CN102721386B - 钢构件装配孔孔径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢构件装配孔孔径计算方法，为两个或两个以上钢构件（1）需要组对的装配孔（2）孔径的计算，根据现有的连接件的直径和使用的公差，分别计算出孔径，在使用圆公差φα时，=+α；使用方公差α²时，=+α。通过本发明计算出的钻孔径孔，避免了某些孔径选取不尽合理的现象，在保证公差的情况下，构件装配时即具有极高穿孔率，可改善以往因上述原因产生穿孔率较低，有时造成大量返工，还会带来大量损失的弊端。

Description

钢构件装配孔孔径计算方法

技术领域

本发明涉及到一种钢构件装配孔孔径计算方法。

背景技术

目前大多数钢结构的安装装配联结、主要为螺栓联接和焊接，而其中以螺栓联接占有大部份比例。在工厂化的批量钢结构制作中，无论哪一种制孔工艺，因多种因素使加工出的成孔中心，与设计的孔位中心总会产生一定误差，必须以构件的X、Y轴直角坐标为基准，设计出孔的位置中心线及其公差。钻成孔的位置是否合格，一般以构件X、Y轴坐标为参照，对成孔中心距离的误差值进行测量、并与孔位的公差值进行比较来解读和判定，而所述的孔位公差包括两种孔位公差，即圆公差与方公差。

如图1所示，在孔中心线x、y轴座标中、设计给定的圆形公差为φ1.0，即图中打点部份。如图有任一直径为D1的孔中心点O1、落在φ1.0的圆形公差内，因而该孔应为合格孔，而其他孔的中心如O2、O3、O4落在圆形公差φ1.0的边缘上，其误差值均等于孔公差的极限偏差——单向的正或负偏差值，也应为合格孔。此孔位公差形式，一般应用于机械制造行业，所标注的公差称为位置度。这里，将孔中心着点允许变动的圆形区域，参照公差“带”的形象命名，暂定义为“公差圆”。而公差方与公差圆方法类似，只不过其公差带为一个公差方，如图2所示，孔心O5、O6、O7、O8落在方形公差带内的孔，即为合格孔。

一般理想装配，为两构件相互配对的单孔完全重合，再穿入与孔公称直径相等的紧固件并紧固。因为存在加工误差或限定公差，如上述的圆公差或方公差，所以在构件的基准中心线x、y轴完全重合时，构件上的配对孔一般不可能完全重合，分别存在对孔中心的偏移，如图3所示的上层的钢构件（1）与下层的钢构件（1），它们的装配孔（2）存在与中心线的偏差，所以与装配孔（2）等直径的紧固件（3）（这里使用的是螺栓）很难连续穿过两个装配孔（2）。现有考虑上述情况，将螺孔增大，使螺杆易于穿过的作法，但未能进行系统科学的计算，使得构件安装时穿孔率较低，或安装错位太大，造成了大量的返工，有时还会带来不可估量的损失。

发明内容

本发明的目的即在于克服现在技术上的不足，提供一种钢构件装配孔计算方法，解决因孔径计算不科学，导致穿孔率较低的问题。 

本发明是通过以下技术方案来实现的：

钢构件装配孔孔径计算方法，为两个或两个以上钢构件需要组对的装配孔孔径的计算，包括以下步骤：

a、确定紧固件的直径为                                               ,以及钻孔时应用的公差T；

b、所有钢构件的预定孔中心位置一致，根据步骤a的公差T可以得到一个公差带，该公差带的中心位置与预定孔中心位置重合；

c、根据钻孔要求，成孔的孔心必须要在公差带的范围内，才能算合格孔，所以所有钢构件的装配孔的孔心均落在公差带内；

d、将无限个钢构件进行叠合，根据步骤c得到的结论，因为装配孔的晃动，得到一个区域变小的实效孔；

e、使得紧固件能够穿过实效孔，即得到实效孔的最大内切圆的直径等于紧固件的直径；

f、根据计算出装配孔的孔径。

更进一步，上述的公差为圆公差φα或者方公差α²：

（1）当公差T为圆公差φα，即得到公差带为直径α的公差圆，所以装配孔的孔心在公差圆内晃动，任意两个装配孔的孔心偏差的最远距离等于公差圆的直径α，得到实效孔的最大内切圆的直径=-α，即可计算出装配孔的孔径与紧固件的直径的关系=+α。

（2）当公差T为方公差α²，即得到公差带为边长α的公差方，所以装配孔的孔心在公差方内晃动，任意两个装配孔的孔心偏差的最远距离等于公差方的对角线α，得到实效孔的最大内切圆的直径=-α，即可计算出装配孔的孔径与紧固件的直径的关系=+α。

上述的紧固件为螺栓、销钉或铆钉。

本发明的有益效果是：通过系统科学地增大装配孔的孔径，避免了某些孔径选取不尽合理的现象，在保证公差的情况下，达到构件装配中具有极高穿孔率的效果；并揭示出公差园与公差方钻孔的不同之处，两种方法钻孔会形成不同的阻挡区，因此两钻孔方法不能混用。

