機械設(shè)計圖樣中產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范一些問題探討

單慶成 代小波 李陽

東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶，400040

機械設(shè)計圖樣中產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范一些問題探討

單慶成 代小波 李陽

東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶，400040

本文對機械設(shè)計圖樣中經(jīng)常出現(xiàn)的幾何技術(shù)規(guī)范使用不當(dāng)?shù)膯栴}進行了探討，論述了公差原則的應(yīng)用問題、基準和基準體系問題、幾何公差與功能尺寸的關(guān)系、綜合公差與單項公差的關(guān)系，為機械設(shè)計圖樣中幾何公差的合理選用提供了可行的辦法。

幾何公差；尺寸公差；公差原則；基準

在機械設(shè)計圖樣中產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范標注中尺寸公差與幾何公差的關(guān)系經(jīng)常出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象；基準的選擇也不恰當(dāng)；幾何公差與功能尺寸的關(guān)系也經(jīng)常分析不清楚；綜合公差與單項公差的項目選擇與公差值也時有矛盾，甚至很多設(shè)計單位和個人忽視國家標準，無視新國家標準的現(xiàn)象也較為普遍，這些情況使我國的機械產(chǎn)品設(shè)計在理念上都與國際存在一個大的差距。筆者經(jīng)過參加《機械產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）體系及相關(guān)國家標準》的學(xué)習(xí)和多年的實踐與教學(xué)經(jīng)驗，對以上問題進行探討，供設(shè)計者，尤其是初步做設(shè)計工作的人員進行對新國標的理解和應(yīng)用。

1 基準的選擇問題

關(guān)聯(lián)要素評定中基準的選擇非常重要，它將直接影響零件的最終尺寸誤差，也會影響產(chǎn)品的檢驗、產(chǎn)品的加工的難易程度?；鶞蔬x擇的原則是在滿足零件功能要求的前提下，盡量保證加工基準、檢驗基準、設(shè)計基準的統(tǒng)一。如圖1所示，基準A在設(shè)計時可以考慮在左軸頸、右軸頸或者是內(nèi)孔的中心為基準，似乎都行，但是考慮到基準的統(tǒng)一，這三個位置并不都可以。該零件加工時，先加工出尺寸φ19，再以該尺寸為基準來加工φ40的軸頸和φ24的孔。為了統(tǒng)一裝夾，使加工基準統(tǒng)一，基準選擇為小端外徑的中心更合理。一般而言，基準來源于功能，應(yīng)是對裝配情況下而言的，除此以外的所有基準，除特別針對工藝和檢測標注之外，都是經(jīng)過變通的，這一點需要注意。

圖1 基準的選擇

公共基準和單基準的問題由一個要素建立的基準稱為單一基準；公共基準是由兩個或連個以上的要素建立一個獨立的基準稱為公共基準?；剞D(zhuǎn)體類零件可以指定某一軸（ 或孔）的軸線為基準如圖1，也可以指定兩個圓柱面（或孔）的公共軸線為基準，此時公共軸線為兩個圓柱體中心線的理想要素同組擬合。旋轉(zhuǎn)的軸類零件通常都是以滾動軸承兩軸頸的軸線所構(gòu)成的公共軸線為基準。當(dāng)選擇公共軸線為軸線時，位置誤差的偏移值較小，同時又符合實際的裝配工作條件，因此比較合理，這也是實際應(yīng)用狀況和功能的需要。

2 尺寸公差與幾何公差的關(guān)系

2.1 尺寸公差包含幾何公差

圖2 尺寸公差與幾何公差的關(guān)系

一般而言，當(dāng)尺寸公差能同時約束幾何誤差時，就可以不專門標注幾何公差。如圖2（a）所示：在圖中孔中心到基準的距離這一尺寸的尺寸公差里已經(jīng)包含了孔中心與基準的平行度公差，如果要求的平行度公差值大于或等于尺寸公差值，平行度公差值不需要在圖中另外標注；但如果該形位公差的要求很高時，其值小于該尺寸公差時，必須將形位公差單獨標注出來。如圖2( b)所示。

2.2 公差原則中一些易混淆的問題

當(dāng)采用包容要求時，包容要求表示實際要素應(yīng)遵守其最大實體邊界其局部實際尺寸不得超出最小實體尺寸。圓柱表面必須在最大實體邊界內(nèi)該邊界的尺寸為φ20。最大實體尺寸其局部實際尺寸不得小于φ19.979。當(dāng)實際尺寸偏離最大實體尺寸時，偏離的部分可以補償?shù)叫挝还钌先?，如圖3（a），當(dāng)實際尺寸為φ19.979時，此時的偏離量最大為0.021，最多可以補償0.021。它可以補償給圓柱中心的直線度、圓柱母線的直線度、圓度、圓柱度等形位公差，但總量不超過0.021。其形位公差的值在0-φ0.021mm之間變化。圖3（b）的含義是對圓柱中心軸線的直線度做單獨要求。在補償?shù)臅r候不論補償量多大，但補償給直線度的公差值不能超過φ0.015.當(dāng)然，當(dāng)補償量不到0.015時，補償量是多少，直線度公差值最大就是多少。其值在0-φ0.015mm之間變化。對比圖2（a）和圖2（b），顯然后者的要求更為嚴格。包容原則主要用于有配合要求，并且極限間隙或極限過盈要求得到嚴格保證的場合。

圖3 公差原則之包容要求

圖4 公差原則之最大實體要求

圖4中軸線的垂直度公差值φ0.1是按該孔最大實體狀態(tài)時給定的；若該孔為最小實體狀態(tài)時，其軸線垂直度誤差允許最大圖4a中給定的直線度公差（φ0.1mm）與該孔的尺寸公差（0.1mm）之和為φ0.2mm；如該孔處于最大實體與最小實體之間，其軸線垂直度公差在φ0.1—φ0.2之間變化。如圖4（c）所示。此原則主要用于裝配互換的場合。

