第9章公差配合与测量基本知识

第9章公差配合与测量基本知识9.1互换性与公差的概念9.1.1互换性及其意义1.互换性的含义互换性是广泛用于机械制造,军品生产,机电一体化产品的设计和制造过程中的重要原则,并且能取得巨大的经济和社会效益.在机械制造业中,零件的互换性是指在同一规格的一批零,部件中,可以不经选择,修配或调整,任取一件都能装配在机器上,并能达到规定的使用性能要求.零部件具有的这种性能称为互换性.能够保证产品具有互换性的生产,称为遵守互换性原则的生产.汽车,摩托车,拖拉机行业就是运用互换性原理,形成规模经济,取得最佳技术经济效益的.2.互换性的分类互换性按其互换程度可分为完全互换与不完全互换.(1)完全互换性完全互换是指一批零,部件装配前不经选择,装配时也不需修配和调整,装配后即可满足预定的使用要求.如螺栓,圆柱销等标准件的装配大都属此类情况.(2)不完全互换性当装配精度要求很高时,若采用完全互换将使零件的尺寸公差很小,加工困难,成本很高,甚至无法加工,则可采用不完全互换法进行生产.将其制造公差适当放大,以便于加工.在完工后,再用量仪将零件按实际尺寸大小分组,按组进行装配.如此,既保证装配精度与使用要求,又降低成本.此时,仅是组内零件可以互换,组与组之间不可互换,因此,叫分组互换法.在装配时允许用补充机械加工或钳工修刮办法来获得所需的精度,称为修配法.用移动或更换某些零件以改变其位置和尺寸的办法来达到所需的精度,称为调整法.不完全互换只限于部件或机构在制造厂内装配时使用.对厂外协作,则往往要求完全互换.究竟采用哪种方式为宜,要由产品精度,产品复杂程度,生产规模,设备条件及技术水平等一系列因素决定.一般大量生产和成批生产,如汽车,拖拉机厂大都采用完全互换法生产.精度要求很高,如轴承工业,常采用分组装配,即不完全互换法生产.而小批和单件生产,如矿山,冶金等重型机器业,则常采用修配法或调整法生产.3.互换性的技术经济意义互换性原则被广泛采用,因为它不仅仅对生产过程发生影响,而且还涉及产品的设计,使用,维修等各个方面.在设计方面:由于采用具有互换性的标准件,通用件,可使设计工作简化,缩短设计周期,并便于用计算机辅助设计.在制造方面:当零件具有互换性,可以采用分散加工,集中装配.这样有利于组织专业化协作生产,有利于使用现代化的工艺装备,有利于组织流水线和自动线等先进的生产方式.装配时,不需辅助加工和修配,既减轻工人的劳动强度,又缩短装配周期,还可使装配工作按流水作业方式进行.从而保证产品质量,提高劳动生产率和经济效益.在使用,维修方面:互换性也有其重要意义.当机器的零件突然损坏或按计划定期更换时,便可在最短时间内用备件加以替换,从而提高了机器的利用率和延长机器的使用寿命.在某些方面:例如,战场上使用的武器,保证零(部)件的互换性是绝对必要的.在这些场合,互换性所起的作用很难用价值来衡量.综上所述,在机械工业中,遵循互换性原则,对产品的设计,制造和使用和维修具有重要的技术经济意义.互换性不仅在大量生产中广为采用,而且随着现代生产,逐步向多品种,小批量的综合生产系统方向转变,互换性也为小批生产,甚至单件生产所要求.但是应当指出,互换性原则不是在任何情况下都适用,有时零件只能采用单配才能制成或才符合经济原则,例如,模具常用修配法制造.然而,即使在这种情况下,不可避免地还要采用具有互换性的刀具,量具等工艺装备.因此,互换性仍是必须遵循的基本的技术经济原则.9.1.2公差与加工误差1.机械加工误差加工精度是指机械加工后,零件几何参数(尺寸,几何要素的形状和相互位置,轮廓的微观不平程度等)的实际值与设计理想值相符合的程度.加工误差是指实际几何参数对其设计理想值的偏离程度,加工误差越小,加工精度越高.机械加工误差主要有以下几类:(1)尺寸误差零件加工后的实际尺寸对理想尺寸的偏离程度.理想尺寸是指图样上标注的最大,最小两极限尺寸的平均值,即尺寸公差带的中心值.(2)形状误差指加工后零件的实际表面形状对于其理想形状的差异(或偏离程度),如圆度,直线度等.