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1、研讨园地机械设计中极限与配合 、 形位公差及公差原则的确定 桂林机床股份有限公司 苏远彬 李素平设计机械产品时, 合理选用极限与配合、 形位 公差 , 并确定公差原则是必不可少的重要环节 。“极限 ” 是用于协调机械零件使用要求与制造经济性之间的矛盾 ;“配合” 则是反映零件组合时相互之间的关系 ;“形位公差” 则是影响零件实际尺寸的另一因素。因此,“极限与配合” 以及 “形位公差 ” 决定了机器零部件相互配合的条件和状况, 对产品的 精度性能和使用寿命有直接的影响, 也是评定产品质量和产品制造经济性 、 互换性的重要技术指标。在机械设计过程中 , 选用极限与配合、 形位公差及公差原则的原则是
2、 : 尽力使所设计产品的使用价值与制造成本取得最好的综合经济效果。具体做法是 : 首先, 根据机械零件的使用和装配情况确定 极限与配合, 再根据极限与配合情况选择形位公差及公差原则;然后 , 再反过来验证极限与配合是否合理 , 并以此为依据调整极限与配合 , 使设计的产品能完全满足使用装配要求 , 并具有良好的工艺性, 以达到最佳的综合经济效果 。1 选定极限与配合( 1)配合基准制的选择 设计人员可以通过标准规定的基孔制或基轴制来实现各种配合。这两种基准制在工业实践中都得到了应用 , 但应用程度却不相同 。对基准制的选择, 主要是从经济观点考虑, 同时兼顾到功能 、 结构、 工艺条件和其他方
3、面的要求。一般优先选用基孔制 。因为从工艺上看 , 加工中等尺寸的孔通常要用价格昂贵的扩孔钻 、 铰刀、 拉刀等定值( 不可 调)刀具 , 而加工轴则可用一把车刀或砂轮加工不同尺寸。因此, 采用基孔制可以减少备用定值刀 、量具的品种规格和数量 , 降低生产成本 , 提高加工的经济性 。但在有些情况下, 选用基轴制会更好些。基轴制一般用于下述情况: a )由冷拉棒材制造的零件 , 其配合表面不经切削加工的情况; b )同一根轴上 ( 基本尺寸相同 )与几个零件孔配合, 且有不同配合性质的情况;c )采用按基轴制生产的标准零部件 , 如滚动轴承外圈与机座孔的结合, 轴或轴套的键和槽的结合等情况 。
4、( 2)配合尺寸公差等级的选择 选择尺寸公差等级的实质就是要具体解决机械零件使用要求与制造工艺及成本之间的矛盾。选择公差等级的原则, 是在满足零件使用要求的前提下 , 尽可能选用较低的公差等级 。精度要求应与生产的可能性协调一致 。公差等级的选择依据是不同用途对产品所提出 的精度要求和保证使用要求的配合特性 。无论是过盈配合还是间隙配合, 配合公差等于根据配合要求所确定的过盈量或间隙量的变动范围。配合公差 Tf 一经确定 , 则孔公差 Th与轴公差 Ts只要满足 Tf= Th+ Ts的要求即可 。孔公差和轴公差的分配则可按 工艺等价原则考虑 。对500m m 的基本尺寸 , 当公差等级在 I
5、T 8以上时 , 推荐轴比孔高一级。对 500m m的基本尺 寸, 一般采用同级孔、 轴配合 。下面是配合尺寸公差等级一般的应用情况 , 可供选择时参考 。1)公差等级 I T 5:使用得比较少 , 用于间隙或过盈的一致性要求比较高的特别精密的配合。2)公差等级 I T 6和 I T 7:用于机构的重要配合。在这种联结中 , 为了保证零件的机械强度、 精 确位移、 平稳运行 、 联结的密封和其他性能, 以及保证零件装配的需要, 在间隙或过盈方面对配合提出了高要求。3)公差等级 I T 8和 I T 9: 用于间隙或过盈的一致性要求较低, 但能保证零件完成一定使用功能( 传力、 位移等 )的配合
