機械零件設計中幾何公差的合理選用

在機械零件設計中，零件的尺寸精度、表面質量和幾何精度是影響產品質量的重要因素。幾何公差項目、公差原則、基準及公差值的合理選用，是保證零件設計精度、使用功能和產品質量的重要內容。

一、幾何公差項目的選用

幾何公差項目的選用應遵循的原則是：在最大限度地滿足零件功能要求的前提下，以最少的幾何公差項目，獲得較好的經濟性。首先要根據零件的結構特征和加工情況，零件的功能和精度要求來合理選用幾何公差特征項目，同時要考慮幾何公差項目的特點和檢測方便性。

1.依據零件的結構特征和加工情況

零件自身的結構特征限定了可選擇的幾何公差項目。例如有平面要素的零件可選平面度、平行度誤差，有曲面要素的零件可選面輪廓度；圓柱體零件可根據零件自身各要素選擇軸線直線度、素線直線度、圓度、圓柱度、徑向圓跳動誤差；階梯孔零件會有同軸度誤差；零件上孔或軸的軸線會有位置度誤差等。

在機械零件設計時，還應根據零件的加工和裝配情況來選擇幾何公差項目。例如在加工細長軸時中部較易產生變形，可以選擇素線直線度或圓柱度來控制。

2.依據零件的功能和精度要求

選擇幾何公差項目還應滿足零件的功能和精度要求，主要考慮形位誤差對零件的配合性質、裝配互換性、工作精度、可靠性等影響。設計時只有了解和明確所設計零件的使用性能，才能確定為保證這些性能必須選用的幾何公差項目。例如為保證一對錐齒輪的正確嚙合傳動，對箱體上安裝錐齒輪軸的孔需要給出垂直度要求；車床主軸的旋轉精度要求很高，應規定其前后頸的同軸度來保證主軸的精度要求等。

3.依據幾何公差項目的特點和檢測方便性

在機械零件設計時，要充分考慮各幾何公差項目的特點和它們之間的關系，在滿足功能要求的前提下應盡量選用檢測方法易行的項目來代替檢測難度較大的幾何公差項目。

（1）形狀公差可控制某些其他形狀公差。形狀公差中有些項目可以控制其他項目。例如圓柱度公差可綜合控制圓柱體的正截面的圓度誤差和圓柱體軸線方向上的形狀誤差。因此，當圓柱體給出了圓柱度公差后，一般就不再給出圓度公差和素線直線度公差。只有圓度或直線度精度高于圓柱度時才單獨標注。因為圓柱度誤差的檢測較為復雜，所以對一般精度的圓柱體零件，還是用圓度與直線度來控制，避免檢測復雜。

（2）定向公差可控制形狀公差。定向公差帶可以把同一要素的形狀誤差控制在定向公差范圍內，即定向公差可控制形狀公差。因此當對同一要素給出定向公差時就不再注出形狀公差，只有當對其形狀公差的精度要求高于定向公差的要求時才需單獨標注。圖1所示為被測平面的平面度公差值小于平行度公差值。

（3）定位公差可控制定向公差和形狀公差。定位公差帶可以把同一要素的定向公差和形狀公差控制在定位公差范圍內，即定位公差有綜合控制被測要素位置、方向和形狀的功能。因此當對同一要素給出定位公差時就不再注出定向公差，只有當對其定向公差的精度高于定位公差的要求時才需注出。例如位置度公差是綜合性最強的指標之一，它同時控制了被測要素上的其他形狀公差和定向公差，如圖2所示零件上孔的軸線的位置公差帶與其直線度公差帶、其對基準C的垂直度公差帶是一樣的，因此該孔軸線的位置度公差可以控制其直線度以及對基準的垂直度公差。

（4）跳動公差可控制其他幾何公差。徑向全跳動公差是綜合性最強的指標之一，它能全面控制圓柱面上的圓度、圓柱度、素線和軸線的直線度、同軸度公差。端面全跳動能全面控制該端面的平面度公差和垂直度公差。因此在設計中，在滿足零件功能和精度要求的前提下，可選用簡便易行的綜合控制公差項目來代替測量難度較大的公差項目，同時可減少圖樣上的幾何公差項目。

徑向圓跳動公差能控制同軸度誤差和圓度誤差，由于徑向圓跳動誤差的檢測比同軸度誤差的檢測簡單易行，所以在滿足零件功能和精度要求的前提下，優先選用徑向圓跳動公差。

端面對基準軸線的垂直度公差是端面圓跳動和平面度誤差的綜合反映。如果采用端面圓跳動來代替垂直度公差要求，其結果會降低端面垂直度精度。因為端面圓跳動的檢測方法比較簡便，所以對基準的垂直度精度要求不高的零件，如低速旋轉軸上的軸肩端面應優先選用端面圓跳動，但是對立式銑床工作臺等對垂直度有一定要求的零件，則必須標注出垂直度公差。

