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1、楊 鐵 牛 設(shè)計(jì)工程研究所實(shí)踐教學(xué)課程組 機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐 第 5.4節(jié) 機(jī)械零部件精度設(shè)計(jì) 1 互換性生產(chǎn)基本概念 2 公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 3 公差與配合的選用 4 形位公差 5 表面粗糙度 課程內(nèi)容 互換性生產(chǎn)基本概念 互換性是指同一規(guī)格的一批零部件，任取其一，不經(jīng) 任何挑選和修配就能裝在機(jī)器上，并能滿足其使用功能 要求的特性。 零件幾何參數(shù)的互換性按其互換程度分為完全互換 和不完全互換。符合上述互換性定義，在裝配時(shí)不需挑 選和修配，即完全互換；否則在裝配時(shí)允許挑選、調(diào)整 和修配，則稱為不完全互換。根據(jù)不同需要，零部件廠 際協(xié)作應(yīng)采用完全互換，部件或零件在同一廠制造和裝 配時(shí)，可采
2、用不完全互換。 1.互換性生產(chǎn) 互換性生產(chǎn)經(jīng)歷了由完全沒(méi)有互換性的配對(duì)制作方式 ，到具有互換性的樣板（標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)）檢驗(yàn)合格與否的制造 模式。后來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)進(jìn)一步演變發(fā)展為極限量規(guī)，分別 用于控制被加工零件的最大、最小兩個(gè)極限尺寸，從而引 出了公差的概念。公差和極限量規(guī)的出現(xiàn)，促使互換性生 產(chǎn)更加蓬勃地發(fā)展。 互換性生產(chǎn)基本概念 2.標(biāo)準(zhǔn)化 ： 實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化是互換性生產(chǎn)的基礎(chǔ)。 標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)重復(fù)性事物和概念所作的統(tǒng)一規(guī)定，它以科學(xué)、 技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的綜合成果為基礎(chǔ)，經(jīng)有關(guān)方面協(xié)商一致， 由主管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，以特定形式發(fā)布，作為共同遵守的準(zhǔn)則 和依據(jù)。 標(biāo)準(zhǔn)化是指標(biāo)準(zhǔn)的制訂、發(fā)布和貫徹實(shí)施的全部活動(dòng)過(guò) 程，包
3、括從調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象開始，經(jīng)試驗(yàn)、分析和綜合歸 納，進(jìn)而制訂和貫徹標(biāo)準(zhǔn)，以后還要修訂標(biāo)準(zhǔn)等等。標(biāo)準(zhǔn) 化是以標(biāo)準(zhǔn)的形式體現(xiàn)的，也是一個(gè)不斷循環(huán)、不斷提高 的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)互換性，必須對(duì)公差值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，不 能各行其是。 互換性生產(chǎn)基本概念 3.優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系 在互換性生產(chǎn)中，為了采用較少的參數(shù)系列，覆蓋盡 量多的實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)品的參數(shù)選擇必須遵守一定的規(guī)律。 在標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程規(guī)定了一項(xiàng)重要的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)約束參數(shù)的選 擇，這就是 優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ GB321 80）。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T321 1980 優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系 規(guī)定 十進(jìn)等比數(shù)列為優(yōu)先數(shù)系，并規(guī)定了 5 個(gè)系列，按照優(yōu)先 順序分別用
