机械零部件精度设计

1、杨 铁 牛 设计工程研究所实践教学课程组,机械设计综合实践,第5.4节 机械零部件精度设计,1 互换性生产基本概念 2 公差与配合的基本术语和定义 3 公差与配合的选用 4 形位公差 5 表面粗糙度,课程内容,互换性生产基本概念,互换性是指同一规格的一批零部件，任取其一，不经任何挑选和修配就能装在机器上，并能满足其使用功能要求的特性。 零件几何参数的互换性按其互换程度分为完全互换和不完全互换。符合上述互换性定义，在装配时不需挑选和修配，即完全互换；否则在装配时允许挑选、调整和修配，则称为不完全互换。根据不同需要，零部件厂际协作应采用完全互换，部件或零件在同一厂制造和装配时，可采用不完全互换。,

2、1.互换性生产 互换性生产经历了由完全没有互换性的配对制作方式，到具有互换性的样板（标准量规）检验合格与否的制造模式。后来，标准量规进一步演变发展为极限量规，分别用于控制被加工零件的最大、最小两个极限尺寸，从而引出了公差的概念。公差和极限量规的出现，促使互换性生产更加蓬勃地发展。,互换性生产基本概念,2.标准化 ：实行标准化是互换性生产的基础。 标准是对重复性事物和概念所作的统一规定，它以科学、技术和实践经验的综合成果为基础，经有关方面协商一致，由主管机构批准，以特定形式发布，作为共同遵守的准则和依据。 标准化是指标准的制订、发布和贯彻实施的全部活动过程，包括从调查标准化对象开始，经试验、分析

3、和综合归纳，进而制订和贯彻标准，以后还要修订标准等等。标准化是以标准的形式体现的，也是一个不断循环、不断提高的过程。为了实现互换性，必须对公差值进行标准化，不能各行其是。,互换性生产基本概念,3.优先数和优先数系 在互换性生产中，为了采用较少的参数系列，覆盖尽量多的实际应用，产品的参数选择必须遵守一定的规律。在标准化过程规定了一项重要的相关标准来约束参数的选择，这就是优先数和优先数系国家标准（GB32180）。 国家标准GB/T3211980优先数和优先数系规定十进等比数列为优先数系，并规定了5 个系列，按照优先顺序分别用系列符号R5、R10、R20、R40 和R80 表示，称为Rr 系列。,

4、互换性生产基本概念,互换性生产基本概念,国家标准规定的优先数系分档合理，疏密均匀，有广泛的适用性。选用基本系列时，应遵守先疏后密的规则，即按 R5、R10、R20、R40 的顺序选用。常见的量值，如长度、直径、转速及功率等分级，基本上都是按一定的优先数系进行的。例如尺寸分段、公差分级及表面粗糙度的参数系列等，基本上都采用了优先数系。为使优先数系具有更宽广的适应性，可以依据基本系列根据一定规则衍生出若干系列。,互换性生产基本概念,公差与配合的基本术语和定义,国家标准对零件标准公差、基本偏差、极限偏差的数值、选取原则、检验和验收等进行标准化而形成的制度，即公差与配合国家标准。主要由基准制、标准公差

5、系列和基本偏差系列组成。 极限与配合制是基本的互换性标准，实现零部件的互换性，必须以该标准为依据，对几何精度进行控制与评定。为了正确应用标准，首先应该正确理解有关的基本概念、术语及定义。,1.尺寸,公差与配合的基本术语和定义,2.公差与标准公差 允许尺寸的变动量称为尺寸公差，等于最大极限尺寸减最小极限尺寸，尺寸公差是没有正、负号的绝对值，不允许为零。 国际上对孔、轴公差的规定代号为：TH表示孔的公差；TS表示轴的公差。 国家标准表格中规定的每一个公差数值即为标准公差。,公差与配合的基本术语和定义,3.偏差与极限偏差 某一尺寸减其基本尺寸所得的代数差称为尺寸偏差。最大极限尺寸减其基本尺寸所得的代

6、数差称为上极限偏差(ES,es)，最小极限尺寸减其基本尺寸所得的代数差称为下极限偏差(EI,ei)，上极限偏差与下极限偏差统称为极限偏差,如图5.2。,公差与配合的基本术语和定义,实际尺寸减其基本尺寸所得的代数差称为实际偏差(Ea)。 合格工件条件也常用偏差的关系表示如下： 对于孔：EI Ea ES 对于轴： ei ea es 例题： 已知孔的基本尺寸与轴的基本尺寸d均为50mm, 孔的最大极限尺寸，Dmax=50.025 mm，孔的最小极限尺寸Dmin=50.000 mm，轴的最大极限尺寸dmax=50.025mm，轴的最小极限尺寸dmin=50.009mm， 求孔与轴的极限偏差及公差。,公

