第四章形状位置精度设计与检测

第四章形状和位置精度设计与检测要求一般理解与掌握的内容有：形位公差的基本概念、分类，公差原则中的最小实体要求与可逆要求，形位误差及其检测；要求深刻理解与熟练掌握的重点内容有：1、形位公差特征项目的名称和符号；2、形位公差在图样上的表示方法；3、形位公差带；4、公差原则；难点：公差原则，形位公差的选择。实验六：学生根据自己的兴趣选择一种零件的形状或位置公差的检测。学时：8学时=6学时+习题课2学时零件在加工过程中，由于工件、刀具、夹具及工艺操作等因素的影响，会使被加工零件的各几何要素产生一定的形状误差和位置误差，而几何要素的形位误差会直接影响机械产品的工作精度、运动平稳性、密封性、耐磨性、使用寿命和可装配性等。因此，为了满足零件的使用要求，保证零件的互换性和制造经济性，在设计时应对零件的形位误差给以必要而合理的限制，即应对零件规定形状和位置公差。为了保证互换性，我国已经把形位公差标准化，颁布了下列国标：GB/T1182-1996《形状和位置公差通则定义符号和图样表示法》GB/T1184-1996《形状和位置公差未注公差值》GB/T4249-1996《公差原则》GB/T16671-1996《形状和位置公差最大实体要求、最小实体要求和可逆要求》形位误差的产生及其影响：图样上给出的零件都是没有误差理想几何体，但是，由于加工中机床、夹具、刀具、和工件所组成的工艺系统本身存在各种误差，以及加工过程中存在受力变形、振动、磨损等各种干扰，致使加工后的零件的实际形状和相互位置，与理想几何体的规定形状和线、面相互位置存在差异，这种形状上的差异就是形状误差，而相互位置的差异就是位置误差，统称为形位误差。例如书中图4.1（a），形位误差对零件使用性能的影响如下：1）影响零件的功能要求例如：机床导轨表面的直线度、平面度不好，将影响机床刀架的运动精度。齿轮箱上个轴承孔的位置误差，将影响齿轮传动的齿面接触精度和尺侧间隙。2）影响零件的配合性质例如：圆柱结合间隙配合，圆柱表面的形状误差会使间隙大小分布不均，当配合件有相对转动时，磨损加快，降低零件的使用寿命和运动精度。3）影响零件的自由装配例如：轴承盖上各螺钉孔的位置不正确，在用螺栓往基座上紧固时，就有可能影响其自由装配。一、形位误差的研究对象-----几何要素几何要素：任何零件都是由点、线、面组合而构成的，这些构成零件几何特征的点、线、面称为几何要素。要素的分类：1）按存在的状态分（1）理想要素理想要素是指具有几何意义的要素，即不存在形位和其它误差的要素。（2）实际要素零件上存在的要素，在测量时由测得的要素代替实际要素。2）按检测关系分（1）被测要素是指图样上给出了形状和位置公差要求的要素，也就是需要研究和测量的要素。（2）基准要素是指图样上规定用来确定被测要素的方向和位置的要素。理想的基准要素称为基准。3）按功能要求分（1）单一要素是指对要素本身提出形状公差要求的被测要素。（2）关联要素关联要素是指相对基准要素有方向或位置功能要求而给出位置公差要求的被测要素。4）按结构特征分（1）轮廓要素是指构成零件轮廓的点、线和面的要素。（2）中心要素轮廓要素对称中心点、线、面或轴线的要素。三、形位公差特征项目和符号形位公差特征项目有14个，见表4-1。1）形位公差形位公差是被测实际要素允许形状和位置变动的区域。2）形位公差的项目分类及代号表4-1形位公差的分类、特征项目及代号3）形位公差的标注方法形位公差应按国家标准GB／T1182—1996规定的标注方法，在图样上按要求进行正确的标注。⑴被测要素的标注方法被测要素的形位公差采用框格的形式标注，该框格具有带箭头的指引线。形位公差的框格如图4—1所示，从框格的左边起，第一格填写形位公差特征项目的符号，第二格填写形位公差值，第三格及往后填写基准的字母。被测要素为单一要素时，框格只有两格，只标注前两项内容。图4-1形位公差的标注方法①指引线指引线的弯折点最多两个，靠近框格的那一段指引线一定要垂直于框格的一条边。