螺纹孔加工质量和延伸公差带测量螺纹孔加工质量和延伸公差带测量 柴油机设计与制造 Design&ManufactureofDieselEngine2009年第4期第l6卷(总第129期) 螺纹孔加工质量和延伸公差带测量 许伟达 (上海通用汽车有限公司,上海201206) 摘要螺纹连接在发动机和变速箱上有着广泛的应用,为保证其正确装配和实现功 能,一般 在加工工艺图上都会标注延伸公差带.对引起螺纹孔延伸公差带失效原因的各种 因素进行了分 析,并对采取的预防措施进行了讨论. 关键词:螺纹孔延伸公差带失效原因预防措施, , ...

　　与制造 Design&ManufactureofDieselEngine2009年第4期第l6卷(总第129期) 螺纹孔加工质量和延伸公差带测量 许伟达 (上海通用汽车有限公司,上海201206) 摘要螺纹连接在发动机和变速箱上有着广泛的应用,为保证其正确装配和实现功 能,一般 在加工工艺图上都会标注延伸公差带.对引起螺纹孔延伸公差带失效原因的各种 因素进行了分 析,并对采取的预防措施进行了讨论. 关键词:螺纹孔延伸公差带失效原因预防措施, , MeasurementofThreadTappingQualityand ExtendedTolerance ×UWeida (ShanghaiGeneralMotorsCo.,Ltd.,Shanghai201206,China) Abstract:Threadiswidelyemployedinenginesandtransmissions.Generallyspeaking,in ordertoassemblepartscorrectlyandguaranteetheirfunction,projectionpositiontolerances aremarkedintheprocesschartsofparts.Manyfactorswhichpossiblyleadtofailureof extendedtolerancesofthreadedholesareanalyzed,andadiscussiononthemethodof preventionismade. Keywords:threadedhole,extendedtolerance,failurecause,preventativeaction 1前言 发动机,变速箱由许多零件组装而成,有些零 件需要用螺栓,螺柱,螺钉,销等连接件来连接, 而这些连接件的安装孔在机加工过程中.一旦与孔 口的平面之间和零件的定位基准之间的位置度超出 装配时的允许要求,那这些已安装在主体上面的连 接件或两个零件的连接过程中.其连接件就会出现 =F涉装配的过程.在产品设计中,这种连接件的安 装孑L往往通过控制被测零件的位置误差来控制与被 测零件相装配的其他零件的位置精度来满足装配要 求,采用延伸公差带,能够避免螺栓,螺柱,销等 紧同件在装配时相互干涉 2延伸公差带 延伸公差带是机加工零件中的一个控制元素. 实际生产中义称投影公差,符号为@.其 定义:根据零件的功能要求,位置度和对称度公差 带延伸到被测要素长度的界限之外时,该公差带称 为延伸公差带.以图1的示意为例,所标的形位公 差

