《互換性與技術測量》課件第1章

第1章緒論1.1互換性1.2互換性與技術測量1.3互換性與標準化思考題與習題1互換性

1.1.1互換性的概念互換性(Interchangeability)有廣義和狹義之分，就機械零件而言,可理解為：同一規(guī)格工件，不需要作任何挑選和附加加工，就可以裝配到所需的部位，并能滿足使用要求。

例如，規(guī)格相同的任何一個燈頭和燈泡，無論它們出自哪個企業(yè)，只要產(chǎn)品合格，都可以相互裝配，電路開關合上，燈泡一定會發(fā)光。同理，自行車、電視機、汽車等家用電器的零件損壞，也可以快速換一個同樣規(guī)格的新零件，并且在更換后，自行車可以繼續(xù)騎行、電視有畫面并有伴音、汽車開動后就可上路。日常生活中之所以這樣方便，是因為日常用品、家用電器、交通工具的零配件都具有互換性。

現(xiàn)代機器的生產(chǎn)應該是互換性生產(chǎn)，它符合現(xiàn)代化大工業(yè)的發(fā)展條件。以電視機和汽車的生產(chǎn)為例，它們各自都有成千上萬個零件，由若干個省、幾十家企業(yè)生產(chǎn)制造，而總裝廠僅生產(chǎn)部分零部件。在自動生產(chǎn)線上將各企業(yè)的合格零件裝配成部件，再由部件迅速總裝成符合國家標準的電視機或汽車，從而使年產(chǎn)量幾十萬臺甚至幾百萬臺成為可能，而這種現(xiàn)代化大工業(yè)的生產(chǎn)使得產(chǎn)品質量更高，產(chǎn)品的價格更為低廉。消費者在現(xiàn)代化進程中得到了實惠，同時也注意到互換性的生產(chǎn)和維修給社會各個層面帶來了極大的方便，推動了社會的發(fā)展。

由于電視機或汽車要在生產(chǎn)線上裝配，要求各個企業(yè)在制造零部件時必須符合國家的統(tǒng)一技術標準。這種跨地區(qū)、跨行業(yè)，大型國有企業(yè)和民營企業(yè)不同的設備條件，工人的技術水平也不盡相同，但加工出來的零件可以不經(jīng)選擇、修配或調整，就能裝配成合格的產(chǎn)品，說明了零件的加工是按規(guī)定的精度要求制造的。

如何使工件具有互換性？設加工一批零件的實際參數(shù)（尺寸、形狀、位置等幾何參數(shù)及硬度、塑性、強度等其它物理參數(shù))的數(shù)值都為理論值，即這批零件完全相同。裝配時，任取其中一件，配合的效果都是相同的。但是，要獲得這種絕對準確和完全相同的產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中是根本不可能的，而且也沒有必要。

現(xiàn)代加工業(yè)可以制造出精確度很高的工件，但仍然會有誤差（盡管加工誤差相當?。６硪环矫鎻臋C器設備的使用和互換性生產(chǎn)要求來看，只要制成的零件實際參數(shù)值變動在控制的范圍內，保證零件幾何參數(shù)充分近似即可。所以要使產(chǎn)品具有互換性，就必須按照技術標準的規(guī)定來制造，而控制幾何參數(shù)的技術規(guī)定就稱為“公差”（公差即為實際參數(shù)值所允許的最大變動量）。1.1.2互換性的作用

1.使用過程由于工件具有互換性，因而在它磨損到極限或損壞后，可以很方便地用備件來替換。在使用過程中，可以縮短維修時間和節(jié)約費用，提高修理質量，延長產(chǎn)品的使用壽命，從而提高了機器的使用價值。

2.生產(chǎn)制造按照互換性原則組織加工，實現(xiàn)專業(yè)化協(xié)調生產(chǎn)，便于計算機輔助制造（CAM），以提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率，同時降低生產(chǎn)成本。3.裝配過程因為零部件具有互換性，可以提高裝配質量，縮短裝配時間，所以便于實現(xiàn)現(xiàn)代化的大工業(yè)自動化，提高裝配效率。

4.產(chǎn)品設計由于標準零部件是采用互換性原則設計和生產(chǎn)的，因而可以簡化繪圖、計算等工作，縮短設計周期，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，且便于計算機輔助設計（CAD）。綜上所述，在機械制造中，遵循互換性原則，不僅能保證又多又快地生產(chǎn)，而且能保證產(chǎn)品質量和降低生產(chǎn)成本。所以，互換性是在機械制造中貫徹“多快好省”方針的技術措施。1.1.3互換性的分類按照零部件互換程度的不同，互換可分為完全互換和不完全互換。

