公差配合在机械设计与制造中的应用

2018-02-15王晓培

现代盐化工 2018年3期

王晓培

[齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔 161005]

随着我国经济的发展，工业发展也越来越快。而机械设计与制造是工业发展的源动力。在工业迅速发展的背景下，我国机械设计与制造技术也在不断更新。公差配合是机械设计与制造的重要组成部分，对提升零件质量、降低投入成本有着非常重要的作用。显然，加大对公差配合在机械设计与制造中的应用研究非常有必要。

1 公差配合的概念

1.1 公差

所谓公差是指可变动的零件几何参数量。在机械设计与制造中几何参数是指直径、角度、长度、宽度等物理参数。在机械设计与制造中，需要确保零件具有可换性。对于可换的零件，在具有基本使用功能的前提下还要确认其规格在标准范围内变动。而这个标准范围就是由公差所决定的。公差可分为尺寸公差，即零件尺寸所允许的变动范围；形状公差，即零件几何要素形状可允许的变动范围；位置公差，即零件几何要素的位置可允许变动范围。另外，在国际标准中，公差的等级分为IT01、IT0、IT1、IT2......IT18共20个等级。数字越大，公差等级越小，可允许变动范围越大，加工难度越小。

1.2 配合

配合是指公差尺寸相同且相互结合的孔、轴公差带关系。从位置角度来讲，配合包括过盈配合、过渡配合、间隙配合。不同的孔和轴之间的配合具有不同的松紧要求，过盈、间隙的大小就是表示松紧程度的。间隙配合就是具有间隙的配合，即间隙值在最大间隙、最小间隙之间变动的配合，最大间隙值是孔的公差值与轴的公共值之差，最小间隙值为零。过盈配合与间隙配合相反，其显著特征是孔公差带在轴公差带之下，其最大过盈配合值是孔最小公差值与轴最大公差值之差，最小过盈值为零。而过渡配合是指可能具有间隙、过盈的配合。孔公差带与轴公差带不再具有上下之分，而是交叉在一起。

1.3 公差配合

结合公差、配合的定义可得出公差配合的定义是在间隙、过盈范围内的变动量。在机械设计与制造中，配合公差影响着配合精度。通过降低配合公差能缩小配合间隙，从而提高零件的精确度。在行业标准中，配合制主要包括基孔制和基轴制，其中基孔制具有优先性。但在以下3种情况下易选用基轴制：（1）相同尺寸的某一段轴，需与配合种类不用的孔结合；（2）在一些等直径长轴的配合应用中；（3）在一些特殊零部件中。

1.4 公差配合与机械设计与制造的关系

在机械设计与制造中，公差配合的主要应用体现在控制零件精度、评估零件表面质量两个方面。在精度控制方面，加工条件的不同会导致零部件几何参数有所不同，因此要选取合理的公差保证零部的精度。通常在行业中较为常用的精度包括尺寸精度、位置精度和几何形状精度。在零件表明质量评估方面，主要是分析产品误差。可见，公差配合对机械设计与制造具有非常重要的影响。

2 公差配合在机械设计与制造中的应用

2.1 在机械设计中的选用

公差配合可以说决定了机械设计产品的使用性能高低和寿命长短。在机械设计中选用公差配合是需要依据产品实际情况，并从最优化的角度出发选择能够获得最大经济效益的公差配合。

不同部位的零件和零件的不同部位，其公差配合选择方法都有所不同。就配合件而言，要先分析选择哪种基准制和配合。在基准制选择方面，上述已经提到过要优先考虑基孔制，某些情况下可以考虑基轴制。而在配合方面，可以通过类比法实现。首选是优先配合，而后才是普通配合。以石油钻井机械设备设计为例，在公差配合设计方面则无法按照传统的标准来选择。毕竟它的应用环境较为恶劣。一般情况下，对该设备的设计主要从经济、耐用角度考虑。详细地说就是在配合公差的选用之上，要认真考虑设备链轮、齿轮在配合时所承受的负荷。受荷载大小不同，其公差配合也不同。较大时可以选用H8/k7，较小时可选择H7/p6等。但在键、轴等配合公差的选择时需要依据各零件特点选择合理的偏差值。如需要确定平键的宽度极限偏差值、高度极限偏差值等。又如以车床夹具公差选择为例。在选择时不仅要依据公差配合设计标准，更要从经济、实用的角度出发。在此设计过程中应注意以下内容：（1）对于轴承件，在选择配合公差时要依据其具体用途。如果是用于空套旋转，相同孔的公差配合可选择H7，相同轴的公差配合可选择H6、m6等。如果是用于支撑，那么相同孔的公差配合可选择G，相同轴的公差配合可选择k6、m6等。（2）轴配合情况下公差的选择要依据产品特点选择。如毂的极限偏差一般为JS9。