　　示:#35螺孔延伸至超出零件表面69iiiIn范 围,其位置度在0.50内,#36螺孑L延伸至超出零 件表面104mm范同,其位置度在d)0.50内. 4)0.50的位置度就是以保证利用缸盖上面的紧固螺 栓与其安装的进气管在装配时不干涉的相对位置精 确度. 加工孔延伸公差带一旦超差,就会影响到与之 配合的螺栓,螺柱,螺钉以及销等连接件在与另外 一 个零件装配时出现干涉.采用延伸公差带的目的 是有效避免连接件在装配过程中与其配合件出现干 涉现象,保证其顺利装配,实际生产中,加工零件 如各自给出形位公差的要求.且都控制在公差带范 即均能满足设计要求.但往往仍会出现无法 围内, 装配的现象,其原因就是连接件由于实际轴线一),男,大专学历,主要研究方向为金属切削加工技术和工 艺. 斜而导致装配时出现干涉的现象. 3 图1某缸盖两螺~-tL_-T-艺要求示意图 延伸公 加工过程中的相关失效可能是导致延伸公差带 超差的原因之一.一般可从加工设备,切削刀具, 加工工艺,测量方法以及毛坯等几个方面进行分 析,查找导致失效的主要原因. 3.1加工设备的因素 加工设备是影响质量的一个重要因素,因此需 要重点关注. 1)回转夹具 加工设备的失效导致延伸公差带超差.其中回 转夹具的失效所占比例略多一点.不管是专机线还 是CNC加工中心.其回转夹具的转动是否准确到 位都是满足加工孔的延伸公差带要求的保障条件. 夹具转动不到位:CNC加工中心的零点飘移, 编码器丢脉冲,专机线的回转挡块磨损等等.都会 导致夹具的A轴/B轴转动不到准确位置,造成零 件的孔口平面与主轴不垂直.从而使延伸公差带上 的位置度超差. 夹具锁紧力下降:一旦夹具的锁紧力满足不了 主轴的轴向力矩,夹具会产生微量转动,也会造成 加工孔的延伸公差带上的位置度超差.此外,锁紧 力的下降还会造成夹具在加工过程中出现颤动,从 而使延伸公差带上的位置度偏差增大. 2)机床主轴 机床主轴也是一个不可忽视的因素.无论是 CNC加工中心还是刚性专机线,其主轴与加工孑L 的前后同轴度决定了加工孔的最后延伸公差带的数 值大小.前后工序/工步的加工对象的同轴度超出 允许值,若刀具杆身刚性较差.就易出现与孔口平 面垂直度数值偏大,与原加工孑L同轴度不好而导致 一 48一(216) 延伸公差带超差.图2是内螺纹与底孑L的同轴度超 差的实例,这是由于加工底孔钻头和丝锥刀具之间 的同轴度偏大,导致丝锥加工过程中出现偏移正常 轴心线,螺纹与底孔有明显的偏斜,并且螺纹偏向 一 边. 主轴的失效如振动加剧,轴向,径向跳动量上 升等也会导致加工过程中加工孔出现偏移理想轴心 线,从而出现延伸公差带的超差. 图2内螺纹延伸公差带超差的实物 3)滑台, 如果滑台的进给方向与加工孑L的理想轴心线之 间的不平行数值偏大.就会导致加工孔的最后延伸 公差带出现超差而滑台的走向偏移通常是由于滑 台导轨间隙偏大或床身移动等原因所致. 4)工件定位销 由于长期使用.导致夹具上的2个工件定位销 (圆柱销和削边销)的外径磨损不均或磨损过大, 造成定位销连线,零件定位销孔连线实际倾斜状况 与主轴垂直度或平行度数值偏大,从而造成加工孔 的延伸公差带超差. 5)定位支承面 在加工过程中.夹具上的各支承定位面会与加 工件碰击和挤压.定位面会出现磨损不均状,造成 加工件安装在定位面上时出现与主轴不平行或不垂 直.使孔的延伸公差带上的位置度超差. 3.2切削刀真的因素 切削刀具也对零件延伸公差带上的位置度产生 影响.由于销孔深度一般较浅,刀具的影响不大, 但对螺纹孑L的影响则比较大.螺纹孔不仅深度比较 深.而且采用钻头加工的螺纹孑L往往更容易出现轴 心线偏移的情况,造成延伸公差带超差.其主要原 冈大致有以下几个方面: (1)刀具的切削角度:钻头刀具的主偏角修磨 不均.导致钻加工过程中两刃I:1受力不均而出现偏 离正常的进给方向. (2)刀具的锋利性:钻头出现刃口钝化,崩刃 等缺陷,首先会导致钻头定心能力下降和修正能力 降低,从而偏离正常的主轴进给方向;其次,刀具 钝化还会造成螺纹牙顶出现毛刺,从而影响到三坐 标(CMM)测量的数据正确性. (3)刀具的刚性:当加工工件存在缩孔,毛坯 疏密性差异大或刀具锋角不对称时.