陳佳成

（杭申集團(tuán)杭州之江開關(guān)股份有限公司，杭州 311234）

機(jī)構(gòu)零部件公差包括尺寸和形位公差，尺寸公差包括公差帶大小和基本偏差，形位公差包括形狀公差和位置公差，尺寸公差帶、形狀公差和位置公差均用一個(gè)數(shù)值表示尺寸或要素的精度等級(jí)，基本偏差反映公差帶的位置，在孔、軸配合中反映配合的性質(zhì)（過盈、過渡或間隙）。雖有標(biāo)準(zhǔn)的公差列表可供選擇，但由于機(jī)構(gòu)零部件數(shù)量多，加之各零部件公差選擇內(nèi)容又較多，因此，對(duì)一般設(shè)計(jì)人員而言，零部件的公差選擇（或設(shè)計(jì)）是較有難度的。

機(jī)構(gòu)作為電器產(chǎn)品的執(zhí)行元件，其性能穩(wěn)定性對(duì)電器產(chǎn)品的影響很大，無(wú)論電器產(chǎn)品性能多么先進(jìn)，都需要高穩(wěn)定性的機(jī)構(gòu)作為支撐，而機(jī)構(gòu)性能的穩(wěn)定主要依賴于其中零部件合理的公差選擇和適當(dāng)?shù)臒崽幚?。過緊的公差不僅使零部件制作成本升高，還需要高技能的工人師傅操作，有時(shí)，僅一個(gè)不合理的公差可能導(dǎo)致制造費(fèi)用成倍上升，可謂設(shè)計(jì)“一筆千金”，但過緊的公差雖然提高了電器產(chǎn)品的穩(wěn)定性，但使用壽命并無(wú)多大貢獻(xiàn)；而過松的公差會(huì)降低機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命，影響用戶的利益。因此，電器產(chǎn)品機(jī)構(gòu)零部件公差應(yīng)謹(jǐn)慎選擇，不可隨意為之。

1 傳統(tǒng)零部件公差的選擇方式

隨著CAD 軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步，二維、三維繪圖軟件不斷出現(xiàn)，對(duì)廣大工程技術(shù)人員而言，工程制圖變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，尤其是零部件名義尺寸的選擇、運(yùn)動(dòng)仿真等，一般技術(shù)人員都能輕易完成，但對(duì)于零部件尺寸公差的選擇，較難把握，需要設(shè)計(jì)者有深厚的機(jī)械經(jīng)驗(yàn)，尤其在不借助CAT（零部件公差分析）軟件時(shí)，全憑設(shè)計(jì)者的認(rèn)知，設(shè)計(jì)者不僅要了解各類機(jī)械加工（包括冷加工和熱加工）工藝，要熟悉各類機(jī)床能達(dá)到的機(jī)械參數(shù)和加工精度，更要全面掌握機(jī)械配合、連接、傳動(dòng)相關(guān)知識(shí)。傳統(tǒng)的零部件公差選擇主要有兩種方法：①根據(jù)具體設(shè)計(jì)對(duì)象，個(gè)性化地選擇公差。按零部件在機(jī)器中的重要程度、工作狀況提出相應(yīng)要求，如對(duì)于孔軸配合：高速精密旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)常用H/f，直線運(yùn)動(dòng)常用H/g，精密靜配合常用H/h，較緊過渡配合常用H/n等；對(duì)于零部件尺寸精度：相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的孔常用IT7～I(xiàn)T8，軸常用IT6～I(xiàn)T7，相對(duì)慢速或靜止的配合面，孔常用IT9～I(xiàn)T10，軸常用IT8～I(xiàn)T9；對(duì)于非配合面，孔常用IT13～I(xiàn)T14，軸常用IT12～I(xiàn)T13；對(duì)于形位公差，則根據(jù)控制形位公差的難易程度，結(jié)合主參數(shù)，查表選取。這種傳統(tǒng)公差選擇方式，較多應(yīng)用于中、高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)過程中，斷路器操作功大，零部件所需的剛度和強(qiáng)度高，較多采用鑄鋼件、鍛件、圓鋼、厚鋼板等機(jī)加工件，其公差選擇內(nèi)容豐容，且要求較高。②經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)，按加工經(jīng)濟(jì)精度選擇公差。對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度慢、動(dòng)作不頻率、運(yùn)動(dòng)精度不高的產(chǎn)品，如某些低壓斷路器或隔離開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)，可從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)來(lái)選擇其零部件的公差。如表1所示為圓柱孔加工的經(jīng)濟(jì)精度，表2為外圓柱面加工的經(jīng)濟(jì)精度、表3為平面加工的經(jīng)濟(jì)精度、表4為圓柱形表面的形狀經(jīng)濟(jì)精度、表5為平行度的經(jīng)濟(jì)精度。一切以機(jī)床粗或半精加工能達(dá)到零部件公差為原則，不僅能夠降低產(chǎn)品的制作成本，而且方便公差的選取，當(dāng)然，對(duì)于個(gè)別關(guān)鍵之處，如影響斷路器、隔離開關(guān)的開距、超程、觸頭壓力敏感之處，要選擇較高的尺寸和形位公差。

