机械设计图样中产品几何技术规范一些问题探讨

单庆成 代小波 李阳

东风小康汽车有限公司，重庆，400040

机械设计图样中产品几何技术规范一些问题探讨

单庆成 代小波 李阳

东风小康汽车有限公司，重庆，400040

本文对机械设计图样中经常出现的几何技术规范使用不当的问题进行了探讨，论述了公差原则的应用问题、基准和基准体系问题、几何公差与功能尺寸的关系、综合公差与单项公差的关系，为机械设计图样中几何公差的合理选用提供了可行的办法。

几何公差；尺寸公差；公差原则；基准

在机械设计图样中产品几何技术规范标注中尺寸公差与几何公差的关系经常出现不协调的现象；基准的选择也不恰当；几何公差与功能尺寸的关系也经常分析不清楚；综合公差与单项公差的项目选择与公差值也时有矛盾，甚至很多设计单位和个人忽视国家标准，无视新国家标准的现象也较为普遍，这些情况使我国的机械产品设计在理念上都与国际存在一个大的差距。笔者经过参加《机械产品几何技术规范（GPS）体系及相关国家标准》的学习和多年的实践与教学经验，对以上问题进行探讨，供设计者，尤其是初步做设计工作的人员进行对新国标的理解和应用。

1 基准的选择问题

关联要素评定中基准的选择非常重要，它将直接影响零件的最终尺寸误差，也会影响产品的检验、产品的加工的难易程度。基准选择的原则是在满足零件功能要求的前提下，尽量保证加工基准、检验基准、设计基准的统一。如图1所示，基准A在设计时可以考虑在左轴颈、右轴颈或者是内孔的中心为基准，似乎都行，但是考虑到基准的统一，这三个位置并不都可以。该零件加工时，先加工出尺寸φ19，再以该尺寸为基准来加工φ40的轴颈和φ24的孔。为了统一装夹，使加工基准统一，基准选择为小端外径的中心更合理。一般而言，基准来源于功能，应是对装配情况下而言的，除此以外的所有基准，除特别针对工艺和检测标注之外，都是经过变通的，这一点需要注意。

图1 基准的选择

公共基准和单基准的问题由一个要素建立的基准称为单一基准；公共基准是由两个或连个以上的要素建立一个独立的基准称为公共基准。回转体类零件可以指定某一轴（ 或孔）的轴线为基准如图1，也可以指定两个圆柱面（或孔）的公共轴线为基准，此时公共轴线为两个圆柱体中心线的理想要素同组拟合。旋转的轴类零件通常都是以滚动轴承两轴颈的轴线所构成的公共轴线为基准。当选择公共轴线为轴线时，位置误差的偏移值较小，同时又符合实际的装配工作条件，因此比较合理，这也是实际应用状况和功能的需要。

2 尺寸公差与几何公差的关系

2.1 尺寸公差包含几何公差

图2 尺寸公差与几何公差的关系

一般而言，当尺寸公差能同时约束几何误差时，就可以不专门标注几何公差。如图2（a）所示：在图中孔中心到基准的距离这一尺寸的尺寸公差里已经包含了孔中心与基准的平行度公差，如果要求的平行度公差值大于或等于尺寸公差值，平行度公差值不需要在图中另外标注；但如果该形位公差的要求很高时，其值小于该尺寸公差时，必须将形位公差单独标注出来。如图2( b)所示。

2.2 公差原则中一些易混淆的问题

当采用包容要求时，包容要求表示实际要素应遵守其最大实体边界其局部实际尺寸不得超出最小实体尺寸。圆柱表面必须在最大实体边界内该边界的尺寸为φ20。最大实体尺寸其局部实际尺寸不得小于φ19.979。当实际尺寸偏离最大实体尺寸时，偏离的部分可以补偿到形位公差上去，如图3（a），当实际尺寸为φ19.979时，此时的偏离量最大为0.021，最多可以补偿0.021。它可以补偿给圆柱中心的直线度、圆柱母线的直线度、圆度、圆柱度等形位公差，但总量不超过0.021。其形位公差的值在0-φ0.021mm之间变化。图3（b）的含义是对圆柱中心轴线的直线度做单独要求。在补偿的时候不论补偿量多大，但补偿给直线度的公差值不能超过φ0.015.当然，当补偿量不到0.015时，补偿量是多少，直线度公差值最大就是多少。其值在0-φ0.015mm之间变化。对比图2（a）和图2（b），显然后者的要求更为严格。包容原则主要用于有配合要求，并且极限间隙或极限过盈要求得到严格保证的场合。

图3 公差原则之包容要求

图4 公差原则之最大实体要求

图4中轴线的垂直度公差值φ0.1是按该孔最大实体状态时给定的；若该孔为最小实体状态时，其轴线垂直度误差允许最大图4a中给定的直线度公差（φ0.1mm）与该孔的尺寸公差（0.1mm）之和为φ0.2mm；如该孔处于最大实体与最小实体之间，其轴线垂直度公差在φ0.1—φ0.2之间变化。如图4（c）所示。此原则主要用于装配互换的场合。

