淺談機(jī)械精度設(shè)計(jì)

鐘少武

摘要：機(jī)械精度設(shè)計(jì)，又稱公差設(shè)計(jì)，其任務(wù)就是確定各零件幾何要素的公差，并分析尺寸公差與形狀位置公差的關(guān)系；形狀、位置公差等級(jí)及其值的確定；形狀、位置誤差對(duì)零件精度影響。

在加工零部件的過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生不同程度的尺寸偏差、表面形狀偏差、位置偏差以及微觀不平度，這些偏差過(guò)大，將影響零件間的配合性質(zhì)，降低工件質(zhì)量，并且不利于零件的互換與維修。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，除了進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和剛度計(jì)算外，還必須進(jìn)行精度設(shè)計(jì)一一合理地選擇公差。所謂精度設(shè)計(jì)，即公差設(shè)計(jì)，就是按照機(jī)械使用性能的要求，兼顧制造成本的限制，合理地確定零部件的公差，并用監(jiān)測(cè)手段保證其貫徹執(zhí)行。

機(jī)械精度設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容（領(lǐng)域）之一。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技水平的提高，機(jī)器被賦予越來(lái)越高的功能要求、可靠性要求、經(jīng)濟(jì)性要求、環(huán)境要求及壽命要求。因此，人們意識(shí)到了一個(gè)超越于機(jī)械原理與設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理與控制學(xué)、材料學(xué)、制造工藝學(xué)等許多學(xué)科之外，并以信息技術(shù)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)的新的分支，這就是機(jī)械精度設(shè)計(jì)。

1.機(jī)械精度設(shè)計(jì)的內(nèi)容

機(jī)械精度設(shè)計(jì)是以實(shí)際參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的變動(dòng)以及實(shí)際參數(shù)自身的變動(dòng)對(duì)機(jī)器功能和機(jī)器制造使用成本的影響為研究對(duì)象，以保證機(jī)器預(yù)定功能的實(shí)現(xiàn)、保持機(jī)器預(yù)定功能的穩(wěn)定性，并獲得最大綜合效益為目的工作過(guò)程。

機(jī)械設(shè)計(jì)最終是以機(jī)器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為其表達(dá)形式，而機(jī)器結(jié)構(gòu)必然會(huì)體現(xiàn)一定的功能，這些功能必須與機(jī)器的預(yù)定功能、壽命及預(yù)定成本相一致。機(jī)器結(jié)構(gòu)的功能基本上可以分為運(yùn)動(dòng)功能和動(dòng)力功能兩個(gè)方面，適應(yīng)與這兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)稱為運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和動(dòng)力設(shè)計(jì)。反過(guò)來(lái)，這些功能又要通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確程度在很大程度上決定了運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的準(zhǔn)確程度。確切地說(shuō)，機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基本設(shè)計(jì)，機(jī)械精度設(shè)計(jì)是針對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)中需要注意結(jié)構(gòu)參數(shù)微小變化部分的設(shè)計(jì)。這個(gè)“微小變化”為：①“微小變化”的量是在制造誤差數(shù)量級(jí)；②“微小變化可能造成機(jī)器功能參數(shù)不可容忍的改變；③“微小變化”密切關(guān)聯(lián)著制造成本。

2.機(jī)器精度設(shè)計(jì)的基本原則

雖然機(jī)器的種類繁多，但做為機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分——機(jī)械精度設(shè)計(jì)，同樣也需要遵循一些原則。

