公差

知识重点 ：互换性的概念及意义、优先数 教

教知识难点：实现互换性的条件及与标准化的关系 学导课堂：听课+互动 推荐学习方法: 航图 课外：了解生活或生产中零件互换性的实学 例

必须掌握的理论知识：互换性、公差与加工误差、标准和标准化 0.1 互换性及其意义

1.互换性的含义

在机械制造业中，零件的互换性是指在同一规格的一批零部件中，可以不经选择、修配或调整，任取一件都能装配在机器上，并能达到规定的使用性能要求。零部件具有的能够彼此互相替换的性能称为“互换性”。能够保证产品具有互换性的生产，称为遵守互换性原则的生产。

互换性是广泛用于机械制造、军品生产、机电一体化产品的设计和制造过程中的重要原则，并且能取得巨大的经济和社会效益。汽车行业就是运用互换性原理，形成规模经济，取得最佳技术经济效益的。

2.互换性的分类

互换性按其互换程度可分为完全互换与不完全互换。 （1） 完全互换性

完全互换是指一批零、部件装配前不经选择，装配时也不需修配和调整，装配后即可满足预定的使用要求。如螺栓、圆柱销等标准件的装配大都属此类情况。

（2）不完全互换性

当装配精度要求很高时，若采用完全互换将使零件的尺寸公差很小，加工困难，成本很高，甚至无法加工，则可采用不完全互换法进行生产。将其制造公差适当放大，以便于加工。在完工后，再用量仪将零件按实际尺寸大小分组，按组进行装配。如此，既保证装配精度与使用要求，又降低成本。此时，仅是组内零件可以互换，组与组之间不可互换，因此，叫分组互换法。

在装配时允许用补充机械加工或钳工修刮办法来获得所需的精度，称为修配法。用移动或更换某些零件以改变其位置和尺寸的办法来达到所需的精度，称为调整法。

不完全互换只限于部件或机构在制造厂内装配时使用。对厂外协作，则往往要求完全互换。究竟采用哪种方式为宜，要由产品精度、产品复杂程度、生产规模、设备条件及技术水平等一系列因素决定。

一般大量生产和成批生产，如汽车、拖拉机厂大都采用完全互换法生产。精度要求很高，如轴承工业，常采用分组装配，即不完全互换法生产。而小批和单件生产，如矿山、冶金等 重型机器业，则常采用修配法或调整法生产。

3.互换性的技术经济意义

互换性原则被广泛采用，因为它不仅仅对生产过程发生影响，而且还涉及产品的设计、使用、维修等各个方面。

在设计方面：由于采用具有互换性的标准件、通用件，可使设计工作简化，缩短设计周期，并便于用计算机辅助设计。

在制造方面：当零件具有互换性，可以采用分散加工、集中装配。这样有利于组织专业化协作生产，有利于使用现代化的工艺装备，有利于组织流水线和自动线等先进的生产方式。装配时，不需辅助加工和修配，既减轻工人的劳动强度，又缩短装配周期，还可使装配工作按流水作业方式进行。从而保证产品质量，提高劳动生产率和经济效益。

在使用、维修方面：互换性也有其重要意义。当机器的零件突然损坏或按计划定期更换时，便可在最短时间内用备件加以替换，从而提高了机器的利用率和延长机器的使用寿命。

在某些方面：例如，战场上使用的武器，保证零 (部) 件的互换性是绝对必要的。在这些场合，互换性所起的作用很难用价值来衡量。

综上所述，在机械工业中，遵循互换性原则，对产品的设计，制造和使用和维修具有重要的技术经济意义。

互换性不仅在大量生产中广为采用，而且随着现代生产，逐步向多品种、小批量的综合生产系统方向转变，互换性也为小批生产，甚至单件生产所要求。但是应当指出，互换性原则不是在任何情况下都适用，有时零件只能采用单配才能制成或才符合经济原则，例如，模具常用修配法制造。然而，即使在这种情况下，不可避免地还要采用具有互换性的刀具、量具等工艺装备。因此，互换性仍是必须遵循的基本的技术经济原则。

0.2 实现互换性的条件——公差标准化和技术测量

0.2.1公差与加工误差

为了满足互换性要求，最理想的是同一规格的零部件的几何参数做的完全一样。由于任何零件都要经过加工的过程，无论设备的精度和操作工人的技术水平多么高，要使加工零件的尺寸、形状和位置关系做到绝对准确，是不可能的。实际上，只要将同规格的零部件的几何参数控制在一定的范围内就能达到互换的目的。也就是说，要使零件具有互换性，就应按“公差”制造。

1.机械加工误差

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。加工误差是由工艺系统的诸多误差因素所产生的。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。

机械加工误差主要有以下几类： （1） 尺寸误差

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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最大、最小两极限尺寸的平均值，即尺寸公差带的中心值。

（2）形状误差

指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。

2.几何量公差

几何量公差是实际几何参数值允许的变动范围。公差规范了误差，体现出产品精度的保证。

精度设计是指为了控制加工误差，满足零件功能要求，设计者根据机械产品的使用要求经济合理地提出相应的公差要求，以便在加工过程中将加工误差限定在一定的范围内，从而能够保证产品装配后正常工作，这些要求通过零件图样，用几何量公差的标注形式给出。

相对于各类加工误差，几何量公差分为尺寸公差、形位公差和表面粗糙度指标允许值及典型零件特殊几何参数的公差等。

0.2.2标准和标准化

现代化工业生产的特点是规模大，协作单位多，互换性要求高，为了正确协调各生产部门和准确衔接各生产环节，必须有一种协调手段，使分散的局部的生产部门和生产环节保持必要的技术统一。成为一个有机的整体，以实现互换性生产。

