船舶柴油机装配工艺基础知识

第一章装配工艺基础将加工好的各个零件（或部件）根据一定的技术条件连接成完整的机器（或部件）的过程，称为柴油机（或部件）的装配。船舶柴油机是由几千个零件组成的，其装配工作是一个相当复杂的过程。柴油机的装配是柴油机制造过程中最后一个阶段的工作。一台柴油机能否保证良好的工作性能和经济性以及可靠地运转，很大程度上决定于装配工作的好坏，即装配工艺过程对产品质量起决定的影响。因此，为了提高装配质量和生产率，必须对与装配工艺有关的问题进行分析研究。例如，装配精度、装配方法、装配组织形式、柴油机装配工艺过程及其应注意的问题和装配技术规范等等。第－节装配精度及装配尺寸链一、装配精度船舶柴油机制造时，不仅要求保证各组成零件具有规定的精度，而且还要求保证机器装配后能达到规定的装配技术要求，即达到规定的装配精度。柴油机的装配精度既与各组成零件的尺寸精度和形状精度有关，也与各组成部件和零件的相互位置精度有关。尤其是作为装配基准面的加工精度，对装配精度的影响最大。例如，为了保证机器在使用中工作可靠，延长零件的使用寿命以及尽量减少磨损，应使装配间隙在满足机器使用性能要求的前提下尽可能小。这就要求提高装配精度，即要求配合件的规定尺寸参数同装配技术要求的规定参数尽可能相符合。此外，形状和位置精度也尽可能同装配技术要求中所规定的各项参数相符合。为了提高装配精度，必须采取一些措施：⑴提高零件的机械加工精度；⑵提高柴油机各部件的装配精度；⑶改善零件的结构，使配合面尽量减少；⑷采用合理的装配方法和装配工艺过程。柴油机及其部件中的各个零件的精度，很大程度上取决于它们的制造公差。为了在装配时能保证各部件和整台柴油机达到规定的最终精度（即各部分的装配技术要求），这就有必要利用尺寸链的原理来确定柴油机及其部件中各零件的尺寸和表面位置的公差。根据尺寸链的分析，可以确定达到规定的装配技术要求所应采取的最适当的装配方法和工艺措施。二、装配尺寸链装配尺寸链：任何一个机构，如活塞连杆机构、配气机构等，都是由若干个相互关联的零件所组成，这些零件的尺寸就反映着它们之间的关系，并形成尺寸链。这种表示机构中各零件之间的相互关系的尺寸链，就称之为装配尺寸链。装配尺寸链可由装配图看出，如图1-1所示为活塞与气缸配合的装配尺寸链图。图中b)所示为其相应的尺寸链简图。装配尺寸链中的封闭环，它在装配前是不存在的，而是在装配后才形成的，如图1-1（b)中的N。封闭环通常就是装配技术要求。其中如果某组成环的尺寸增大（其他各组成环不变情况下），使封闭环的尺寸也随之增大，则此组成环称为增环，如果某组成环尺寸增大，使封闭环的尺寸随之减少，则此组成环称为减环。封闭环的基本尺寸等于所有各组成环基本尺寸的代数和，即等于所有增环的基本尺寸之和减去所有减环的基本尺寸之和。它可由下式表示：111nmjjmzzAAN式中：N——封闭环的基本尺寸；Az——A1、A2、Am，为各增环的基本尺寸；m——增环数；Aj——Am+1、Am+2、An-1，为各减环的基本尺寸；n——尺寸链的环数（包括封闭环在内）。为了使装配达到规定的装配技术要求，从尺寸链的观点看，就是要保证尺寸链中的封闭环达到规定的精度要求。尺寸链封闭环的公差等于所有各组成环的公差之和。它可由下式表示：111321niAiAnAAAN式中：δN——封闭环的公差；δAi——各组成环的公差；n——尺寸链的环数（包括封闭环在内）。以上是用完全互换法计算尺寸链的基本公式。分析柴油机的装配尺寸链时，应从装配图中，找出各个零件或部件之间的相互关联的尺寸链关系，然后按照装配技术要求，找出以此技术要求为封闭环的装配尺寸链。同理，根据各个部件的装配技术要求，依次找出机器的全部装配尺寸链。例1柴油机压缩室高度装配尺寸链及其计算。图1-2所示为柴油机各零件所组成的尺寸链关系图。为了保证柴油机的压缩比，压缩容积必须保持恒定，即压缩室的高度必须一定。