2.2 在单零件生产中的选用

就单零件来说，其主要选择内容是公差项目、等级以及公差值。其实在机械设计与制造中公差项目的选择就是选择结合项目，如直径、长度等。在选择中还需依据以下原则：依据被测要素的几何性质，从经济、实用的角度分析其实用性。而在公差等级与公差值的选择上，较为常用的选择用方法是类比法。但仍要考虑在满足基本需求的状况下，尽可能选择低等级的公差和较大的公差值。这样才能保证按照图纸生产出的轴和孔具有良好的配合性。另外，在零件大量生产方面，习惯使用挡块控制加工尺寸。在实际加工中只要将被加工零件的尺寸分布重点调整到公差带中心，就可以大量生产出满足要求的零件。而且大量的生产实际案例证明机械产品的加工误差虽然是随机的，但是这些误差值符合正态分布规律。如果单件零件生产，那么主要是依靠人工控制尺寸来获得最小最大尺寸值。通常操作者也会在加工孔时控制最小极限值处，在加工轴时则控制到最大极限值处。可以说，只有大量的零件生产，其零件尺寸分布才会符合正态分布，且其零件配合也符合该规律。这也就意味着在实际的生产中是不会出现极限配合尺寸的。但在单零件生产中，由于人为地控制，因此，理论上是可以出现极限配合尺寸的。

2.3 在机械设备日常维护中的选用

随着我国机械设计与制造行业的发展，业内已经形成一套完善的配合选用标准。此外，国家也出台了相应的选择标准。配合比较常见的选择方法包括类比法、实验法和计算法。其中类比法是指通过参照已经存在的公差等级，结合零件特点、工艺等进行工程等级的分析、对比。其基本步骤包括：依据标准确定配合类别、确定采用优先配合还是常用配合、依据实际工作条件对配合松紧进行调整最终确定配合方法。这种方法比较常见的配合选择方法，而实验法周期较长、成本也比较高，计算法的计算量非常大，且比较复杂。这种方法都不常用。另外，需要注意的是在选择配合时还应遵循以下原则：（1）推荐优先使用基孔制。但是在实际生产中可依事实而定，这样才能提高经济效益。（2）不用零件的加工方法有所不同。在配合选择时还应考虑零件的加工实际。比如根据实际加工需求，合理调整配合，从而尽可能地降低加工对配合的影响，提高机械产品质量。（3）对于经常更换的零件可选择较松的配合，对于不易且不常变动的零件可选择较紧的配合。

以制浆造纸设备为例，该设备的运行环境极其恶劣，设备零件损坏非常快。关键在设备购买之时并无装配图。为此，在维修时必须要正确选择配合种类。结合实际在选择配合时需要考虑以下情况：（1）配合部位的受力情况和装配方式。在制浆造纸设备中，如果是依靠配合面弹性力实现传递扭矩，则应当选择过盈配合。需要注意的是如果传递的扭矩同等大小，其零件的装配方式有所不同，则其配合方式也会存在不同。如果是仅仅依靠配合面起到定心的作用，那么就可以选择类似H7/H6的配合。（2）还应当切实考虑零件装配的难易程度。如果选择过盈量较大的配合，则其配合的装配、拆卸都会非常难。这对于造纸厂来说是极其不利于维护的。另外，在考虑装配难度的同时还应对零件的尺寸大小、形状进行全面的考虑。大尺寸的配合面可以选择比较松的配合，小尺寸就选择比较紧的配合。如果零件属于实心厚壁形状，其弹性较小，易选择较松的配合。反之，选用较紧的配合。（3）轴承是需要经常更换的零件。为此，还应当合理选择轴承配合以提升设备使用性能。