機械零部件精度設計

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1、楊 鐵 牛 設計工程研究所實踐教學課程組 機械設計綜合實踐 第 5.4節(jié) 機械零部件精度設計 1 互換性生產(chǎn)基本概念 2 公差與配合的基本術語和定義 3 公差與配合的選用 4 形位公差 5 表面粗糙度 課程內容 互換性生產(chǎn)基本概念 互換性是指同一規(guī)格的一批零部件，任取其一，不經(jīng) 任何挑選和修配就能裝在機器上，并能滿足其使用功能 要求的特性。 零件幾何參數(shù)的互換性按其互換程度分為完全互換 和不完全互換。符合上述互換性定義，在裝配時不需挑 選和修配，即完全互換；否則在裝配時允許挑選、調整 和修配，則稱為不完全互換。根據(jù)不同需要，零部件廠 際協(xié)作應采用完全互換，部件或零件在同一廠制造和裝 配時，可采

2、用不完全互換。 1.互換性生產(chǎn) 互換性生產(chǎn)經(jīng)歷了由完全沒有互換性的配對制作方式 ，到具有互換性的樣板（標準量規(guī)）檢驗合格與否的制造 模式。后來，標準量規(guī)進一步演變發(fā)展為極限量規(guī)，分別 用于控制被加工零件的最大、最小兩個極限尺寸，從而引 出了公差的概念。公差和極限量規(guī)的出現(xiàn)，促使互換性生 產(chǎn)更加蓬勃地發(fā)展。 互換性生產(chǎn)基本概念 2.標準化 ： 實行標準化是互換性生產(chǎn)的基礎。 標準是對重復性事物和概念所作的統(tǒng)一規(guī)定，它以科學、 技術和實踐經(jīng)驗的綜合成果為基礎，經(jīng)有關方面協(xié)商一致， 由主管機構批準，以特定形式發(fā)布，作為共同遵守的準則 和依據(jù)。 標準化是指標準的制訂、發(fā)布和貫徹實施的全部活動過 程，包

3、括從調查標準化對象開始，經(jīng)試驗、分析和綜合歸 納，進而制訂和貫徹標準，以后還要修訂標準等等。標準 化是以標準的形式體現(xiàn)的，也是一個不斷循環(huán)、不斷提高 的過程。為了實現(xiàn)互換性，必須對公差值進行標準化，不 能各行其是。 互換性生產(chǎn)基本概念 3.優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系 在互換性生產(chǎn)中，為了采用較少的參數(shù)系列，覆蓋盡 量多的實際應用，產(chǎn)品的參數(shù)選擇必須遵守一定的規(guī)律。 在標準化過程規(guī)定了一項重要的相關標準來約束參數(shù)的選 擇，這就是 優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系 國家標準（ GB321 80）。 國家標準 GB/T321 1980 優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系 規(guī)定 十進等比數(shù)列為優(yōu)先數(shù)系，并規(guī)定了 5 個系列，按照優(yōu)先 順序分別用

4、系列符號 R5、 R10、 R20、 R40 和 R80 表示，稱 為 Rr 系列。 互換性生產(chǎn)基本概念 互換性生產(chǎn)基本概念 國家標準規(guī)定的優(yōu)先數(shù)系分檔合理，疏密均勻，有廣 泛的適用性。選用基本系列時，應遵守先疏后密的規(guī)則， 即按 R5、 R10、 R20、 R40 的順序選用。常見的量值，如 長度、直徑、轉速及功率等分級，基本上都是按一定的 優(yōu)先數(shù)系進行的。例如尺寸分段、公差分級及表面粗糙 度的參數(shù)系列等，基本上都采用了優(yōu)先數(shù)系。為使優(yōu)先 數(shù)系具有更寬廣的適應性，可以依據(jù)基本系列根據(jù)一定 規(guī)則衍生出若干系列。 互換性生產(chǎn)基本概念 公差與配合的基本術語和定義 國家標準對零件標準公差、基本偏差、

