機械設計加工中的幾何公差與互換性探究

摘 要：近年來，隨著我國經濟的快速發展，機械制造業也搭上改革開放的春風，積極尋求與全球頂尖技術的企業合作，不斷實現自我價值與能力的突破。在實際機械零部件的設計加工中，為了確保生產出來的零部件的產品性能以及尺寸精度，通常會在前期設計過程通過幾何公差的定義確定后續加工生產過程中零部件的使用性能及其互換性。本文會對在機械設計過程中零部件的幾何公差如何進行定義以及后續互換性的相關方面進行簡單的闡述，供大家參考。

關鍵詞： 機械制造業 前期設計 幾何公差 互換性

Research on Geometric Tolerance and Interchangeability in Mechanical Design and Machining

YU Yang

（37140219890212XXXX， Dezhou， Shandong Province， 253000 China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of China's economy， the machinery manufacturing industry has also caught the spring breeze of reform and opening up， actively seeking cooperation with global top technology enterprises， and constantly realizing breakthrough of self-value and ability. In the design and processing of actual mechanical parts，in order to ensure the product performance and dimensional accuracy of the produced parts， the service performance and interchangeability of the parts in the subsequent processing and production process are usually determined through the definition of geometric tolerance in the early design process. This paper will briefly explain how to define the geometric tolerance of parts in the process of mechanical design and the related aspects of subsequent interchangeability for your reference.

Key Words： Machinery manufacturing industry; Preliminary design; Geometric tolerance; Interchangeability

近年來，隨著金融行業以及房地產行業很多負面事件的發生，國家在宏觀層面上也越來越意識到實體經濟在整個國民經濟發展中的主導地位。作為機械加工業，更是國家一直在大力扶持與振興的對象。雖然我國目前的機械制造業還存在很多問題，但是其實體地位還是很重要的，而作為機械加工業的核心，其前期的設計開發起著很關鍵的作用。在產品的設計開發過程中，通常會通過對產品的加工參數的公差進行具體的設定，從而對后續的產品加工精度進行規劃，以保證加工的產品性能以及幾何參數的準確性，避免在產品互換性方面出現問題。從這方面看，幾何公差的深入研究對于后期的產品加工的有效性是很有必要的。

1 機械加工幾何公差的概述

1.1 機械加工中的幾何公差的定義

所謂幾何公差，就是指產品的形狀公差和位置公差，也就是常說的形位公差。對于任何零件，其都是由點、線、面這幾個基本要素構成。機械加工生產后的零部件的實際要素相對于理論設計尺寸總會有一些偏差，這些偏差就包括形狀誤差和位置誤差。

1.2 機械加工中的幾何公差的形成原因

從前期的設計開發繪制的圖樣到后期實際生產加工出來的零件，在整個實際生產的加工過程中，無論加工設備的精度如何高，現場操作工人的技術水平多么熟練，然而想要使最終加工出來的零件達到理想的形狀和設計理論狀態的位置，這仍然是無法實現的。零件的實際形狀和位置與設計狀態下的形狀和位置總是不可避免地存在一定偏離量，這種偏離量就是該零件的形狀和位置誤差，也即形位公差。

1.3 幾何公差的內涵與原理

形位公差的具體內容包括標準要素、公差帶和基準這三部分，其中形狀公差基本沒有基準，而位置公差一般都會有基準。要素的基本內容就是點、線、面;形位公差的內涵就是對這些點、線、面要素在形狀以及其相互之間的位置上的精度要求;另外起到限制實際要素的變動范圍作用的是公差帶，而公差帶之間的間距值便是常提到的公差值，前期設計開發時，在確定了公差值以后，其零件的被測實際要素就必須在規定的公差帶里面。當需要確定兩個或者多個要素的方向、位置關系時，就會涉及到基準，那么當基準確定下來以后，被測要素的公差要求也就基本定下來了。

2 產品互換性的概述

2.1 互換性的定義

產品的互換性是指在同一規格的一批產品零部件中，任意選擇其中一個，不需要進行任何挑選或者不需要進行任何修整就可以很順利地裝在機器上，實現規定的目標功能要求[1]。那這樣的一批產品零部件就稱為具有互換性的零部件。

2.2 互換性的種類

按所決定的參數或者使用要求分為幾何參數互換性與功能互換性。其中，幾何參數互換性是指需要保證產品的幾何尺寸實現互換性;功能互換性是指對于物理、化學以及機械等性能可以實現互換性。

按照零部件互換程度可以分為完全互換與不完全互換。完全互換，也就是絕對互換，是指同種類別的零部件在加工好以后，不需要進行任何挑選、調整或者修整等輔助處理，在功能上便可以實現彼此性能的互相替換，此時就可以稱為完全互換。當然完全互換性也包括概率互換性，這種互換性是以一定的置信水平為依據（置信水平為95%、99%等），使同種類別的絕大多數零部件在加工好以后就不需經任何挑選、調整或者修整等操作，在功能上即可實現彼此性能的替換。

2.3 互換性的價值

從大的方面來看，我國整個國民經濟行業都是把產品互換性作為一項必須遵守的準則。而在目前的機械制造業中，無論是標準產品的量產行業還是非標準的單產行業，互換性都是十分重要的一項規則，這項規則從產品的設計之初，到后面的加工生產，都是一直要牢牢謹記遵守的。

在日常使用方面，如果零部件具有互換性，那么在出現損耗或者損壞的時候，可以馬上用一件新的零部件進行替換，這樣不僅可以節約大量的維修時間，也可以提高產品設備工作的連續性?？赡苋粘Ｉ钪械钠噧热紮C[2]、活塞環、輪胎還有常用的燃氣灶的灶臺[3]等零部件的互換性只是方便人們的維修工作，那么當水廠、電廠等行業出現故障，由于零部件的互換性節省下來的時間，其價值可就不可估量了。

