公差與表面粗糙度

張強

【摘 要】隨著現代制造技術的高速發展，運用到制造業當中的設備也越來越多，精度越來越高，而制造業也需要更多更先進的設備來滿足發展。但是無論加工技術怎么發展，怎么改進，它們都有一個共同的目標，那就是：提高機械零件的質量。本文淺析了公差、表面粗糙度以及二者的數值關系。

【關鍵詞】公差；表面粗糙度

一、公差

公差分為尺寸公差、形狀公差、位置公差和表面粗糙度。

現代技術對零件尺寸精度的要求越來越嚴格。而且，目前許多零件是有散布在各地的不同廠家生產的，因此必須對這些零件的尺寸和生產做出嚴格的規定，以保證它們具有互換性。所謂互換性是指：在制成同一規格的零部件中，不需要任何的挑選、調整或修配，裝配到部件和機器上，就能完全達到規定的性能和要求。互換性是現代化生產的重要技術經濟原則，要求對同一種零件的形狀精度，尺寸精度，性能等規定一個統一的標準使其產品標準化。

標準化是互換性的前提。要求生產零件尺寸應在一個規定的區間內變動，以保證它們具有互換性的技術稱為公差技術。公差是零件具有互換性的保證。允許每個尺寸在規定范圍內具有一定的變動量，稱為公差。例如，一個零件的尺寸可以被表示為30±0.2，其公差（尺寸變動量）為0.4mm。在不影響零件工作性能和工作要求的情況下，應當給予尺寸盡可能較大的公差，這樣可把生產成本降至最低。制造成本會隨之公差的降低而升高。

尺寸公差有三種表示方式：

（1）單向：當只允許尺寸向基本尺寸的單一方向（變大或者變小）的變動時，就稱為單向公差。

（2）雙向：當尺寸可以在基本尺寸的兩個方向（變大和變小）都可以變動時，就稱為雙向公差。

（3）極限方式：當然公差也可以用極限形式給出，表示零件輪廓的最大和最小尺寸。

公差在圖樣上可以采用以上三種不同的標注方式。在單向制中，一個極限偏差是零，另一個極限偏差就是尺寸允許的全部變動量。在雙向制中尺寸標注中，采用平均尺寸和在其正負兩個方向上的變動量來表示。

二、表面粗糙度

表面粗糙度，是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷不平度。其兩波峰或兩波谷之間的距離（波距）很小（在1mm以下），用肉眼是難以區別的，因此它屬于微觀幾何形狀誤差。表面粗糙度越小，則表面越光滑。表面粗糙度的大小，對機械零件的使用性能有很大的影響，因此對其大小必須精確地加以規定，表面形貌是表面上的差異，包括粗糙度、波度、加工紋理方向和缺陷。

