機械專業(yè)畢業(yè)論文

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1、淺談公差原則在機械零件設計中的應用 摘　要:在機械零件設計中,正確、合理地應用公差原則,是提高機械零件的設計質(zhì)量、工藝性和實現(xiàn)最佳 技術經(jīng)濟指標的有效途徑。本文介紹了公差原則及其在機械零件設計中的應用。 關鍵詞:公差原則;獨立原則;相關要求;設計;應用 公差原則是處理尺寸公差與形位公差之間相互關系 的原則。在機械零件的幾何精度設計中,如何正確、合理 地選擇公差原則是一個很重要的問題。機械零件設計所 追求的目標是:使所設計的零件既能滿足功能要求,又能 獲得良好的工藝性和經(jīng)濟性。只有正確、合理地選用公 差原則,才能有效地實現(xiàn)上述目標。 然而,許多企業(yè)的設計者在機械零件設計中,由

2、于傳 統(tǒng)習慣或?qū)钤瓌t不太熟悉等原因,常常有意或無意 地在機械零件設計圖樣上,只應用獨立原則,而不應用相 關要求,使公差原則不能在機械零件設計中發(fā)揮其應有 的作用。這樣不僅使產(chǎn)品難以獲得最佳的工藝性和質(zhì) 量,而且在經(jīng)濟上也難以取得最佳效益。為此,本文將對 公差原則及其在機械零件設計中的應用作簡單闡述,以 期引起工程技術人員的重視,在機械零件設計中能正確、 合理地應用公差原則,提高機械零件的設計質(zhì)量和工藝 性,實現(xiàn)最佳的技術經(jīng)濟指標。 一、公差原則簡述 在機械零件設計時,根據(jù)零件的功能要求,對零件的 重要幾何要素,常常需要同時給定尺寸公差、形位公差 等,確定尺寸公差與

3、形位公差之間相互關系的原則稱為 公差原則。依據(jù)兩者不同關系的要求,公差原則又分為 獨立原則和相關要求,其中,相關要求又含包容要求、最 大實體要求、最小實體要求、可逆要求等。在機械零件設 計中正確運用公差原則,使所設計的機械零件既滿足功 能要求,又具有最佳的工藝性和經(jīng)濟性,這是每個設計者 所追求的目標,因此,我們必須熟悉公差原則的各項基本 內(nèi)容。 1、獨立原則 獨立原則是圖樣上給定的形位公差與尺寸公差相互 無關,分別滿足各自要求的公差原則。遵守獨立原則時, 圖樣上無任何附加的標記如:(、○M、○L、○R等;形位公差與 尺寸公差彼此獨立,相互之間無任何補償關系;尺寸公差

4、控制局部實際尺寸,兩點法測量;形位公差控制形位誤 差,通用量儀測量。獨立原則的合格條件為: 孔:f≤t,Dmax≥Da≥Dmin;軸:f≤t,dmax≥da≥dmin。 式中:f———形位誤差值;t———形位公差值;Da、da——— 孔、軸局部實際尺寸;Dmax、dmax———孔、軸最大極限尺寸; Dmin、dmin———孔、軸最小極限尺寸。 2、相關要求 相關要求是指圖樣上給定的形位公差與尺寸公差相 互有關的公差原則。根據(jù)被測實際要素遵守的理想邊界 的不同,又分為以下四種: (1)包容要求 被測要素遵守包容要求時,要求實際要素遵守最大 實體邊界,即要求實際要素處處不得

5、超越最大實體邊界, 且實際要素的局部實際尺寸不得超越最小實體尺寸。包 容要求僅用于單一要素(形狀公差)。應用包容要求的單 一要素應在其尺寸極限偏差或公差帶代號之后加注符號 (。應用包容要求時,設計者只給出了尺寸公差值T,當 實際輪廓要素處于最大實體狀態(tài)時,中心要素不允許有 形位誤差;實際輪廓要素偏離最大實體狀態(tài)時,中心要素 才允許有形位誤差;當實際輪廓要素處于最小實體狀態(tài) 時,中心要素的形位誤差可達最大值:T。包容要求的合 格條件為: 孔:Dmo≥MMS(Dmin)且Da≤LMS(Dmax);軸:dmo≤MMS (dmax)且da≥LMS(dmin)。 式中:Dmo、d

