《机械精度设计基础》课程的教学环节探索与研究

张起勋　邵承会　张忠元　周立明　张建海　刘鹏　闫振华　陈炳锟　罗彦茹

摘要：机械工程、汽车工程、农业工程等工科专业开设了《机械精度设计基础》课程，同时也是一门与实践联系最为紧密的技术基础课程。该课程着重针对本科生在实践环节上的培养，其目标是让本科生具有深厚的机械精度设计理论知识及较强的设计与研究能力，并掌握机械精度指标的检测方法和原理，为本科生从事机械产品设计、制造和科学研究工作打下坚实的基础。

关键词：基础课程；实践环节；机械精度

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.06.021

中圖分类号：G427 文献标识码：A 文章编号：1671-1580（2018）06-0074-04

目前，国内外智能制造领域不断地发展，要求零件的机械精度不断提高，为达到企业对精密检测技术人才的标准，本科生应培养具有深厚的机械精度设计理论知识及较强的设计与研究能力，并掌握机械精度指标的检测方法和原理，应探索《机械精度设计基础》课程的实践环节，提高本科生工程意识的新方法。

一、加强机械设计课程设计中机械精度内容的应用

机械设计课程设计是机械类课程的重要实践环节（为期三周），是一次较全面的设计训练。综合运用机械原理、机械设计和其他必须课程的理论和知识，以课程设计为载体，通过设计实践，培养学生理论联系实际的正确设计思想以及分析和解决工程实际问题的能力。但目前机械设计课程设计中针对机械精度内容设计涉及较少，学生设计时只是根据课程设计指导书内的公差内容进行标注，而并未独立对机械精度设计进行思考，导致学生缺乏加工以及装配的工程意识，笔者认为应进行以下几点改革：

（一）针对主讲课程设计的青年教师进行机械精度内容培训

聘请具有经验的教师或企业人员针对机械精度内容对青年教师进行培训。培训内容如下：

1.尺寸精度设计与检测的培训，包括基准制的选择、标准公差等级的选择、配合种类及基本偏差的选择以及孔和轴精度的检验和测量方法。尺寸精度在设计时所选的原则是在满足使用要求的前提下，能够取得最优的技术上的经济效益。

对于基准制的选择，应该考虑是基孔制和基轴制能够同样满足使用要求，选择是基孔制或者是基轴制，最重要的是从产品结构、经济效益以及制造工艺等方面进行考虑。主要有四点：

（1）基孔制是最优先考虑的，由于基孔制中孔的公差带固定，加工时所用到的定值刀具（钻头、拉刀以及铰刀等刀具）相对基轴制情况下的定值刀具要少，选择基孔制的经济性比选用基轴制的经济性要好，因此优先选用基孔制。

（2）基轴制选用是在特殊情况下所考虑的，在机械精度等级不高领域中（例如农业机械、纺织机械等机械领域），具有一定精度的冷拔钢材可以考虑直接做轴（不用加工轴），因此可以选用基轴制。基轴制选用还可以考虑以下情况，需要考虑装配问题，例如同样的公称尺寸轴，与不同位置的孔进行装配，并且要求孔和轴之间的配合类型不同，因此这种情况下应该考虑选用基轴制。

（3）标准件为基准考虑选用基准制，任何零件与标准件或者标准部件进行配合（孔和轴配合）时，必须以标准件或者标准部件为基准来考虑基准制的选择，例如，对于标准件滚动轴承的内圈与轴之间的配合选用的是基孔制，滚动轴承的外圈与箱体的外壳孔之间配合选用的是基轴制。对于标准件平键与键槽之间的配合选用的是基轴制。

（4）在一些特殊情况下，可以采用任意轴和孔的公差带进行非基准制的配合，例如标准件滚动轴承的内圈与轴颈进行配合，能够设计出轴颈的公差代号，该轴颈除了与轴承内圈配合，还与轴套进行配合，此时应根据轴的公差代号设计轴套的公差代号，那么轴颈和轴套之间的配合就是非基准制配合。同理，标准件滚动轴承的外圈与箱体的外壳孔进行配合，能够设计出外壳孔的公差代号，该外壳孔除了与轴承外圈配合，还与轴承端盖进行配合，此时应根据外壳孔的公差代号设计轴承端盖的公差代号，那么箱体的外壳孔与轴承端盖的配合也是非基准制配合。

