機械設計中零件幾何精度的合理應用

劉長志

（遼寧輕工職業學院，遼寧 大連116100）

關鍵字：幾何精度選擇；質量；經濟效益

0 引言

幾何精度作為機械零件中的重要因素，對其合理應用具有一定的難度.每一臺復雜的機械都是由許多零部件組裝而成，除了要重視每一個零件的形狀和幾何精度外，還要綜合考慮整臺機械質量和經濟效益.幾何精度的合理應用要求我們除了掌握選擇幾何精度的常用原則外，還要重視未注公差項目、注出尺寸公差值、形位和粗糙度公差的合理選擇.

1 合理選擇未注公差

機械零件的公差按是否需要注出分為注出公差和未注公差.許多機械設計者只注重零件圖中的注出公差的應用，而忽視了未注公差的作用，未注公差約占零件尺寸的70%～80%，應用好未注公差能有效地調整機械生產中的質量與經濟效益的關系.我們這里所說的未注公差，一般是指機器零件設計制造中的 “未注尺寸公差”，在尺寸后不需要注出極限偏差數值.有時候有些尺寸公差在圖紙上沒有標注出來，但這些尺寸公差又不是自由公差，未標注是為了突出標注的尺寸和使圖形看起來比較簡潔，圖形上不標注尺寸公差的上下偏差值，但一定要說明標準號和公差等級號.圖樣上機械加工的未注公差通常選擇GB／T1804—2000中的 “m”（中等）［1］.

設計者要適時選擇未注公差，當某個尺寸需要保證一定尺寸公差即加工要求，但該尺寸對零件的質量和配合性質沒有影響時可以考慮選用未注公差，而未注公差的公差值的選取應根據企業的生產情況進行確定，通常規模化大批量的生產要比小批量的生產所選的公差等級要低一級，這樣才更為經濟一些［2］.但對于以下情況應適當注意：不同的加工方法選取的等級不同，機加件、沖壓件、焊接件和裝配件選取的公差等級應依次降低；在低精度等級區提高精度等級相對于成本能夠產生更大的經濟效益時，可以不選用未注公差；對于選用未注公差的尺寸的檢驗，要與廠際協作的企業溝通好對未注公差尺寸不進行檢驗［3］.對于普通的操作者而言，使用普通的機械加工未注公差的尺寸的零件，都能達到未注公差等級，說明它的等級低，這正符合尺寸公差的選擇原則.雖然其幾何精度較低，但只要合理的選用一般不影響該零件的整體質量.合理選用一般的公差，制造檢測等各環節成本也會隨之降低，提高經濟效益，還能滿足使用要求，提高產品互換性水平.生產型的企業一定要重視未注公差的合理選用，尤其是在半成品的設計中，一般公差選擇要給出具體的規定，但有些未注公差值的選擇要靠設計者經驗進行選擇.

2 合理選擇注出尺寸公差值

注出的尺寸公差通常都是在給定條件下進行公差與配合的選擇，即給定配合的基本尺寸、極限盈隙量和選擇基準制的要求等條件，進行配合的選擇，也就是我們要把配合的代號選出來.下面以一個實例說明常用的選擇方法.

例：要設計基本尺寸為φ25mm的配合，只知道最大間隙為0.075mm，最小間隙為0.020mm，試由計算法選用配合.

（1）確定基準制：由于本題沒有其他條件限制，故優先選用基孔制，用H表示，EI＝0；若有就選擇基軸制，用h表示，ES＝0.

（2）計算確定配合公差Tf：由Tf＝｜Xmax－Xmin｜＝Th＋Ts，得：Th＋Ts＝｜0.075－0.020｜＝0.055mm.

（3）根據關系式T′f≥Th＋Ts和軸孔加工的工藝等價性，計算T′f／2＝0.025mm，反查書中標準公差表，在0.025mm公差值兩側選擇尺寸公差等級，可知IT8＝0.033mm，IT7＝0.021mm，確定孔、軸的標準公差等級，按工藝等價原則孔比軸低一級，取孔為IT8級，軸為IT7級，則：Th＋Ts＝0.033＋0.021＝0.054mm，小于并接近0.055mm，即已經知道孔φ25H8公差帶代號和軸φ25？7公差等級.

（4）選擇配合種類，即選擇軸的基本偏差代號.因為是間隙配合，故軸的基本偏差應在a～h之間，且其基本偏差為上偏 （es），由X′min＝EI－es，得es＝EI－X′min＝0－0.020＝－0.020mm.查基本尺寸小于500mm軸的基本偏差數值表，可選軸的基本偏差帶代號f，這樣軸的公差代號為：φ25f7.

（5）驗算：即計算所選配合為φ25H8／f7的兩個極限間隙，判斷是否滿足已知條件

Xmax＝ES－ei＝0.033－（－0.041）＝＋0.074mm

Xmin＝EI－es＝0－（－0.020）＝＋0.020mm

二者均在＋0.020～＋0.075mm之間，故所選符合要求.