6、mo———孔、軸體外作用尺寸; MMS———最 大實體尺寸;LMS———最小實體尺寸。 (2)最大實體要求 實際要素遵守最大實體要求時,要求實際要素遵守 最大實體實效邊界,即要求其實際輪廓要素處處不得超 越該邊界,當實際要素偏離最大實體狀態(tài)時,允許其形位 誤差值超出圖樣上給定的形位公差值t,而要素的局部實 際尺寸應在最大實體尺寸與最小實體尺寸之間。應用最 大實體要求的單一要素或關聯(lián)要素,應在其相應的形位 公差框格內(nèi)的形位公差值t或基準代號字母后加注符號 ○M。最大實體要求可應用于被測要素、基準要素或同時應 用于被測要素與基準要素。最大實體要求的合格條 件為: 孔:Dm

7、o≥VSM(Dmin-t)且Dmax≥Da≥Dmin;軸:dmo≤ VSM(dmax+t)且dmax≥da≥dmin。 式中:VSM———最大實體實效尺寸,VSM=MMSt , 軸+,孔-。 還有最大實體要求的零形位公差。老標準中,這種 情況稱為關聯(lián)要素遵守包容原則(要求)。由于其標注形 式:0○M或Φ0○M,與最大實體要求的標注形式:t○M或Φt○M相 似,為了與ISO接軌,新標準將其從包容要求之中刪除,劃 歸最大實體要求。但其實質(zhì)內(nèi)容與包容要求類似:要求 實際要素遵守最大實體邊界,即要求實際要素處處不得 超越最大實體邊界,且實際要素的局部實際尺寸不得超 越最小實體尺寸

8、。最大實體要求的零形位公差的合格條 件為: 孔:Dmo≥MMS(Dmin)且Da≤LMS(Dmax);軸:dmo≤MMS (dmax)且da≥LMS(dmin)。 (3)最小實體要求 實際要素遵守最小實體要求時,要求實際要素遵守 最小實體實效邊界,即要求其實際輪廓要素處處不得超 越該邊界,當其實際尺寸偏離最小實體尺寸時,允許其形 位誤差值超出在最小實體狀態(tài)下給出的形位公差值t,而 其局部實際尺寸應在最大實體尺寸與最小實體尺寸之 間。應用最小實體要求的單一要素或關聯(lián)要素,應在其 相應的形位公差框格內(nèi)的形位公差值t或基準代號字母 后加注符號○L。最小實體要求可應用于被測要素

9、、基準 要素或同時應用于被測要素與基準要素。最小實體要求 的合格條件為: 孔:Dmi≤VSL(Dmax+t)且Dmax≥Da≥Dmin;軸:dmi≥VSL (dmin-t)且dmax≥da≥dmin。 式中:Dmi、dmi———孔、軸體內(nèi)作用尺寸;VSL———最小 實體實效尺寸,VSL=LMSt ,軸-,孔+。 還有最小實體要求的零形位公差,其合格條件為: 孔:Dmi≤LMS(Dmax)且Da≥MMS(Dmin);軸:dmi≥LMS (dmin)且da≤MMS(dmax)。 (4)可逆要求 可逆要求是一種反補償要求。上述的最大實體要求 與最小實體要求均是實際尺寸偏離最大

10、實體尺寸或最小 實體尺寸時,允許其形位誤差值增大,而實際尺寸受其極 限尺寸控制,不允許超出。而可逆要求則是,當形位誤差 值小于其給定的形位公差值時,允許其實際尺寸超出極 限尺寸的一種公差原則,但兩者綜合所形成的實際極限 狀態(tài),仍然不允許超出其相應的控制邊界。 可逆要求可用于最大實體要求,也可用于最小實體 要求。前者在符號○M后加注符號○R,后者在符號○L后加注 符號○R。 可逆要求用于最大實體要求的合格條件為: 孔:Dmo≥VSM(Dmin-t)且Dmax+t≥Da≥Dmin;軸:dmo≤ VSM(dmax+t)且dmax+t≥da≥dmin。 可逆要求用于最小實體要求

11、的合格條件為: 孔:Dmi≤VSL(Dmax+t)且Dmax+t≥Da≥Dmin;軸:dmi≥ VSL(dmin-t)且dmax+t≥da≥dmin。 二、公差原則在機械零件設計中的應用 不同的公差原則反應不同的設計意圖,機械零件設 計中到底應用哪一種公差原則為好,主要取決于零件的 功能要求以及零件的生產(chǎn)規(guī)模等。在實際應用時,應在 保證零件功能要求的前提下,力求最大限度地提高工藝 性和經(jīng)濟性,靈活運用公差原則,舉例說明如下: 1、獨立原則的應用 獨立原則是最基本的公差原則,它在機械零件的幾 何精度設計中應用最多、最廣。據(jù)統(tǒng)計,目前圖樣上約 90%的要素應用該原則。獨立原