附图说明

图1 为机械制造中的公差圆；

图2 为机械制造中的公差方；

图3 为钢构件装配中装配孔偏差示意图；

图4 为钢构件装配中装配时的孔位图；

图5 为按公差圆加工的装配孔在装配过程中形成的“孔晃小”现象示意图；

图6 为按公差圆加工的装配孔在装配过程中形成的“杆晃大”现象示意图；

图7 为按公差方加工的装配孔在装配过程中形成的“孔晃小”现象示意图；

图8 为按公差方加工的装配孔在装配过程中形成的“杆晃大”现象示意图；

图9 为按公差圆制孔形成的阻挡区；

图10 为按公差方制孔形成的阻挡区；

图中，1-钢构件，2-装配孔，3-紧固件，4-公差方，5-实效孔，6-公差圆，7-实效杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明：

首先我们讨论装配孔2的孔径与螺杆的直径一样大时，即使用公称螺杆和公称孔径，穿孔率很低的原因，我们分别依图5、图6中的圆公差φα定位，以及图7、图8中的方公差α²定位为例：

（1）依图5、图6中的圆公差φα定位，图中虚线为公差圆6，图6为上端钢构件上的孔，该孔首先穿入螺栓杆，代表螺杆直径，并设为螺杆孔。图5为下端构件上的配对孔，即设为被穿孔。且此两钢构件孔的大小相同、公差一致。图5中可见有一在公差圆6极限上、以O₂为中心点的圆，其边缘线以双点线表示，代表上述孔。圆O₂对基准中心线的偏差等于公差圆6的半径，圆O₂的圆周边缘对其基准中心最小距离为ob, 最大距离为oa。由图中可见，在批量加工的构件中，还有如任一孔中心O₁、及其它若干极限偏差上的孔中心点O₃、O₄…可能被加工出来，这些中心点都未超出公差圆6，并围绕基准点O“晃动”，动态地因批量件个体、时间和孔位变化总形成一孔边内包络圆，图5中实线即为内包络圆，无形中将相互组装配合的设计孔径缩小了。该批量组合装配的最小实际效果孔径即实效孔5，为内包络圆直径。这种现象，可称为“孔晃小”。实效孔5的孔径为：

=-α       其中：为公称孔直径，α为钻孔位置公差圆6直径。

另外，在图6中有与图5一样大小的装配孔，其中心点O₅，在与图5相同的公差圆6极限位置上，此为上端构件板孔，前述该孔代表螺栓，孔的大小与螺栓等径。同样，图中还有任一孔中心O₆、O₇、O₈ …可能被加工出来，这些中心点都未超出公差圆6，为合格孔。均围绕基准点O“晃动”，其极限位置的孔边缘到基准中心的最小距离和最大距离，如图中的ob和oa。可见，这些若干孔边向外最大距离的晃动，动态地形成一外包络圆，图6中实线即为外包络圆，而孔边也即螺杆的圆柱面，无形中将螺杆直径变粗变大了，该装配的最大实际效果杆径即实效杆7，为其外包络圆的直径。这种现象，可称为“杆晃大”。其装配的实效杆7为：

D_实效杆=+α

由上述分析可见：就组合装配的被穿孔和螺杆孔而言，当其钻孔孔径、孔位公差相同，并且均为公称螺杆和公称孔径时，即使检验孔均为合格。在将它们的中心线x、y轴完全重合后，因加工误差而存在孔晃小、杆晃大这一现象，图6中的最大螺杆，很难穿过图5中的最小孔。因而在批量制孔的装配中，以极值法推理，其穿孔率很小。

为了适应加工误差或孔位公差所引起的孔晃动，而保证螺栓杆与孔的绝对穿过，必须设计一定的孔间隙。上述最小实际效果孔径和最大实际效果杆径，也可称之最小动态孔和最大动态杆。要使最大杆穿过最小孔，必须将最小实际效果孔径增大到与最大实际效果杆径一致，方可消除阻挡区域，如图9所示，外包络圆与内包络圆之间阴影部位即为阻挡区域：

Δ_圆阻区=D_实效杆 － D_实效孔=（+α）－（-α）

Δ_圆阻区=  2α                             1-1

如以公称被穿或螺杆与其实际效果孔径比较，则应同时增加其间隙为

δ_圆间隙 = Δ_圆阻区 / 2=α                      1-2

因此，在理论上只要保证螺杆与孔之间有α的最小间隙，钻孔位置误差小于或等于α时，对批量装配的构件板孔，其装配的螺栓就能全部穿过，达到100%穿孔率。

因此δ_圆间隙≥α，应为公差圆定位的装配间隙的主要依据。

（2）以及图7、图8中的方公差α²定位为例，图中虚线为公差方4，图7中为按公差方加工的被穿孔，图8为按公差方加工的螺杆孔，两图孔的大小和加工公差均一致。按公差方α²检测图7的若干被穿孔、及图8的若干螺杆孔均为合格孔。同样存在上述“孔晃小、杆晃大”的现象，所不同的是按方公差制检的合格孔晃动，与圆公差的比较，不仅引起孔的大小变化，还引起孔的形状变化。

