機械零件設(shè)計中幾何公差的合理選用

在機械零件設(shè)計中，零件的尺寸精度、表面質(zhì)量和幾何精度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。幾何公差項目、公差原則、基準及公差值的合理選用，是保證零件設(shè)計精度、使用功能和產(chǎn)品質(zhì)量的重要內(nèi)容。

一、幾何公差項目的選用

幾何公差項目的選用應(yīng)遵循的原則是：在最大限度地滿足零件功能要求的前提下，以最少的幾何公差項目，獲得較好的經(jīng)濟性。首先要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征和加工情況，零件的功能和精度要求來合理選用幾何公差特征項目，同時要考慮幾何公差項目的特點和檢測方便性。

1.依據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征和加工情況

零件自身的結(jié)構(gòu)特征限定了可選擇的幾何公差項目。例如有平面要素的零件可選平面度、平行度誤差，有曲面要素的零件可選面輪廓度；圓柱體零件可根據(jù)零件自身各要素選擇軸線直線度、素線直線度、圓度、圓柱度、徑向圓跳動誤差；階梯孔零件會有同軸度誤差；零件上孔或軸的軸線會有位置度誤差等。

在機械零件設(shè)計時，還應(yīng)根據(jù)零件的加工和裝配情況來選擇幾何公差項目。例如在加工細長軸時中部較易產(chǎn)生變形，可以選擇素線直線度或圓柱度來控制。

2.依據(jù)零件的功能和精度要求

選擇幾何公差項目還應(yīng)滿足零件的功能和精度要求，主要考慮形位誤差對零件的配合性質(zhì)、裝配互換性、工作精度、可靠性等影響。設(shè)計時只有了解和明確所設(shè)計零件的使用性能，才能確定為保證這些性能必須選用的幾何公差項目。例如為保證一對錐齒輪的正確嚙合傳動，對箱體上安裝錐齒輪軸的孔需要給出垂直度要求；車床主軸的旋轉(zhuǎn)精度要求很高，應(yīng)規(guī)定其前后頸的同軸度來保證主軸的精度要求等。

3.依據(jù)幾何公差項目的特點和檢測方便性

在機械零件設(shè)計時，要充分考慮各幾何公差項目的特點和它們之間的關(guān)系，在滿足功能要求的前提下應(yīng)盡量選用檢測方法易行的項目來代替檢測難度較大的幾何公差項目。

（1）形狀公差可控制某些其他形狀公差。形狀公差中有些項目可以控制其他項目。例如圓柱度公差可綜合控制圓柱體的正截面的圓度誤差和圓柱體軸線方向上的形狀誤差。因此，當圓柱體給出了圓柱度公差后，一般就不再給出圓度公差和素線直線度公差。只有圓度或直線度精度高于圓柱度時才單獨標注。因為圓柱度誤差的檢測較為復(fù)雜，所以對一般精度的圓柱體零件，還是用圓度與直線度來控制，避免檢測復(fù)雜。

（2）定向公差可控制形狀公差。定向公差帶可以把同一要素的形狀誤差控制在定向公差范圍內(nèi)，即定向公差可控制形狀公差。因此當對同一要素給出定向公差時就不再注出形狀公差，只有當對其形狀公差的精度要求高于定向公差的要求時才需單獨標注。圖1所示為被測平面的平面度公差值小于平行度公差值。

（3）定位公差可控制定向公差和形狀公差。定位公差帶可以把同一要素的定向公差和形狀公差控制在定位公差范圍內(nèi)，即定位公差有綜合控制被測要素位置、方向和形狀的功能。因此當對同一要素給出定位公差時就不再注出定向公差，只有當對其定向公差的精度高于定位公差的要求時才需注出。例如位置度公差是綜合性最強的指標之一，它同時控制了被測要素上的其他形狀公差和定向公差，如圖2所示零件上孔的軸線的位置公差帶與其直線度公差帶、其對基準C的垂直度公差帶是一樣的，因此該孔軸線的位置度公差可以控制其直線度以及對基準的垂直度公差。

（4）跳動公差可控制其他幾何公差。徑向全跳動公差是綜合性最強的指標之一，它能全面控制圓柱面上的圓度、圓柱度、素線和軸線的直線度、同軸度公差。端面全跳動能全面控制該端面的平面度公差和垂直度公差。因此在設(shè)計中，在滿足零件功能和精度要求的前提下，可選用簡便易行的綜合控制公差項目來代替測量難度較大的公差項目，同時可減少圖樣上的幾何公差項目。

徑向圓跳動公差能控制同軸度誤差和圓度誤差，由于徑向圓跳動誤差的檢測比同軸度誤差的檢測簡單易行，所以在滿足零件功能和精度要求的前提下，優(yōu)先選用徑向圓跳動公差。

端面對基準軸線的垂直度公差是端面圓跳動和平面度誤差的綜合反映。如果采用端面圓跳動來代替垂直度公差要求，其結(jié)果會降低端面垂直度精度。因為端面圓跳動的檢測方法比較簡便，所以對基準的垂直度精度要求不高的零件，如低速旋轉(zhuǎn)軸上的軸肩端面應(yīng)優(yōu)先選用端面圓跳動，但是對立式銑床工作臺等對垂直度有一定要求的零件，則必須標注出垂直度公差。

二、公差原則的選用

在機械零件設(shè)計中選用幾何公差項目時，還應(yīng)考慮公差原則的應(yīng)用。公差原則是處理幾何公差和尺寸公差關(guān)系的原則，有獨立原則和相關(guān)要求兩種。