5、極限偏差的 數(shù)值、選取原則、檢驗和驗收等進行標準化而形成的制 度，即公差與配合國家標準。主要由基準制、標準公差 系列和基本偏差系列組成。 極限與配合制是基本的互換性標準，實現(xiàn)零部件的 互換性，必須以該標準為依據(jù)，對幾何精度進行控制與 評定。為了正確應用標準，首先應該正確理解有關的基 本概念、術語及定義。 1.尺寸 公差與配合的基本術語和定義 2.公差與標準公差 允許尺寸的變動量稱為尺寸公差，等于最大極限尺寸減 最小極限尺寸，尺寸公差是沒有正、負號的絕對值，不允許 為零。 國際上對孔、軸公差的規(guī)定代號為： TH表示孔的公差； TS表示軸的公差。 國家標準表格中規(guī)定的每一個公差數(shù)值即為標準公差。

6、公差與配合的基本術語和定義 3.偏差與極限偏差 某一尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差稱為尺寸偏差。 最大極限尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差稱為上極限 偏差 (ES,es)，最小極限尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù) 差稱為下極限偏差 (EI,ei)，上極限偏差與下極限偏差 統(tǒng)稱為極限偏差 ,如圖 5.2。 公差與配合的基本術語和定義 實際尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差稱為實際偏 差 (Ea)。 合格工件條件也常用偏差的關系表示如下： 對于孔： EI Ea ES 對于軸： ei ea es 例題： 已知孔的基本尺寸與軸的基本尺寸 d均為 50mm, 孔的最大極限尺寸， Dmax=50.025 mm，孔的最小極限

7、 尺寸 Dmin=50.000 mm，軸的最大極限尺寸 dmax=50.025mm，軸的最小極限尺寸 dmin=50.009mm， 求孔與軸的極限偏差及公差。 公差與配合的基本術語和定義 解： 孔的上極限偏差 ES = max = (50.025 50) mm = +0.025 mm 孔的下極限偏差 EI = min = (50.000 50) mm = 0 mm 軸的上極限偏差 es = d max d = (50.025 50) mm = +0.025 mm 軸的下極限偏差 ei = d min = (50.009 50) mm = +0.009mm 孔公差 TH = max min =

8、(50.025 50.000 )mm = 0 025 mm 軸公差 TS = d max d min = (50.025 50.009) mm = 0.016 mm 或 孔公差 TH = ES EI=(+0.025 )mm = 0.025 mm 軸公差 TS = es ei = +0.025 (0.009) mm 0.016mm 公差與配合的基本術語和定義 4.公差帶圖 在簡化極限與配合圖解中，由代表上極限偏差與下極 限偏差或最大極限尺寸與最小極限尺寸的兩條直線所限定 的一個區(qū)域，叫公差帶，如圖 5.3所示。 公差與配合的基本術語和定義 公差與配合的選用 基本尺寸相同的，相互結合的孔與軸公差帶

9、之間的關 系稱之為配合。在孔、軸裝配前，孔的尺寸減去相配合軸 的尺寸所得之代數(shù)差，決定結合零件間的松緊程度。此差 值為正（“ +” ）時是間隙 ,用 X表示，為負（“”）時 是過盈 , 用 Y表示。 公差與配合的選用 根據(jù)配合中間隙和過盈的大小可以將配合分為三種： 間隙配合、過渡配合和過盈配合。 公差與配合的選用 產(chǎn)品設計過程中選擇相應的孔軸公差帶組成各種需要 的配合，一般從以下三個方面考慮： 1.基準制 基準制是指以兩個相配合的零件中的一個零件為基準 件 ,并確定其公差帶位置，而改變另一個零件 (非基準件 ) 的公差帶位置，從而形成各種配合的一種制度。在極限與 配合國家標準 GB/T1800

10、.1-2009中規(guī)定了兩種等效的配合 制：基孔制和基軸制。 公差與配合的選用 基孔制：基本偏差為一定的孔的公差帶與不同基本偏差的軸公 差帶形成各種配合的一種制度。 基軸制：基本偏差為一定的軸的公差帶，與不同基本偏差的孔 公差形成各種配合的一種制度 。 公差與配合的選用 2.公差等級的選用 標準公差大小是由公差等級系數(shù)和決定于基本尺寸的公 差單位因子乘積所決定。每一個公差等級都對應一個公差等 級系數(shù)。公差等級的選擇，其實質就是尺寸制造精度的確定。 尺寸精度與加工的難易程度、加工的成本等因素相關。我國 GB/T 1800.1-2009標準公差，將尺寸精度由高到低分為 20個 等級，用 IT01，