(3)位置误差指加工后零件的表面,轴线或对称平面之间的相互位置对于其理想位置的差异(或偏离程度),如同轴度,位置度等.(4)表面微观不平度加工后的零件表面上由较小间距和峰谷所组成的微观几何形状误差.零件表面微观不平度用表面粗糙度的评定参数值表示.加工误差是由工艺系统的诸多误差因素所产生的.如加工方法的原理误差,工件装卡定位误差,夹具,刀具的制造误差与磨损,机床的制造,安装误差与磨损,机床,刀具的误差,切削过程中的受力,受热变形和摩擦振动,还有毛坯的几何误差及加工中的测量误差等.2.几何量公差图9-1典型零件图为了控制加工误差,满足零件功能要求,设计者通过零件图样,提出相应的加工精度求,这些要求是用几何量公差的标注形式给出的.几何量公差就是实际几何参数值允许的变动范围.相对于各类加工误差,几何量公差分为尺寸公差,形状公差,位置公差和表面粗糙度指标允许值及典型零件特殊几何参数的公差等.从图9-1可以看出各类不同几何量公差的标注方法及数值.9.1.3优先数和优先数系在产品设计或生产中,为了满足不同要求,同一品种的某一参数,从大到小取不同值时(形成不同规格的产品系列),应该采用的一种科学的数值分级制度,或称谓人们由此总结了一种科学的统一的数值标准,即为优先数和优先数系.如机床主轴转速的分级间距,钻头直径尺寸的分类均符合某一优先数系.优先数系中的任一个数值均称为优先数.优先数系是国际上统一的数值分级制度,是一种无量纲的分级数系,适用于各种量值的分级.在确定产品的参数或参数系列时,应最大限度地采用优先数和优先数系.产品(或零件)的主要参数(或主要尺寸)按优先数形成系列,可使产品(或零件)走上系列化,便于分析参数间的关系,可减轻设计计算的工作量.优先数的主要优点是:相邻两项的相对差均匀,疏密适中,运算方便,简单易记.在同系列中,优先数的积,商,整数乘方仍为优先数.因此,优先数系得到广泛应用.优先数系是在几何级数基础上形成的,但其公比值仍可以是各种各样的,如何确定公比值呢由生产实践可知十进制和二进制的几何级数最能满足工程要求.所谓十进制就是1,10,100,…,,1,0.1,0.01,…,1/组成的级数,其中,n为正整数.1～10,10～100,…和1～0.1,0.1～0.01,…称为十进段.十进段级数的规律就是每经m项就使数值增大10倍,设a为首项值,公比为q,则aq=10a,故q==.二进制级数具有倍增性质,如1,2,4,…,在工程中同样应用十分广泛,如电动机转速为375,750,1500,3000r/min即按二进制的规律而变化.如何把二进制和十进制相结合呢可设在十进制几何级数中每经x项构成倍数系列,则==2,上式取对数后得x/m=1g2=0.30103≈0.3=3/10,由此得到优先数列的x和m值的组合(x与m为正整数时即能同时满足十进制和二进制).m/x=3/10,20/6,30/9,40/12,50/15,60/18,70/21,80/24,….以m/x=3/10为例:当首项为1时,公比=≈1.25,即构成1.00,1.25,1.60,2.00,2.50,3.15,4.00,5.00,6.30,8.00,10.00等一系列数值,该系列每经3项构成倍数系列,每经10项构成十倍系列.我国标准GB321—80与国际标准ISO推荐的m值是5,10,20,40,80.除5外其它四种都含有倍数系列,5是为了满足分级更稀的需要而推荐的.5,10,20,40作为基本系列,80作为补充系列.系列用国际通用符号R表示:R5系列公比为=≈1.6R10系列公比为=≈1.25R20系列公比为=≈1.12R40系列公比为=≈1.06R80系列公比为=≈1.03范围为1～10的优先数系列见表1-1.表9-1优先数基本系列思考与习题9-1完全互换与不完全互换的区别是什么各应用于何种场合9-2什么是优先数和优先数系主要优点是什么R5,R40系列各表示什么意义9-3加工误差,公差,互换性三者的关系是什么9.2圆柱形表面的极限与配合基础9.2.1概述圆柱体的结合(配合),是孔,轴最基本和普遍的形式.