形位公差原則在機(jī)械零件設(shè)計(jì)制造中的重要性

耿 職,張 奎,張德三

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

形位公差原則在機(jī)械零件設(shè)計(jì)制造中的重要性

耿 職,張 奎,張德三

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233018)

該文闡述了形位公差原則的基本概念以及適用的一般范圍,同時(shí)結(jié)合一些實(shí)際應(yīng)用對其進(jìn)行了進(jìn)一步說明。特別是對如何結(jié)合零件的功能性和制造工藝、裝配、檢驗(yàn)的可能性與經(jīng)濟(jì)性來選用形位公差原則進(jìn)行了詳細(xì)分析。

獨(dú)立原則; 包容要求; 實(shí)體要求; 可逆要求

機(jī)械零件在加工過程中,由于裝夾、刀具、機(jī)床加工精度及其他機(jī)加工工藝操作等因素的影響,會(huì)使被加工零件的幾何要素產(chǎn)生一定的形狀和位置誤差。而形狀和位置精度是零件的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo),會(huì)直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的工作精度、密封性、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、使用壽命和可裝配性等。因此,為了保證機(jī)械零件的質(zhì)量,就必須在零件圖上給出形狀和位置公差;同時(shí),根據(jù)功能要求(零件的實(shí)際使用要求),還應(yīng)該確定零件各幾何要素尺寸和形位公差之間的關(guān)系,即形位公差原則。

形位公差原則分為獨(dú)立原則和相關(guān)要求。相關(guān)要求包括包容要求、最大實(shí)體要求、最小實(shí)體要求及可逆要求。在設(shè)計(jì)或者生產(chǎn)實(shí)踐中如果能正確理解和應(yīng)用形位公差原則,不僅能保證產(chǎn)品的質(zhì)量,而且能簡化零件制造、檢驗(yàn)、裝配的過程,對提高生產(chǎn)率,最終提升產(chǎn)品的市場競爭力有著重要的意義。但筆者發(fā)現(xiàn)在一些零件設(shè)計(jì)中并沒有很好的理解形位公差原則,造成零件制造過程中控制及檢驗(yàn)的繁瑣。因此,筆者首先會(huì)在文中對形位公差原則進(jìn)行詳細(xì)闡述,之后再列舉一些實(shí)際應(yīng)用。

1 獨(dú)立原則

2 包容要求

包容要求表示實(shí)際要素應(yīng)遵守最大實(shí)體邊界,其局部實(shí)際尺寸不得超出最小實(shí)體尺寸。采用包容要求的單一要素應(yīng)在其尺寸極限偏差或公差帶代號(hào)后加注符號(hào)E。采用包容要求的合格條件為:體外作用尺寸不得超過最大實(shí)體尺寸,局部實(shí)際尺寸不得超出最小實(shí)體尺寸。如圖2所示,d1為最大實(shí)體尺寸,即?40 mm;d2為實(shí)際尺寸;?f為允許形位公差。當(dāng)d2=20 mm時(shí),?f=0;當(dāng)d2= 39.975 mm時(shí),?f=0.025 mm。采用包容要求主要是為了保證配合性質(zhì),特別是配合公差較小的精密配合。用最大實(shí)體邊界綜合控制實(shí)際尺寸和形位誤差來保證必要的最小間隙,用最小實(shí)體尺寸控制最大間隙,從而達(dá)到所要求的配合性質(zhì)。如滑塊與滑塊槽的配合等。

3 最大實(shí)體要求

最大實(shí)體要求是指被測要素的實(shí)際輪廓遵守其最大實(shí)體實(shí)效邊界,當(dāng)實(shí)際尺寸偏離其最大實(shí)體尺寸時(shí),允許其形狀、定向、定位誤差值超出其給定的公差值的一種要求,用符號(hào)M表征。采用最大實(shí)體要求的合格條件為:孔或軸的體外作用尺寸不得超過最大實(shí)體實(shí)效尺寸,局部實(shí)際尺寸不得超出極限尺寸。體外作用尺寸是指在被測要素的給定長度上,與實(shí)際內(nèi)表面體外相接的最大理想面或與實(shí)際外表面體外相接的最小理想面的直徑或?qū)挾取Ｗ畲髮?shí)體要求是從裝配互換性基礎(chǔ)上建立起來的,在保證裝配互換的地方從裝配經(jīng)濟(jì)性考慮,可以選擇最大實(shí)體要求;在要求自由裝配的部位,應(yīng)以孔的最大實(shí)體實(shí)效尺寸大于或等于軸的最大實(shí)體實(shí)效尺寸來選擇尺寸的極限偏差以及形位公差值。分別對?60 mm的軸和孔進(jìn)行尺寸及形位公差的標(biāo)注,其各自的動(dòng)態(tài)公差帶及最大實(shí)體實(shí)效邊界分布如圖3所示,分別位于其下方。軸的最大實(shí)體實(shí)效尺寸為最大實(shí)體尺寸加上形位公差值,即?60.01 mm,當(dāng)軸的直徑在?59.97～?60 mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),其軸線的直線度公差在?0.04～?0.01 mm之間變動(dòng);孔的最大實(shí)體實(shí)效尺寸為最大實(shí)體尺寸減去形位公差值,即?59.99 mm,當(dāng)孔的直徑在?60～?60.046 mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),其軸線的直線度公差在?0.01～?0.04 mm之間變動(dòng)。

