公差与配合及测量技术演示文稿1 赵武.ppt

1、极限配合与测量技术基础 河南理工大学机械学院 赵武,课程的相关性与联系性,1.是专业主干基础课，也是机械工程一级学科主干基础课。 2.是联系设计系列和工艺系列的纽带，也是架设在基础、实践和专业间的桥梁； 3.贯穿于产品的全部活动过程。 4.与世界接轨，提高水平。 课程具有很强的实践性。因此，必须重视实践环节。本课程给出的仅是基本概念与理论，真正的掌握与应用必须在不断的实践-理论-实践的循环中善于总结 ，才能达到自由王国的境界。,教学安排,1 .特点：理解记忆内容多。2 .重要性：承上启下。从课程设计毕业设计实际工作。3 .实验4学时。4 .组成：上课，作业，测验，实验，考试。5 .性质：理论和

2、实践紧密结合。6 .任务：如何解决使用与制造的矛盾。这一矛盾的解决是依靠合理确定公差和采用适当的计量手段。(制造业的两只眼睛) 7 .要求：掌握互换性与技术测量的基本原理。会使用各种公差标准与标注，并能进行一般的计量检测工作，为今后的学习和工作打下良好和坚实的专业基础。,推荐的课外阅读参考资料,1 .国家标准：形状和位置公差. 中国标准出版社，2002 2 .王伯平.互换性与测量技术基础.机械工业出版社，2000 3 .GB/T 1801-1999 极限与配合 公差带和配合的选择 4 .GB/T 1800.4-1999 极限与配合 标准公差等级和孔、轴的极限偏差表 5 .GB/T 1958-2

3、004 产品几何量技术规范（GPS）形状和位置公差 检测规定 中国国家标准化管理委员会,课程学习要求,1.欢迎教学互动。 2.课堂点名,计入平时成绩。 3.多媒体与板书结合. 4.考试成绩占75%。 5.会在课堂适当提问。 6.点名累计4次不到,不能参加考试。,第一章 绪 论,车轮与车轴的配合型式,1.1 制造业中的互换性,制造装备，装备中国 互换性介绍 学术角度:极端制造的两个层面,航天飞机,中国海军“基洛” 级潜艇,1千吨级热壁加氢反应器,万吨水压机,平朔 58 m3电铲,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,X-Y- PZT微动平台,X-Y微动平台,纳米刻蚀是“从上而

4、下”纳米制造方法的典型。北京大学纳米中心的学者通过AFM针尖对基质Au-Pa合金上的机械刻蚀，书写了世界上最小的唐诗（10微米10微米）,世界上最小的唐诗书法,超微型中国地图：纳米中国地图,中科院化学所的科学家，利用STM针尖在石墨表面刻蚀的方法，形成各种纳米图案。左图即是他们刻蚀的纳米级中国地图，刻线粗细为10纳米。,互换性与技术测量不仅将实现互换性生产的标准化领域或计量学领域的有关知识结合在一起，而且还与机械产品的设计、制造、质量监控、管理等方面密切相关，它不仅是随着机械工业的发展而发展的，而且与微型计算机、激光、新材料、遗传工程等带头学科的发展密切相关，这一点已被各国发达的科学生产技术所

5、证实。,另外，互换性的发展，不仅指大批量互换性到单件、小批量的互换性，甚至已超出了机械工业的领域，扩大到其它行业，典型的就是发展迅猛的微电子工业。例如，超大规模的集成电路，要求1 mm2的表面上集成1000个晶体管，线条宽度只有1mm，形状、位置公差允许0.1um，在100 mm2的基片上制造掩膜原版的图形发生器的定位精度要求达到0.1um，要制造这样的电路，必须有高精度的稳频激光测长系统和定位系统，由此看出，互换性与测量技术是和加工工艺密切联系的，当然更包括机械制造工艺。,从上述分析得出结论： 现代化大生产的显著特点是专业化协作的高度社会化的大生产。生产过程保证产品质量的同时必须大力提高产品

6、的精度和生产率，以满足飞速发展的科学技术及日益增长的物质需求。 实现社会化大生产的技术措施是产品应该具有互换性及广泛的标准化。,制造业中的互换性表现为对技术装备上的零部件在生产、使用、维修过程中不同阶段的要求。互换性不仅与零部件的装配性能有关，而且涉及到设计、制造及使用等技术经济问题。 互换性是现代化生产的原则，在设计时必须切实遵循。不但在大批量生产时要求互换性；在单件、小批量生产时也必须遵循互换性原则。,互换性定义（Interchangeability）:指按同一规格标准制成的合格零部件在尺寸上和功能上具有相互替代的性能。 互换性是产品设计与制造的主要原则。 在产品的设计和制造过程中执行互换

