淺談ASME和ISO幾何尺寸公差標準差異

曾心延

摘 要：幾何尺寸公差（GD&T， Geometric Dimensioning and Tolerancing）是一種用符號來表達零部件幾何尺寸與公差的方法，是一種用來描述零件的尺寸、形狀、方位和定位策略等特征的精確的數學語言[1]。目前全球通用的GD&T標準有ASME Y14.5標準和ISO標準。兩套標準出發(fā)點和設計思路不一樣造成兩套標準略有差異。準確理解兩者的差異，對于設計人員精準設計，工藝人員理解設計圖紙，檢具工程師檢具設計，檢測人員檢測零件具有十分重要的意義。本文重點選取公差規(guī)則、非對稱輪廓度、復合公差、可逆要求等四個方面對比兩個標準的差異。最后介紹了我國國標在幾何尺寸公差方面的現狀以及和國際標準的差距。

關鍵詞：幾何尺寸公差；標準對比；ASME Y14.5；ISO

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）06-0054-07

Abstract： The GD&T， short for Geometric Dimensioning and Tolerancing ， is a method which is used for expressing the dimension and tolerance for the parts and also a mathematic language which is used for describing the dimension， form， orientation， position and locating strategy for the parts. The most popular GD&T standards are ASME Y14.5 and ISO standard. The content of the two standards are different to some extent caused by start point and design ideas. It is very important for design engineers， process technician， gage engineers and to have a good understanding during their daily work. Four examples， the tolerance principle， unilateral tolerance， composite tolerance and reciprocity requirement， are specially chosen to make this contrast. At last， the gd&t GB standards were introduced and a brief contrast was given between GB standards and the advanced international standards.

Key Words： GD&T； Standard Contrast； ASME Y14.5； ISO

1 引言

幾何尺寸公差（GD&T， Geometric Dimensioning and Tolerancing）是一種用符號來表達零部件幾何尺寸與公差的方法，是一種用來描述零件的尺寸、形狀、方位和定位策略等特征的精確的數學語言，也是一種關于設計和標注零件的設計思路。不同企業(yè)使用不同的GD&T標準。GD&T設計貫穿零部件設計、制造、檢測全過程，它不僅會直接影響零部件的設計和制造質量，同時也對產品的開發(fā)周期和成本有著重要影響。為了滿足零件設計制造質量和裝配精度要求，保證零部件的互換性和制造經濟性，使用GD&T語言表達設計要求擁有比傳統正負公差表達具有測量原點鮮明、累積公差最小化、提高信息交流、改善產品設計、在滿足裝配要求的前提下放寬生產公差、降低制造成本等優(yōu)點。

零件公差產生于十九世紀后期，初衷是為了保證零件的互換性，初期只有尺寸正負公差，給定公差一般都比較大。隨著產品性能要求的不斷提高，產品公差逐步縮小，從而導致產品的可裝配性逐漸成了問題，隨后泰勒先生提出了裝配功能要求的“泰勒原則”，即ASME公差標準中的包容原則[2]，它有效地解決了零件的大小和形狀的關系，從而保證了產品的可裝配性。直到二戰(zhàn)期間，零件的制造逐漸分包給供應商，設計部門和制造部門越來越遠，設計與制造部門之間的隨時交流就不太可能，另外一方面產品公差越來越小，零件的可裝配性和互換性問題越來越突出。因此定義幾何公差的幾何語言標準應運而生，隨著這些標準的發(fā)展，演化及合并，到今天世界上的幾何尺寸公差標準有兩大標準：ASME Y14.5和ISO標準。ASME Y14.5是美國國家標準，ISO是國際標準。 美國國標用一個標準來規(guī)定幾何尺寸公差，即ASME Y14.5，該標準最新版本是ASME Y14.5-2009，而在ISO標準體系中幾何尺寸公差分布在不同的標準委員會，幾何尺寸公差標準是一個標準簇，包含的標準如表1所示。

2 兩標準差異

兩標準都是為了解決零件的互換性和可裝配性問題。Krulikowski， Alex對比兩個標準內容發(fā)現兩個標準大約 80%～90%的內容重疊[4]。在剩下有差異的地方，本文重點選取包容原則和獨立原則、偏置公差、復合公差和可逆要求等規(guī)則一一作對比。

2.1 包容原則與獨立原則

獨立原則和包容原則描述的是尺寸公差和形狀公差之間的關系。對于包容原則（Envelop Principle），ASME Y14.5的規(guī)則1#和ISO 14405-1都有類似的解釋，簡單概括為“尺寸公差不僅約束尺寸，還約束形狀公差”。ASME標準默認包容原則，又被稱為1號規(guī)則（Rule 1#），如圖1所示：endprint