4 最小實(shí)體要求

最小實(shí)體要求是指控制被測要素的實(shí)際輪廓處于其最小實(shí)體實(shí)效邊界之內(nèi),當(dāng)實(shí)際尺寸偏離其最小實(shí)體尺寸時(shí),允許其形狀、定向、定位誤差值超出其給定的公差值的一種要求,用符號(hào)L表征。也就是說,其體內(nèi)作用尺寸不得超出其最小實(shí)體實(shí)效尺寸,而且,其局部實(shí)際尺寸不得超出極限尺寸。體內(nèi)作用尺寸是指在被測要素的給定長度上,與實(shí)際內(nèi)表面體內(nèi)相接的最小理想面或與實(shí)際外表面體內(nèi)相接的最大理想面的直徑或?qū)挾?。最小?shí)體要求可以用于被測要素,也可以用于基準(zhǔn)要素,但被測要素或基準(zhǔn)要素必須是中心要素。如圖4所示,軸的最小實(shí)體實(shí)效尺寸為最小實(shí)體尺寸減去形位公差值,即?59.96 mm,當(dāng)軸的直徑在?59.7～?60 mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),其軸線的直線度公差在?0.01～?0.04 mm之間變動(dòng);孔的最小實(shí)體實(shí)效尺寸為最小實(shí)體尺寸加上形位公差值,即?60.056 mm,當(dāng)孔的直徑在?60～?60.046 mm范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),其軸線的直線度公差在?0.056～?0.01 mm之間變動(dòng)。由此,我們可以看出最小實(shí)體要求與其他相關(guān)要求的區(qū)別:包容要求和最大實(shí)體要求的理想邊界都是相對于最大實(shí)體狀態(tài)確定的,且都與配合有關(guān);而最小實(shí)體要求的理想邊界是相對于最小實(shí)體狀態(tài)確定的,而且是體內(nèi)邊界,不涉及對配合性質(zhì)的影響。

5 可逆要求

可逆要求是指中心要素的形位誤差小于所允許的形位公差時(shí),允許在滿足零件功能要求的前提下擴(kuò)大尺寸公差。用○R表示,也可用0○M或0○L表示。

6 實(shí)際應(yīng)用

某些零件需要保證強(qiáng)度或壁厚可以考慮采用最小實(shí)體要求。如圖5所示是某承壓零件的標(biāo)注方法。

標(biāo)注采用了最小實(shí)體要求應(yīng)用于被測和基準(zhǔn)要素的方式。當(dāng)采用獨(dú)立原則時(shí),最小壁厚為(?59.8～?50.064)/2=4.868 mm。而采用最小實(shí)體要求時(shí),零件被測孔為最小實(shí)體尺寸(?50.039 mm)時(shí),允許的同軸度公差為?0.025 mm。當(dāng)孔徑在?50.039～?50 mm變動(dòng)時(shí),同軸度公差在?0.025～?0.064 mm范圍內(nèi)相應(yīng)變動(dòng)。但是只要保證最小實(shí)體實(shí)效邊界,即體內(nèi)作用尺寸不超過50.064 mm,即可保證零件的最小壁厚?；鶞?zhǔn)A的實(shí)際尺寸為?59.8～?60 mm,當(dāng)尺寸為?59.8 mm時(shí),基準(zhǔn)軸線不允許浮動(dòng);當(dāng)尺寸偏離?59.8 mm時(shí),基準(zhǔn)軸線允許浮動(dòng),最大浮動(dòng)量為?0.2 mm?；鶞?zhǔn)軸線浮動(dòng)時(shí),被測孔的軸線相對于基準(zhǔn)孔的軸線可隨之浮動(dòng),但是仍然可以保證其最小壁厚,滿足其功能性要求。因此,在保證強(qiáng)度或壁厚的零件采用最小實(shí)體要求,可有效提高產(chǎn)品的合格率。

