機(jī)械設(shè)計(jì)中零件幾何精度的合理應(yīng)用

劉長(zhǎng)志

（遼寧輕工職業(yè)學(xué)院，遼寧 大連116100）

關(guān)鍵字：幾何精度選擇；質(zhì)量；經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

幾何精度作為機(jī)械零件中的重要因素，對(duì)其合理應(yīng)用具有一定的難度.每一臺(tái)復(fù)雜的機(jī)械都是由許多零部件組裝而成，除了要重視每一個(gè)零件的形狀和幾何精度外，還要綜合考慮整臺(tái)機(jī)械質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益.幾何精度的合理應(yīng)用要求我們除了掌握選擇幾何精度的常用原則外，還要重視未注公差項(xiàng)目、注出尺寸公差值、形位和粗糙度公差的合理選擇.

1 合理選擇未注公差

機(jī)械零件的公差按是否需要注出分為注出公差和未注公差.許多機(jī)械設(shè)計(jì)者只注重零件圖中的注出公差的應(yīng)用，而忽視了未注公差的作用，未注公差約占零件尺寸的70%～80%，應(yīng)用好未注公差能有效地調(diào)整機(jī)械生產(chǎn)中的質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系.我們這里所說(shuō)的未注公差，一般是指機(jī)器零件設(shè)計(jì)制造中的 “未注尺寸公差”，在尺寸后不需要注出極限偏差數(shù)值.有時(shí)候有些尺寸公差在圖紙上沒(méi)有標(biāo)注出來(lái)，但這些尺寸公差又不是自由公差，未標(biāo)注是為了突出標(biāo)注的尺寸和使圖形看起來(lái)比較簡(jiǎn)潔，圖形上不標(biāo)注尺寸公差的上下偏差值，但一定要說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)號(hào)和公差等級(jí)號(hào).圖樣上機(jī)械加工的未注公差通常選擇GB／T1804—2000中的 “m”（中等）［1］.

設(shè)計(jì)者要適時(shí)選擇未注公差，當(dāng)某個(gè)尺寸需要保證一定尺寸公差即加工要求，但該尺寸對(duì)零件的質(zhì)量和配合性質(zhì)沒(méi)有影響時(shí)可以考慮選用未注公差，而未注公差的公差值的選取應(yīng)根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)情況進(jìn)行確定，通常規(guī)?；笈康纳a(chǎn)要比小批量的生產(chǎn)所選的公差等級(jí)要低一級(jí)，這樣才更為經(jīng)濟(jì)一些［2］.但對(duì)于以下情況應(yīng)適當(dāng)注意：不同的加工方法選取的等級(jí)不同，機(jī)加件、沖壓件、焊接件和裝配件選取的公差等級(jí)應(yīng)依次降低；在低精度等級(jí)區(qū)提高精度等級(jí)相對(duì)于成本能夠產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，可以不選用未注公差；對(duì)于選用未注公差的尺寸的檢驗(yàn)，要與廠際協(xié)作的企業(yè)溝通好對(duì)未注公差尺寸不進(jìn)行檢驗(yàn)［3］.對(duì)于普通的操作者而言，使用普通的機(jī)械加工未注公差的尺寸的零件，都能達(dá)到未注公差等級(jí)，說(shuō)明它的等級(jí)低，這正符合尺寸公差的選擇原則.雖然其幾何精度較低，但只要合理的選用一般不影響該零件的整體質(zhì)量.合理選用一般的公差，制造檢測(cè)等各環(huán)節(jié)成本也會(huì)隨之降低，提高經(jīng)濟(jì)效益，還能滿足使用要求，提高產(chǎn)品互換性水平.生產(chǎn)型的企業(yè)一定要重視未注公差的合理選用，尤其是在半成品的設(shè)計(jì)中，一般公差選擇要給出具體的規(guī)定，但有些未注公差值的選擇要靠設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇.

2 合理選擇注出尺寸公差值

注出的尺寸公差通常都是在給定條件下進(jìn)行公差與配合的選擇，即給定配合的基本尺寸、極限盈隙量和選擇基準(zhǔn)制的要求等條件，進(jìn)行配合的選擇，也就是我們要把配合的代號(hào)選出來(lái).下面以一個(gè)實(shí)例說(shuō)明常用的選擇方法.

