《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》課程的教學(xué)環(huán)節(jié)探索與研究

張起勛　邵承會　張忠元　周立明　張建海　劉鵬　閆振華　陳炳錕　羅彥茹

摘要：機械工程、汽車工程、農(nóng)業(yè)工程等工科專業(yè)開設(shè)了《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》課程，同時也是一門與實踐聯(lián)系最為緊密的技術(shù)基礎(chǔ)課程。該課程著重針對本科生在實踐環(huán)節(jié)上的培養(yǎng)，其目標(biāo)是讓本科生具有深厚的機械精度設(shè)計理論知識及較強的設(shè)計與研究能力，并掌握機械精度指標(biāo)的檢測方法和原理，為本科生從事機械產(chǎn)品設(shè)計、制造和科學(xué)研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)課程；實踐環(huán)節(jié)；機械精度

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.06.021

中圖分類號：G427 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-1580（2018）06-0074-04

目前，國內(nèi)外智能制造領(lǐng)域不斷地發(fā)展，要求零件的機械精度不斷提高，為達到企業(yè)對精密檢測技術(shù)人才的標(biāo)準(zhǔn)，本科生應(yīng)培養(yǎng)具有深厚的機械精度設(shè)計理論知識及較強的設(shè)計與研究能力，并掌握機械精度指標(biāo)的檢測方法和原理，應(yīng)探索《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》課程的實踐環(huán)節(jié)，提高本科生工程意識的新方法。

一、加強機械設(shè)計課程設(shè)計中機械精度內(nèi)容的應(yīng)用

機械設(shè)計課程設(shè)計是機械類課程的重要實踐環(huán)節(jié)（為期三周），是一次較全面的設(shè)計訓(xùn)練。綜合運用機械原理、機械設(shè)計和其他必須課程的理論和知識，以課程設(shè)計為載體，通過設(shè)計實踐，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想以及分析和解決工程實際問題的能力。但目前機械設(shè)計課程設(shè)計中針對機械精度內(nèi)容設(shè)計涉及較少，學(xué)生設(shè)計時只是根據(jù)課程設(shè)計指導(dǎo)書內(nèi)的公差內(nèi)容進行標(biāo)注，而并未獨立對機械精度設(shè)計進行思考，導(dǎo)致學(xué)生缺乏加工以及裝配的工程意識，筆者認為應(yīng)進行以下幾點改革：

（一）針對主講課程設(shè)計的青年教師進行機械精度內(nèi)容培訓(xùn)

聘請具有經(jīng)驗的教師或企業(yè)人員針對機械精度內(nèi)容對青年教師進行培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容如下：

1.尺寸精度設(shè)計與檢測的培訓(xùn)，包括基準(zhǔn)制的選擇、標(biāo)準(zhǔn)公差等級的選擇、配合種類及基本偏差的選擇以及孔和軸精度的檢驗和測量方法。尺寸精度在設(shè)計時所選的原則是在滿足使用要求的前提下，能夠取得最優(yōu)的技術(shù)上的經(jīng)濟效益。

對于基準(zhǔn)制的選擇，應(yīng)該考慮是基孔制和基軸制能夠同樣滿足使用要求，選擇是基孔制或者是基軸制，最重要的是從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟效益以及制造工藝等方面進行考慮。主要有四點：

（1）基孔制是最優(yōu)先考慮的，由于基孔制中孔的公差帶固定，加工時所用到的定值刀具（鉆頭、拉刀以及鉸刀等刀具）相對基軸制情況下的定值刀具要少，選擇基孔制的經(jīng)濟性比選用基軸制的經(jīng)濟性要好，因此優(yōu)先選用基孔制。

（2）基軸制選用是在特殊情況下所考慮的，在機械精度等級不高領(lǐng)域中（例如農(nóng)業(yè)機械、紡織機械等機械領(lǐng)域），具有一定精度的冷拔鋼材可以考慮直接做軸（不用加工軸），因此可以選用基軸制?；S制選用還可以考慮以下情況，需要考慮裝配問題，例如同樣的公稱尺寸軸，與不同位置的孔進行裝配，并且要求孔和軸之間的配合類型不同，因此這種情況下應(yīng)該考慮選用基軸制。

