互换性的应用非常广泛,不仅局限于机械产品,还包括电子电器等产品; 不但可以对零件提出互换性要求,同样也可以对部件、整机等提出互换性要求。本教材仅就机械产品的零部件进行讨论,并且涉及零部件几何参数的互换性问题。 本书内容包括: 互换性的基础知识,如光滑孔、轴的尺寸的标准公差,孔轴的使用要求和设计原则,常用孔轴公差带和配合; 形位公差的基本概念,形位公差的符号及其标注,形位公差的定义及公差带解释; 表面粗糙度及评定,表面粗糙度应用及表面粗糙度的标注,公差原则及其应用等; 滚动轴承、键、圆锥、螺纹、丝杠、滚珠丝杠、齿轮副等标准部件的公差与配合; 结合互换性的相关规定,讨论尺寸、形位公差、表面粗糙度的检验; 结合在机器或仪器设计时所碰到的几何精度分析问题,研究尺寸链的分析。 本书适合机械类和近机械类学生使用,同时也可作为机械类工程技术人员的参考用书。

第1部分互换性的基础知识

第1章概论

1.1互换性与公差
1.1.1互换性的基本概念

在我们的日常生活中经常会涉及互换性的问题。例如,自行车的脚踏板坏了,买一个新的换上; 家里的灯泡坏了,买一个新的换上。还有如手表、缝纫机、洗衣机、冰箱等产品的某个零件或部件损坏后,买一个相同规格的新零件替换后,又可以正常使用。现代生活的衣、食、住、行等各个方面都离不开互换性。
在我国**标准《标准化基本术语》(GB 3935.1—1983)里,把互换性定义为: 某一产品(包括零件、部件、构件)与另一产品在尺寸、功能上能够彼此互相替换的性能。由此可见,要使某一产品能够满足互换性的要求,就要使这类产品的每个几何参数(包括尺寸、宏观几何形状、微观几何形状)及其物理、化学性能参数一致或一定范围内相似。因此互换性的基本要求是: 满足装配互换和功能互换,二者缺一不可。例如,螺栓、螺母要求能顺利拧上,拧紧以后能保证连接强度,即机器在工作过程中,螺栓、螺母彼此不能自动松脱,以及在许可范围内受力不会破坏。
我们知道,产品在制造过程中将产生加工误差,它是由工艺系统的各种误差因素所产生的。如加工方法的原理误差,工件装卡定位误差,夹具、刀具的制造误差与磨损,机床的制造、安装误差与磨损,机床、刀具的误差,切削过程中的受力、受热变形和摩擦振动,还有毛坯的几何误差及加工中的测量误差等。这些将使同种产品的几何参数、功能参数不可能完全一致,它们之间都或多或少地存在着差异。


