機械零件設(shè)計中形位公差的確定性方法研究

程琪　李鋒

摘要：隨著正確地選擇和確定形位公差的項目、基準(zhǔn)及數(shù)值對機械零件的設(shè)計是十分重要的。依據(jù)機械零件的功能要求。并考慮其使用性、工藝性和經(jīng)濟性的綜合效果，詳細分析了確定形位公差時公差項目、基準(zhǔn)和公差數(shù)值的選擇方法。零件的功能特性是選擇形位公差項目、基準(zhǔn)和公差數(shù)值的基礎(chǔ)；公差間的關(guān)系可作為進一步精選它們的依據(jù)；同時還應(yīng)兼顧經(jīng)濟性和測量的方便性。

關(guān)鍵詞：機械零件；功能要求；形位公差

在機械零件的設(shè)計過程中，正確地選擇形位公差項目以及合理地確定形位公差數(shù)值，不僅直接影響到機器的使用性能和質(zhì)量，而且關(guān)系到零件加工的難易程度和成本高低。形位公差的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了l4項并列的形位公差，項目較多，而且有些公差項目之間還存在著從屬和包容等關(guān)系。因此，機械零件的形位公差設(shè)計一直是機械零件設(shè)計中的難點。本文將根據(jù)形位公差的理論與多年的機械零件設(shè)計經(jīng)驗，分析形位公差項目及公差值大小等公差內(nèi)容的選擇依據(jù)。為設(shè)計者提供參考。

1.形位公差項目的選擇

1.依據(jù)零件的功能特性初選形位公差項目

選擇形位公差項目首先應(yīng)滿足零件的功能要求，主要考慮形位誤差對零件使用性能的影響。這種使用性能一般指零件的配合性質(zhì)、裝配互換性、工作精度、可靠性及運動平衡性等。設(shè)計時了解和明確所設(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形位公差項目。

以下為一些常見的零件功能特性與所需的公差項目：（1）在圓柱形零部件的運動配合中，如果圓柱面接觸不良，就會造成局部過早磨損，擴大了配合間隙，降低定心精度，這就需要選擇圓度和圓柱度等形狀公差限制形狀誤差，以避免過大的形狀誤差帶來的危害。（2）在移動配合中，形狀誤差會降低導(dǎo)向精度或破壞密封性；在過盈定位配合中，形狀誤差會降低連接強度和可靠性；曲面形狀誤差直接影響機械的工作性能，如汽輪機葉片的曲面等；這些都需要選擇相應(yīng)的形狀公差加以限定。（3）位置誤差直接影響機器的裝配精度和運轉(zhuǎn)精度。例如，發(fā)動機中的曲軸和變速器中的齒輪軸，為了保證它們的裝配精度和工作性能，就要規(guī)定它們的兩端支承孔的同軸度，否則就會影響齒輪的嚙合精度，產(chǎn)生振動和噪聲。

2.依據(jù)公差間的關(guān)系精選形位公差項目

（1）由尺寸公差控制形位公差。形位公差與尺寸公差具有一定的關(guān)聯(lián)性，有些形位誤差可自然地控制在尺寸公差內(nèi)，就不必再給出形位公差要求。

（2）由位置公差控制形狀公差。由于位置公差是關(guān)聯(lián)實際要素的方向或位置對基準(zhǔn)所允許的變動全量，而形狀公差是單一實際要素的形狀所允許的變動全量，位置公差的公差帶包容整個被測要素。因此在很多情況下，位置公差能夠控制形狀誤差的。如在定位公差中，同軸度可以控制軸線的形狀誤差，對稱度和位置度可以控制平面度的誤差。

（3）由綜合公差控制單項公差。綜合公差能夠控制單項公差。所以，同一表面上標(biāo)注了綜合公差，一般不必再標(biāo)注單項公差，若單項形位公差有進一步的要求，則應(yīng)小于綜合公差，并且合注于其下方。

