几何公差定义理论意义和检测妥协性的关系研究

田立群

（德尔福电子（苏州）有限公司，江苏苏州215000）

0 引言

从几何公差定义的理论意义角度来讲，零部件在被检测时使用的各种方法，普遍具有一定的妥协性，即检测的方式、方法和对应理论定义存在一定的偏差。从产品设计工程师的角度，如何看待这些偏差？从检测工程师的角度，如何解释这些偏差的客观性与检测方式妥协合理性？本文通过多个来自实践操作的案例，通过分析公差理论意义和检测实际操作，辩证地解释了几何公差理论意义和检测妥协性的关系。

1 案例一：轮廓度、方向度和形状度的关系

图1 底面有平面度要求的零部件

图2 平面度测量示意图

如图1所示，零部件底面有平面度0.1 mm的要求。如图2所示，测量工程师在测量时，将部件底部向上，放在检测工作台上，使用固定了高度的百分表沿部件表面前后左右移动，测量发现部件某一侧百分表读数相对变化了0.15 mm，这样是否可以判断这个部件因为没有达到底面平面度0.1 mm的要求而不合格呢？

从平面度定义的理论意义来讲，该零件理想的检测方法应为：如图3（a）所示，百分表穿过并且被固定在检测工作台，零件于检测工作台上前后左右移动，这样测量到的百分表读数变化量即为零件底面的平面度。而图2所示的方法，实际上模拟了以部件顶面为基准，测量了底面相对于顶面的平行度。这就涉及到如何看待方向度和平面度关系的问题。

如图3（b）所示，相应面有轮廓度、平行度（方向度的一种）及平面度（形状度的一种）的要求。如图3（b）放大图所示，这时方向度为基于轮廓度要求的进一步的要求，形状度为基于方向度的进一步的要求。反之，当轮廓度0.4 mm被满足时，方向度0.4 mm和形状度0.4 mm即已满足；当方向度0.2 mm被满足时，形状度0.2 mm即已满足。同理可见，几何公差特征和数值不变时，具有多个参照基准的控制亦可保障具有较少参照基准的控制（基准必须从右侧减少），如图3（c）所示。

相同的公差数值和参照基准条件下，轮廓度可以保障方向度，方向度可以保障形状度；相同的几何公差特征和公差数值条件下，参照基准从右侧被去除时，较多参照基准的控制可以保障较少参照基准的控制。即图3（c）中任一外侧控制满足时，内侧的控制即已经满足。

以上我们称为GD&T的保障法则。特别指出，如图3（d）所示，在左侧，虽然数值减少了，方向度不可以保障轮廓度；在右侧，内侧轮廓度控制相对外侧去除了A基准，可以认为使用了和外侧控制完全不同的基准系，所以外侧控制不可以保障内侧的控制，即图3（d）所示情形皆不符合上述GD&T保障法则。

如图2所示，如果测量值在0.1 mm以下，即平行度0.1 mm被满足，根据上述GD&T的保障法则，可以确认底部满足了平面度0.1 mm的要求。如上所述，如果测量时发现某一侧测量值为0.15 mm，可以考虑如图4所示，在这一端增加相应高度垫块支撑部件（有条件的情况下，可以在工作台和部件间使用高度可调支撑测量工具），如果百分表读数变化在0.1 mm以下，部件即达到了底部平面度0.1 mm的要求。

本案例表明，测量工程师应清楚理解几何公差轮廓度、方向度和形状度之间的关系，灵活使用现有检测设备和工具完成测量工作，避免将本来合格的零件误判为不合格零件。

图3 轮廓度、平行度及平面度之间的关系

图4 在测量值较大的一端加垫块

2 案例二：使用V形块检测跳动度

如图5所示，某轴类零件，两侧的圆柱面形成联合基准，需要测量中间圆柱面的全跳动度。

图5 某轴类零件全跳动度要求

如果严格按照测量全跳动度的定义，就应该使用两侧同心并且可以自动定心夹盘，在夹盘和零件转动的同时，左右移动固定高度百分表，读取百分表读数，如果变化在0.2 mm范围内，全跳动度0.2 mm即为合格，如图6所示。

