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2019/6/30

銷的配合設計

銷 ( Pin ) 設計上有幾種作用:

1. 定位
一般零件跟零件的位置關係在設計上可以分成後製程組裝調整,跟加工預留基準靠邊兩大類方法,
兩種方法各有優缺點,
後面組裝進行調整時,
如果設計調整機構/機制不好,
要靠人工調整到精確的位置其實難度很高,
即使調整好也有可能因為受力、振動產生移位。

如果需要精確位置關係,
設計時最好是在設計上就有留好靠邊定位的設計跟壓緊防止移位的設計;
加工上,一般的 CNC 設備要作到 0.05的精確度算是相對容易達到的精度,
所以很多直線軌道固定件的設計上都會建議直接加工出靠邊的設計,如下圖:
圖片來源:MISUMI 網頁
這種設計的缺點是要銑削掉很多材料,零件的加工費用較高。
為了抵抗振動或其他力量負載,
甚至要加上對側“壓”的固定機構。

我看過一個電子設備廠商某些機型設備製作數量大,將滑軌底座以鑄造件製作後再銑出需要的基準面跟安裝用平面,以接近工具機的方法製作,在客製化/電子設備算是少見的作法。

如果精度要求沒有到很高,另外一種方式就是可以設計使用銷作為定位用的靠邊設計:

銷的靠邊定位設計上會有本身銷孔位加工位置公差,再加上銷本身的公差,
累計公差的量會比直接用銑削出來的加工面大,
所以在定位的精確性就會稍微差一點,但是如果使用在精度要求不高的應用上,使用定位銷在成本上會比較低。

註:
如果是使用有預壓、高精度線性滑軌的精密機構,應該要銑平面跟靠邊以利於取得較佳的精密定位要求,不然選預壓根高精度就沒有意義了;
相對的如果選用無預壓、微間隙的線軌,使用銑基準面、平面靠邊設計也是沒意義的。

2. 固定
一般機械常見的固定方式就是使用螺絲固鎖,
螺絲固鎖的型式通常就是一端鑽孔、一端有螺牙,
圖片來源:Autodesk Simulation Mechanical Help

設計上若在基準零件上攻牙 M6,
另外一個要鎖固的零件加工尺寸通常是 D6.6 或 D7,
如果兩件都是留孔加螺帽,兩個孔大概都是 D6.6或 D7,
孔相對螺絲軸會有正負 0.3~0.5 的移位空間。
圖片來源:Autodesk Simulation Mechanical Help


螺絲在固鎖過程中透過鎖緊扭力與螺紋斜度施加螺絲拉力,並促使螺紋產生變形,
這些力量與變形會在螺絲與固鎖零件之間、固鎖零件與基準面之間產生正向力,
這些正向力會在兩個面之間提供磨擦力阻止兩個元件產生相對運動。

圖片來源:mountz 網頁

但是如果與面平行的剪力大小超過磨擦力,
兩個元件就會產生相對運動而發生移位,
直到固鎖件的孔碰到螺絲因為固體材料阻擋而停下來。

所以使用螺絲固鎖的元件在剪力超過磨擦力的情況下,
其實都會發生孔徑減去螺紋外徑的移位距離可能。

所以如果要完全不動,就會使用緊配銷來排除這種現象,
同時也會提供一定程度的定位功能。


3. 旋轉
有些情況中,會需要一個旋轉軸心,
但是這一個旋轉動作只是在機構調整角度上偶而用到,
如果設計滾動或滑動軸承實在是有點浪費跟增加空間,
這時候就會考慮使用“旋轉銷”的設計,
簡單、便宜又方便。

銷孔的設計有分緊配跟鬆配,通常安裝固定住不動的銷孔配合會使用緊配,將銷打入後固定不動,
緊配的尺寸要看公司請購的銷是正公差或負公差,
參考 MISUMI 銷售的銷:

圖片來源:MISUMI 網頁

正公差的銷尺寸是直徑大0.005到0.01,

圖片來源:MISUMI 網頁

負公差的銷尺寸是直徑 h7,

圖片來源:MISUMI 網頁

一般定位、固定用應該會買正公差的銷,也就是直徑大0.005~0.01=D+0.005~D+0.01;
在固定件端的孔作緊配公差可以作比直徑小最多到0~0.015,也就是d~d-0.015,
所以兩者之間會有尺寸 0.005~0.025 的干涉量,
0.005應該輕輕敲就會進去孔內,0.025的干涉量就要用力敲才進得去。

在對手件配合銷孔通常會使用鬆配,兩個以上的孔孔除基準孔以外其他會採用長孔,以便於組裝。

另外不論鬆配或緊配,若想要控制銷的長度,或避免從鬆配孔中掉出去,
銷孔會使用段差孔,讓銷進入孔內可以被擋住,如下圖示:


參考資料:
1. NTU,公差與配合

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