11、IT0， IT1， IT2， ,IT18 表示。 公差與配合的選用 公稱尺寸 500mm 標準公差的計算公式 (GB/T1800.3 1998) 公差與配合的選用 一般選用的原則如下： 1) 常用尺寸段（ 500mm）較高等級（ IT8）的配合，采用不同級 配合，其余盡量采用同級配合。 2）在滿足使用性能的前提下，盡量選擇較低的精度等級。 公差與配合的選用 3.配合選擇 公差等級和基準制選擇，不能完全確定兩配合件公差 帶之間的關系。還需要確定非基準件的基本偏差，才能夠 確定配合的性質。而在實際工作中，配合性質是一致的工 程要求，所以在公差等級和基準制確定之后，應該依據(jù)配 合性質選擇非基準件的基

12、本偏差，即確定配合種類。 國家標準推薦有優(yōu)先配合、常用配合和一般配合。在 設計中根據(jù)使用要求，應盡可能地選用優(yōu)先配合和常用配 合。 公差與配合的選用 為了滿足各種不同松緊程度的配合需要，國家標準對 孔和軸分別規(guī)定了 28種基本偏差。在確定配合種類時，有 計算法、試驗法和類比法等三種方法： 1）計算法：就是根據(jù)一定的理論和公式，計算出所需的 間隙或過盈。根據(jù)計算結果選用合適的配合。 2) 試驗法：就是對產(chǎn)品性能影響很大的一些配合 ,往往用 試驗法來確定機器工作性能。 3) 類比法： 是最常用的一種方法，即根據(jù)各種具體條件 下已有成功配合種類，參考表 5-8，然后分析當前零件 具體工作條件、使用要

13、求的差異，進行各種修正而采用 的配合，參考表 5-9。 公差與配合的選用 公差與配合的選用 公差與配合的選用 公差與配合的選用 一般、常用和優(yōu)先的軸公差帶共 119種，如圖 5.7所示， 其中方框內的 59種為常用公差帶、帶圓圈的 13種為優(yōu)先的 公差帶。 公差與配合的選用 國家標準規(guī)定了一般、常用和優(yōu)先的孔公差帶 105種，如 圖 5.8所示，其中方框內的 44種為常用公差帶，帶圓圈的 13 種為優(yōu)先的公差帶。 公差與配合的選用 國標規(guī)定的基孔制和基軸制優(yōu)先配合各 13種，如圖 5.9 所示。 公差與配合的選用 4.非配合尺寸精度設計 圖樣上所有的尺寸原則上都應受到一定公差的約束。 為了簡化

14、制圖 ,節(jié)省設計時間，簡化產(chǎn)品的檢驗要求，對不 重要的尺寸，非配合的尺寸以及工藝方法可以保證的尺寸， 無需注出公差。 一般未注公差是指在車間一般加工條件下可以保證的公 差。它是機床設備在正常維護和操作情況下，可以達到的 經(jīng)濟加工精度。采用一般公差的尺寸，在該尺寸后不標注 極限偏差或其它代號，而且在正常情況下，一般可以不檢 驗。除一般公差之外的所有公差 -無論高低都要標注出來。 公差與配合的選用 形位公差 除了尺寸公差之外，機械零件還存在有表面粗糙度、 波紋度誤差、形狀和位置誤差。這些誤差對零件的使用功 能都有較大的影響。 這些公差之間的關系由公差原則來約定。一般而言， 對于同一被測要素，尺寸公