在生產制造方面，通過互換性的優化，可以對整個產品零部件進行分工，流水線加工，這樣可以極大提高生產效率，不僅僅提高了企業的效益，對于推動整個行業的快速發展也有著重大的意義。

在設計方面，通過互換性的考量，可以大大減少設計、繪圖的時間，升高設計效率，同時還可以降低產品設計風險性，這對于產品性能的持續優化有著積極的作用。

2.4 互換性的實現與幾何公差

在日常生產加工中，考慮到機床設備精度，使用的夾具、刀具磨損，操作者的測量誤差以及加工水平的差異還有生產環境等因素的影響，想加工出一批幾何參數完全一致的是不可能的。既然已經認識到產品尺寸總是不可避免的存在著誤差，那么為了保證互換性的實現，就必須控制這種生產加工誤差。因此，就需要在產品設計開發的時候，通過規范產品尺寸的幾何公差，也就是說將產品的一些重要尺寸給予一個允許的變動范圍，只要最后加工的產品尺寸在此范圍內浮動，那么就能夠保證互換性[4]。

3 影響幾何公差選擇的因素

在零部件的產品設計過程中，在對所設計的產品的幾何公差進行定義時，要考慮多方面的因素去衡量什么公差才是最合適的。這些因素首先就是要保證產品的工藝品質要求;其次還要可以實現具體的生產加工，不然再完美的設計，如果無法實現最終的加工生產，那也是毫無意義的;最后就是還要保證這個產品可以實現一定的經濟效益，這個也是很重要的一個因素，畢竟虧錢的企業是無法實現長久共存的。

在應用到實際生產中，需要在保證實現產品性能的前提下，采用較少的公差項目，最終實現良好的經濟效益，這就是產品設計的初衷。

對于幾何公差，在進行選擇時采用的依據主要為零部件的功能及精度要求;結構要求;公差原則以及基準要素的選擇。

3.1 產品的功能及精度要求

對于產品零部件的功能及精度要求，是在定義形位誤差時需要充分考慮的，因為這會影響到后期零部件的配合程度、可靠性、裝配的互換性等。另外，在前期設計產品的時候，為了能夠保障選用的幾何公差參數可以順利實現設計產品的使用性能，還需要提前對產品的各項使用功能進行評估與確認。例如在對軸類零件進行加工的時候，由于車床的主軸對于旋轉精度要求較高，那么在定義軸的前后軸徑的形位公差的時候，需要對軸的同軸度進行要求，以保證后續的產品加工精度。

3.2 產品的外形結構因素

設計產品的外形結構特征對于定義產品的幾何公差具有決定性的作用。例如，對于平面要素的產品，需要考慮的公差要素就是平行度、平面度這類幾何公差;對于曲面要素的產品，需要考慮的是線、面輪廓度;對于圓柱狀外形的則需要對軸線直線度、圓柱度以及徑向圓跳動等進行規范要求。另外，當產品存在孔特征的時候，孔的位置度這個幾何公差也是需要進行規范要求的。

3.3 公差原則

在進行機械零部件的設計開發過程中，公差原則的要素是不可忽視的一個因素。所謂公差原則，就是指協調幾何公差和尺寸公差之間關系的原則，根據性質的不同可以分為獨立原則及相關要求這兩個種類。具體情形如下：第一，獨立原則是屬于幾何公差和尺寸公差所要遵循的首要原則。具體就是指幾何公差還有尺寸公差需要分別達到其各自應該達到的相關要求，沒有聯系和影響，彼此之間相互獨立，不相沖突。第二，相關要求就是指產品圖紙中的尺寸公差和幾何公差二者之間在某些方面相關的公差要求，包括包容、最大實體、最小實體要求等[5]。

3.4 基準要素

基準要素的確認對于確定位置公差也是十分重要的。在選擇幾何公差的基準的時候，需要參考諸多方面的因素，不僅僅是產品的外形結構特點、性能要求、工藝裝配要求等，還需要考慮各個基準相統一的原則，包括設計基準、加工基準、測量基準以及裝配基準等，在此基礎上進行合理選用所需要的基準及公差[6]。

4 機械加工幾何公差的確認

幾何公差數值確認的方式按照大方向可以分為計算法和類比法。一般情況下應采用類比法進行幾何公差數值的確定。在進行類比計算時，有以下幾點需要注意：第一，對于有中、高精度需求的零件，其形狀公差值占比為尺寸公差值的25%～65%，而位置公差值在尺寸公差值中的占比約為50%。第二，于軸、細長相比較大孔;軸、間距較大的孔;軸或者零件表面的寬度超過長度的一半等的情況，在充分考量加工難度及輔助參數的前提下，在保證可以實現零部件所要求的功能的前提下，可適當降低2個左右的公差等級，而對于目前越來越主流的自動加工工藝，幾何公差的偏差確認其實也是適用于這種方法的[7]。

5結語

在實際生產加工過程中，最終的目標就是用最優的成本創造出最大的經濟效益。而在日常的生產加工過程中，由于客戶不同，他們對于設備、產品的要求也不盡相同，那么就要求在進行零部件設計的時候，從宏觀全局層面上對產品的生產進行規劃設計，同時還要兼顧到后續產品加工時的零部件互換性。此外，產品的使用要求及性能標準，也使得對其的加工精度也有著較高要求，而本文所研究的幾何公差就是提高產品精確度的重要途徑之一。通過熟悉產品的各項關鍵要素，并結合幾何公差的合理定義，從而實現產品設計精確度的要求，最終達到保障產品性能質量的目的。

參考文獻

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中圖分類號：TP391.7 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-6357

作者簡介：于洋（1989—），男，本科，助理工程師，研究方向為車輛機械。