指引线箭头的方向应是公差带的宽度方向或直径方向。被测要素为轮廓要素时，指引线的箭头应与尺寸线明显错开(大于3mm)，表示方法有三种，见上图或书图4—3，指引线的箭头置于要素的轮廓线上或轮廓线的延长线上。当指引线的箭头指向实际表面时，箭头可置于带点的参考线上，该点指在实际表面上。被测要素为中心要素时，指引线的箭头应与尺寸线对齐。②框格框格应水平布置，内容按从左到右的顺序填写，第一格绘成正方形，其它格绘成正方形或上、下边较长而左、右边较短的矩形。框格高度等于两倍字高。被测要素为单一要素采用两格框格标注。被测要素为关联要素的框格有三格、四格和五格等几种形式。从第三格起填写基准的字母，图4—2a表示基准要素为单一基准。图4—2b表示由两个同类要素A与B构成一个独立基准A—B，这种基准称为公共基准。图4—2c表示基准A与B垂直，即基准A与B构成直角坐标，A为第一基准，B为第二基准，B⊥A。图4—2d表示基准A、B、C相互垂直，即基准A、B、C构成空间直角坐标，它们的关系是B⊥A；C⊥A且C⊥B，这种基准体系称为三基面体系。(a)单一要素(b)公共要素(c)两基准要素(d)三基准要素图4-2公差框格③形位公差值形位公差值表示方法有三种：“t”、“φt”、“Sφt”。当被测要素为轮廓要素或中心平面，或者被测要素的检测方向一定时，标注“t”，例如平面度、圆度、圆柱度、圆跳动和全跳动公差值的标注。当被测要素为轴线或圆心等中心要素且检测方向为径向任意角度时，公差带的形状为圆柱或圆形，标注“φt”，例如同轴度公差值的标注。被测要素为球心且检测方向为径向任意角度时，公差带为球形，标注“Sφt”，例如球心位置度公差值的标注。其他视具体情况而定。④基准基准字母用英文大写字母表示。为不致引起误解，国家标准GB／T1182—1996规定基准字母禁用下列9个字母：E、I、J、M、O、P、L、R、F。基准字母一般不许与图样中任何向视图的字母相同。基准符号如图所示，以带小圆的大写字母用连线(细实线)与粗的短横线相连。粗的短横线的长度一般等于小圆的直径。连线应画在粗的短横线中间，长度一般等于小圆的直径。小圆的直径为2倍字高。基准要素为中心要素时，基准符号的连线与尺寸线对齐(见上图)。基准要素为轮廓要素时，基准符号的连线与尺寸线应明显错开，粗的短横线应靠近基准要素的轮廓线或它的延长线上。四、形位公差带1）形位公差带的概念形位公差是实际被测要素对图样上给定的理想形状、理想位置的允许变动量，包括形状公差和位置公差。形状公差是指实际单一要素的形状所允许的变动量；位置公差是指实际关联要素相对于基准的位置所允许的变动量。由此，我们可知，研究形位公差的一个重要问题是如何限制实际要素的变动范围。由于实际要素在空间占据一定形状、位置和大小，必须用具有一定形状、大小、方向和位置的各种空间或平面区域来限制它。用于限制实际要素形状和位置变动的区域，叫做形位公差带。它与尺寸公差带的概念一致，但形位公差带可以是空间区域，也可以是平面区域。只要实际被测要素能全部落在给定的公差带内，就表明实际被测要素合格。形位公差是用形位公差带来表示的，构成形位公差带的四个要素是形位公差带的形状、方向、位置和大小。其形状取决于被测要素的理想形状，给定的形位公差项目和标注形式，下图中列出了形位公差带的主要形状。其大小用形位公差带的宽度或直径表示，由给定的形位公差值决定。其方向则由给定的形位公差项目和标注形式确定。同学们可能已经看到了书本上的关于形位公差带的一个又一个大表格，这些表格罗列了十四项形状公差和位置公差的六十多种公差带，如果一一讲授,授课的时间不允许,其实，如果仔细地分析一下这些公差与公差带的形状，就会发现这些公差带之间存在着一定的规律和共性。经过多年的教学方法的探讨，我们提出了一种能举一反三的、便于自学的“积木式”的教学方法。2）形位公差带的研究方法—积木法我们知道，无论是形状公差还是位置公差，被测要素无非是点、线、面这三种，位置公差中的基准要素也是点、线、面这三种。