（3）標(biāo)準(zhǔn)件為基準(zhǔn)考慮選用基準(zhǔn)制，任何零件與標(biāo)準(zhǔn)件或者標(biāo)準(zhǔn)部件進行配合（孔和軸配合）時，必須以標(biāo)準(zhǔn)件或者標(biāo)準(zhǔn)部件為基準(zhǔn)來考慮基準(zhǔn)制的選擇，例如，對于標(biāo)準(zhǔn)件滾動軸承的內(nèi)圈與軸之間的配合選用的是基孔制，滾動軸承的外圈與箱體的外殼孔之間配合選用的是基軸制。對于標(biāo)準(zhǔn)件平鍵與鍵槽之間的配合選用的是基軸制。

（4）在一些特殊情況下，可以采用任意軸和孔的公差帶進行非基準(zhǔn)制的配合，例如標(biāo)準(zhǔn)件滾動軸承的內(nèi)圈與軸頸進行配合，能夠設(shè)計出軸頸的公差代號，該軸頸除了與軸承內(nèi)圈配合，還與軸套進行配合，此時應(yīng)根據(jù)軸的公差代號設(shè)計軸套的公差代號，那么軸頸和軸套之間的配合就是非基準(zhǔn)制配合。同理，標(biāo)準(zhǔn)件滾動軸承的外圈與箱體的外殼孔進行配合，能夠設(shè)計出外殼孔的公差代號，該外殼孔除了與軸承外圈配合，還與軸承端蓋進行配合，此時應(yīng)根據(jù)外殼孔的公差代號設(shè)計軸承端蓋的公差代號，那么箱體的外殼孔與軸承端蓋的配合也是非基準(zhǔn)制配合。

標(biāo)準(zhǔn)公差等級和配合種類的選擇方法有三種：

（1）計算法，要用到相關(guān)的專業(yè)理論知識，通過理論公式計算出過盈或者間隙的數(shù)值，能夠推導(dǎo)出配合代號以及極限尺寸等內(nèi)容?？山柚嬎銠C功能完成。

（2）實驗法，應(yīng)用于對產(chǎn)品質(zhì)量和性能有極大影響的重要配合，通過大量的實驗，確定具有效果最佳的工作性能所需要的配合種類（得到極限間隙或者極限過盈的數(shù)值）。

（3）類比法，該方法是最常用的一種方法，借鑒使用效果良好的同類產(chǎn)品的技術(shù)資料或者參考有關(guān)資料，并進行分析應(yīng)用到所設(shè)計的領(lǐng)域，最終確定配合種類（得到極限間隙或者極限過盈的數(shù)值）。

關(guān)于孔和軸精度的檢驗和測量方法，選擇計量器具時，除應(yīng)根據(jù)工件的外形、尺寸的大小等來確定計量器具的測量范圍和示值范圍外，還要保證所需要的測量精度，為了能夠有效地提高測量精度，減小加工難度，可以采用比較測量法。對于大批量生產(chǎn)零件時，為能夠提供高效率的檢測，一般可用光滑極限量規(guī)檢驗軸和孔的尺寸，軸的尺寸檢驗用的是環(huán)規(guī)或者卡規(guī)，孔的尺寸檢驗用的是塞規(guī)。光滑極限量規(guī)是一種無刻度的定值專用計量器具，有通規(guī)和止規(guī)。被測零件能夠通過，止規(guī)不能夠通過，那么被測零件的尺寸判定為合格。光滑極限量規(guī)的作用是能夠檢驗孔、軸實際尺寸和形狀誤差的綜合結(jié)果。