12、則的應用大致有以下幾 種情況: (1)尺寸精度與形位精度無聯(lián)系或需分別滿足各自 要求時,對形位精度有嚴格要求,不允許尺寸的變化影響 到形位精度。例如:齒輪箱體孔的尺寸精度與各孔軸線 的平行度;滾動軸承內(nèi)、外圈滾道的尺寸精度與形狀精 度;套筒滾子鏈條的套筒或滾子內(nèi)、外圓柱面的軸線同軸 度與其尺寸精度等,均應采用獨立原則。 (2)尺寸精度與形位精度要求相差較大時,例如:印 刷機的滾筒,要求印刷時接觸均勻,以保證印刷效果,滾 筒圓柱度公差要求較高,而其直徑的大小對印刷質(zhì)量影 響不大,可以規(guī)定較低的尺寸公差,這種情況應采用獨立 原則。又如測量平板,其功能是測量時模擬理想基準要

13、 素,形狀精度———平面度公差要求很高,而其厚度等尺寸 精度要求低,平面度公差與厚度等尺寸公差按獨立原則 給定。又如通油孔的尺寸精度有一定要求,而形位精度 無要求,應采用獨立原則。 (3)配合要求與形位精度要求都較高時,大批量生 產(chǎn),可以給出較寬的尺寸公差、用分組裝配的方法保證配 合精度,而形位公差另行給出,即尺寸公差和形位公差之 間的關系采用獨立原則,以保證獲得較好的技術經(jīng)濟效 益。 (4)需保證單項特殊功能要求的要素。零件上有許 多要素,為了滿足某種單項特殊的功能要求,需要尺寸精 度與形位精度互不干涉,相互獨立。諸如有密封性、運動 平衡性、機件強度和剛度、接觸精度、

14、運動精度等要求的 場合,其單項設計要求是必須保證的,不能用尺寸公差來 控制,均可采用獨立原則。例如:活塞與氣缸套的密封, 是依賴于具有彈性的開口活塞環(huán)與缸套內(nèi)圓的貼合來滿 足其密封性的功能要求,這種直徑方向的密封性取決于 活塞環(huán)和氣缸套的形狀精度,因此,氣缸套內(nèi)圓的圓度公 差和素線的直線度公差應與其尺寸公差按獨立原則給 定。又如:柴油機齒輪箱體各齒輪軸安裝孔之間的中心 距,如果位置度誤差大,將影響嚙合精度,且噪聲增大,磨 損加快,為保證各齒輪嚙合精度的功能要求,各孔中心距 的位置公差應選用獨立原則。有些必須滿足較高運動精 度要求的配合要素,除配合要求外,還有較高的形位精度

15、 要求時,可采用獨立原則,例如:軸與孔配合有軸向運動 精度和回轉(zhuǎn)精度要求,對于前者.就要有直線度的精度要 求,對于后者,就要有圓度或圓柱度的精度要求。又如導 軌的形狀精度要求嚴格,而尺寸精度要求次要等情況,均 采用獨立原則。 (5)沒有配合要求的要素。沒有配合要求的要素,一 般采用獨立原則。如:零件外形尺寸、管路尺寸、線材和 板材的尺寸、退刀槽、肩距、倒角等各種一般尺寸公差要 求的要素等。 (6)對于未注尺寸公差的要素。對于未注尺寸公差 的要素,無論該要素形位公差是否注出,一律采用獨立原 則。 (7)其他。對于批量小的零件,考慮到測量簡便、經(jīng) 濟,采用獨立原則后,合

16、格零件在驗收時,尺寸誤差或形 位誤差均可用通用量儀進行測量,不必采用特制的量規(guī) 進行測量,可降低成本。 由于尺寸公差和形位公差應用獨立原則時,盡管有 時工藝性、經(jīng)濟性可能不太好,但一般情況下都可以滿足 零件的功能要求,。所以獨立原則已成為機械零件設計 中最基本的公差原則,并得到廣泛的應用。也正是由于 這個原因,使得設計人員往往只習慣應用獨立原則,而忽 視或不習慣應用相關要求,其結(jié)果是功能要求雖得以滿 足,但工藝性和經(jīng)濟性并未獲得最佳的效果。因此,在機 械零件設計中還應該重視和熟悉相關要求的應用。 2、相關要求的應用 相關要求與獨立原則的區(qū)別主要體現(xiàn)在形位誤差的 控制方