7、差与配合的基本术语和定义,解： 孔的上极限偏差ES =max = (50.02550) mm = +0.025 mm 孔的下极限偏差 EI =min = (50.00050) mm = 0 mm 轴的上极限偏差 es = d max d = (50.02550) mm = +0.025 mm 轴的下极限偏差 ei = d min = (50.00950) mm = +0.009mm 孔公差TH =max min = (50.025 50.000 )mm = 0 025 mm 轴公差TS = d max d min = (50.02550.009) mm = 0.016 mm 或 孔公差TH =

8、 ESEI=(+0.025)mm = 0.025 mm 轴公差TS = esei = +0.025 (0.009) mm 0.016mm,公差与配合的基本术语和定义,4.公差带图 在简化极限与配合图解中，由代表上极限偏差与下极限偏差或最大极限尺寸与最小极限尺寸的两条直线所限定的一个区域，叫公差带，如图5.3所示。,公差与配合的基本术语和定义,公差与配合的选用,基本尺寸相同的，相互结合的孔与轴公差带之间的关系称之为配合。在孔、轴装配前，孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得之代数差，决定结合零件间的松紧程度。此差值为正（“+”）时是间隙,用X表示，为负（“”）时是过盈, 用Y表示。,公差与配合的选用,根

9、据配合中间隙和过盈的大小可以将配合分为三种：间隙配合、过渡配合和过盈配合。,公差与配合的选用,产品设计过程中选择相应的孔轴公差带组成各种需要的配合，一般从以下三个方面考虑： 1.基准制 基准制是指以两个相配合的零件中的一个零件为基准件,并确定其公差带位置，而改变另一个零件(非基准件)的公差带位置，从而形成各种配合的一种制度。在极限与配合国家标准GB/T1800.1-2009中规定了两种等效的配合制：基孔制和基轴制。,公差与配合的选用,基孔制：基本偏差为一定的孔的公差带与不同基本偏差的轴公 差带形成各种配合的一种制度。 基轴制：基本偏差为一定的轴的公差带，与不同基本偏差的孔 公差形成各种配合的一

10、种制度 。,公差与配合的选用,2.公差等级的选用 标准公差大小是由公差等级系数和决定于基本尺寸的公差单位因子乘积所决定。每一个公差等级都对应一个公差等级系数。公差等级的选择，其实质就是尺寸制造精度的确定。尺寸精度与加工的难易程度、加工的成本等因素相关。我国GB/T 1800.1-2009标准公差，将尺寸精度由高到低分为20个等级，用IT01，IT0，IT1，IT2，,IT18表示。,公差与配合的选用,公称尺寸 500mm 标准公差的计算公式 (GB/T1800.31998),公差与配合的选用,一般选用的原则如下： 1) 常用尺寸段（500mm）较高等级（IT8）的配合，采用不同级配合，其余尽量

11、采用同级配合。,2）在满足使用性能的前提下，尽量选择较低的精度等级。,公差与配合的选用,3.配合选择 公差等级和基准制选择，不能完全确定两配合件公差带之间的关系。还需要确定非基准件的基本偏差，才能够确定配合的性质。而在实际工作中，配合性质是一致的工程要求，所以在公差等级和基准制确定之后，应该依据配合性质选择非基准件的基本偏差，即确定配合种类。 国家标准推荐有优先配合、常用配合和一般配合。在设计中根据使用要求，应尽可能地选用优先配合和常用配合。,公差与配合的选用,为了满足各种不同松紧程度的配合需要，国家标准对孔和轴分别规定了28种基本偏差。在确定配合种类时，有计算法、试验法和类比法等三种方法：

12、1）计算法：就是根据一定的理论和公式，计算出所需的 间隙或过盈。根据计算结果选用合适的配合。 2) 试验法：就是对产品性能影响很大的一些配合,往往用 试验法来确定机器工作性能。 3) 类比法：是最常用的一种方法，即根据各种具体条件 下已有成功配合种类，参考表5-8，然后分析当前零件 具体工作条件、使用要求的差异，进行各种修正而采用 的配合，参考表5-9。,公差与配合的选用,公差与配合的选用,公差与配合的选用,公差与配合的选用,一般、常用和优先的轴公差带共119种，如图5.7所示，其中方框内的59种为常用公差带、带圆圈的13种为优先的公差带。,公差与配合的选用,国家标准规定了一般、常用和优先的孔