图11常见误差类型


如图11(a)所示零件,尺寸40、20为设计要求。零件经过车削加工,由于机床本身的误差、车刀的结构特点、装夹偏差、量具误差等原因导致外圆柱面直径的尺寸实际偏差,有: 几何形状误差,如圆柱面的圆度误差、端面的平面度误差、轴心线的直线度误差等; 几何位置误差,如两端面的平行度误差、端面对轴心线的垂直度误差、内外圆柱面轴心线的同轴度误差等; 零件加工表面微观几何形状特性误差。
加工精度是指机械加工后,零件几何参数(尺寸、几何要素的形状和相互位置、轮廓的微观不平程度等)的实际值与设计理想值相符合的程度。加工误差是指实际几何参数对其设计理想值的偏离程度,加工误差越小,加工精度越高。
机械加工误差主要有以下几类:
(1) 尺寸误差零件加工后的实际尺寸对理想尺寸的偏离程度。理想尺寸是指图样上标注的*大、*小两极限尺寸的平均值,即尺寸公差带的**值。
(2) 形状误差加工后零件的实际表面形状对于其理想形状的差异(或偏离程度),如圆度、直线度等。
(3) 位置误差指加工后零件的表面、轴线或对称平面之间的相互位置对于其理想位置的差异(或偏离程度),如同轴度、位置度等。
(4) 表面微观不平度加工后的零件表面上由较小间距和峰谷所组成的微观几何形状误差。零件表面微观不平度用表面粗糙度的评定参数值表示。
在这样的情况下,要使同种产品具有互换性,只能使其几何参数、功能参数在一定范围内相似,其近似程度可以按照产品质量要求而变化。为了使产品的质量达到某一要求,就必须将几何参数、功能参数的不一致限制在某一范围内,其区间的大小即为参数所允许的变动量,即我们所说的公差。
互换性的应用非常广泛,不只是局限于机械产品,还包括电子电器产品等; 不但可以对零件提出互换性要求,同样也可以对部件(如滚动轴承)、整机(如电动机)等提出互换性要求。本课程仅仅讨论机械产品的零部件的几何参数互换性问题。
零件的几何参数误差,对机器和仪器的性能有很大影响,且零件的制造误差与零件的制造成本密切相关: 制造误差越小,制造成本越高。因此在设计机械产品的过程中,应当按照经济地满足产品使用性能要求为原则,对机械产品中的各个零件进行几何精度设计,即对每个零件规定适宜的几何量公差。
互换性在现代化工业生产中起着十分重要的作用。遵循互换性原则进行设计工作,可以*大限度地采用标准化和通用化的零部件,从而大大减少计算和绘图工作量,加快设计进度,同时也有助于采用计算机辅助设计。按照互换性原则设计的零件,是将各种零部件分散在不同工厂、不同车间,进行**、自动化生产的前提条件。在装配成机器时,对相同规格的零部件,无须进行挑选和辅助加工,可以极大地提高装配效率,也为实现装配过程的机械化和自动化创造条件,可以减轻装配工人的劳动强度,进一步提高劳动生产率。零部件的互换性,不但可以减少修理机器的时间和费用,还可以提高机器的利用率。总之,互换性是现代工业生产广泛遵守的一项原则,在保证产品质量、增加经济效益方面都具有十分重要的意义。
如图12所示为一种单级直齿圆柱齿轮减速器的俯视图,从图中可以看出,电动机通过皮带轮将动力传递到减速器的输入轴8,带轮与输入轴8通过键连接,输入轴8上面加工了一个斜齿圆柱齿轮,与圆柱齿轮6啮合,将动力通过键5传递到输出轴4。


图12单级减速器图
1—箱体; 2—轴承端盖; 3—圆锥滚子轴承; 4—输出轴; 5—键; 6—圆柱齿轮; 7—套筒; 8—输入轴


从减速器传递力矩的过程我们可以知道,输入轴8为高速转动轴,同时有整体式的斜齿圆柱齿轮,为了保证正常运转并传递力矩,首先要求轴与键的正确连接,因此要求键与轴的公差。为了保证轴颈40与轴承的正确装配关系,需要规定轴颈40的公差; 为了保证斜齿轮与输出轴上的圆柱齿轮6正确啮合,对斜齿轮的公差也要给予严格的规定。这些公差的规定和选用将在本教材的后续章节中进行探讨。图13是一种轧机轴的零件图纸,从图中我们可以看到零件图纸对其公差的规定主要包括几何尺寸及公差、形状和位置误差以及表面粗糙度公差等。


