浅析工艺尺寸链的计算及应用
【摘要】本文对工艺尺寸链的概念和原理，尺寸链图的建立和算式进行了分析，并以实例说明了相关原理和算式在解决实际工艺问题时的应用。
【关键词】尺寸链；封闭环；增环；减环；回路法
在汽车和拖拉机等机械产品的设计制造过程中，设计人员根据某一部件或总成的使用性能要求，规定了必要的装配精度。为了保证装配精度，制订各组成零部件的尺寸公差和形位公差就显得尤为重要，这就需要运用工艺尺寸链的原理来进行解决。
１工艺尺寸链的基本概念
尺寸链是指在机械产品装配或零件加工过程中，由相互联系的按一定顺序首尾相接构成封闭的尺寸组。单个零件都在机加工过程中有关尺寸所形成的尺寸链，成为工艺尺寸链。其具有的主要特征是：
１．１封闭性
尺寸链必须是一组由相关尺寸首尾相连构成封闭形式的尺寸，而且应包含一个间接保证的尺寸和若干对该尺寸有影响的的直接获得的尺寸。
１．２关联性
因为尺寸链的封闭性，故链中各尺寸必然相互关联，主要体现为间接保证的尺寸大小及精度受到直接获得尺寸大小及精度的支配，呈现特定的函数关系。
以上描述中组成尺寸链的各个尺寸成为尺寸链的环，其中被间接保证精度的那个尺寸称为封闭环，除此之外的其他环都称为组成环，组成环又可以根据其对封闭环的影响性质分为增环和减环：即和封闭环同向变动的为增环，反向变动的为减环。同时，根据各环所处的空间位置不同，又可分为直线尺寸链，平面尺寸链和空间尺寸链。本文仅以直线尺寸链为例，分析工艺尺寸的解算方法。
２工艺尺寸链的解算方法
２．１建立工艺尺寸链并作出尺寸链图
首先，确定间接保证的尺寸，并把它作为封闭环。必须要注意：一个尺寸链只能有一个封闭环，确定哪一个尺寸是封闭环是解算工艺尺寸链的关键一步。一旦搞错，整个解算过程必然出错，还会得出完全不合理的结果。
其次，作出尺寸链图：即从封闭环开始，依照零件上表面见的联系，依次画出各组成环直到形成封闭图形。同时要注意使组成环环数最少。
再次，判断组成环中的增环和减环。通常判别增环和减环的方法有两种：1）回路法
在尺寸链图上，给封闭环任意规定一个方向并画出箭头，然后沿此方向给每个组成环画出箭头，凡是与封闭环反向的为增环，同向的为减环。
2）观察法
观察尺寸链图，与封闭环串联的组成环是减环，与封闭环共基线并联的组成环是增环；串联的组成环性质相同，共基线并联的组成环性质相反。
２．２工艺尺寸链的基本算式
计算工艺尺寸链可用的方法是极值法和概率法。生产中一般采用极值法，它可以考虑到加工过程中组成环出现的最不利的情况，其计算结果绝对可靠，且算法简单。概率法主要应用于成批大量的自动化或半自动化生产中，即尺寸链组成环数较多的情况。这里只介绍极值法的计算公式：
工艺尺寸链计算的基本公式 来源：作者：发布时间：2007-08-03 工艺尺寸链的计算方法有两种：极值法和概率法。目前生产中多采用极值法计算，下面仅介绍极值法计算的基本公式，概率法将在装配尺寸链中介绍。 图 3-82 为尺寸链中各种尺寸和偏差的关系，表 3-18 列出了尺寸链计算中所用的符号。 1 ．封闭环基本尺寸 式中 n ——增环数目； m ——组成环数目。 2 ．封闭环的中间偏差
式中Δ0——封闭环中间偏差； ——第 i 组成增环的中间偏差 ; ——第 i 组成减环的中间偏差。 中间偏差是指上偏差与下偏差的平均值： 3 ．封闭环公差 4 ．封闭环极限偏差 上偏差 下偏差 5 ．封闭环极限尺寸 最大极限尺寸 A 0max=A 0+ES 0 （ 3-27 ）最小极限尺寸 A 0min=A 0+EI 0 （ 3-28 ）6 ．组成环平均公差 7 ．组成环极限偏差 上偏差
