互换性的基础知识.ppt

1 第一章 2 1-1 互换性简史 1-2 互换性与公差 3 1-1 互换性简史 互换性原理始于兵器制造。在中国，早在战国时期 （公元前476前222）生产的兵器便能符合互换性要 求。西安秦始皇陵兵马俑坑出土的大量弩机（当时的一 种远射程的弓箭）的组成零件都具有互换性。这些零件 是青铜制品，其中方头圆柱销和销孔已能保证一定的间 隙配合。18世纪初，美国批量生产的火枪实现了零件互 换。随着织布机、缝纫机和自行车等新的机械产品的大 批量生产的需要,又出现了高精度工具和机床,促使互换 性生产由军火工业迅速扩大到一般机械制造业。 4 20世纪初，汽车工业迅速发展，形成了现代化大工 业生产，由于批量大和零部件品种多，要求组织专业化 集中生产和广泛的协作。工业标准是实现生产专业化与 协作的基础。机械工业中最重要的基础标准之一是公差 与配合标准。1902年英国纽瓦尔公司编制出版的“极限 表”，是世界上最早的公差与配合标准。30年代前后， 各工业国家都颁布了公差与配合国家标准。 5 6 7 1-2 互换性与公差 一、互换性的定义 互换性 同一规格的一批零件或部件中，任取其一，不需任 何挑选或附加修配就能装在机器上，达到规定的功能要求。 例 灯头和灯泡，螺钉螺母，滚动轴承 汽车、自行车、缝纫机、手表 日用工业品、机床、汽车、电子产品、军工产品 互换性应该同时具备两个条件： v 不需经过任何选择、修配或调整便能装配、维修更换； v 装配或更换后的整机能满足其使用性能要求。 互换性是机械制造、仪器仪表和其他许多工业生产中产品设计 和制造的重要原则。 8 互换性的分类 按其互换程度分为完全互换和不完全互换。 完全互换（绝对互换）：要求零部件在装配时，不需要挑 选和辅助加工，在几何参数上互相替换。 不完全互换（有限互换）：允许零部件在加工完后，通 过测量将零件按实际尺寸大小分为若干组，使各组组内零件间 实际尺寸的差别减小，装配按对应组进行。 厂际合作 既可保证装配精度和使用要求，又能解决加工上的困 难，降低成本。但此时，仅组内零件可以互换，组与 组之间不可互换。 厂内制造装配 9 互换性的意义 o设计方面：可以最大限度地采用标准件、通用件和标准部 件，大大简化了绘图和计算工作，缩短了设计周期，并有利 于计算机辅助设计和产品的多样化。 标准化设计 CAD o制造方面：有利于组织专业化生产，便于采用先进工艺和 高效率的专用设备，有利于计算机辅助制造，及实现加工过 程和装配过程机械化、自动化，从而可以提高劳动生产率和 产品质量，降低生产成本。 优质高效低成本 o使用维修方面：具有互换性的零部件在磨损及损坏后可 及时更换，因而减少了机器的使用和维修的时间和费用，提 高了机器的使用价值。 10 二、几何量的误差与公差 1.误差：尺寸、形状、位置、表面粗糙度。 2.公差：允许零件几何参数的变动量。是允许的最大误差。 3.误差与公差的区别：误差是在加工中产生的，要控制在规定 的公差范围内；公差是在设计中给定的。 互换性 几何参数：尺寸大小，几何形状（宏、微观），形面间相互 位置关系等。 机械（力学）性能：硬度、强度。 理化性能：化学成分。 设计者的任务在于正确地确定公差，并把它 在图样上明确地表示出来。 完全一致不可能。 达到互换性并不要求相同规格的零、部件几何参数绝对相同，而是 允许保持在一定的范围内变动。 11 第二章 圆柱结合的极限与配合 2-1 极限与配合的常用词汇 2-2 标准公差系列 2-3 基本偏差系列 2-4 标准公差带 2-5 尺寸精度及配合的设计 2-6 一般公差 12 21 极限与配合的常用词汇 国标 (GB/T 1800.1-1997) 极限与配合 基 础 第1部分：词汇规定了极限与配合的基本术 语和定义。 一、有关尺寸的术语 1.尺寸：以特定单位表示线性尺寸值的数值。 广义地说：尺寸也包括以角度单位表示角度尺寸的数值。 