形位公差原则在机械零件设计制造中的重要性

耿 职,张 奎,张德三

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

形位公差原则在机械零件设计制造中的重要性

耿 职,张 奎,张德三

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

该文阐述了形位公差原则的基本概念以及适用的一般范围,同时结合一些实际应用对其进行了进一步说明。特别是对如何结合零件的功能性和制造工艺、装配、检验的可能性与经济性来选用形位公差原则进行了详细分析。

独立原则; 包容要求; 实体要求; 可逆要求

机械零件在加工过程中,由于装夹、刀具、机床加工精度及其他机加工工艺操作等因素的影响,会使被加工零件的几何要素产生一定的形状和位置误差。而形状和位置精度是零件的一项重要质量指标,会直接影响到机械产品的工作精度、密封性、运动平稳性、使用寿命和可装配性等。因此,为了保证机械零件的质量,就必须在零件图上给出形状和位置公差;同时,根据功能要求(零件的实际使用要求),还应该确定零件各几何要素尺寸和形位公差之间的关系,即形位公差原则。

形位公差原则分为独立原则和相关要求。相关要求包括包容要求、最大实体要求、最小实体要求及可逆要求。在设计或者生产实践中如果能正确理解和应用形位公差原则,不仅能保证产品的质量,而且能简化零件制造、检验、装配的过程,对提高生产率,最终提升产品的市场竞争力有着重要的意义。但笔者发现在一些零件设计中并没有很好的理解形位公差原则,造成零件制造过程中控制及检验的繁琐。因此,笔者首先会在文中对形位公差原则进行详细阐述,之后再列举一些实际应用。

1 独立原则

2 包容要求

包容要求表示实际要素应遵守最大实体边界,其局部实际尺寸不得超出最小实体尺寸。采用包容要求的单一要素应在其尺寸极限偏差或公差带代号后加注符号E。采用包容要求的合格条件为:体外作用尺寸不得超过最大实体尺寸,局部实际尺寸不得超出最小实体尺寸。如图2所示,d1为最大实体尺寸,即ϕ40 mm;d2为实际尺寸;ϕf为允许形位公差。当d2=20 mm时,ϕf=0;当d2= 39.975 mm时,ϕf=0.025 mm。采用包容要求主要是为了保证配合性质,特别是配合公差较小的精密配合。用最大实体边界综合控制实际尺寸和形位误差来保证必要的最小间隙,用最小实体尺寸控制最大间隙,从而达到所要求的配合性质。如滑块与滑块槽的配合等。

3 最大实体要求

最大实体要求是指被测要素的实际轮廓遵守其最大实体实效边界,当实际尺寸偏离其最大实体尺寸时,允许其形状、定向、定位误差值超出其给定的公差值的一种要求,用符号M表征。采用最大实体要求的合格条件为:孔或轴的体外作用尺寸不得超过最大实体实效尺寸,局部实际尺寸不得超出极限尺寸。体外作用尺寸是指在被测要素的给定长度上,与实际内表面体外相接的最大理想面或与实际外表面体外相接的最小理想面的直径或宽度。最大实体要求是从装配互换性基础上建立起来的,在保证装配互换的地方从装配经济性考虑,可以选择最大实体要求;在要求自由装配的部位,应以孔的最大实体实效尺寸大于或等于轴的最大实体实效尺寸来选择尺寸的极限偏差以及形位公差值。分别对ϕ60 mm的轴和孔进行尺寸及形位公差的标注,其各自的动态公差带及最大实体实效边界分布如图3所示,分别位于其下方。轴的最大实体实效尺寸为最大实体尺寸加上形位公差值,即ϕ60.01 mm,当轴的直径在ϕ59.97～ϕ60 mm范围内变动时,其轴线的直线度公差在ϕ0.04～ϕ0.01 mm之间变动;孔的最大实体实效尺寸为最大实体尺寸减去形位公差值,即ϕ59.99 mm,当孔的直径在ϕ60～ϕ60.046 mm范围内变动时,其轴线的直线度公差在ϕ0.01～ϕ0.04 mm之间变动。

4 最小实体要求

最小实体要求是指控制被测要素的实际轮廓处于其最小实体实效边界之内,当实际尺寸偏离其最小实体尺寸时,允许其形状、定向、定位误差值超出其给定的公差值的一种要求,用符号L表征。也就是说,其体内作用尺寸不得超出其最小实体实效尺寸,而且,其局部实际尺寸不得超出极限尺寸。体内作用尺寸是指在被测要素的给定长度上,与实际内表面体内相接的最小理想面或与实际外表面体内相接的最大理想面的直径或宽度。最小实体要求可以用于被测要素,也可以用于基准要素,但被测要素或基准要素必须是中心要素。如图4所示,轴的最小实体实效尺寸为最小实体尺寸减去形位公差值,即ϕ59.96 mm,当轴的直径在ϕ59.7～ϕ60 mm范围内变动时,其轴线的直线度公差在ϕ0.01～ϕ0.04 mm之间变动;孔的最小实体实效尺寸为最小实体尺寸加上形位公差值,即ϕ60.056 mm,当孔的直径在ϕ60～ϕ60.046 mm范围内变动时,其轴线的直线度公差在ϕ0.056～ϕ0.01 mm之间变动。由此,我们可以看出最小实体要求与其他相关要求的区别:包容要求和最大实体要求的理想边界都是相对于最大实体状态确定的,且都与配合有关;而最小实体要求的理想边界是相对于最小实体状态确定的,而且是体内边界,不涉及对配合性质的影响。

