參考資料-機械精度設(shè)計綜合實例

機械精度設(shè)計綜合實例【案例導(dǎo)入】如圖1是二位四通轉(zhuǎn)閥裝配圖，工作壓力p＝6.3MPa，壓力試驗無泄漏。設(shè)計主要部件的公差與配合要求。本例用于說明公差與配合在設(shè)計中的綜合應(yīng)用。公差與配合綜合應(yīng)用是本課程學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)。1，9—螺釘；2—銷；3—滑閥；4—撥叉；5—蓋板；6—墊片；7—閥體；8—O形密封圈；10—手把。圖1二位四通轉(zhuǎn)閥裝配圖【學(xué)習(xí)目標(biāo)】本章以典型一級減速器為例，介紹如何進行裝配圖、零件圖的公差選擇；要領(lǐng)會極限配合體系的特點、一般機械精度設(shè)計的方法；具有利用極限配合、幾何公差及表面粗糙度的相關(guān)知識，合理綜合運用本課程的知識進行裝配圖、零件圖公差選擇與標(biāo)注的機械精度設(shè)計的能力。在二位四通轉(zhuǎn)閥案例中，轉(zhuǎn)閥有兩個旋轉(zhuǎn)工位，用于切換壓力流體的方向?；拘阅芤螅夯y與閥體密封無泄漏、旋轉(zhuǎn)靈活、操作滑閥的撥叉等緊固牢靠。在裝配圖中滑閥與閥體采用最小間隙為零的間隙配合φ25H7/h6（配合間隙0～41μm），保證滑閥可自由旋轉(zhuǎn)；采用最大間隙時，為避免轉(zhuǎn)閥泄漏，增加密封圈，滿足閥的無泄漏密封性能要求。在裝配圖中滑閥與撥叉采用小間隙配合φ12H8/f7（配合間隙16～61μm），其最小間隙保證可自由裝配。兩件配合的最大間隙及附加螺釘，要求工作時牢靠不致松動，既可實現(xiàn)滑閥的旋轉(zhuǎn)操作，又可以拆卸維修。從案例中可以看出，合理的配合可實現(xiàn)設(shè)計時的性能要求。

1概述機械產(chǎn)品設(shè)計一般包括方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和精度設(shè)計三個過程。精度設(shè)計是產(chǎn)品滿足功能要求，即滿足使用要求、保證質(zhì)量的必要環(huán)節(jié)，也是產(chǎn)品設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。精度設(shè)計有產(chǎn)品整體精度設(shè)計和零件精度設(shè)計。幾何量精度設(shè)計不僅滿足產(chǎn)品的使用要求，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而且還要考慮制造產(chǎn)品的可能性和成本。實際中百分之百精確的機械是不可能實現(xiàn)的。精度設(shè)計的任務(wù)是利用有關(guān)極限與配合、幾何公差、表面結(jié)構(gòu)等項目，表述對機械各部分制造時的允許差，從而制造出滿足性能指標(biāo)的機械。產(chǎn)品的幾何量精度越高，產(chǎn)品在加工、制造及檢測過程中要求越高，加工與檢測的難度越大，成本越高。因此，幾何量精度設(shè)計的總體原則是：在滿足產(chǎn)品使用要求的前提下，選用合理的幾何量精度，保證獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟效益。機械產(chǎn)品的幾何量精度設(shè)計遵守最重要的原則是互換性原則，為了保證互換性原則的實現(xiàn)，還要遵守標(biāo)準(zhǔn)化原則和優(yōu)化原則，即根據(jù)機械的性能和工作精度要求統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的形式，體現(xiàn)設(shè)計機械零部件之間的結(jié)合要求，以及對零部件各處的尺寸、幾何形狀、表面微觀質(zhì)量的控制要求。