7、性原则，按规定的几何、物理及其它质量参数的公差，制造装备的各部分，使其在装配和互换时，无需辅助加工和修配便能满足使用要求。,举例：机器上的螺钉、灯泡，自行车、缝纫机、钟表上的零部件。 同一规格的一批零部件，任取其一，不经任何挑选和修配就能装在机器上，并能满足其使用功能要求及特性。 机械制造业中的互换性通常包括几何参数和力学性能的互换性，本课程仅讨论几何参数的互换性。,互换性的分类,分类：互换性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）装配时不需挑选和修配，在互换后就满足使用要求的互换性。 不完全互换（有限互换）在有限范围内互换，通常采用分组装配法、调整法、修配法等工艺措施来实

8、现。 内互换与外互换的分类已经包含在以上分类标准中。 应用：零部件厂际协作应采用完全互换，部件或构件在同一厂制造和装配时，可采用不完全互换。,不完全互换的几种方法,1 分组装配：按现场加工的经济性规定合适的尺寸变动范围，装配时采用按对应组大配大，小配小的措施，使装配后的配合精度达到很高。 采用分组装配，对应组内零件可以互换，非对应组之间不能互换。例如：滚动轴承中的滚动体与滚道。 2 调整法：是一种保证装配精度的工艺措施。即在装配时，预先设置某个可补偿误差的特殊零件，通过调整它的尺寸，达到装配精度的要求。 例如：滚动轴承的游隙调整。,3 修配法：也是一种工艺措施。它是在装配地点对某一零件的指定部

9、位进行辅助加工，以达到装配精度的要求。,互换性的意义及作用,设计方面：可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，缩短设计周期，加速产品更新。有利于计算机辅助设计和产品的多样化。 制造方面：利于组织专业化生产，便于采用先进工艺和高效率专用设备，提高产品质量和生产率，降低制造成本。 装配过程：提高装配质量，缩短装配周期。 使用维修方面：缩短机器的维护时间，节约修护费用，提高机器的使用价值。,1.2 精度要求与加工误差的评定,用什么描述互换性？ 如何具体贯彻落实互换性？ 精度是实现互换性的具体指标。 机械产品除具有互换性要求之外，还有精度要求，此项要求同样是机械产品的基本要

10、求之一。,精度及精度要求,在机械产品中，几何精度简称为精度（Accuracy）。 精度（Accuracy）:它指零部件的实际几何形体与理想几何形体相接近的程度，包括尺寸、形状、相互位置的精度。 零件的几何形体是通过加工后得到的，在实际生产中，任何加工方法都无法将零件制造得绝对准确，总存在误差。精度要求越高，则加工误差越小。,各类产品的精度要求是不同的。例如车间使用的精度最低的630400mm的划线平台，工作面的平面误差要求不大于0.07mm； 而0级千分测砧(zhen)平面的平面度误差则要求不大于0.6m； 直径为100mm的轴，按中等精度要求，尺寸误差不大于0.035mm；高精度要求时，尺寸

11、误差不大于0.015mm。,随科学技术的发展与生产水平的提高,对产品的几何精度要求越来越高。例如用于精密配合的100mm的轴，尺寸误差不大于0.006mm；而10mm的00级量块的尺寸误差则不大于0.00012mm；大规模集成电路板，要在1mm2的硅片上集成数以万计的元件，其上的线条宽度约为1m，允许的形状和位置误差仅为0.05m。 由此可见，要保证零部件及产品的精度要求，必须将加工误差限制在一定的范围内，并应在零件加工后给予正确的评定。,加工误差的限制与评定,机械产品的零部件加工客观上总存在种种误差(Error)，因精度要求不同，允许其误差大小也不同。对加工误差的限制与评定，主要从以下两方面

12、进行： A 公差(Tolerance)：允许零件几何参数的变动范围。 零件的尺寸大小一定时，给定的公差值越小，精度就越高；但随之而来的是加工困难。所以设计者不能任意规定公差值，必须按国家标准选取公差数值。 公差是限定零件加工误差范围的几何量，是保证互换性生产的一项基本措施。可用公差来控制产品的加工误差，以满足互换性和精度的要求。,B 检测(Inspection and Measurement):即检验和测量。 是将被测几何参数与单位量值进行比较或判断的过程，由此确定被测几何参数是否在给定的极限范围之内。 零件在加工或加工后是否达到要求，其误差是否在给定的公差范围内，这些都需要按一定的标准进行正