在图7中的实线部分，即由孔公差许可的晃动形成的内包络线图形，是一弧边四边形，其装配时的最小实际效果孔径即实效孔5的孔径为：

=-α       其中：为公称孔直径，α为孔位置公差方α²的边长α。

而在图7中的实线部分，即由孔公差许可的晃动形成的方外包络线图形，是一圆角四边形，其装配时的最大实际效果杆径即实效杆7的直径为：

D′_实效杆 = +α

为了适应加工误差或孔位公差所引起的孔晃动，要保证最大杆穿过最小孔，必须将最小实际效果孔径增大到与最大实际效果杆径一致，方可消除阻挡区域，如图9所示，外包络线和内包络线之间的阴影即为阻挡区，其最大宽度为

Δ′_方阻区=D′_实效杆 — D′_实效孔=+α—-α

Δ′_方阻区=  2α                   2-3

如以公称被穿孔或螺杆孔与其实际效果孔径其比较，则应同时增加其间隙为

δ′_方间隙=Δ′_方阻区 / 2=α                     2-4

因此，在理论上只要保证螺杆与孔之间有α的最小间隙，钻孔位置误差≤α_公差，对批量装配的构件板孔，其装配的螺栓就能全部穿过，达到100%的穿孔率。

因而δ′_方间隙≥α，应为公差方定位的装配间隙的主要控制依据。

由上面的讨论我们可以得到钢构件装配孔孔径计算方法，即两个或两个以上钢构件1需要组对的装配孔2孔径的计算，如图4、图5、图7所示，包括以下步骤：

a、确定紧固件3的直径为,以及钻孔时应用的公差T，紧固件3可为螺栓、销钉或铆钉；

b、所有钢构件1的预定孔中心位置一致，根据步骤a的公差T可以得到一个公差带，该公差带的中心位置与预定孔中心位置重合；

c、根据钻孔要求，成孔的孔心必须要在公差带的范围内，才能算合格孔，所以所有钢构件1的装配孔2的孔心均落在公差带内；

d、将无限个钢构件1进行叠合，根据步骤c得到的结论，因为装配孔的晃动，得到一个区域变小的实效孔5；

e、使得紧固件3能够穿过实效孔5，即得到实效孔5的最大内切圆的直径等于紧固件的直径；

f、根据计算出装配孔的孔径。

更进一步，上述的公差T为圆公差φα或者方公差α²：

（1）当公差T为圆公差φα，即得到公差带为直径α的公差圆6，所以装配孔2的孔心在公差圆6内晃动，任意两个装配孔2的孔心偏差的最远距离等于公差圆6的直径α，得到实效孔5的最大内切圆的直径=-α，即可计算出装配孔2的孔径与紧固件的直径的关系≥+α。

（2）当公差T为方公差α²，即得到公差带为边长α的公差方4，所以装配孔2的孔心在公差方4内晃动，任意两个装配孔2的孔心偏差的最远距离等于公差方4的对角线α，得到实效孔5的最大内切圆的直径=-α，即可计算出装配孔2的孔径与紧固件的直径的关系≥+α。

Claims (2)

1.钢构件装配孔孔径计算方法，为两个或两个以上钢构件（1）需要组对的装配孔（2）孔径的计算，其特征在于，包括以下步骤：

a、确定紧固件（3）的直径为                                                ,以及钻孔时应用的公差T，所述的公差T包括圆公差φα和方公差α²；

b、所有钢构件（1）的预定孔中心位置一致，根据步骤a的公差T可以得到一个公差带，该公差带的中心位置与预定孔中心位置重合，当公差T为圆公差φα时，公差带为为直径α的公差圆（6），当公差T为方公差α²，公差带为边长α的公差方（4）；

c、根据钻孔要求，成孔的孔心必须要在公差带的范围内，才能算合格孔，所以所有钢构件（1）的装配孔（2）的孔心均落在公差带内；

d、将无限个钢构件（1）进行叠合，根据步骤c得到的结论，因为装配孔（2）的晃动，得到一个区域变小的实效孔（5），当公差T为圆公差φα时，所述的装配孔（2）的孔心在公差圆（6）内晃动，任意两个装配孔（2）的孔心偏差的最远距离等于公差圆（6）的直径α，得到实效孔（5）的最大内切圆的直径=-α，当公差T为方公差α²，所述的装配孔（2）的孔心在公差方（4）内晃动，任意两个装配孔（2）的孔心偏差的最远距离等于公差方（4）的对角线α，得到实效孔（5）的最大内切圆的直径=-α；

e、使得紧固件（3）能够穿过实效孔（5），即得到实效孔（5）的最大内切圆的直径等于紧固件的直径；

f、根据计算出装配孔的孔径，当公差T为圆公差φα时，装配孔（2）的孔径=+α，当公差T为方公差α²，装配孔（2）的孔径=+α。

2.根据权利要求1所述的钢构件装配孔孔径计算方法，其特征在于，所述的紧固件（3）为螺栓、销钉或铆钉。