公差原則在零件設計中的應用探討

鄭立新，唐 俊

(1.西南交通大學，四川成都，610031，2.四川工程職業技術學院，四川德陽，618000)

0 引言

根據機械零件幾何尺寸公差和形狀位置公差的相互關系確定的原則稱之為公差原則，公差原則可以通過對上述兩者使用關系不同而分成獨立原則和相關原則，在實際機械零件的設計過程中，合理有效的使用公差原則是保證機械零件幾何精度的重要手段。同時，公差原則也能在一定程度上使零件在生產過程中的成本有所降低，這就使得零件更為經濟實用。因此從事機械零件設計以及與其相關的工作人員必須要熟練掌握公差原則，能夠正確選擇和使用，只有這樣才能保證零件的整體實用性和經濟性。

1 公差原則概述

根據零件幾何尺寸與形狀位置公差使用關系的不同可以將公差原則分成獨立原則與相關原則，這兩種原則就構成了公差原則。有效地對其分類可以使我們對公差原則的認知更為具體，以下逐一對其進行分析。

1.1 獨立原則

獨立原則即圖樣上零件的幾何尺寸公差與形狀位置公差二者是相互獨立的個體，且均需要達到設計標準的公差原則。值得注意的是，實際進行零件設計和生產過程中，獨立原則是公差原則的基本原則，是任何零件設計制造過程都可能用到的一種原則。正因此導致獨立原則應用較為頻繁，在實際使用獨立原則時，對于圖樣上未給定的形狀置位公差標準時應按照相關標準對其進行確定，而對于圖樣上給定形狀位置公差標稱值時，就要嚴格將零件的各部分的幾何尺寸限制在規定值內。這樣才能保證零件可以正常投入使用。

1.2 相關原則

與獨立原則相對應，相關原則即零件幾何尺寸公差與形狀位置公差相互關聯需要對其整體進行綜合性的分析才能保證零件的質量和實用性。相關原則包括包容要求原則和最大實體要求原則。

2 公差原則在應用中存在的問題

實踐證明，公差原則實際運用過程中存在著一些問題，這些問題的出現嚴重的桎梏著零件精度及其實用性和經濟性，只有對相關問題進行分析，才能從總汲取經驗和不足并找到解決問題的措施，從而使得零件設計更為有效。

2.1 忽視相關原則的使用

前文已經提到，獨立原則是公差原則的基本原則。利用獨立原則就可以確定機械零件的幾何尺寸公差和形狀位置公差，這就能基本保證零件設計的相關技術要求，這是導致獨立原則被廣泛應用的根本原因，但也正因為這樣，使得部分從事零件設計的工作人員過度采用獨立原則而忽略了相關原則使用的必要性。雖然利用獨立原則可以保證零件的實際使用效果，但是由于獨立原則本身的性質，使得零件的生產成本無法得到改善，這是當前零件設計對公差原則使用中存在的最為主要的問題。

2.2 成品零件的檢驗方法多樣

零件設計中采用不同的公差原則，就會導致成品零件的檢驗方法多種多樣，同時檢測標準也有所區別。這就導致零件可能部分標準合格部分瑕疵，從而使得無法投入使用。

采用獨立原則和最大實體要求原則設計出的零件成品，在進行檢測時，首要檢測的就是零件的幾何尺寸，傳統檢測方法通常采用兩點法來確定零件的實際尺寸，但是有研究表明兩點法測量得出的零件尺寸并不準確，往往在測量中會出現二義性。這就會出現零件幾何尺寸測量不準確無法正常使用。

采用獨立原則設計制造出的孔、軸等零件在檢測過程中也會出現一些問題，孔、軸類零件本身存在著直線度公差和圓度公差，這兩種公差在測量中比較繁瑣因此部分生產廠家通常會將其檢測過程省略，只針對其外部幾何尺寸做檢測。這就會導致零件在檢測過程中，線性尺寸達到標準，但是形狀卻不一定與實際要求相吻合。這些零件投入使用時，就可能使得零件無法裝置到機械設備中。這類問題也是零件設計生產中存在的較為突出的問題之一，在對上述問題做測量時，可以采用包容原則對零件進行檢測，實踐證明，包容原則檢測標準不僅能有效的防止上述問題，也能夠在一定程度上節約生產成本為企業帶來一定的經濟效益。