下偏差 8 ．组成环极限尺寸 最大极限尺寸 A imax=A i+ES I （ 3-32 ） 最小极限尺寸 A imin=A i+EI I （ 3-33 ） 工序尺寸及公差的确定方法及示例 工序尺寸及其公差的确定与加 工余量大小，工序尺寸标注方法及定位基准的选择和变换有密切的关系。下面阐述几种常见情况的工序尺寸及其公差的确定方法。 （一）从同一基准对同一表面多次加工时工序尺寸及公差的确定 属于这种情况的有内外圆柱面和某些平面加工，计算时只需考虑各工序的余量和该种加工方法所能达到的经济精度，其计算顺序是从最后一道工序开始向前推算，计算步骤为： 1 ．确定各工序余量和毛坯总余量。 2 ．确定各工序尺寸公差及表面粗糙度。 最终工序尺寸公差等于设计公差，表面粗糙度为设计表面粗糙度。其它工序公差和表面粗糙度按此工序加工方法的经济精度和经济粗糙度确定。 3 ．求工序基本尺寸。 从零件图的设计尺寸开始，一直往前推算到毛坯尺寸，某工序基本尺寸等于后道工序基本尺寸加上或减去后道工序余量。 4 ．标注工序尺寸公差。 最后一道工序按设计尺寸公差标注，其余工序尺寸按“单向入体”原则标注。 例如，某法兰盘零件上有一个孔，孔径为，表面粗糙度值为R a0.8 μ m
第十章装配精度与加工精度分析任何机械产品及其零部件的设计，都必须满足使用要求所限定的设计指标，如传动关系、几何结构及承载能力等等。此外，还必须进行几何精度设计。几何精度设计就是在充分考虑产品的装配技术要求与零件加工工艺要求的前提下，合理地确定零件的几何量公差。这样，产品才能获得尽可能高的性能价格比，创造出最佳的经济效益。进行装配精度与加工精度分析以及它们之间关系的分析，可以运用尺寸链原理及计算方法。我国业已发布这方面的国家标准GB5847—86《尺寸链计算方法》，供设计时参考使用。 第一节尺寸链的基本概念 一、有关尺寸链的术语及定义 1．尺寸链 在机器装配或零件加工过程中，由相互连接的尺寸形成的封闭尺寸组，称为尺寸链。尺寸链分为装配尺寸链和工艺尺寸链两种形式。 （a）齿轮部件（b）尺寸链图（c）尺寸链图 图10-1 装配尺寸链示例 图10-1a为某齿轮部件图。齿轮3在位置固定的轴1上回转。按装配技术规范，齿轮左右端面与挡环2和4之间应有间隙。现将此间隙集中于齿轮右端面与挡环4左端面之间，用符号A0表示。装配后，由齿轮3的宽度A1、挡环2的宽度A2、轴上轴肩到轴槽右侧面的距离A3、弹簧卡环5的宽度A4及挡环4的宽度A5、间隙A0依次相互连接，构成封闭尺寸组，形成一个尺寸链。这个尺寸链可表示为图10-1b与图10-1c两种形式。上述尺寸链由不同零件的设计尺寸所形成，称为装配尺寸链。 图10-2a为某轴零件图（局部）。该图上标注轴径B1与键槽深度B2。键槽加工顺序如图10-2b所示：车削轴外圆到尺寸C1，铣键槽深度到尺寸C2，磨削轴外圆到尺寸C3（即图10-2a中的尺寸B1），要求磨削后自然形成尺寸C0（即图10-2a 中的键槽深度尺寸B2）。在这个过程中，加工尺寸C1、C2、C3和完工后尺寸C0构成封闭尺寸组，形成一个尺寸链。该尺寸链由同一零件的几个工艺尺寸构成，称为工艺尺寸链。
尺 寸 链 的 计 算 一、尺寸链的基本术语： 1.尺寸链——在机器装配或零件加工过程中，由相互连接的尺寸形成封闭的尺寸组，称为尺寸链。如下图间隙A0与其它五个尺寸连接成的封闭尺寸组，形成尺寸链。 2.环——列入尺寸链中的每一个尺寸称为环。如上图中的A0、A1、A2、A3、A4、A5都是环。长度环用大写斜体拉丁字母A，B，C……表示；角度环用小写斜体希腊字母α，β等表示。 3.封闭环——尺寸链中在装配过程或加工过程后自然形成的一环，称为封闭环。如上图中 A0。封闭环的下角标“0”表示。 4.组成环——尺寸链中对封闭环有影响的全部环，称为组成环。如上图中A1、A2、A3、A4、 A5。组成环的下角标用阿拉伯数字表示。 5.增环——尺寸链中某一类组成环，由于该类组成环的变动引起封闭环同向变动，该组成环 为增环。如上图中的A3。 6.减环——尺寸链中某一类组成环，由于该类组成环的变动引起封闭环的反向变动，该类组 成环为减环。如上图中的A1、A2、A4、A5。 7.补偿环——尺寸链中预先选定某一组成环，可以通过改变其大小或位置，使封闭环达到规 定的要求，该组成环为补偿环。如下图中的L2。
二、尺寸链的形成 为分析与计算尺寸链的方便，通常按尺寸链的几何特征，功能要求，误差性质及环的相互关系与相互位置等不同观点，对尺寸链加以分类，得出尺寸链的不同形式。 1.长度尺寸链与角度尺寸链 ①长度尺寸链——全部环为长度尺寸的尺寸链，如图1 ②角度尺寸链——全部环为角度尺寸的尺寸链，如图3
