机械设计加工中的几何公差与互换性探究

摘 要：近年来，随着我国经济的快速发展，机械制造业也搭上改革开放的春风，积极寻求与全球顶尖技术的企业合作，不断实现自我价值与能力的突破。在实际机械零部件的设计加工中，为了确保生产出来的零部件的产品性能以及尺寸精度，通常会在前期设计过程通过几何公差的定义确定后续加工生产过程中零部件的使用性能及其互换性。本文会对在机械设计过程中零部件的几何公差如何进行定义以及后续互换性的相关方面进行简单的阐述，供大家参考。

关键词： 机械制造业 前期设计 几何公差 互换性

Research on Geometric Tolerance and Interchangeability in Mechanical Design and Machining

YU Yang

（37140219890212XXXX， Dezhou， Shandong Province， 253000 China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of China's economy， the machinery manufacturing industry has also caught the spring breeze of reform and opening up， actively seeking cooperation with global top technology enterprises， and constantly realizing breakthrough of self-value and ability. In the design and processing of actual mechanical parts，in order to ensure the product performance and dimensional accuracy of the produced parts， the service performance and interchangeability of the parts in the subsequent processing and production process are usually determined through the definition of geometric tolerance in the early design process. This paper will briefly explain how to define the geometric tolerance of parts in the process of mechanical design and the related aspects of subsequent interchangeability for your reference.

Key Words： Machinery manufacturing industry; Preliminary design; Geometric tolerance; Interchangeability

近年来，随着金融行业以及房地产行业很多负面事件的发生，国家在宏观层面上也越来越意识到实体经济在整个国民经济发展中的主导地位。作为机械加工业，更是国家一直在大力扶持与振兴的对象。虽然我国目前的机械制造业还存在很多问题，但是其实体地位还是很重要的，而作为机械加工业的核心，其前期的设计开发起着很关键的作用。在产品的设计开发过程中，通常会通过对产品的加工参数的公差进行具体的设定，从而对后续的产品加工精度进行规划，以保证加工的产品性能以及几何参数的准确性，避免在产品互换性方面出现问题。从这方面看，幾何公差的深入研究对于后期的产品加工的有效性是很有必要的。

1 机械加工几何公差的概述

1.1 机械加工中的几何公差的定义

所谓几何公差，就是指产品的形状公差和位置公差，也就是常说的形位公差。对于任何零件，其都是由点、线、面这几个基本要素构成。机械加工生产后的零部件的实际要素相对于理论设计尺寸总会有一些偏差，这些偏差就包括形状误差和位置误差。

1.2 机械加工中的几何公差的形成原因

从前期的设计开发绘制的图样到后期实际生产加工出来的零件，在整个实际生产的加工过程中，无论加工设备的精度如何高，现场操作工人的技术水平多么熟练，然而想要使最终加工出来的零件达到理想的形状和设计理论状态的位置，这仍然是无法实现的。零件的实际形状和位置与设计状态下的形状和位置总是不可避免地存在一定偏离量，这种偏离量就是该零件的形状和位置误差，也即形位公差。

1.3 几何公差的内涵与原理

形位公差的具体内容包括标准要素、公差带和基准这三部分，其中形状公差基本没有基准，而位置公差一般都会有基准。要素的基本内容就是点、线、面;形位公差的内涵就是对这些点、线、面要素在形状以及其相互之间的位置上的精度要求;另外起到限制实际要素的变动范围作用的是公差带，而公差带之间的间距值便是常提到的公差值，前期设计开发时，在确定了公差值以后，其零件的被测实际要素就必须在规定的公差带里面。当需要确定两个或者多个要素的方向、位置关系时，就会涉及到基准，那么当基准确定下来以后，被测要素的公差要求也就基本定下来了。

2 产品互换性的概述

2.1 互换性的定义

产品的互换性是指在同一规格的一批产品零部件中，任意选择其中一个，不需要进行任何挑选或者不需要进行任何修整就可以很顺利地装在机器上，实现规定的目标功能要求[1]。那这样的一批产品零部件就称为具有互换性的零部件。