3 公差原則的應用及其選則標準

在機械零件的設計制造中，具體選用哪種公差原則要根據零件的具體使用要求，同時在選擇公差原則時還應考慮零件的工藝性和經濟性，只有各方面因素都加以考慮，才能保證零件的設計達到最優，生產最節儉，實際應用價值最大，這也應是每一個機械零件設計人員所向往的。

3.1 獨立原則的應用

獨立原則使用場合較為廣泛，當機械零件對幾何尺寸和形狀位置精度有嚴格要求時均可采用獨立原則，使用過程中必須要注意獨立原則的本質，使零件的幾何尺寸公差與形狀位置公差互相獨立，使用時要保證二者相互間的獨立性，不可彼此相互影響，否則勢必會導致零件的精度下降甚至達不到使用標準。

3.1.1 運用于對運動精度有嚴格要求的場合。當設計的零件是具有軸向運動精度或對回轉精度要求較為嚴格時可以采用獨立原則對其進行分析。保證軸向運動精度首要保證的就是其直線度的精確。而要保證回轉精度就要對圓度做出一定的規范，因此采用獨立原則可以有效的對其加以修正。

如上圖所示，圖為方軸零件的設計圖，其在功能上要求零件要具有一定的運動精度，同時還要避免尺寸誤差使零件軸部的直線運動精度發生偏離。在這種情況下就可以采用獨立原則分別對方軸零件的幾何尺寸公差和直線度公車進行分析從而保證二者之間相互分離。

3.1.2 運用于對密封性有嚴格要求的場合。零件的使用用途多種多樣，當零件用于氣缸等密閉性容器的時候，就要求零件要有嚴格的秘密性，而零件的形狀能否與機械無縫銜接是保證機械氣密性的有效措施，因此這就對零件的形狀精度有較為嚴格的要求，例如，對氣密性要求的零件為環狀，就要保證零件的內、外徑都要達到規范標準，不論內徑和外徑出現形狀與實際應用不符都會導致機械的密閉性降低。因此在設計對密閉性有嚴格要求的零件時也應采用獨立原則。

3.2 包容原則的應用

當零件使用中具有配合要求時，通常采用包容原則。基孔制和基軸制是最為常見的兩種配合要求，這兩種配合要求對最小間隙和最大過盈的定義不同，實際設計中應對其加以區分。

當零件的最小間隙和最大過盈已經被標定好時，要考慮零件的幾何尺寸公差與形狀位置公差是否要求按比分配。如果是采取按比例分配采取包容要求原則就可以最大限度的利用圖樣給定的標準，從而保證零件的實際使用效果。在采取包容要求原則時要特別注意零件的檢測，應采取綜合測量的方式對零件進行驗收，這樣才能保證零件的工藝性和實用性。

3.3 最大實體要求原則的應用

最大實體要求的原則的應用場合相較于前兩者就略顯缺乏。但是在必要場合，最大實體要求原則是保證零件能否投入使用的根本措施。由前文相關原則的定義可知，最大實體要求原則將零件幾何尺寸公差與形狀位置公差有機的聯系在了一起。所以，只有當被測零件或被測機械為主要參考標準時才能使用最大實體要求原則。同時，當零件對裝配性要求較高的情況也可以采用最大實體要求原則。事實證明，合理、有效的采用最大實體要求原則不僅能保證零件的基本要求達到標準同時也能大大提高零件成品的合格率，這就在一定程度上提升了生產效率，保證了零件的經濟性。

3.4 公差原則的選擇依據

3.4.1 要針對零件的具體實用要求進行公差原則的選擇，對零件幾何尺寸公差和形狀位置公差有要求的零件一般選擇獨立原則。當尺寸公差與形狀公差需要相互影響則一般選擇相關原則。

3.4.2 如果零件使用中要滿足一定的間隙等要求時一般選取包容要求原則。

3.4.3 對裝配有嚴格標準的零件設計中一般要采用最大實體要求原則。

4 總結

機械零件的種類和用途多種多樣，設計中的具體要求也就不盡相同，因此在實際設計過程中，具體采用哪種公差原則需要設計人員有準確的判斷力，選擇正確的公差原則是保證零件實用性、經濟性、工藝性的有效保障，也是提升零件精度的先決條件。所以設計人員必須對公差原則要熟練的掌握，這樣才能保證每一份零件的設計都能使其效益達到最大。

[1]楊將新，徐旭松，曹衍龍.基于裝配定位約束的功能公差規范設計.《機械工程學報》.2010 年2 期

[2]張復旺，王伯平，劉娜.典型零件公差配合的多媒體教學動畫設計研究.《機械管理開發》.2013 年1 期