探討公差帶圖在技術(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

云介平 張建梅

摘 要：在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中，常常遇到技術(shù)設(shè)計(jì)合理性及標(biāo)準(zhǔn)化雙重問(wèn)題，尤其技術(shù)標(biāo)注，既要符合功能要求，又要滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求，這兩項(xiàng)要求體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖與生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)合統(tǒng)一。通過(guò)揭示技術(shù)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，解讀公差帶圖及其工程含義，結(jié)合工程問(wèn)題，展示了公差帶圖在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過(guò)程。最后得出，公差帶圖的應(yīng)用不失為零部件設(shè)計(jì)過(guò)程中兼顧技術(shù)標(biāo)注的合理性及標(biāo)準(zhǔn)化的一條捷徑。

關(guān)鍵詞：公差帶圖 零部件 技術(shù)設(shè)計(jì) 合理性 標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0107-03

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)表達(dá)密切相關(guān)，尤其零部件的技術(shù)設(shè)計(jì)。技術(shù)設(shè)計(jì)不僅要滿足功能要求，也要適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際。技術(shù)設(shè)計(jì)的合理性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等，都取決于這一設(shè)計(jì)階段。因此，如何將設(shè)計(jì)對(duì)象的功能需要和生產(chǎn)實(shí)踐緊密地結(jié)合在一起考慮，是技術(shù)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)由3個(gè)階段形成，是在確立功能要求的前提下，在功能和方案確定的基礎(chǔ)上，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

由圖1可以看出，對(duì)于裝配圖及零部件的設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后階段，包括結(jié)構(gòu)繪制和技術(shù)標(biāo)注兩個(gè)部分，把這一階段的設(shè)計(jì)稱(chēng)之為技術(shù)設(shè)計(jì)。技術(shù)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的定型階段，它將對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行具體的技術(shù)確定，確定零部件結(jié)構(gòu)、尺寸、配合關(guān)系以及技術(shù)條件等，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、標(biāo)準(zhǔn)化、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等，都取決于這一設(shè)計(jì)階段。尤其技術(shù)設(shè)計(jì)的標(biāo)注是否規(guī)范，標(biāo)注的項(xiàng)目是否恰當(dāng)，標(biāo)注的數(shù)值是否正確，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能、技術(shù)交流、加工工藝等方面。這種對(duì)于技術(shù)設(shè)計(jì)的考慮涉及到技術(shù)標(biāo)注是否合理和標(biāo)準(zhǔn)化，目的是要將設(shè)計(jì)對(duì)象的功能需要和生產(chǎn)實(shí)踐緊密地結(jié)合在一起。

在技術(shù)設(shè)計(jì)的標(biāo)注中，尺寸公差及配合關(guān)系的選擇和確定是一項(xiàng)比較繁瑣的工作，尤其運(yùn)行工況和加工及裝配條件不同，往往使設(shè)計(jì)婆娑迷離。在此情形下，工程人員往往需要借助各種手段來(lái)保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，譬如精確計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、模擬實(shí)際工況試運(yùn)行等方法。

2 公差帶圖及其工程含義

公差帶圖，顧名思義是用圖表示公差某種狀態(tài)的一種示意。公差帶圖是由零線、公差帶、極限值、基本偏差等組成，是表達(dá)公稱(chēng)尺寸、極限偏差、公差帶等相互關(guān)系的圖。公差帶圖不僅可以表示單一形面的公差要求，而且可以表示配合面之間的公差關(guān)系及狀態(tài)，如圖2所示。

圖2中的“孔公差帶”顯示了孔的基本尺寸（公稱(chēng)尺寸）及下偏差（EI）、上偏差（ES）、公差大小（TD）；“軸公差帶”顯示了軸的基本尺寸（公稱(chēng)尺寸）及下偏差（ei）、上偏差（es）、公差大小（Td）。

同時(shí)，顯示了配合面將要達(dá)成的相對(duì)狀態(tài)，即過(guò)盈配合、過(guò)度配合、間隙配合及其程度。圖中當(dāng)EI-es的代數(shù)值為正值或零時(shí)，表示是間隙配合；當(dāng)EI-es的代數(shù)值為負(fù)值時(shí)，表示為過(guò)度配合；當(dāng)ES-ei的代數(shù)值為負(fù)值或零時(shí)，表示是過(guò)盈配合。

