在机械产品设计的世界里,工程师和设计师在准备把零件送出去制造时,要完成所谓的公差分析或公差叠加分析。这样做是为了确保当你订购零件时,它们是按尺寸制造的保证总成中的各个部件装配在一起。
在这篇文章中,我将重点讨论如何针对3D打印组件进行公差分析,回顾如下:
- 如何进行位置公差分析
- 如何进行线性公差分析
- 最后的专业提示和技巧
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公差堆栈和干涉示例
让我们从详细描述“容差叠加”以及相关的问题+解决方案开始。
如果你看看下面的组件,你会注意到一系列¼- 20的内六角螺钉用于固定盖子(灰色)到底座(绿色)。
紧固件的最大外径为0.250 ",但它们也必须穿过盖子上的孔,并螺纹进入底座上的螺纹孔。对于直径0.250英寸的紧固件通过一个普通孔,孔的直径必须刚好大于0.251英寸。然而,当这些组件被制造时,由于机器的能力,孔不会在与模型完全相同的位置。beplay客户端下载
下图展示了当我们向外(相对于垂直中心平面)的盖子和向内(相对于垂直中心平面)的螺孔添加0.030”的位置误差时发生的情况。请注意:为清晰起见,螺丝已涂上蓝色)。
在放大图中,我们可以看到左边的特征,盖子和底座的孔不匹配,但中心螺丝孔完全对齐。这意味着我们的盖子将永远不会安装正确与所有的螺丝到位。如果我们进行了适当的公差分析,就不会出现这种情况,在本文的其余部分中,我们将详细介绍如何进行这种分析。
例1:如何进行位置公差分析
现在我们已经回顾了公差叠加的基本示例,让我们看一个示例,该示例详细说明了执行公差分析的步骤,因为它与螺栓孔等特征的位置相关。这些步骤将使用excel计算器完成,该计算器是专门为3D打印公差分析而构建的。
在电子表格中,有单独的标签用于位置公差和线性公差研究,左边较浅的列需要用户输入,右边较深的两列是计算出的电子表格输出。
以下是使用电子表格完成分析的四个步骤:
步骤1-定义机器或过程能力beplay客户端下载
首先,我们定义机器或过程的技术能力。beplay客户端下载在一个这项研究由Stratasys发表,其Fortus 360mc/400mc FDM机床的尺寸精度为±。005”或±。0015年/。在我们的例子中,我们将使用±的公差规格。005 "的FDM机。
步骤2-定义接口组件和相关维度
接下来,我们需要定义接口特性及其各自的维度。在我们的示例外壳的情况下,接口特征是螺丝孔和螺钉。这些是我们需要的功能,以确保所有的东西都将排列和安装在一起。
请注意,这里的描述只是为了在以后回顾这些计算时给我们带来好处。界面外径为最大螺钉或紧固件的外径将进入孔(。对我们来说是250磅)。
步骤3—计算必要间隙
下一步是有趣的部分:计算!在我们的示例中,底部(绿色部分)有螺纹孔,而盖子(灰色部分)有通孔。这就是我们所说的“固定紧固件箱”,进一步的解释可以在附录B的B4段找到ASME Y14.5.我们将使用的公式略有不同,因为我们是根据机器的性能规格来确定零件的尺寸的:
这个公式是基于这样一个事实:如果孔的轴线在每个公差的最大处相对于彼此位移,位移将等于一个边为0.010”的直角三角形的斜边。下图显示了一个±。005 "公差带,以及相关的斜边。注意,侧边是0.010 ",这是我们使用的机器公差0.005 "的两倍。
我们将斜边加倍,因为对于孔轴之间的任何位移,我们需要从直径的角度增加两倍的间隙。最后,我们再次增加公差,因为孔的尺寸可能会小于公差的数量。如果我们在我们的例子中使用这个公式,我们会看到盖子上的间隙孔需要如下尺寸:
幸运的是,我们已经建立了一个方便的excel计算器来解决这些公式,因为我们不想每次单独计算这些项。下面的快照显示了电子表格的魔力:
请注意“公差类型”有一个下拉菜单。我们可以根据我们使用的洞的类型选择“固定”或“浮动”。
浮动的紧固件简单地有两个通孔,将使用一个紧固件和一个螺母,而不是直接进入一个部分。如果我们使用浮动紧固件,所需的间隙被切成两半,每个孔都按这个数量扩大。本例中的示例部分是固定,所以我们相应地选择了这个选项。
步骤4 -调整相应的CAD模型
现在我们已经有了设计的所有必要尺寸,以确保它在第一次尝试时能够匹配在一起,我们将修改我们的CAD模型来反映这些尺寸。
下面的图纸图片详细说明了我们计算出的孔尺寸和间距的公称尺寸和公差:
盖子和底座的模型将有孔间距为2.150 "和1.500 "从零件的中心平面,而盖子的通孔将建模为直径为0.283 "。
