机械产品设计中公差配合的选用.doc

机械产品设计中公差配合的选用孙秋艳关键词：最大实体尺寸；调整法切削加工；试切法切削加工；摘要：通过研究单件小批量生产中机械产品经常出现的配合间隙小、过盈量大的问题，发现设计人员在使用机械设计手册时，忽略了单件小批量生产使用试切法切削加工的一个实际问题，并就此提出了解决方案。0.引言机械新产品的不断涌现，有的是消化吸收先进技术的产物，即参考引进的机械设备或借鉴其他行业的一些成果设计制造的。有的则是设计人员根据工作需要自行研究设计的。质量是机械产品的生命，尤其对新问世的机械产品来说更是如此。决定产品质量的因素很多，其中设计质量是保证产品质量的第一个环节，也是最重要的环节。如果设计质量差，就不可能制造出高质量的产品。既使设计质量较高，要把设计图纸转变为机械产品还需要许多环节来保证。笔者在对唐山陶瓷公司下属厂的陶瓷机械产品的维护、修理、设计过程中经常出现的单件小批量生产中，机械产品在完全按照机械设计手册中推荐的公差配合方案进行选择后，有些产品不好使用，质量差或根本无法使用等此类问题进行了分析、研究、探讨。笔者 从实际情况出发，利用理论原则发现产生问题的一个重要原因在于设计人员照搬、照抄设计手册，而忽略了手册中推荐的公差配合方案是以平均尺寸为期望尺寸，适用于大批量生产，而在单件小批量生产中，要想达到预期设计结果，就必须活用设计手册，具体问题具体对待。这里笔者根据在工厂的多年实际经验，就单件小批量机加工中机械设计的一个重要问题公差配合的选择进行研究并总结了三种解决方案，供大家参考。1.公差选择在各种生产规模中的效果及分析。1.1单件小批量生产中出现的问题及原因有时各个零件都符合图纸的各种要求，但装配后常常出现转动部位和移动部位不灵活及手柄难以搬动等问题（例如，轴的转动发紧，齿轮传动困难等）。凡配合部件的间隙都是最小值，甚至小于其应有的最小间隙值。再加上轴承孔与轴承外圈的配合偏紧，轴承内圈与轴的配合偏紧，装配轴承的支撑轴颈与装配齿轮的装配轴颈的同轴度存在偏差，齿轮轮坯及齿轮存有形状和位置偏差等，使装配后的结果不能达到设计者的预期效果。装配尺寸链组成环越多，问题就越严重，即封闭环的间隙实际值趋于最小值。如果封闭环原设计有过盈，则其过盈量趋于最大值。设计者所选用的公差配合种类一般来源于权威性很高的机械设计手册中推荐的优先、常用配合方案。所以出现间隙太小，过盈量太大这类问题时就很难找出问题出现的根本原因。这样的设备到达使用者手中后，给用户的第一印象就是质量差或根本不能使用。其实该产品是完全按照设计要求加工装配的。之所以不能达到设计者的预期效果，问题就出在设计者所选用的公差配合种类来源于设计手册中推荐的优先、常用配合方案。不是推荐方案可疑，也不是所用方案选择的不恰当，而是设计者忽略了生产规模。这里所谈是单件、小批量生产。其零件的切削加工一般通过试切法进行。操作工人采用试切法加工零件时，达到最大实体尺寸就停止切削，即加工外圆时“宁大勿小”、加工内孔时“宁小勿大”。原因是为了防止出现无法挽救的超出最小实体尺寸的废品，同时也为了节省工时。这就使经过试切法加工的工件尺寸都接近最大实体尺寸（轴为最大尺寸，孔为最小尺寸）。1.2大批量生产中零件尺寸公差的分布及分析。大批量生产中可用调整法进行切削加工。经过调整法加工的尺寸趋近平均尺寸。在零件加工中对零件实际尺寸的统计分析表明：大批量切削加工的零件尺寸分布近似按正态曲线分布（见图1）正态分布曲线方程为：Y=式中：Y分布曲线纵坐标（表示该尺寸出现的频率） X分布曲线横坐标（表示工件尺寸） X 工件尺寸平均值（ s 标准偏差（又称均方根偏差， 决定曲线形状及尺寸分散范围） n 一批工件总数 e 自然对数的底（e =2.7183） p 圆周率（=3.1416）正态分布曲线下面所包含的全部面积代表全部工件即100%。若求曲线下面某尺寸范围的面积F(如图1阴影部分)则F=表1 部分概率函数积分表|=| Xi-X |0.5s1s2s3s4sF0.19150.34230.47720.49480.49992F0.38290.68270.95450.99730.9999超出的概率P=1-2F0.61710.31730.04550.00270.0001综合分析图1和表1 可以看出采用调整法加工零件时，如果生产稳定，尺寸分布近似正态分布曲线。