标准公差等级和配合种类的选择方法有三种：

（1）计算法，要用到相关的专业理论知识，通过理论公式计算出过盈或者间隙的数值，能够推导出配合代号以及极限尺寸等内容。可借助计算机功能完成。

（2）实验法，应用于对产品质量和性能有极大影响的重要配合，通过大量的实验，确定具有效果最佳的工作性能所需要的配合种类（得到极限间隙或者极限过盈的数值）。

（3）类比法，该方法是最常用的一种方法，借鉴使用效果良好的同类产品的技术资料或者参考有关资料，并进行分析应用到所设计的领域，最终确定配合种类（得到极限间隙或者极限过盈的数值）。

关于孔和轴精度的检验和测量方法，选择计量器具时，除应根据工件的外形、尺寸的大小等来确定计量器具的测量范围和示值范围外，还要保证所需要的测量精度，为了能够有效地提高测量精度，减小加工难度，可以采用比较测量法。对于大批量生产零件时，为能够提供高效率的检测，一般可用光滑极限量规检验轴和孔的尺寸，轴的尺寸检验用的是环规或者卡规，孔的尺寸检验用的是塞规。光滑极限量规是一种无刻度的定值专用计量器具，有通规和止规。被测零件能够通过，止规不能够通过，那么被测零件的尺寸判定为合格。光滑极限量规的作用是能够检验孔、轴实际尺寸和形状误差的综合结果。

2.几何精度与检测的培训，包括几何公差特征项目的选择、基准的选择、几何公差值的选择以及几何精度的检验和测量的方法。

几何公差特征项目的选择主要是考虑被测要素的几何特征、功能要求、测量便于实现等方面。例如凸轮类零件可选择线轮廓度公差；平面类零件可选择平面度公差；窄长平面可选择直线度公差；圆柱形零件，当仅需要顺利装配或保证孔、轴之间的相对运动以避免磨损时，可选择轴心线的直线度公差；圆柱形零件，如果孔、轴之间既有相对运动，又要求密封性能好，为了保证在整个配合表面有均匀的小间隙，需要标注圆柱度公差，综合控制圆度、素线直线度和轴线直线度误差。对于国家标准要求的典型零件，应执行标准规定。例如轴颈和滚动轴承内圈配合的圆柱面上必须标注圆柱度公差等内容。对于设计要求的考虑：

（1）应该熟悉零件的功能性；

（2）熟悉零件加工工艺；

（3）有检测经验。

具备这几条才能正确、合理地进行几何精度设计。

基准要素能够选择单一基准、公共基准以及组合基准。选择基准要素时要考虑：

（1）零件在机器上的安装位置、作用、结构特点以及加工和检测要求；

（2）根据需要采用单一基准、公共基准或三面基準体系；

（3）从设计考虑，应根据零件形体的功能要求及要素间的几何关系来选择基准。如对于旋转的轴件，常选用与轴承配合的轴颈表面或轴两端的中心孔作基准。

几何公差值的选择应考虑以下几方面：

（1）满足功能要求，取低不取高；

（2）同一要素，形状公差值小于定向公差值，定向公差值小于定位公差值，定位公差值小于尺寸公差值；

（3）加工难易程度及与尺寸公差的协调性，一般情况下，几何公差精度等级与尺寸公差同级，几何精度要求高时，可比尺寸公差等级高1～2级，要求低时，可比尺寸公差等级低1～2级等内容。

几何精度的检验和测量有多种方法，例如应用三座标测量仪可以测量几何误差值（几何误差是指被测提取要素对其拟合要素的变动量），评价被测零件是否合格。

3.表面微观轮廓精度与检测的培训，包括表面微观轮廓精度的评定方法、表面微观轮廓精度的标注方法以及表面微观轮廓精度检验和测量方法。

表面微观轮廓精度的评定方法是考虑零件表面的粗糙度是否满足设计要求。为了使测量和评定结果统一，根据国家标准的要求，应规定取样长度、评定长度、基准线和评定参数，且测量方向应垂直于表面的加工纹理方向。