图5 公差原则之最小实体要求

图5中是最小实体要求应用。最小实体要求是图5中（a）轴线的位置度公差值（φ0.1mm）是该处尺寸要素为最小实体状态时给定的；若该处实际尺寸为最大实体状态时，其轴线的位置度公差值允许达到的最大值可为给定的位置度公差值（φ0.1mm）与尺寸补偿值（0.1mm）之和为（φ0.2mm）。若实际尺寸在最大实体尺寸和最小实体尺寸之间，位置度公差值的变化范围见图5（c）所示。此要求用于控制壁厚，也是用于保证装配。

3 形位公差与设计功能尺寸的关系

图6 几何公差与功能尺寸的关系

尺寸的几何公差和零件的设计尺寸存在严格的关联关系。几何公差项目与公差值、基准的确定与功能设计尺寸有密不可分的关系。如图6所示，公差项目分别限制的是φ10和φ15的孔，与中心距似乎没有多大关系，而中心距45是用理论正确尺寸表示的。一般初学者会简单的认为，中心距45就是不变的，而公差项目仅仅是限制了孔的位置度。实际上通过分析我们知道φ10的孔的公差采用了包容原则，当实际尺寸处处为最大实体尺寸时，形位公差补偿值为0，当实际尺寸偏离最大实体尺寸时，偏离的部分可以补偿给形位公差，而补偿部分可以完全给孔轴线的直线度公差值。所以，当实际尺寸处处为最小实体尺寸时，偏离最大实体尺寸最多，为0.08，这个偏离值0.08可以完全补偿给孔φ10轴线的直线度？，这时孔φ10的中心在中心距方向的位移量为±0.04。同理，分析出φ15的孔的位置度公差值，在孔处于最小实体尺寸时，可以由尺寸公差补偿给形位公差的补偿量最大，为0.1此时累计的位置度公差值最大允许为0.6.由于基准A采取了最大实体原则，基准本身的公差可以又尺寸公差来补偿，即当孔φ10处于最小实体时，这时偏离最大实体尺寸最多，可以补偿给基准的位置误差也最多，最大值为0.08mm。所以孔φ15的尺寸的中心的偏移量累计最大可以为±0.34.这样中心距的偏移量最大为0.76mm。

该实例说明零件的几何公差和零件的设计尺寸存在严格的关联关系。在设计时要谨慎确定几何公差，使之保证形位精度，同时保证设计尺寸满足功能要求。

4 尺寸公差与形位公差的关系

4.1 圆柱度与圆度、直线度、跳动的关系

圆度公差控制回旋体垂直于轴线横截面内的形状误差；直线度公差控制圆柱面轴线方向纵截面内素线的形状误差；圆柱度公差用来综合控制圆柱面误差。因此圆柱度公差完全能控制圆柱度和素线直线度公差。当回转体给定了圆柱度公差后，一般就不必再给出圆度或素线直线度公差要求。当然，从检测的角度来考虑，圆柱度的检测比圆度与直线度困难。所以，对于一般精度的圆柱体零件，推荐用圆度与直线度来标注更为妥当。

4.2 其它综合公差和单项公差的关系

端面全跳动与垂直度、平面度都控制该端面的形状公差；端面全跳动是便于检测的一项综合公差，该项目包含了平面垂直度与平面度的要求，一般不必再标注垂直度与平面度，若有进一步要求时，则其公差值应小于端面全跳动公差，否则会出现干涉；径向全跳动也是一项综合公差，该项目是同时包含圆度、圆柱度、直线度、同轴度的综合公差。而且，跳动公差的检验更为方便快捷，所以，经验丰富的设计者经常选用跳动公差替代圆度、圆柱度来控制零件的形位公差。

5 结语

对于设计人员,在深刻理解产品几何技术规范和设计功能尺寸之间的关系,正确的进行基准的选择，正确分析公差原则以及综合形位公差和单项形位公差的关系。 在设计图样中标注零件的几何技术规范时, 在满足功能要求的情况下则会取得简洁、实用、加工经济、检测方便的效果。

[1]李晓沛等.GB-T16671-2009(GPS)几何公差最大最小实体要求和可逆要求,2009.

[2]王欣玲等.GB-T 1182-2008 (GPS)几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注,2008.

[3]周明贵等.设计图样中形位公差的合理确定.机械设计与制造,2005(9).

[4]高成慧.形位公差标注中的常见问题分析.机床与液压,2004(9).

[5]李佰茹.跳动公差与其它形位公差的关系研究.机床与液压,2005(8).

[6]廖念钊等编.互换性与技术测量.北京:中国计量出版社,2007(8).

单庆成/1983年生/男/硕士/工程师/研究方向为汽车白车身焊接工艺及焊接工装夹具的研制