17、法上。遵守獨立原則的形位公差,要用通用測量 器具測出實際被測要素的形位誤差值,然后,與圖樣上給 定的形位公差值相比較,以確定其合格性。遵守相關要 求的形位公差,不要求實測其形位誤差值,而是用一定的 理想邊界來控制形位誤差。只要實際被測要素不超出這 個邊界,就可認為是合格的。實際生產(chǎn)中應用的各種量 規(guī),就是這種邊界的體現(xiàn)。顯然,實際要素是否超出給定 的邊界,不僅與其形位誤差有關,而且與其尺寸誤差有 關,它是被測要素的形狀、位置和尺寸誤差的綜合結(jié)果。 尺寸公差與形位公差的關系就表現(xiàn)在這個綜合結(jié)果之 中。 顯然,由于相關要求是用理想邊界來控制形位誤差 的,而只有具有包容或被包

18、容性質(zhì)的孔、軸等輪廓要素才 具有最大實體邊界、最大實體實效邊界或最小實體實效 邊界。所以,原則上只有中心要素的形位公差與其輪廓 要素的尺寸公差才可以要求遵守相關要求。但是由于理 想邊界控制是一種綜合結(jié)果,實際上很難區(qū)分被控制的 對象是中心要素的誤差還是輪廓要素的誤差,所以,相關 要求主要用于那些滿足裝配要求的場合,以及有配合要 求、需要保證零件強度和最小壁厚要求的場合等。 (1)包容要求的應用。包容要求主要應用于需要嚴 格保證配合性質(zhì)的場合,即用最大實體邊界來保證必要 的最小間隙或最大過盈。例如:滑動軸承為了保證一定 的運轉(zhuǎn)精度和軸承間的良好潤滑,它的配合應根據(jù)潤滑 理

19、論,保證最小油膜厚度,其配合性質(zhì)對功能的影響較 大,可選用包容要求來保證。又如與滾動軸承內(nèi)圈內(nèi)徑 相配合的軸頸需用包容原則。再如柴油機機體上的凸輪 軸、曲軸安裝孔等均應選用包容要求。包容要求還經(jīng)常 用于有相對運動的配合面,如回轉(zhuǎn)軸的軸頸與滑動軸承, 滑動套筒與孔,滑動塊與槽等。 從某種意義上來講包容要求是一種較經(jīng)濟的公差要 求。這是因為尺寸公差與形位公差的補償在最大實體邊 界內(nèi)的分配可以隨不同的工藝變化。當零件加工采用工 藝的形位精度較高,則可以少壓縮一些尺寸公差,使尺寸 變化余地大一些;反之當采用工藝的形位精度較低,則適 當多壓縮一些尺寸公差,對尺寸控制嚴一點,這時尺寸

20、公 差和形位公差的分配完全由工藝或生產(chǎn)者根據(jù)情況靈活 掌握。但如果由設計者主觀分配尺寸公差與形位公差所 占的比例,即按獨立原則給定公差,將使具體加工缺乏靈 活性。 包容要求是用最大實體邊界來控制實際要素的,因 此它是用模擬最大實體邊界的全形量規(guī)來檢測的,其檢 驗原則即泰勒原則。由于量規(guī)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、檢驗 效率高,特別適用于大批量生產(chǎn)的場合。 (2)最大實體要求的應用。最大實體要求主要用于 保證裝配互換的場合,目的是增大成品率,提高工藝經(jīng)濟 性。定向、定位公差中凡是具有軸線或中心平面的被測 要素和基淮要素均可采用最大實體要求。 用螺栓、螺釘緊固聯(lián)接的零件上的孔組,

21、如軸承蓋、 箱體蓋,機體、法蘭上的螺栓連接孔等,這類零件只要求 螺栓或螺釘?shù)饶茏杂赏ㄟ^,即可保證裝配互換,多采用最 大實體要求。例如用螺栓連接法蘭盤,其通孔孔組的位 置度公差的設計中,應充分利用最大實體要求的優(yōu)越性, 這樣既可滿足功能要求,又可充分利用圖樣上給出的公 差值,提高零件的合格率,降低成本。在機械設計中,較 多要素的結(jié)合是靠緊固件連接的,特別是那些無嚴格要 求、非運轉(zhuǎn)的靜止配合,僅需保證裝配互換,均可應用最 大實體要求。 在應用最大實體要求時,采用體現(xiàn)最大實體實效邊 界的綜合量規(guī)來進行檢測,檢測效率高,提高了生產(chǎn)率, 保證了產(chǎn)品質(zhì)量,降低了成本,有良好的經(jīng)濟效

