机械设计中零件几何精度的合理应用

刘长志

（辽宁轻工职业学院，辽宁 大连116100）

关键字：几何精度选择；质量；经济效益

0 引言

几何精度作为机械零件中的重要因素，对其合理应用具有一定的难度.每一台复杂的机械都是由许多零部件组装而成，除了要重视每一个零件的形状和几何精度外，还要综合考虑整台机械质量和经济效益.几何精度的合理应用要求我们除了掌握选择几何精度的常用原则外，还要重视未注公差项目、注出尺寸公差值、形位和粗糙度公差的合理选择.

1 合理选择未注公差

机械零件的公差按是否需要注出分为注出公差和未注公差.许多机械设计者只注重零件图中的注出公差的应用，而忽视了未注公差的作用，未注公差约占零件尺寸的70%～80%，应用好未注公差能有效地调整机械生产中的质量与经济效益的关系.我们这里所说的未注公差，一般是指机器零件设计制造中的 “未注尺寸公差”，在尺寸后不需要注出极限偏差数值.有时候有些尺寸公差在图纸上没有标注出来，但这些尺寸公差又不是自由公差，未标注是为了突出标注的尺寸和使图形看起来比较简洁，图形上不标注尺寸公差的上下偏差值，但一定要说明标准号和公差等级号.图样上机械加工的未注公差通常选择GB／T1804—2000中的 “m”（中等）［1］.

设计者要适时选择未注公差，当某个尺寸需要保证一定尺寸公差即加工要求，但该尺寸对零件的质量和配合性质没有影响时可以考虑选用未注公差，而未注公差的公差值的选取应根据企业的生产情况进行确定，通常规模化大批量的生产要比小批量的生产所选的公差等级要低一级，这样才更为经济一些［2］.但对于以下情况应适当注意：不同的加工方法选取的等级不同，机加件、冲压件、焊接件和装配件选取的公差等级应依次降低；在低精度等级区提高精度等级相对于成本能够产生更大的经济效益时，可以不选用未注公差；对于选用未注公差的尺寸的检验，要与厂际协作的企业沟通好对未注公差尺寸不进行检验［3］.对于普通的操作者而言，使用普通的机械加工未注公差的尺寸的零件，都能达到未注公差等级，说明它的等级低，这正符合尺寸公差的选择原则.虽然其几何精度较低，但只要合理的选用一般不影响该零件的整体质量.合理选用一般的公差，制造检测等各环节成本也会随之降低，提高经济效益，还能满足使用要求，提高产品互换性水平.生产型的企业一定要重视未注公差的合理选用，尤其是在半成品的设计中，一般公差选择要给出具体的规定，但有些未注公差值的选择要靠设计者经验进行选择.

2 合理选择注出尺寸公差值

注出的尺寸公差通常都是在给定条件下进行公差与配合的选择，即给定配合的基本尺寸、极限盈隙量和选择基准制的要求等条件，进行配合的选择，也就是我们要把配合的代号选出来.下面以一个实例说明常用的选择方法.

例：要设计基本尺寸为φ25mm的配合，只知道最大间隙为0.075mm，最小间隙为0.020mm，试由计算法选用配合.

（1）确定基准制：由于本题没有其他条件限制，故优先选用基孔制，用H表示，EI＝0；若有就选择基轴制，用h表示，ES＝0.

（2）计算确定配合公差Tf：由Tf＝｜Xmax－Xmin｜＝Th＋Ts，得：Th＋Ts＝｜0.075－0.020｜＝0.055mm.

（3）根据关系式T′f≥Th＋Ts和轴孔加工的工艺等价性，计算T′f／2＝0.025mm，反查书中标准公差表，在0.025mm公差值两侧选择尺寸公差等级，可知IT8＝0.033mm，IT7＝0.021mm，确定孔、轴的标准公差等级，按工艺等价原则孔比轴低一级，取孔为IT8级，轴为IT7级，则：Th＋Ts＝0.033＋0.021＝0.054mm，小于并接近0.055mm，即已经知道孔φ25H8公差带代号和轴φ25？7公差等级.

（4）选择配合种类，即选择轴的基本偏差代号.因为是间隙配合，故轴的基本偏差应在a～h之间，且其基本偏差为上偏 （es），由X′min＝EI－es，得es＝EI－X′min＝0－0.020＝－0.020mm.查基本尺寸小于500mm轴的基本偏差数值表，可选轴的基本偏差带代号f，这样轴的公差代号为：φ25f7.

（5）验算：即计算所选配合为φ25H8／f7的两个极限间隙，判断是否满足已知条件

Xmax＝ES－ei＝0.033－（－0.041）＝＋0.074mm

Xmin＝EI－es＝0－（－0.020）＝＋0.020mm

二者均在＋0.020～＋0.075mm之间，故所选符合要求.