2.2 互换性的种类

按所决定的参数或者使用要求分为几何参数互换性与功能互换性。其中，几何参数互换性是指需要保证产品的几何尺寸实现互换性;功能互换性是指对于物理、化学以及机械等性能可以实现互换性。

按照零部件互换程度可以分为完全互换与不完全互换。完全互换，也就是绝对互换，是指同种类别的零部件在加工好以后，不需要进行任何挑选、调整或者修整等辅助处理，在功能上便可以实现彼此性能的互相替换，此时就可以称为完全互换。当然完全互换性也包括概率互换性，这种互换性是以一定的置信水平为依据（置信水平为95%、99%等），使同种类别的绝大多数零部件在加工好以后就不需经任何挑选、调整或者修整等操作，在功能上即可实现彼此性能的替换。

2.3 互换性的价值

从大的方面来看，我国整个国民经济行业都是把产品互换性作为一项必须遵守的准则。而在目前的机械制造业中，无论是标准产品的量产行业还是非标准的单产行业，互换性都是十分重要的一项规则，这项规则从产品的设计之初，到后面的加工生产，都是一直要牢牢谨记遵守的。

在日常使用方面，如果零部件具有互换性，那么在出现损耗或者损坏的时候，可以马上用一件新的零部件进行替换，这样不仅可以节约大量的维修时间，也可以提高产品设备工作的连续性。可能日常生活中的汽车内燃机[2]、活塞环、轮胎还有常用的燃气灶的灶台[3]等零部件的互换性只是方便人们的维修工作，那么当水厂、电厂等行业出现故障，由于零部件的互换性节省下来的时间，其价值可就不可估量了。

在生产制造方面，通过互换性的优化，可以对整个产品零部件进行分工，流水线加工，这样可以极大提高生产效率，不仅仅提高了企业的效益，对于推动整个行业的快速发展也有着重大的意义。

在设计方面，通过互換性的考量，可以大大减少设计、绘图的时间，升高设计效率，同时还可以降低产品设计风险性，这对于产品性能的持续优化有着积极的作用。

2.4 互换性的实现与几何公差

在日常生产加工中，考虑到机床设备精度，使用的夹具、刀具磨损，操作者的测量误差以及加工水平的差异还有生产环境等因素的影响，想加工出一批几何参数完全一致的是不可能的。既然已经认识到产品尺寸总是不可避免的存在着误差，那么为了保证互换性的实现，就必须控制这种生产加工误差。因此，就需要在产品设计开发的时候，通过规范产品尺寸的几何公差，也就是说将产品的一些重要尺寸给予一个允许的变动范围，只要最后加工的产品尺寸在此范围内浮动，那么就能够保证互换性[4]。

3 影响几何公差选择的因素

在零部件的产品设计过程中，在对所设计的产品的几何公差进行定义时，要考虑多方面的因素去衡量什么公差才是最合适的。这些因素首先就是要保证产品的工艺品质要求;其次还要可以实现具体的生产加工，不然再完美的设计，如果无法实现最终的加工生产，那也是毫无意义的;最后就是还要保证这个产品可以实现一定的经济效益，这个也是很重要的一个因素，毕竟亏钱的企业是无法实现长久共存的。

在应用到实际生产中，需要在保证实现产品性能的前提下，采用较少的公差项目，最终实现良好的经济效益，这就是产品设计的初衷。

对于几何公差，在进行选择时采用的依据主要为零部件的功能及精度要求;结构要求;公差原则以及基准要素的选择。

3.1 产品的功能及精度要求

对于产品零部件的功能及精度要求，是在定义形位误差时需要充分考虑的，因为这会影响到后期零部件的配合程度、可靠性、装配的互换性等。另外，在前期设计产品的时候，为了能够保障选用的几何公差参数可以顺利实现设计产品的使用性能，还需要提前对产品的各项使用功能进行评估与确认。例如在对轴类零件进行加工的时候，由于车床的主轴对于旋转精度要求较高，那么在定义轴的前后轴径的形位公差的时候，需要对轴的同轴度进行要求，以保证后续的产品加工精度。