钻头会受到不 均匀的径向力作用,如果钻头的刚性不足,钻头就 会偏离加工孔的中心线)刀具的刀辅具:刀辅具选用的差异性也是 影响延伸公差带超差的原因之一.当前道工序加工 的底孔与后道加工位置同轴度数值偏大时.采用刚 性刀具时其延伸公差带误差比较大,而采用浮动刀 具时误差则相对较小. 3.3加工工艺的因素 工艺不合理也会造成加工孔的延伸公差带超 差.如前后两个工序或工步其同一孑L的同轴度数值 控制不严:后道的加工产生的挤压直接影响到已加 工完成的螺纹底孑L:孔的切削参数选择不合理,如 初始进人加工孑L进给量选择较大:引导孑L设定偏 大,钻套磨损严重等都是不利的因素. 3.4测量方法的因素 测量失效就是由于测量方法选择不当或测量误 差,将符合延伸公差带要求的零件而误判为不合格 品,而把延伸公差带超差的零件误判为合格品在 实际生产中,有时会出现这种情况经过CMM测 量的延伸公差带满足设计要求的零件.但是在实际 装配过程中还是出现了干涉.原因之一是一些测量 结果有时候是一种假象的符合要求的测量数据. 当延伸公差带的测量对象存在差异时.选择相 同的测量方法可能会直接影响测量数据的准确性. 对于销孑L的延伸公差带,测量2个截面就能够得到 正确的结果;而对于螺纹孑L来说,如果还是选择测 量螺纹孑L的2个截面,则其准确性就下降.常见测 量螺纹孔的延伸公差带目前有下面几种: (1)扫描光孑L截面 测量螺纹未加工前的底孑L,间接推算螺纹孔的 延伸公差带.这种测量方法只是螺纹底孑L的延伸公 差带,但并不能真正反映加工后的螺纹中径轨迹的 延伸公差带.只能用于加:[过程的过程检验. (2)扫捕螺纹孑L截面 在已加工的内螺纹小径上扫描2个截面,来推 算螺纹孑L的延伸公差带.这种选择2个截面扫描一 圈的方法.其测量探头的大小直接影响到测量的准 确性.因为测量截面在某一圆周上同时存在牙顶与 牙底的相对关系,这是目前准确性最差的一种测量 方法. (3)扫描螺纹理论轨迹 CMM探头根据螺纹的理论螺距.在扫描螺纹 的同时沿着螺纹的螺旋线.扫描的同时,探头轴 向也同时跟着进给了2mill.采用这种测量方法 时.探头起始位置不一定正好在合适的牙顶位置上 (即可能在牙顶上,也可能在两牙的凹处上),牙顶 上的毛刺可能在侧面也可能在牙顶上,这些都会影 响探头与螺纹轨迹的实际接触径向距离,但其准确 性比第二种方法有所提高.这种测量方法的不足之 处就是还不能真实地反映螺纹的实际中径轨迹,即 探头接触的还有可能是螺纹小径. (4)使用螺纹标准棒测量光杆截面 采用螺纹标准棒旋人已加工螺纹孔.测量其孑L 外的光杆截面来推算其延伸公差带的数值大小,如 图3所示.这种测量方法比较接近加工螺纹中径的 实际延伸公差带.是一种较好的测量方法. 从图2的切割解剖内螺纹加工孔况很容易看到 内螺纹与底孑L出现明显的偏斜这样的内螺纹孔, 当螺栓安装以后.其露在孑L口外面的螺杆与理想位 置尺寸肯定会出现很大的偏移量,即延伸公差带的 图3CMM测量缸体螺纹孔上的螺纹棒 (217)一49— 数值一定会很大.而假如测量方法不对.这内螺纹 孔的延伸公差带或许还是合格的.如选择采用测量 螺纹未加工的光孔就反映不出螺纹孔的实际延伸公 差带;探头测量内螺纹的牙顶或许也没有问