在圖1中，一軸類零件的外徑（Φ15.89～Φ16.00），在實際生產中，零件會被加工成彎曲、鼓形或者腰形。由于包容原則的存在，尺寸公差不僅僅控制尺寸，還控制形狀，圖2.1中無論零件怎么彎曲、腰形或鼓形除了任意截面局部尺寸（local size）必須在尺寸公差范圍內，整體尺寸（global size）不能超過最大實體尺寸（MMC， Maximum Material Condition）Φ16.00；這其實控制了軸向截面的直線度不能超過尺寸公差0.11。

對于獨立原則（Independent Principle），ISO 8015：2011和ASME Y14.5中雖有不同描述，但概念基本一樣，簡單概括為“尺寸公差僅僅約束尺寸”。ISO標準和國標默認采用獨立原則。同樣是圖1中的設計要求，如果圖紙使用的是ISO標準，那僅僅要求截面局部尺寸在公差范圍內，對其整體尺寸不做要求。在實際設計中，整張圖紙采用包容原則個別特征需采用獨立原則或整張圖紙采用獨立原則個別特征需采用包容原則，可采用如表2的方法去描述。具體實例如圖2，圖3所示：

值得注意的是圖3中使用包容要求之后，零件上表面的形狀公差不能超過尺寸公差規(guī)定值，即0.1， 故0.5的平面度要求去掉。

2.2 偏置公差

偏置公差的全名叫做“非對稱輪廓度（Unilateral Tolerance or Unequally Disposed Tolerance Zone）”，偏置公差是一項十分實用的公差標注方法，在汽車開發(fā)過程中，為避免搭接零件之間的干涉或者控制總成的尺寸，常常用到偏置公差。ASME和ISO都對偏置公差做了相應的規(guī)定，兩大標準對偏置公差的修飾符號、格式和偏置的方式都不相同，ASME 和ISO標準對于偏置公差的標注格式對比如表3所示：

在ISO標準（ISO 1101：2012）中，公差帶的空間形態(tài)形態(tài)是用公差球來描述的，如圖4所示。公差球的球心沿著某一軌跡線或軌跡面移動，公差球的運動區(qū)域形成公差帶區(qū)域。不同于對稱公差只需要用一個公差球就可以定義公差帶的形態(tài)，偏置公差需要兩個公差球來定義，一個用于定義偏置公差帶中心線（面）的位置，另外一個定義偏置公差帶寬度。

各編號含義如下：

1理論輪廓，材料在該輪廓下方；

2定義偏置公差帶中心線（面）位置的公差球，球直徑為偏置公差量，偏置公差為正偏置公差球在理論輪廓外側，反之在內側 ；

3定義公差帶的公差球，球直徑為公差值，球的中心位于偏置公差線（面）；

4公差帶的邊界

不同于ISO標準中需要首先確定偏置公差帶中心線（面）位置來確定偏置公差帶，ASME標準采取直接確定偏置公差帶邊界的方法。如圖5所示。在ASME偏置公差標注中，○前的數值為總的公差值，○后的數值為偏置公差帶邊界相對于理論輪廓沿材料增加方向的偏置量。在偏置公差實際應用中，設計師關心的是偏置公差的上下邊界，對偏置公差帶中心線的位置并不關心。相比較而言，ASME Y14.5標準中規(guī)定偏置公差的邊界的做法更為簡便實用。

2.3 復合公差

復合公差（Composite Tolerance）是ASME標準中獨有的內容，也是ASME Y14.5標準的重點和難點。復合公差是十分實用的規(guī)定， 特別是需要加嚴方向而不需加嚴位置的場合，標注復合公差是一種經濟適用的方法。復合公差分為復合位置度和復合輪廓度兩種。

（1）復合位置度

圖6是一復合位置度實例及其定義。上層位置度的含義和常見的單層位置度定義沒有任何區(qū)別。下層位置度表示6個Φ0.5的公差帶對基準A的定向，他們相互之間的位置由理論尺寸確定，可以整體在上層Φ1.0的公差帶范圍內上下左右平移和在A基準平面內旋轉，但不能相對于A基準傾斜。當該零件與另一個法蘭零件通過6個螺栓連接時，為避免裝配干涉，使用了復合位置度避免了單層公差需要將位置度給得過小造成制造成本增加。這種情況在整車裝配中是經常會遇到的。