15、差應該大于位置公差，位置公 差大于形狀公差，形狀公差大于粗糙度。任一被測要素所 需要的檢測項目或應該達到的指標，在相應零件圖設計中 介紹，下面僅介紹一下形位公差和公差原則。 1.形位公差 形位公差是指提?。▽嶋H）要素的形狀對其擬合要素的 允許變動量。形狀公差帶是某一實際提取要素允許變動的區(qū) 域。 形位公差符號： 形位公差 形 狀 公 差 線輪廓度 面輪廓度 圓柱度 圓度 分類 符號特征項目 平面度 直線度 位 置 公 差 傾斜度 全跳動 位置度 圓跳動 對稱度 同軸度 跳 動 定 位 垂直度 平行度 特征項目分類 定向 符號 2.公差原則 根據(jù)尺寸公差和形位公差之間的相依關系，可以將公 差原則

16、分為兩大類：獨立原則和相關原則。 1）獨立原則 獨立原則是指圖樣上給定的形位公差與尺寸公差相 互無關，分別滿足要求。 形位公差 2）相關原則 相關原則又包括：包容要求、最大實體要求、最小實 體要求、可逆性要求。 例題： 解釋圖標注出的各項形位公差（說明被測要素、基 準要素、公差帶形狀、大小、方向、位置、選擇該 項目的原因） 形位公差 表面粗糙度 表面粗糙度是指加工表面所具有的較小間距和微小峰 谷不平度。這種微觀幾何形狀的尺寸特征一般是由零件 的加工過程和（或）其他因素形成。表面粗糙度對機械 零件的配合性質、 耐磨性、工作精度、抗腐蝕性有著密 切的關系，它影響到機器或儀器的可靠性和使用壽命。 我

17、國現(xiàn)行的國標 GB/T3505-2009中關于粗糙度評定參 數(shù)包括五類：幅度參數(shù)（峰和谷） Rp、 Rv、 Rz、 Rc和 Rt； 幅度參數(shù)（縱坐標平均值） Ra、 Rq、 Rsk和 Rku；間距參 數(shù) Rsm；混合參數(shù) R q；曲線和相關參數(shù) Rmr等。 一般零件表面，可以選注幅度參數(shù)（縱坐標平均值） Ra，即在一個取樣長度內縱坐標值絕對值的算術平均值， 可參考下表 5-12選取。 表 5-12 輪廓算術平均高度 Ra 具體選擇各種公差時，尺寸公差 IT、表面形狀公差 T、表面粗糙度參數(shù) Ra三者之間一般應遵循如下的對應 關系。 表面粗糙度 具體標注時，應該參考表 5-13。 表面粗糙度 表

18、面粗糙度 例題： 小型發(fā)動機中的活塞部件如圖 5.28所示，發(fā)動機工作 時，在活塞上部的氣缸空間內，燃料燃燒使氣體膨脹，推動 活塞在氣缸內作直線運動，通過曲柄連桿機構使曲柄軸回 轉，輸出動力，因而此部件是發(fā)動機中的重要部件。此部件 中的活塞和活塞銷等一直在高溫下工作且承受沖擊。其發(fā)動 機的功率為 2kW，曲軸最高轉 3000r/min，生產(chǎn)條件為大批量 生產(chǎn)。試確定以下各配合處的基準制、公差等級、配合類別 及配合代號，簡述理由，并將結果標注在裝配圖上。 活塞 1和活塞銷 2（ 14）； 活塞銷 2和連桿小套筒 3（ 14）； 綜合實例 連桿小套筒 3和連桿 4 （ 18）； 連桿 4和連桿大套筒 5 （ 24）； 連桿大套筒 5和曲柄銷 6 （ 18）； 曲柄銷 6和曲柄 7（ 18）； 曲柄 7和滾動軸承 304內 圈（ 20）； 滾動軸承 304外圈和 曲柄箱孔（ 52）。 解： 由題知，該活塞的工作條件為：高速回轉，一直在高溫 下工作且承受沖擊，其生產(chǎn)方式為大批量生產(chǎn)。綜合以 上條件可知配合松緊程度修正情況。結合圖形與各零件 的工作原理及工作情況知：套筒與連桿之間選用較緊的 配合，銷與曲柄或活塞之間選用緊的配合，銷與套筒之 間選用較松的配合。 綜合題意，得出相應各配合處的基準制、公差等級、配 合類別、配合代號、及理由解于表 5-14： 各種選用配合要點如圖 5.29所示：