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        公差原則在零件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與分析

        2011-06-23 03:02:10謝源
        裝備制造技術(shù) 2011年12期
        關(guān)鍵詞:形位公差軸線

        謝源

        (閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,福建 龍巖 364021)

        機(jī)械零件的幾何精度,決定于尺寸、形狀和位置誤差的綜合影響。因此在零件設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)同一被測(cè)要素除給定尺寸公差外,還應(yīng)根據(jù)其功能和互換性要求,給定形狀公差或位置公差。公差原則就是確定形狀公差、位置公差和尺寸公差之間相互關(guān)系的原則。

        1 公差原則的分類(lèi)

        公差原則分為獨(dú)立原則和相關(guān)要求原則,相關(guān)要求原則又分為包容要求原則和最大實(shí)體要求原則,最小實(shí)體原則。

        1.1 獨(dú)立原則

        獨(dú)立原則是指圖樣上給定的尺寸公差與形位公差各自獨(dú)立,分別滿足要求的公差原則。在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中,獨(dú)立原則是基本的公差原則。采用獨(dú)立原則時(shí),形位誤差無(wú)論在局部實(shí)際尺寸公差內(nèi)的任何尺寸時(shí),均應(yīng)限制在圖樣上給定的形位公差值內(nèi)(未注形位公差按未注形位公差規(guī)定值確定)。

        1.2 相關(guān)原則

        相關(guān)原則是指圖樣上給定的的尺寸公差與形位公差相互有關(guān)。

        其中包容要求原則,是指要求被測(cè)要素的實(shí)際輪廓,不得超越最大實(shí)體邊界的原則;采用包容原則時(shí),要求實(shí)際要素處處位于最大實(shí)體尺寸的理想包容面內(nèi)。所以采用包容原則時(shí),被測(cè)要素的形位誤差完全被尺寸公差控制,這時(shí)被測(cè)要素的形位誤差應(yīng)限制在被測(cè)要素的尺寸公差值內(nèi)。換言之,當(dāng)尺寸公差在形位公差誤差限制值內(nèi)時(shí),被測(cè)要素的形位誤差值則都由形位誤差的限制值限定控制而不許超過(guò)。

        而最大實(shí)體原則,是要求被測(cè)要素和(或)基準(zhǔn)要素的實(shí)際輪廓偏離最大實(shí)體狀態(tài)時(shí),形狀公差、位置公差獲得補(bǔ)償?shù)囊环N公差原則;采用最大實(shí)體原則時(shí),被測(cè)要素的形位誤差除圖樣上給定的公差值外,還可以從被測(cè)或基準(zhǔn)要素的尺寸公差得到一定的補(bǔ)償值,這時(shí)被測(cè)要素的形位誤差,限制在圖樣上規(guī)定的形位公差以及被測(cè)或基準(zhǔn)要素的尺寸公差,給予被測(cè)要素的形位誤差補(bǔ)償值之和內(nèi)。

        下面對(duì)不同公差原則的應(yīng)用進(jìn)行分析。

        2 獨(dú)立原則的應(yīng)用

        在應(yīng)用獨(dú)立原則時(shí),尺寸公差與形位公差之間互不相關(guān),不存在補(bǔ)償關(guān)系,尺寸公差是控制實(shí)際尺寸的變動(dòng)量,不隨形位誤差的變化而改變,形位公差只控制被測(cè)要素的型位誤差,不隨實(shí)際尺寸的變化而改變。

        圖1 彈簧夾頭圖

        如圖1示的彈簧夾頭,為保證工作中的定心精度,要求夾頭內(nèi)孔Φ 26mm及錐面對(duì)導(dǎo)向部位Φ 65mm均應(yīng)保證較高的同軸度,而且形位公差的數(shù)值比尺寸公差的數(shù)值小,即無(wú)論內(nèi)孔及錐面在尺寸公差范圍內(nèi)的任何尺寸,工作性能均要求同軸度誤差不得大于0.01 mm,當(dāng)實(shí)際尺寸在尺寸公差范圍內(nèi),影響工作性能的關(guān)鍵是形位誤差,而不是實(shí)際尺寸的誤差。