粗糙度：有用來使工件表面光潔的加工工藝所造成的最細微的表面不平度。表面粗糙度的高度采用微米和微英寸進行測量。

波度：是超過粗糙度寬度的界限的大間隔偏差，采用英寸和毫米測量。可將粗糙度看作疊加在波度表面上的表面不平度。

加工紋理方向：由所采用的加工方法所產生的表面刀痕圖案的方向。

缺陷：不經常出現或者在很大區間內才會出現的表面瑕疵，其包括裂紋、氣孔、微細裂紋、劃痕等。缺陷的影響通常在粗糙度的高度測量中被忽略。

1.表面粗糙度的產生原因

在加工過程中，由于刀具和制作表面的摩擦，切削和壓制時產生的塑性變形，以及工藝系統中高頻振動等因素的作用，使被加工表面產生微觀幾何變形。

2.表面粗糙度的選擇原則：

（1）在滿足表面的工作情況下盡量選擇大值。

（2）同一零件上，工作表面粗糙度值小于非工作表面粗糙度值。

（3）摩擦表面粗糙度值小于非摩擦表面粗糙度值。

（4）受循環負荷的表面及易引起應力集中，表面粗糙度值要小。

（5）配合性質穩定性要求較高的結合面，粗糙度值要小。

（6）配合性質相同，零件尺寸越小表面粗糙度值越小，同一公差等級小尺寸比大尺寸的粗糙度小，軸比孔的粗糙度值小。

三、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度的數值關系

1.形狀公差與尺寸公差的數值關系

當尺寸精度確定后形狀公差將有一個適當的數值對應。尺寸公差的精度越高，形狀公差與尺寸公差的比例越小。一般以尺寸公差值的%50作為形狀公差值。

2.形狀公差與位置公差的數值關系

在一般情況下給定位置公差就不在給形狀公差。當有特殊要求時可以同時標注出形狀公差和位置公差，但標注的形狀公差值要小于所標注的位置公差值。

3.形狀公差與表面粗糙度的關系

以上二者無直接聯系，但在一定的加工條件下也有有一定的比例關系。一般精度的表面粗糙度是形狀公差的1/5～1/4。為保證形狀公差，應適當限制相應表面粗糙度高度參數的最大允許值。

從以上三者的關看，設計者在設計時要協調處理好三者的數值關系，在標注圖樣上的公差時應遵循：給定同一表面的粗糙度應小于其形狀公差值，而形狀公差值應小于其位置公差值，位置公差值應小于其尺寸公差值。否則會給后續的制造加工時帶來種種麻煩。

四、公差對設計的影響

圖樣是制造機器零件的依據。因此，從事制造業的工作人員都要正確的理解應用于整個生產過程的圖樣的含義。

設計圖樣中模糊不清的地方會引起許多混亂和經濟損失。在擬訂公差時，設計人員必須充分認識到，要完全達到其設計目的，圖樣上必須包含所需要的信息。因而，圖樣上必須給出全部信息，并且盡可能的簡單明了。圖樣中的每個部分都應該能被大家所理解。圖樣中所表示的含義對于所有使用它的人員（設計，采購，刀具設計，生產，檢驗，裝配和維修部門）來說都應該是唯一的。

每位設計人員都非常清楚，如果零件都以較小的公差來加工制造，則產品的成本就會迅速增加。因此，設計師們需要不斷的改進，要采用盡可能大的公差。要是產品以較低的價格被生產出來并滿足設計要求，規定適當的加工公差是最為重要的工作。公差的大小是由設計人員所確定的，它取決于許多與設計有關的條件以及過去在設計類似產品時所獲得的經驗。

五、機械加工中出現的誤差原因

在機械制造中，顯然盡可能保持穩定的生產條件，但是加工后獲得的尺寸任然不可避免地出現誤差。在完全相同的制造過程中，按某一指定尺寸加工一批零件，加工后所得的尺寸卻并完全相同。一般將產生這種現象的原因分兩大類：系統原因和隨機原因。

系統原因：生產過程中某些因素的微小變動可以引起尺寸變化。原材料性能的微小變化可以引起尺寸變化。刀具受到磨損并且需要重新安裝。速度、潤滑劑、切削溫度、操作人員以及其他條件都會發生變化。通過分析研究，一般可以找出這些原因并可以采取相應的步驟來消除它。

隨機原因：另一方面隨機原因的出現是具有偶然性的。它們是由一些既無法確定又不能控制的力所造成的。它們是生產過程的固有誤差，即使盡可能地保持所有條件完全一致，它們仍然不可避免的存在。

當依次檢查由系統原因造成的誤差，并且將其逐一排除后，即可達到理想的穩定狀態或控制狀態。如果隨機原因對尺寸變化的影響過大，一般需要采用更精密的加工設備，要比花費更多精力來改變生產過程更為有效。

在企業工作的設計師總要面對這樣一個事實，即任何兩個機器零件都不能制造得完全相同。他知道在設計中必須考慮重復生產中所產生的微小尺寸差異，在圖樣上標注合適的公差，將尺寸的變化限制在允許的范圍內。加工后的零件的外形輪廓必須位于公差規定的區域內。只有采用適當的公差才可以保證產品的功能和使用壽命方面都能達到預期的目標。

參考文獻：

[1]《車工工藝學》.重慶市勞動和社會保障局職業技能開發處，重慶市技工教育研究室.2004

[2]楊小剛、張紅.《公差配合與技術測量》[M].西南師范大學出版社

[3]鄒吉權主編.《公差配合與技術測量》[M].重慶大學出版社