　　,但 是实际装配时肯定会有干涉问题.而选择螺纹棒来 测量该延伸公差带必定会得出不合格的结论. 3.5毛坯 发动机的一些箱体零件,其零件形状大多都有 其特殊性,如边缘孔,由于加工孔的上下孑L壁厚度 差异大,其极端处又存在壁薄的不利工况.导致加工中出现挤压力不均和让刀现象,致加工结束的最 终测量显示延伸公差带超差:加工孔位置的毛坯内 部存在缩孔或硬质点等也会影响到孔加工刀具在进 入准确的轴线方向过程中出现偏移等. 4采取有效的预防措施 螺纹孑L的延伸公差带达到设计要求.是为了最 终满足装配要求,因此在加工之前和加工过程中. 延伸公差带超差失效原因的预防控制是必要的过程 控制.根据上文的

　　,针对螺纹孔延伸公差带可 能出现超差的原因,可从下面几个方面来做好预防 和控制. 1)采用正确的测量方法 从上面的测量方法讨论中可知.测量螺纹孑L延 伸公差带的方法不同,就会出现与实际数据不相符 的数值.采用CMM测量螺纹孔的延伸公差带,目 前最合理的测量方法是内螺纹中径轨迹选择在螺纹 棒的辅助支持下来测量.这种测量方式应该比测量 螺纹底孑L或测量已加工的内螺纹孔更准确. 2)强化质量监控 在正确使用测量方法的前提下,通过定期检测 延伸公差带数据.根据延伸公差带的变化趋势,及 时进行调整. 3)加强没备管理 根据前面设备潜在失效原冈的分析,采取相应 的预防措施,建立并有效地实施TPM,PM工作计 划,使设备处于完好状态,如滑台,主轴进给方向 与夹具的垂直和平行的精度符合要求,从而保证加 工出合格的零件. 4)刀具 (1)设定合适的刀具使用寿命:通过检测延伸 公差带的数据,判断是否满足和达到加工孔孑L径要 求,粗糙度要求等,以此来设定一个合适的刀具使 用寿命,在保证加工质量和降低刀具使用成本之间 达到优化和折中. (2)提高刀具的刃磨质量:刀具的锋角刃磨质 量会直接影响到加工孔的延伸公差带,故控制其两 刃口的等高,刃长等相关要素,消除因钻头刃口原 因所造成的底孔尺寸超差. (3)刀辅具:刀辅具主要关注丝锥接柄的刚性 或浮动结构的稳定性,一旦结构失效应及时更换. 减少因刀辅具失效而引起的延伸公差带超差. 5)其他因素 工艺上选择最佳的加工工艺,以合适的切削参 数满足加工要求:另外与毛坯供应商进行有效的沟 通,使毛坯质量保持稳定.减少毛坯原冈而造成延 伸公差带超差的风险., 5结语 延伸公差带是保证产品能够正确装配的一个重 要参数.造成延伸公差带超差的原因很多,在平常 的生产过程中,应当注意可能会出现的失效和关注 加工误差的变化趋势.在延伸公差带超差前就采取 有效的控制手段.保证生产线平稳运行和产品质量 达到要求. (上接第36页) 参考文献 l陆际清.沈祖京,孔宪清等.汽车发动机设计(第 二册)【M】.北京:清华大学出版社,1993:67—69. 2RobinsonD,PalaninathanR.ThermalAnalysis ofPistonCastingUsing3-DFiniteElement Method[J].nIeElementsinAnalysisand Design,2001,37(2):85-95. 3杜平安.内燃机活塞三维热分析[J].电子科技大 学,1999,28(2):141—143. 4薛明德丁宏伟王利华.柴油机活塞的温度场,热 变形与应力三维有限元分析[J].北京:兵工, 2001.22(1):l1—14. 5孔祥谦.有限元法在传热学中的应用[M】.北京: 科学出版社,1998:1—97. 6陆瑞松.内燃机的传热与热负荷[M1.北京:人民 交通出版社.1988:24—33,148—150. 7楼狄明.张志颖,王礼丽.机车柴油机组合活塞的 换热边界条件及热负荷【J].同济大学(自然 科学版),2005,33(5):664—667. 8肖永宁,潘克煜等.内燃机热负荷和热强度[M】. 北京:机械工业出版社.1988:61—62.

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