機械零件設計中形位公差的確定性方法研究

程琪　李鋒

摘要：隨著正確地選擇和確定形位公差的項目、基準及數值對機械零件的設計是十分重要的。依據機械零件的功能要求。并考慮其使用性、工藝性和經濟性的綜合效果，詳細分析了確定形位公差時公差項目、基準和公差數值的選擇方法。零件的功能特性是選擇形位公差項目、基準和公差數值的基礎；公差間的關系可作為進一步精選它們的依據；同時還應兼顧經濟性和測量的方便性。

關鍵詞：機械零件；功能要求；形位公差

在機械零件的設計過程中，正確地選擇形位公差項目以及合理地確定形位公差數值，不僅直接影響到機器的使用性能和質量，而且關系到零件加工的難易程度和成本高低。形位公差的國家標準規定了l4項并列的形位公差，項目較多，而且有些公差項目之間還存在著從屬和包容等關系。因此，機械零件的形位公差設計一直是機械零件設計中的難點。本文將根據形位公差的理論與多年的機械零件設計經驗，分析形位公差項目及公差值大小等公差內容的選擇依據。為設計者提供參考。

1.形位公差項目的選擇

1.依據零件的功能特性初選形位公差項目

選擇形位公差項目首先應滿足零件的功能要求，主要考慮形位誤差對零件使用性能的影響。這種使用性能一般指零件的配合性質、裝配互換性、工作精度、可靠性及運動平衡性等。設計時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形位公差項目。

以下為一些常見的零件功能特性與所需的公差項目：（1）在圓柱形零部件的運動配合中，如果圓柱面接觸不良，就會造成局部過早磨損，擴大了配合間隙，降低定心精度，這就需要選擇圓度和圓柱度等形狀公差限制形狀誤差，以避免過大的形狀誤差帶來的危害。（2）在移動配合中，形狀誤差會降低導向精度或破壞密封性；在過盈定位配合中，形狀誤差會降低連接強度和可靠性；曲面形狀誤差直接影響機械的工作性能，如汽輪機葉片的曲面等；這些都需要選擇相應的形狀公差加以限定。（3）位置誤差直接影響機器的裝配精度和運轉精度。例如，發動機中的曲軸和變速器中的齒輪軸，為了保證它們的裝配精度和工作性能，就要規定它們的兩端支承孔的同軸度，否則就會影響齒輪的嚙合精度，產生振動和噪聲。

2.依據公差間的關系精選形位公差項目

（1）由尺寸公差控制形位公差。形位公差與尺寸公差具有一定的關聯性，有些形位誤差可自然地控制在尺寸公差內，就不必再給出形位公差要求。

（2）由位置公差控制形狀公差。由于位置公差是關聯實際要素的方向或位置對基準所允許的變動全量，而形狀公差是單一實際要素的形狀所允許的變動全量，位置公差的公差帶包容整個被測要素。因此在很多情況下，位置公差能夠控制形狀誤差的。如在定位公差中，同軸度可以控制軸線的形狀誤差，對稱度和位置度可以控制平面度的誤差。

（3）由綜合公差控制單項公差。綜合公差能夠控制單項公差。所以，同一表面上標注了綜合公差，一般不必再標注單項公差，若單項形位公差有進一步的要求，則應小于綜合公差，并且合注于其下方。

2.形位公差基準的選擇

形位公差基準是理想基準要素的簡稱，是設計者根據零件的功能即零件的結構、使用及裝配性能的要求來選擇和確定的。能否正確合理地選擇基準，將直接影響零件的質量和成本。因此，在滿足功能要求的前提下，應盡可能使加工、測量和裝配用的基準統一，基準過多，將增加測量中的積累誤差：同一零件的各項位置公差應采用同一基準；應選擇各零件間相互配合、接觸的表面作各自的基準，以保證零件的正確裝配；應選擇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、剛性好的一些要素作為基準，以保證基準的穩定可靠以及可重復使用。

3.形位公差數值的確定

在選用公差值時，同樣應以滿足零件的功能要求為前提，兼顧經濟性和測量條件等因素。

1.形位公差等級的選擇

確定形位公差的等級是決定給定公差值的依據。所謂形位公差等級是指形狀和位置精度的等級。一般規定了12個公差等級，其精度由1-12級依次降低。

確定形位公差的等級時，應考慮零件的結構和剛性。零件結構復雜、剛性差、表面尺寸大則加工困難，容易產生較大的形位誤差，在滿足零件的功能要求為前提下，可考慮降低1-2級公差精度。如以下幾種情況：（1）孔（可低于軸）；（2）細長的軸與孔（孔與軸的長徑比大于 8～10 以上）（3）間距較大的孔與軸；（4）寬度較大（一般大于長度一半）的零件表面。

2.形狀、位置、尺寸公差值及表面粗糙度間的關系

在一般情況下，尺寸、位置、形狀及表面粗糙度的加工誤差值依次遞減，所以在選擇尺寸、位置、形狀公差值及表面粗糙度時應協調以下關系：

（1）同一要素上形狀公差值應小于位置公差值，位置公差值應小于尺寸公差值。在常用尺寸段及尺寸公差為IT5～IT18 的范圍內，形狀公差值通常取尺寸公差值的0.25-0.6

（2）單項形狀公差值應小于綜合形狀公差值；

（3）對中等尺寸和中等精度的零件，表面粗糙度一般占形狀誤差的1/4～1/ 5 。形狀精度越高則要求表面粗糙度越低。為保證形狀精度應限制其最高表面粗糙度等級。

形位公差對機械零件的精度、生產成本與經濟效益有著重要的影響。本文對其項目、基準及公差值范圍等內容的分析希望對從事機械設計的有關人員有所幫助。

4.結語：

通過以上分析和生產實踐得知：對于尺寸精度和形位精度要求都較嚴的零件，既要保證配合性質，又要保證裝配性，同時又是中、大批量生產時，采用最大實體要求零形位公差標注同軸度公差較合理。這樣，既可以保證產品設計要求（即裝配中保證裝配互換和最小間隙），又能采用功能量規檢測零件，從而提高生產效率和經濟效益，從而保證產品質量和檢驗效率，使得經濟效益最大化。

5.參考文獻：

[1] 李建平. 公差原則中形位公差與尺寸公差的補償簡析[J]. 重慶職業技術學院學報，2006，01：44-45.

[2] 徐西會. 基于3DCS的公差分析技術研究及應用[D].山東大學，2012.

[3] 祝賀. 形位誤差綜合測量實驗設備的研制[D].華中科技大學，2012.

作者信息：

1，程琪（1986.10.4），男，漢族，陜西蒲城，中冶陜壓重工設備有限公司，機械技術員，助理工程師，本科，研究方向機械設備維修。

2， 李鋒（1985.10.26），男，漢族，陜西富平，中冶陜壓重工設備有限公司，機械技術員，助理工程師，本科，研究方向機械加工制造。