基于公差修正的光滑極限量規(guī)的設計

崔麗娟 李玲鳳 李彥文 劉鳳艷

（①燕山大學里仁學院，河北秦皇島 066004;②燕山大學職業(yè)技術學院，河北秦皇島 066004;③燕山大學機械廠，河北秦皇島 066004）

在機械制造中，工件的軸徑、孔徑是否符合規(guī)定的技術要求，可用通用測量器具（如卡尺）和測量儀器（如三坐標測量機）進行測量，也可以用光滑極限量規(guī)進行檢驗。

光滑極限量規(guī)是一種沒有刻度的專用檢驗工具，是為方便檢查產品質量而設計制做的，比使用通用測量器具檢驗更省時省力。用量規(guī)檢驗零件時，只能判斷零件是否在規(guī)定的檢驗極限范圍內，而不能得出零件具體尺寸、形狀和位置誤差等具體數值。因量規(guī)結構簡單，制造容易，使用方便，并且可以保證工件在生產中的互換性，因此廣泛應用于大批量生產中。

1 光滑極限量規(guī)設計原理簡介

量規(guī)的制造精度比工件高得多，制造光滑極限量規(guī)和制造其他機械零件一樣，不可能絕對準確地按照某一指定尺寸制造，因此在設計量規(guī)時，規(guī)定了制造量規(guī)所必須的制造公差。國家標準GB/T 1957－2006就對量規(guī)公差帶的大小和位置做了具體規(guī)定。該標準中規(guī)定，量規(guī)公差采用不超越工件極限的分布原則，即量規(guī)的公差帶完全位于被測工件的公差帶之內。

圖1為孔和軸用工作量規(guī)尺寸公差帶圖。圖1中，T為量規(guī)的制造公差，Z為通規(guī)公差帶的中心到工件最大實體尺寸之間的距離，稱為位置要素。位置要素的存在主要是為了給光滑極限量規(guī)中的通規(guī)預留一定的磨損儲備，使之有一定的使用壽命。

由圖1可以看出，量規(guī)制造公差T和位置要素Z的大小直接影響量規(guī)制造的難易程度和工件的驗收范圍。T值越大，量規(guī)越容易制造，但是被測工件的合格品比例將下降，對工件加工不利;反之，量規(guī)制造困難，但是工件的合格品比例將提高。同理，Z值越大，量規(guī)使用壽命越長，但是被測工件的合格品比例下降;Z值越小，量規(guī)使用壽命越短，但被測工件合格品的比例增加。

表1 量規(guī)制造公差T和位置要素Z占被測工件公差的百分比

量規(guī)制造公差T和位置要素Z的確定原則，主要從有利于被測工件的制造出發(fā)。為了給被測工件的制造留有較大的生產公差，量規(guī)制造公差T和位置要素Z占被測工件公差的比例應盡量小。在制定國家標準GB/T 1957－2006時，對IT6級工件用的量規(guī)公差帶占被測工件公差的比例，原則上規(guī)定為40%，并隨著工件公差等級的增加，該比例逐漸縮小。量規(guī)制造公差T和位置要素Z占被測工件公差的百分比如表1。

2 國標GB/T 1957－2006光滑極限量規(guī)設計規(guī)范的落后性

需要說明的是，國標GB/T 1957－2006是在國標GB1957－1981的基礎上形成的，量規(guī)制造公差T和位置要素Z的確定原則，或者說量規(guī)公差帶相對于工件公差帶的布置方案和百分比，仍舊完全沿襲了國標GB1957－1981中的數據。換句話說，現在設計光滑極限量規(guī)過程中，在制定量規(guī)制造公差T和位置要素Z時，依照的是1981年前后我國材料、制造、熱處理工藝和機械制造水平。

隨著時代的發(fā)展，我國的機械制造水平、材料、熱處理工藝等技術都取得了突飛猛進的發(fā)展，尤其是近年來，我國的制造技術和工藝水平更是大幅提高，高精度機床也普遍使用，無論是加工能力還是加工精度，比照1981年前后已經不可同日而語。當年不能加工、不能達到的精度，現在絕大多數已經不是難題，當年所謂的“高精度、高水平”現在已經輕而易舉地就能實現。所以，如果再完全按照1981年前后的工藝水平設計光滑極限量規(guī)，明顯已經不合時宜。因此，有必要結合目前我國的機械制造能力，對國標GB/T 1957－2006中設計量規(guī)過程中使用的參數進行調整和修正。