2.幾何精度與檢測的培訓(xùn)，包括幾何公差特征項目的選擇、基準(zhǔn)的選擇、幾何公差值的選擇以及幾何精度的檢驗和測量的方法。

幾何公差特征項目的選擇主要是考慮被測要素的幾何特征、功能要求、測量便于實現(xiàn)等方面。例如凸輪類零件可選擇線輪廓度公差；平面類零件可選擇平面度公差；窄長平面可選擇直線度公差；圓柱形零件，當(dāng)僅需要順利裝配或保證孔、軸之間的相對運動以避免磨損時，可選擇軸心線的直線度公差；圓柱形零件，如果孔、軸之間既有相對運動，又要求密封性能好，為了保證在整個配合表面有均勻的小間隙，需要標(biāo)注圓柱度公差，綜合控制圓度、素線直線度和軸線直線度誤差。對于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的典型零件，應(yīng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。例如軸頸和滾動軸承內(nèi)圈配合的圓柱面上必須標(biāo)注圓柱度公差等內(nèi)容。對于設(shè)計要求的考慮：

（1）應(yīng)該熟悉零件的功能性；

（2）熟悉零件加工工藝；

（3）有檢測經(jīng)驗。

具備這幾條才能正確、合理地進行幾何精度設(shè)計。

基準(zhǔn)要素能夠選擇單一基準(zhǔn)、公共基準(zhǔn)以及組合基準(zhǔn)。選擇基準(zhǔn)要素時要考慮：

（1）零件在機器上的安裝位置、作用、結(jié)構(gòu)特點以及加工和檢測要求；

（2）根據(jù)需要采用單一基準(zhǔn)、公共基準(zhǔn)或三面基準(zhǔn)體系；

（3）從設(shè)計考慮，應(yīng)根據(jù)零件形體的功能要求及要素間的幾何關(guān)系來選擇基準(zhǔn)。如對于旋轉(zhuǎn)的軸件，常選用與軸承配合的軸頸表面或軸兩端的中心孔作基準(zhǔn)。

幾何公差值的選擇應(yīng)考慮以下幾方面：

（1）滿足功能要求，取低不取高；

（2）同一要素，形狀公差值小于定向公差值，定向公差值小于定位公差值，定位公差值小于尺寸公差值；

（3）加工難易程度及與尺寸公差的協(xié)調(diào)性，一般情況下，幾何公差精度等級與尺寸公差同級，幾何精度要求高時，可比尺寸公差等級高1～2級，要求低時，可比尺寸公差等級低1～2級等內(nèi)容。

幾何精度的檢驗和測量有多種方法，例如應(yīng)用三座標(biāo)測量儀可以測量幾何誤差值（幾何誤差是指被測提取要素對其擬合要素的變動量），評價被測零件是否合格。

3.表面微觀輪廓精度與檢測的培訓(xùn)，包括表面微觀輪廓精度的評定方法、表面微觀輪廓精度的標(biāo)注方法以及表面微觀輪廓精度檢驗和測量方法。

表面微觀輪廓精度的評定方法是考慮零件表面的粗糙度是否滿足設(shè)計要求。為了使測量和評定結(jié)果統(tǒng)一，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，應(yīng)規(guī)定取樣長度、評定長度、基準(zhǔn)線和評定參數(shù)，且測量方向應(yīng)垂直于表面的加工紋理方向。

（1）取樣長度是指測量或評定表面粗糙度時所規(guī)定的一段基準(zhǔn)長度，用符號1r表示。目的是限制、減弱波紋度、形狀誤差對測量結(jié)果的影響。取樣長度應(yīng)適當(dāng)，過短則不能反映表面的微觀起伏程度；過長則可能使測量結(jié)果受到波紋度甚至形狀誤差的影響。

（2）評定長度，能夠合理并且比較全面地反映整個表面粗糙度特征，目的是限制、減弱表面加工不均勻性對測量結(jié)果的影響。評定長度可以包含一個或幾個取樣長度。

（3）基準(zhǔn)線，通過測量手段獲得表面輪廓曲線以后，需要提供一條定量評定表面粗糙度量值的基準(zhǔn)線，作為計算各種參數(shù)的基礎(chǔ)。分為輪廓算術(shù)平均中線和輪廓最小二乘中線。