图13一种轧机轴零件图


1.1.2互换性的种类与作用
1. 互换性的种类

按照同种零、部件加工好以后是否实现互换的情形,可以把互换性分为完全互换性和不完全(有限)互换性两类。
完全互换性是指同种零、部件加工好以后,不需要经过任何挑选、调整或修配等辅助处理,便可以顺利装配,并在功能上达到使用性能要求。完全互换性的优点是做到零、部件的完全互换、通用,为专业化生产和相互协作创造条件,简化了修整工作,从而提高经济性。其主要缺点是: 当组成产品的零件较多、整机精度要求较高时,按此原则分配到每一个零件上的公差必然较小,造成加工制造困难、成本**。
不完全互换性是指同种零、部件加工好后,在装配前需经过挑选、分组、调整或修配等辅助处理,才可顺利装配,在功能上才能达到使用性能要求。在不完全互换性中,按实现方法不同又可以分为以下几种。
(1) 分组互换同种零、部件加工好以后,在装配前首先要进行检测分组,然后按组进行装配,大孔配大轴、小孔配小轴。仅仅同组的零、部件可以互换,组与组之间的零、部件不能互换。实际生产中,滚动轴承内、外圈滚道与滚动体的结合,活塞销与活塞销孔、连杆孔的结合,就是按分组互换装配的。
(2) 调整互换同种零、部件加工好以后,在装配时要用调整的方法改变它在部件或机构中的尺寸或位置,方能满足功能要求。例如,燕尾导轨中的调整镶条,在装配时要沿导轨移动方向调整它的位置,方可满足间隙的要求。
(3) 修配互换同种零、部件加工后,在装配时要用去除材料的方法改变它的某一实际尺寸的大小,方能满足功能上的要求。例如,普通车床尾座部件中的垫板,在装配时要对其厚度再进行修磨,方可满足普通车床床头与尾架****等高的精度要求。
不完全互换性的优点是在保证装配、配合功能要求的前提下,能适当放宽制造公差,使得加工容易,降低零件制造成本。装配时,通过采用上述的一些措施,获得质量较高的产品。其主要缺点是降低了互换性水平,不利于部件、机器的装配维修。
从使用要求出发,人们总希望零件都能完全互换,实际上大部分零件也能做到。但有时候,由于受限于加工零件的设备、精度要求、经济效益等因素,要做到完全互换就显得比较困难,或不够经济,这时就只得采用不完全互换的办法。对于标准化的部件,如滚动轴承,由于其精度要求较高,按完全互换的办法进行生产不尽合适,所以轴承内部零件的结合(内、外环滚道与滚动体的结合)采用分组互换,但其外部尺寸如轴承内环内径、外环外径要与轴和壳体孔结合,必须采用完全互换。前者通常称为内互换,后者通常称为外互换。所以,标准化的部件,当其内部结合不宜采用完全互换时,可以采用不完全互换的方式,但其外部结合应尽可能采用完全互换,以利于用户使用。
综上所述,进行机械产品设计,给组成零件规定公差时,只要能方便采用完全互换性原则生产的,都应遵循完全互换原则设计,当产品结构较复杂、装配要求又较高、同时用完全互换性原则有困难且不经济时,在局部范围内可以采用不完全互换性原则。其中,分组互换只用于批量较大的产品,结构中要求使用精度较高的那些结合件。修配互换一般只用在单件或小批生产的产品。而调整互换应用比较普遍,随批量不同而选择具体的结构,其中可调整补偿件通常是容易磨损并要求经常保持在较小范围变化的环节。
2. 互换性的作用
任何机械的生产,其设计过程都是整机→部件→零件; 而制造过程则是零件→部件→整机。无论设计过程还是制造过程,都要把互换性原则贯彻始终。
从产品的设计上看,在进行某一产品或其系列的设计时,零、部件具有的互换性使设计者可以尽量采用标准件、通用件,因而大大减少设计、计算、绘图等工作量,缩短设计周期。设计者应做到尽可能利用标准件和通用零、部件设计出不同的机器产品,同时也要考虑自己设计的零部件方便他人设计时选用。
从产品的制造上看,互换性生产方式是提高制造水平和生产文明程度的极其有效的形式。因为零、部件有了互换性,在标准化的基础上可以合理地组织大规模、专业化、分工合作生产,以便尽可能地采用先进的工艺方法和高生产率的专用设备,使产品质量稳定、成本降低。
从产品使用方面来看,零、部件的互换性可使整机装配时无须任何附加的挑选和修配,易于实现机械化、自动化和流水作业装配; 用户更换零、部件或修理亦可方便、及时,使机器或仪器的维修时间和费用显著减少。这不仅给工厂生产和人们日常生活带来极大益处,在军事上的意义也是非常重大的(如子弹、炮弹的互换性在战场上是何等重要)。
总之,零、部件的互换性的作用是:
(1) 为生产专业化创造**条件;
(2) 促进生产自动化发展;
(3) 有利于提高产品质量、降低生产成本;
(4) 减少修理机器的时间和费用;
(5) 为机器的标准化、系列化、通用化奠定基础,从而缩短机器的设计周期,促进新产品高速发展。
1.1.3互换性生产的发展
机械制造初期,互相配合的零件都实行“配作”。例如,做一辆手推车,车轮与车轴之间是有一定间隙要求的圆柱结合,要先做好车轮的孔或一根车轴,然后以此孔或轴为准,配作与之相结合的轴或孔,以达到要求的间隙,这种生产方式自然没什么互换性。随着生产技术的发展和对机械需求的增多,通过采用极限量规(一个通规、一个止规)等检测手段,逐渐使孔、轴可在不同处分别制造,并可达到互换性要求。如今,通过标准化,通过检测控制几何参数,一切机械零件都可分别成批大量制造,使互换性生产方式得到广泛的应用,并且已从几何参数的互换性发展到一切功能参数的互换性问题。
国内外互换性生产的发展,都是从军械制造开始的。我国古代在兵器制造中用互换性方式进行生产的历史,在世界上都是出现较早的。如从西安秦始皇兵马俑坑中发掘出来的弩机(即弓上射箭的扳机),所有零件均为青铜制造,其中几处孔、轴结合都具有互换性; 再如出土的大量铜镞(箭头),经过现代测量工具测试,同种镞之间的尺寸差别很小,而且表面微观几何形状误差很小。
近代互换性生产始于18世纪后半期,当时的英、法、德、俄等国,首先把互换性用于兵工生产。我国用互换性生产枪支、军械等近代武器大约始于20世纪30年代。现代的互换生产,无论其深度和广度,都进入了一个新阶段。在深度方面,从形体大小深入到影响产品质量的一切方面,精度从精密到超精密,在广度方面,从零件到部件,乃至整个产品; 从单一品种的专业生产线到多品种的可变生产系统(FMS),甚至计算机集成制造系统(CIMS); 从机械产品到电器、电子产品等。