舉例說明，對于表2中的幾個孔，根據國標GB/T 1957－2006設計的孔用光滑極限量規(guī)參數（為節(jié)約篇幅，具體計算過程從略）如表2。

由表2可以看出，國標GB/T 1957－2006本著從有利于量規(guī)制造的角度出發(fā)，對于不同精度等級的被測要素，在設計光滑極限量規(guī)時，選用了不同的制造精度。對于公差較小的被測要素，量規(guī)的制造精度相對較高;對于公差較大的被測要素，量規(guī)的制造精度適當降低。這也說明了在制定當時的設計規(guī)范時是充分考慮了當時我國的機械制造水平、熱處理工藝、材料等因素的。

其實，從表2中可以發(fā)現，按照當前我國的機械制造水平，即使表2中較高精度等級的光滑極限量規(guī)，現在制造出來也是很容易的?；蛘哒f，按照現在的機械制造水平，適當減小量規(guī)公差帶相對于工件公差帶的百分比，提高量規(guī)的制造精度是完全可行的。這不但不會增加光滑極限量規(guī)的制造難度，而且由于量規(guī)的制造公差帶相應減小，反而還會相應地增加被測工件合格品的比例。

表2 孔用光滑極限量規(guī)計算參數列表 mm

表3 孔用光滑極限量規(guī)修正前后計算參數列表 mm

3 對光滑極限量規(guī)設計規(guī)范進行修正的具體思路

通過上面的敘述，不難看出，在國標GB/T 1957－2006中，決定量規(guī)公差帶相對于工件公差帶百分比的主要因素仍舊是量規(guī)制造公差T和位置要素Z。因此，要想對光滑極限量規(guī)的設計規(guī)范進行修正，仍需要從這2個因素入手。

對于紫斑病的防治可以通過在發(fā)病初期噴75%百菌清可濕性粉劑600倍液、70%代森錳鋅可濕性粉劑500倍液、50%撲海因可濕性粉劑1500倍液、40%的大富丹可濕性粉劑500倍液等藥劑的輪換使用，每隔一周以上時間噴施一次。連續(xù)噴施4次即可。

（1）對量規(guī)制造公差T的修正

只要在可能的條件下，盡量縮小制造公差T，就會減小量規(guī)公差帶相對于工件公差帶的百分比，就能使被測工件的合格品比例適當提高。

但是，盲目地縮小制造公差，勢必給量規(guī)的制造增加難度，使量規(guī)的制造成本增加。因此，就必須充分結合目前的機械制造水平，在加工工藝允許的范圍內，合理地修正量規(guī)的制造公差。

按照量規(guī)的設計規(guī)范和制造要求，量規(guī)是需要磨削加工的。因此，完全可以按照目前磨削的加工精度，對量規(guī)的制造公差進行修正。以表2中的量規(guī)為例，就完全可以將量規(guī)的制造精度修正后確定在IT2～IT4左右。

（2）對量規(guī)位置要素Z的修正

位置要素Z決定著量規(guī)通端的使用壽命，目的是給量規(guī)通端預留一個磨損極限。在圖1中，位置要素Z的最終意義就是決定著量規(guī)通端下差到被測工件最大實體尺寸之間的距離。

從表2可以看出，1#～5#量規(guī)中，通端下差到被測工件最大實體尺寸之間的距離分別為0.001 6 mm、0.004 mm、0.006 mm、0.009 5 mm、0.027 mm、0.064 5 mm，其實按照目前的加工能力，完全可以將該距離修正為0.001 6～0.002 mm左右。

（3）修正前后的光滑極限量規(guī)參數對比

按照上述的修正思路，將表1中所設計的光滑極限量規(guī)進行了修正，修正前后量規(guī)設計尺寸如表3所示。

表3中，經過修正的光滑極限量規(guī)，制造公差相對縮小，并把磨損儲備適當降低，這無疑將增加被測工件合格品的比例，有利于降低工件的加工成本。而且，在目前的加工能力和熱處理工藝水平下，根本不會給制造量規(guī)帶來更多的加工難度，也不會增加量規(guī)的制造成本。因此，上述修正方案是可行的。

（4）修正光滑極限量規(guī)設計規(guī)范時需要注意的問題

首先，在設計光滑極限量規(guī)時，無論如何，是要以國標GB/T 1957－2006為準則的。因此，在對所設計的光滑極限量規(guī)進行修正時，一定要經過客戶的批準。