2.形位公差基準(zhǔn)的選擇

形位公差基準(zhǔn)是理想基準(zhǔn)要素的簡稱，是設(shè)計者根據(jù)零件的功能即零件的結(jié)構(gòu)、使用及裝配性能的要求來選擇和確定的。能否正確合理地選擇基準(zhǔn)，將直接影響零件的質(zhì)量和成本。因此，在滿足功能要求的前提下，應(yīng)盡可能使加工、測量和裝配用的基準(zhǔn)統(tǒng)一，基準(zhǔn)過多，將增加測量中的積累誤差：同一零件的各項位置公差應(yīng)采用同一基準(zhǔn)；應(yīng)選擇各零件間相互配合、接觸的表面作各自的基準(zhǔn)，以保證零件的正確裝配；應(yīng)選擇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、剛性好的一些要素作為基準(zhǔn)，以保證基準(zhǔn)的穩(wěn)定可靠以及可重復(fù)使用。

3.形位公差數(shù)值的確定

在選用公差值時，同樣應(yīng)以滿足零件的功能要求為前提，兼顧經(jīng)濟性和測量條件等因素。

1.形位公差等級的選擇

確定形位公差的等級是決定給定公差值的依據(jù)。所謂形位公差等級是指形狀和位置精度的等級。一般規(guī)定了12個公差等級，其精度由1-12級依次降低。

確定形位公差的等級時，應(yīng)考慮零件的結(jié)構(gòu)和剛性。零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、表面尺寸大則加工困難，容易產(chǎn)生較大的形位誤差，在滿足零件的功能要求為前提下，可考慮降低1-2級公差精度。如以下幾種情況：（1）孔（可低于軸）；（2）細長的軸與孔（孔與軸的長徑比大于 8～10 以上）（3）間距較大的孔與軸；（4）寬度較大（一般大于長度一半）的零件表面。

2.形狀、位置、尺寸公差值及表面粗糙度間的關(guān)系

在一般情況下，尺寸、位置、形狀及表面粗糙度的加工誤差值依次遞減，所以在選擇尺寸、位置、形狀公差值及表面粗糙度時應(yīng)協(xié)調(diào)以下關(guān)系：

（1）同一要素上形狀公差值應(yīng)小于位置公差值，位置公差值應(yīng)小于尺寸公差值。在常用尺寸段及尺寸公差為IT5～IT18 的范圍內(nèi)，形狀公差值通常取尺寸公差值的0.25-0.6

（2）單項形狀公差值應(yīng)小于綜合形狀公差值；

（3）對中等尺寸和中等精度的零件，表面粗糙度一般占形狀誤差的1/4～1/ 5 。形狀精度越高則要求表面粗糙度越低。為保證形狀精度應(yīng)限制其最高表面粗糙度等級。

形位公差對機械零件的精度、生產(chǎn)成本與經(jīng)濟效益有著重要的影響。本文對其項目、基準(zhǔn)及公差值范圍等內(nèi)容的分析希望對從事機械設(shè)計的有關(guān)人員有所幫助。

4.結(jié)語：

通過以上分析和生產(chǎn)實踐得知：對于尺寸精度和形位精度要求都較嚴(yán)的零件，既要保證配合性質(zhì)，又要保證裝配性，同時又是中、大批量生產(chǎn)時，采用最大實體要求零形位公差標(biāo)注同軸度公差較合理。這樣，既可以保證產(chǎn)品設(shè)計要求（即裝配中保證裝配互換和最小間隙），又能采用功能量規(guī)檢測零件，從而提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量和檢驗效率，使得經(jīng)濟效益最大化。

5.參考文獻：

[1] 李建平. 公差原則中形位公差與尺寸公差的補償簡析[J]. 重慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，01：44-45.

[2] 徐西會. 基于3DCS的公差分析技術(shù)研究及應(yīng)用[D].山東大學(xué)，2012.

[3] 祝賀. 形位誤差綜合測量實驗設(shè)備的研制[D].華中科技大學(xué)，2012.

作者信息：

1，程琪（1986.10.4），男，漢族，陜西蒲城，中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，機械技術(shù)員，助理工程師，本科，研究方向機械設(shè)備維修。

2， 李鋒（1985.10.26），男，漢族，陜西富平，中冶陜壓重工設(shè)備有限公司，機械技術(shù)員，助理工程師，本科，研究方向機械加工制造。