1.2公差与配合标准发展简述
*早的公差制度出现在1902年的英国伦敦,当时随着机械工业的发展,互换性生产的规模和控制机器备件的供应提到日程上来了,因此要求企业内部有统一的公差与配合标准,以生产剪羊毛机为主的Newall公司制定了尺寸公差的“极限表”,这就是*早的公差制。
初期的公差标准有: 1906年英国的**标准B. S. 27; 1924年英国的**标准B. S. 164; 1925年美国的**标准A. S. A. B4a。德国**标准DIN在公差标准的发展史上占有很重要的位置,它的特点是在英、美初期公差标准的基础上采用基孔制和基轴制,并提出公差单位的概念; 规定标准温度为20℃,并**将精度等级和配合分开。苏联也在1929年颁布了“公差与配合”标准。
为了适应生产力的发展,便于国际交流,1926年成立国际标准化协会(ISA),在综合了德国标准(DIN)、英国标准(BSS)、法国标准(AFNOR)和瑞士标准(SNV)的基础上,于1932年提出国际标准化协会ISA的议案,但一直到1940年才正式颁布国际公差与配合标准。1947年2月国际标准化协会重新组建并改名为国际标准化组织(ISO),1962年ISO在ISA标准的基础上制订并公布了公差与配合标准以后陆续又制订了一系列标准,构成现行的国际公差标准。
在我国,互换性用于现代制造业也主要开始于兵器制造。如1931年的沈阳兵工厂和1937年的金陵兵工厂,在互换性生产上当时已经有相当的规模,其历史比许多发达**晚。而且在当时的旧中国,由于工业落后,加之帝国主义侵略、军阀割据,根本谈不上有统一的公差标准,那时全国采用的公差标准很混乱,有德国标准DIN、日本标准JIS、美国标准ASA。1944年当时的经济部**标准局曾颁布过中国标准CIS,但实际上未曾实行。
中华人民共和国成立后,随着社会主义建设的发展,我国在吸收了一些**在公差标准方面的经验以后,以苏联标准为基础,于1955年由**机械工业部制定、颁布了**个公差与配合标准,1959年由**科委正式颁布了《公差与配合》**标准(GB 159~174—1959)。接着又制定了各种结合件、传动件公差标准,表面光洁度标准等。随着经济建设的发展和国际交往的日益广泛,旧有的公差标准不适应新形式的要求,1979年起,标准化工作逐步与国际标准(ISO)接轨,标准体系发生了极大的变化,在**标准局的统一领导下,有计划地对原有标准进行了修订,因此有了一系列标准: 《公差与配合》(GB 1800~1804—1979)、《形状和位置公差》(GB 1182~1184—1980)、《光滑极限量规》(GB 1957—1981)、《光滑工件尺寸的检验》(GB 3177—1982)、《〈光滑工件尺寸的检验〉使用指南》(JB/Z 181—1982)和《统计尺寸公差》(JB/Z 304—1987)。在此基础上,又进一步制定了《铸件尺寸公差与机械���工余量》(GB 6414—1999)和《尺寸链计算方法》(GB 5847—1986)等。这些新一代的公差标准还在不断完善,又按等同采用的原则,将GB 1804修订为**标准《一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差》(GB/T 1804—2000),GB/T 1800—1979已经被《极限与配合基础》(GB/T 1800.1—2009)(GB/T 1800.2—2009)代替,《光滑工件尺寸的检验》(GB/T 3177—2009)已经代替GB/T 3177—1997。在圆锥和角度方面,有《锥度与锥角系列》(GB/T 157—2001)、《圆锥公差》(GB/T 11334—2005)、《圆锥配合》(GB/T 12360—2005)、《棱体的角度与斜度系列》(GB/T 4096—2001)和《未注公差的线性和角度尺寸的公差角度的极限偏差》(GB/T 1804—2000)等**标准,这些标准多是在1989年以后制定的。《公差原则》(GB/T 4249—2009)代替了GB/T 4249—1996,并更新了《形状和位置公差*大实体要求、*小实体要求和可逆要求》(GB/T 16671—2009)。
总之,我国目前已经建立并形成了与国际标准相适应的基础公差标准体系,可以较好地满足经济发展和对外交流的需要。
1.3标准化与优先数系
在机械制造中,标准化是广泛实现互换性生产的前提,而公差与配合等互换性标准都是重要的基础标准。现代制造业的生产特点是规模大、分工细、协作单位多、互换性要求高。为了适应生产中各个部门的协调和各生产环节的衔接,必须有一种手段,使分散的、局部的生产部门和生产环节保持必要的统一,成为一个有机的整体,以实现互换性生产。标准和标准化是联系这种关系的主要途径和*有效的手段,标准化是实现互换性生产的基础。
1.3.1标准与标准化
标准是对重复性事物和概念进行的统一规定,它以科学、技术和实践经验的综合成果为基础,经有关方面协商一致,由主管机构批准,以特定形式发布,作为共同遵守的准则和依据。
标准化是指在经济、技术、科学及管理等社会实践中,对重复性事物和概念通过制定、发布和实施标准,达到统一,以获得*佳秩序和社会效益的全部活动过程。标准化包括制订标准和贯彻标准的全部活动过程。这个过程是从探索标准化对象开始,经调查、实验、分析,进而起草、制订和贯彻标准,而后修订标准。因此,标准化是一个不断循环而又不断提高其水平的过程。
标准按其性质分为技术标准、生产组织标准和经济管理标准三大类。通常所说的标准大多是指技术标准。
按照对象的特征,标准分为基础标准、产品标准、方法标准、卫生标准和**及环境保护标准等。本课程研究的公差标准、检测器具标准和方法标准,大多属于**基础标准。
1.3.2标准的分级与分类
1. 标准的分级

