互换性

机械学院质量工程与测控系

绪论

本章重点：互换性、标准化与优先数系的概念

目的：掌握零件互换性的基本概念；

了解机械精度设计的原则方法。

重点：零件互换性的基本概念

难点：零件互换性的基本概念

学时数：2学时

要求：掌握互换性概念，有关标准化、优先数、技术测量的术语及定义；

了解机械精度设计的基本理论及方法。

作业：见本章书后习题

互换性概述

任何一台机器的设计，除了运动分析、结构设计、强度、刚度计算外，还要进行精度设计。研究机器的精度时，要处理好机器的使用要求与制造工艺的矛盾。解决的方法是规定合理的公差，并用检测手段保证其贯彻实施。由此可见，“公差”在生产中是非常重要的。

公差是一门专业基础课，要求：

（1）掌握有关公差、测量的基本概念、基本理论、术语、定义；

（2）培养公差设计及精度检测的基本能力；

（3）学会查工具书，如手册、标准等。

一. 互换性概述

1、什么叫互换性

举例：组成现代技术装置和日用机电产品的各种零件，如电灯泡、自行车、手表、缝纫机上的零件、一批规格为M10-6H的螺母与M10-69螺栓的自由旋合。在现代化生产中，一般应遵守互换性原则。

（1）定义：机械和仪器制造中，零、部件的互换性是指在同一规格的一批零件或部件中，任取其一，不需任何挑选或附加修配（如钳工修理）就能装在机器上，达到规定的功能要求，这样的一批零件或部件就称为具有互换性的零、部件。（2）互换性包括：

几何参数（如尺寸）、机械性能（如硬度、强度）和理化性能方面的互换性。几何量误差（尺寸、形状、位置、表面微观形状误差）。

（3）互换性分类：

A、完全互换性

特点：不限定互换范围，以零部件装配或更换时不需要挑选或修配为条件。如日常生活中所用电灯泡。

B、不完全互换性（也称有限互换）

特点：因特殊原因，只允许零件在一定范围内互换。如机器上某部位精度愈高，相配零件精度要求就愈高，加工困难，制造成本高，为此，生产中往往把零件的精度适当降低，以便于制造，然后再根据实测尺寸的大小，将制成的相配零件分成若干组，使每组内的尺寸差别比较小，最后，再把相应的零件进行装配。

2、怎样才能使零件具有互换性

若制成的一批零件实际尺寸数值=理论值。即这些零件完全相同，虽具有互换性，但在生产上不可能，且没有必要。而只要求制成零件的实际参数值变动不大，保证零件充分近似即可。

要使零件具有互换性，就应按“公差”制造。

公差：实际参数允许的最大变动量。

3、互换性在机械制造中有什么作用

（1）在设计方面，有利于最大限度采用标准件、通用件和标准件，大大简化绘图和计算工作，缩短设计周期。便于计算机辅助设计CAD。

（2）在制造方面，有利于组织专业化生产，采用先进工艺和高效率的专用设备，提高生产效率。

（3）在使用、维修方面，可以减少机器的维修时间和费用，保证机器能连续持久的运转。提高了机器的使用寿命。

总之，互换性在提高产品质量和可靠性、提高经济效益等方面均具有重大意义。互换性生产对我国社会主义现代化建设具有十分重要的意义。

应当指出，互换性原则不是在任何情况下都适用。有时，只有采取单个配置才符合经济原则，这时零件虽不能互换，但也存在公差与检测要求。

标准化与优先数系

二.、标准化与优先数系

现代化工业生产的特点是规模大，协作单位多，互换性要求高，为了正确协调各生产部门和准确衔接各生产环节，必须有一种协调手段，使分散的局部的生产部门和生产环节保持必要的技术统一。成为一个有机的整体，以实现互换性生产。（标准制定的必要性）

