公差课程中尺寸公差教具研制

孙骏驰 胡志翔 方诗懿 魏金泽 邱祁 张俊

摘要：随着新技术新材料不断地更迭，自制工科教具设计越来越丰富，涌现了一批批具有创新实用性的自制工科教具。本论文设计了一种用于教师在公差课程中教学使用的教具。通过更换不同基准制的尺寸配合块以进行实验分析，研制出相对完善、可涉及日常公差教学中使用的尺寸公差教具。设计内容主要包括间隙、过盈两种配合方式在零部件装配时的效果展示，感受细微尺寸变化所带来的影响，对于理解尺寸公差概念有着显著的提升作用。

Abstract： With the continuous change of new technology and new materials， the design of self-made engineering teaching AIDS is more and more abundant， and a batch of innovative and practical self-made engineering teaching AIDS have emerged. This paper designs a kind of teaching aid for teachers to use in the tolerance course. By changing the size fitting blocks of different datum system to carry out experimental analysis， a relatively perfect size tolerance teaching tool is developed which can be used in daily tolerance teaching. The design content mainly includes the effect display of clearance and interference in the assembly of parts and components. To feel the influence brought by subtle size changes， it has a significant role in improving the understanding of the concept of size tolerance.

关键词：尺寸公差;拉压力传感器;公差配合;数显仪

Key words： dimension tolerance;pull pressure sensor;tolerance coordination;digital display

中图分类号：TG8                                         文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0253-04

0  引言

目前在尺寸公差课程中的教学中，一般老师只是单纯地依靠PPT和黑板板书授课，形式单一，课程中涉及到内容繁多且复杂的知识点，是需要学生具有足够良好的空间想象力和空间思维能力才能够去理解这些知识点并运用它们。所以在涉及公差的教学中，遇到了许多问题[1]，对于经常与各种机械打交道的学生来说，必须牢牢掌握与尺寸公差相关的课程知识[2]。这时就迫切需要一种尺寸公差教具，将尺寸公差的概念以及涉及到的知识点可视化地呈现在学生面前，让学生能够直观地了解到老师所讲授的知识点中大概的意思，能够快速消化理解并深刻地记入脑海，运用到具体的实例中去，为将来的学习打好基础。如果能让学生在校学习阶段透彻掌握公差的相关概念以及检测方法和理念，也有利于提高学生就业竞争力[3]。谭伟林等人在此之前也发现了类似问题的存在，其设计了一款具备全面检测形位公差项目的教具[3]以有效提升学生对形位公差的检测能力。

鲍艳等人曾在其发表的一篇文章中提出，自制教仪必须以教学实际需要为出发点，一切研究工作都围绕体现专业知识和培养学生实践创新能力去开展[4]。本文主要研究设计一种尺寸公差教具的具体内容。研制出相对完善可涉及日常公差教学中使用的尺寸公差教具。设计中主要包括间隙、过度、过盈三种配合方式在零部件装配时的差异，使用拉压力传感器亲自操作，以感受实践中细微的尺寸差距带来的影响，让学生对于理解尺寸公差概念以及公差大小带来的装配效果有显著的提升效果。

1  仪器研制

此尺寸公差教具主要由尺寸配合部分（尺寸配合块）、加压部分（直线滑台）、传感显示部分（拉压力传感器、数显仪）和其他部分（电源、底座、箱子）组成。（图1、图2）

1.1 尺寸配合部分

尺寸配合部分主要通過一组尺寸配合块来实现，通过零件孔和零件轴来进行尺寸装配。一组尺寸配合块由零件孔和零件轴组成，考虑到能够全面地进行课堂展示问题，选用基孔制与基轴制两种配合制。再考虑到制作成本以及加工的难易程度，我们将制作少量的金属材料的尺寸配合块和多数采用3D打印材料制作的尺寸配合块。3D打印材料有许多不同的种类，如表1所示。

不同的3D打印材料，具有不同的属性，而对于制作一个尺寸公差教具来说，对关键的尺寸配合块的配合表面精度要求高，加压过程中对于配合块受压强度要求也比较高，所以我们选择PLA作为制作尺寸配合块的材料。

在结构设计方面，我们设计了采用基孔制和基轴制两种加工方案，制作出过盈配合以及间隙配合程度不同的多种尺寸配合块，将其进行标记处理，用以作为之后的教学示例。

在配合方式方面，榫卯结构简单且坚固，适合作为尺寸配合块的拆卸安装方式，根据零件孔和零件轴的装配方式，我们可以将连接件设计做成卯结构，即榫眼，设计一个凹槽可以将类似于孔和轴的装置放置于其中，然后用一个防松件加以固定这样的一个榫卯结构，便于拆卸和安装。如图3。

1.2 加压模块

加压模块采用手动式滚珠丝杠滑台，如图4。

手动式滚珠丝杠滑台的优点：①运动平稳。手动式丝杠滑台以点接触滚动运动作为传动系统，摩擦力小，运动损耗少，灵敏度高，可以精密地控制进给行程，保证运行过程中的精度要求。②耐用性强。丝杠滑台的主体都是采用铝合金制成，铝合金强度高，耐腐蚀，不易变形，结实可靠，这也使得丝杠滑台的使用寿命长，故障率少，不用对它进行特殊的保养，维护简单。③价格便宜。相对于其他加压方式，相同条件下，手动式滚珠丝杠滑台价格便宜，经济更实惠。

手动式滚珠丝杠滑台的缺点：因为依靠人工转动进给，转动速度不能完全保持匀速，所以尺寸配合块的受力会受到一定的影响，从而产生较大的误差，对之后实验数据的准确性具有一定的影响。

