機械設計名詞之最大實體邊界MMB及最小實體邊界LMB


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作者本人也是本着學習的態度截取文章,以便以后查找和學習。

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最大實體邊界MMB及最小實體邊界LMB

定義

最大實體邊界MMB(Most Material Boundary)和最小實體邊界LMB(Least

Material Boundary)是2009版標准新引入的兩個概念,它們的符號與MMC及LMC的符號一致。

很多人認為沒必要去區分MMB和MMC 及LMB和LMC的區別,只要理解MMC及LMC的概念就可以了。

我認為這是完全錯誤的,新標准引入MMB和LMB的概念是有道理的,它的目的是為了幫助大家更好地理解基准形體的邊界及基准漂移(Datum Shift)的來源,它們與MMC、LMC的概念是完全不同的。MMC及LMC定義的一種材料狀態,與形位公差無關,它們用於修正被測形體的形位公差;而MMB及LMB定義的是一種邊界,與形公差有關,它們用於修正基准形體。

 

1. 最大實體邊界(MMB) —由基准形體尺寸公差及其它形位公差綜合定義的位於實體材料外部的邊界。

2. 最小實體邊界(LMB) —由基准形體尺寸公差及其它形位公差綜合定義的位於實體材料內部的邊界。

3. 與材料邊界無關(RMB) —表示模擬基准形體從MMB到LMB漸變以達到與實際基准形體表面的最高點或最低點接觸。

首先它們的定義與基准形體相關,也就是說只有基准形體才會用到MMB及LMB的概念。其次它們都與基准形體的尺寸公差及形位公差有關,MMB是位於材料外部的邊界,而LMB是位於材料內部的邊界。

 

那么對於孔類零件來說,它的材料外部的邊界就等於MMC減去它的形位公差,而它的材料內部的邊界LMB就等於LMC加上它的形位公差,也就是說它的MMB及LMB分別是基准形體的實效狀態VC。對於軸類基准形體來說,也是一樣的道理。

因此我們說MMB,LMB邊界就是基准形體在MMC或LMC時的VC,孔類基准形體的MMB是它的IB,LMB是它的OB,而軸類基准形體的MMB是它的OB,LMB是它的IB。

 

 

 

上面的例子中,我們測量4個φ7.7-8.1的孔的位置度用到的是基准B和C的MMB邊界,基准B的MMB=IB=MMC-GD&T=φ12.1-φ0.1=φ12,而基准C的MMB=IB=MMC-GD&T=8.2-0.1=8.1。

MMB及LMB的實際意義

我們已經知道,當基准形體在MMB或LMB時定義了一個固定的邊界,如果基准形體的相關聯實際包容體的尺寸偏離MMB或LMB,被測零件在測量時就可以在MMB或LMB邊界內移動,我們就稱這種現象為Datum

Shift,即基准的漂移(偏移)。

 

上面提到的例子中,我們已經計算得到基准B的MMB是φ12,因此我們定位該零件時采用的是一根φ12的銷子,如果基准形體B的垂直於基准形體A的關聯實際包容體(UAME)比這根銷子大,那么零件在定位時就可以移動,但移動的范圍受到定位銷子的限制。同理,當基准形體C垂直於A基准並通過B基准軸線關聯實際包容體比8.1大時,也允許有基准的漂移,如下圖所示。

 

 

 

那么基准的漂移對於我們零件的制造、測量有什么意義呢?我們想象一下上面的例子,要測量4個φ7.7-8.1的孔的位置度,我們用到的是在理論位置的四根φ7.3的銷子,要求它們同時能通過實際零件的四個孔。

在某些極限情況,如果零件完全定位,可能銷子與零件稍有干涉,但由於B和C都是在MMB,定位時零件允許一定量的移動或轉動,通過零件的移動,就有可能使四個銷子完全通過。也就是說某些在RMB時不合格的零件,在MMB時就有可能合格。

 

因此我們說通過使用MMB,在保證裝配的前提下給制造帶了額外的公差。同理,LMB時也允許基准的漂移,只是由於LMB建立的邊界是在材料內部,因此沒有辦法通過功能檢具來實現。

順便介紹一下RMB,這里的RMB不是人民幣,而是Regardless of Material

Boundary的縮寫,翻譯過來就是與材料邊界無關。RMB同RFS一樣,是一種默認的邊界條件。當基准沒有MMB或LMB符號修正時,那就是采用RMB邊界。

 

根據前面的定義,RMB時要求模擬基准形體從MMB向LMB漸變,直到與實際零件的基准形體達到最大接觸。因此RMB的邊界是隨着基准形體的實際尺寸、方向和位置的變化而變化,它是一個動態的邊界。制造檢具時,我們可以考慮使用平台、彈簧銷、錐銷及卡盤等來模擬基准形體。

邊界的應用

我們已經學習了很多邊界,包括MMC和LMC,IB和OB,VC和RC,以及MMB和LMB。MMC時是滿足裝配最小間隙要求,LMC時是確保最小壁厚。裝配的最小間隙就等於孔在MMC時VC減去軸在MMC時的VC;最小壁厚就等於軸在LMC時VC減去孔在LMC時VC。我們可以看到,實效狀態VC是真正確保設計意圖的邊界。

位置度公差的確定

位置度公差的確定是一個非常復雜的課題,我在這里只想通過一個簡單的例子了來確定滿足裝配要求的位置度。

 

 

 

