幾何公差定義理論意義和檢測妥協性的關系研究

田立群

（德爾福電子（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215000）

0 引言

從幾何公差定義的理論意義角度來講，零部件在被檢測時使用的各種方法，普遍具有一定的妥協性，即檢測的方式、方法和對應理論定義存在一定的偏差。從產品設計工程師的角度，如何看待這些偏差？從檢測工程師的角度，如何解釋這些偏差的客觀性與檢測方式妥協合理性？本文通過多個來自實踐操作的案例，通過分析公差理論意義和檢測實際操作，辯證地解釋了幾何公差理論意義和檢測妥協性的關系。

1 案例一：輪廓度、方向度和形狀度的關系

圖1 底面有平面度要求的零部件

圖2 平面度測量示意圖

如圖1所示，零部件底面有平面度0.1 mm的要求。如圖2所示，測量工程師在測量時，將部件底部向上，放在檢測工作臺上，使用固定了高度的百分表沿部件表面前后左右移動，測量發現部件某一側百分表讀數相對變化了0.15 mm，這樣是否可以判斷這個部件因為沒有達到底面平面度0.1 mm的要求而不合格呢？

從平面度定義的理論意義來講，該零件理想的檢測方法應為：如圖3（a）所示，百分表穿過并且被固定在檢測工作臺，零件于檢測工作臺上前后左右移動，這樣測量到的百分表讀數變化量即為零件底面的平面度。而圖2所示的方法，實際上模擬了以部件頂面為基準，測量了底面相對于頂面的平行度。這就涉及到如何看待方向度和平面度關系的問題。

如圖3（b）所示，相應面有輪廓度、平行度（方向度的一種）及平面度（形狀度的一種）的要求。如圖3（b）放大圖所示，這時方向度為基于輪廓度要求的進一步的要求，形狀度為基于方向度的進一步的要求。反之，當輪廓度0.4 mm被滿足時，方向度0.4 mm和形狀度0.4 mm即已滿足；當方向度0.2 mm被滿足時，形狀度0.2 mm即已滿足。同理可見，幾何公差特征和數值不變時，具有多個參照基準的控制亦可保障具有較少參照基準的控制（基準必須從右側減少），如圖3（c）所示。

相同的公差數值和參照基準條件下，輪廓度可以保障方向度，方向度可以保障形狀度；相同的幾何公差特征和公差數值條件下，參照基準從右側被去除時，較多參照基準的控制可以保障較少參照基準的控制。即圖3（c）中任一外側控制滿足時，內側的控制即已經滿足。

以上我們稱為GD&T的保障法則。特別指出，如圖3（d）所示，在左側，雖然數值減少了，方向度不可以保障輪廓度；在右側，內側輪廓度控制相對外側去除了A基準，可以認為使用了和外側控制完全不同的基準系，所以外側控制不可以保障內側的控制，即圖3（d）所示情形皆不符合上述GD&T保障法則。

如圖2所示，如果測量值在0.1 mm以下，即平行度0.1 mm被滿足，根據上述GD&T的保障法則，可以確認底部滿足了平面度0.1 mm的要求。如上所述，如果測量時發現某一側測量值為0.15 mm，可以考慮如圖4所示，在這一端增加相應高度墊塊支撐部件（有條件的情況下，可以在工作臺和部件間使用高度可調支撐測量工具），如果百分表讀數變化在0.1 mm以下，部件即達到了底部平面度0.1 mm的要求。

本案例表明，測量工程師應清楚理解幾何公差輪廓度、方向度和形狀度之間的關系，靈活使用現有檢測設備和工具完成測量工作，避免將本來合格的零件誤判為不合格零件。

圖3 輪廓度、平行度及平面度之間的關系

圖4 在測量值較大的一端加墊塊

2 案例二：使用V形塊檢測跳動度

如圖5所示，某軸類零件，兩側的圓柱面形成聯合基準，需要測量中間圓柱面的全跳動度。

圖5 某軸類零件全跳動度要求

如果嚴格按照測量全跳動度的定義，就應該使用兩側同心并且可以自動定心夾盤，在夾盤和零件轉動的同時，左右移動固定高度百分表，讀取百分表讀數，如果變化在0.2 mm范圍內，全跳動度0.2 mm即為合格，如圖6所示。