二、公差原則的選用

在機械零件設計中選用幾何公差項目時，還應考慮公差原則的應用。公差原則是處理幾何公差和尺寸公差關系的原則，有獨立原則和相關要求兩種。

1.獨立原則是幾何公差和尺寸公差遵循的基本原則

是指二者分別滿足要求、互不相關的公差原則。以下場合應采用獨立原則：對尺寸精度和形位精度均有較嚴格要求且需分別滿足的，如齒輪箱各孔的尺寸精度與各孔軸線的平行度；對尺寸精度和形位精度要求差別較大的，如平板形狀精度要求高而尺寸精度要求低；以及對保證運動精度、保證密封性和未注尺寸公差與幾何公差的場合。

2.相關要求是指圖樣上的尺寸公差與幾何公差相互有關的公差要求

包括包容要求、最大實體要求、最小實體要求、可逆要求。包容要求主要用于保證孔、軸的配合性質，重要的配合；最大實體要求主要用于保證被測中心要素和基準中心要素零件的可裝配性場合；最小實體要求主要用于保證最小壁厚的場合；可逆要求只能與最大實體要求或最小實體要求一起使用，只用于被測要素，不用于基準要素。

三、基準要素的選用

在確定位置公差項目的同時，還要確定基準要素。在選擇幾何公差項目的基準時，主要根據零件的結構特點和功能、設計、加工工藝、裝配等要求，并兼顧設計基準、加工基準、測量基準和裝配基準統一的原則來選用。基準的選擇應從以下幾個方面考慮。

1.零件結構方面

應選用長度長、面積大、剛性好的要素作基準，以保證基準穩定準確性。

2.加工方面

零件加工時應選擇在夾具中定位的相應要素為基準， 如加工比較精確的表面，或接觸面積大，工件以此表面定位重心不偏移使工件穩定的一些要素作為基準。

3.檢測方面

零件進行檢驗時應選擇在在計量器具中定位的相應要素為基準。

4.裝配方面

應選擇零件相互配合、相互接觸的表面作為各自的基準， 以保證裝配要求。

如圖3所示，軸承軸的軸線A和軸線B是該軸寬度方向的設計基準，同時軸線A和軸線B的兩圓柱面是軸承的裝配基準，對該軸的形位誤差測量時可以定位安裝該軸的兩軸頸的公共軸線A-B作為測量基準。

四、幾何公差值的選用

合理和正確地選擇幾何公差值能保證零件的功能要求、零件質量，提高經濟效益。幾何公差等級的選擇原則是在滿足零件功能的前提，兼顧經濟性和測量條件等因素選取較低的公差等級。

1.幾何公差值的規定

圖樣中的幾何公差分為注出公差和未注公差兩種，一般零件所要求的幾何公差值用一般機床加工就能保證時，不必在圖樣上注出公差，其公差值按國家標準GB／T 1184-1996《形狀和位置公差 未注公差》中規定確定，例如對于直線度、平面度、垂直度、對稱度和圓跳動度的未注公差，標準中規定了H、K、L三個公差等級；圓度的未注公差等于給出的直徑公差等。

若零件要求的幾何公差值高于未注公差時，則應在圖樣中注出公差值，當低于未注公差值時要看注出公差值是否給工廠帶來經濟效益而定，否則不注出過低的公差值。國標規定除了線輪廓度和面輪廓度外其余12項都規定了公差值，除位置度外其余11項還規定了1～12級的公差等級，其中圓度和圓柱度公差值增加了一個0級。注出公差值應根據零件的功能要求，并考慮加工經濟性和零件結構特點按相應公差表來選取。

2.幾何公差值的選用原則

確定幾何公差值的方法有計算法和類比法。通常用類比法確定公差值， 它是根據零件的結構特點和功能要求，參考現有經驗和資料，參照經過驗證的類似零件的要求， 通過對比分析確定較為合理的公差值的方法。采用類比法確定幾何公差值時應注意以下幾點。

（1）確定同一要素的各種不同公差和表面粗糙度時，應注意它們之間的協調關系，一般應符合表面粗糙度＜T形狀＜T定向＜T定位＜T尺寸。但細長軸軸線的直線度公差遠大于尺寸公差，位置度和對稱度公差常與尺寸公差相當。

（2）在常用的尺寸公差范圍內，中、高精度零件的形狀公差值約占尺寸公差值的25%～65%，位置公差值約占尺寸公差值的1／2，中等精度的幾何公差值可與尺寸公差同級，中等尺寸和中等精度零件的表面粗糙度值可占幾何公差值的20%～25%。

（3）對于孔相對于軸、細長比較大的孔或軸、間距較大的孔或軸、寬度大于二分之一長度的零件表面、線對線和線對面相對于面對面的平行度或垂直度等情況，考慮到加工的難易程度和除主參數外其他參數的影響，在滿足零件功能的要求下可適當降低1～2個公差等級。

綜上所述，在機械零件設計過程中，首先要根據零件的結構特征和功能要求，熟悉零件的加工工藝和檢測條件等來選用零件合理的幾何公差項目，根據零件的功能、設計要求和生產成本等來選擇幾何公差基準和公差原則，最后確定幾何公差值，從而保證機械零件的功能要求和生產經濟效益最大化。

(作者單位：廣東省中山市技師學院）