13、确的检验和测量。因此检测是保证互换性生产的又一项基本措施。 因为检测本身也有误差，导致将合格品误判为废品，或将废品误判为合格品，所以应保证产品质量和考虑经济性两方面加以综合解决，并制定和贯彻统一的检测标准。,标准和标准化,要使具有互换性的产品几何参数完全一致，是不可能，也是不必要的。在此情况下，要使同种产品具有互换性，只能使其几何参数、功能参数充分近似。其近似程度可按产品质量要求的不同而不同。允许零件几何参数的变动量称为公差。现代化生产的特点是品种多、规模大、分工细和协作多。为使社会生产有序地进行，必须通过标准化使产品规格品种简化，使分散的、局部的生产环节相互协调和统一。,1.3 标准化,标准

14、演化的历史及渊源 标准是标准化活动的成果，也是标准化系统的最基本要素和标准化学科中最基本的概念，必须首先弄清它及依据不同分类方法而产生的各类标准的涵义。何为标准？近百年来，各国标准工作者一直力图作出科学，正确的回答，其中有代表性的定义有以下四个定义。,1.盖拉德定义： J盖拉德在1934年著的工业标准化原理与应用一书中，把标准定义为：“是对计量单位或基准，物体，动作，程序、方式、常用方法、能力、职能、办法、设置、状态、义务、权限、责任、行为、态度、概念和构思的某些特性给出定义，作出规定和详细说明，它是为了在某一时期内运用，而用语言，文件，图样等方式或模型，样本及其他表现方法所做出的统一规定。”

15、 显然，这个定义比较全面而明确地概括了三十年代时，标准化对象与活动领域内产生的标准化成果在标准化历史上起到重要的引导作用。,2 .桑德斯定义： 桑德斯在1972年发表的标准化的目的与原理一书中给出标准第一为“是经公认的权威机构批准的一个个标准化工作成果，它可以采用以下形式： （1）文件形式，内容是记述一系列必须达成的要求； （2）规定基本单位或物理常数，如安培、米、绝对零度等”。 这个定义强调标准是标准化工作的成果，要经权威机构批准，由于该书由ISO出版，因此，也被广泛流传，具有较大的影响。,3.中国标准定义： 1983年，我国在GB 39-51标准技术基本术语中对标准定义如下： 标准是重复性

16、事物或概念所做的统一规定，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，由主管部门批准，以特定形式发布，作为共同遵守的准则和依据。 该定义具体地说明下列四个方面含义： （1）制订标准的对象是重复性事物或概念。 虽然制订标准的对象，早已从生产，技术领域延伸到经济工作和社会活动的各个领域，但并不是所有事物或概念，而是比较稳定的重复性事物或概念。,（2）标准产生的客观基础是“科学、技术和实践经验综合成果”。 这就是说一是科学技术成果，二是实践经验的总结，并且这些成果与经验都要经过分析，比较和选择，综合，反映其客观规律性的“成果”。 （3）标准在产生过程中要“经有关方面协商一致”。 这

17、就是说标准不能凭少数人的主观意志，而应该发扬民主、与各有关方面协商一致，“三稿定标”。如产品标准不能仅由生产，制造部门来决定，这样，制订出来的标准才能考虑各方面尤其是使用方大利益，才更具有权威性，科学性和使用性，实施起来也较容易。,（4）标准的本质特征是统一。 这就是说标准“由标准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”的统一规定。 不同级别的标准是在不同适用范围内进行统一，不同类型的标准是从不同侧面进行统一，此外，标准的编写格式也应该是统一的，各种各类标准都有自己统一的，“特定形式”有统一的编写顺序和方法，“标准”的这种编写顺序，方法，印刷，幅面格式和编号方法的统一，既可保证标

18、准的编写质量，又便于标准的使用和管理，同时也体现出“标准”的严肃性和权威性。,4 国际标准定义： 国际标准化组织（ISO）的标准化原理委员会（STACO）一直致力于标准化基本概念的研究，先后以“指南”的形式给“标准”的定义作出统一规定，1991年，ISO与IEC联合发布第2号指南标准化与相关活动的基本术语及其定（1991年第六版），该指南给“标准”定义如下：“标准是由一个公认的机构制定和批准的文件，它对活动或活动的结果规定了规则，导则或特性值，供共同和反复使用，以实现在预定结果领域内最佳秩序的效益”。 注：标准应建立在科学技术和实践经验的综合成果基础上，并以促进最佳社会效益为目的。 该定义明确