然而，若沒有如上所示的檢測夾盤時，測量工程師該如何完成全跳動度的測量呢？如圖7所示，可以考慮使用兩V形塊來完成檢

測。實際上零件兩側面為車床同一工位車削完成，圖7中V形塊和圖6中夾盤產生的徑向偏心誤差會比被測量面跳動度要求小一個數量級（即在0.02 mm以下），這個誤差可以被認為是檢具允許誤差。

本案例展示了作為檢測工程師，應該了解零件生產工藝流程，在檢測設備不充足情況下，使用較低成本測量設備完成檢測工作。

3 案例三：使用三坐標測量機測量輪廓度

圖6 利用夾盤檢測全跳動度

圖7 利用V形塊檢測全跳動度

圖8 零件頂面輪廓度要求

如圖8所示，某塑料件要求在裝配后和其他部件符合面差要求，需要檢測零件頂面是否達到輪廓度0.2 mm的要求。如圖9所示，使用夾具將零件定位并固定在檢測臺上，使用三坐標測量機檢測部件頂面是否滿足輪廓度0.2 mm的要求。

實際測量后發現頂面平坦部分輪廓度偏差在0.15 mm上下，然而頂面傾斜部分輪廓度偏差經常超出0.2 mm。這樣這個零件是不是可以判為不合格呢？研究后發現，如圖10所示，檢測操作員在檢測斜面時，使用了固定的X/Y值，然后比對測量Z值和3D模型上對應Z值，因為傾斜面有45°的傾斜，測量偏差值實際上被放大到原來的1.414倍。而輪廓度公差的要求是定義在曲面法線方向上的偏差，而非檢測Z方向。這樣斜面上測量值乘以1/1.414的系數后，發現這個零件頂面輪廓度偏差是符合要求的。

這個案例表明，設計工程師應該深入現場，多了解實際檢測操作過程。檢測工程師亦應正確理解幾何公差理論意義，提高檢測水平；亦可充分使用三坐標測量設備功能，使用設備功能判斷理論3D模型曲面法線方向，直接得出正確的輪廓度偏差結果。

圖9 用三坐標測量機檢測部件頂面輪廓度

圖10 45°傾斜面導致測量偏差被放大

4 案例四：使用固定尺寸檢具檢測零件

如圖11所示，某零件鑄造后又經過機械加工，現需要對于φ60 mm孔位置度使用功能檢具進行全檢（圖樣尺寸有所省略）。如圖12所示，在使用檢具檢測φ60 mm孔位置度時，因為φ60 mm孔位置度基準使用了B基準默認RFS（Regardless of feature size）獨立原則，這樣對應B基準就應該使用可變化尺寸膨脹銷。顯然，這樣會提高檢具的成本，對于檢測工人的操作能力要求也會提高。

圖11 某零件φ60 mm孔位置度要求

圖12 膨脹銷

這個零件在被裝配到最終產品時，實際上在裝配φ60 mm孔對手件時，這個零件被允許在三基準對應的銷上平移，以使φ60 mm孔對手件可以裝配。也就是說，檢具上使用膨脹銷，雖然滿足了產品設計圖樣的要求，但是加入零件功能之外的不必要要求，提高了成本。經過研究溝通，部件圖樣改為如圖13所示，φ60 mm孔位置度引用基準B使用MMB（最大材料邊界），這樣，如圖14所示，檢具使用三個固定尺寸銷，模擬B基準，大大降低了檢具成本，降低了操作人員技術要求。而且，這個檢具可以同時檢查零件B基準三個孔的位置度和φ60 mm孔的位置度；檢具中銷位置尺寸使用零件中對應孔理論相對位置，檢具加工精度公差取用零件對應公差的1/10。

圖13 修改后的圖樣

圖14 檢具使用三個固定尺寸銷

在檢具中盡量使用固定尺寸定位銷和固定尺寸檢測部件，降低了檢具成本，使檢具更好地模擬零件功能狀態；尤其在現代機械行業競爭強烈并微利化的時代，具有越發顯著的現實意義。

5 結語

通過以上具有實踐意義的案例，我們認識到正確理解幾何公差理論意義和檢測妥協性關系的意義。首先，無論是產品設計工程師還是檢測工程師，都應該深入學習幾何尺寸公差理論知識，因為這是確定檢測方式方法和進一步優化產品設計的基礎。對于產品設計工程師，應該深入現場，了解公司實際檢測條件，不可以輕易否定檢測妥協性的客觀合理性。對于測試工程師，也應了解零件功能要求，了解零件加工工藝，從滿足零件功能要求的角度，發揮檢測工程師的聰明才智，靈活高效地完成檢測工作。