13、公差带105种，如图5.8所示，其中方框内的44种为常用公差带，带圆圈的13 种为优先的公差带。,公差与配合的选用,国标规定的基孔制和基轴制优先配合各13种，如图5.9所示。,公差与配合的选用,4.非配合尺寸精度设计,图样上所有的尺寸原则上都应受到一定公差的约束。为了简化制图,节省设计时间，简化产品的检验要求，对不重要的尺寸，非配合的尺寸以及工艺方法可以保证的尺寸，无需注出公差。 一般未注公差是指在车间一般加工条件下可以保证的公差。它是机床设备在正常维护和操作情况下，可以达到的经济加工精度。采用一般公差的尺寸，在该尺寸后不标注极限偏差或其它代号，而且在正常情况下，一般可以不检验。除一般公差之外

14、的所有公差-无论高低都要标注出来。,公差与配合的选用,形位公差,除了尺寸公差之外，机械零件还存在有表面粗糙度、波纹度误差、形状和位置误差。这些误差对零件的使用功能都有较大的影响。 这些公差之间的关系由公差原则来约定。一般而言，对于同一被测要素，尺寸公差应该大于位置公差，位置公差大于形状公差，形状公差大于粗糙度。任一被测要素所需要的检测项目或应该达到的指标，在相应零件图设计中介绍，下面仅介绍一下形位公差和公差原则。,1.形位公差 形位公差是指提取（实际）要素的形状对其拟合要素的允许变动量。形状公差带是某一实际提取要素允许变动的区域。 形位公差符号：,形位公差,2.公差原则 根据尺寸公差和形位公差

15、之间的相依关系，可以将公差原则分为两大类：独立原则和相关原则。,1）独立原则 独立原则是指图样上给定的形位公差与尺寸公差相互无关，分别满足要求。,形位公差,2）相关原则 相关原则又包括：包容要求、最大实体要求、最小实体要求、可逆性要求。,例题： 解释图标注出的各项形位公差（说明被测要素、基 准要素、公差带形状、大小、方向、位置、选择该 项目的原因）,形位公差,表面粗糙度,表面粗糙度是指加工表面所具有的较小间距和微小峰谷不平度。这种微观几何形状的尺寸特征一般是由零件的加工过程和（或）其他因素形成。表面粗糙度对机械零件的配合性质、 耐磨性、工作精度、抗腐蚀性有着密切的关系，它影响到机器或仪器的可靠

16、性和使用寿命。 我国现行的国标GB/T3505-2009中关于粗糙度评定参数包括五类：幅度参数（峰和谷）Rp、Rv、Rz、Rc和Rt；幅度参数（纵坐标平均值）Ra、Rq、Rsk和Rku；间距参数Rsm；混合参数Rq；曲线和相关参数Rmr等。,一般零件表面，可以选注幅度参数（纵坐标平均值）Ra，即在一个取样长度内纵坐标值绝对值的算术平均值，可参考下表5-12选取。 表5-12 轮廓算术平均高度Ra,具体选择各种公差时，尺寸公差IT、表面形状公差T、表面粗糙度参数Ra三者之间一般应遵循如下的对应关系。,表面粗糙度,具体标注时，应该参考表5-13。,表面粗糙度,表面粗糙度,例题： 小型发动机中的活塞部件如图5.28所示，发动机工作 时，在活塞上部的气缸空间内，燃料燃烧使气体膨胀，推动 活塞在气缸内作直线运动，通过曲柄连杆机构使曲柄轴回 转，输出动力，因而此部件是发动机中的重要部件。此部件 中的活塞和活塞销等一直在高温下工作且承受冲击。其发动 机的功率为2kW，曲轴最高转3000r/min，生产条件为大批量 生产。试确定以下各配合处的基准制、公差等级、配合类别 及配合代号，简述理由，并将结果标注在装配图上。 活塞1和活塞销2（14）； 活塞销2和连杆小套筒3（14）；,综合实例,连杆小套筒3和连杆4 （18）； 连杆4和连杆大套筒5 （24）； 连杆大套筒5和