4、系列符號(hào) R5、 R10、 R20、 R40 和 R80 表示，稱 為 Rr 系列。 互換性生產(chǎn)基本概念 互換性生產(chǎn)基本概念 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的優(yōu)先數(shù)系分檔合理，疏密均勻，有廣 泛的適用性。選用基本系列時(shí)，應(yīng)遵守先疏后密的規(guī)則， 即按 R5、 R10、 R20、 R40 的順序選用。常見的量值，如 長(zhǎng)度、直徑、轉(zhuǎn)速及功率等分級(jí)，基本上都是按一定的 優(yōu)先數(shù)系進(jìn)行的。例如尺寸分段、公差分級(jí)及表面粗糙 度的參數(shù)系列等，基本上都采用了優(yōu)先數(shù)系。為使優(yōu)先 數(shù)系具有更寬廣的適應(yīng)性，可以依據(jù)基本系列根據(jù)一定 規(guī)則衍生出若干系列。 互換性生產(chǎn)基本概念 公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)零件標(biāo)準(zhǔn)公差、基本偏差、
5、極限偏差的 數(shù)值、選取原則、檢驗(yàn)和驗(yàn)收等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化而形成的制 度，即公差與配合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。主要由基準(zhǔn)制、標(biāo)準(zhǔn)公差 系列和基本偏差系列組成。 極限與配合制是基本的互換性標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)零部件的 互換性，必須以該標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對(duì)幾何精度進(jìn)行控制與 評(píng)定。為了正確應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)該正確理解有關(guān)的基 本概念、術(shù)語(yǔ)及定義。 1.尺寸 公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 2.公差與標(biāo)準(zhǔn)公差 允許尺寸的變動(dòng)量稱為尺寸公差，等于最大極限尺寸減 最小極限尺寸，尺寸公差是沒(méi)有正、負(fù)號(hào)的絕對(duì)值，不允許 為零。 國(guó)際上對(duì)孔、軸公差的規(guī)定代號(hào)為： TH表示孔的公差； TS表示軸的公差。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)表格中規(guī)定的每一個(gè)公差數(shù)值即為標(biāo)準(zhǔn)公差。
6、公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 3.偏差與極限偏差 某一尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差稱為尺寸偏差。 最大極限尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差稱為上極限 偏差 (ES,es)，最小極限尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù) 差稱為下極限偏差 (EI,ei)，上極限偏差與下極限偏差 統(tǒng)稱為極限偏差 ,如圖 5.2。 公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 實(shí)際尺寸減其基本尺寸所得的代數(shù)差稱為實(shí)際偏 差 (Ea)。 合格工件條件也常用偏差的關(guān)系表示如下： 對(duì)于孔： EI Ea ES 對(duì)于軸： ei ea es 例題： 已知孔的基本尺寸與軸的基本尺寸 d均為 50mm, 孔的最大極限尺寸， Dmax=50.025 mm，孔的最小極限
7、 尺寸 Dmin=50.000 mm，軸的最大極限尺寸 dmax=50.025mm，軸的最小極限尺寸 dmin=50.009mm， 求孔與軸的極限偏差及公差。 公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 解： 孔的上極限偏差 ES = max = (50.025 50) mm = +0.025 mm 孔的下極限偏差 EI = min = (50.000 50) mm = 0 mm 軸的上極限偏差 es = d max d = (50.025 50) mm = +0.025 mm 軸的下極限偏差 ei = d min = (50.009 50) mm = +0.009mm 孔公差 TH = max min =
8、(50.025 50.000 )mm = 0 025 mm 軸公差 TS = d max d min = (50.025 50.009) mm = 0.016 mm 或 孔公差 TH = ES EI=(+0.025 )mm = 0.025 mm 軸公差 TS = es ei = +0.025 (0.009) mm 0.016mm 公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 4.公差帶圖 在簡(jiǎn)化極限與配合圖解中，由代表上極限偏差與下極 限偏差或最大極限尺寸與最小極限尺寸的兩條直線所限定 的一個(gè)區(qū)域，叫公差帶，如圖 5.3所示。 公差與配合的基本術(shù)語(yǔ)和定義 公差與配合的選用 基本尺寸相同的，相互結(jié)合的孔與軸公差帶