3.2 产品的外形结构因素

设计产品的外形结构特征对于定义产品的几何公差具有决定性的作用。例如，对于平面要素的产品，需要考虑的公差要素就是平行度、平面度这类几何公差;对于曲面要素的产品，需要考虑的是线、面轮廓度;对于圆柱状外形的则需要对轴线直线度、圆柱度以及径向圆跳动等进行规范要求。另外，当产品存在孔特征的时候，孔的位置度这个几何公差也是需要进行规范要求的。

3.3 公差原则

在进行机械零部件的设计开发过程中，公差原则的要素是不可忽视的一个因素。所谓公差原则，就是指协调几何公差和尺寸公差之间关系的原则，根据性质的不同可以分为独立原则及相关要求这两个种类。具体情形如下：第一，独立原则是属于几何公差和尺寸公差所要遵循的首要原则。具体就是指几何公差还有尺寸公差需要分别达到其各自应该达到的相关要求，没有联系和影响，彼此之间相互独立，不相冲突。第二，相关要求就是指产品图纸中的尺寸公差和几何公差二者之间在某些方面相关的公差要求，包括包容、最大实体、最小实体要求等[5]。

3.4 基准要素

基准要素的确认对于确定位置公差也是十分重要的。在选择几何公差的基准的时候，需要参考诸多方面的因素，不仅仅是产品的外形结构特点、性能要求、工艺装配要求等，还需要考虑各个基准相统一的原则，包括设计基准、加工基准、测量基准以及装配基准等，在此基础上进行合理选用所需要的基准及公差[6]。

4 机械加工几何公差的确认

几何公差数值确认的方式按照大方向可以分为计算法和类比法。一般情况下应采用类比法进行几何公差数值的确定。在进行类比计算时，有以下几点需要注意：第一，对于有中、高精度需求的零件，其形状公差值占比为尺寸公差值的25%～65%，而位置公差值在尺寸公差值中的占比约为50%。第二，于轴、细长相比较大孔;轴、间距较大的孔;轴或者零件表面的宽度超过长度的一半等的情况，在充分考量加工难度及辅助参数的前提下，在保证可以实现零部件所要求的功能的前提下，可适当降低2个左右的公差等级，而对于目前越来越主流的自动加工工艺，几何公差的偏差确认其实也是适用于这种方法的[7]。

5结语

在实际生产加工过程中，最终的目标就是用最优的成本创造出最大的经济效益。而在日常的生产加工过程中，由于客户不同，他们对于设备、产品的要求也不尽相同，那么就要求在进行零部件设计的时候，从宏观全局层面上对产品的生产进行规划设计，同时还要兼顾到后续产品加工时的零部件互换性。此外，产品的使用要求及性能标准，也使得对其的加工精度也有着较高要求，而本文所研究的几何公差就是提高产品精确度的重要途径之一。通过熟悉产品的各项关键要素，并结合几何公差的合理定义，从而实现产品设计精确度的要求，最终达到保障产品性能质量的目的。

参考文獻

[1]杨磊，王世强.《互换性与技术测量基础》课程的教改与探究[J].科技风，2021（20）：23-24.

[2]陈晓虹，黄佶.企业可持续性机械制造的研究[J].内燃机与配件，2021（16）：185-186.

[3]汪昕.灶具的通用性与适应性研究[D].重庆：重庆大学，2019.

[4]秦振汉，林渊.专用测试设备的互换性实现方法[J].计算机测量与控制，2020，28（5）：33-36.

[5]张文生，唐庆菊.浅谈对公差原则的理解[J].教育教学论坛，2020（16）：329-330.

[6]田立群.自由形状基准特征部件几何尺寸与公差基准系创建规则初探[J].机械工程师，2020（2）：109-110.

[7]Varga Ján，Tóth Teodor，Frankovský Peter，Dulebová Ľudmila，Spišák Emil，Zajačko Ivan，Živčák Jozef. The Influence of Automated Machining Strategy on Geometric Deviations of Machined Surfaces[J].Applied Sciences，2021，11（5）：6-8.

中图分类号：TP391.7 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-6357

作者简介：于洋（1989—），男，本科，助理工程师，研究方向为车辆机械。