(1)完全互換：零件在裝配或更換時，不需要輔助加工與修配，也不需要選擇。一般標準件有螺釘、螺母、滾動軸承、齒輪等。

(2)不完全互換：有些機器的零件精度要求很高，按完全互換法加工困難，生產(chǎn)成本高，此時可將工件的尺寸公差放大，裝配前，先進行測量，然后分組進行裝配，以保證使用要求。2互換性與技術測量

1.2.1幾何參數(shù)誤差與公差零件在機械加工時，由于“機床—工具—輔具”工藝系統(tǒng)的誤差、刀具的磨損、機床的振動等因素的影響，使得工件在加工后總會產(chǎn)生一些誤差。加工誤差就幾何量來講，可分為尺寸誤差、幾何形狀誤差、相互位置誤差和表面粗糙度。

(1)尺寸誤差：零件在加工后實際尺寸與理想尺寸之間的差值。零件的尺寸要求如圖1-1(a)所示，但經(jīng)過加工，它的da1、da2、da3、da4、da5的實際尺寸各有不同，有的在極限尺寸范圍內，個別的則超出了極限尺寸，即為尺寸誤差。(2)幾何形狀誤差：由于機床、刀具的幾何形狀誤差及其相對運動的不協(xié)調，使光滑圓柱的表面在加工中產(chǎn)生了誤差。如圖1-1(b)所示，產(chǎn)生了素線的不直（da1、da2、da3的直徑尺寸大小不一），即為直線度誤差；因為光滑圓柱的橫截面理論上都是理想的幾何圓，而加工后實際形狀變成一個誤差圓，如圖1-1(c)所示（da4、da5的橫剖面尺寸不同），出現(xiàn)了圓度誤差。以上即為幾何形狀誤差。圖1-1幾何形狀誤差（a）零件的尺寸要求；（b）零件的軸剖面；（c）零件的橫剖面(3)相互位置誤差：如圖1-2所示，在車削臺階軸時，由于其結構的特點，需要先加工大尺寸一端，然后再調頭車削小直徑一端。如果操作者調整軸線不仔細，加工后該零件會產(chǎn)生臺階軸的軸線錯位，從而會出現(xiàn)同軸度誤差，造成零件的實際位置與理想位置的偏離。圖1-2相互位置誤差(4)表面粗糙度（微觀的幾何形狀誤差）：加工后刀具在工件表面留下刀具痕跡，即使經(jīng)過精細加工，目視很光亮的表面，經(jīng)過放大觀察，也可很清楚地看到工件表面的凸峰和凹谷，使工件表面粗糙不平。加工誤差在機械制造中是不可避免的，只要將工件的加工誤差（尺寸、形狀、位置和表面粗糙度）都控制在公差范圍內就為合格品，如圖1-3所示。圖1-3減速器輸出軸的尺寸、形位、表面粗糙度的公差要求

圖1-3中表示了輸出軸的尺寸、形位、表面粗糙度的公差要求，即在加工過程中各要素不能超出所規(guī)定的極限值，否則該零件為不合格產(chǎn)品。例如，A—A剖面，鍵槽寬度的尺寸只能在11.957~12mm之間，對稱度要控制在0.02mm之內，鍵槽兩側面的表面粗糙度不允許超過0.0032mm，同時鍵槽底部的另一個尺寸只能在39.3~39.5mm之間，只有這四個要求都達到時，此剖面才可被認為是合格的。

一般情況，工件都會有上述四個基本的公差要求（有的零件圖紙也許沒有標注尺寸和形位公差，此時，應該按國家標準的未注公差來理解和執(zhí)行），這也正是本教材中最重要的、需要重點掌握的基礎性國家標準。在機械加工中，由于各種誤差的存在，一般認為公差是誤差的最大允許值，因此，誤差是在加工過程中產(chǎn)生的，而公差則是由設計人員確定的。1.2.2技術測量技術測量是實現(xiàn)互換性的技術保證，如果僅有與國際接軌的公差標準，而缺乏相應的技術測量措施，實現(xiàn)互換性生產(chǎn)是不可能的。測量中首先要統(tǒng)一計量單位。解放前我國長度單位采用市尺，1955年成立了國家計量局，1959年統(tǒng)一了全國計量制度，正式確定采用公制（米制）作為我國基本計量制度。1977年頒布了計量管理條例。1984年頒布了國家法定計量單位。1985年頒布了國家計量法。

伴隨著長度基準的發(fā)展，計量器具也在不斷改進。1850年美國制成游標卡尺以后，1927年德國制成了小型工具顯微鏡，從此幾何量的測量隨著工業(yè)化的進程而飛速發(fā)展。目前，我國工業(yè)正在日新月異地發(fā)展，計量測試儀器的制造工業(yè)也發(fā)展得越來越快。長度計量儀器的測量精度已由毫米級提高到微米級，甚至達到納米級。測量空間已由二維空間發(fā)展到三維空間。測量的尺寸小至微米級，大到米級。測量的自動化程度也越來越高，已由人工讀數(shù)測量結果發(fā)展到自動定位、測量，計算機數(shù)據(jù)處理，自動顯示并打印測量結果。3互換性與標準化