9、之間的關(guān) 系稱之為配合。在孔、軸裝配前，孔的尺寸減去相配合軸 的尺寸所得之代數(shù)差，決定結(jié)合零件間的松緊程度。此差 值為正（“ +” ）時(shí)是間隙 ,用 X表示，為負(fù)（“”）時(shí) 是過(guò)盈 , 用 Y表示。 公差與配合的選用 根據(jù)配合中間隙和過(guò)盈的大小可以將配合分為三種： 間隙配合、過(guò)渡配合和過(guò)盈配合。 公差與配合的選用 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇相應(yīng)的孔軸公差帶組成各種需要 的配合，一般從以下三個(gè)方面考慮： 1.基準(zhǔn)制 基準(zhǔn)制是指以兩個(gè)相配合的零件中的一個(gè)零件為基準(zhǔn) 件 ,并確定其公差帶位置，而改變另一個(gè)零件 (非基準(zhǔn)件 ) 的公差帶位置，從而形成各種配合的一種制度。在極限與 配合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1800
10、.1-2009中規(guī)定了兩種等效的配合 制：基孔制和基軸制。 公差與配合的選用 基孔制：基本偏差為一定的孔的公差帶與不同基本偏差的軸公 差帶形成各種配合的一種制度。 基軸制：基本偏差為一定的軸的公差帶，與不同基本偏差的孔 公差形成各種配合的一種制度 。 公差與配合的選用 2.公差等級(jí)的選用 標(biāo)準(zhǔn)公差大小是由公差等級(jí)系數(shù)和決定于基本尺寸的公 差單位因子乘積所決定。每一個(gè)公差等級(jí)都對(duì)應(yīng)一個(gè)公差等 級(jí)系數(shù)。公差等級(jí)的選擇，其實(shí)質(zhì)就是尺寸制造精度的確定。 尺寸精度與加工的難易程度、加工的成本等因素相關(guān)。我國(guó) GB/T 1800.1-2009標(biāo)準(zhǔn)公差，將尺寸精度由高到低分為 20個(gè) 等級(jí)，用 IT01，
11、IT0， IT1， IT2， ,IT18 表示。 公差與配合的選用 公稱尺寸 500mm 標(biāo)準(zhǔn)公差的計(jì)算公式 (GB/T1800.3 1998) 公差與配合的選用 一般選用的原則如下： 1) 常用尺寸段（ 500mm）較高等級(jí)（ IT8）的配合，采用不同級(jí) 配合，其余盡量采用同級(jí)配合。 2）在滿足使用性能的前提下，盡量選擇較低的精度等級(jí)。 公差與配合的選用 3.配合選擇 公差等級(jí)和基準(zhǔn)制選擇，不能完全確定兩配合件公差 帶之間的關(guān)系。還需要確定非基準(zhǔn)件的基本偏差，才能夠 確定配合的性質(zhì)。而在實(shí)際工作中，配合性質(zhì)是一致的工 程要求，所以在公差等級(jí)和基準(zhǔn)制確定之后，應(yīng)該依據(jù)配 合性質(zhì)選擇非基準(zhǔn)件的基
12、本偏差，即確定配合種類。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦有優(yōu)先配合、常用配合和一般配合。在 設(shè)計(jì)中根據(jù)使用要求，應(yīng)盡可能地選用優(yōu)先配合和常用配 合。 公差與配合的選用 為了滿足各種不同松緊程度的配合需要，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 孔和軸分別規(guī)定了 28種基本偏差。在確定配合種類時(shí)，有 計(jì)算法、試驗(yàn)法和類比法等三種方法： 1）計(jì)算法：就是根據(jù)一定的理論和公式，計(jì)算出所需的 間隙或過(guò)盈。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用合適的配合。 2) 試驗(yàn)法：就是對(duì)產(chǎn)品性能影響很大的一些配合 ,往往用 試驗(yàn)法來(lái)確定機(jī)器工作性能。 3) 類比法： 是最常用的一種方法，即根據(jù)各種具體條件 下已有成功配合種類，參考表 5-8，然后分析當(dāng)前零件 具體工作條件、使用要
13、求的差異，進(jìn)行各種修正而采用 的配合，參考表 5-9。 公差與配合的選用 公差與配合的選用 公差與配合的選用 公差與配合的選用 一般、常用和優(yōu)先的軸公差帶共 119種，如圖 5.7所示， 其中方框內(nèi)的 59種為常用公差帶、帶圓圈的 13種為優(yōu)先的 公差帶。 公差與配合的選用 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一般、常用和優(yōu)先的孔公差帶 105種，如 圖 5.8所示，其中方框內(nèi)的 44種為常用公差帶，帶圓圈的 13 種為優(yōu)先的公差帶。 公差與配合的選用 國(guó)標(biāo)規(guī)定的基孔制和基軸制優(yōu)先配合各 13種，如圖 5.9 所示。 公差與配合的選用 4.非配合尺寸精度設(shè)計(jì) 圖樣上所有的尺寸原則上都應(yīng)受到一定公差的約束。 為了簡(jiǎn)化
14、制圖 ,節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的檢驗(yàn)要求，對(duì)不 重要的尺寸，非配合的尺寸以及工藝方法可以保證的尺寸， 無(wú)需注出公差。 一般未注公差是指在車間一般加工條件下可以保證的公 差。它是機(jī)床設(shè)備在正常維護(hù)和操作情況下，可以達(dá)到的 經(jīng)濟(jì)加工精度。采用一般公差的尺寸，在該尺寸后不標(biāo)注 極限偏差或其它代號(hào)，而且在正常情況下，一般可以不檢 驗(yàn)。除一般公差之外的所有公差 -無(wú)論高低都要標(biāo)注出來(lái)。 公差與配合的選用 形位公差 除了尺寸公差之外，機(jī)械零件還存在有表面粗糙度、 波紋度誤差、形狀和位置誤差。這些誤差對(duì)零件的使用功 能都有較大的影響。 這些公差之間的關(guān)系由公差原則來(lái)約定。一般而言， 對(duì)于同一被測(cè)要素，尺寸公