例：要設(shè)計(jì)基本尺寸為φ25mm的配合，只知道最大間隙為0.075mm，最小間隙為0.020mm，試由計(jì)算法選用配合.

（1）確定基準(zhǔn)制：由于本題沒(méi)有其他條件限制，故優(yōu)先選用基孔制，用H表示，EI＝0；若有就選擇基軸制，用h表示，ES＝0.

（2）計(jì)算確定配合公差Tf：由Tf＝｜Xmax－Xmin｜＝Th＋Ts，得：Th＋Ts＝｜0.075－0.020｜＝0.055mm.

（3）根據(jù)關(guān)系式T′f≥Th＋Ts和軸孔加工的工藝等價(jià)性，計(jì)算T′f／2＝0.025mm，反查書(shū)中標(biāo)準(zhǔn)公差表，在0.025mm公差值兩側(cè)選擇尺寸公差等級(jí)，可知IT8＝0.033mm，IT7＝0.021mm，確定孔、軸的標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)，按工藝等價(jià)原則孔比軸低一級(jí)，取孔為IT8級(jí)，軸為IT7級(jí)，則：Th＋Ts＝0.033＋0.021＝0.054mm，小于并接近0.055mm，即已經(jīng)知道孔φ25H8公差帶代號(hào)和軸φ25？7公差等級(jí).

（4）選擇配合種類(lèi)，即選擇軸的基本偏差代號(hào).因?yàn)槭情g隙配合，故軸的基本偏差應(yīng)在a～h之間，且其基本偏差為上偏 （es），由X′min＝EI－es，得es＝EI－X′min＝0－0.020＝－0.020mm.查基本尺寸小于500mm軸的基本偏差數(shù)值表，可選軸的基本偏差帶代號(hào)f，這樣軸的公差代號(hào)為：φ25f7.

（5）驗(yàn)算：即計(jì)算所選配合為φ25H8／f7的兩個(gè)極限間隙，判斷是否滿足已知條件

Xmax＝ES－ei＝0.033－（－0.041）＝＋0.074mm

Xmin＝EI－es＝0－（－0.020）＝＋0.020mm

二者均在＋0.020～＋0.075mm之間，故所選符合要求.

（6）若不符合，需要重復(fù)上面的過(guò)程，直到符合題中已知條件為止.選擇時(shí)，在第（4）步中所選基本偏差代號(hào)的左右選擇.

幾點(diǎn)說(shuō)明：

（a）上面的第（3）步適合于單件或小批量的情況；對(duì)于集約化程度高的工廠，生產(chǎn)設(shè)備完全由精密度高的數(shù)控機(jī)床完成，加工后絕大多數(shù)尺寸都接近平均公差，通常采用公式）1／2計(jì)算.查表得Φ25mm，IT8＝0.033mm，IT9＝0.052mm，軸選IT8＝0.033mm，孔選用IT9＝0.052mm，Tf＝（＋）＝（1089＋2704）1／2＝0.061mm，接近上述0.055mm間隙配合公差的要求.

（b）當(dāng)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)所與典型配合的工作條件有偏差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)配合的盈隙量，使其符合實(shí)際的應(yīng)用條件.例如選完的配合原來(lái)在實(shí)驗(yàn)室使用，配合的精度一定會(huì)選得高一些，若選完后實(shí)際在工廠車(chē)間等惡劣環(huán)境下使用，那么就應(yīng)該將配合的精度適當(dāng)降低，否則機(jī)械的壽命會(huì)嚴(yán)重縮短.最重要的一個(gè)參數(shù)就是溫度，查表中的基本偏差的規(guī)定是以標(biāo)準(zhǔn)溫度規(guī)定的，由于溫度引起的熱脹冷縮會(huì)影響配合的精度，因此要進(jìn)行必要的調(diào)整，減少因?yàn)槭褂脠?chǎng)所的環(huán)境變化而產(chǎn)生的影響.還有材料的強(qiáng)度、拆卸情況、沖擊載荷、配合的長(zhǎng)度、配合的形位以及粗糙公差、生產(chǎn)量的大小、旋轉(zhuǎn)的精度、潤(rùn)滑狀況等，應(yīng)根據(jù)這些條件的情況調(diào)整配合的精度.

（c）在選擇精度時(shí)，也要同時(shí)考慮性?xún)r(jià)比.在精度較低的區(qū)域，提高精度所產(chǎn)生的成本比提高精度所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益小得多，可以適當(dāng)?shù)靥岣咚x擇的精度；而在精度較高的區(qū)域提高精度所產(chǎn)生的成本比提高精度所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益要大很多，要特別注意不要提高精度.