圖5 公差原則之最小實體要求

圖5中是最小實體要求應(yīng)用。最小實體要求是圖5中（a）軸線的位置度公差值（φ0.1mm）是該處尺寸要素為最小實體狀態(tài)時給定的；若該處實際尺寸為最大實體狀態(tài)時，其軸線的位置度公差值允許達到的最大值可為給定的位置度公差值（φ0.1mm）與尺寸補償值（0.1mm）之和為（φ0.2mm）。若實際尺寸在最大實體尺寸和最小實體尺寸之間，位置度公差值的變化范圍見圖5（c）所示。此要求用于控制壁厚，也是用于保證裝配。

3 形位公差與設(shè)計功能尺寸的關(guān)系

圖6 幾何公差與功能尺寸的關(guān)系

尺寸的幾何公差和零件的設(shè)計尺寸存在嚴格的關(guān)聯(lián)關(guān)系。幾何公差項目與公差值、基準的確定與功能設(shè)計尺寸有密不可分的關(guān)系。如圖6所示，公差項目分別限制的是φ10和φ15的孔，與中心距似乎沒有多大關(guān)系，而中心距45是用理論正確尺寸表示的。一般初學(xué)者會簡單的認為，中心距45就是不變的，而公差項目僅僅是限制了孔的位置度。實際上通過分析我們知道φ10的孔的公差采用了包容原則，當(dāng)實際尺寸處處為最大實體尺寸時，形位公差補償值為0，當(dāng)實際尺寸偏離最大實體尺寸時，偏離的部分可以補償給形位公差，而補償部分可以完全給孔軸線的直線度公差值。所以，當(dāng)實際尺寸處處為最小實體尺寸時，偏離最大實體尺寸最多，為0.08，這個偏離值0.08可以完全補償給孔φ10軸線的直線度？，這時孔φ10的中心在中心距方向的位移量為±0.04。同理，分析出φ15的孔的位置度公差值，在孔處于最小實體尺寸時，可以由尺寸公差補償給形位公差的補償量最大，為0.1此時累計的位置度公差值最大允許為0.6.由于基準A采取了最大實體原則，基準本身的公差可以又尺寸公差來補償，即當(dāng)孔φ10處于最小實體時，這時偏離最大實體尺寸最多，可以補償給基準的位置誤差也最多，最大值為0.08mm。所以孔φ15的尺寸的中心的偏移量累計最大可以為±0.34.這樣中心距的偏移量最大為0.76mm。

該實例說明零件的幾何公差和零件的設(shè)計尺寸存在嚴格的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在設(shè)計時要謹慎確定幾何公差，使之保證形位精度，同時保證設(shè)計尺寸滿足功能要求。

4 尺寸公差與形位公差的關(guān)系

4.1 圓柱度與圓度、直線度、跳動的關(guān)系

圓度公差控制回旋體垂直于軸線橫截面內(nèi)的形狀誤差；直線度公差控制圓柱面軸線方向縱截面內(nèi)素線的形狀誤差；圓柱度公差用來綜合控制圓柱面誤差。因此圓柱度公差完全能控制圓柱度和素線直線度公差。當(dāng)回轉(zhuǎn)體給定了圓柱度公差后，一般就不必再給出圓度或素線直線度公差要求。當(dāng)然，從檢測的角度來考慮，圓柱度的檢測比圓度與直線度困難。所以，對于一般精度的圓柱體零件，推薦用圓度與直線度來標注更為妥當(dāng)。

4.2 其它綜合公差和單項公差的關(guān)系

端面全跳動與垂直度、平面度都控制該端面的形狀公差；端面全跳動是便于檢測的一項綜合公差，該項目包含了平面垂直度與平面度的要求，一般不必再標注垂直度與平面度，若有進一步要求時，則其公差值應(yīng)小于端面全跳動公差，否則會出現(xiàn)干涉；徑向全跳動也是一項綜合公差，該項目是同時包含圓度、圓柱度、直線度、同軸度的綜合公差。而且，跳動公差的檢驗更為方便快捷，所以，經(jīng)驗豐富的設(shè)計者經(jīng)常選用跳動公差替代圓度、圓柱度來控制零件的形位公差。

5 結(jié)語

對于設(shè)計人員,在深刻理解產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范和設(shè)計功能尺寸之間的關(guān)系,正確的進行基準的選擇，正確分析公差原則以及綜合形位公差和單項形位公差的關(guān)系。 在設(shè)計圖樣中標注零件的幾何技術(shù)規(guī)范時, 在滿足功能要求的情況下則會取得簡潔、實用、加工經(jīng)濟、檢測方便的效果。

[1]李曉沛等.GB-T16671-2009(GPS)幾何公差最大最小實體要求和可逆要求,2009.

[2]王欣玲等.GB-T 1182-2008 (GPS)幾何公差形狀、方向、位置和跳動公差標注,2008.

[3]周明貴等.設(shè)計圖樣中形位公差的合理確定.機械設(shè)計與制造,2005(9).

[4]高成慧.形位公差標注中的常見問題分析.機床與液壓,2004(9).

[5]李佰茹.跳動公差與其它形位公差的關(guān)系研究.機床與液壓,2005(8).

[6]廖念釗等編.互換性與技術(shù)測量.北京:中國計量出版社,2007(8).

單慶成/1983年生/男/碩士/工程師/研究方向為汽車白車身焊接工藝及焊接工裝夾具的研制