机械设计公差与工艺能力研究

2014-04-21叶慧

机械工程师 2014年2期

叶慧

（上海航空电器有限公司，上海 201101）

0 引言

在产品设计时，如何给出合理的公差使得产品既能满足经济要求又能满足使用要求，十分重要；在产品生产时，如何能保证稳定生产出合格的产品也是关系重大的。因此在设计之前，有必要现场加工能力进行工艺研究，考察现场实际的工艺过程，以避免在设计时盲目给出不实际的公差，使设计的产品加工出来合格率高并在量产时具有高度可互换性，使用性和经济性。

1 公差等级的选择原则

GB/T1800.3中规定了20个公差等级，等级越小，公差值越小，加工精度要求越高。公差等级的选择，总的原则是既要满足设计要求，又要考虑工艺的可能性和经济性。也就是说，在满足使用要求的情况下，尽量扩大公差值，亦即选用较低的公差等级。对普通机械行业来说，常用的公差等级为IT5～IT12。具体选用公差等级可参照下列情况确定∶

1）IT01、IT0、IT1级一般用于高精度量块和其它精密尺寸标准块的公差。

2）IT2～IT4级用于特别精密零件的配合。例如高精度机床滚动轴承的配合，精密仪器中特别精密的配合。

3）IT5级用于高精度和重要的配合处。例如精密机床主轴的轴、主轴箱体孔与精密滚动轴承的配合等。

4）IT6级用于要求精密配合的情况。例如机床中一般传动轴和轴承的配合，齿轮、皮带轮和轴的配合。这个公差等级在机械制造中应用较广。

5）IT7～IT8级用于一般精度要求的配合。例如一般机械中速度不高的轴与轴承的配合，在重型机械中用于精度要求稍高的配合，在农业机械中则用于较重要的配合。

6）IT9～IT10级常用于一般要求的地方，或精度要求较高的槽宽的配合。

7）IT11～IT12级用于不重要的配合。

8）IT12～IT18级用于未注尺寸公差的尺寸精度，包括冲压件、铸件、锻件的公差等。

2 工艺能力研究

2.1 工序能力参数

对于任何生产过程，加工或装配出的产品尺寸都存在分散性，加工精度越高，产品的尺寸特征值的分散程度就越小，稳定生产的能力就越强，在稳定的工作状态下加工或装配出的零件尺寸基本服从正态分布或近似正态分布，因此用正态分布标准差σ的倍数来衡量加工出产品的尺寸分布的分散程度。由正态分布特性可知，当取6σ作为工序能力时，其置信水平为99.73%，表明能稳定生产的能力，能否稳定生产合格品用加工过程能力指数Cp来衡量，即加工精度能满足设计公差要求程度的大小，

Cp值越大，则表明过程能力越强，但是也意味着成本提高，经济性降低。

2.2 公差中心、分布中心和标准差的概念

公差中心是指设计图纸规定的零件尺寸的平均值，记为M；尺寸分布中心是在机械加工中零件尺寸实际分布的总体均值，记为μ，一般μ难以得到，都是通过加工一批该尺寸，然后取这些尺寸的平均值；标准差记为σ，它表示总体分布的离散程度，一般也很难得到，也是通过加工一批该尺寸，然后取这些零件的样本标准差σ，按下式计算：

式中，N为样本总数。

图1 中心偏移时过程能力示意图

理论上说，当实际尺寸分布中心与理论公差的中心重合时，公差至少为6σ时，才能保证实际尺寸的合格率达到99.7%。但是实际上，尺寸的分布中心一般取决于设备的调整，而要把设备调整到使两个中心重合，并不是件容易的事，只要存在着调整误差，分布中心与公差中心就要偏离，这样不合格的风险就更大，需要适当增大Cp值，以确保过程能力满足要求。当公差中心M与过程分布中心μ不重合，有偏移时（如图1所示，图中虚线表示无偏移情况下的尺寸分布曲线，实线为实际有偏移时的尺寸分布曲线）计算Cp的公式需要进行修正。设绝对偏移量为ε，相对偏移量K：

