机械精度设计基础(第四版)

第1章 绪 论 1.1 机械精度设计概述 机械精度设计涉及机械设计、机械制造工艺、机械制造计量测试、质量管理与质量控制等多种学科，与机械工业发展密切相关，与CAD/CAM/CAPP相辅相成，与计算机技术的发展紧密相连，是一门综合性应用技术基础学科。 任何机械产品都是由零部件组成的，因此，机械零部件几何参数的精度(尺寸精度、形状位置精度、表面粗糙度等)会直接影响现代机械产品的功能质量，包括工作精度、耐用性、可靠性、效率等。也就是说，在合理设计结构和正确选用材料的前提下，机械零部件几何参数的精度设计是保证产品功能质量的关键因素，是机电装置、设备、仪器仪表等设计的基础。 机械零部件几何精度设计的任务，就是根据使用要求，对于经过参数设计阶段确定的机械零件的几何参数合理地给出尺寸、形状位置和表面粗糙度公差值，用以控制加工误差，从而保证产品的各项性能要求。 本课程是各类机械、仪器仪表等设计与制造专业本硕学生必修的一门主干专业技术基础课，其目的就是培养学生进行机械零部件几何精度设计的能力，兼顾培养学生对机械精度要求和检测的理解能力，为学生进行机械设计制造奠定基础。 1.2 机械零件几何精度设计原则——互换性原则 在进行机械零件几何精度设计过程中，应遵循互换性原则和经济性原则。互换性原则是在保证使用性能的要求下，制造速度越快越好；经济性原则是在保证使用性能的前提下，制造费用越低越好，机械精度设计要兼顾互换性原则和经济性原则。 1.2.1 互换性的含义 互换性(interchange ability)是指零部件在几何、功能等参数上能够彼此相互替换的性能，即同一规格的零部件不需要任何挑选、调整或修配，就能装配(或更换)到机器上，并且符合使用性能要求。由此可见，要使零部件满足互换性，不仅要求几何参数，而且要求机械性能、理化性能以及其他功能参数都能互相替换。所以，零件的互换性涉及两个方面：一方面是几何参数的互换性；另一方面是功能的互换性。本书主要介绍零部件几何参数的互换性。 零部件在实际制造过程中，由于加工设备、工具、测量的误差不可避免，要使同一规格的一批零件或部件的几何参数的实际值完全相同是不可能的，它们之间或多或少地存在着差异。因此，要保证其具有互换性，只能使其几何参数的实际值尽可能接近理论值，其接近程度取决于产品的质量要求。为保证产品几何参数的实际值与其理论值相近，就必须将其实际值的变动量限定在一定范围内，这个范围就是公差。 1.2.2 互换性的分类 按同一规格、同一批次零部件互换的程度，可以将互换性分为完全互换性(绝对互换性)和不完全互换性(有限互换性)。 完全互换性是一批规格相同的零部件在加工完以后，不需要任何挑选、调整或修配，在几何参数上具有互相替换的性能。概率互换(大数互换性)属于完全互换性，这种互换性是以一定的置信水平为依据，如置信水平为95、99等，使加工好的规格相同的大多数零部件不需要任何挑选、调整或修配等辅助处理，在几何参数上就具有彼此互相替换的性能。 不完全互换性是指规格相同的零部件在加工完以后，在装配(或更换)前需要挑选、调整或修配等辅助处理，这样在几何参数上才具有互相替换的性能。 当装配精度要求较高时，采用完全互换性将使零件制造精度要求提高，加工难度增大，成本增高。这时，可以根据生产批量、精度要求、结构特点等具体条件，或者采用分组互换法，或者采用调整互换法，或者采用修配互换法，这样做既可保证装配精度和使用要求，又能适当地放宽加工公差，减小零件加工难度，降低成本。 对于标准化部件或机构，互换性又可分为内互换性与外互换性。 内互换性是指产品组成机构或部件的内部零件几何参数的互换性。例如，滚动轴承内圈滚道直径、外圈滚道直径、保持架或滚动体等，都具有内互换性，一般采用分组互换。 外互换性是指同规格部件或机构的外形尺寸的互换性。例如，滚动轴承内圈的内径、外圈的外径均应具有外互换性。 1.2.3 互换性的作用 互换性对现代化机械制造业具有非常重要的意义。只有机械零部件具有互换性，才有可能将一台复杂的机器中成千上万的零部件分散到不同的工厂、车间进行高效率的专业化生产，然后集中到总装厂或总装车间进行装配。因此，互换性是现代化机械制造业进行专业化生产的前提条件，其不仅能促进自动化生产的发展，也有利于降低成本、提高产品质量。 从设计看，按互换性进行设计，就可以*大限度地采用标准件、通用件，如滚动轴承、螺钉、销钉、键等，从而显著减少计算、绘图等工作量，使设计简便，缩短设计周期，既有利于产品品种的多样化和计算机辅助设计，又有利于开发系列产品，不断地改善产品结构、提高产品性能。 从制造看，互换性不仅有利于组织大规模专业化生产，还有利于采用先进工艺设备和高效率的专用设备，既有利于进行计算机辅助制造，又有利于实现加工和装配过程的机械化、自动化，从而减轻劳动强度，提高生产效率，保证产品质量，降低生产成本。 从使用看，零部件具有互换性，可以及时更换那些已经磨损或损坏了的零部件，因此，不仅减少了机器的维修时间和费用，还增加了机器的平均无故障的工作时间，既保证了机器能够连续而持久地运转，又提高了设备的利用率。在诸如航天、航空、核工业、能源、国防等特殊领域或行业，零部件的互换性所起的作用是难以用具体价值来衡量的，其意义更为重大。 1.3 标准化与优先数系 1.3.1 标准化 国家标准GB/T 20000.1—2002中规定：标准化(standardization)是指为了在一定范围内获得规范的社会秩序，对现实问题或潜在问题制定共同使用和重复使用的条款的活动。上述活动主要包括编制、发布和实施标准的过程。