【大學資料】機械產品的精度設計第1章教材文稿

9 第1章 緒 論第1章 緒 論本章要點及學習指導1. 機械產品的精度設計是機械設計與制造中重要的環(huán)節(jié)之一，設計是否正確、合理，對機械產品的使用性能和制造成本、對企業(yè)生產的經濟效益和社會效益都有著重要的影響。2. 通過“常見的機械傳動裝置減速器”實例的引入，結合學習的機械制圖、機械設計等課程，了解機械產品精度設計的基本內容，明確精度設計的任務。3. 了解在機械產品的制造、裝配和使用過程中，一般遵循“互換性”原則的理由。4. 掌握互換性概念的基本內容、互換性的作用、互換性的種類及其應用。5. 掌握實現互換性的條件公差標準化和測量技術的基本內容。6. 了解公差標準化應用實例標準尺寸的應用。7. 明確本課程的性質與基本要求。通過本章的學習，要求學習者了解本課程的主要內容。案例導入機械類工程技術人員的最重要的基本能力之一是掌握機械產品的幾何量精度設計方法、圖樣標注和檢測、判斷零部件是否滿足圖樣要求的能力。減速器是機械產品中最常見的一種機械傳動裝置。學習者可以通過學習減速器的幾何量精度設計，掌握機械產品的幾何量精度設計的基本原理、方法和基本步驟。在機械產品的幾何量精度設計時，須解決以下問題：1. 何謂機械產品的幾何量精度設計？2. 機械產品的幾何量精度設計的主要任務有哪些？3. 在現代化的機械產品的加工、裝配和使用過程中，普遍遵循一個什么原則？為什么要遵循這個原則？怎樣才能遵循這一原則？1.1 機械產品的幾何量精度設計概述 本章節(jié)介紹機械產品的幾何量精度設計的基本概念和基本任務，以及減速器的幾何量精度設計的具體內容。1.1.1 機械產品的幾何量精度設計機械產品(如：各類機器設備機床、各類機構減速器及其它傳動裝置及各類機械產品)設計通常除了進行機械產品的總體開發(fā)、方案設計、運動設計、結構設計、強度和剛度設計計算以外，還必須進行機械產品的精度設計。而幾何量精度設計是機械產品的精度設計中的重要內容。幾何量精度設計是否正確、合理，對機械產品的使用性能和制造成本，對企業(yè)生產的經濟效益和社會效益都有著重要的影響，有時甚至起決定性作用。1. 幾何量精度設計的基本概念機械產品的幾何量精度設計是指按照機械產品的使用功能要求和機械加工及檢測的經濟合理的原則，對構成機械產品的零部件的配合部位確定配合性質；確定各個零件上各處的尺寸精度、形狀和位置精度、表面質量以及零件上典型表面精度進行設計；確定機械產品在軸向上的定位精度（涉及尺寸鏈計算和確定軸向尺寸公差）的設計等等。2. 幾何量精度設計的任務機械產品的幾何量精度設計的主要任務：(1)在機械產品的總裝配圖和部件裝配圖上，確定其各零件配合部位的配合代號和其它技術要求，并將配合代號和相關要求標注在裝配圖樣上。(2)確定組成機械產品的各零件上各處尺寸公差、形狀和位置公差、表面粗糙度要求以及典型表面（如：鍵、圓錐、螺紋、齒輪等）公差要求等內容，并在零件圖樣上進行正確標注。1.1.2 機械產品的幾何量精度設計實例 以機械產品中最常見的機械傳動裝置減速器的幾何量精度設計為例，具體說明“幾何量精度設計“的主要內容。圖1.1是一級齒輪傳動減速器的裝配示意圖。減速器主要由箱座、箱蓋、齒輪軸（輸入軸）、輸出軸、帶孔齒輪、軸承、端蓋、鍵、密封圈、定位銷等零件組成。1. 減速器的基本工作原理 圖1.1減速器的工作原理是由電機或其它運動源通過輸入軸的軸端鍵5配合驅動減速器的輸入軸2轉動；輸入軸2通過該軸的齒輪與輸出軸9上帶孔齒輪11嚙合，將運動傳遞給齒輪11；齒輪11再通過輸出軸上的鍵12帶動輸出軸轉動，從而實現一級減速的運動傳遞；輸出軸再通過輸出軸的軸端鍵16將運動和轉矩傳遞給與之相聯接的其它工作機械。2. 減速器的幾何量精度設計的主要內容(1) 在減速器的裝配圖樣中，確定其各零件之間配合部位的配合代號或其它技術要求，并進行圖樣標注，注出相關的技術要求。(2) 經過尺寸鏈計算，確定輸入軸和輸出軸上各零件軸向尺寸及其公差，以保證它們在軸向上定位要求。(3) 在減速器的各零件圖中，確定各處、各表面的尺寸公差、形狀和位置公差、表面粗糙度要求、鍵與鍵槽的公差以及齒輪齒面公差要求等，并進行圖樣標注，注出相關的技術要求。