（6）若不符合，需要重复上面的过程，直到符合题中已知条件为止.选择时，在第（4）步中所选基本偏差代号的左右选择.

几点说明：

（a）上面的第（3）步适合于单件或小批量的情况；对于集约化程度高的工厂，生产设备完全由精密度高的数控机床完成，加工后绝大多数尺寸都接近平均公差，通常采用公式）1／2计算.查表得Φ25mm，IT8＝0.033mm，IT9＝0.052mm，轴选IT8＝0.033mm，孔选用IT9＝0.052mm，Tf＝（＋）＝（1089＋2704）1／2＝0.061mm，接近上述0.055mm间隙配合公差的要求.

（b）当实际的应用场所与典型配合的工作条件有偏差时，应适当调节配合的盈隙量，使其符合实际的应用条件.例如选完的配合原来在实验室使用，配合的精度一定会选得高一些，若选完后实际在工厂车间等恶劣环境下使用，那么就应该将配合的精度适当降低，否则机械的寿命会严重缩短.最重要的一个参数就是温度，查表中的基本偏差的规定是以标准温度规定的，由于温度引起的热胀冷缩会影响配合的精度，因此要进行必要的调整，减少因为使用场所的环境变化而产生的影响.还有材料的强度、拆卸情况、冲击载荷、配合的长度、配合的形位以及粗糙公差、生产量的大小、旋转的精度、润滑状况等，应根据这些条件的情况调整配合的精度.

（c）在选择精度时，也要同时考虑性价比.在精度较低的区域，提高精度所产生的成本比提高精度所产生的经济效益小得多，可以适当地提高所选择的精度；而在精度较高的区域提高精度所产生的成本比提高精度所产生的经济效益要大很多，要特别注意不要提高精度.

3 形位、粗糙度公差的合理选用

形位公差在新标准中被称为几何公差，与尺寸公差一样也分为未注的和注出的.当零件的元素之间形位关系约束得不是非常严格时，可以采用未注形位公差来约束；当同一零件上不同元素的相互关系的约束需要通过工艺系统必须加以保证时，对于这类点线面就需要标注出明确的形位公差.未注出形位公差的要素，不是 “为所欲为”的，也是受控的，通常按未注形位公差GB／T1184（1996）标准进行选择，一般选用 “L”级.要充分选择好未注的形位公差，它可以使图纸工整，同时能够提高经济效益.

注出的形位公差的合理选用如下：（1）特征项目的选择通常采用类比法，在满足使用要求时要结合检测的方便性，且在项目的选择中不要有重复的约束，例如圆柱度和圆度同时用，圆跳动和圆度同时选，要针对零件要素的特征选择符合实际需要约束的项目［4］.（2）形位公差值 （公差等级）的选择，本着能用低等级就不用高等级的原则，应协调好以下几个方面的关系：（a）当零件的某一要素有多个不同公差要求，通常尺寸公差数值最大，其次定位位置公差数值，再次定向的位置公差值，接下来形状公差数值，最小为粗糙度公差，粗糙度公差值大约为形状公差的0.2～0.25倍，通常情况下，若同一要素给定了位置公差，就不再给出形状公差，除非有极特殊的要求.（b）可以考虑降低形位公差数值的情况，从加工的工艺性考虑，孔比轴加工难，可适当降低1～2级；对于细长的零件，由于基准工艺性差，所以加工出来的精度低，选用时可适当降低精度；对于平行度、垂直度等项目，应考虑到直线对直线、直线对平面，平面对直线要比平面对平面难以加工，所以选用时可适当降低精度要求.（c）如果选择与标准件进行配合时的形位公差数值，要选用标准件的公差值标准.为提高机械生产活动性价比，在设计零件的形位公差时做到最符合实际需要、最能体现经济效益，设计者必须明确零件功能，分析工艺路线，合理选取形位公差的项目、形位公差值、尺寸公差与形位公差之间的关系，才能真正反映生产规律，用最低的成本获得最大的经济效益.（3）独立原则用于非配合、尺寸和形位都要求精度高的情况，相关原则用于理想边界控制实际要素作用尺寸，具体选择哪一种原则，由实际需要确定.

4 结语

从以上的分析可以看出，要使机械产品达到既满足使用要求又经济，那么几何公差的合理应用是重要因素.文中探讨的在设计中合理地选择未注公差的项目，注出的公差值根据实际情况进行调整，形位、粗糙度精度合理运用均是实际设计中几何精度的合理应用.为了提高机械的质量和效益，促进机械制造业的发展，对于几何精度这一关键因素，设计者必须以实际的要求为基本点，结合平时设计中的经验，合理地给出数值，以达到最佳的性价比.