公差带在所给方向上，分为给定平面内、给定一个方向、给定两个互相垂直方向和给定任意方向这四种。而公差带的基本形状经过归纳，共11种，按所给定方向的不同而分为四类。（参看表4-2）下面我们选择形位公差的其中几个项目进行讲解，来学习如何应用积木法对形位公差带进行判断。⑴直线度（--）直线度是零件上被测直线的不直程度。直线度公差是实际直线对理想直线所允许的最大变动量。其被测要素是直线要素。零件上直线要素有面与面的交线、轴线、对称中心线以及轮廓面上的刻度线等，将上述任一条实际直线放大看，都是一条空间曲线或平面曲线。表4-2形位公差带的九种主要形状根据零件的功能要求，对被测实际直线有时需要限制某一平面内的误差，有时需要限制某个方向上的误差，有时需要限制某两个方向上的误差或任意方向上的误差。故根据零件实际需要按公差带类型对直线度公差规定了三种情况。给定平面内的直线度如图4-3标注，表示被测圆柱面上任一条素线的直线度公差为0.02。图4-3直线度公差带1我们来分析一下它的公差带：其被测要素是圆柱素线-直线；圆柱素线是圆柱面与圆柱轴向截面的交线，它既在圆柱面上又在给定的轴截面内，因此其公差带是在给定平面内定义的。所以给定方向为平面内，公差带形状为两平行直线。由此得到，直线度公差带是距离为公差值0.02的两平行直线之间的区域。分析路线即为B-G-G1。在给定方向上的直线度图4-4直线度公差带2给定方向上的直线度，主要控制面与面交线即棱线直的程度。比如，常用的刀口尺的刀口棱线有较高的直线度要求。对于刀口棱线来说，它可能在空间X、Y、Z三个方向上同时产生直线度误差，根据零件的使用要求，有时只需要控制其中一个方向的直线度误差，就给定一个方向的直线度公差要求，有时必须在两个方向上同时给定直线度公差要求。如图4-4所示，给出刀口尺棱线的直线度公差为0.02，其被测方向是在空间Z方向。按积木法分析公差带形状：被测要素是棱线B，给定方向为一个方向H，公差带形状为两平行平面H1，这样，分析路线即为B-H-H1。其公差带是距离为给定公差值0.02的两平行平面之间的区域。在任意方向上的直线度一般回转体零件为满足配合或装配要求，对其轴线在空间360的任意方向上都有直线度要求。被测实际轴线也是一条空间曲线，为保证上述功能要求，必须在任意方向上将它的直线度误差限制在给定范围内。图4-5直线度公差带3如图4-5，给出φd圆柱体的轴线在空间任意方向上直线度公差为0.04,(当指引线和直径尺寸线对齐时,表示被测要素是中心要素轴线或圆心,当公差值前加'φ”时,表示被测要素在任意方向上都有形位公差要求,且其形位公差带是圆柱面或圆)。按积木法来分析形位公差带：被测要素是轴线B，给定方向为任意方向I，公差带形状为圆柱面I1，这样，分析路线即为B-I-I1。由此得到其公差带是直径为给定公差值0.02的圆柱面内的区域。⑵圆度（○）图4-5直线度公差带3如图4-5，给出φd圆柱体的轴线在空间任意方向上直线度公差为0.04,(当指引线和直径尺寸线对齐时,表示被测要素是中心要素轴线或圆心,当公差值前加'φ”时,表示被测要素在任意方向上都有形位公差要求,且其形位公差带是圆柱面或圆)。按积木法来分析形位公差带：被测要素是轴线B，给定方向为任意方向I，公差带形状为圆柱面I1，这样，分析路线即为B-I-I1。由此得到其公差带是直径为给定公差值0.02的圆柱面内的区域。⑵圆度（○）圆度公差用于控制回转体表面的垂直于轴线的任一正截面轮廓的形状误差。如图所示，图中圆锥面给出圆度公差0.02.图4-6圆度公差带按积木法分析其公差带形状:将回转体正截面的实际轮廓放大来看，实际上是一条封闭的平面曲线，所以,被测要素应是线B,而不是面。测量方向是在垂直于轴线的任一正截面上,所以给定方向应是平面内G。公差带形状应是同心圆G4。这样，分析路线即为B-G-G4。其公差带是在同一正截面上半径差为公差值0.02的两同心圆之间的区域。⑶圆柱度圆度公差的标注，应注意公差