（6）若不符合，需要重復上面的過程，直到符合題中已知條件為止.選擇時，在第（4）步中所選基本偏差代號的左右選擇.

幾點說明：

（a）上面的第（3）步適合于單件或小批量的情況；對于集約化程度高的工廠，生產設備完全由精密度高的數控機床完成，加工后絕大多數尺寸都接近平均公差，通常采用公式）1／2計算.查表得Φ25mm，IT8＝0.033mm，IT9＝0.052mm，軸選IT8＝0.033mm，孔選用IT9＝0.052mm，Tf＝（＋）＝（1089＋2704）1／2＝0.061mm，接近上述0.055mm間隙配合公差的要求.

（b）當實際的應用場所與典型配合的工作條件有偏差時，應適當調節配合的盈隙量，使其符合實際的應用條件.例如選完的配合原來在實驗室使用，配合的精度一定會選得高一些，若選完后實際在工廠車間等惡劣環境下使用，那么就應該將配合的精度適當降低，否則機械的壽命會嚴重縮短.最重要的一個參數就是溫度，查表中的基本偏差的規定是以標準溫度規定的，由于溫度引起的熱脹冷縮會影響配合的精度，因此要進行必要的調整，減少因為使用場所的環境變化而產生的影響.還有材料的強度、拆卸情況、沖擊載荷、配合的長度、配合的形位以及粗糙公差、生產量的大小、旋轉的精度、潤滑狀況等，應根據這些條件的情況調整配合的精度.

（c）在選擇精度時，也要同時考慮性價比.在精度較低的區域，提高精度所產生的成本比提高精度所產生的經濟效益小得多，可以適當地提高所選擇的精度；而在精度較高的區域提高精度所產生的成本比提高精度所產生的經濟效益要大很多，要特別注意不要提高精度.

3 形位、粗糙度公差的合理選用

形位公差在新標準中被稱為幾何公差，與尺寸公差一樣也分為未注的和注出的.當零件的元素之間形位關系約束得不是非常嚴格時，可以采用未注形位公差來約束；當同一零件上不同元素的相互關系的約束需要通過工藝系統必須加以保證時，對于這類點線面就需要標注出明確的形位公差.未注出形位公差的要素，不是 “為所欲為”的，也是受控的，通常按未注形位公差GB／T1184（1996）標準進行選擇，一般選用 “L”級.要充分選擇好未注的形位公差，它可以使圖紙工整，同時能夠提高經濟效益.

注出的形位公差的合理選用如下：（1）特征項目的選擇通常采用類比法，在滿足使用要求時要結合檢測的方便性，且在項目的選擇中不要有重復的約束，例如圓柱度和圓度同時用，圓跳動和圓度同時選，要針對零件要素的特征選擇符合實際需要約束的項目［4］.（2）形位公差值 （公差等級）的選擇，本著能用低等級就不用高等級的原則，應協調好以下幾個方面的關系：（a）當零件的某一要素有多個不同公差要求，通常尺寸公差數值最大，其次定位位置公差數值，再次定向的位置公差值，接下來形狀公差數值，最小為粗糙度公差，粗糙度公差值大約為形狀公差的0.2～0.25倍，通常情況下，若同一要素給定了位置公差，就不再給出形狀公差，除非有極特殊的要求.（b）可以考慮降低形位公差數值的情況，從加工的工藝性考慮，孔比軸加工難，可適當降低1～2級；對于細長的零件，由于基準工藝性差，所以加工出來的精度低，選用時可適當降低精度；對于平行度、垂直度等項目，應考慮到直線對直線、直線對平面，平面對直線要比平面對平面難以加工，所以選用時可適當降低精度要求.（c）如果選擇與標準件進行配合時的形位公差數值，要選用標準件的公差值標準.為提高機械生產活動性價比，在設計零件的形位公差時做到最符合實際需要、最能體現經濟效益，設計者必須明確零件功能，分析工藝路線，合理選取形位公差的項目、形位公差值、尺寸公差與形位公差之間的關系，才能真正反映生產規律，用最低的成本獲得最大的經濟效益.（3）獨立原則用于非配合、尺寸和形位都要求精度高的情況，相關原則用于理想邊界控制實際要素作用尺寸，具體選擇哪一種原則，由實際需要確定.

4 結語

從以上的分析可以看出，要使機械產品達到既滿足使用要求又經濟，那么幾何公差的合理應用是重要因素.文中探討的在設計中合理地選擇未注公差的項目，注出的公差值根據實際情況進行調整，形位、粗糙度精度合理運用均是實際設計中幾何精度的合理應用.為了提高機械的質量和效益，促進機械制造業的發展，對于幾何精度這一關鍵因素，設計者必須以實際的要求為基本點，結合平時設計中的經驗，合理地給出數值，以達到最佳的性價比.