压缩室高度以N表示。N是在装配后形成的，图1-1活塞与气缸套的配合的尺寸链图因此，N为封闭环。从柴油机的装配图中，可以找出由固定件和运动件等为组成环所构成的尺寸链。a)b)图1-2柴油机压缩室高度计算尺寸链图图中：A1——主轴承孔轴线至机座上平面的距离；A2——机座垫片厚度；A3——机体总高度；B4——机体上装气缸套的凹坑深度；A5——气缸套垫片厚度；A6——气缸套凸肩高度；A7——气缸盖垫片厚度（压缩后的尺寸）；B8——气缸盖凸台高度；B9——活塞销轴线至活塞顶平面之距离；A10——连杆小端孔与活塞销间隙的一半；B11——连杆大小端孔轴线距离；A12——连杆大端孔与曲柄销间隙的一半；B13——曲柄半径；A14——主轴承孔至主轴颈间隙的一半。以上各尺寸参数都直接影响到压缩室的高度。因此，压缩室高度N的基本尺寸为：)()(1311984141210765321BBBBBAAAAAAAAAN而压缩室高度公差δN等于所有各组成环公差的总和（其中尺寸Bi以Ai来代替），即：141iAiN式中：δAi——各组成环的公差。例2如图1-3所示，在柴油机的曲轴主轴颈与止推轴承配合中，由主轴颈、两个止推环、主轴承的轴向尺寸和轴向间隙形成一个装配尺寸链。根据使用要求，规定轴向间隙为sNxNN0，由结构设计要求，主轴颈轴向长度基本尺寸为A1，主轴承轴向长度基本尺寸为A3。试计算有关零件轴向基本尺寸和公差带。图1-3曲轴主轴颈与止推主轴承配合及轴向尺寸的尺寸链根据尺寸链方程式，两个止推环的基本尺寸可用下式表示：NAAAA3142设两个止推环厚度相等，即42AA，得)(213142NAAAA根据封闭环公差方程式，各组成环公差与封闭环公差存在下列不等式：114321niNAi用等公差的分配方法求得各组成环的平均公差为：1nNAiM由于各组成环零件加工不太困难，而且组成环环数不多，可以采用极值解法。求出平均公差后，还要根据各组成环制造的难易程度和经济合理性，进行调整，调整后各组成环的公差之和仍应满足不等式的要求。组成环A2、A4容易加工，公差可以减小；组成环A1加工较难保证需要增大公差值而A3维持其平均公差值，加工还不是很困难。确定各组成环的上、下偏差：组成环A1为包容尺寸按基准孔考虑，下偏差为零；A3则为被包容尺寸按基准轴考虑，上偏差为零，A2、A4做为协调环，其偏差不能再按单向偏差形式考虑，而由尺寸链的计算来确定。为了制造方便取A2、A4的上偏差相等（△SA2=△SA4)和下偏差相等(△XA2=△XA4)。由下式可分别求得A2、A4的上、下偏差。111nmjjXmiiSSAAN111nmjjSmiiXXAAN第二节装配方法装配方法与解装配尺寸链的方法是密切相关的。为了达到规定的装配技术要求，解尺寸链确定部件或柴油机装配中各个零件的公差时，必须保证它们装配后所形成的积累误差不大于部件或柴油机按其工作性能要求所允许的数值。常用的装配方法有完全互换装配法、不完全互换装配法、选择装配法、修配法、调整法等五种。一、完全互换装配法完全互换装配法的实质是：以完全互换为基础来确定机器中各个零件的公差，零件不需要作任何挑选、修配或调整，装配成部件或机器后就能保证达到预先规定的装配技术要求。用完全互换装配法时，解尺寸链的基本要求是：各组成环的公差之和不得大于封闭环的公差。可用下式来表示NniAi11为了实现上述装配方法，应将每个零件的制造公差预先给予规定，实践中常采用等公差法和等精度法来解决这个问题。用完全互换装配法的主要优点是：⑴可以保证完全互换性，装配过程较简单；⑵可以采用流水装配作业，生产率较高；⑶不需要技术水平高的工人；⑷机器的部件及其零件的生产便于专业化，容易解决备件的供应问题。但是，这种方法也存在一定的缺点：对零件的制造精度要求较高，当环数较多时有的零件加工显得特别困难。