表1 圓柱孔加工的經(jīng)濟(jì)精度

表2 外圓柱面加工的經(jīng)濟(jì)精度

表3 平面加工的經(jīng)濟(jì)精度

表4 圓柱形表面的形狀經(jīng)濟(jì)精度

表5 平行度的經(jīng)濟(jì)精度

2 精確機(jī)械設(shè)計(jì)的零部件公差設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)零部件公差選擇方法主要依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，往往對(duì)零部件的精度偏保守設(shè)計(jì)，使整體產(chǎn)品精度偏高，致使成本亦偏高。若要對(duì)電器產(chǎn)品機(jī)構(gòu)零部件公差精確設(shè)計(jì)，需要對(duì)零部件尺寸鏈進(jìn)行計(jì)算，但零部件所有公差依靠人力計(jì)算，工作量較大，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，尤其要求設(shè)計(jì)人員具備對(duì)材料性能、加工工藝及加工設(shè)備等方面的知識(shí)積累。近來(lái)出現(xiàn)了專門進(jìn)行公差分析的CAT 軟件，通過軟件分析，可以較好均衡各尺寸公差和形位公差，達(dá)到精確設(shè)計(jì)的目的，有利于找到產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品成本的平衡點(diǎn)，使產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比。以下是通過精確機(jī)械設(shè)計(jì)的方法來(lái)優(yōu)化尺寸公差、降低零件的制作成本的案例：如圖1所示，一軸套零件，其中是圖紙要求保證的尺寸，是尺寸鏈中的封閉段，L為鏜孔深度尺寸，通過控制L公差來(lái)間接保證尺寸；圖中和為車加工尺寸，根據(jù)傳統(tǒng)車加工經(jīng)濟(jì)精度IT10～12 級(jí)，取了IT11 級(jí)，根據(jù)尺寸鏈豎式（見表6）計(jì)算，得L＝，公差帶為+0.08mm，已嚴(yán)于IT10，此公差對(duì)于沉孔加工而言要求偏高，會(huì)導(dǎo)致加工成本上升，如操作者技能水平低，還可能出現(xiàn)較高的廢品率。若對(duì)尺寸40、50 車加工取IT10 級(jí)精度，仍為車削經(jīng)濟(jì)精度，加工成本影響不大，即和，按表7所示的尺寸鏈豎式，則L＝，公差帶為+0.2mm，此公差已寬于IT11，對(duì)于沉孔車加工而言尚屬經(jīng)濟(jì)加工精度。因此，通過尺寸鏈計(jì)算，來(lái)全面衡量各尺寸公差，使加工尺寸多落在機(jī)床經(jīng)濟(jì)加工精度范圍內(nèi)，可大大降低加工成本，減少?gòu)U品率，使電器產(chǎn)品批量生產(chǎn)順利進(jìn)行。

圖1 軸套

表6 尺寸鏈豎式表

表7 尺寸鏈豎式

3 結(jié)論

電器產(chǎn)品機(jī)構(gòu)零部件公差選擇對(duì)其性能影響很大，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法雖然簡(jiǎn)單、快捷，但需要設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品功能、零部件的加工工藝、各類機(jī)床的性能都相當(dāng)熟悉，并且，大部分設(shè)計(jì)者往往偏保守設(shè)計(jì)，零部件的精度裕度較大，產(chǎn)品的成本偏高，其結(jié)果是一個(gè)高精度的設(shè)計(jì)僅帶來(lái)微薄的利潤(rùn)，電器產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)；小部分設(shè)計(jì)者則選擇過松的零件公差，為降低成本而對(duì)機(jī)構(gòu)“粗制濫造”，在電器產(chǎn)品制造和使用過程中，時(shí)常發(fā)生機(jī)構(gòu)零部件的運(yùn)動(dòng)干涉、機(jī)構(gòu)輸出特性不符要求、機(jī)構(gòu)早期失效等現(xiàn)象，直接損害用戶的利益。精確機(jī)械設(shè)計(jì)是在初步選擇標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和形位公差后，對(duì)尺寸鏈進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合各尺寸或要素的經(jīng)濟(jì)加工精度，得到合理的尺寸和形位公差。通過對(duì)零部件公差精確設(shè)計(jì)后，可均衡各尺寸或要素的公差，保證圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，降低產(chǎn)品成本，使機(jī)械設(shè)計(jì)趨于精確和合理，值得廣大設(shè)計(jì)者多多采用；另一方面，通過精確機(jī)械設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步了解尺寸、要素間的公差關(guān)系，有助于對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)然，條件許可時(shí)，也可使用CAT 公差分析軟件來(lái)幫助精確設(shè)計(jì)零部件的公差。

[1] 徐嘉元.機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社,1990.6.

[2] 何祖舜,蔡君亮.機(jī)械設(shè)計(jì)與工藝手冊(cè)[M].銀川: 寧廈人民出版社,1989.10.

[3] 王伯平.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.3.