2.1功能保證原則

以上的敘述已闡明了功能的含義，它是機(jī)器精度設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。

2.2互換性原則

互換性是指某一產(chǎn)品（包括零件、部件等）與另一產(chǎn)品功能能夠彼此互相替換的性能。要使產(chǎn)品能夠滿足互換性的要求，就要使產(chǎn)品的幾何參數(shù)（包括尺寸、宏觀幾何形狀）和物理參數(shù)（機(jī)械性能、理化性能等）充分相似。機(jī)械零件幾何參數(shù)的互換性，是指同種零件在幾何參數(shù)方面，能夠彼此互相替換的性能。機(jī)械零件的形體千差萬(wàn)別，僅從一些典型零件來(lái)看，就有圓柱形、圓錐形、單鍵、螺紋、齒輪等等，雖然其形體各異，但它們都是由一些點(diǎn)、線、面等幾何要素構(gòu)成。零件制造中由于在“機(jī)床-刀具-夾具-工件”組成的工藝系統(tǒng)有誤差存在，致使尺寸、幾何要素之間的相互位置，線與面的宏觀幾何形狀，表面的微觀幾何形狀或多或少地出現(xiàn)誤差，這些誤差被稱為尺寸誤差、位置誤差、形狀誤差和表面粗糙度。為了實(shí)際機(jī)械零件幾何參數(shù)的互換性，就必須按照一定的要求，把這些幾何參數(shù)的誤差限制在相應(yīng)的尺寸公差、位置公差、形狀公差和表面粗糙度要求的范圍內(nèi)。從設(shè)計(jì)上看，選用具有互換性的標(biāo)準(zhǔn)化零、部件，可以使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。從制造上看，可以使零、部件分別制造、集中制造，有利于采用成組技術(shù)，批量的擴(kuò)大有利于降低成本和保證質(zhì)量；可以使裝配采用高效、先進(jìn)的方法，提高裝配效率，保證裝配質(zhì)量。從使用上看，互換性可以使用戶更換零、部件或修理更方便，從而提高了機(jī)器的使用性。互換性是現(xiàn)代生產(chǎn)所應(yīng)遵循的一項(xiàng)基本原則，當(dāng)然也是精度設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選用的原則。

2.3經(jīng)濟(jì)性原則

經(jīng)濟(jì)性原則是一切設(shè)計(jì)工作都要遵循的一條基本原則，機(jī)器精度設(shè)計(jì)時(shí)要作到的是：（1）達(dá)到精度要求的加工工藝性較好，易于組織生產(chǎn)，節(jié)省工時(shí)，降低管理費(fèi)用。一般情況下，人們對(duì)于結(jié)構(gòu)工藝性通常較重視，而忽視了精度設(shè)計(jì)工藝。（2）合理的精度要求，避免多余功能和不必要的機(jī)器功能波動(dòng)限制。（3）合理確定互換性程度，以降低對(duì)零件的加工精度要求，從而達(dá)到降低機(jī)器成本的目的。（4）注意精度儲(chǔ)備，以保證機(jī)器的使用壽命。

2.4匹配性原則

在對(duì)整機(jī)（或機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)）進(jìn)行精度分析時(shí)，若機(jī)器中各部分、各環(huán)節(jié)對(duì)機(jī)器預(yù)定功能影響程度不同，應(yīng)分別提出不同的精度要求，也就是說(shuō)，要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)木确峙?。精度匹配的原則是：若影響程度相同或基本相同，精度分配時(shí)，應(yīng)使達(dá)到各部分，各環(huán)節(jié)精度的工藝難易程度大致相同，即作到工藝等價(jià)。某一重要零件、部件或重要表面的精度確定后，與其關(guān)聯(lián)的零、部件或表面的精度，以不致于對(duì)其精度產(chǎn)生影響為原則，即作到精度協(xié)調(diào)。例如，一般機(jī)械，運(yùn)動(dòng)鏈中的各環(huán)節(jié)要求精度高，應(yīng)當(dāng)設(shè)法使這些環(huán)節(jié)保持足夠的精度。對(duì)于其它環(huán)節(jié)，則應(yīng)根據(jù)不同的要求分配不同的精度。

3.結(jié)語(yǔ)

機(jī)器精度的四項(xiàng)基本原則中，功能保證原則是從機(jī)器存在意義角度提出的；互換性原則是從社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性角度提出的；經(jīng)濟(jì)性原則是從具體生產(chǎn)對(duì)象的經(jīng)濟(jì)性角度提出的；匹配性原則既是生產(chǎn)對(duì)象設(shè)計(jì)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性原則，又是生產(chǎn)對(duì)象設(shè)計(jì)過(guò)程中所應(yīng)遵循的技術(shù)原則。任何加工方法都不可能沒(méi)有誤差，而零件幾何要素的誤差都會(huì)影響其功能要求的實(shí)現(xiàn)，公差的大小又與制造經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品和使用壽命密切相關(guān)。因此，精度設(shè)計(jì)是機(jī)械零件設(shè)計(jì)的重要組成部分。

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