规范不变A面,然而与B重心凸台和C键槽无关,就以6个北京孔圆心构成园的圆心O1为北京孔核心的第二规范,第三规格还是以任一北京孔圆心与O1连线并落在面A上为X轴,所以还是三个规格组成参照系。 更多信息请关注北京 复合材料信息网 www.cnfrp.com

关键词: 模具 冲压 树叶

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