還是看這個例子,如果只考慮尺寸要求,孔的MMC時φ30.1,而軸的MMC是φ29.9,因此時會有φ0.2的最小間隙。

考慮到零件實際制造時會有一定的方向和位置誤差,實際裝配時應該使用零件的實效狀態VC,為滿足裝配,我們要求孔的VC減去軸的VC大於等於0,因此這個φ0.2的最小間隙就是孔和軸允許的最大位置度誤差的總和。

於是就有:孔的位置度公差 + 軸的位置度公差>=孔的MMC - 軸的MMC

如果設定孔的位置度公差為φ0.1,那么軸的位置度公差最大只能是φ0.2- φ0.1= φ0.1。

此時計算知道,孔的VC是φ30,軸的VC也是φ30,它就滿足了裝配的要求。當然我們也可以設定孔的位置度為0.15,那么軸的位置度就只能是0.05。

到底應該怎樣去分配這個公差帶,完全取決於零件的制造難度。如果需要,我們可以通過放大MMC時的最小間隙來放寬位置度公差帶。

如何確定LMC時的位置度呢?我們知道LMC是保證最小壁厚,最小壁厚等於軸在LMC時的VC(即IB)減去孔在LMC時VC(即OB)。那么孔和軸的位置度公差確定就有了下面的公式:孔的位置度公差 + 軸的位置度公差>=軸的LMC – 孔的LMC – 最小壁厚

零公差的應用

上面的設計是否一個好的設計?毫無疑問是的,它完全滿足了可裝配性及互換性的要求。

但這個設計是否是個完美的設計呢?讓我們先思考一個問題:如果孔的尺寸制造在它的MMC,即φ30.1,而它的實際位置度為0,而軸的實際尺寸為φ 30,實際位置度是φ0.1,此時軸是完全可以裝配到孔內,但它卻會因為尺寸超差而被拒收;

 

同樣如果軸加工在它的MMC φ29.9,並且它的實際位置度為0,那么孔加工在φ30,位置度為φ0.1時也是滿足裝配要求的,但也會因為尺寸超差而被拒收。再進一步想想,這些拒收的零件實際上是裝配間隙最小,裝配情況最好的零件。這種現象的出現豈不認人扼腕痛惜?

如何來避免這種現象發生呢?答案是采用0公差。方法很簡單,只需三步:第一步將孔和軸的MMC調成一致,即MMC時間隙為0,第二步將孔和軸的位置度公差帶都設為0,第三步是用MMC來修正孔和軸的位置度公差值。將上面的例子中孔的尺寸變為φ30.0-30.5,軸的尺寸變為φ29.5-30.0,同時將孔和軸的公差值都設為0,並用MMC修正,就變成下圖:

 

 

 

此時孔和軸的VC還都是φ30,滿足裝配要求,它包含了前面設計中的所有公差帶,並放大了尺寸公差。這樣所有滿足裝配的零件都不會被拒收。因此我們講這樣的設計才是一個完美的設計。

在LMC時我們也可以應用0公差,以避免滿足壁厚要求的零件被拒收。方法與MMC時相似:第一步使得軸的LMC減去孔的LMC正好等於設計要求的最小壁厚,第二步將孔和軸的位置度公差帶都設為0,第三步是用LMC來修正孔和軸的位置度公差值。同樣這種設計既能保證所有滿足壁厚的零件都不被拒收,同時又放大了尺寸公差,降低了成本。

功能檢具

功能檢具的理論依據就是利用了形位公差定義的實效狀態邊界及基准形體的MMB邊界。我們知道LMC時的實效狀態邊界位於材料內部,因此無法使用功能檢具;

而RFS時,形位公差值是個定值,它沒有一個固定的實效狀態邊界,它與尺寸公差共同構成的邊界隨着實際尺寸的變化而變化,因此也無法采用功能檢具;

 

所以我們說只有當形位公差值用MMC修正時才能使用功能檢具。那么當基准形體在RMB時是否可以制作功能檢具呢?答案是肯定的。由於RMB時,它沒有一個固定邊界,因此我們必須使用一些可變化的模擬基准形體來制作檢具以定位零件,如彈簧銷,錐銷,卡盤,自動定心設備等。

設計功能檢具的原理很簡單,就是用實際模擬基准建立基准坐標系來定位零件,用被測形體在理論方向或位置的實效狀態邊界VC來檢測。我們只需三步就能設計出一個完整的檢具:第一步是按照模擬基准設計出零件的定位系統,第二步被測形體VC設計出它的檢測元件,第三步按照理論尺寸將檢測元件放入定位系統中。

 

 

 

我們還是用同一個例子,如果我們要制作孔的位置度檢具,首先要將零件按基准順序定位,然后在孔的理論位置插入一個直徑等於孔的VC的軸,如果這根軸能完全插入零件的孔中,那么這個孔的位置度就是合格的,否則就不合格。

因此功能檢具實際上是模擬了它的匹配件在基准系統內的最差裝配情況,在滿足尺寸公差的前提下,能裝上的零件就是好零件,這就是功能檢具的基本理念。在上圖中孔在VC時零件就是軸的檢具,而軸在VC時的零件也可以作為孔的檢具。

 

檢具的設計是一門系統工程,有必要的話可以專題討論。這里想強調的是,用來建立基准坐標系的是實際模擬基准形體,由實際模擬基准形體建立起來的基准坐標系就是檢具的定位部分,實際模擬基准形體(也就是檢具)的制造必須具有足夠的精度以減少測量誤差。

最后送給大家兩句GD&T舞台上的經典台詞:

所有測量系統都是有誤差的!——取決於它的可接受程度

任何小概率事件在大批量生產時都會發生!——不要有僥幸心理


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