标准化的主要作用在于为了其预期目的改进产品、过程或服务的适用性，防止贸易壁垒，并促进技术合作。 在国际上，为了加强世界各国之间的交流、促进各国之间在技术上的统一，先后成立了国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)和国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)，并由这两个组织负责起草、制定和颁布国际标准。经过多年的发展和完善，目前标准化正处于新的历史时期。为了增进国际的合作，使产品走向国际市场，我国于1978年恢复加入ISO后，陆续修订了原有的国家标准。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与合作。 标准化的主要体现形式是标准。标准是为了在一定的范围内获得*佳秩序，经协商一致制定并由公认机构批准，共同使用和重复使用的一种规范性文件。 标准涉及的范围极其广泛，种类也繁多，涉及人类活动的各个方面。按标准化对象的特性划分，有基础标准、术语标准、试验标准、产品标准、过程标准、服务标准、安全和环境保护标准与接口标准等。按标准的级别划分，有国际标准、国家标准、行业标准和企业标准等。 我国于1988年发布了《中华人民共和国标准化法》，其中规定国家标准和行业标准又分为强制性标准和推荐性标准两大类。涉及人身安全、健康、卫生及环境保护等的标准属于强制性标准，其代号为GB，对于这些标准，国家通过法律、行政和经济等各种手段及措施来维护并加以实施。其余的标准属于推荐性标准，其代号为GB/T。标准是人类科学知识的沉淀、技术活动的结晶、多年实践经验的总结，代表着先进的生产力，对生产具有普遍的指导意义，能够促进技术交流与合作，有利于产品的市场化，因此，在生产活动中，推荐性标准也应积极采用。 总之，标准化可以方便产品的设计、生产、存放、运输和管理。标准化是组织现代专业化协作生产的重要手段，是实现互换性的必要前提，是一个国家现代化水平的重要标志之一。因此，它对人类进步和科学技术发展起着巨大的推动作用。 1.3.2 优先数系和优先数 标准化要求各种参数系列化和简化，所以需将参数值(如零件的几何参数值、公差值等)进行合理地分级分档，使其有恰当的间隔，便于管理和应用。因此，简化、协调和统一工程与产品的各种技术参数是标准化的重要内容。 1．优先数系 优先数系(series of preferred numbers)是国际统一的数值制度，是技术经济工作中简化、协调和统一产品参数的基础。 在机械产品设计中，需要确定零件的各种几何参数。其中，许多参数涉及加工、测量、储存、运输等生产的各个环节，这些参数一旦确定，就会按照一定规律向与其有配套关系的一系列产品的有关参数传播、扩散。在生产实际中，这种现象是极为普遍的。所以，设计时不能随意确定机械产品中的各种技术参数，以免出现规格品种恶性膨胀的混乱局面。为了便于组织、协调生产以及使用维护，必须对各种技术参数的数值做出统一规定。国家标准《优先数和优先数系》(GB/T 321—2005)就是其中重要的一个标准，确定工业产品技术参数时，应尽可能采用该标准中的数值。 国家标准GB/T 321—2005规定：优先数系是由公比为 、 、 、 和 且项值中含有10的整数幂的理论等比数列导出的一组近似等比的数列。各数列分别用符号R5、R10、R20、R40和R80表示，称为R5系列、R10系列、R20系列、R40系列和R80系列。 2．优先数系的种类和代号 1)基本系列(basic series) 优先数系中的常用系列，称为基本系列，有R5、R10、R20和R40四个系列，表1-1为基本系列的各项数值。 表1-1 优先数系的基本系列(摘自GB/T 321—2005) 基本系列的代号：系列无限定范围时，用R5、R10、R20、R40表示；系列有限定范围时，应注明界限值。例如： R10(1. 25， )表示以1.25为下限的R10系列； R20( ，45)表示以45为上限的R20系列； R40(75， ，300)表示以75为下限，300为上限的R40系列。 基本系列的公比分别为 R5： R10： R20： R40： 2)补充系列(complementary R80 series) R80系列称为补充系列，它的公比 ，其代号表示方法同基本系列。 3．优先数 优先数系中的任一个项值均为优先数(preferred number)。按公比计算得到的优先数的理论值(除10的整数幂外)不能用于实际工程中，对理论值取5位有效数字的计算值仅供精确计算使用，取3位有效数字的常用值广泛应用于实际工程中的各个领域，如表1-1所示。 实际应用时，按R5、R10、R20、R40和R80的顺序依次选用。在基本系列和补充系列不能满足要求时，可以采用派生系列。 派生系列是从基本系列或补充系列Rr(其中 、10、20、40和80)中，每p项取值导出的系列。 派生系列的代号表示方法如下。 (1)系列无限定范围时，由于比值r/p相等的派生系列具有相同的公比，但其项值是多义的，应指明系列中含有的一个项值。例如，R10/3( ，20， )表示含有项值20并向两端无限延伸的派生系列。如果系列中含有项值1，可简写为R，r/p。例如，R10/3表示系列为 。 (2)系列有限定范围时，应注明界限值。例如，R20/4(112， )表示以112为下限的派生系列；R40/4( ，60)表示以60为上限的派生系列；R5/2(1， ，10000)表示以1为下限、10000为上限的派生系列。 派生系列的公比为 1.4 GPS标准体系基本术语简介<