15、差應(yīng)該大于位置公差，位置公 差大于形狀公差，形狀公差大于粗糙度。任一被測(cè)要素所 需要的檢測(cè)項(xiàng)目或應(yīng)該達(dá)到的指標(biāo)，在相應(yīng)零件圖設(shè)計(jì)中 介紹，下面僅介紹一下形位公差和公差原則。 1.形位公差 形位公差是指提取（實(shí)際）要素的形狀對(duì)其擬合要素的 允許變動(dòng)量。形狀公差帶是某一實(shí)際提取要素允許變動(dòng)的區(qū) 域。 形位公差符號(hào)： 形位公差 形 狀 公 差 線輪廓度 面輪廓度 圓柱度 圓度 分類 符號(hào)特征項(xiàng)目 平面度 直線度 位 置 公 差 傾斜度 全跳動(dòng) 位置度 圓跳動(dòng) 對(duì)稱度 同軸度 跳 動(dòng) 定 位 垂直度 平行度 特征項(xiàng)目分類 定向 符號(hào) 2.公差原則 根據(jù)尺寸公差和形位公差之間的相依關(guān)系，可以將公 差原則
16、分為兩大類：獨(dú)立原則和相關(guān)原則。 1）獨(dú)立原則 獨(dú)立原則是指圖樣上給定的形位公差與尺寸公差相 互無(wú)關(guān)，分別滿足要求。 形位公差 2）相關(guān)原則 相關(guān)原則又包括：包容要求、最大實(shí)體要求、最小實(shí) 體要求、可逆性要求。 例題： 解釋圖標(biāo)注出的各項(xiàng)形位公差（說(shuō)明被測(cè)要素、基 準(zhǔn)要素、公差帶形狀、大小、方向、位置、選擇該 項(xiàng)目的原因） 形位公差 表面粗糙度 表面粗糙度是指加工表面所具有的較小間距和微小峰 谷不平度。這種微觀幾何形狀的尺寸特征一般是由零件 的加工過(guò)程和（或）其他因素形成。表面粗糙度對(duì)機(jī)械 零件的配合性質(zhì)、 耐磨性、工作精度、抗腐蝕性有著密 切的關(guān)系，它影響到機(jī)器或儀器的可靠性和使用壽命。 我
17、國(guó)現(xiàn)行的國(guó)標(biāo) GB/T3505-2009中關(guān)于粗糙度評(píng)定參 數(shù)包括五類：幅度參數(shù)（峰和谷） Rp、 Rv、 Rz、 Rc和 Rt； 幅度參數(shù)（縱坐標(biāo)平均值） Ra、 Rq、 Rsk和 Rku；間距參 數(shù) Rsm；混合參數(shù) R q；曲線和相關(guān)參數(shù) Rmr等。 一般零件表面，可以選注幅度參數(shù)（縱坐標(biāo)平均值） Ra，即在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)縱坐標(biāo)值絕對(duì)值的算術(shù)平均值， 可參考下表 5-12選取。 表 5-12 輪廓算術(shù)平均高度 Ra 具體選擇各種公差時(shí)，尺寸公差 IT、表面形狀公差 T、表面粗糙度參數(shù) Ra三者之間一般應(yīng)遵循如下的對(duì)應(yīng) 關(guān)系。 表面粗糙度 具體標(biāo)注時(shí)，應(yīng)該參考表 5-13。 表面粗糙度 表
18、面粗糙度 例題： 小型發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞部件如圖 5.28所示，發(fā)動(dòng)機(jī)工作 時(shí)，在活塞上部的氣缸空間內(nèi)，燃料燃燒使氣體膨脹，推動(dòng) 活塞在氣缸內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)使曲柄軸回 轉(zhuǎn)，輸出動(dòng)力，因而此部件是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件。此部件 中的活塞和活塞銷等一直在高溫下工作且承受沖擊。其發(fā)動(dòng) 機(jī)的功率為 2kW，曲軸最高轉(zhuǎn) 3000r/min，生產(chǎn)條件為大批量 生產(chǎn)。試確定以下各配合處的基準(zhǔn)制、公差等級(jí)、配合類別 及配合代號(hào)，簡(jiǎn)述理由，并將結(jié)果標(biāo)注在裝配圖上。 活塞 1和活塞銷 2（ 14）； 活塞銷 2和連桿小套筒 3（ 14）； 綜合實(shí)例 連桿小套筒 3和連桿 4 （ 18）； 連桿 4和連桿大套筒 5 （ 24）； 連桿大套筒 5和曲柄銷 6 （ 18）； 曲柄銷 6和曲柄 7（ 18）； 曲柄 7和滾動(dòng)軸承 304內(nèi) 圈（ 20）； 滾動(dòng)軸承 304外圈和 曲柄箱孔（ 52）。 解： 由題知，該活塞的工作條件為：高速回轉(zhuǎn)，一直在高溫 下工作且承受沖擊，其生產(chǎn)方式為大批量生產(chǎn)。綜合以 上條件可知配合松緊程度修正情況。結(jié)合圖形與各零件 的工作原理及工作情況知：套筒與連桿之間選用較緊的 配合，銷與曲柄或活塞之間選用緊的配合，銷與套筒之 間選用較松的配合。 綜合題意，得出相應(yīng)各配合處的基準(zhǔn)制、公差等級(jí)、配 合類別、配合代號(hào)、及理由解于表 5-14： 各種選用配合要點(diǎn)如圖 5.29所示：
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