13 2. 孔和轴 孔(hole)：指工件的圆柱形内表面，也包 括非圆柱形内表面（由两平行平面或切面 形成的包容面）。 轴(shaft)：指工件的圆柱形外表面，也包括非圆柱形外表 面（由两平行平面或切面形成的被包容面）。 理解： v从加工看：孔的尺寸越加工越大，轴的尺寸越加工越小； v从配合看：孔是包容面，如轴承内圈的内径，轴上键槽宽度等；轴是被包容面，如圆 柱体直径、长度；长方体长、宽、高；键宽等。 v一般来说，零部件上的尺寸要么是孔，要么是轴，但有一类尺寸例外，既不是孔，也 不是轴，如两个孔的中心距尺寸。 d1 D 1 D 2 14 分析孔、轴尺寸及非孔轴尺寸 图2-1 15 3. 基本尺寸 设计给定的尺寸。 D 孔的基本尺寸 d 轴的基本尺寸 v尽量符合标准尺寸系列，减少加工用刀具、量具和 夹具的种类。 v例如 、35、 中35都是基本尺寸。 16 4. 实际尺寸 通过测量获得的尺寸。 Da 孔的实际尺寸 da 轴的实际尺寸 v按同一图纸要求加工的各个零件，其实际尺寸往往是不 相同的，这是由于加工误差的存在。 v甚至同一个零件的不同位置、不同方向的实际尺寸也往 往不同，存在形状误差。 17 5. 极限尺寸 允许尺寸变化的两个极限值。 最大极限尺寸 Dmax、dmax 最小极限尺寸 Dmin、dmin v极限尺寸是以基本尺寸为基数来确定的。 v极限尺寸用于控制实际尺寸，合格的零件其实际尺寸应 位于极限尺寸之中，也可达到极限尺寸。 18 6. 最大实体极限(MML) v最大实体极限(MML)：孔或轴 在尺寸极限范围内，具有材料 最多时的那个极限尺寸。 v对于孔： v对于轴： 是最小极限尺寸Dmin 是最大极限尺寸dmax 19 7. 最小实体极限(LML) v最小实体极限(LML)：孔或轴 在尺寸极限范围内，具有材料 最少时的那个极限尺寸。 v对于孔： v对于轴： 是最大极限尺寸Dmax 是最小极限尺寸dmin 20 二、有关偏差与公差的术语 1.尺寸偏差：某一尺寸减其基本尺寸所得的代数差称尺寸偏差，简称偏差。 孔：上偏差 ES=Dmax-D 下偏差 EI=Dmin-D 轴：上偏差 es=dmax-d 下偏差 ei=dmin-d 上偏差：最大极限尺寸减其基本尺寸的代数差 孔 ES, 轴 es 下偏差：最小极限尺寸减其基本尺寸的代数差 孔 EI, 轴 ei 极限偏差：上偏差和下偏差统称 实际偏差：实际尺寸减其基本尺寸的代数差 v由于满足孔与轴配合的不同松紧要求，极限尺寸可能大于、小于或等于其基本尺寸。因此，极 限偏差的数值可能是正值、负值或零值。故在偏差值的前面除零值外，应标上相应的“+”号或“ ”号。 v偏差的标注：上偏差标在基本尺寸右上角；下偏差标在基本尺寸右下角。 v例： 表示基本尺寸为25，上偏差为0.020mm，下偏差为0.033mm。 21 2.尺寸公差：允许尺寸的变动量。 最大极限尺寸与最小极限尺寸的代数差的绝对值 上偏差与下偏差的代数差的绝对值 精度要求，给定T，制造愈难。 公差值无正负含义。它表示尺寸变动范围的大小。不应出现“+”、“-”号。 22 公差与极限偏差的比较 两者区别： o 从数值上看：极限偏差是代数值，正、负或零值是有意义的；而 公差是允许尺寸的变动范围，是没有正负号的绝对值，也不能为 零（零值意味着加工误差不存在，是不可能的）。实际计算时由 于最大极限尺寸大于最小极限尺寸，故可省略绝对值符号。 o 从作用上看：极限偏差用于控制实际偏差，是判断完工零件是否 合格的根据，而公差则控制一批零件实际尺寸的差异程度。 o 从工艺上看：对某一具体零件，公差大小反映加工的难易程度， 即加工精度的高低，它是制定加工工艺的主要依据，而极限偏差 则是调整机床决定切削工具与工件相对位置的依据。 两者联系： 公差是上、下偏差之代数差的绝对值，所以确定了两极限偏差也就确定了公差。 