裝配圖的極限與配合公差設(shè)計主要討論零部件配合的性質(zhì)及裝配質(zhì)量；零件圖的精度設(shè)計內(nèi)容不但包括根據(jù)裝配圖確定的極限與配合公差，還包括單個零件的幾何形狀、位置精度和表面結(jié)構(gòu)要求。為了準(zhǔn)確、完整、恰當(dāng)?shù)伢w現(xiàn)精度設(shè)計要求，一般需要以下原則：1.重點性原則精度分配根據(jù)設(shè)計時的性能指標(biāo)和工作精度，突出關(guān)鍵部分、重要尺寸，主次分明。設(shè)計時優(yōu)先保證決定機械性能和工作精度的主要部件尺寸的精度。這種分配原則有利于精度表示的清晰性，確保設(shè)計的機械性能指標(biāo)實現(xiàn)，制造時技術(shù)人員抓住重點，集中注意力解決制造技術(shù)問題。2.協(xié)調(diào)性原則精度設(shè)計時，各部件及其尺寸、精度等級不可忽高忽低；或者等級相差很大。使用要求相差不大時，一般相差1～2級即可。這種分配有利于控制制造成本，并且制造精度容易保證。3.完整性原則在精度設(shè)計中，影響機械性能及工作精度不大的部件及尺寸，可按尺寸的未注公差在技術(shù)要求中提出。而對于那些影響機械性能及工作精度的部件及尺寸，一定不能遺漏，否則會造成設(shè)計缺陷。2裝配圖中的精度設(shè)計2.1裝配圖中極限公差與配合確定的方法及原則1.精度設(shè)計中極限配合的選用方法裝配圖不僅設(shè)計部件的結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系，還要確定各零部件之間的配合關(guān)系。裝配圖的配合關(guān)系在圖紙設(shè)計中占有較為重要的作用。配合關(guān)系決定機械工作精度及性能方面的尺寸只有合理選擇，才能保證機械的性能和機械的價格優(yōu)勢。裝配圖中極限公差與配合的方法有類比法、計算法和試驗法。計算法和試驗法是通過計算或者試驗確定配合關(guān)系，這種方法可靠、精確、科學(xué)，但費時、費力、不經(jīng)濟。類比法是根據(jù)零部件的使用情況，參照同類型或相似類型機械已有配合的經(jīng)驗資料，分析比對而確定配合的方法。類比法簡單易行，一般經(jīng)過實際驗證，可靠性高，工藝性較好，便于產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，所以類比法目前還是一種比較常用的、有效的方法。本章采用類比法進行精度設(shè)計。2.精度設(shè)計中極限配合與公差選用原則在裝配圖精度設(shè)計中，公差與配合與機械的工作精度及使用性能要求密切相關(guān)。公差與配合的選用需要對設(shè)計制造的技術(shù)可行性和制造的經(jīng)濟性兩者進行綜合考慮。選用原則要求保證機械產(chǎn)品的性能優(yōu)良，制造經(jīng)濟可行，即選用的配合與精度等級使機械的使用價值與制造成本綜合效果達到最佳，其選擇的好壞將直接影響機械性能、壽命與成本。在書中相關(guān)章節(jié)列出了各種加工方法可能達到的合理加工精度，不同的加工精度其生產(chǎn)成本是不同的。例如，從生產(chǎn)成本的角度考慮，某零件選用IT7，采用車削可達到要求；當(dāng)公差級別提高到IT5，則車削后還需增加磨削工序，相應(yīng)成本可增加25%；如公差級別提高到IT4，則需按車→磨→研磨工序加工，其成本是車削時的5～8倍，所以在滿足使用要求前提下，應(yīng)盡量降低公差級別，獲得良好的經(jīng)濟效益，不可盲目提高機械精度。