22、益。 (3)最小實體要求的應用。最小實體要求是GB/T 4249———1996和GB/T16671———1996中新增加的相關要 求。增加的目的,一方面是為了和國際標準接軌,便于國 際間的貿(mào)易和技術交流,另一方面也是對公差原則標準 的補充和完善。 應用最小實體要求的目的主要是為了保證零件的最 小壁厚和設計強度。最小實體要求是控制被測要素的實 際輪廓處于最小實體實效邊界之內(nèi),即體內(nèi)作用尺寸不 超出最小實體實效尺寸,并且其局部實際尺寸不得超過 最大實體尺寸和最小實體尺寸。最小實體要求適用于軸 線或中心平面這類的關聯(lián)中心要素,主要應用于位置度 公差,它考慮尺寸公差與位置度公差

23、的相互關系,當被測 要素的實際尺寸偏離最小實體尺寸時,允許位置度公差 增大,其增大量等于其偏離量。應用于孔組系列中,可以 保證兩孔之間最薄的壁厚大一點。這說明按最小實體要 求加工孔可以保證零件的最小壁厚和強度不致被破壞, (4)可逆要求的應用。可逆要求也是新增加的相關 要求。在GB/T16671—1996中,由于缺乏應用經(jīng)驗還僅是 將可逆要求列為附錄。 可逆要求是當中心要素的形位誤差值小于給出的形 位公差值時,允許在滿足零件功能要求的前提下擴大尺 寸公差。上述的最大實體要求和最小實體要求均是指在 給定的理想邊界內(nèi),實際尺寸偏離了最大或最小實體尺 寸時,允許其形位誤差值超

24、出給定的形位公差值,但不允 許相反的情況出現(xiàn),即不允許尺寸公差超差。在實際應 用中,有些零件只要求將其實際輪廓限定在某一控制邊 界內(nèi),不需嚴格區(qū)分其尺寸或形位公差是否在允許的范 圍內(nèi),此時可選用可逆要求,即允許形位公差補償給尺寸 公差?？梢哉f,生產(chǎn)中早就存在并應用了允許形位公差 補償給尺寸公差的情況,如用量規(guī)檢驗零件就充分體現(xiàn) 了這一點,故增加允許反補償?shù)目赡嬉笫峭耆侠淼摹? 科學的。 可逆要求必須與最大實體要求或最小實體要求一起 應用。應用時可分別稱為可逆的最大實體要求或可逆的 最小實體要求,不存在獨立使用的情況。在采用可逆要 求時,必須保證在不影響零件功能要求的前

25、提下,當被測 軸線或中心平面的形位誤差值小于給出的形位公差值 時,允許相應的尺寸公差增大。 由此可見,無論是采用最大實體要求、最小實體要 求、可逆要求均可以提高產(chǎn)品的合格率,提高生產(chǎn)率,從 而獲得良好的經(jīng)濟效益。 公差原則的規(guī)定和進一步完善,極大地豐富了工程 設計語言,它可以使設計人員把自己的設計思想和意圖 在圖樣上清楚、正確、合理地表達出來,以提高機械零件 設計水平,獲得最佳的工藝性和經(jīng)濟性。 不同的公差原則反應不同的設計意圖,可滿足不同 的功能要求。在機械零件設計中到底選哪一種公差原則 為好,不能一概而論,而要視具體情況而定。對于不同的 功能要求,只有選擇最適宜的公差原則,方可取得最佳的 工藝性和經(jīng)濟性。所以,設計者應深入理解不同公差原 則的含義,熟練掌握其適用場合,逐步積累應用經(jīng)驗,靈 活運用,努力在機械零件設計中取得最佳的技術經(jīng)濟 效果。 參考文獻 [1]吳國志.談“公差原則”及其應用[J].企業(yè)標準 化,1999(2):25~29. [2]趙妙霞,陳洪根:公差原則及其應用[J].標準化 報道,1998,19(4):38~42. [3] GB/T 4249—1996,公差原則,形狀和位置公差 [S]. [4] GB/T16671—1996,形狀和位置公差.最大實體要 求、最小實體要求和可逆要求[S].