因此，这种方法只适用于生产批量较大、装配精度较高而环数少的情况，或装配精度要求不高的多环情况中。针对这种情况，尤其对多环且装配精度要求高的场合，可采用不完全互换装配法。二、不完全互换装配法不完全互换装配法又称部分互换装配法。这种方法的实质是：考虑到组成环的尺寸分布情况，以及其装配后形成的封闭环的尺寸分布情况，可以利用概率论给组成环的公差规定得比用完全互换装配法时的公差大些，这样在装配时，大部分零件不需要经过挑选、修配或调整就能达到规定的装配技术要求，但有很少一部分零件要加以挑选、修配或调整才能达到规定的装配技术要求。换句话说，用这种装配方法时，有很少一部分尺寸链的封闭环的公差将超过规定的公差范围，不过可将这部分尺寸链控制在一个很小的百分数之内，此百分率称为“危率”（或“冒险率”）。这样，根据封闭环的公差计算组成环的公差时，必须考虑到危率和组成环的尺寸分布曲线的形状。不完全互换装配法在大批量生产中，装配精度要求高和尺寸链环数较多的情况下使用，显得更优越。三、选择装配法选择装配法就是将尺寸链中组成环（零件）的公差放大到经济可行的程度，然后从中选择合适的零件进行装配，以达到规定的装配技术要求。用此法装配时，可在不增加零件机械加工的困难和费用情况下,使装配精度提高。选择装配法在实际使用中又有两种不同的形式：直接选配法和分组装配法。1.直接选配法所谓直接选配就是从许多加工好的零件中任意挑选合适的零件来配套。一个不合适再换另一个，直到满足装配技术要求为止。例如，在柴油机活塞组件装配时，为了避免机器运转时活塞环在环槽内卡住，可以凭感觉直接挑选易于嵌入环槽的合适尺寸的活塞环。这种方法的优点是不需要预先将零件分组，但挑选配套零件的时间较长，因而装配工时较长，而且装配质量在很大程度上取决于装配工人的经验和技术水平。2.分组装配法这种方法的实质是将加工好的零件按实际尺寸的大小分成若干组，然后按对应组中的一套零件进行装配，同一组内的零件可以互换，分组数愈多，则装配精度就愈高。零件的分组数要根据使用要求和零件的经济公差来决定。部件中各个零件的经济公差数值，可能是相同的，也可能是不相同的。零件的分组数以K表示，可按下式计算：AiAiK式中：Ai——零件的经济公差（零件的制造公差）；Ai——零件的组公差（零件分组后在该组内的尺寸变动范围）。由于部件中各个零件的Ai和Ai不一定相同，因此应按最大的K来分组，并且以对应组内完全互换为基础，对应组内各零件尺寸的公差及其上、下偏差必须满足完全互换装配法的各个公式的要求。利用这种方法，可不减小零件的制造公差而显著地提高装配精度，但它也有一些缺点。例如，增加了检验工时和费用，在对应组内的零件才能互换，因而在一些组级可能剩下多余的零件不能进行装配等。因此，分组装配法主要用以解决装配精度要求高、环数少（一般不超过四个环）的尺寸链的部件装配问题。例如，柴油机制造中的活塞销和活塞销孔、燃油设备的柱塞副、针阀副、齿轮油泵等的装配中，已广泛采用。四、修配法当装配尺寸链中封闭环的精度要求很高且环数较多，采用上述各种装配方法都不适合时，可采用修配法。修配法的实质是：为使零件易于加工，有意地将零件的公差加大。在装配时则通过补充机械加工或手工修配的方法，改变尺寸链中预先规定的某个组成环的尺寸，以达到封闭环所规定的精度要求。这个预先被规定要修配的组成环称为“补偿环”。如果将尺寸中各组成环按经济公差1A、2A1An进行加工，则装配后封闭环的实际变动量（以△N表示）为：11niAiN这时，装配后△N将比允许变动量（即规定的封闭环的公差δN）为大，其差位为△K：NniAiNKN11差值△K称为“尺寸链的最大补偿量”，即装配时的最大修配量。装配时，修配尺寸链中某一预先被规定作为补偿环的那个组成环的尺寸，以达到封闭环的精度要求。用修配法解装配尺寸链时，一方面要保证各组成环有经济的公差，另一方面不要使补偿量△K过大，以致造成修配工作量过大。此外，