公差與配合的選用應(yīng)遵守有關(guān)公差與配合標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)所制定的極限配合與公差、幾何公差、表面粗糙度，是一種科學(xué)的機械精度表示方法，它便于設(shè)計和制造，可滿足一般精度設(shè)計的選擇要求。在精度設(shè)計時，經(jīng)過分析類比后，按標(biāo)準(zhǔn)選擇各精度數(shù)值。2.2裝配圖精度設(shè)計實例配合設(shè)計選取順序是精度設(shè)計分析的思路，應(yīng)從如何保證機械工作的性能要求開始，反向推出各結(jié)合部分的極限配合要求。具體方法和步驟是：找出影響機械性能的誤差傳遞路線，即起重要作用或關(guān)鍵部分的尺寸及配合，即尋找機器或部件的主要尺寸。操作順序如下：工作部分及主要配合件→定位件、基準(zhǔn)→非關(guān)鍵件，設(shè)計時逐一分析，按要求標(biāo)注，不能遺漏?！纠?】圖2是簡化的軸向柱塞液壓泵。設(shè)計壓力p＝20MPa，轉(zhuǎn)速n＝1800r/min。設(shè)計主要部件的公差與配合。【解】軸向柱塞泵是一種常見的液壓動力元件，提供液壓系統(tǒng)一定壓力下穩(wěn)定的流量。使用要求液壓泵工作平穩(wěn)、流量穩(wěn)定、系統(tǒng)泄漏量小，泵在工作時不會出現(xiàn)卡滯等現(xiàn)象。柱塞泵工作部分要求精度高、間隙小、過盈部分不能過大，其尺寸精度和幾何精度均有要求。從使用性能及與同類型液壓元件類比，此設(shè)計關(guān)鍵部分精度，孔為IT6，軸為IT5，其他定位部分一律孔取IT7、軸取IT6；非關(guān)鍵件部分孔、軸均取IT8～IT10或不標(biāo)注配合精度。分析圖紙，決定工作性能及精度的關(guān)鍵件是柱塞副、凸輪及凸輪軸部分，由此可得系統(tǒng)的主要尺寸部分如下：柱塞泵主要部分尺寸，按重要性順序：柱塞徑向面φ18→凸輪面→凸輪軸兩支撐面。定位部分：軸與軸承內(nèi)圈φ15兩處→軸承外殼孔與軸承外圈φ35兩處。1—泵體；2—泵套；3，18—彈簧；4—柱塞；5—凸輪軸；6—襯套；7—滾動軸承；8—凸輪；9—鍵5×20；10—襯蓋；11—螺釘；12—墊片；13—螺塞；14—單向閥體；15—鋼球；16—球托；17—油封；19—調(diào)節(jié)塞；20—油杯。圖2軸向柱塞泵其他部分：柱塞套與本體φ30→軸承外殼孔體與本體φ42、φ50→輸入部分φ14。下面分析柱塞泵的公差與配合要求。（1）柱塞副是工作的關(guān)鍵件，工作時滑動應(yīng)無卡滯，密封性好，尺寸精度孔取IT6，柱塞取IT5。如果單件試生產(chǎn)和考慮經(jīng)濟性要求，孔取IT7，軸取IT6，取最小間隙為零的間隙配合H/h，保證柱塞軸向滑動順暢。（2）柱塞套與殼體應(yīng)選取過盈配合?？紤]套變形時孔的收縮，過盈量不能過大（類比估計過盈范圍3～7μm）。配合類型選H7/k6或H7/m6，試切法可選H7/js6。（3）軸承為標(biāo)準(zhǔn)件，只選取凸輪軸的公差代號。軸承內(nèi)圈與凸輪軸配合為基孔制配合，凸輪軸取k6，試切法取js6；軸承外圈與殼孔配合按基軸制，殼體孔選取H7。（4）軸承外殼孔的襯套及襯蓋?？紤]安裝拆卸方便，達到定位的原則，無附加緊固件的襯套，宜選結(jié)果可能有小過盈量的k、m；有附加固定的襯蓋，可選h、j、js。本例襯套選H/k，襯蓋選H/h。主視圖右邊φ30處，考慮受軸向力作用，便于安裝即可，選H7/g6～H7/k6均可。表1試切法與調(diào)整法的配合比較（6）輸入部分安裝尺寸φ14。動力輸入部分，依靠單鍵傳遞動力，配合以小過盈為佳，選h～m均可，單鍵小批量選h、k、m。從加工方法上考慮，單件試生產(chǎn)和調(diào)整法生產(chǎn)，主要件部分的公差與配合見表1。