19、告诉我们，制定标准的目的、基础、对象、本质和作用。由于它具有国际权威性和科学性，无疑应该是世界各国，尤其是ISO和IEC成员应该遵循的。,标准定义,标准(Standard):是对重复性事物和概念所做的统一规定。 它以科学、技术和实践经验的综合成果为基础，经有关部门协调一致，由主管部门批准，以特定的形式发布，作为共同遵守的准则和依据。中国现以颁布实现的标准化法规定，作为强制性的各级标准一经发布必须遵守，否则就是违法。 标准化是指制订标准和贯彻标准以促进经济全面发展的全部活动。要实现互换性生产，需要广泛的标准化。一切标准都是标准化活动的结果，而标准化的目的，又是通过制订标准来实现的。所以制订标准和

20、修订标准都是标准化的基本任务。,标准分类,（1）国际标准：由国际标准化或标准组织制定，并公开发布的标准是国际标准（ISO/IEC第2号指南）。 因此，ISO，IEC批准，发布的标准是目前主要的国际标准，ISO认可即列入国际标准题内关键词索引的一些国际组织如国际计量局（BIPM），食品法典委员会（CAC），世界卫生组织（WHO）等组织制订，发布的标准也是国际标准。 （2）区域标准：是“由某一区域标准或标准组织制定，并公布开发布的标准”（ISO/IEC）第2号指南。 如欧洲标准化委员会（CEN）发布的欧洲标准（EN）就是区域标准。 （3）国家标准：是“由国家标准团体制定并公开发布的标准”（ISO/

21、IEC第2号指南）。 如GB、ANSI、BS、NF、DIN、JIS等是中、美、英、法、德、日等国国家标准的代号。,（4）行业标准：由行业标准化团体或机构改革标准，发布在某行业的范围内统一实施的标准是行业标准。又称为团体标准。如美国的材料与试验协会（ASTM）、石油学会标准（API）、机械工程师协会标准（ASME）、英国的劳氏船级社标准（LR），都是国际上有权威性的团体标准，在各自的行业内享有很高的信誉。 我国的行业标准是“对没有国家标准而又需要在全国某个行业范围内统一的技术要求所制定的标准”如JB、QB、FJ、TB等就是机械、轻工、纺织、铁路运输行业的标准代号。 （5）地方标准：地方标准是“由

22、一个国家的地方部门制定并公开发布的标准”（ISO/IEC第2号指南）。,我国的地方标准是“对没有国家标准和行业而又需要在省、自治区、直辖市范围内统一的产品安全，卫生要求，环境保护、食品卫生、节能等有关要求”所制定的标准，它由省级标准化行政主管部门统一组织制订、审批、编号和发布。 （6）企业标准：企业标准，有些国家又称公司标准，是由企事业单位自行自定，发布的标准，也是“对企业范围内需要协调，统一的技术要求，管理要求和工作要求”所制定的标准。 美国波音飞机公司、德国西门子电器公司、新日本钢铁公司等企业发布的企业标准都是国际上有影响的先进标准。,（国际标准化组织（简称ISO）和国际电工委员会（简称I

23、EC），由这两个组织负责制定和颁发国际标准。我国于1978年恢复参加ISO组织后。陆续修订了自己的标准。修订的原则是，在立足我国生产实际的基础上向ISO靠拢，以利于加强我国在国际上的技术交流和合作及产品互换）,我国目前采用的国际标准的方式有 (1)等同采用即GB标准内容完全与ISO标准一致，且编写与国际标准相当； (2)等效采用(EQV)：即GB在内容上与ISO相同，仅在编写上不完全与ISO相同； (3)不等效采用(NEQ)：技术标准与ISO不同。 应熟知的几个国家的标准代号： DIN德国、AFNOR(NF)法国、BS英国、SNV瑞士、ANSI美国、JIS日本、区域标准： EN欧盟,标准化,定

24、义：标准化(Standardization)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，通过制订、发布和实施标准达到统一，以获得最佳秩序和社会效益的有组织的活动过程。 意义：标准化是组织现代化生产的重要手段，是实现互换性的必要前提，是实现现代化的重要手段之一，也是反映现代化水平的重要标志之一。它对人类进步和科学技术发展起着巨大的推动作用。,1.4 优先数和优先数系,优先数和优先数系的引入 在机械设计中，常常需要确定很多参数，而这些参数往往不是孤立的，一旦选定，这个数值就会按照一定规律，向一切有关的参数传播。例如，螺栓的尺寸一旦确定，将会影响螺母的尺寸、丝锥板牙的尺寸、螺栓孔的