标准化领域是十分广泛的,为了保证基层标准与上级标准的统一、协调,我国标准按行政体系分三级: **标准、部颁标准和企业标准。
**标准是指对全国经济、技术发展有重大意义而必须在全国范围内统一的标准(代号为GB),由**质量技术监督局(原为**标准局)委托有关部门起草,经审批后由**质量技术监督局发布。部颁标准是指对一个部经济、技术发展有重大意义而必须在部范围内统一的标准,由主管部门或由有关部门主持联合制订发布,并报**质量技术监督局备案。企业标准是指部以下的机构制订发布或不必发布的标准,包括工厂标准、行业标准、地方标准等。
为加强标准的统一性,必须强调**标准的比重,**标准是骨干。但也允许各企业按其具体情况,制订本企业自己掌握且高于**标准的标准,这种标准称之为“内控标准”,一般是不公开的。它不但可以补充**标准的不足,同时,使一些生产技术水平较高的企业能充分发挥它们的先进技术,挖掘企业的生产潜力,采用新的科学技术成果,生产更多更高质量的产品。不但如此,还能充分积累经验和数据,为进一步修订**标准、提高**标准水平奠定技术基础。
2. 标准的分类
标准可以按不同的方法分类。标准按照其性质,可分为技术标准、工作标准和管理标准。技术标准是指根据生产技术活动的经验和总结,作为技术上共同遵守的法规而制订的各项标准。工作标准是指对工作范围、构成、程序、要求、效果和检查方法等所作的规定。管理标准是指对标准化领域中用于协调、统一和管理所制订的标准。
技术标准按照标准化对象的特征,可分为以下几类:
(1) 基础标准以标准化共性要求和前提条件为对象的标准,它是为了保证产品的结构、功能和制造质量而制订的,一般工程技术人员必须采用的通用性标准,也是制订其他标准时可依据的标准。计量单位、术语、概念、符号、数系、制图和技术通则标准,以及公差与配合标准等,均属基础标准范畴。这类标准是产品设计和制造中必须采用的技术数据和工程语言,也是精度设计和检测的依据。国际标准化组织(ISO)和各国标准化机构都很重视基础标准的制订工作。