标准与标准化正是联系这种关系的主要途径和手段，是实现互换性的基础。

1、标准化

A、技术标准：对产品和工程建设质量、规格及检验方面所作的技术规定。

我国的技术标准分四级：国家标准（GB）、部门标准（专业标准，如JB）、地方标准（如DB）\企业标准。

B、公差标准：对零件的公差和相互配合所制订的标准。

2、加工误差和公差

（1）加工误差：加工过程中产生的尺寸、几何形状和相互位置误差。

（2）公差：由设计人员给定的允许零件的最大误差。

3、优先数和优先数系

（1）数值标准化(数值标准化的必要性)

制定公差标准以及设计零件的结构参数时，都需要通过数值表示。任何产品的参数值不仅与自身的技术特性有关，还直接、间接地影响与其配套系列产品的参数值。如：螺母直径数值，影响并决定螺钉直径数值以及丝锥、螺纹塞规、钻头等系列产品的直径数值。

为满足不同的需求，产品必然出现不同的规格，形成系列产品。产品数值的杂乱无章会给组织生产、协作配套、使用维修带来困难。故需对数值进行标准化。（2）优先数系

优先数系是一种十进制的几何级数。我国标准GB/T321-1980与国际标准ISO 推荐系列符号R5、R10、R20、R40、R80系列，前四项为基本系列, R80为补充系列。其公比为：

R5系列 q5≈1.6 R10系列 q10≈1.25

R20系列 q20≈1.12 R40系列 q40≈1.06

R80系列 q80≈1.03

4、几何量的测量

有了先进的公差标准，还必须有相应的技术测量措施。技术测量研究的问题：（1）统一计量单位：用什么单位计量；量值的传递。

（2）研究测试理论：制定计量标准、设计计量器具、培训计量人员。

本课程的任务

三、本课程的任务

本课程是高等学校机械类和仪器仪表类一门重要的技术基础课，是教学计划中联系设计课程与工艺课程的纽带，是从基础课学习过度到专业课学习的桥梁。本课程由几何量公差与几何量检测两部分组成。前一部分的内容主要通过课堂教学和课外作业来完成。后一部分的内容主要通过实验课来完成。

学生在学完本课程后应达到下列要求：

①掌握标准化和互换性的基本概念及有关的基本术语和定义；

②基本掌握本课程中几何量公差标准的主要内容、特点和应用原则；

③初步学会根据机器和零件的功能要求，选用几何量公差与配合；

④能够查用本课程介绍的公差表格，正确标注图样；

⑤熟悉各种典型几何量的检测方法和初步学会使用常用的计量器具。

第一章圆柱公差与配合

目的：从基本几何量的精度项目入手，了解几何量线性尺寸、角度尺寸的基本概念，掌握常用孔、轴国家标准的构成，常用孔、轴公差与配合的选择，大尺寸孔、轴公差与配合及线性尺寸的未注公差。