6、 , 也用于保证中等装配精 度的配合 。31研讨园地4)公差等级 I T 10: 用于与 I T 9情况相同的间 隙配合, 若为了降低零件加工成本就须扩大公差 ,而且装配或使用条件又允许结合间隙的波动范围略微加大。 5)公差等级 I T 11和 I T 12: 用于需要大间隙且允许间隙有很大波动 ( 粗装配)的结合中。由上可见, 孔 、 轴配合尺寸的公差等级或公差, 影响间隙或过盈的变动 , 即影响配合的一致性 与稳定性 。所以应根据配合所要求的特性和重要程度选择孔 、 轴的公差等级。( 3)配合的选择方法 a )类比法, 参照同类机器已有的配合经验资料确定配合;b )计算法 , 根据零件的材
7、料、 结构和功能要 求, 按一定的理论公式的计算结果选择配合;c )试验法 , 通过模拟试验和分析选择最佳配合 。表 1为基孔制配合中的应用及特性说明, 另附 基孔制、 基轴制的优先配合选用 , 可供按类比法选择配合时参考 。表 1配 合( 基孔制)基 本偏 差配 合 特 性 及 应 用优 先 配 合基 孔 制基 轴 制间隙配合a b 可得到特别大的间隙, 应用很少c 可得到很大的间隙, 一般适用于缓慢、 松弛的动配合H11/c 11C 11/h 11d 配合一般用于 I T 7 I T 11级, 适用于松的转动配合H9/d 9D9/h 9e多用于 I T 7 I T 11级, 适用于要求有明
8、显间隙, 易于转动的支承等配合f 多用于 I T 6 I T 8级的一般转动配合H8/f 7F 8/h 7g配合间隙很小, 制造成本高, 除很轻负荷的精密装置外, 不推荐用于转动配合, 多用于 I T 5 I T 7级, 最适合不回转的精密滑动配合, 也用于插销等定位配合H7/g 6G7/h 6h多用于 I T 4 I T 11级, 广泛用于无相对转动的零件, 作为一般的定位配合H7/h 6、 H8/h 7 H9/h 8、 H11/h 11H7/h 6、 H8/h 7 H9/h 8、 H11/h 11过渡配合j s为完全对称偏差 (I T /2) , 平均起来为稍有间隙的配合, 多用于 I T
9、 4 I T 7级 , 要求间隙比 h 轴小, 并允许略有过盈的定位配合k平均起来没有间隙的配合, 适用于 I T 4 I T 7级, 推荐用于稍有过盈的定位配合H7/k 6K7/h 6m平均起来具有不大过盈的过渡配合。 适用于 I T 4 I T 7级, 一般可用木锤装配, 但在最大过盈时, 要求相当的压入力n平均过盈比 m轴稍大, 很少得到间隙,使用于 I T 4 I T 7级,用锤或压力机装配 , 通常推荐用于紧密的组件配合H7/n 6N7/h 6过盈配合p 与 H6或 H7配合时是过盈配合, 与 H8孔配合时则为过渡配合H7/p 6P 7/h 6r对铁类零件为中等打入配合, 对非铁类零
10、件为轻打入的配合,当需要时可以拆卸与 H8孔配合s用于钢和铁制零件的永久性和半永久装配, 可产生相当大的结合力H7/s 6S 7/h 6t u、 v xy z 过盈量依次增大 , 一般不推荐H7/u 6U7/h 632研讨园地2 形位公差及公差原则的选择 对于机械加工来讲 , 加工误差和测量误差都是不可避免的。加工产生的几何误差、 形位误差和表面粗糙度误差等, 这些误差对于零件的配合或装配 均有影响 。由于存在测量误差 , 实际尺寸并非尺寸的真值, 形状误差是影响实际尺寸的因素, 由于存在形状误差 , 工件上各处的实际尺寸往往是不同的。当实际尺寸一定时 , 形状误差会改变零件的体 外和体内作用
11、尺寸而影响零件的工作性能。( 1)形位公差与公差原则之间相互作用及对极 限配合的影响工件的实际尺寸与形位误差形成的综合边界的尺寸称为作用尺寸 。作用尺寸分为体外作用尺寸和 体内作用尺寸两种 。体外作用尺寸是指在被测要素的给定长度上 , 与实际内表面体外相接的最大理想面或与实际外表面体外相接的最小理想面的直径或宽度 。如图 1所示 。图 1对于给定的零件来讲, 其所允许的极限作用尺寸 ( 孔所允许的最小体外作用尺寸或最大体内作用 尺寸 , 轴所允许的最大体外作用尺寸或最小体内作用尺寸)取决于其极限尺寸 、 给定的形位公差值和应用的公差原则。 公差原则是处理尺寸公差和形位公差之间关系的规定。公差原