5 可逆要求

可逆要求是指中心要素的形位误差小于所允许的形位公差时,允许在满足零件功能要求的前提下扩大尺寸公差。用○R表示,也可用0○M或0○L表示。

6 实际应用

某些零件需要保证强度或壁厚可以考虑采用最小实体要求。如图5所示是某承压零件的标注方法。

标注采用了最小实体要求应用于被测和基准要素的方式。当采用独立原则时,最小壁厚为(ϕ59.8～ϕ50.064)/2=4.868 mm。而采用最小实体要求时,零件被测孔为最小实体尺寸(ϕ50.039 mm)时,允许的同轴度公差为ϕ0.025 mm。当孔径在ϕ50.039～ϕ50 mm变动时,同轴度公差在ϕ0.025～ϕ0.064 mm范围内相应变动。但是只要保证最小实体实效边界,即体内作用尺寸不超过50.064 mm,即可保证零件的最小壁厚。基准A的实际尺寸为ϕ59.8～ϕ60 mm,当尺寸为ϕ59.8 mm时,基准轴线不允许浮动;当尺寸偏离ϕ59.8 mm时,基准轴线允许浮动,最大浮动量为ϕ0.2 mm。基准轴线浮动时,被测孔的轴线相对于基准孔的轴线可随之浮动,但是仍然可以保证其最小壁厚,满足其功能性要求。因此,在保证强度或壁厚的零件采用最小实体要求,可有效提高产品的合格率。

某些大批量的回转体零件对同轴度公差有较高的要求。常规的检测方式,比如用圆度仪、三坐标测量装置、专用心轴加指示架的方法来检测,但是实际检测操作中这些检测方法虽然测量精度较高,但是效率很低,往往只能用于重要零件或者仅用于抽检。而简单易行的用千分尺打跳动的方式实际检测的是径向圆跳动,其值是由同轴度公差和圆度公差综合控制的,并不能反映零件实际的同轴度公差。当最大实体要求应用于被测要素和基准要素时,我们就可以用综合量规检测同轴度。综合量规检测效率高,但是简单的将最大实体要求应用于同轴度公差的标注会降低零件的精度,偏离零件原来的设计意图。因此如何结合零件的功能性和制造工艺、装配、检验的可能性与经济性是选用最大实体要求的关键。

如图6所示,对于某大批量次产品零件有几种最大实体要求的标注方法。

第1种标注(见图6中1)为同轴度公差采用独立原则标注,此时无论被测孔的实际尺寸在其公差带内怎么变动,都与被测孔同轴度公差无关。因此,被测孔的最大实体尺寸为ϕ40 mm,而此时同轴度公差最大仍为ϕ0.03 mm,这样就造成了被测孔的最大实体实效尺寸为ϕ39.97 mm,而当轴的尺寸(ϕ400-0.025mm)为最大正公差时,配合产生过盈。这与设计意图(H8/h7轴孔间隙配合和互换性)相悖。

第2种标注(见图6中2)是采用独立原则和被测要素零形位公差联合标注的方式。被测孔为最大实体尺寸时,允许的同轴度公差为ϕ0。当被测孔的实际尺寸在其公差范围(0～0.039 mm)内变动时,允许的同轴度公差随之增加。当同轴度公差增加到ϕ0.03 mm时,独立公差就起作用,此时无论被测孔实际尺寸增加到多大,其同轴度允差值都为ϕ0.03 mm。与第1种标注相比,即可达到设计意图(装配中保证最小间隙和互换性),也可采用综合量规进行快速检测,适合大批量生产。

在生产中发现按第2种标注要求检验的部分不合格品仍能满足设计意图,说明被测孔与轴的配合并非按极限状态相配,所以笔者采用了第3种标注(见图6中3),当被测孔为最大实体尺寸时,同轴度允差为ϕ0.01 mm。制造公差的适当放大,减少了零件的报废率。当最大实体实效尺寸超差不大时,与轴装配仍然能满足设计意图。但是,针对不同零件,具体放大多少是要经过统计分析的。

7 结 论

通过对独立原则、包容要求、最大实体要求、最小实体要求、可逆要求的详细阐述以及列举的部分实际应用的分析,有助于我们在之后的机械零件设计制造中针对零件自身的功能性和特殊性更准确的运用好上述形位公差原则,真正的达到质量与工艺效率最大化的统一,使得最终制造出的产品更具市场竞争力。

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Importance of the Geometric Tolerance Principle in Designing and Manufacturing Mechanical Parts

GENG Zhi,ZHANG Kui,ZHANG De-sɑn
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

This paper describes the basic concepts of geometric tolerance principle and the general scope of the application,also being further explained by combining with some practical applications.Especially it particularly analyzes how to choose the geometric tolerance principle by combining with the functionality of parts and manufacturing processes,assembly,the possibility and economy of the inspection.

principle of independence; envelope requirement; material requirement; reversible requirment

2014-06-08.

耿 职(1987-),助理工程师.E-mail:gengzhi@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.039