2.装配尺寸链，零件尺寸链与工艺尺寸链 ①装配尺寸链——全部组成环为不同零件设计尺寸所形成的尺寸链，如图4 ②零件尺寸链——全部组成环为同一零件设计尺寸所形成的尺寸链，如图5 ③工艺尺寸链——全部组成环为同一零件工艺尺寸所形成的尺寸链，如图6。工艺尺寸指工艺尺寸，定位尺寸与基准尺寸等。
尺寸链分析报告 工艺过程： 1、橡胶圈由分离机构从直振中拉出到固定位置。 2、视觉拍照，找橡胶套中心位置。 3、机器人理线工位辅助理线，配合机器人夹具将探 头sensor 线理直好插入橡胶圈。 已知条件： 1、橡胶套的内圆公差中心半径公差(理论中心与实际安装中 心的差值)mm A 15.015.010+-=2、探头的外圆半径公差(理论中心与实际安装中心的差 值)mm A 05.005.020+-=3、机器手抓取重复放置精度(理论中心与实际安装中心的差 值)mm A 05.0030+=4、相机本身引导误差mm A 05.00 40+=5、人工示教的容差mm A 2.01.050++=问题描述： 已知安装探头sensor 时机器探头中心与硅胶套中心的偏差， 即半径差值0.5mm ，即（探头能够安装进去橡胶套的最大偏 差值0.5mm 能够安装成功） 求：安装探头sensor 时机器探头中心与硅胶套中心的偏差， 即半径差值0 A 求解：根据题意，增环：1A ，2A ，3A ，4A ，5A ， 减环：无 封闭环：0 A 方法：尺寸链计算步骤及方法（统计法） 1.尺寸链的分析建立如图：
2.计算封闭环的基本尺寸： 封闭环的基本尺寸等于所有增环的基本尺寸和减去所有减环的基本尺寸和。 0=A 3.计算封闭环的公差： 批量生产条件下，组成环与封闭环的实际偏差均服从正态分布，且实际尺寸分布范围与公差带宽度一致。此时，封闭环的公差平方值等于所有组成环公差平方值之和。 4 .0, 16.01.005.005.01.03.0, 022222202 52423222120==++++=++++=T T T T T T T T 公差：公差：公差：4.计算封闭环的中间偏差。 封闭环中间偏差等于所有增环中间偏差之和减去所有减环中间偏差之和。 注：中间偏差等于上下偏差代数和再除以2.2 .0, 15.0025.0025.000, 00543210=?++++=??+?+?+?+?=?中间偏差：中间偏差：中间偏差：5.计算封闭环的极限偏差。 上偏差等于中间偏差加上二分之一公差值；下偏差等于中间偏差减去二分之一公差值。4.00 00000000, 02/4.02.02/)(, 4.02/4.02.02/)(+==-=-?==+=+?=A T A EI T A ES 偏差：下偏差：上偏差：答：满足装配精度要求,最大公差0.4mm,小于理论偏差0.5mm. 例2：感谢百度作者qq1473114691经验分享的方法： (2) (3)
第五章 工艺规程设计 例1:图示零件,2面设计尺寸为 2522 .00 +mm ，尺寸 600 12.0-mm 已经保证，现以1面定位用调整法 精铣2面，试计算工序尺寸。 解:(1)建立尺寸链 设计尺寸2522 .00 +mm 是间接保证的，是封 闭环，A 1（600 12.0-mm ）和A 2为组成环。 （2）计算 根据 A 0＝∑=m i i A 1－∑-+=11 n m i i A A 2 = A 1－A 0＝35 ES 0＝∑=m i i ES 1－ ∑-+=11 n m i i EI EI 2＝ES 1－ES 0＝－0.22 EI 0＝∑=m i i EI 1－∑-+=11 n m i i ES 2＝EI 1－EI 0＝－0.12 则：工序尺寸A 2＝3512.022.0--＝34.880 10.0-mm 。 例2:下图所示工件外圆、内孔及端面均已加工完毕，本序加工 A 面，保证设计尺寸8±0.1 mm 。由于不便测量，现已B 面作为测量基准，试求测量尺寸及其偏差。 解:（1）建立尺寸链 设计尺寸8±0.1是 mm 是封闭环，A 1、 A 2、A 3是组成环。 （2）计算 根据 A 0＝∑=m i i A 1－∑-+=1 1 n m i i A 1 = A 0－A 2＋A 3=18 ES 0＝∑=m i i ES 1－∑-+=1 1 n m i i EI ES 1=ES 0－ES 2＋EI 3=0 EI 0＝∑=m i i EI 1－∑-+=1 1 n m i i EI 1=EI 0－EI 2＋ES 3=－0.05 则：测量尺寸A 1＝180 05.0-＝17.9505 .00 ＋ mm 。