從圖2的標(biāo)注結(jié)果看，此設(shè)計更適合單件試切法生產(chǎn)?！纠?】某單級圓柱齒輪減速器，如圖3所示，輸入軸轉(zhuǎn)速n1＝2950r/min，單件小批量生產(chǎn)，齒輪最高工作溫度800°C，箱體最高溫度500°C，齒輪噴油潤滑。分析并給出結(jié)合部分的裝配關(guān)系?！窘狻繙p速器是機器中最常見的傳動裝置，也是“機械設(shè)計課程設(shè)計”中經(jīng)常涉及的設(shè)計部件。減速器裝配圖中的公差選擇與標(biāo)注是減速器設(shè)計的主要內(nèi)容之一。經(jīng)過運動、動力、結(jié)構(gòu)和強度設(shè)計以后，可得到單級圓柱直齒減速器的已知條件，它是減速器精度設(shè)計的原始數(shù)據(jù)，采用類比法分析各部配合要求。圖3單級圓柱齒輪減速器（1）已知條件：①減速器裝配圖如圖4所示。②高速軸組（小齒輪）參數(shù)。齒數(shù)Z1＝16，齒寬b1＝25mm，模數(shù)m＝2mm，壓力角α＝20°，兩個6201P0深溝球軸承（軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，輕負荷）。圖4單級圓柱直齒輪減速器裝配圖③低速軸組（大齒輪）參數(shù)。齒數(shù)Z2＝32，齒寬b2＝20mm，模數(shù)m＝2mm，壓力角α＝20°，齒輪材料45#鋼，線膨脹系數(shù)α1＝11.5×10－6/°C，兩個6203P0深溝球軸承（軸承外圈固定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，輕負荷）。④帶輪與高速軸為一般配合，輕負荷，可拆卸，帶輪內(nèi)孔直徑為φ10mm。⑤大齒輪與低速軸為一般配合，輕負荷，精密定位，可拆卸，大齒輪內(nèi)孔直徑為φ20mm。⑥箱體材料為鑄鐵，線膨脹系數(shù)α2＝10.5×10－6/°C，箱體上兩對軸承孔的跨距L相等，均為46mm。（2）高速軸組配合公差與標(biāo)注。高速軸組配合公差主要有：軸承內(nèi)圈與高速軸軸頸的配合公差、軸承外圈與殼體孔的配合公差、高速軸與帶輪內(nèi)孔的配合公差、高速軸與帶輪平鍵的配合公差四項。①軸承內(nèi)圈與高速軸軸頸的配合公差選擇。6201P0深溝球軸承，由相關(guān)手冊查軸承內(nèi)圈直徑為φ12mm。根據(jù)已知條件：軸承外圈規(guī)定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，輕負荷，軸承為標(biāo)準(zhǔn)件，只選擇軸頸的公差帶代號。由軸承相關(guān)章節(jié)的表選擇軸承內(nèi)圈與軸頸的配合公差帶代號為h5。②軸承外圈與殼體孔的配合公差選擇。6201P0深溝球軸承，由相關(guān)手冊查軸承外圈直徑為φ32mm。根據(jù)已知條件：軸承外圈規(guī)定，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，輕負荷，軸承為標(biāo)準(zhǔn)件，只選擇殼體孔的公差帶代號。由軸承相關(guān)章節(jié)的表選擇軸承外圈與殼體孔的配合公差帶代號為H7。③高速軸與帶輪內(nèi)孔的配合公差選擇。帶輪與高速軸為一般配合，根據(jù)基孔制優(yōu)先的原則，選擇帶輪內(nèi)孔公差代號為H。帶輪要求輕負荷傳動，可拆卸，由線性尺寸精度設(shè)計章節(jié)選擇過渡配合H/n帶輪的精度、定位要求不高，選擇內(nèi)孔精度為IT8，選擇與內(nèi)孔相配合的高速軸段的精度為IT7（軸比孔低一級），所以帶輪內(nèi)孔與高速軸的配合公差為φ10(H8)/n7。④高速軸與帶輪平鍵的配合公差選擇。