标准与标准化正是联系这种关系的主要途径和手段，是实现互换性的基础。 1. 标准和标准化概念

标准是对重复性事物和概念所作的统一规定，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。

在国际上，为了促进世界各国在技术上的统一，成立了国际标准化组织（简称ISO）和国际电工委员会（简称IEC），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产品互换。 标准按不同的级别颁发。我国标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。对需要在全国范围内统一的技术要求，应当制定国家标准，代号为GB，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，可制定行业标准，如机械标准（JB）等；对没有国家标准和行业标准而又需要在某个范围内统一的技术要求，可制定地方标准或企业标准，它们的代号分别用DB、QB表示。

标准的范围极广，种类繁多，涉及到人类生活的各个方面。按标准化对象的特征可以分为基础标准、产品标准、方法标准和安全与环境保护标准等。

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基础标准是以标准化共性要求和前提条件为对象的标准，是为了保证产品的结构功能和制造质量而制定的、一般工程技术人员必须采用的通用性标准，也是制定其他标准时可依据的标准。本书所涉及的标准就是基础标准。

标准化是指标准的制订、发布和贯彻实施的全部活动过程，包括从调查标准化对象开始，经试验、分析和综合归纳，进而制订和贯彻标准，以后还要修订标准等等。标准化是以标准的形式体现的，也是一个不断循环、不断提高的过程。

2．优先数和优先数系

工程上各种技术参数的简化、协调和统一，是标准化的重要内容

在机械设计中，常常需要确定很多参数，而这些参数又会按照一定规律向有关的参数传递下去。例如加工螺栓，其直径尺寸一旦确定，将会影响螺母的尺寸以及丝锥、板牙、钻头等加工工具的尺寸等。如果螺栓规格数值繁多，由于数值如此不断关联、不断传播，必然会给生产的组织和管理带来困难并增加生产成本。

为了减少个环节的生产成本，必须对各种技术参数的数值做出统一规定，使参数选择一开始就纳入标准化轨道。《优先数和优先数系》国家标准（GB/T321—1980）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。 如机床主轴转速的分级间距，钻头直径尺寸的分类均符合某一优先数系。

GB/T321—1980中规定以十进制等比数列为优先数系，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，仅用于分级很细的特殊场合。各系列的公比为； R5系列 公比为

q5=510≈ 1.6 =1010≈ 1.25 =

20 R10系列 公比为

q10 R20系列 公比为

R40系列 公比为 R80系列 公比为

q2010≈ 1.12

q40q8040=10≈ 1.06

80=10≈ 1.03

范围为1～10的优先数系列见表0-1。如将表中的所列优先数值乘以10，100，…，或乘以0.1，0.01，…，即可得到所有大于10或者小于1的优先数。标准还允许从基本系列和补充系列中按照一定规律隔项取值组成派生系列,以Rr/p表示，r代表5、10、20、40、80。如派生系列R10/3，r为10，p为3，就是从基本系列R10中，从某一项开始，每逢3项留取一个优先数，若从1开始，得到1.00，2.00，4.00，…数系，若从1.25开始，就可得到1.25，2.50，5.00，10.00，…数系。

本课程所涉及的有关标准里，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。

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0.2.3技术检测

零件加工后能否满足精度要求要通过检测加以判断，因此检测是产品达到精度要求的技术保证。表0-1优先数系的基本系列（摘自GB/T321—1980）

基本系列（常用值） R5 1.00 R10 1.00 1.25 R20 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.60 2.00 1.60 1.80 2.00 2.24 R40 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.50 3.15 2.50 2.80 3.15 3.55 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.35 3.55 3.75 4.00 4.00 5.00 4.00 4.50 5.00 5.60 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 计算值 1.0000 1.0593 1.1220 1.1885 1.25 1.3335 1.4125 1.4962 1.5849 1.6788 1.7783 1.8836 1.9953 2.1135 2.2387 2.3714 2.5119 2.6607 2.8184 2.98 3.1623 3.3497 3.81 3.7581 3.9811 4.2170 4.4668 4.7315 5.0119 5.3088 5.6234 5.9566 25

检测是检验和测量的统称。几何量的检验是指确定所加工零件的几何参数是否在规定的极限范围内，并做出合格与否的判断，而不必得出被测量值的具体数值；测量是将被测几何量与作为计量单位的标准量进行比较，以确定其具体数值的过程。

检测是机械制造的“眼睛”。检测不仅用来评定产品质量，而且可用于分析产品不合格的原因，从而及时调整加工工艺，预防废品的进一步产生，以达到降低产品成本的目的。

因此，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。

0.3 本课程的性质和要求

任何机械产品的设计总是包括四个方面:运动设计、结构设计、强度设计和精度设计。前三个方面是《机械设计基础》等课程解决的问题，精度设计则是本课程研究的主要问题。

《公差配合与精度检测》课程是机械类专业的技术基础课。它既联系《机械制图》、《机械设计基础》等设计类课程，又与《机械制造技术》等制造类课程密不可分。从课程体系上讲，本课程是联系设计类课程与制造工艺类课程的纽带，是从基础课向专业课过渡的桥梁。

本课程的内容特点是:抽象概念多，术语定义多，需记忆的内容多，逻辑推理少。在学习中切忌死记硬背，而应注重理解和应用，并一定要动手参与检测操作。

学生学完本课程后应达到如下要求： ➢ 能够识读图样上的精度技术要求；

➢ 初步学会零件精度设计的内容和方法，并能正确标注图样；

➢ 学会使用常用的计量器具，了解典型零件的检测方法并判断其合格性。

思考与练习题

0-1 完全互换与不完全互换的区别是什么? 各应用于何种场合?

0-2 什么是优先数和优先数系? 主要优点是什么? R5、R40系列各表示什么意义? 0-3 加工误差、公差、互换性三者的关系是什么?

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