目录 CONTENTS 第1部分互换性的基础知识 第1章概论 1.1互换性与公差 1.2公差与配合标准发展简述 1.3标准化与优先数系 1.4本课程的性质和特点 习题 第2章尺寸极限与配合 2.1概述 2.2公差与配合的基本术语 2.3光滑孔、轴的公差与配合设计 2.4其他尺寸公差带规定 2.5尺寸极限与配合应用实例 习题 第3章几何公差 3.1概述 3.2基本概念 3.3几何公差的符号及标注 3.4几何公差定义和公差带解释 3.5几何公差及其应用实例 习题 第4章公差原则及其应用 4.1独立原则 4.2几何公差与尺寸公差的关系 4.3有关公差原则的术语及定义 4.4包容要求 4.5*大实体要求及其应用 4.6*小实体要求及其应用 4.7可逆要求及零几何公差 习题 第5章表面粗糙度及其评定 5.1概述 5.2表面粗糙度的评定参数及数值 5.3表面粗糙度的选用 5.4表面粗糙度的标注 习题 互换性与测量技术(第2版) 目录 第2部分典型件的互换性 第6章滚动轴承、键的公差与配合 6.1滚动轴承的公差与配合 6.2键与花键连接的互换性 6.3减速器所应用的滚动轴承、键的公差选用 习题 第7章圆锥的公差与配合 7.1圆锥与圆锥配合 7.2圆锥公差及其应用 7.3圆锥角和锥度的测量 习题 第8章螺纹结合的互换性 8.1概述 8.2螺纹结合的互换性问题 8.3普通螺纹的公差与配合 习题 第9章渐开线圆柱齿轮公差与检测 9.1概述 9.2齿轮误差的评定指标及检测 9.3齿轮副误差的评定指标及其检测 9.4齿轮精度标准及其应用实例 习题 第3部分测量技术基础 第10章测量技术基础 10.1测量的基本概念 10.2计量管理、计量仪器和测量方法 10.3测量方法的有关原则 10.4测量误差及数据处理 习题 第11章尺寸的检验 11.1注出公差的尺寸检验 11.2常用尺寸的测量仪器 11.3光滑极限量规设计 习题 第12章几何误差的评定与检测 12.1几何误差的定义及有关规定 12.2几何误差的评定准则 12.3几何误差的检测原则 12.4几何误差的检测 习题 第13章表面粗糙度的检测 13.1光切法 13.2干涉法 13.3触针扫描法 13.4比较法 13.5印模法 习题 第4部分尺寸链 第14章尺寸链 14.1基本概念 14.2尺寸链的极值法计算 14.3尺寸链的概率法计算 14.4保证装配精度的其他措施 习题 参考文献