減速器裝配圖、輸出軸和箱座及輸入軸的零件圖見圖1.1、2.1、2.2、2.24所示。圖1.1 一級齒輪傳動減速器裝配示意圖3. 減速器加工、裝配和使用過程中遵循的原則(1) 減速器的加工、裝配過程由圖1.1可知，該減速器有二十幾種零件組成，它們有軸承、鍵、銷、螺栓、墊片等標準部件或標準件，有箱座、箱蓋、輸入軸、輸出軸、端蓋和軸套等非標準件，還有密封圈、調整墊片等非金屬標準件等等。這些零件由不同工廠、不同車間、不同工人生產，如：軸承是由專業(yè)化的軸承制造廠家制造；鍵、銷、螺栓、墊片、密封圈等由專業(yè)化的標準件廠生產；非標準件由一般的機械制造廠家加工制造。當這些零件加工合格后，都匯聚到減速器的裝配車間。當裝配一定批量的減速器時，為了提高裝配效率，在裝配車間的裝配線上，各個裝配工位按照一定的節(jié)拍進行裝配。裝配工人在一批相同規(guī)格的零件中不經選擇、修配或調整地任取其中一個零件就能裝配在減速器上，最后裝配成一臺滿足預定使用功能要求的減速器。(2) 減速器的使用及修配過程當減速器使用一段時間后，其中一些易損件如：軸承中的滾動體滾珠、密封圈、齒輪齒面等容易磨損。當磨損到一定程度，就會影響減速器的使用功能。這時要求迅速更換易損件，使減速器盡快修復，從而保證減速器盡早可靠地正常工作。由減速器的加工、裝配和使用過程可知，只有減速器的零件具有相互更換的性能，才能滿足加工、裝配和修配的要求。零件的這種在幾何量上具有“相互更換”的性能就稱為幾何量“互換性”，簡稱“互換性”。它是全球化、專業(yè)化、協(xié)作生產機械產品中一般都要遵循的原則“互換性”原則。1.2 互換性及實現互換性的條件隨著機械行業(yè)的發(fā)展和科學技術的提高，經濟市場需要各式各樣物美價廉的機械電子產品。而組成這些技術裝備和機械電子產品的各個零（部）件，在現代化的機械產品的設計、制造和使用過程中，普遍遵守一個原則“互換性”原則。1.2.1 互換性概述1. 互換性所謂“互換性”是指在機械產品裝配時，從制成的同一規(guī)格的零（部）件中任意取一件，不需進行任何輔助工作（挑選、調整或修配等），就能與其它零（部）件安裝在一起而組成一臺機械產品，并且達到預定的使用功能要求。也就是說，零（部）件的互換性是同一規(guī)格的零（部）件按規(guī)定的技術要求制造，具有能夠彼此相互更換使用而效果相同的性能。2. 互換性的作用互換性的作用主要體現以下三個方面：(1)在設計方面 能最大限度地使用標準件，因此可以簡化繪圖和計算工作量，使設計周期縮短，有利于機械產品更新換代和計算機軟件設計技術的應用。(2)在制造方面 有利于組織專業(yè)化生產，使用專用設備和CAM技術。(3)在使用和維修方面 便于及時更換已經喪失使用功能的零（部）件，對于某些易損件可以提供備用件，這樣既可以及時維修，縮短停機時間，盡快修復，又減少維修成本?；Q性在提高機械產品質量和可靠性、提高企業(yè)經濟效益等方面均具有重大意義。但是，互換性原則未必適用于所有的機械產品中，有的零（部）件采用單配制，零（部）件就不具有互換性，但也有公差和檢測要求。3. 互換性的種類 按互換的范圍，可以將互換性分為完全互換（也稱絕對互換）和不完全互換（也稱有限互換）。在同一規(guī)格的零（部）件中，經過分組，組內具有互換性，此類型稱為不完全互換。例如：滾動軸承，其外圈外徑和箱體座孔直徑的配合尺寸以及內圈內徑和軸頸直徑的配合尺寸（圖1.1中100J7和55k6）均采用完全互換；軸承內、外圈滾道的直徑與滾動體直徑的結合尺寸，因其裝配精度很高，則采用分組互換，即不完全互換。對于標準部件或非標機構來講，互換性又可分為外互換和內互換。外互換是指標準部件與機構之間配合的互換性。例如：外圈外徑與座孔直徑、內圈內徑和軸頸直徑的配合尺寸（圖1.1中100J7和55k6）屬于外互換。內互換是指標準部件內部各零件之間的互換性。例如，滾動軸承內、外圈的滾道直徑與滾動體直徑的結合尺寸為內互換。1.2.2 實現互換性的條件公差標準化和技術測量1. 幾何量公差及其標準化機械產品的零（部）件具有互換性，也就是說：相互更換的兩個相同規(guī)格的零（部）件，其幾何參數尺寸、形狀、位置以及表面微觀形狀等應一致。在零件的加工過程中，由于各種因素（機床誤差、刀具誤差、切削變形、切削熱、刀具磨損等）的影響，使零件的幾何參數不可避免地存在誤差。