机械零件形位精度设计的研究

机械零件形位精度设计的研究
【摘要】正确合理地进行形位精度设计，对保证机器的功能要求、提高经济效益十分重要。

本文文详细阐述了形位精度设计即形位公差项目，形位公差值，基准要素的选用考虑的因素与方法。

【关键词】形位公差项目；形位公差值；基准要素
零件的形位误差对机器、仪器的正常使用有很大的影响，同时也会直接影响到产品质量、生产效率与制造成本。

因此正确合理地形位精度设计，对保证机器的功能要求、提高经济效益十分重要。

形位精度设计的主要内容包括：选择形位公差项目，确定形位公差值，基准要素的选用，按标准规定进行图样标注。

1 形位公差项目的选用
选择形位公差项目可根据以下几个方面：
1.1 零件的几何特征
零件加工误差出现的形式与零件的几何特征有密切联系。

如圆柱形零件会出现圆柱度误差，平面零件会出现平面度误差，凸轮类零件会出现轮廓度误差，阶梯轴、孔会出现同轴度误差，键槽会出现对称度误差等。

1.2 零件的功能要求
形位误差对零件的功能有不同的影响，一般只对零件功能有显著影响才规定合理的形位公差。

1.2.1 保证零件的工作精度
例如，机床导轨的直线度误差会影响导轨的导向精度，使刀架在滑板的带动下作不规则的直线运动，应该对机床导轨规定直线度公差；滚动轴承内、外圈及滚动体的形状误差，会影响轴承的回转精度，应对其给出圆度或圆柱度公差；在齿轮箱体中，安装齿轮副的两孔轴线如果不平行，会影响齿轮副的接触精度和齿侧间隙的均匀性，降低承载能力，应对其规定轴线的平行度公差；机床工作台面和夹具定位面都是定位基准面，应规定平面度公差等。

1.2.2 保证联结强度和密封性
例如，气缸盖与缸体之间要求有较好的联结强度和很好的密封性，应对这两个相互贴合的平面给出平面度公差；在孔、轴过盈配合中，圆柱面的形状误差会
影响整个结合面上的过盈量，降低联结强度，应规定圆度或圆柱度公差等。

1.2.3 减少磨损，延长零件的使用寿命
例如，在有相对运动的孔、轴间隙配合中，内、外圆柱面的形状误差会影响两者的接触面积，造成零件早期磨损失效，降低零件使用寿命，应对圆柱面规定圆度、圆柱度公差；对滑块等作相对运动的平面，则应给出平面度公差要求等。

1.3 形位公差的控制功能
各项形位公差的控制功能各不相同，有单一控制项目，如直线度、圆度、线轮廓度等；也有综合控制项目，如圆柱度、同轴度、位置度及跳动等，选择时应充分考虑它们之间的关系。

例如，圆柱度公差可以控制该要素的圆度误差；定向公差可以控制与之有关的形状误差；定位公差可以控制与之有关的定向误差和形状误差；跳动公差可以控制与之有关的定位、定向和形状误差等。

因此，应该尽量减少图样的形位公差项目，充分发挥综合控制项目的功能。

1.4 检测的方便性
检测方法是否简便，将直接影响零件的生产效率和成本，所以，在满足功能要求的前提下，尽量选择检测方便的形位公差项目。

例如，齿轮箱中某传动轴的两支承轴径，根据几何特征和使用要求应当规定圆柱度公差和同轴度公差，但为了测量方便，可规定径向圆跳动（或全跳动）公差代替同轴度公差。

应当注意：径向圆跳动是同轴度误差与圆柱面形状误差的综合结果，给出的跳动公差值应略大于同轴度公差，否则会要求过严。

由于端面全跳动与垂直度的公差带完全相同，当被测表面面积较大时，可用端面全跳动代替垂直度公差，或用径向全跳动代替圆柱度等。

1.5 确定形位公差项目还应参照有关专业标准的规定
例如，与滚动轴承相配合孔、轴的形位公差项目，在滚动轴承标准中已有规定；单键、花键、齿轮等标准对有关形位公差也都有相应要求和规定。

2 形位公差值的选用
形位公差值是控制零件制造精度的直接指标。

确定的公差值过小，会提高制造成本；确定的公差值过大，虽能降低制造成本，但保证不了零件的功能要求，影响产品质量。

因此，应合理确定形位公差值，以保证产品功能，提高产品质量，降低制造成本。

形位公差值的确定方法有类比法和计算法，通常采用类比法。

按类比法确定形位公差值时，应考虑以下几个方面：
2.1 一般情况下t形状<t位置<T尺寸
如某平面的平面度公差值应小于该平面对基准的平行度公差值；而其平行度公差值应小于该平面与基准间的尺寸公差值。

对同一基准或基准体系，跳动公差具有综合控制的性质，因此回转表面及其素线的形状公差值和定向、定位公差值均应小于相应的跳动公差值。

同时，同一要素的圆跳动公差值应小于全跳动公差值。

综合性的公差应大于单项公差。

如圆柱表面的圆柱度公差可大于或等于圆度、素线和轴线的直线度公差；平面的平面度公差应大于或等于平面的直线度公差；径向全跳动应大于径向圆跳动、圆度、圆柱度、素线和轴线的直线度，以及相应的同轴度公差。

2.2 在满足功能要求的前提下，考虑加工的难易程度、测量条件等，应适当降低1～2级
2.2.1 孔相对轴
2.2.2 长径比（L/d）较大的孔或轴
2.2.3 宽度较大（一般大于1/2长度）的零件表面
2.2.4 对结构复杂、刚性较差或不易加工和测量的零件，如细长轴、薄壁件等
2.2.5 对工艺性不好，如距离较大的分离孔或轴
2.3 确定与标准件相配合的零件形位公差值时，不但要考虑形位公差国家标准的规定，还应遵守相关标准件国家标准的规定
3 基准要素的选用
基准选择的主要任务，就是要根据零件的功能要求和零件上各部位要素间的几何关系，正确选择基准部位，确定所需基准的数量，并依据零件的使用、装配要求选定最优的基准顺序。

3.1 根据零件的功能要求和要素间的几何关系，零件的结构特征选择基准，如旋转的轴类零件，通常选择与轴承配合的轴颈为基准
3.2 根据装配关系，选择相互配合、相互接触的表面作为各自的基准，以保证装配要求，如箱体类零件的安装面，盘类零件的端面等
3.3 从加工、检测角度考虑，应选择在夹具中定位的相应要素为基准，以使
工艺基准、测量基准、设计基准统一，消除基准不重合误差
总之，基准选择时应遵守基准统一原则，使设计、工艺、装配和检验基准一致。

由于零件多种多样，功能各不相同，设计者只有对零件功能要求、加工工艺、生产条件和检测手段非常熟悉的情况下，才能对零件给出更合理、更恰当的形位精度要求。

【参考文献】
[1]吕天玉.公差配合与技术测量[M].大连理工大学出版社，2001.
[2]方昆凡.公差与配合实用手册[M].机械工业出版社，2006.。