所得工件尺寸不仅出现最大实体尺寸的概率极小，而且尺寸数字均向平均尺寸X集中靠拢。一般正态分布曲线的分散范围为 3s ，超出3s以外的工件尺寸为0.27%，即超出最大极限尺寸和超出最小极限尺寸的工件之和为0.27%，10000个零件中有27个超差废品。这表明在用调整法切削加工时，出现最大实体尺寸的概率为0.135%。在大批量生产中，相配合的两个工件都用调整法进行切削加工时，它们同时出现最大实体尺寸的概率为0.1350.135=0.00018%。上述结果表明大批量生产时，相配合的两个工件恰巧都是最大实体尺寸的概率几乎为零。我们的设计目标是X ，而加工的实际尺寸为Xi 。Xi 偏离X的差值最终决定于以加工机床为主的工艺系统的精度、加工工人调整机床的操作技术和实际经验。以上分析表明，采用调整法切削加工时，如果工艺系统精度比较高，能稳定生产，则相配合零件大部分是平均尺寸相配合，其配合结果为平均间隙或平均过盈，即达到设计的预期结果。这是权威性机械设计手册推荐公差配合种类选择的先决条件。1.3单件小批量生产中产品尺寸公差分布情况前面已经说明，小批量生产单件产品时，采用试切法切削加工，最大实体尺寸为工人的切削目标。所以在单件小批量生产中，尺寸公差分布的正态分布曲线发生平移（工人叫见好就收）。既：孔的尺寸向其下偏差平移（如图2）， 轴的尺寸向其上偏差平移（如图3）。图中：s 标准偏差 X页：2 工件尺寸的平均值（设计人员要求的期望值） Xk试切法加工实际尺寸的平均值曲线平移程度决定于操作工人技术水平、操作经验和机床精度。平移结果表明零件尺寸出现在Xk 附近的概率比较大。单个零件尺寸合格，完全在公差范围内，但接近最大实体尺寸的装配结果则出现装配间隙接近最小间隙或过盈出现最大过盈这种情况。表现为转动部位或移动部位不灵活、手柄难以搬动等问题。与设计人员所期望的通过装配工件的平均尺寸装配出平均间隙或平均过盈的结果有偏差。当把多个零件组装在一起时，根据尺寸链原理，封闭环的实际偏差等于各组成环的实际偏差代数和。由前面分析可知，如果尺寸链各组成环的实际偏差趋向最大实体尺寸所具备的极限偏差时，封闭环的极限偏差也必趋于极限值（最小间隙或最大过盈）。这表明单件小批量生产用试切法加工零件时，按设计手册推荐的方案选定公差配合种类时，装配后各部位偏紧是不可避免的。所以设计人员在设计机械产品选用公差时必须考虑到生产规模及加工方法，用活、用对设计手册。3.解决方案 公差配合种类及等级的选择方案有类比法、计算法、实验法三种。但一般都采用类比法，然后再去参考、查阅设计手册中推荐的常用、优先配合方案。由于单件小批量生产中机械零件多采用试切法加工，为了使经常出现的装配间隙小、过盈量大这类问题得到控制，并达到设计者的预期结果，这就应设法使切削加工的实际尺寸向设计手册推荐的最佳结果靠近。主要解决方案有以下三种。第一种方案：当设计手册推荐两种以上方案供选择时，应进行分析比较，选择间隙大或过盈较小的推荐方法。例如，固定齿轮和轴的配合，齿轮和齿轮之间啮合，轴承孔和轴承外圈、轴承内圈和轴、轴和孔之间的配合都可采用这种方法。即通过计算比较后选用间隙大、过盈较小的配合方案。例如，对一由50mm 直径平健联接的齿轮和轴的配合，设计手册推荐三种过渡配方案：50H7/k6 ，50H7/js6 ，50H8/j7。但考虑到单件生产和试切削加工的情况，就从三种方案中选一种平均间隙最大（平均过盈最小），而且如果出现过盈，最大过盈较小的方案。现将计算结果列表如下：表2配合种类平均间隙可能出现的最大过盈50H7/k60.0050.01850H7/js60.0150.00850H8/j70.0170.015从表1-2可看出，50H7/js6和50H8/j7平均间隙大的多，50H8/j7平均间隙比50H7/js6 略大。50H7/js6可能出现的最大过盈却小的多。可见，选50H7/js6更好些。第二种方案：向体内移动非基准件的公差带（基准件一般情况下为基准孔件，多使用标准绞刀绞孔，这样其获得的最大概率尺寸为其平均尺寸），使试切削的最终尺寸自然地与设计者的期望结果相一致。移动距离大约为非基准件公差值的1/3。第三种方案：对那些外来图纸进行单件小批量生产时，要认真分析计算。若图纸公差没有考虑生产规模时，那么在加工零件时，要特意注明使工件