然而，若没有如上所示的检测夹盘时，测量工程师该如何完成全跳动度的测量呢？如图7所示，可以考虑使用两V形块来完成检

测。实际上零件两侧面为车床同一工位车削完成，图7中V形块和图6中夹盘产生的径向偏心误差会比被测量面跳动度要求小一个数量级（即在0.02 mm以下），这个误差可以被认为是检具允许误差。

本案例展示了作为检测工程师，应该了解零件生产工艺流程，在检测设备不充足情况下，使用较低成本测量设备完成检测工作。

3 案例三：使用三坐标测量机测量轮廓度

图6 利用夹盘检测全跳动度

图7 利用V形块检测全跳动度

图8 零件顶面轮廓度要求

如图8所示，某塑料件要求在装配后和其他部件符合面差要求，需要检测零件顶面是否达到轮廓度0.2 mm的要求。如图9所示，使用夹具将零件定位并固定在检测台上，使用三坐标测量机检测部件顶面是否满足轮廓度0.2 mm的要求。

实际测量后发现顶面平坦部分轮廓度偏差在0.15 mm上下，然而顶面倾斜部分轮廓度偏差经常超出0.2 mm。这样这个零件是不是可以判为不合格呢？研究后发现，如图10所示，检测操作员在检测斜面时，使用了固定的X/Y值，然后比对测量Z值和3D模型上对应Z值，因为倾斜面有45°的倾斜，测量偏差值实际上被放大到原来的1.414倍。而轮廓度公差的要求是定义在曲面法线方向上的偏差，而非检测Z方向。这样斜面上测量值乘以1/1.414的系数后，发现这个零件顶面轮廓度偏差是符合要求的。

这个案例表明，设计工程师应该深入现场，多了解实际检测操作过程。检测工程师亦应正确理解几何公差理论意义，提高检测水平；亦可充分使用三坐标测量设备功能，使用设备功能判断理论3D模型曲面法线方向，直接得出正确的轮廓度偏差结果。

图9 用三坐标测量机检测部件顶面轮廓度

图10 45°倾斜面导致测量偏差被放大

4 案例四：使用固定尺寸检具检测零件

如图11所示，某零件铸造后又经过机械加工，现需要对于φ60 mm孔位置度使用功能检具进行全检（图样尺寸有所省略）。如图12所示，在使用检具检测φ60 mm孔位置度时，因为φ60 mm孔位置度基准使用了B基准默认RFS（Regardless of feature size）独立原则，这样对应B基准就应该使用可变化尺寸膨胀销。显然，这样会提高检具的成本，对于检测工人的操作能力要求也会提高。

图11 某零件φ60 mm孔位置度要求

图12 膨胀销

这个零件在被装配到最终产品时，实际上在装配φ60 mm孔对手件时，这个零件被允许在三基准对应的销上平移，以使φ60 mm孔对手件可以装配。也就是说，检具上使用膨胀销，虽然满足了产品设计图样的要求，但是加入零件功能之外的不必要要求，提高了成本。经过研究沟通，部件图样改为如图13所示，φ60 mm孔位置度引用基准B使用MMB（最大材料边界），这样，如图14所示，检具使用三个固定尺寸销，模拟B基准，大大降低了检具成本，降低了操作人员技术要求。而且，这个检具可以同时检查零件B基准三个孔的位置度和φ60 mm孔的位置度；检具中销位置尺寸使用零件中对应孔理论相对位置，检具加工精度公差取用零件对应公差的1/10。

图13 修改后的图样

图14 检具使用三个固定尺寸销

在检具中尽量使用固定尺寸定位销和固定尺寸检测部件，降低了检具成本，使检具更好地模拟零件功能状态；尤其在现代机械行业竞争强烈并微利化的时代，具有越发显著的现实意义。

5 结语

通过以上具有实践意义的案例，我们认识到正确理解几何公差理论意义和检测妥协性关系的意义。首先，无论是产品设计工程师还是检测工程师，都应该深入学习几何尺寸公差理论知识，因为这是确定检测方式方法和进一步优化产品设计的基础。对于产品设计工程师，应该深入现场，了解公司实际检测条件，不可以轻易否定检测妥协性的客观合理性。对于测试工程师，也应了解零件功能要求，了解零件加工工艺，从满足零件功能要求的角度，发挥检测工程师的聪明才智，灵活高效地完成检测工作。