（2）復合輪廓度

在汽車設計實例中，整車尺寸技術規(guī)范（DTS，Dimension Technical Specificaiton）作為一項重要的設計目標，關系到整車的美觀性、密封性和裝配性。在DTS定義中，不少區(qū)域有一致性要求，如圖7所示，前后車門除了間隙（Gap）

要求外，還有平齊度不超過1.0的要求。在這樣的場合，使用復合輪廓度能在保證DTS一致性要求的時候，避免單層公差過小造成制造成本過高。

無論是復合位置度還是復合輪廓度，共同點都是公差框格有多行，只用一個公差符號，公差框格首行和普通公差標注沒有任何區(qū)別，其余公差框格控制組孔（型面）之間的關系或相對基準的方向，簡單稱之為“只定向不定位”，其優(yōu)點是既能保證設計裝配要求，又能避免單層公差公差過小造成制造成本過高。

2.4 可逆要求

可逆要求（RPR， reciprocity requirement）是ISO標準里特有的一種修飾符號，R圈，允許幾何公差反向補償給尺寸公差的一種符號，如圖9所示：

圖9中，孔的實際尺寸和孔的位置度關系如表4所示。從表4可以看出，使用可逆要求之后，圖9中的孔實際尺寸可以超出孔的最大實體尺寸Φ16.2，此時孔的位置度為0。也就是說，當孔的位置度非常?。ㄖ圃炀群芨撸r，放寬孔的尺寸公差并不影響裝配（孔的內邊界始終是Φ16.1）。此例使用了可逆要求，達到了在不影響裝配的情況下，獲得了更多的合格產品，從而提高零件合格率的效果。仔細分析，可逆要求（RPR）其實和零公差標注（Zero Position Tolerance）達到了同樣的效果，本質其實是一樣的。零公差標注在ASME標準和ISO標準中都有類似的介紹。

3 幾何尺寸公差方面的國標endprint

幾何尺寸公差國標（GB）采用ISO標準體系，如表5所示。幾何尺寸公差在ISO標準中的名稱是產品幾何技術規(guī)范（Geometrical Product Specifications，縮寫為GPS）， 國標沿用了這一名稱。從表5可以看出，國標等效采用大部分ISO標準，但仍存在ISO標準翻譯不全（國標中沒有與ISO 14405-1：2010、 ISO 14405-2：2011對應標準）以及標準版本過于陳舊等問題。 例如GB/T 17851-2010，等效采用的1981年制定的ISO 5459：1981，而最新的ISO標準是2011年標準。

4 總結

全球兩大幾何尺寸公差標準ASME Y14.5和ISO標準都是為解決零件互換性和裝配性而生，兩大標準80%～90%內容重疊，在兩者差異的地方，本文重點選取兩標準默認的公差原則、偏置公差、復合公差和可逆要求四個方面作介紹，然而兩個標準的差異并不僅限這些方面，在部分尺寸公差符號及含義、公差修飾符號、尖點輪廓度等內容兩者略有不同，因篇幅所限，本文不做一一贅述。若要進一步了解兩大標準，可仔細閱讀兩大標準原文，特別的，對于復合公差，ASME Y14.5用大篇幅介紹，是其重點和難點，更應反復閱讀?？傮w來講，相比于ISO標準， ASME Y14.5標準在內容上和解釋詳細程度上更加全面，另外，當遇到復雜的設計要求，例如DTS要求曲面的輪廓控制或孔組控制時，使用ASME Y14.5標準更加方便。ASME Y14.5雖是美國標準，但由于其科學性和方便性的優(yōu)點，已被眾多歐美企業(yè)和國內汽車相關企業(yè)使用。文章最后介紹了我國國標在幾何尺寸公差方面的情況，加快國標的更新步伐，將是國標未來的任務和發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]曾思銘. 車身GD&T設計流程優(yōu)化方法的研究與應用 [D]. 上海：上海交通大學，2011.

[2]The American Society of Mechanical Engineers. 2009. ASME Y14.5M-2009， Dimensioning and Tolerancing. New York， New York： The American Society of Mechanical Engineers.

[3]Paul J. Drake， Jr. 1999. Dimensioning and Tolerancing Handbook. Quebecor， Martinsburg： McGraw-Hill.

[4]Krulikowski， Alex. 1998. Advanced Concepts of GD&T. Wayne， Michigan： Effective Training Inc.

[5]International Standards Organization. 2012. ISO1101-2012. Geometrical product specifications （GPS） — Geometrical tolerancing —Tolerances of form， orientation， location and run-out. International Standards Organization： Switzerland.endprint