23 有关尺寸的术语 图2-2 24 3.公差带：以基本尺寸为零线，用适当比例画出的代表 上偏差和下偏差的两条直线所限定的区域。 孔 轴 0 基本尺寸 ES EI es ei TD Td + - n 标准公差：确定公差带大小。 n 零线：表示基本尺寸的一条直线，以其为基准确定偏差和公 差，零线以上为正，以下为负。 n 尺寸公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区 域，表示尺寸允许变化的界限。公差带有两个基本参数，即 公差带大小与位置。大小由标准公差确定，位置由基本偏差 确定。 n 基本偏差：用以确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏 差。一般为距离零线最近的那个极限偏差。 25 尺寸公差带图（举例） o 画出基本尺寸为 50，最大极限尺寸为 50 .025 、最小极限尺寸为 50 mm的孔与最大极限尺寸 为 49.975 、最小极限尺寸为 49.959mm的轴 的公差带图。 0 + - 50 孔 轴 +0.025 -0.025 -0.041 26 解：孔的上偏差ES 孔的下偏差EI 轴的上偏差es 轴的下偏差ei 孔的公差 轴的公差 27 三、有关配合的术语 1.间隙与过盈 间隙：孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸之差0；用S表示。 过盈：孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸之差500 3150 大尺寸时i与D成线性关系 -与基本尺寸有关 39 2. 公差等级 nT=ai基本尺寸一定，公差等级系数唯一决定公 差大小。 n公差等级分为20级 IT01, IT0, IT1, , IT18 依次 降低，系数依次增大。 n各级公差值计算方法表22，表23 40 表22 nIT6IT18级，a值按R5优先数系增加，公比为 尺寸500mm、公差等级从IT5IT18,尺寸5003150mm、公 差等级从IT1IT18的各级标准公差计算公式 41 nIT01IT1级，线性关系，主要考虑测量误差； nIT2IT4级，几何级数分布。 表23 公差等级 42 n为了减少公差数目、统一公差值、简化公差表格和便于 应用，国家标准对基本尺寸进行了分段。如P13表2-4。 n尺寸分段后，对同一尺寸分段内的所有基本尺寸，在公 差等级相同的情况下，规定相同的标准公差。 n基本尺寸3150mm内，分成21个主段落。 n在相应的尺寸分段内，标准公差是按首、尾两个尺寸的 几何平均值来计算的。 3. 基本尺寸分段 例：尺寸段1018： 43 44 例2-1 IT6=10i10X1.3113.113m IT7=16i16X1.3120.96 21 m 基本尺寸为30mm，求IT6和IT7的标 准公差值。 解： 30mm属于1830mm的尺寸分段， 几何平均值： 公差单位： 45 46 标准公差（P14表2-5）的特点 o IT6可读作：标准公差6级或简称6级公差。 o 同一基本尺寸的孔与轴，其标准公差数值大小应随公差 等级的高低而不同。 公差等级，公差值 o 同一公差等级的孔与轴，随着基本尺寸大小的不同应规 定不同的标准公差值。 基本尺寸，公差值 o 公差是加工误差的允许值，同一等级的公差具有相同的 加工难易程度。 o 标准公差的数值，一与公差等级有关，二为基本尺寸的 函数。 47 23 基本偏差系列 o 基本偏差是靠近零线的那个偏差，用来确定公差带相对于 零线位置的上偏差或下偏差。 o 各种位置的公差带与基准件将形成不同的配合，配合种类 的多少取决于基本偏差的数量。 o 国家标准对孔和轴分别规定了28个基本偏差。 o 基本偏差的代号用拉丁字母表示，大写字母代表孔，小写 字母代表轴。