因此，無法將一批相同規(guī)格的零件制成完全一致，或者說將零件的幾何參數加工成絕對準確。從滿足零件的互換性要求和機械產品的使用性能出發(fā)，也不要求將零件制造得絕對準確。只要求將零件的幾何參數誤差控制在一定范圍內，即制成的一批相同規(guī)格的零（部）件的幾何參數具有一致性。這個允許零件幾何參數變動的范圍稱為幾何量公差。(1)幾何量公差幾何量公差包括：尺寸公差、形狀和位置公差、表面粗糙度要求以及典型表面（如：鍵、圓錐、螺紋、齒輪等）公差。 (2)公差標準化簡單地說，公差標準化是指幾何量的公差應在一定范圍內進行規(guī)范、統(tǒng)一，并要求相關制造企業(yè)和管理機構遵照執(zhí)行。在現代化生產中，標準化是一項重要的技術措施。因為某一機械產品的制造，往往涉及到地區(qū)內、國內許多制造廠家和有關部門，甚至還要進行國際間協(xié)作。如果沒有在一定范圍內共同遵守的技術標準，就不能達到“互換性”要求。例如：汽車由成千上萬個零件組成，它們有軸承、螺釘、螺母、銷等標準件，有非標準件（發(fā)動機中連桿、曲軸、活塞及活塞銷等），這些都是金屬零件；還有非金屬件，如輪胎、密封圈、橡膠管等；這些零（部）件由不同廠家制造。若不按照同一的技術標準進行生產，它們就不可能裝配成一輛滿足使用要求的汽車。所謂標準是指為了在一定的范圍內獲得最佳秩序，對活動或其結果規(guī)定共同的和重復使用的規(guī)則、導則或特性的文件。標準分類：我國按標準使用的范圍分為國家標準、行業(yè)標準、地方標準和企業(yè)標準。幾何量公差標準：國家制訂有極限與配合、形狀和位置公差、表面結構 輪廓法、圓錐、角度公差與配合、螺紋公差與配合、鍵與花鍵公差與配合、軸承公差與配合、齒輪的傳動精度、光滑工件尺寸的檢驗及量規(guī)公差等標準。(3)公差標準化應用實例公差標準化實例很多。例如：在圖1.1減速器裝配圖中，配合代號標注就是應用相關國家標準極限與配合的典型例子。其中各處主要幾何量中的尺寸應進行標準化，這個經過標準化的尺寸稱為標準尺寸，即尺寸數值應按優(yōu)先數選取。國家標準GB/T321-1980優(yōu)先數和優(yōu)先數系中規(guī)定十進等比數列為優(yōu)先數，并規(guī)定了四個基本系列，分別用符號R5、R10、R20和R40來表示，并依次稱為R5系列、R10系列、R20系列和R40系列。R80系列為補充系列。優(yōu)先數系R5、R10、R20和R40公比q分別是、和，它們的110常用數值見表1.1。表1.1 優(yōu)先數系列公比和110的常用值優(yōu)先數系列公比q110的常用值R5系列q= 1.61.00 1.60 2.504.00 6.30 10.00R10系列q=1.251.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00R20系列q=1.121.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00R40系列q=1.061.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.35 3.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.30 6.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00從表1.1中可知：R5系列的常用值中包含在R10系列的常用值之中；R10系列的常用值中包含在R20系列的常用值之中；由此類推，等等。四個基本系列的小于1和大于10的常用數可按照十進制向兩端進行擴展，如：在R5系列中，110的常用數有：1，1.6，2.5，4.0，6.3，10。那么，大于10的常用數為10，16，25，40，63，100， 。優(yōu)先數系具有一系列的優(yōu)點：相鄰兩項的相對差相同，疏密適當，前后銜接不間斷，簡單易記，運用方便。所以，這種優(yōu)先數系已成為國際上通用的標準化數系。