25、尺寸以及加工螺栓孔的钻头的尺寸等。由于数值如此不断关联、不断传播，所以，机械产品中的各种技术参数不能随意确定。(数值扩散传播紊乱) 为使产品的参数选择能遵守统一的规律，使参数选择一开始就纳入标准化轨道，必须对各种技术参数的数值作出统一规定。优先数和优先数系国家标准就是其中最重要的一个标准，要求工业产品技术参数尽可能采用它。,优先数系(Series of preferred numbers)是国际上统一的数值分级制度，是重要的基础标准。 优先数系是一种十进制等比数列，并规定了五个系列，它们分别用系列符号R5、 R10、 R20、 R40和R80表示，其中前四个系列作为基本系列， R80为补充系列

26、，仅用于分级很细的特殊场合。各系列的公比为； R5的公比： q5= 1.5849 1.60 ； 优先数是1，1.6，2.5，4.0，6.3，10 除1外，有5个优先数。,R10的公比： q10= 1.25； 这一系列中包括10个优先数，按1.25的比例中项插入到 R5系列中。 R20的分比： q201.12； R40的公比： q401.06； R80的公比： q801.03。,优先数和优先数系的特点,优先数系的五个系列中任一个项值均为优先数。按公比计算得到的优先数的理论值，除10的整数幂外，都是无理数，工程技术上不能直接应用。实际应用的都是经过圆整后的近似值。根据圆整的精确程度，可分为： （1

27、）计算值：取五位有效数字，供精确计算用。 （2）常用值：即经常使用的通常所称的优先数，取三位有效数字。,国家标准规定的优先数系分档合理，疏密均匀，有广泛的适用性，简单易记，便于使用。常见的量值，如长度、直径、转速及功率等分级，基本上都是按一定的优先数系进行的。本课程所涉及的有关标准里，诸如尺寸分段、公差分级及表面粗糙度的参数系列等，基本上采用优先数系。（见书中列表） 优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级。这样可便于组织生产和降低成本。,在设计产品时，对主要尺寸及参数都应采用优先数。通常一般机械的主要参数按R5或R10系列；专用工具的主要尺寸按R10系列；通用型材、

28、零件、工具尺寸及铸件的壁厚尺寸按R20系列。,1.5 极限配合与测量技术的发展概况,极限配合与标准的发展概况,测量技术的发展概况,完工后的零件是否满足公差要求，要通过检测加以判断。检测包含检验与测量。 检验是确定零件的几何参数是否在规定的极限范围内，并作出合格性判断，而不必得出被测量的具体数值； 测量是将被测量与作为计量单位的标准量进行比较，以确定被测量的具体数值的过程。,测量过程包括：测量对象、计量单位、测量方法及测量精度等四个要素。 测量对象：这里主要指几何量，包括长度、角度、表面粗糙度以及形位误差等。 计量单位：在长度计量单位为米(m)，其他常用单位有毫米(mm)和微米(m)。在角度测量

29、中以度、分、秒为单位。 测量方法：是指在进行测量时所采用的计量器具和测量条件的综合。 测量的精确度(即准确度)：是指测量结果与真值的一致度。,意义：检测不仅用来评定产品质量，而且用于分析产生不合格品的原因，及时调整生产，监督工艺过程，预防废品产生。检测是机械制造的“眼睛”。产品质量的提高，除设计和加工精度的提高外，往往更有赖于检测精度的提高。所以，合理地确定公差与正确进行检测，是保证产品质量、实现互换性生产的两个必不可少的条件和手段。,经历了由手动量仪到自动量仪，由肉眼观测到激光跟踪校准的发展过程。 激光光电波比长仪、激光三坐标测量仪、机械测量臂；激光量块干涉仪、激光对刀仪。 英国雷尼绍公司(Renishaw)、英国泰勒霍普森有限公司 德国霍梅尼尔 中国长春光机所,英国雷尼绍公司(Renishaw)激光干涉仪（Laser Interferometer）,技术参数 1.线性测量分辨率: 0.001m 2.线性测量范围： 40m（或任选80m） 3.线性测量精度: 0.7ppm 4.最高测量速度： 60m/min 5.长期稳频精度： 0.05ppm,机械精度设计,一般在机械产品的设计过程中，需要进行以下三方面的分析计算： （1）运动分析与计算。根据机器或机构应实现的运动，由运动学原理，确定机器或机构的合理的