26个字母I,L,O,Q,W + CD,EF,FG,JS,ZA,ZB,ZC. o 基本偏差的数值按表2-6所列公式计算。这些公式是根据设 计要求、生产经验和科学试验，经数理统计分析得出。 o H和h的基本偏差为0，H为基准孔，h为基准轴。 o Js和js是对称分布，基本偏差为+IT/2或-IT/2，逐渐取代 近似对称的偏差J和j。 o 公差带的另一极限偏差由公差等级决定。 48 在基轴制的情况下孔的28种基本偏差 在基孔制的情况下轴的28种基本偏 差 基本偏差为下偏差EI 基本偏差为上偏差es 基本偏差为上偏差ES 基本偏差为下偏差ei 49 50 一、轴的基本偏差 是以基孔制配合为基础而制定的。 51 一、轴的基本偏差 uah：用于间隙配合，基本偏差的绝对值等于 最小间隙； ujn：主要用于过渡配合，保证孔轴配合时对 中，拆卸不困难； upzc：过盈配合，基本偏差为下偏差，保证 足够连接强度，正常传递扭矩。 按表计算后，轴的基本偏差值见P19表27：GB/T1800.3-1998 例如：查表求50f6的上、下偏差。 es=-25m IT6=16 m 轴的另一个偏差计算：es=ei+IT, ei=es-IT 52 53 54 二、孔的基本偏差 u 通用规则：用同一字母表示的孔、轴基本偏差的绝对值相等，而符号相反。 应用范围：AH: EI= -es K.M.NIT8、PZCIT7: ES= -ei u是以轴的基本偏差换算得来的。 u换算的前提是：保证按基轴制形成的配合和按基孔制形 成的同名配合性质相同。 25F7/h6 与25H7/f6 25H8/f8 与 25F8/h8 55 二、孔的基本偏差（续） 特殊规则： u 基本尺寸3500mm，标准公差等级低于IT8的孔的基本偏差N,其数值ES=0; u 基本尺寸3500mm，且在公差等级IT8的K、M、N和公差等级IT7的PZC的孔的基本 偏差和相应轴的基本偏差ei符号相反，而绝对值相差 u 因为在较高公差等级中，孔比同级的轴加工困难，常采用孔比轴低一级相配合。 孔的基本偏差值见P21表28：GB/T1800.3-1998 孔的另一个偏差计算：ES=EI+IT, EI=ES-IT 例如：查表求25P7的上、下偏差。 ES=-22+=-22+8=-14m IT7=21 m 56 57 58 例2-2 计算25H7/x6, 25X7/h6的基本偏差以 及两种配合的极限过盈。 解： 由例2-1或查表2-525IT6=13m 25IT7=21m H是基准孔，其基本偏差 EI=0 h是基准轴，其基本偏差 es=0 查表2-6 x是轴的基本偏差，查表2-6计算为 ： X是孔的基本偏差，利用特殊规则计算为： 两种配合的 极限偏差分 别为： 59 例2-2 计算25H7/x6, 25X7/h6的基本偏差以 及两种配合的极限过盈。 0 + - 25 孔 +0.021 轴 +0.077 +0.064 过盈配合 max= EI-es = 0-(+0.077) = -0.077mm min= ES-ei = +0.021-(+0.064) = -0.043mm 0 + - 25 孔 -0.013 轴 -0.056 -0.077 过盈配合 max= EI-es = -0.077-0 = -0.077mm min= ES-ei = -0.056-(-0.013) = -0.043mm 60 举例 查表写出以下轴50f6, 108m6, 180p6的公差带,及孔 50H7,108M7,180P7的公差带。 解： 查表27 50f6 es=-0.025, IT6=0.016, ei=-0.041 108m6 ei=+0.013, IT6=0.022, es=+0.035 180p6 ei=+0.043, IT6=0.025, es=+0.068 即 查表28 50H7 EI= 0, IT7=0.025, ES=+0.025 108M7 ES= 0, IT7=0.035, EI=-0.035 180P7 ES=-0.028, IT7=0.04, EI=-0.068 即 61 作业 P204 3 62 24 标准公差带 1.