3 形位、粗糙度公差的合理選用

形位公差在新標(biāo)準(zhǔn)中被稱(chēng)為幾何公差，與尺寸公差一樣也分為未注的和注出的.當(dāng)零件的元素之間形位關(guān)系約束得不是非常嚴(yán)格時(shí)，可以采用未注形位公差來(lái)約束；當(dāng)同一零件上不同元素的相互關(guān)系的約束需要通過(guò)工藝系統(tǒng)必須加以保證時(shí)，對(duì)于這類(lèi)點(diǎn)線面就需要標(biāo)注出明確的形位公差.未注出形位公差的要素，不是 “為所欲為”的，也是受控的，通常按未注形位公差GB／T1184（1996）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，一般選用 “L”級(jí).要充分選擇好未注的形位公差，它可以使圖紙工整，同時(shí)能夠提高經(jīng)濟(jì)效益.

注出的形位公差的合理選用如下：（1）特征項(xiàng)目的選擇通常采用類(lèi)比法，在滿足使用要求時(shí)要結(jié)合檢測(cè)的方便性，且在項(xiàng)目的選擇中不要有重復(fù)的約束，例如圓柱度和圓度同時(shí)用，圓跳動(dòng)和圓度同時(shí)選，要針對(duì)零件要素的特征選擇符合實(shí)際需要約束的項(xiàng)目［4］.（2）形位公差值 （公差等級(jí)）的選擇，本著能用低等級(jí)就不用高等級(jí)的原則，應(yīng)協(xié)調(diào)好以下幾個(gè)方面的關(guān)系：（a）當(dāng)零件的某一要素有多個(gè)不同公差要求，通常尺寸公差數(shù)值最大，其次定位位置公差數(shù)值，再次定向的位置公差值，接下來(lái)形狀公差數(shù)值，最小為粗糙度公差，粗糙度公差值大約為形狀公差的0.2～0.25倍，通常情況下，若同一要素給定了位置公差，就不再給出形狀公差，除非有極特殊的要求.（b）可以考慮降低形位公差數(shù)值的情況，從加工的工藝性考慮，孔比軸加工難，可適當(dāng)降低1～2級(jí)；對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的零件，由于基準(zhǔn)工藝性差，所以加工出來(lái)的精度低，選用時(shí)可適當(dāng)降低精度；對(duì)于平行度、垂直度等項(xiàng)目，應(yīng)考慮到直線對(duì)直線、直線對(duì)平面，平面對(duì)直線要比平面對(duì)平面難以加工，所以選用時(shí)可適當(dāng)降低精度要求.（c）如果選擇與標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行配合時(shí)的形位公差數(shù)值，要選用標(biāo)準(zhǔn)件的公差值標(biāo)準(zhǔn).為提高機(jī)械生產(chǎn)活動(dòng)性?xún)r(jià)比，在設(shè)計(jì)零件的形位公差時(shí)做到最符合實(shí)際需要、最能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)者必須明確零件功能，分析工藝路線，合理選取形位公差的項(xiàng)目、形位公差值、尺寸公差與形位公差之間的關(guān)系，才能真正反映生產(chǎn)規(guī)律，用最低的成本獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益.（3）獨(dú)立原則用于非配合、尺寸和形位都要求精度高的情況，相關(guān)原則用于理想邊界控制實(shí)際要素作用尺寸，具體選擇哪一種原則，由實(shí)際需要確定.

4 結(jié)語(yǔ)

從以上的分析可以看出，要使機(jī)械產(chǎn)品達(dá)到既滿足使用要求又經(jīng)濟(jì)，那么幾何公差的合理應(yīng)用是重要因素.文中探討的在設(shè)計(jì)中合理地選擇未注公差的項(xiàng)目，注出的公差值根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，形位、粗糙度精度合理運(yùn)用均是實(shí)際設(shè)計(jì)中幾何精度的合理應(yīng)用.為了提高機(jī)械的質(zhì)量和效益，促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)于幾何精度這一關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)者必須以實(shí)際的要求為基本點(diǎn)，結(jié)合平時(shí)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)，合理地給出數(shù)值，以達(dá)到最佳的性?xún)r(jià)比.