工程技術人員應在一切標準化領域中盡可能地采用優(yōu)先數系，以達到對各種技術參數協(xié)調、簡化和統(tǒng)一的目的，促進國民經濟快速發(fā)展。為了使優(yōu)先數系有更大的適應性，可以從R系列中，每逢p項選取一個優(yōu)先數組成新的系列派生系列，以符號R/p表示，公比q=q=()=10。例如：首項為1的派生系列R就是從基本系列R5中，每逢兩項取一個優(yōu)先數組成的，即：1.00，2.5，6.3，16，40， 。優(yōu)先數系中基本系列的應用：按照滿足技術與經濟的要求，應當按照R5、R10、R20、R40的順序，優(yōu)先選用公比較大的基本系列，而且允許采用補充系列R80系列。在確定零件的尺寸時，應盡量地采用優(yōu)先數系的常用值。如：圖1.1減速器的設計中，經力學計算，得出輸入軸的最小直徑為30.01毫米，則該處直徑的基本尺寸按優(yōu)先數系取值，即該處直徑的基本尺寸應為30毫米。優(yōu)先數除應用在標準尺寸外，還用于其他標準化之中。如國家標準在確定標準公差數值時，公差等級IT6IT18的公差等級系數a值就是取R5系列的常用值中102500的值。此外，在幾何量精度設計中均應采用最新頒布的尺寸公差、形狀公差、位置公差等國家標準，實現在全國范圍內的公差標準化。2. 技術測量在機械產品的幾何量精度設計之后，工人按照各零件圖上的各項要求進行加工。各個零件完工之后，須通過采用適當的計量器具、正確的測量方法和數據處理方法對被測量進行檢測，從而判斷零件是否達到零件圖紙上各公差標準的要求。只有將真正符合標準要求的零（部）件裝配成機械產品，才能使機械產品發(fā)揮設計時規(guī)定的使用功能，其零（部）件才能具有互換性。計量器具、檢測方法和手段等構成技術測量，所以，技術測量是保證實現互換性的重要手段。對工件進行檢驗和測量（簡稱檢測），其目的不僅在于仲裁零件是否合格，而且還要根據檢測結果，分析產生廢品的原因，以便減少廢品，最終消除廢品，降低制造成本。要使檢測的結果準確可靠，必須在計量上保證長度計量單位的統(tǒng)一，并在全國范圍內規(guī)定嚴格的量值傳遞系統(tǒng)以及相應的測量方法，制定有關計量器具、測量方法和數據處理的規(guī)定，以保證必要的檢測精度，最終確保零（部）件具有互換性。綜上所述，機械產品的幾何量精度設計及其檢測是保證企業(yè)生產的機械產品質量與制造成本的兩個重要的技術環(huán)節(jié)。13 本課程的性質與要求1.3.1 本課程的性質互換性與技術測量課程是高等工科應用型本科院校機械類各專業(yè)（包括車輛、材料、儀表儀器等專業(yè)）的一門重要的技術基礎課程，是聯系機械設計與后續(xù)機械加工工藝等課程的紐帶，是從專業(yè)基礎課學習過渡到專業(yè)課程學習的“橋梁”。1.3.2 本課程的基本要求學習者在學習本課程之前，應具有一定的理論知識和初步的機械制造生產實踐知識。學習者在完成本課程的學習任務以后，應達到以下基本要求：(1) 建立幾何參數互換性與標準化的概念。(2) 認識有關幾何參數公差標準的基本內容和主要規(guī)定。(3) 初步掌握選用國家標準規(guī)定的各幾何參數公差與配合；在機械產品的裝配圖和零件圖樣上，按常見幾何參數公差與配合的要求正確標注，會解釋和查用有關標準。(4) 會正確選擇、使用在機械制造現場中常用的計量器具，能對一般的、常見的幾何量進行綜合檢測和數據處理，并作出合格性的正確判斷。(5) 會設計光滑極限量規(guī)和簡單的位置量規(guī)。 本課程為了強化應用能力的培養(yǎng)，每章節(jié)通過實例導入，將理論知識與機械制造實際有機地結合在一起，使學習者更容易理解理論知識。本教材突出教學重點和教學的基本點，學習者在有限的學習時間內，掌握必要的內容，達到基本的要求。每章節(jié)之后，設置實訓內容、習題與練習，并附有參考答案，便于學習者課后復習、自習。1.4 實訓減速器的精度設計及符合全球協(xié)作化生產的基本原則和內容。實訓目的u 掌握幾何量精度設計的基本內容。u 了解遵循互換性原則的理由。u 掌握實現互換性的具體要求。實訓過程u 分析減速器的使用功能要求，解釋減速器的幾何量精度設計的主要內容。u 分析減速器裝配圖上配合部位應標注什么代號？u 減速器零件圖上尺寸要求應按照哪一部國家標準進