公差及配合代号与标注 （1）公差带代号基本偏差代号公差等级代号如H7，h6，M8，d9等 标注：可以标注极限偏差，也可以标注尺寸公差带代号或两者都标注。 （2）配合代号 由相互配合的孔轴公差带以分数形 式组成，孔公差带为分子，轴公差 带为分母。 63 2.标准公差带 图2-10 基本尺寸至500mm的孔的标准公差带（202种） 图2-11 基本尺寸大于500mm至3150mm的孔的标准公差带（82种） 图2-12 基本尺寸至500mm的轴的标准公差带（204种） 图2-13 基本尺寸大于500mm至3150mm的轴的标准公差带（79种） u按国标提供的标准公差（20等级）和基本偏差（28种） ，可以组成543个孔公差带和544个轴公差带。这么庞 大和繁杂的公差带全部使用将不利于生产。 uGB/T 1800.4-1999对公差带进行了规定： 64 65 66 67 68 3.一般、常用、优先公差带和配合 u标准公差带种数仍然太多，对生产不利。 u为尽可能减少零件、定值刀、量具和工艺装备的品种，降 低生产成本， GB/T 1801.4-1999对尺寸500mm 轴孔公差带又做了进一步规定： 69 图2-14 一般、常用和优先的轴公差带 一般：116 常用：59 优先：13 70 图2-15 一般、常用和优先的孔公差带 一般：105 常用：44 优先：13 71 表2-10 基孔制常用、优先配合 常用59、优先13 种，轴的标准公差IT7，与低一级的孔相配合，其余同 级 72 表2-11 基轴制常用、优先配合 常用47、优先13 种，孔的标准公差IT7、8，与高一级的相配轴合 73 25 尺寸精度及配合的设计 内容：确定基准制、公差等级、配合种类。 原则：既要保证机械产品的性能优良，同时兼顾制造上的 经济可行。 一、基准制的选用 u基孔制和基轴制是两种平行的配合制。基孔制配合能满足 要求的，用同一偏差代号按基轴制形成的配合，也能满足 使用要求。如H7/k6与K7/h6配合性质基本相同，称为同名 配合。 u基准制的选用主要根据加工工艺、结构及经济性来选择。 74 一、基准制的选用 1.一般情况下，应优先选用基孔制。因为孔加工较轴 困难，减少孔加工用的定尺寸刀、量具。 基轴制仅用于有明显经济效果的情况。 用冷拉钢材作轴，外圆不经加工。 在同一基本尺寸的轴上，需装上不同配合的零件。 75 2.与标准件配合时，依标准件而选。 3.在实际生产中，由于结构或某些特殊需要，允许采用非基准制 配合。当机构中出现一个非基准孔（轴）和两个以上的轴（孔 ）配合时，其中肯定有一个非配合制配合。 例如：滚动轴承 内圈与轴颈配合：基孔制 外圈与外壳孔配合：基轴制 76 实质：确定尺寸的制造精度，与加工难易程度、加工成本和 零件的工作质量有关。公差等级越高，合格尺寸的大小越趋一 致，配合精度就越高，但加工的成本也越高。 二、公差等级的选用 选用的基本原则： u保证产品质量条件下，尽可 能选择较低的精度等级。 选用的方法：一般采用 类比法。已知配合要求的 也可采用计算法。 77 选用时的一般原则： 1.应遵循工艺等价的原则，即相互结合的零件，其加工难易程 度应基本相当。 u 尺寸500mm，公差等级高于IT8时，推荐孔比轴低一 级。例如H8/m7、K7/h6等； u 尺寸500mm，公差等级低于IT8时，推荐孔与轴同级 。例如H9/h9、D9/h9等； u 公差等级IT8为临界值，孔与轴可同级，也可孔比轴低 一级。例如H8/f8、H8/k7等； u 尺寸500mm，一般采用孔轴同级配合。 78 选用时的一般原则： 2. 