另外，圖2中“公差帶”的位置是由不同的公稱(chēng)尺寸和公差等級(jí)對(duì)應(yīng)的基本偏差決定，可以根據(jù)功能要求，選擇不同的公差等級(jí)，從而確定公差帶的位置；“公差帶”的寬度是由不同的公稱(chēng)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)對(duì)應(yīng)的數(shù)值決定，從而確定了公差帶的大小。也就是可以根據(jù)具體的公稱(chēng)尺寸和功能要求，經(jīng)過(guò)選擇不同的公差等級(jí)或根據(jù)相應(yīng)功能要求的數(shù)值，選用相應(yīng)的公差等級(jí)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而確定“公差帶”的位置和大小，形成完整的公差帶圖。

從圖2隱含的工程意義來(lái)看，可以理解為對(duì)于產(chǎn)品的技術(shù)設(shè)計(jì)可以根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，在技術(shù)標(biāo)注時(shí)，既可以使所選擇的數(shù)據(jù)合理化，也可以使其向標(biāo)準(zhǔn)化靠攏。由此為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)注的合理性、標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題提供了一條思路，從而將設(shè)計(jì)對(duì)象的功能需要和生產(chǎn)實(shí)踐兼顧。

3 公差帶圖在工程中的嘗試性應(yīng)用

3.1 分析問(wèn)題的過(guò)程

圖3所示為某結(jié)構(gòu)中銅套與玻璃透鏡的裝配關(guān)系。該結(jié)構(gòu)的工作場(chǎng)合溫度是-50℃，要求在該工況下銅套與玻璃鏡之間應(yīng)有0.009～0.075mm的間隙量。加工和裝配均按預(yù)先給定的要求在常溫下（20℃）進(jìn)行（注：線脹系數(shù)α銅=19.5×10-6/℃，α玻璃=8×10-6/℃）。

3.1.1 問(wèn)題分析

根據(jù)題意，設(shè)計(jì)者給出的配合關(guān)系是一個(gè)預(yù)設(shè)。按照預(yù)設(shè)的配合指標(biāo)加工和裝配，畫(huà)出常溫下（20℃）的公差帶圖，如圖4所示。

由圖4中可以看出，裝配后獲得間隙配合為Xmax=+0.089mm，Xmin=+0.025mm。這個(gè)結(jié)果證明在常溫下銅套內(nèi)徑和玻璃鏡外徑處于間隙配合狀態(tài)。

但在工況（-50℃）下，不知配合的結(jié)果為何。

3.1.2 依據(jù)預(yù)設(shè)結(jié)果的工況配合狀態(tài)

從20℃降到-50℃，銅套內(nèi)徑和玻璃鏡外徑產(chǎn)生了一定的收縮，但銅套內(nèi)徑和玻璃鏡外徑的收縮程度不同。依據(jù)給出的數(shù)據(jù)，銅套直徑收縮了mm，玻璃鏡外直徑收縮了mm。由此可視為：銅套內(nèi)徑公差帶相當(dāng)于下移了0.068mm，玻璃鏡外徑公差帶相當(dāng)于下移了0.028mm。結(jié)合圖4的結(jié)論，銅套與玻璃透鏡的配合關(guān)系演變?yōu)槿鐖D5所示的結(jié)果。

裝配后的機(jī)構(gòu)在-50℃時(shí)發(fā)生了配合性質(zhì)的變化，由常溫的間隙配合轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際工況的過(guò)渡配合，其結(jié)果為Xmax=0.049mm，Ymax=-0.015mm。

顯然這樣的結(jié)果不符合工況要求，在實(shí)際工況下可能會(huì)導(dǎo)致玻璃鏡被夾裂，造成嚴(yán)重的后果。

3.2 解決問(wèn)題的過(guò)程

3.2.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)思路

結(jié)合用公差帶圖來(lái)確定符合工況要求的技術(shù)設(shè)計(jì)。要想使該結(jié)構(gòu)在-50℃的工況下獲得0.009～0.075mm的間隙要求，在圖5的基礎(chǔ)上，擬銅套內(nèi)徑的技術(shù)設(shè)計(jì)保持不變，將玻璃鏡外徑的公差帶下移并調(diào)整至符合工況要求的配合狀態(tài)。此時(shí)，銅套與玻璃鏡之間形成了符合要求的間隙配合，而且配合間隙在要求的0.009～0.075mm范圍內(nèi)，即Xmax=0.075mm，Xmin=0.009mm，形成如圖6所示的結(jié)果。