在對量規(guī)的制造公差T進行修正時，必須結合量規(guī)的使用條件和加工條件，一般來說，量規(guī)都是用工具合金鋼、碳素工具鋼和滲碳鋼等材料制造的，測量面的硬度一般達到58～65 HRC。因此選用IT2～IT4左右的制造精度是完全可以實現的，如果選用其它材料，則要結合具體的工藝特點酌情選用。

在對量規(guī)的位置要素Z進行修正時，則要考慮被測工件的材料、磨損性質、使用條件酌情選用。如果被測工件為鋁制品，則量規(guī)壽命相對較長，Z就可以適當減小;如果被測工件為鋼，則Z就需要適當放大。

4 從概率和數理統(tǒng)計角度分析修正光滑極限量規(guī)的必要性

在利用國標GB/T 1957－2006設計光滑極限量規(guī)時，一般認為被測要素是呈正態(tài)分布的。也就是說，認為絕大多數尺寸都分布在以中間值為中心的對稱區(qū)域內。事實上，由于工件的實際尺寸、實際偏差、誤差等都是隨機量，而且不同的加工方式下，工件實際尺寸分布的特性也不一樣。因此，不同的加工方式形成的實際尺寸的分布特點也不一樣。

在機械零件加工過程中，比較常見的有以下兩種分布規(guī)律:正態(tài)分布和直角三角形分布。下面就利用概率和數理統(tǒng)計理論，分析一下在正態(tài)分布和直角三角形分布條件下修正光滑極限量規(guī)的必要性。

（1）正態(tài)分布（Normal Distribution）

也叫高斯分布。在技術上應用很廣，許多連續(xù)隨機量都遵循這個分布規(guī)律。例如，當在加工中心等自動加工機床上進行加工或用定尺寸刀具加工時，在編程過程中都是以工件中值作為編程目標的，加工出來的零件的尺寸也大多趨向于中間值。此時，工件的實際尺寸就呈正態(tài)分布。如圖2所示。

根據概率和數理統(tǒng)計理論，此時，絕大多數尺寸分布在中間區(qū)域，但是仍有一小部分尺寸分布在兩個邊緣。在圖2中，不難發(fā)現，正是由于量規(guī)制造公差和位置要素的存在，使得處于A、C區(qū)域的合格工件被拒收。

此時，適當修正量規(guī)的設計規(guī)范，減小量規(guī)公差帶相對于工件公差帶的百分比，就會使被測工件的合格品比例增加。雖然處于A、C區(qū)域的工件不是很多，但是在不增加量規(guī)制造成本的前提下，哪怕挽救0．1%的工件，也是有意義的。

（2）直角三角形分布

在普通機床上加工時，采用的是邊加工邊測量的方式，當被加工件的實際尺寸剛剛合格后就會停止加工，因此加工后的工件多趨向于最大實體尺寸（孔最小、軸最大）的狀態(tài)。如圖3中，大部分尺寸就是處于B、C區(qū)域的。

此時，如果采用國標GB/T 1957－2006的設計規(guī)范，就會使少量接近A區(qū)域的工件被拒收，使大量接近C區(qū)域的工件被拒收，造成大比例誤判。

而這時，減小量規(guī)公差帶相對于工件公差帶的百分比，就會將大批接近最大實體尺寸（C區(qū)域）的工件挽救過來，大幅度增加合格品比例。因此，此時修正光滑極限量規(guī)的設計規(guī)范是非常有必要的。

5 結語

通過以上分析，可以看出，隨著我國機械制造水平的提高以及機床制造精度的提高，對國標GB/T 1957－2006中設計的量規(guī)進行修正是很有必要的。通過對量規(guī)公差帶的合理修正，在不增加量規(guī)制造成本的前提下，將原本誤判的工件重新接收到合格品區(qū)域，意義是重大的。這也是量規(guī)設計人員和產品設計人員所希望的。

［1］李柱．互換性與技術測量基礎［M］．北京:中國計量出版社，1984．

［2］GB1957－81光滑極限量規(guī)［S］．北京:中國標準出版社，1981．

［3］GB/T1957－2006光滑極限量規(guī)［S］．北京:中國標準出版社，2006．

［4］葉偉昌．刀量模具設計簡明手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1999．

［5］美國機械工程師協會標準ASME Y14．43－2003．Dimensioning and tolerancing principles for gages and fixtures［S］．