12、则包括独立原则和相关要求, 相关要求又分为包容要求、 最大实体要求和最小实体要求, 以及可逆要求 。当采用独立原则时 , 尺寸公差 与形位公差之间没有关系, 而采用相关要求时 , 尺寸公差与形位公差之间存在着相应的补偿关系。图 2 图 5所示工件 , 孔均为 60h 7, 但应用 的公差原则不同。 图 2所示零件应用独立原则 ,图 3 图 5是相关要求的例子 。限制作用尺寸是用控制其不得超越其理想边界的方法来实现的, 极限作用尺寸就是其理想边界的 宽度或直径。工件应用包容要求和最大实体要求时, 其轮廓分别遵守相应的理想边界, 其延续的极限体外作用 尺寸与其所要遵守的理想边界尺寸一致 。应用最大
13、实体要求时, 被测要素的轮廓要素遵守最大实体实效边界, 因此最大实体实效尺寸即是其所允许的极限体外作用尺寸。工件应用最小实体要求时, 被测 要素的轮廓遵守最小实体实效边界, 则最小实体实效尺寸就是其允许的极限体内作用尺寸。图 2应用独立原则 , 其动态公差带分布如图 6 所示 。尺寸公差与形状公差无关 , 虽然实际上合格工件的作用尺寸不会超越其允许的极限体外作用尺寸, 但在检验时, 对体外作用尺寸并不限制, 而是 分别检验实际尺寸和形状误差 , 其分别由其检验尺寸和形位公差控制 。而应用最大实体要求时则既要求实际尺寸在极限尺寸范围内 , 又要求体外作用尺寸不得超越允许的极限体外作用尺寸, 即要
14、求其轮 廓不得超越最大实体实效边界。图 2 图 4所示工件 , 从尺寸角度上看 , 孔、轴的配合均为最小间隙为零的间隙配合 , 但由于应 用的公差原则不同 , 对理想边界的要求不同, 在形状误差的影响下, 配合性质发生了变化。图 3所示工件要求遵守包容要求, 要求工件轮廓不得超越其最大实体边界, 并要求其实际尺寸不 得超越其最大实体边界 , 并要求其实际尺寸不得超越其最小实体尺寸。其动态公差带分布如图 7所示, 阴影区域为尺寸公差与形状公差共同拥有的公 差带 ( 下同) 。尺寸公差与形状公差有补偿的关系 , 当实际尺寸偏离其最大实体尺寸 , 即当孔的尺寸大于 60m m或轴的尺寸小于 60m
15、m时 , 形状公差可以得到相 应的补偿 , 但要求其体外作用尺寸不得超越其最大33研讨园地实体边界 , 即孔的体外作用尺寸不得小于 60m m , 轴的体外作用尺寸不得大于 60m m , 因此孔 、 轴结合时不会产生过盈 , 保证了其最小间隙为零的间隙配合性质 。 应用最大实体要求的工件 , 其尺寸公差与被测要素的形位公差存在补偿的关系, 而其形位公差是在其轮廓要素处于最大实体状态时给出的, 因此被测要素的轮廓要素遵守最大实体实效边界。图 4所 示工件的动态公差带分布如图 8所示 , 孔的最大实体尺寸为 59. 99m m , 轴的最大实体实效尺寸为60. 01m m 。由于存在形状误差,
16、孔 、 轴的体外作用尺寸可以超越其最大实体实效尺寸, 这样, 配合 时就可能产生过盈 。图 5工件采用了最小实体要求, 其动态公差带分布如图 9所示, 最小实体要求的形位公差是在被 测要素的轮廓要素处于最小实体状态时给出的 , 其轮廓要素的形位公差值可得到相应的补偿。如图 9可看出它与其他相关要求的区别, 包容要求和最大实体要求的理想边界都是相对于最大实体状态确定 的, 且都是与配合有关的; 而最小实体要求的理想边界是相对于最小实体状态确定的 , 而且是体内边界, 和配合无关 , 所以不涉及对配合性质的影响 。34研讨园地( 2)延伸公差带的应用 在机械产品设计中常常出现设计选取的形位公差与实际装配之间存在差异 , 导致实际误差大于设计误差, 例如延伸公差带就是一个典型的例子 , 据 G B /T 177731999 形状和位置公差 延伸公差带及其表示法 的规定 , 延伸公差带在形状和位置公差标注法中是作为一种辅助的标注方法, 它必须与形状和位置公差联合使用 。 延伸公差带的功能长度是指能满足装配功能