（4）評定參數(shù)，為了定量評定表面粗糙度輪廓，必須用參數(shù)及其數(shù)值來表示表面粗糙度輪廓的特征。分為高度特征參數(shù)（輪廓算數(shù)平均偏差和輪廓最大高度值）、間距特征參數(shù)以及形狀特征參數(shù)（輪廓支持長度率）。

表面微觀輪廓精度的標(biāo)注方法是在圖紙上用表面粗糙度代號進行標(biāo)注，表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值選用的合理與否，直接影響到機器的使用性能和壽命，特別是對裝配精度要求高、運動速度要求高、密封性能要求高的產(chǎn)品，更具有重要的意義。

表面微觀輪廓精度檢驗和測量是按照測得的表面粗糙度參數(shù)值來驗收的，表面粗糙度測量方法分為比較法、觸針法，又稱感觸法或針描法、光切法和干涉法。

（二）《機械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》內(nèi)應(yīng)加入實際項目的機械精度設(shè)計內(nèi)容

通過掌握通用機械設(shè)計的一般方法和步驟，為從事機械工程設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、計算、圖形實現(xiàn)和運用國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的能力，初步掌握現(xiàn)代設(shè)計方法在機械設(shè)計中的應(yīng)用。應(yīng)在該指導(dǎo)書內(nèi)詳細撰寫機械工程項目中機械精度應(yīng)用的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生更好地理解機械精度在工程應(yīng)用中的作用。

例如有國家標(biāo)準(zhǔn)要求的典型零件，應(yīng)執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如圖1所示，安裝齒輪軸的箱體孔應(yīng)標(biāo)注同軸度、平行度、垂直度等。

二、畢業(yè)生圖紙審核機制建設(shè)持續(xù)發(fā)展

基于《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》課程內(nèi)容對畢業(yè)生進行培訓(xùn)，并對畢業(yè)生設(shè)計的圖紙?zhí)岢鰧徍藱C制，其目的是讓工科學(xué)生具有較強的制圖能力以及機械精度設(shè)計能力，也是《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》課程實踐環(huán)節(jié)的拓展，因此畢業(yè)生圖紙審核機制是針對課程的實踐環(huán)節(jié)而建立的。

（一）提高畢業(yè)生機械精度設(shè)計能力

畢業(yè)生做畢業(yè)設(shè)計的時間與《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》授課時間相差一年，導(dǎo)致畢業(yè)生在設(shè)計過程中對機械精度的內(nèi)容淡忘。針對該情況課程組教師對畢業(yè)生進行機械精度培訓(xùn)，重新掌握機械精度設(shè)計的基本知識、尺寸精度、幾何精度、表面精度以及典型零部件的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的基本概念、名詞術(shù)語、公差標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，例如軸鍵槽的機械精度設(shè)計，如圖2所示，由于平鍵是標(biāo)準(zhǔn)件，平鍵和鍵槽考慮的配合是基軸制，還應(yīng)規(guī)定軸鍵槽對軸和輪轂軸線的對稱度公差（等級可取為7～9）。根據(jù)不同功能要求，對稱度公差與鍵寬尺寸的關(guān)系可以采用獨立原則或最大實體要求。

最終使畢業(yè)生具備深厚的精度設(shè)計理論知識及較強的設(shè)計與研究能力，掌握公差指標(biāo)的檢測方法和原理，具有基本的動手能力，提高學(xué)生在機械工程中機械精度設(shè)計能力。

（二）培養(yǎng)畢業(yè)生的工程意識

針對工科畢業(yè)生各自畢業(yè)設(shè)計項目的機械精度的工程實際問題進行分析與講解，使學(xué)生在不同工程領(lǐng)域中，對機械精度設(shè)計有更深層次的理解，最終培養(yǎng)畢業(yè)生的工程意識。

三、結(jié)論

通過本科生完成實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容的過程，達到對《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》知識點的掌握，從而學(xué)會靈活應(yīng)用所學(xué)的知識，并逐漸加強機械精度課程在機械工程實踐環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，使理論基礎(chǔ)與實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)《機械精度設(shè)計基礎(chǔ)》課程的積極性。

[責(zé)任編輯：周海秋]