電器產品機構零部件設計的公差選擇

陳佳成

（杭申集團杭州之江開關股份有限公司，杭州 311234）

機構零部件公差包括尺寸和形位公差，尺寸公差包括公差帶大小和基本偏差，形位公差包括形狀公差和位置公差，尺寸公差帶、形狀公差和位置公差均用一個數值表示尺寸或要素的精度等級，基本偏差反映公差帶的位置，在孔、軸配合中反映配合的性質（過盈、過渡或間隙）。雖有標準的公差列表可供選擇，但由于機構零部件數量多，加之各零部件公差選擇內容又較多，因此，對一般設計人員而言，零部件的公差選擇（或設計）是較有難度的。

機構作為電器產品的執行元件，其性能穩定性對電器產品的影響很大，無論電器產品性能多么先進，都需要高穩定性的機構作為支撐，而機構性能的穩定主要依賴于其中零部件合理的公差選擇和適當的熱處理。過緊的公差不僅使零部件制作成本升高，還需要高技能的工人師傅操作，有時，僅一個不合理的公差可能導致制造費用成倍上升，可謂設計“一筆千金”，但過緊的公差雖然提高了電器產品的穩定性，但使用壽命并無多大貢獻；而過松的公差會降低機構的穩定性和使用壽命，影響用戶的利益。因此，電器產品機構零部件公差應謹慎選擇，不可隨意為之。

1 傳統零部件公差的選擇方式

隨著CAD 軟件技術的不斷進步，二維、三維繪圖軟件不斷出現，對廣大工程技術人員而言，工程制圖變得越來越簡單，尤其是零部件名義尺寸的選擇、運動仿真等，一般技術人員都能輕易完成，但對于零部件尺寸公差的選擇，較難把握，需要設計者有深厚的機械經驗，尤其在不借助CAT（零部件公差分析）軟件時，全憑設計者的認知，設計者不僅要了解各類機械加工（包括冷加工和熱加工）工藝，要熟悉各類機床能達到的機械參數和加工精度，更要全面掌握機械配合、連接、傳動相關知識。傳統的零部件公差選擇主要有兩種方法：①根據具體設計對象，個性化地選擇公差。按零部件在機器中的重要程度、工作狀況提出相應要求，如對于孔軸配合：高速精密旋轉運動常用H/f，直線運動常用H/g，精密靜配合常用H/h，較緊過渡配合常用H/n等；對于零部件尺寸精度：相對高速運動的孔常用IT7～IT8，軸常用IT6～IT7，相對慢速或靜止的配合面，孔常用IT9～IT10，軸常用IT8～IT9；對于非配合面，孔常用IT13～IT14，軸常用IT12～IT13；對于形位公差，則根據控制形位公差的難易程度，結合主參數，查表選取。這種傳統公差選擇方式，較多應用于中、高壓斷路器操動機構零部件設計過程中，斷路器操作功大，零部件所需的剛度和強度高，較多采用鑄鋼件、鍛件、圓鋼、厚鋼板等機加工件，其公差選擇內容豐容，且要求較高。②經濟性設計，按加工經濟精度選擇公差。對于運動速度慢、動作不頻率、運動精度不高的產品，如某些低壓斷路器或隔離開關的操作機構，可從經濟性的角度出發來選擇其零部件的公差。如表1所示為圓柱孔加工的經濟精度，表2為外圓柱面加工的經濟精度、表3為平面加工的經濟精度、表4為圓柱形表面的形狀經濟精度、表5為平行度的經濟精度。一切以機床粗或半精加工能達到零部件公差為原則，不僅能夠降低產品的制作成本，而且方便公差的選取，當然，對于個別關鍵之處，如影響斷路器、隔離開關的開距、超程、觸頭壓力敏感之處，要選擇較高的尺寸和形位公差。

表1 圓柱孔加工的經濟精度

表2 外圓柱面加工的經濟精度

表3 平面加工的經濟精度

表4 圓柱形表面的形狀經濟精度

表5 平行度的經濟精度

2 精確機械設計的零部件公差設計

傳統零部件公差選擇方法主要依賴設計者的經驗，往往對零部件的精度偏保守設計，使整體產品精度偏高，致使成本亦偏高。若要對電器產品機構零部件公差精確設計，需要對零部件尺寸鏈進行計算，但零部件所有公差依靠人力計算，工作量較大，需要花費較長的時間，尤其要求設計人員具備對材料性能、加工工藝及加工設備等方面的知識積累。近來出現了專門進行公差分析的CAT 軟件，通過軟件分析，可以較好均衡各尺寸公差和形位公差，達到精確設計的目的，有利于找到產品質量和產品成本的平衡點，使產品具有較高的性價比。以下是通過精確機械設計的方法來優化尺寸公差、降低零件的制作成本的案例：如圖1所示，一軸套零件，其中是圖紙要求保證的尺寸，是尺寸鏈中的封閉段，L為鏜孔深度尺寸，通過控制L公差來間接保證尺寸；圖中和為車加工尺寸，根據傳統車加工經濟精度IT10～12 級，取了IT11 級，根據尺寸鏈豎式（見表6）計算，得L＝，公差帶為+0.08mm，已嚴于IT10，此公差對于沉孔加工而言要求偏高，會導致加工成本上升，如操作者技能水平低，還可能出現較高的廢品率。若對尺寸40、50 車加工取IT10 級精度，仍為車削經濟精度，加工成本影響不大，即和，按表7所示的尺寸鏈豎式，則L＝，公差帶為+0.2mm，此公差已寬于IT11，對于沉孔車加工而言尚屬經濟加工精度。因此，通過尺寸鏈計算，來全面衡量各尺寸公差，使加工尺寸多落在機床經濟加工精度范圍內，可大大降低加工成本，減少廢品率，使電器產品批量生產順利進行。

圖1 軸套

表6 尺寸鏈豎式表

表7 尺寸鏈豎式

3 結論

電器產品機構零部件公差選擇對其性能影響很大，傳統的設計方法雖然簡單、快捷，但需要設計者對產品功能、零部件的加工工藝、各類機床的性能都相當熟悉，并且，大部分設計者往往偏保守設計，零部件的精度裕度較大，產品的成本偏高，其結果是一個高精度的設計僅帶來微薄的利潤，電器產品的市場競爭力不強；小部分設計者則選擇過松的零件公差，為降低成本而對機構“粗制濫造”，在電器產品制造和使用過程中，時常發生機構零部件的運動干涉、機構輸出特性不符要求、機構早期失效等現象，直接損害用戶的利益。精確機械設計是在初步選擇標準的尺寸和形位公差后，對尺寸鏈進行分析計算，結合各尺寸或要素的經濟加工精度，得到合理的尺寸和形位公差。通過對零部件公差精確設計后，可均衡各尺寸或要素的公差，保證圖紙設計要求，降低產品成本，使機械設計趨于精確和合理，值得廣大設計者多多采用；另一方面，通過精確機械設計，還能進一步了解尺寸、要素間的公差關系，有助于對產品的優化設計。當然，條件許可時，也可使用CAT 公差分析軟件來幫助精確設計零部件的公差。

[1] 徐嘉元.機械加工工藝基礎[M].北京.機械工業出版社,1990.6.

[2] 何祖舜,蔡君亮.機械設計與工藝手冊[M].銀川: 寧廈人民出版社,1989.10.

[3] 王伯平.互換性與測量技術基礎[M].北京: 機械工業出版社,2011.3.