        同理,對(duì)錐面而言,影響彈簧夾頭定心精度的關(guān)鍵,是錐面對(duì)導(dǎo)向部位的同軸度,而不是錐面的尺寸大小。由于工作性能上要求有較高的形位精度,所以在制造中不允許擴(kuò)大形位誤差的數(shù)值,即形位誤差不允許從尺寸公差中得到補(bǔ)償,在這種情況下的標(biāo)注,必須采用獨(dú)立原則標(biāo)注。

        圖2 導(dǎo)向零件圖

        未注形位公差視為獨(dú)立原則,主要應(yīng)用在零件對(duì)形位公差要求較低的場(chǎng)合,這些部位的形位公差可以通過(guò)尺寸公差加以控制,或者可以在加工工藝過(guò)程加以控制,其數(shù)值按未注形位公差規(guī)定的數(shù)值確定,但未注形位公差,并不意味著這些部位的形位誤差可不必要求,誤差制可以任意增大。

        3 包容原則的應(yīng)用

        應(yīng)用包容原則時(shí),孔、軸實(shí)際輪廓不得超越最大實(shí)體邊界,即其作用尺寸或關(guān)聯(lián)作用尺寸,不超出最大實(shí)體尺寸,且局部實(shí)際尺寸不超出最小實(shí)體尺寸。

        如圖3所示的車(chē)床刀架中的絲杠螺母機(jī)構(gòu),為了保證絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)螺母直線移動(dòng)帶動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng),應(yīng)保證螺母Φ 35 mm圓柱部位與刀架孔間有較高的配合要求,即要求有較高的間隙配合,最小間隙為零,最大間隙+0.041 mm,便于螺母沿絲杠軸向移動(dòng)時(shí),能因絲杠軸線直線度精度而保證平穩(wěn)移動(dòng),又不能因間隙太大而影響刀架的移動(dòng)均勻性及工作時(shí)的振動(dòng)。同時(shí)Φ 35 mm圓柱部位軸線與M22×5螺紋軸線間又應(yīng)保證嚴(yán)格的垂直度要求,在這里要求垂直度Φ 0.01 mm,使螺母圓柱部位Φ 35 mm在保證配合要求的同時(shí),能達(dá)到與絲杠順利裝配并正常工作,顯見(jiàn)垂直度和配合間隙將相互影響。像這類(lèi)零件在互換性裝配中,不但要求保證較嚴(yán)格的配合性質(zhì)要求,即要求保證嚴(yán)格的最小間隙或最小過(guò)盈量,而且該配合部位裝配和工作中,同時(shí)還應(yīng)與某一相關(guān)部位保持嚴(yán)格的位置度要求。為了既保證互換性裝配,即要求滿足兩相關(guān)部位間的嚴(yán)格的位置度的關(guān)系,又使裝配后能達(dá)到所需的的配合性質(zhì),即要求滿足配合處的嚴(yán)格的配合間隙或過(guò)盈量的要求,應(yīng)采用關(guān)聯(lián)要素的包容原則。

        圖3 絲杠螺母機(jī)構(gòu)圖

        圖3所示為采用關(guān)聯(lián)要素的包容原則標(biāo)注。當(dāng)Φ 35 mm圓柱部位處于最大實(shí)體尺寸時(shí),Φ 35 mm軸線與M22×5螺紋軸線垂直度必須為零,當(dāng)Φ 35 mm圓柱部位偏離最大實(shí)體尺寸時(shí)才允許兩軸線間垂直度誤差存在,最大為0.016 mm,這時(shí)雖然垂直度誤差大于設(shè)計(jì)上的0.01 mm,但卻能夠保證設(shè)計(jì)上的要求。

        當(dāng)按M22×5螺紋軸線裝配后將使Φ 35 mm圓柱部位軸線垂直度誤差達(dá)到Φ 0.016 mm,垂直度誤差會(huì)引起Φ 35 mm圓柱部位配合間隙的變化,使直徑方向上的間隙減小0.016 mm,而我們知道,這時(shí)圓柱部位實(shí)際尺寸為Φ 34.984 mm,這時(shí)的配合間隙仍然符合設(shè)計(jì)要求。如果采用獨(dú)立原則,則Φ 35 mm當(dāng)圓柱部位處于最大實(shí)體尺寸時(shí),允許Φ 35 mm軸線與M22×5螺紋軸線間垂直誤差雖為0.01 mm,但顯然這時(shí)在裝配后,將保證不了Φ 35 mm圓柱部位的配合間隙(將出現(xiàn)過(guò)盈配合)。

