机械设计中形位公差的重要性及选择

机械设计中形位公差的重要性及选择形位公差和尺寸公差、表面粗糙度一样都是评定产品质量的重要技术指标。形位公差对机器、仪表等各种产品的性能―工作精度、连接强度、密封性、运动平稳性、耐磨性、噪声等都有一定影响。对于在高速、高温、重载条件下工作的精密机器与仪器提出合理的形位公差要求就更为重要。形位公差在机械设计中起着举足轻重的作用，作为一名优秀的机械设计师必须能够灵活运用形位公差在自己的设计中，以此来提高产品的性价比，满足企业现代化生产的要求。1、形位公差标准简介我国最新的国家标准是GB/T1182-2008《产品几何技术规范（GPS）几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注》，等同采用ISO1101：2004《产品几何技术规范（GPS）几何公差形状、方向、位臂和跳动公差标注》（英文版）。该标准对形位公差的标注及应用进行了规范性的要求。检测标准是GB/T1958-2004《产品几何技术规范（GPS）形状和位置公差检测规定》。形状、方向、位置和跳动公差一般统称为形位公差。2、形位公差形成原因及原理从设计图样到零件的形成，必须经过加工的过程、无论设备的精度和操作工人的技术水平多么高，要使加工的零件达到理想的形状和完全准确的位置，仍然是不可能的，零件的实际形状和位置与理想形状和位置总是存在一定的偏离量，该偏离量就是该零件的形状和位置误差，即形位公差。形位公差包括要素、公差带和基准（形状公差没有基准，位置公差一般都有基准）三部分。要素由点、线、面组成，形位公差就是对这些要素在形状和其相互间方向或位置的精度要求。限制实际要素的变动范围是公差带，公差带之间的间距便是公差值，设计时确定公差值后，其零件的被测实际要素则必须在规定的公差带里。凡是要确定两个（或多个）要素的方向、位置关系时，都要涉及到基准，当基准确定后，被测要素的要求也就确定下来了。3、形位公差的选择原则选择形位公差应充分保证零件的品质要求，尽可能方便生产，同时获得最佳经济效益。3.1形位公差项目的选择形位公差项目选择的出发点随要素的几何特征、零件的结构特点和使用要求不同而变化。同一被测要素通常有若干个形位公差项目可供选择，对圆柱面就有圆度、圆柱度、素线的直线度、同轴度、位置度、圆跳动等形位公差项目可供使用。给定不同的形位公差项目，对零件的功能、加工方法、检测方法及评定方法都会产生不同的影响。所以，在保证零件功能的前提下，应根据不同的生产条件、检测条件和有利于生产等合理选择形位公差项目。3.2形位公差与尺寸公差的选择对被测要素给定的形位公差值，与零件上的有关尺寸公差相互制约，相对于尺寸精度，形位公差精度要求低，尺寸公差可控制形位公差的要求，此时便不再标注形位公差要求。当形位公差精度要求比尺寸精度要求高时，在零件图中则应注明形位公差的要求。对于定向和定位公差值，应小于有关的尺寸公差；如平行度公差值应小于相应的距离公差值，如果平行度公差值超过平行要素间的尺寸公差值，导致平行度误差超过尺寸公差，从而使尺寸误差超过尺寸公差，简单地说，从平行度来看零件是合格的，但从尺寸来看又是不合格的矛盾现象。3.3公差原则的选择选择公差原则时，应根据被测要素的功能要求，充分发挥出公差的职能和采取该公差原则的可行性、经济性。对尺寸公差与形位公差需要分别满足要求，两者不发生联系的要素，应采用独立原则；当需要严格保证配合性质，如齿轮毂孔与轴颈的配合，应选用包容原则；当只要求保证可装配性，如凸缘上的螺栓孔组，控制螺栓中心线的位置度公差可选用最大实体原则；当零件要确保某一尺寸必须大于某一临界值且形位公差用以控制关联中心要素时，可采用最小实体原则[2]。4形位公差的选择4.1圆柱体轴线直线度与圆柱体素线直线度的选择圆柱体轴线直线度公差为形状误差，是用来控制圆柱体轴线的形状误差，公差带是直径为5t的圆柱面内的区域；圆柱体素线直线直线度公差是用来控制圆柱面上素线的形状误差，其公差带是轴剖面上距离为t的两平行直线之间的区域。虽然两者控制的被测要素不同，但是两者之间是相互联系的，当圆柱体轴线存在直线度误差，圆柱体素线必是存在直线度误差。反之，当圆柱体素线上存在直线度误差时，圆柱体轴线上直线度误差可能很小，有时还可能为零。所以，圆柱体素线直线度公差可以控制其轴线的直线度误差，但圆柱体轴线直线度公差不能控制其素线直线度误差。因此，设计圆柱体零件直线度公差要求时，一般标注其素线直线度；当确定了圆柱体素线直线度，就不需再选轴线直线度公差。圆柱体轴线的直线度与素线的直线度的选择并非一层不变，在具体选用这两项公差时，必须视具体情况具体分析。例如当被测要素只允许中间向材料外凸或内凹，只能选用素线直线度公差，对较长的圆柱体零件，当长度l与直径d之比l/d8～10时，在加工工艺上较难保证其轴线的直线度，这时给出轴线的直线度公差较好。4.2圆柱度与圆度、直线度的选择圆度公差是控制回转体垂直于轴线正截面内的形状误差，公差带是在垂直于轴线的任一正截面上，半径差为t的两同心圆之间的区域；素线直线度公差是控制圆柱体轴线方向截面内的形状误差，公差带是距离为公差值t的两平行平面之间的区域；圆柱度公差用来控制任一正截面和轴线方向截面的形状误差，公差带是半径差为t的两个同轴圆柱面之间的区域。从上面三者公差带可以看出，圆柱度公差能控制圆度和素线直线度公差，当回转体给定了圆柱度公差后，通常不再给出圆度或素线直线度公差要求。但是，从零件检测方面考虑，圆度与直线度的检测比圆柱度容易，对于普通精度要求的圆柱体零件，选用圆度与直线度控制形状公差较好。4.3端面圆跳动与垂直度的选择端面圆跳动公差，是在与基准同轴的任一半径位置的测量圆柱面上距离为t的两圆之间的区域，端面垂直度是距离为公差t且垂直于基准轴线的两平行平面之间的区域。由此可见，端面圆跳动既能反映端面的任一圆周上各点沿轴线相对的位置关系，又能反映该圆周与基准轴线的垂直关系；但它仅能反映端面上任一圆周对基准轴线的垂直关系，而不能反映整个端面对基准轴线的垂直关系。垂直度反映整个端面对基准轴线的垂直关系，端面对基准轴线的垂直度就是端面圆跳动和形状误差的综合体现。当零件端面圆跳动误差为零时，它可能仍然存在垂直度误差；反之，当零件垂直度误差为零时，它的端面圆跳动亦为零。5结论形位误差对零件的正常使用产生很大的影响，因此，正确、合理地选择形位公差对保证零件的功能要求，提高经济效益是十分重要的。参考文献[1]李国富.合理选择零件技术要求的探讨[J].鄂州大学学报，2006，（3）：48-50.[2]张金海.标注形状与位置公差时应把握的几个问题[J].机械设计与制造，2005，（2）：29-31.[3]王伯平.互换性与测量技术基础[M].北京：机械工业出版社，2000：83-85.