电器产品机构零部件设计的公差选择

陈佳成

（杭申集团杭州之江开关股份有限公司，杭州 311234）

机构零部件公差包括尺寸和形位公差，尺寸公差包括公差带大小和基本偏差，形位公差包括形状公差和位置公差，尺寸公差带、形状公差和位置公差均用一个数值表示尺寸或要素的精度等级，基本偏差反映公差带的位置，在孔、轴配合中反映配合的性质（过盈、过渡或间隙）。虽有标准的公差列表可供选择，但由于机构零部件数量多，加之各零部件公差选择内容又较多，因此，对一般设计人员而言，零部件的公差选择（或设计）是较有难度的。

机构作为电器产品的执行元件，其性能稳定性对电器产品的影响很大，无论电器产品性能多么先进，都需要高稳定性的机构作为支撑，而机构性能的稳定主要依赖于其中零部件合理的公差选择和适当的热处理。过紧的公差不仅使零部件制作成本升高，还需要高技能的工人师傅操作，有时，仅一个不合理的公差可能导致制造费用成倍上升，可谓设计“一笔千金”，但过紧的公差虽然提高了电器产品的稳定性，但使用寿命并无多大贡献；而过松的公差会降低机构的稳定性和使用寿命，影响用户的利益。因此，电器产品机构零部件公差应谨慎选择，不可随意为之。

1 传统零部件公差的选择方式

随着CAD 软件技术的不断进步，二维、三维绘图软件不断出现，对广大工程技术人员而言，工程制图变得越来越简单，尤其是零部件名义尺寸的选择、运动仿真等，一般技术人员都能轻易完成，但对于零部件尺寸公差的选择，较难把握，需要设计者有深厚的机械经验，尤其在不借助CAT（零部件公差分析）软件时，全凭设计者的认知，设计者不仅要了解各类机械加工（包括冷加工和热加工）工艺，要熟悉各类机床能达到的机械参数和加工精度，更要全面掌握机械配合、连接、传动相关知识。传统的零部件公差选择主要有两种方法：①根据具体设计对象，个性化地选择公差。按零部件在机器中的重要程度、工作状况提出相应要求，如对于孔轴配合：高速精密旋转运动常用H/f，直线运动常用H/g，精密静配合常用H/h，较紧过渡配合常用H/n等；对于零部件尺寸精度：相对高速运动的孔常用IT7～IT8，轴常用IT6～IT7，相对慢速或静止的配合面，孔常用IT9～IT10，轴常用IT8～IT9；对于非配合面，孔常用IT13～IT14，轴常用IT12～IT13；对于形位公差，则根据控制形位公差的难易程度，结合主参数，查表选取。这种传统公差选择方式，较多应用于中、高压断路器操动机构零部件设计过程中，断路器操作功大，零部件所需的刚度和强度高，较多采用铸钢件、锻件、圆钢、厚钢板等机加工件，其公差选择内容丰容，且要求较高。②经济性设计，按加工经济精度选择公差。对于运动速度慢、动作不频率、运动精度不高的产品，如某些低压断路器或隔离开关的操作机构，可从经济性的角度出发来选择其零部件的公差。如表1所示为圆柱孔加工的经济精度，表2为外圆柱面加工的经济精度、表3为平面加工的经济精度、表4为圆柱形表面的形状经济精度、表5为平行度的经济精度。一切以机床粗或半精加工能达到零部件公差为原则，不仅能够降低产品的制作成本，而且方便公差的选取，当然，对于个别关键之处，如影响断路器、隔离开关的开距、超程、触头压力敏感之处，要选择较高的尺寸和形位公差。

表1 圆柱孔加工的经济精度

表2 外圆柱面加工的经济精度

表3 平面加工的经济精度

表4 圆柱形表面的形状经济精度

表5 平行度的经济精度

2 精确机械设计的零部件公差设计

传统零部件公差选择方法主要依赖设计者的经验，往往对零部件的精度偏保守设计，使整体产品精度偏高，致使成本亦偏高。若要对电器产品机构零部件公差精确设计，需要对零部件尺寸链进行计算，但零部件所有公差依靠人力计算，工作量较大，需要花费较长的时间，尤其要求设计人员具备对材料性能、加工工艺及加工设备等方面的知识积累。近来出现了专门进行公差分析的CAT 软件，通过软件分析，可以较好均衡各尺寸公差和形位公差，达到精确设计的目的，有利于找到产品质量和产品成本的平衡点，使产品具有较高的性价比。以下是通过精确机械设计的方法来优化尺寸公差、降低零件的制作成本的案例：如图1所示，一轴套零件，其中是图纸要求保证的尺寸，是尺寸链中的封闭段，L为镗孔深度尺寸，通过控制L公差来间接保证尺寸；图中和为车加工尺寸，根据传统车加工经济精度IT10～12 级，取了IT11 级，根据尺寸链竖式（见表6）计算，得L＝，公差带为+0.08mm，已严于IT10，此公差对于沉孔加工而言要求偏高，会导致加工成本上升，如操作者技能水平低，还可能出现较高的废品率。若对尺寸40、50 车加工取IT10 级精度，仍为车削经济精度，加工成本影响不大，即和，按表7所示的尺寸链竖式，则L＝，公差带为+0.2mm，此公差已宽于IT11，对于沉孔车加工而言尚属经济加工精度。因此，通过尺寸链计算，来全面衡量各尺寸公差，使加工尺寸多落在机床经济加工精度范围内，可大大降低加工成本，减少废品率，使电器产品批量生产顺利进行。

图1 轴套

表6 尺寸链竖式表

表7 尺寸链竖式

3 结论

电器产品机构零部件公差选择对其性能影响很大，传统的设计方法虽然简单、快捷，但需要设计者对产品功能、零部件的加工工艺、各类机床的性能都相当熟悉，并且，大部分设计者往往偏保守设计，零部件的精度裕度较大，产品的成本偏高，其结果是一个高精度的设计仅带来微薄的利润，电器产品的市场竞争力不强；小部分设计者则选择过松的零件公差，为降低成本而对机构“粗制滥造”，在电器产品制造和使用过程中，时常发生机构零部件的运动干涉、机构输出特性不符要求、机构早期失效等现象，直接损害用户的利益。精确机械设计是在初步选择标准的尺寸和形位公差后，对尺寸链进行分析计算，结合各尺寸或要素的经济加工精度，得到合理的尺寸和形位公差。通过对零部件公差精确设计后，可均衡各尺寸或要素的公差，保证图纸设计要求，降低产品成本，使机械设计趋于精确和合理，值得广大设计者多多采用；另一方面，通过精确机械设计，还能进一步了解尺寸、要素间的公差关系，有助于对产品的优化设计。当然，条件许可时，也可使用CAT 公差分析软件来帮助精确设计零部件的公差。

[1] 徐嘉元.机械加工工艺基础[M].北京.机械工业出版社,1990.6.

[2] 何祖舜,蔡君亮.机械设计与工艺手册[M].银川: 宁厦人民出版社,1989.10.

[3] 王伯平.互换性与测量技术基础[M].北京: 机械工业出版社,2011.3.