机械零件设计中形位公差的确定性方法研究

程琪　李锋

摘要：随着正确地选择和确定形位公差的项目、基准及数值对机械零件的设计是十分重要的。依据机械零件的功能要求。并考虑其使用性、工艺性和经济性的综合效果，详细分析了确定形位公差时公差项目、基准和公差数值的选择方法。零件的功能特性是选择形位公差项目、基准和公差数值的基础；公差间的关系可作为进一步精选它们的依据；同时还应兼顾经济性和测量的方便性。

关键词：机械零件；功能要求；形位公差

在机械零件的设计过程中，正确地选择形位公差项目以及合理地确定形位公差数值，不仅直接影响到机器的使用性能和质量，而且关系到零件加工的难易程度和成本高低。形位公差的国家标准规定了l4项并列的形位公差，项目较多，而且有些公差项目之间还存在着从属和包容等关系。因此，机械零件的形位公差设计一直是机械零件设计中的难点。本文将根据形位公差的理论与多年的机械零件设计经验，分析形位公差项目及公差值大小等公差内容的选择依据。为设计者提供参考。

1.形位公差项目的选择

1.依据零件的功能特性初选形位公差项目

选择形位公差项目首先应满足零件的功能要求，主要考虑形位误差对零件使用性能的影响。这种使用性能一般指零件的配合性质、装配互换性、工作精度、可靠性及运动平衡性等。设计时了解和明确所设计零件的使用性能，才能确定为保证这些性能必须选用的形位公差项目。

以下为一些常见的零件功能特性与所需的公差项目：（1）在圆柱形零部件的运动配合中，如果圆柱面接触不良，就会造成局部过早磨损，扩大了配合间隙，降低定心精度，这就需要选择圆度和圆柱度等形状公差限制形状误差，以避免过大的形状误差带来的危害。（2）在移动配合中，形状误差会降低导向精度或破坏密封性；在过盈定位配合中，形状误差会降低连接强度和可靠性；曲面形状误差直接影响机械的工作性能，如汽轮机叶片的曲面等；这些都需要选择相应的形状公差加以限定。（3）位置误差直接影响机器的装配精度和运转精度。例如，发动机中的曲轴和变速器中的齿轮轴，为了保证它们的装配精度和工作性能，就要规定它们的两端支承孔的同轴度，否则就会影响齿轮的啮合精度，产生振动和噪声。

2.依据公差间的关系精选形位公差项目

（1）由尺寸公差控制形位公差。形位公差与尺寸公差具有一定的关联性，有些形位误差可自然地控制在尺寸公差内，就不必再给出形位公差要求。

（2）由位置公差控制形状公差。由于位置公差是关联实际要素的方向或位置对基准所允许的变动全量，而形状公差是单一实际要素的形状所允许的变动全量，位置公差的公差带包容整个被测要素。因此在很多情况下，位置公差能够控制形状误差的。如在定位公差中，同轴度可以控制轴线的形状误差，对称度和位置度可以控制平面度的误差。

（3）由综合公差控制单项公差。综合公差能够控制单项公差。所以，同一表面上标注了综合公差，一般不必再标注单项公差，若单项形位公差有进一步的要求，则应小于综合公差，并且合注于其下方。

2.形位公差基准的选择

形位公差基准是理想基准要素的简称，是设计者根据零件的功能即零件的结构、使用及装配性能的要求来选择和确定的。能否正确合理地选择基准，将直接影响零件的质量和成本。因此，在满足功能要求的前提下，应尽可能使加工、测量和装配用的基准统一，基准过多，将增加测量中的积累误差：同一零件的各项位置公差应采用同一基准；应选择各零件间相互配合、接触的表面作各自的基准，以保证零件的正确装配；应选择加工比较精确的表面，或接触面积大，工件以此表面定位重心不偏移，使工件稳定、刚性好的一些要素作为基准，以保证基准的稳定可靠以及可重复使用。

3.形位公差数值的确定

在选用公差值时，同样应以满足零件的功能要求为前提，兼顾经济性和测量条件等因素。

1.形位公差等级的选择

确定形位公差的等级是决定给定公差值的依据。所谓形位公差等级是指形状和位置精度的等级。一般规定了12个公差等级，其精度由1-12级依次降低。

确定形位公差的等级时，应考虑零件的结构和刚性。零件结构复杂、刚性差、表面尺寸大则加工困难，容易产生较大的形位误差，在满足零件的功能要求为前提下，可考虑降低1-2级公差精度。如以下几种情况：（1）孔（可低于轴）；（2）细长的轴与孔（孔与轴的长径比大于 8～10 以上）（3）间距较大的孔与轴；（4）宽度较大（一般大于长度一半）的零件表面。

2.形状、位置、尺寸公差值及表面粗糙度间的关系

在一般情况下，尺寸、位置、形状及表面粗糙度的加工误差值依次递减，所以在选择尺寸、位置、形状公差值及表面粗糙度时应协调以下关系：

（1）同一要素上形状公差值应小于位置公差值，位置公差值应小于尺寸公差值。在常用尺寸段及尺寸公差为IT5～IT18 的范围内，形状公差值通常取尺寸公差值的0.25-0.6

（2）单项形状公差值应小于综合形状公差值；

（3）对中等尺寸和中等精度的零件，表面粗糙度一般占形状误差的1/4～1/ 5 。形状精度越高则要求表面粗糙度越低。为保证形状精度应限制其最高表面粗糙度等级。

形位公差对机械零件的精度、生产成本与经济效益有着重要的影响。本文对其项目、基准及公差值范围等内容的分析希望对从事机械设计的有关人员有所帮助。

4.结语：

通过以上分析和生产实践得知：对于尺寸精度和形位精度要求都较严的零件，既要保证配合性质，又要保证装配性，同时又是中、大批量生产时，采用最大实体要求零形位公差标注同轴度公差较合理。这样，既可以保证产品设计要求（即装配中保证装配互换和最小间隙），又能采用功能量规检测零件，从而提高生产效率和经济效益，从而保证产品质量和检验效率，使得经济效益最大化。

5.参考文献：

[1] 李建平. 公差原则中形位公差与尺寸公差的补偿简析[J]. 重庆职业技术学院学报，2006，01：44-45.

[2] 徐西会. 基于3DCS的公差分析技术研究及应用[D].山东大学，2012.

[3] 祝贺. 形位误差综合测量实验设备的研制[D].华中科技大学，2012.

作者信息：

1，程琪（1986.10.4），男，汉族，陕西蒲城，中冶陕压重工设备有限公司，机械技术员，助理工程师，本科，研究方向机械设备维修。

2， 李锋（1985.10.26），男，汉族，陕西富平，中冶陕压重工设备有限公司，机械技术员，助理工程师，本科，研究方向机械加工制造。