根據(jù)帶輪內(nèi)孔直徑φ10mm，查相關(guān)手冊得鍵寬b＝3mm。帶輪與軸無相對運動，輕負荷，選平鍵連接。由鍵精度設(shè)計章節(jié)選取鍵與高速軸槽的配合公差代號為N9，鍵與帶輪內(nèi)孔槽的配合公差代號為JS9。配合公差選定后，正確標(biāo)注在圖5上。圖5減速器裝配圖的公差標(biāo)注（3）低速軸組配合公差選擇和標(biāo)注。低速軸組配合公差主要有：軸承內(nèi)圈與低速軸軸頸的配合公差、軸承外圈與殼體孔的配合公差、低速軸與大齒輪內(nèi)孔的配合公差、低速軸與大齒輪平鍵的配合公差四項。①軸承內(nèi)圈與低速軸軸頸的配合公差選擇。6203P0深溝球軸承，查手冊得軸承內(nèi)圈直徑為φ17mm。根據(jù)已知條件：外圈規(guī)定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、輕負荷，由滾動軸承精度設(shè)計章節(jié)選取內(nèi)圈與軸頸的配合公差代號為h5。②軸承外圈與殼體孔的配合公差選擇。6203P0深溝球軸承，查手冊得軸承外圈直徑為φ40mm。根據(jù)已知條件：外圈規(guī)定、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、輕負荷，由滾動軸承精度設(shè)計章節(jié)選取外圈與殼體孔的配合公差代號為H7。③低速軸與大齒輪內(nèi)孔的配合公差選擇。大齒輪與低速軸為一般配合，優(yōu)先選用基孔制，選擇大齒輪內(nèi)孔公差代號為H。大齒輪要求可拆卸、精密定位、輕負荷傳動，由線性尺寸精度設(shè)計章節(jié)選擇配合性質(zhì)為小過渡配合H/k；選擇大齒輪內(nèi)孔精度為IT7，與大齒輪內(nèi)孔配合的低速軸段精度為IT6，大齒輪內(nèi)孔與低速軸的配合公差選擇為φ20H7/k6。④低速軸與大齒輪平鍵的配合公差選擇大齒輪內(nèi)孔直徑φ20mm，由手冊查得鍵寬b＝6mm。因大齒輪與軸無相對運動、輕負荷，所以選取一般平鍵連接，由鍵精度設(shè)計章節(jié)選取鍵與低速軸槽的配合公差代號為N9，鍵與大齒輪孔槽的配合公差代號為JS9。配合公差選定后，正確標(biāo)注在圖5上。（4）中心距及極限偏差選擇與標(biāo)注。中心距及極限偏差屬于相鄰零件之間的安裝公差，即兩傳動齒輪之間的中心距及極限偏差。減速器為常用一般齒輪傳動，無特殊要求，選擇減速器齒輪精度等級為IT7。由相關(guān)公式可計算出中心距為48mm，查齒輪精度設(shè)計章節(jié)得中心距極限偏差±fa＝±0.0195mm，所以減速器中心距極限偏差為（48±0.0195）mm，并標(biāo)注在圖5上。標(biāo)注完極限配合與公差后，需驗證裝配尺寸鏈?zhǔn)欠駶M足要求，如果不符合機械的使用性能要求，或不符合公差分配及工藝要求，則需調(diào)整，使所選配合符合設(shè)計要求，并易于制造。具體驗算、計算可見尺寸鏈相關(guān)內(nèi)容。3零件圖中的精度設(shè)計3.1零件圖中精度確定的方法及原則在機器的設(shè)計過程中，零件圖一般是從裝配圖（或部件圖）中拆畫出來的。零件圖是零件加工、檢驗的指令性文件，所以零件圖除了正確表達零件的形狀，還要求標(biāo)注出完整的尺寸和公差要求。零件圖中的主要公差項目有尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度和其他公差要求。本節(jié)采用類比法進行，必要時需要進行尺寸鏈的計算驗證。確定并標(biāo)注各部分公差精度順序如下：區(qū)分主要尺寸和次要尺寸，按尺寸公差→幾何公差→表面粗糙度進行，盡量做到設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)重合。