某些大批量的回轉(zhuǎn)體零件對同軸度公差有較高的要求。常規(guī)的檢測方式,比如用圓度儀、三坐標(biāo)測量裝置、專用心軸加指示架的方法來檢測,但是實(shí)際檢測操作中這些檢測方法雖然測量精度較高,但是效率很低,往往只能用于重要零件或者僅用于抽檢。而簡單易行的用千分尺打跳動(dòng)的方式實(shí)際檢測的是徑向圓跳動(dòng),其值是由同軸度公差和圓度公差綜合控制的,并不能反映零件實(shí)際的同軸度公差。當(dāng)最大實(shí)體要求應(yīng)用于被測要素和基準(zhǔn)要素時(shí),我們就可以用綜合量規(guī)檢測同軸度。綜合量規(guī)檢測效率高,但是簡單的將最大實(shí)體要求應(yīng)用于同軸度公差的標(biāo)注會(huì)降低零件的精度,偏離零件原來的設(shè)計(jì)意圖。因此如何結(jié)合零件的功能性和制造工藝、裝配、檢驗(yàn)的可能性與經(jīng)濟(jì)性是選用最大實(shí)體要求的關(guān)鍵。

如圖6所示,對于某大批量次產(chǎn)品零件有幾種最大實(shí)體要求的標(biāo)注方法。

第1種標(biāo)注(見圖6中1)為同軸度公差采用獨(dú)立原則標(biāo)注,此時(shí)無論被測孔的實(shí)際尺寸在其公差帶內(nèi)怎么變動(dòng),都與被測孔同軸度公差無關(guān)。因此,被測孔的最大實(shí)體尺寸為?40 mm,而此時(shí)同軸度公差最大仍為?0.03 mm,這樣就造成了被測孔的最大實(shí)體實(shí)效尺寸為?39.97 mm,而當(dāng)軸的尺寸(?400-0.025mm)為最大正公差時(shí),配合產(chǎn)生過盈。這與設(shè)計(jì)意圖(H8/h7軸孔間隙配合和互換性)相悖。

第2種標(biāo)注(見圖6中2)是采用獨(dú)立原則和被測要素零形位公差聯(lián)合標(biāo)注的方式。被測孔為最大實(shí)體尺寸時(shí),允許的同軸度公差為?0。當(dāng)被測孔的實(shí)際尺寸在其公差范圍(0～0.039 mm)內(nèi)變動(dòng)時(shí),允許的同軸度公差隨之增加。當(dāng)同軸度公差增加到?0.03 mm時(shí),獨(dú)立公差就起作用,此時(shí)無論被測孔實(shí)際尺寸增加到多大,其同軸度允差值都為?0.03 mm。與第1種標(biāo)注相比,即可達(dá)到設(shè)計(jì)意圖(裝配中保證最小間隙和互換性),也可采用綜合量規(guī)進(jìn)行快速檢測,適合大批量生產(chǎn)。

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)按第2種標(biāo)注要求檢驗(yàn)的部分不合格品仍能滿足設(shè)計(jì)意圖,說明被測孔與軸的配合并非按極限狀態(tài)相配,所以筆者采用了第3種標(biāo)注(見圖6中3),當(dāng)被測孔為最大實(shí)體尺寸時(shí),同軸度允差為?0.01 mm。制造公差的適當(dāng)放大,減少了零件的報(bào)廢率。當(dāng)最大實(shí)體實(shí)效尺寸超差不大時(shí),與軸裝配仍然能滿足設(shè)計(jì)意圖。但是,針對不同零件,具體放大多少是要經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析的。

7 結(jié) 論

通過對獨(dú)立原則、包容要求、最大實(shí)體要求、最小實(shí)體要求、可逆要求的詳細(xì)闡述以及列舉的部分實(shí)際應(yīng)用的分析,有助于我們在之后的機(jī)械零件設(shè)計(jì)制造中針對零件自身的功能性和特殊性更準(zhǔn)確的運(yùn)用好上述形位公差原則,真正的達(dá)到質(zhì)量與工藝效率最大化的統(tǒng)一,使得最終制造出的產(chǎn)品更具市場競爭力。

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Importance of the Geometric Tolerance Principle in Designing and Manufacturing Mechanical Parts

GENG Zhi,ZHANG Kui,ZHANG De-sɑn
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

This paper describes the basic concepts of geometric tolerance principle and the general scope of the application,also being further explained by combining with some practical applications.Especially it particularly analyzes how to choose the geometric tolerance principle by combining with the functionality of parts and manufacturing processes,assembly,the possibility and economy of the inspection.

principle of independence; envelope requirement; material requirement; reversible requirment

2014-06-08.

耿 職(1987-),助理工程師.E-mail:gengzhi@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.039