重点：掌握尺寸精度及配合的选用；孔、轴公差与配合在图样上的标注。难点：尺寸精度及配合的选用；学时数：7学时

重点内容：

1、几何量精度的基本术语及定义；

2、尺寸公差标准；

3、常用孔、轴国家标准的构成---基本偏差系列、标准公差系列；

4、会画尺寸公差带图与配合公差带图；

5、在已知相同字母孔（轴）极限偏差的基础上，能求出与之相配的轴（孔）的极限偏差；

难点：几何参数误差的项目、评定。

基本内容：本章主要论述几何量的基本概念，有关几何量精度的基本术语和定义，几何参数误差，线性尺寸精度，角度尺寸精度。

基本几何量精度（一）

几何量：包括长度、角度、几何形状、相互位置和表面粗糙度等几何参数。

几何量精度：是指这些几何参数的精度。几何量精度设计的主要任务是要使机械产品能够满足几何参数互换性的要求。

有关几何量精度的基本术语和定义：

孔和轴尺寸：尺寸、基本尺寸、实际尺寸、作用尺寸、极限尺寸、实体尺寸、偏差与公差、尺寸公差带图；加工误差与公差的关系；合格性判定原则

第一节概述（略）

第二节公差与配合的基本术语及定义

孔和轴在满足互换性的配合中，孔和轴具有广泛的含义，即：

孔指圆柱形内表面及其它内表面中，由单一尺寸确定的部分，其尺寸由D表示；

轴指圆柱形的外表面及其它外表面中由单一尺寸确定的部分，其尺寸由d表示。

即：孔为包容面，轴为被包容面。如下图所示

有关尺寸的概念

尺寸：用特定单位表示长度值的数字。

基本尺寸：由设计给定的尺寸，一般要求符合标准的尺寸系列。

实际尺寸：通过测量所得的尺寸。包含测量误差，且同一表面不同部位的实际尺寸往往也不相同。用Da、da表示。

极限尺寸：允许尺寸变化的两个界限值。两者中大的称为最大极限尺寸，小的称为最小极限尺寸：孔和轴的最大、最小极限尺寸分别为Dmax、dmax和Dmin、dmin 表示。

作用尺寸：

孔的作用尺寸Dm：在配合的全长上，与实际孔内接的最大理想轴的尺寸；Dm=Da-t 形

轴的作用尺寸dm：在配合的全长上，与实际轴外接的最小理想孔的尺寸。

最大实体尺寸（MMS）：对应于孔或轴的最大材料量（实体大小）的那个极限尺寸，

即：轴的最大极限尺寸dmax；孔的最小极限尺寸Dmin。

最小实体尺寸（LMS）：对应于孔或轴的最小材料量（实体大小）的那个极限尺寸，

即：轴的最小极限尺寸dmin；孔的最大极限尺寸Dmax。

有关偏差与公差的概念

偏差：某一尺寸减去基本尺寸所得的代数差。包括实际偏差和极限偏差。

根据某一尺寸为实际尺寸和极限尺寸，偏差又分为实际偏差和极限偏差。

因为极限尺寸又有最大极限尺寸和最小极限尺寸，所以极限偏差又分上偏差（ES、es）和下偏差（EI、ei）1）对于孔：ES=Dmax-D 对于轴： es=dmax-d EI=Dmin-D ei=dmin-d

公差：允许尺寸的变动量。等于最大极限尺寸与最小极限尺寸之代数差的绝对值。孔、轴的公差分别用Th和Ts表示。

Th=︱Dmax-Dmin︱=︱ES-EI︱ Ts=︱dmax-dmin︱=︱es-ei︱

公差与极限偏差的比较

两者区别：

从数值上看：极限偏差是代数值，正、负或零值是有意义的；而公差是允许尺寸

的变动范围，是没有正负号的绝对值，也不能为零

（零值意味着加工误差不存在，是不可能的）。实际计算时由于最大极限尺寸大于最小极限尺寸，故可省略绝对值符号。

从作用上看：极限偏差用于控制实际偏差，是判断完工零件是否合格的根据，而公差则控制一批零件实际尺寸的差异程度。

从工艺上看：对某一具体零件，对于同一尺寸段内的尺寸（尺寸分段后）公差大小反映加工的难易程度，即加工精度的高低，它是制定加工工艺的主要依据，而极限偏差则是调整机床决定切削工具与工件相对位置的依据。

两者联系：公差是上、下偏差之代数差的绝对值，所以确定了两极限偏差也就确定了公差。尺寸公差带图。由于公差与偏差的数值相差较大，不便用同一比例表示，故采用公差带图。

零线：表示基本尺寸的一条直线，以其为基准确定偏差和公差，零线以上为正，以下为负。

尺寸公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域。公差带有两个基本参数，即公差带大小与位置。大小由标准公差确定，位置由基本偏差确定。基本偏差：标准表中所列的，用以确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差。一般为靠近零线的那个极限偏差。

标准公差：标准中表列的，用以确定公差带大小的任一公差。