如此轉(zhuǎn)化，可以使銅套與玻璃鏡能夠在-50℃的工況下滿足使用要求。

3.2.2 設(shè)計(jì)滿足合理性要求的結(jié)果

按照?qǐng)D6描述，工況-50℃下銅套與玻璃鏡符合要求的配合中，銅套的公差帶未發(fā)生變化，即從工況-50℃返到常溫下20℃時(shí)，銅套內(nèi)徑公差帶仍選擇H8，即銅套直徑為Φ50H8。

在圖6中，玻璃鏡的公差帶發(fā)生了變化。玻璃鏡的上偏差下移至-0.077mm，玻璃鏡的下偏差下移至-0.104mm，即玻璃鏡外徑公差帶大小和位置都發(fā)生了變化，使銅套與玻璃鏡間的配合達(dá)到了工況-50℃的裝配要求。而從-50℃返到20℃時(shí)，玻璃鏡外徑公差帶位置將上移0.028mm。此時(shí)，玻璃鏡的上偏差移至-0.049mm，下偏差移至-0.076mm，這樣玻璃鏡的直徑為。

由此得到銅套與玻璃鏡間滿足工況要求的常溫下加工和裝配的技術(shù)要求，即銅套直徑為Φ50H8，玻璃鏡的直徑為。

而玻璃鏡直徑雖合理，但不知是否為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，需要驗(yàn)證和調(diào)整。

3.2.3 設(shè)計(jì)滿足標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程

關(guān)于驗(yàn)證重新確定的玻璃鏡技術(shù)標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)化，用查閱標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)驗(yàn)證玻璃鏡的直徑是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，即驗(yàn)證公稱(chēng)尺寸為50的公差值為0.027mm是否為標(biāo)準(zhǔn)值；基本尺寸為50的上偏差（基本偏差）為-0.049mm是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

從標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中查得：基本尺寸為50的公差等級(jí)為IT7級(jí)的數(shù)值是0.025mm，與所調(diào)整的數(shù)值最接近，基本尺寸為50的接近-0.049mm的基本偏差的數(shù)值為-0.050mm，基本偏差符號(hào)為e。根據(jù)以上查表驗(yàn)證，確定玻璃鏡的公差帶為e7，即玻璃鏡直徑為Φ50e7。

3.2.4 驗(yàn)證結(jié)果

利用繪制公差帶圖來(lái)驗(yàn)證銅套與玻璃鏡配合為Φ50H8/e7在工況下的公差帶圖，如圖7所示。

從圖7中直觀看出，此時(shí)銅套與玻璃鏡的配合為間隙配合，Xmax=0.074mm，Xmin=0.010mm，符合在-50℃工況下銅套與玻璃鏡之間要求的應(yīng)有0.009～0.075mm的間隙量的要求。

驗(yàn)證結(jié)果顯示，重新標(biāo)注的技術(shù)要求既符合合理性功能要求，也滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)公差帶圖的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)兼顧了功能合理性和標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一。整個(gè)過(guò)程結(jié)合公差帶圖的調(diào)整和變化，邏輯性強(qiáng)，直觀、簡(jiǎn)介，為解決類(lèi)似問(wèn)題提供了一種新的思路。其基本步驟為：首先給定一個(gè)預(yù)設(shè)值并畫(huà)出常態(tài)公差帶圖→再按照工況，進(jìn)行必要的計(jì)算，畫(huà)出工況下的公差帶圖，判斷合適與否→若不符合，調(diào)整工況下的公差帶圖，直至符合要求→返回到常態(tài)，驗(yàn)證常態(tài)下數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)性→依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值畫(huà)出公差帶圖。公差帶圖不僅可以表述一種技術(shù)狀態(tài)，而且可以看作是一種動(dòng)態(tài)。

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