1.尺寸公差的確定方法零件圖中不是所有尺寸都標(biāo)注尺寸公差要求，只有重要尺寸和精度要求比較高的主要尺寸標(biāo)注公差要求；非主要尺寸，或者精度要求比較低的部分，可不標(biāo)出公差要求，在技術(shù)要求中統(tǒng)一說明（線性尺寸的未注公差）。零件圖中的主要尺寸，是指裝配圖中參與裝配尺寸鏈的尺寸，這類尺寸一般都具有較高的精度要求，對機械精度和機械性能影響比較大。還有一類尺寸——工作尺寸，它的精度對機械性能有直接影響，也需要嚴(yán)格控制。確定了零件的公稱尺寸以后，可從以下幾方面考慮選擇適當(dāng)?shù)某叽绻?。?）裝配圖中已標(biāo)注出配合關(guān)系及精度要求的，一般直接從裝配圖中的配合及公差中得出。例如圖6中的低速齒輪軸零件圖，可直接從圖5中的φ20H8/k7分解出φ20k7，并查表得到尺寸公差要求。圖6低速軸表面粗糙度標(biāo)注（2）裝配圖中無直接要求的尺寸，但它是主要配合尺寸，在零件圖中影響設(shè)計基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)和機械的工作精度，須按尺寸鏈計算，求出尺寸公差值。（3）為了加工方便、測量的工藝基準(zhǔn)、與配合有關(guān)的尺寸公差，通過尺寸鏈計算出公差。2.幾何公差的確定方法幾何公差對機械的使用性能影響很大，用幾何公差和尺寸公差共同保證零件的幾何精度。正確選擇幾何公差項目和合理確定公差等級，能保證零件的使用要求和較好的經(jīng)濟性。確定零件圖中幾何公差可從以下幾個方面考慮：（1）保證尺寸精度。對零件圖中有較高公差要求的部分，根據(jù)尺寸精度，提出對應(yīng)幾何精度等級。例如，與軸承內(nèi)圈配合的軸頸尺寸，為保證接觸良好，提出該軸頸處圓柱度要求。（2）機械配合面的運動要求，或裝配圖中有性能要求的，應(yīng)提出幾何公差。例如，機床導(dǎo)軌面支撐滑動工作臺運動，從運動到承載要求考慮，平面誤差對性能影響較大，所以提出平面度要求。（3）主要尺寸之間、主要尺寸與基準(zhǔn)（設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)）之間需要控制位置的，以及基準(zhǔn)不重合可能引起的誤差，根據(jù)它們之間相對位置要求，用尺寸鏈計算，給出所需幾何公差。根據(jù)精度設(shè)計的特點，幾何公差的確定，可參照尺寸公差等級，確定幾何公差等級。對于工作部分尺寸，須根據(jù)機械的工作精度要求和尺寸鏈計算確定。注意：不是零件圖中每個尺寸都有幾何公差要求。只需給出并標(biāo)注制造時需要保證的或者對機器工作精度影響較大的尺寸的幾何公差要求，對于未注幾何公差部分，可在技術(shù)要求中統(tǒng)一提出。3.表面粗糙度的確定方法零件圖中標(biāo)注了尺寸公差和幾何公差后，還需確定控制表面質(zhì)量的指標(biāo)——表面粗糙度。確定零件圖表面粗糙度主要從以下幾個方面考慮：（1）根據(jù)零件圖中尺寸公差等級、幾何公差等級所對應(yīng)的表面粗糙度，可用查表法直接給出。（2）在機械性能上有專門要求，應(yīng)根據(jù)使用要求專門給出。3.2零件圖精度設(shè)計實例零件圖精度設(shè)計的順序為：性能及尺寸公差→設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)尺寸公差→一般尺寸公差→工作部分幾何公差→基準(zhǔn)不重合之間的軸線不復(fù)位、定位公差→一般部分的幾何公差→表面粗糙度。1.軸類零件精度設(shè)計軸類零件的精度設(shè)計應(yīng)根據(jù)與軸相配合零件（如滾動軸承、齒輪等）對軸的精度要求，合理確定軸的各部位的尺