相配合的零部件精度应相匹配。 如：与齿轮孔相配合的轴的精度受齿轮精度制约；与滚动 轴承相配合的外壳孔和轴的精度应与滚动轴承精度相 匹配。 3.过盈、过渡和较紧的间隙配合，精度等级不能太低 ，一般孔IT8，轴IT7。 4.非基准制的配合中，当配合精度要求不高，为降低 成本，允许配合零件公差等级相差23级。 79 公差等级的应用范围 80 各种加工方法的合理加工精度 81 三、配合的选用 主要就是根据零件的使用要求，确定配合类型，确定与基准 件相配的孔、轴的基本偏差代号，确定基准件及配合件的公 差等级。 优先 常用 一般 合用 基本方法：计算法、试验法和类比法三种。 1. 计算法 n 根据一定的理论和公式，计算出所需的间隙或过盈。 n 根据公式计算可以求出为满足机械零件功能要求的间隙或过 盈的极限值，根据这些数值便可选择最接近的配合种类。 n 必要时，再根据所选配合的间隙或过盈的极限值，用上述公 式校核，看最后结果是否满足其功能要求。 82 2. 试验法 n 对产品性能影响大的一些配合，往往需用试验法来确定机 器工作性能的最佳间隙或过盈。 n 试验法比较可靠，但进行大量试验成本较高。 3. 类比法 n 类比法是按同类机器或机构中，经过生产实践验证的已用 配合的实用情况，再考虑所设计机器的使用条件，确定需 要的配合。 n 生产实践中，广泛应用的选择配合的方法是类比法。掌握 这种方法首先必须分析机器或机构的功用、工作条件及技 术要求，进而研究结合性的使用要求，其次要了解各种配 合的特性和应用。 83 1）分析零件的工作条件及使用要求 n工作时结合件的相对位置状态：运动速度、运动方向 、停歇时间、运动精度等； n承受负荷情况；润滑条件；温度变化； n配合的重要性；装卸条件；材料的物理机械性能 3. 类比法 84 表212 工作情况对过盈或间隙的影响 85 n间隙配合有AH（ah）共11种。特点：利用间隙贮存润 滑油及补偿温度变形、安装误差、弹性变形等所引起的误差。 生产中应用广泛，不仅用于运动配合，加紧固件后也可用于传 递力矩。不同基本偏差代号与基准孔（或基准轴）分别形成不 同间隙的配合。主要依据变形、误差需要补偿间隙的大小、相 对运动速度、是否要求定心或拆卸来选定。 n过渡配合有JSN（jsn）4种。特点：定心精度高且可拆卸 。也可加键、销紧固件后用于传递力矩，主要根据机构受力情 况、定心精度和要求装拆次数来考虑基本偏差的选择。定心要 求高、受冲击负荷、不常拆卸的，可选较紧的基本偏差，如 N(n),反之应选较松的配合，如:K(k)或JS(js)。 2）了解各类配合的特性和应用 86 n过盈配合有PZC（pzc）13种。特点：由于有过盈 ，装配后孔的尺寸被胀大而轴的尺寸被压小，产生弹性 变形，在结合面上产生一定的正压力和摩擦力，用以传 递力矩和紧固零件。选择过盈配合时，如不加键、销等 紧固件，则最小过盈应能保证传递所需的力矩，最大过 盈应不使材料破坏，故配合公差不能太大，所以公差等 级一般为IT5IT7。基本偏差根据最小过盈量及结合 件的标准来选取。 87 表213 轴的基本偏差选用说明 （对孔也适用） 88 表213 轴的基本偏差选用说明（续） （对孔也适用） 89 表213 轴的基本偏差选用说明（续） （对孔也适用） 90 表213 轴的基本偏差选用说明（续） （对孔也适用） 91 表214 优先配合选用说明 92 表214 优先配合选用说明（续） 93 例2-3 设有基本尺寸为30mm的孔、轴配合，要求保证间隙在 +20+76m之间，试从国家标准中确定孔、轴的公差带与配合的代 号。希望采用基孔制。 解：(1)选择基准制。按要求选择基孔制，孔的基本偏差代 号为H，EI=0。 (2)确定公差等级。 假设孔、轴同级，TDTdTf/228m 查表2-5.孔轴公差等级介于IT7和IT8之间:IT7=21m, IT