来源：作者：发布时间：2007-08-03 工艺尺寸链的计算方法有两种：极值法和概率法。目前生产中多采用极值法计算，下面仅介绍极值法计算的基本公式，概率法将在装配尺寸链中介绍。 图 3-82 为尺寸链中各种尺寸和偏差的关系，表 3-18 列出了尺寸链计算中所用的符号。 1 ．封闭环基本尺寸 式中 n——增环数目； m——组成环数目。 2．封闭环的中间偏差 式中0——封闭环中间偏差； ——第 i组成增环的中间偏差; ——第 i组成减环的中间偏差。 中间偏差是指上偏差与下偏差的平均值：
3．封闭环公差 4．封闭环极限偏差 上偏差 下偏差 5 ．封闭环极限尺寸 最大极限尺寸 A 0max=A 0+ES 0（3-27）最小极限尺寸 A 0min=A 0+EI 0（3-28）6．组成环平均公差 7．组成环极限偏差 上偏差 下偏差 8 ．组成环极限尺寸
最大极限尺寸 A imax=A i+ES I（3-32） 最小极限尺寸 A imin=A i+EI I（3-33） 工序尺寸及公差的确定方法及示例 工序尺寸及其公差的确定与加 工余量大小，工序尺寸标注方法及定位基准的选择和变换有密切的关系。下面阐述几种常见情况的工序尺寸及其公差的确定方法。 （一）从同一基准对同一表面多次加工时工序尺寸及公差的确定 属于这种情况的有内外圆柱面和某些平面加工，计算时只需考虑各工序的余量和该种加工方法所能达到的经济精度，其计算顺序是从最后一道工序开始向前推算，计算步骤为：1．确定各工序余量和毛坯总余量。 2．确定各工序尺寸公差及表面粗糙度。 最终工序尺寸公差等于设计公差，表面粗糙度为设计表面粗糙度。其它工序公差和表面粗糙度按此工序加工方法的经济精度和经济粗糙度确定。 3．求工序基本尺寸。
尺寸链的计算、各工序尺寸及公差计算 例2-3 如图所示的零件要求φ10mm 孔的中心与槽的对称中心相距100±0 .2mm ，各平面及槽均已加工，钻φ10mm 孔时以侧面K 定位，试确定钻孔时的工序尺寸A 及其偏差。 作业1 如左图所示。零件各平面及孔均已加工，求以侧面F 定位加工槽宽12的工序尺寸A 及其偏差。（定位基准与设计基准不重合） 作业2 如右图所示零件，其外表镀铬直径为 ，镀层双边厚度为0.08-0.03mm,表面的 加工顺序为车—磨—镀铬，试计算磨削时的工序尺寸A 。 例2-4如图所示零件顶端已加工完毕，加工内孔底面K 时，要保证尺寸20mm ，因该尺寸不便直接测量，试标出测量尺寸A 。（测量基准与设计基准不重合） 例2-5如图所示，一轴套零件，孔径为 mm 的表面要求渗氮，精加工后要求单边渗 氮层深度为 ，该表面的加工顺序：磨内孔—渗氮(单边t 1/2) —精磨内孔至尺 寸 ，并保证单边渗氮层的深度为 。试求精磨前渗氮层深度。 （工序基准是尚需继续加工的表面） 例2-6 图为一零件内孔的简图，其加工顺序为精镗内孔—加工(插或拉)键槽，保证尺寸A —淬火—磨内孔到设计尺寸同时间接保证键深尺寸46mm 。 045.030-φ04.00150+φ2.003.0+04.00150+φ2.003.0+
例题：如图所示的零件图的有关工艺过程如下。 ①车外圆至尺寸A1（IT9），如图b所示，留磨量z=0.6mm。 ②铣轴端小平台，工序尺寸为A2,如图c所示。 ③磨外圆，保证工序尺寸A3=28 （IT7）.试确定各工序尺寸及其偏差。 例2-1某型芯的直径为Φ50 ，尺寸精度IT5，表面粗糙度Ra要求为0.04μm。加工的工艺路线为：粗车--半精车—高频淬火—粗磨—精磨—研磨。用查表法确定毛坯尺寸、各工序尺寸及其公差。【列表】 例2-2需加工φ28孔。孔表面粗糙度为Ra0.8μm，淬火硬度为58～62HRC，加工顺序为钻孔——半精车——精车——热处理——磨孔。确定毛坯尺寸、各工序尺寸及其公差。【列表】