        所以,對(duì)于既要求滿足互換性裝配,又要求裝配后達(dá)到較高的配合性質(zhì)要求的零件,采用關(guān)聯(lián)要素的包容原則,既可以保證兩方面的要求,又可以利用尺寸公差對(duì)形位公差的補(bǔ)償而便于制造。雖然有時(shí)實(shí)際形位誤差值超過(guò)設(shè)計(jì)值,但綜合考慮其尺寸公差與形位公差兩者的相互作用,還是符合設(shè)計(jì)要求的。

        如圖4所示的皮帶輪與軸的裝配,以及機(jī)床中滑移齒輪與軸的裝配,還有一般滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的裝配等,主要應(yīng)保證裝配后零件某一部位的配合要求,不要求同時(shí)保證嚴(yán)格的位置度要求。比如皮帶輪與軸裝配時(shí)主要保證Φ 30 mm部位的配合準(zhǔn)30,而輪子端面與軸間只要一點(diǎn)接觸起軸向定位,并不要求在滿足準(zhǔn)30配合時(shí)。孔軸線與端面的垂直度要求(即不要求端面裝配時(shí)應(yīng)與軸肩貼合)。這時(shí)宜采用單一要素的包容原則。

        圖4 皮帶輪與軸的裝配圖

        這樣,當(dāng)配合處軸孔均處于最大實(shí)體尺寸時(shí),可確保在最不利情況下的裝配,也能達(dá)到所需的配合要求,如果采用其他原則,則不能實(shí)現(xiàn)這一目的。

        4 最大實(shí)體原則的應(yīng)用

        應(yīng)用最大實(shí)體原則時(shí),被測(cè)要素的實(shí)際輪廓應(yīng)遵守實(shí)效邊界,即在給定長(zhǎng)度上,處處不得超出實(shí)效邊界,作用尺寸或關(guān)聯(lián)作用尺寸不得超出實(shí)效尺寸,且局部實(shí)際尺寸不得超出最大和最小實(shí)際尺寸。

        圖5 導(dǎo)向零件圖

        這類(lèi)零件工作性能要求不高的部位,該部位對(duì)性能的影響,并不是由形位誤差起關(guān)鍵性的作用,而是由形位誤差和尺寸公差兩者的綜合作用決定的,且其配合處僅僅要求滿足互換性裝配的目的,而不要求滿足較高的配合性質(zhì)的要求時(shí),應(yīng)采用最大實(shí)體原則。

        如圖5所示,可知當(dāng)槽與螺釘尺寸均處于最小實(shí)體尺寸時(shí),定位槽對(duì)導(dǎo)向外圓對(duì)稱度雖增大至0.26 mm,但考慮尺寸公差和形位公差的綜合作用的偏轉(zhuǎn)量,仍然不超過(guò)設(shè)計(jì)上允許的偏轉(zhuǎn)量0.42 mm,這樣利用尺寸公差對(duì)形位公差進(jìn)行補(bǔ)償,以擴(kuò)大形位公差值,方便了制造。

        像機(jī)器上的法蘭和箱體端蓋上的螺孔,往往主要是達(dá)到螺栓的互換性裝配,而對(duì)配合性質(zhì)并不要求(只要求有最小裝配間隙即可),而且工作性能對(duì)形位誤差并不嚴(yán)格要求,所以均宜采用最大實(shí)體原則標(biāo)注。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        總之,在確定采用哪種公差原則標(biāo)注時(shí),首先從保證工作性能上的設(shè)計(jì)要求出發(fā),再結(jié)合制造上的工藝、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題來(lái)決定。

        [1]馬正元.幾何量精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

        [2]李 萍.試論公差原則在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].,山西機(jī)械,2001,(4):11-13.

        [3]孫曉玲.《公差原則》國(guó)標(biāo)在精度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化,1994,(11):12-14.

        [4]李莉.《公差原則》標(biāo)準(zhǔn)的分析及應(yīng)用[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化,2007,(3):27-30.

        [5]于鳳云.公差原則中的最小實(shí)體要求與零件的精度設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2004,(12):18-20.

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