（1）取样长度是指测量或评定表面粗糙度时所规定的一段基准长度，用符号1r表示。目的是限制、减弱波纹度、形状误差对测量结果的影响。取样长度应适当，过短则不能反映表面的微观起伏程度；过长则可能使测量结果受到波纹度甚至形状误差的影响。

（2）评定长度，能够合理并且比较全面地反映整个表面粗糙度特征，目的是限制、减弱表面加工不均匀性对测量结果的影响。评定长度可以包含一个或几个取样长度。

（3）基准线，通过测量手段获得表面轮廓曲线以后，需要提供一条定量评定表面粗糙度量值的基准线，作为计算各种参数的基础。分为轮廓算术平均中线和轮廓最小二乘中线。

（4）评定参数，为了定量评定表面粗糙度轮廓，必须用参数及其数值来表示表面粗糙度轮廓的特征。分为高度特征参数（轮廓算数平均偏差和轮廓最大高度值）、间距特征参数以及形状特征参数（轮廓支持长度率）。

表面微观轮廓精度的标注方法是在图纸上用表面粗糙度代号进行标注，表面粗糙度参数及其数值选用的合理与否，直接影响到机器的使用性能和寿命，特别是对装配精度要求高、运动速度要求高、密封性能要求高的产品，更具有重要的意义。

表面微观轮廓精度检验和测量是按照测得的表面粗糙度参数值来验收的，表面粗糙度测量方法分为比较法、触针法，又称感触法或针描法、光切法和干涉法。

（二）《机械设计课程设计指导书》内应加入实际项目的机械精度设计内容

通过掌握通用机械设计的一般方法和步骤，为从事机械工程设计打下良好的基础，培养学生设计、计算、图形实现和运用国家标准和规范的能力，初步掌握现代设计方法在机械设计中的应用。应在该指导书内详细撰写机械工程项目中机械精度应用的内容，培养学生更好地理解机械精度在工程应用中的作用。

例如有国家标准要求的典型零件，应执行国家标准的规定，如图1所示，安装齿轮轴的箱体孔应标注同轴度、平行度、垂直度等。

二、毕业生图纸审核机制建设持续发展

基于《机械精度设计基础》课程内容对毕业生进行培训，并对毕业生设计的图纸提出审核机制，其目的是让工科学生具有较强的制图能力以及机械精度设计能力，也是《机械精度设计基础》课程实践环节的拓展，因此毕业生图纸审核机制是针对课程的实践环节而建立的。

（一）提高毕业生机械精度设计能力

毕业生做毕业设计的时间与《机械精度设计基础》授课时间相差一年，导致毕业生在设计过程中对机械精度的内容淡忘。针对该情况课程组教师对毕业生进行机械精度培训，重新掌握机械精度设计的基本知识、尺寸精度、几何精度、表面精度以及典型零部件的相应国家标准的基本概念、名词术语、公差标准的结构和设计方法，例如轴键槽的机械精度设计，如图2所示，由于平键是标准件，平键和键槽考虑的配合是基轴制，还应规定轴键槽对轴和轮毂轴线的对称度公差（等级可取为7～9）。根据不同功能要求，对称度公差与键宽尺寸的关系可以采用独立原则或最大实体要求。

最终使毕业生具备深厚的精度设计理论知识及较强的设计与研究能力，掌握公差指标的检测方法和原理，具有基本的动手能力，提高学生在机械工程中机械精度设计能力。

（二）培养毕业生的工程意识

针对工科毕业生各自毕业设计项目的机械精度的工程实际问题进行分析与讲解，使学生在不同工程领域中，对机械精度设计有更深层次的理解，最终培养毕业生的工程意识。

三、结论

通过本科生完成实践环节内容的过程，达到对《机械精度设计基础》知识点的掌握，从而学会灵活应用所学的知识，并逐渐加强机械精度课程在机械工程实践环节中的应用，使理论基础与实践环节相结合，能激发学生学习《机械精度设计基础》课程的积极性。

[责任编辑：周海秋]