计算过程能力指数时，可以只考虑分布中心偏移引起偏差的半边。此时的Cp记为Cpk的计算公式如下：

当K=0时，就是设计公差中心与实际尺寸公差中心重合的情况；当K≥1时，Cpk=0，表明过程能力严重不足，必须停产整顿，分析原因并采取措施纠正分布中心的严重偏移。一般来说，K在0～0.5范围内，中心偏移不需要采取措施。

2.3 工序能力评价标准

假定设计公差中心与实际公差中心重合时，根据工序能力指数式（1），设计公差分别取 10σ，8σ，6σ，4σ 时，Cp分别为 1.67，1.33，1，0.67。按此 4 个值可将机械加工过程分为5类，如表1所示。

表1 Cp的评价标准

从表1可以看出，当1＜Cp＜1.67时，工艺过程能力都是可以接受的，也是设计和加工时必须满足的。

2.4 工艺研究的数据测量分析

为了满足日后项目稳定生产的需要，我们必须对产品的公差是否合理，产品的生产能否满足设计要求，以及满足的程度有清楚的把握，所以以某个零件的图纸尺寸为原型，对前期给出的公差作了基于以上理论的工艺能力研究。研究过程具体如下：首先按照图纸机械加工了10块导光板零件样本，然后对图纸上的74个主要尺寸进行编号（见图2），并对每块样本的74个尺寸进行5次测量采样，得出了每块样本的尺寸数据。并将每个尺寸的测量数值作为样本，按照式（1）～式（5）计算了样本均值 μ（AVG）和样本标准差 σ（STDEV），相对偏移量 K，工艺能力 6σ，工艺能力参数 Cp，分析测量数据和统计结果，尺寸合格率、工艺能力重要尺寸、公差中心与分布中心的相对偏移K见表 2、表 3、表 4、表5。

表2 合格率

表3 工艺能力

表4 重要尺寸

表5 偏移系数

图2 导光板零件尺寸编号

对图中的尺寸进行分类如下：

对于导光板而言，外形尺寸是主要控制尺寸。接插件、嵌件位置尺寸和开孔位置尺寸、印制板装配尺寸关系到导光板与其他零件的装配，也是比较重要的装配尺寸。

在实际设计时，设计者采用的都是IT9～IT10级公差。

从图1可以看出，当实际尺寸分布的最小值大于设计尺寸的最大值，或者实际尺寸分布的最大值小于设计尺寸的最小值，尺寸分布中心大于设计尺寸的最大值，或者小于设计尺寸的最小值时，该尺寸就记为不合格。

2.5 结论

从上述分析可以看出，虽然重要尺寸的加工基本能满足要求，但是加工出的产品的尺寸基本都不能满足设计公差要求，工艺能力很差，尺寸分布中心与公差中心偏离太大，产品的不合格率太高，无法满足稳定生产出满足设计要求的合格产品的要求，分析造成这种情况的原因：尺寸的公差都给得太小，公差等级选择不合理，大部分尺寸的公差都比分析结果的工艺能力6σ值小很多，导致加工无法满足。需要按照使用要求选择设计公差，给出合理的最小公差等级，避免造成经济和人工损失，另外需要适当缩紧过程控制的随机波动幅度，即减小σ值，如缩小刀具更换周期，减小进给量，以提高效率，降低成本。实际尺寸分布中心与理论公差的中心不重合，有偏移，加工设备需要调整。再者在机械加工中我们经常发现生产工人不按公差中心进行加工的现象，如加工外径时，为了保险，总是往公差的上限靠，这就相当于把公差上限作为公差中心；同样加工内孔时，总是往公差下限靠，这就相当于把公差下限作为公差中心，这样检查起来，虽然件件也能合格，但作为整批产品来说必然有所影响，在以后生产时必须规避这种情况，按照公差中心尺寸加工。