为了经济地满足使用要求,保证互换性,应对尺寸公差与配合进行标准化.尺寸公差与配合的标准化是一项综合性的技术基础工作,是推行科学管理,推动企业技术进步和提高企业管理水平的重要手段.它不仅可防止产品尺寸设计中的混乱,有利于工艺过程的经济性,产品的使用和维修,还利于刀具,量具的标准化.机械基础国家标准已成为机械工程中应用最广,涉及面最大的主要基础标准.随着我国科技的进步,为了满足国际技术交流和贸易的需要,已逐步与国际标准(1SO)接轨.国家技术监督局不断发布实施新标准,同时代替旧标准.我国目前已初步建立并形成了与国际标准相适应的基础公差体系,可以基本满足经济发展和对外交流的需要.9.2.2极限与配合的基本术语和定义(GB/T1800)1.孔和轴(1)孔通常,指工件的圆柱形内表面,也包括非圆柱形内表面(由两平行平面或切面形成的包容面).(2)轴通常,指工件的圆柱形外表面,也包括非圆柱形外表面(由二平行平面或切面形成的被包容面).从装配关系讲,孔为包容面,在它之内无材料,且越加工越大;轴为被包容面,在它之外无材料,且越加工越小.由此可见,孔,轴具有广泛的含义.不仅表示通常理解的概念,即圆柱形的内,外表面,而且也包括由二平行平面或切面形成的包容面和被包容面.图9-2所示的各表面,如D,D,D和D各尺寸确定的各组平行平面或切面所形成的包容面都称为孔;如d,d,d和d各尺寸确定的圆柱形外表面和各组平行平面或切平面所形成的被包容面都称为轴.因而孔,轴分别具有包容和被包容的功能.如果二平行平面或切平面既不能形成包容面,也不能形成被包容面,则它们既不是孔,也不是轴,如图9-2中由L,L和L各尺寸确定的各组平行平面或切面.2尺寸(1)尺寸用特定单位表示长度值的数字.在机械制造中一般常用毫米(mm)作为特定单位.(2)基本尺寸(D,d)设计时给定的尺寸(图9-3).它的数值一般应按标准长度,标准直径的数值进行圆整.基本尺寸标准化可减少刀具,量具,夹具的规格数量.(3)实际尺寸通过测量所得的尺寸.但由于测量存在误差,所以实际尺寸并非真值.同时由于工件存在形状误差,所以同一个表面不同部位的实际尺寸也不相等.图9-3公差与配合示意图(4)极限尺寸允许尺寸变化的两个界限值.它们是以基本尺寸为基数来确定的.界限值较大者称为最大极限尺寸(D,d),界限值较小者称为最小极限尺寸(D,d).3尺寸偏差与公差(1)尺寸偏差(简称偏差)某一尺寸减其基本尺寸所得的代数差.实际尺寸减其基本尺寸所得的代数差称为实际偏差;最大极限尺寸减其基本尺寸所得的代数差称为上偏差;最小极限尺寸减其基本尺寸所得的代数差称为下偏差;上偏差与下偏差统称为极限偏差.偏差可以为正,负或零值.孔上偏差ES=D-D,孔下偏差EI=D—D轴上偏差es=d-d,轴下偏差ei=d—d(2)尺寸公差(简称公差)允许尺寸的变动量.公差数值等于最大极限尺寸与最小极限尺寸代数差的绝对值,也等于上偏差与下偏差之代数差的绝对值.公差取绝对值不存在正,负公差,也不允许为零.孔公差=∣D-D∣=∣ES-EI∣轴公差=∣d-d∣=∣es-ei∣4.零线与公差带(1)零线它是在公差配合图解(简称公差带图)中,确定偏差的一条基准直线,即零偏差线.通常以零线表示基本尺寸,偏差由此零线算起,零线以上为正偏差,零线以下为负偏差(图9-4).(2)尺寸公差带(简称公差带)它是由代表上下偏差的二条直线所限定的一个区域.5配合配合:基本尺寸相同相互结合的孔和轴公差带之间的关系.间隙或过盈:孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸所得的代数差.此差值为正时得间隙,此差值为负时得过盈.配合可分为间隙配合,过盈配合和过渡配合三种.(1)间隙配合孔的公差带在轴的公差带之上,具有间隙的配合(包括最小间隙为零的配合),如图9-5所示.由于孔和轴都有公差,所以实际间隙的大小随着孔和轴的实际尺寸而变化.