1.獨立原則是幾何公差和尺寸公差遵循的基本原則

是指二者分別滿足要求、互不相關(guān)的公差原則。以下場合應(yīng)采用獨立原則：對尺寸精度和形位精度均有較嚴格要求且需分別滿足的，如齒輪箱各孔的尺寸精度與各孔軸線的平行度；對尺寸精度和形位精度要求差別較大的，如平板形狀精度要求高而尺寸精度要求低；以及對保證運動精度、保證密封性和未注尺寸公差與幾何公差的場合。

2.相關(guān)要求是指圖樣上的尺寸公差與幾何公差相互有關(guān)的公差要求

包括包容要求、最大實體要求、最小實體要求、可逆要求。包容要求主要用于保證孔、軸的配合性質(zhì)，重要的配合；最大實體要求主要用于保證被測中心要素和基準中心要素零件的可裝配性場合；最小實體要求主要用于保證最小壁厚的場合；可逆要求只能與最大實體要求或最小實體要求一起使用，只用于被測要素，不用于基準要素。

三、基準要素的選用

在確定位置公差項目的同時，還要確定基準要素。在選擇幾何公差項目的基準時，主要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和功能、設(shè)計、加工工藝、裝配等要求，并兼顧設(shè)計基準、加工基準、測量基準和裝配基準統(tǒng)一的原則來選用?；鶞实倪x擇應(yīng)從以下幾個方面考慮。

1.零件結(jié)構(gòu)方面

應(yīng)選用長度長、面積大、剛性好的要素作基準，以保證基準穩(wěn)定準確性。

2.加工方面

零件加工時應(yīng)選擇在夾具中定位的相應(yīng)要素為基準， 如加工比較精確的表面，或接觸面積大，工件以此表面定位重心不偏移使工件穩(wěn)定的一些要素作為基準。

3.檢測方面

零件進行檢驗時應(yīng)選擇在在計量器具中定位的相應(yīng)要素為基準。

4.裝配方面

應(yīng)選擇零件相互配合、相互接觸的表面作為各自的基準， 以保證裝配要求。

如圖3所示，軸承軸的軸線A和軸線B是該軸寬度方向的設(shè)計基準，同時軸線A和軸線B的兩圓柱面是軸承的裝配基準，對該軸的形位誤差測量時可以定位安裝該軸的兩軸頸的公共軸線A-B作為測量基準。

四、幾何公差值的選用

合理和正確地選擇幾何公差值能保證零件的功能要求、零件質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益。幾何公差等級的選擇原則是在滿足零件功能的前提，兼顧經(jīng)濟性和測量條件等因素選取較低的公差等級。

1.幾何公差值的規(guī)定

圖樣中的幾何公差分為注出公差和未注公差兩種，一般零件所要求的幾何公差值用一般機床加工就能保證時，不必在圖樣上注出公差，其公差值按國家標準GB／T 1184-1996《形狀和位置公差 未注公差》中規(guī)定確定，例如對于直線度、平面度、垂直度、對稱度和圓跳動度的未注公差，標準中規(guī)定了H、K、L三個公差等級；圓度的未注公差等于給出的直徑公差等。

若零件要求的幾何公差值高于未注公差時，則應(yīng)在圖樣中注出公差值，當?shù)陀谖醋⒐钪禃r要看注出公差值是否給工廠帶來經(jīng)濟效益而定，否則不注出過低的公差值。國標規(guī)定除了線輪廓度和面輪廓度外其余12項都規(guī)定了公差值，除位置度外其余11項還規(guī)定了1～12級的公差等級，其中圓度和圓柱度公差值增加了一個0級。注出公差值應(yīng)根據(jù)零件的功能要求，并考慮加工經(jīng)濟性和零件結(jié)構(gòu)特點按相應(yīng)公差表來選取。

2.幾何公差值的選用原則

確定幾何公差值的方法有計算法和類比法。通常用類比法確定公差值， 它是根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和功能要求，參考現(xiàn)有經(jīng)驗和資料，參照經(jīng)過驗證的類似零件的要求， 通過對比分析確定較為合理的公差值的方法。采用類比法確定幾何公差值時應(yīng)注意以下幾點。

（1）確定同一要素的各種不同公差和表面粗糙度時，應(yīng)注意它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，一般應(yīng)符合表面粗糙度＜T形狀＜T定向＜T定位＜T尺寸。但細長軸軸線的直線度公差遠大于尺寸公差，位置度和對稱度公差常與尺寸公差相當。

（2）在常用的尺寸公差范圍內(nèi)，中、高精度零件的形狀公差值約占尺寸公差值的25%～65%，位置公差值約占尺寸公差值的1／2，中等精度的幾何公差值可與尺寸公差同級，中等尺寸和中等精度零件的表面粗糙度值可占幾何公差值的20%～25%。

（3）對于孔相對于軸、細長比較大的孔或軸、間距較大的孔或軸、寬度大于二分之一長度的零件表面、線對線和線對面相對于面對面的平行度或垂直度等情況，考慮到加工的難易程度和除主參數(shù)外其他參數(shù)的影響，在滿足零件功能的要求下可適當降低1～2個公差等級。

綜上所述，在機械零件設(shè)計過程中，首先要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征和功能要求，熟悉零件的加工工藝和檢測條件等來選用零件合理的幾何公差項目，根據(jù)零件的功能、設(shè)計要求和生產(chǎn)成本等來選擇幾何公差基準和公差原則，最后確定幾何公差值，從而保證機械零件的功能要求和生產(chǎn)經(jīng)濟效益最大化。

(作者單位：廣東省中山市技師學(xué)院）