然而,如果机器生产的零件在公差带的极端,我们可能得到的零件尺寸如下:
我们可以看到,盖子(顶部)和底座(底部)的零件生产在他们的公差带的相反的极端。
按照这些尺寸制造的零件不太可能是最糟糕的情况,但考虑到机器的性能规格,这不是不可能的。此外,部件永远不会完全按照模型中的尺寸来输入。
下面的图像显示了我们的装配与公差偏移在上面的绘图图像。
很明显,即使在部件尺寸上有最剧烈的偏移,部件仍然可以组合在一起。从统计学上讲,所有这些尺寸都出现在这些极端情况下是不太可能的,但这种方法将确保零件第一次、每次都能装配在一起,没有任何修改。
例2:如何进行线性公差分析
进行公差的线性叠加使用与位置公差分析相同的基本步骤。
对于第二个例子,我们使用公差的线性堆栈,观察多个接口如何影响部件以及它们彼此之间的间距。我们将遵循与第一个例子中相同的基本步骤,继续使用±的机器公差。005”为简单起见。
下面的例子详细描述了一个矩形插头插入矩形插座的简单表示。
我们希望插头的较大的肩膀接触插座的顶部,以确保插头不会底部出来。如果我们看看下面的图,我们就能知道我们在这个安排中使用的公差。
回到我们的电子表格(这次使用线性选项卡),我可以将这些尺寸放入单元格中,以计算尺寸极限如下:
如果零件按照公称尺寸制造,我们可以看到在插头的末端和插座腔的底部之间会有0.015英寸的间隙。然而,这个间隙可以减少到0.005英寸,如果零件生产到机器的极限公差如下图所示。
注意:我们可以使用电子表格通过从最小插座深度尺寸(0.995)中减去最大插头深度尺寸(0.990)来计算这些间隙。
在这种情况下,我们知道插头不会在极限公差下,所以我们不担心。但当我们添加其他接口组件,如面板,我们将看到公差开始堆积和提出一个问题。
下列图片中的组件将插头放置在外壳中,并包括在插座顶部的面板。
现在很明显,我们已经将公差以不利的方式叠加的机会增加了一倍,但我们的公称间隙与第一种情况完全相同。
下图详细描述了干扰的最坏情况:
现在有0.005英寸干扰而不是最坏的。005 "的间隙.这是因为插头和插座之间的两个组件各有±的公差。005”(。010 "附加公差堆栈)。
回到电子表格,我们可以执行相同的计算来确定我们的接口特性的极端值:
计算方法很简单:我们将最大插头长度从其他特征的最小尺寸之和中减去,这些特征可以隔离我们所担心的干扰。这是说:
间隙/干涉= .870 + .120 + .120 - 1.115 =-.005
在这个例子中,负值表示我们将有干扰,而正值则表示在最坏的情况下我们有多少间隙。
为了适应面板和外壳设计,同时保持0.05英寸的间隙,我们需要在0.010英寸的公称尺寸上增加额外的间隙。这将使我们的名义间隙。025 "现在。
很容易看出在接口部分之间添加额外的组件将在设计过程中产生挑战。
3最后的提示和技巧
现在,我们已经完成了详细的计算和分析,我给您留下了一些最后的提示和技巧。
1.如果您不愿意,或不能打开足够的公差以确保基于机器功能的100%匹配,beplay客户端下载如果你对几件事没有意见的话,你可以减少清关:
- 如果东西不能完美地组合在一起,你必须能够接受一些清理工作。这意味着砂纸,扩孔或其他小的减法修改。
- 掷骰子的时候,你必须表现得很好。记住,容忍度的累积是一场统计游戏,你离保证的契合度越远,你“崩溃”的几率就越大。
2.从公差堆栈的角度来看,减少必须组合在一起的组件之间的接口数量是有益的.接口越多,公差堆栈干扰组件组装的机会就越多。
3.如果你需要尺寸精度,限制组件的尺寸并相应地选择制造工艺。许多更高端的流程(如Polyjet)将生产更精确的零件,几乎所有的机器将保持更紧的公差,因为你的零件变得更小,只要它不超过机器的特征尺寸能力。
统计学研究怎么样?
请注意,这些例子只查看了最坏情况下的公差分析,这是典型的零件订购在较低的数量或需要作为一个下降,更换现有的装配。
当处理较大的体积或极端紧公差时,通常需要进行统计研究,以量化在公差堆栈范围较大的情况下零件不能装配在一起的可能性。
这甚至可以在更小的数量上完成,如果你想要在最坏的情况之外的值。常用的方法是执行蒙特卡罗模拟基于正态分布的平方根分析。通过这种方法,您可以量化零件装配或不装配的统计概率。
主要收获
通过这些例子,我们已经看到,容忍度分析并不像一开始看起来那样令人生畏。随着您对这种分析和机器功能越来越熟悉,可以在风险和不确定性更低的情况下推进尺寸限制。beplay客户端下载你可以在这里下载我们的免费公差分析计算器把你的技能运用到实践中去,并检验Fictiv的3 d打印技术和数控加工服务精密紧公差零件。