由于手动加压时难以察觉用力是否过大，而导致过盈配合的两块尺寸配合块被暴力挤压配合，造成实验器材损坏，因此我们对加压部分的受力进行分析：

在转动滑台时，会产生两个力Fa，在丝杆接头上将产生扭矩Ta，Fa与Ta的计算关系见公式（1）。（图5）

Fa×L=Ta（1）

为保证实验安全，将丝杠滑台承受的力控制在Fb≤200N，L=20mm，可以算出Fa≈53N。

为了实验安全不损坏设备，该课题在丝杠滑台的左端设计安装了拉压力传感器，精确测出Fb的大小且能够保证实验安全。

1.3 传感显示

传感显示部分包括拉压力传感器和数显仪。拉压力传感器是可以通过感受压力信号，按照一定的规律将压力信号转换成可用的电信号输出的给器件或装置。由于此次设计的尺寸公差教具是要满足便于携带的优点，教具各个零件应比较小巧，再考虑到其相比使用其他类型的压力传感器所使用的经济更实惠的原因，选择了微型拉压力传感器，如图7。

数显仪具有精度高、稳定性好、质量可靠、体积小、安装使用方便、价格低廉等特点，一般的有单相、三相、多功能三种规格之分。此次设计只要求数显仪能够显示配合片所受压力值，所以对数显仪功能要求不高，因此，比对市面上的数显仪，最后选择了欧路达AD2017E称重测力数显控制仪表，此型号经济适用，高亮度数码显示屏显示数值清晰，使教学更为直观有效，按键清晰简洁，方便老师课堂演示，如图8所示。

1.4  其他部分

与其他的材料相比，亚克力板材具有优良的耐候性，对自然环境适应性很强，即便是长时间在太阳光照射、风吹雨淋也不会使其性能发生改变，极易作为底座使用。电源选择使用24V、4.5A的开关电源LRS-100-24。依据数显仪、丝杠滑台、电源的大小，选择普通的小型铝合金手提箱作为外壳，长430mm，宽355mm，高170mm的尺寸刚好可以满足上述各部分零件的安放。整体结构如图9所示。

2  实际操作实验

2.1 实验目的

本次实验目的是为了让尺寸配合块（零件孔与零件轴）的尺寸差距在尺寸配合过程中所发生的微小形变，转化为肉眼可视的拉压力数值变化，记录实验数据，将实验数据绘制成折线图，进行不同配合的分析。（图10、图11）

2.2 实验流程

选择一组合适的尺寸配合块（基孔制或是基轴制），通过转动丝杠滑台，将一组尺寸配合块进行尺寸配合，在尺寸配合块进行配合的过程中，因为不同的尺寸配合而产生压力，由压力传感器检测并传输到数显仪上，记录下这个过程中压力的变化情况，然后转出尺寸配合块，拉力传感器检测到尺寸配合块所受的拉力，并将数据传输到数显仪。记录拉力的变化情况，然后将不同组的尺寸配合块继续按照上述步骤进行试验并记录，最终将所有的数据进行分类，绘制成表，制成折线图，进行分析。（图12）

2.3 实验数据

①基孔制：基孔制下，以零件孔的直径为14mm，零件轴的直径为13.9mm为间隙配合，以零件孔的直径为14mm，零件轴的直径为14.1mm为过盈配合，检测这两种配合情况下的受力情况如图13所示。

②基轴制：基轴制下，以零件孔的直径为13.9mm，零件轴的直径为14mm为间隙配合，以零件孔的直径为14.1mm，零件轴的直径为14mm为过盈配合，检测这两种配合情况下的受力情况如图14所示。

2.4 实验分析

此实验由于ABS打印技术的精度并不高，所以在尺寸配合块（零件孔和零件轴）的安装过程中，并不能保证零件孔和轴的轴线在同一直线上，所以在配合过程中存在一定的误差，导致间隙配合在配合过程中也能受到力的作用，且拉压力传感器测出的数值存在波动误差，并不能十分精确地测出受力情况，但是从大量数据绘制的折线图中，还是能大致看出这两者配合的不同之处。即过盈配合比间隙配合更早受到力的作用，在拉出配合过程中，过盈配合比间隙配合更晚结束受力的作用，由此可以通过折线图判断出这两种不同的配合方式所带来的不同影响。

3  结语

此次设计的尺寸公差教具，包括间隙、过盈两种配合方式在零部件装配时的差异，使用拉压力传感器亲自操作，以感受实践中细微的尺寸差距带来的影响，让学生对于理解尺寸公差概念以及公差大小带来的装配效果有显著的提升效果。既可以用于教师的日常教学，也可以作为实验课器材让学生自主实验使用。

注释：

由于無法将互相之间为间隙配合的两个零部件以绝对同轴的状态进行实验，因此与其相应受力情况的实验所测得的数据均是由于误差引起。

参考文献：

[1]施建国.自制教具的前世今生与未来[J].教育与装备研究，2016（6）：6-10.

[2]任伟德.新时期自制教具的原则和特点[J].教学仪器与实验，2016，32（6）：17-22.

[3]谭伟林，彭志强，危卓瑜.便携式形位公差检测演示教具的设计[J].内燃机与配件，2020（10）：262-264.

[4]鲍艳，李鸿儒，张羽，吴传平.“新工科”背景下以自制教仪服务于实验教学的探讨与实践[J].实验技术与管理，2018，35（9）：239-242.