1.3.1標準公差標準在工業(yè)革命中起過非常重要的作用，隨著機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，要求企業(yè)內部有統(tǒng)一的技術標準，以擴大互換性生產(chǎn)規(guī)模和控制機器備件的供應。早在20世紀初，英國一家生產(chǎn)剪羊毛機器的公司——紐瓦爾（Newall）于1902年頒布了全世界第一個公差與配合標準（極限表），從而使生產(chǎn)成本大幅度下降，同時，產(chǎn)品質量不斷提高，在市場上擠跨了其他同類公司，在這一領域鶴立雞群。這個過程中，極限表起了舉足輕重的作用。1924年英國在全世界最早頒布了國家標準B.S164-1924，美國、德國、法國等也緊隨其后頒布了各自國家的國家標準，指導著各國的制造業(yè)的發(fā)展。1929年俄羅斯（前蘇聯(lián)）也頒布了《公差與配合》標準。在此階段，西方國家的工業(yè)化不斷進步，生產(chǎn)也快速發(fā)展，同時國際間的交流也日益廣泛。1926年成立了國際標準化協(xié)會（ISA），1940年正式頒布了國際《公差與配合》標準，第二次世界大戰(zhàn)后的1947年將ISA更名為ISO（國際標準化組織）。1959年我國正式頒布了第一個國家標準《公差與配合》（GB159～174—59），此標準完全依賴1929年俄羅斯（前蘇聯(lián)）的國家標準，并指導了我國20年的工業(yè)生產(chǎn)。

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，舊國標已不能適應現(xiàn)代大工業(yè)互換性生產(chǎn)的要求，因此，1979年原國家標準局統(tǒng)一布署，有計劃、有步驟地對舊的基礎標準進行了兩次修訂。一次是20世紀80年代初期，修訂的標準有：《公差與配合》（GB1800～1804—79），《形狀與位置公差》（GB1182～1184—80），《表面粗糙度》（GB1031—83）；另一次是20世紀90年代中期，修訂的標準有：《極限與配合》（GB/T1800.1—1997，GB/T1800.4—1999等），《形狀和位置公差》（GB/T1182—1996等），《表面粗糙度（GB/T1031—1995等）多項國家標準。這些新國家標準(簡稱新國標)的頒布，正在對我國的機械制造業(yè)起著越來越大的作用。1.3.2標準化現(xiàn)代化生產(chǎn)的特點是品種多、規(guī)模大、分工細、協(xié)作多，為使社會生產(chǎn)有序地進行，必須通過標準化使產(chǎn)品規(guī)格簡化，使分散的、局部的生產(chǎn)環(huán)節(jié)相互協(xié)調和統(tǒng)一。幾何量的公差與檢測也應納入標準化的軌道。

根據(jù)產(chǎn)品的使用性能要求和制造的可能性，既要加工方便又要經(jīng)濟合理，就必須規(guī)定幾何量誤差的變動范圍，也就是規(guī)定合適的公差作為加工產(chǎn)品的依據(jù)，公差值的大小就是根據(jù)上述的基本原則進行制定和選取的。為了實現(xiàn)互換性，必須對公差值進行標準化，不能各行其是。標準化是實現(xiàn)互換性生產(chǎn)的重要技術措施。例如，一種機械產(chǎn)品的制造，往往涉及許多部門和企業(yè)，如果沒有制訂和執(zhí)行統(tǒng)一的公差標準，是不可能實現(xiàn)互換性生產(chǎn)的。對零件的加工誤差及其控制范圍所制訂的技術標準稱為“極限與配合、形狀與位置公差”等標準，它是實現(xiàn)互換性的基礎。

為什么要用新國標代替舊國標？因為新國標采用最新的國際標準制，國際標準制的概念更加明確，結構更加嚴密，規(guī)律性也更強。另外，最新的國際標準制有利于國際間的技術交流。隨著機電產(chǎn)品的出口越來越多，現(xiàn)代工業(yè)化建設不斷完善，技術引進和援外日益增多，采用國際標準制就顯得十分重要。1.3.3優(yōu)先數(shù)與優(yōu)先數(shù)系產(chǎn)品無論在設計、制造，還是在使用中，其規(guī)格，如零件尺寸，原材料尺寸，公差，承載能力及所使用設備、刀具、測量器具的尺寸等性能與幾何參數(shù)都要用數(shù)值表示。而產(chǎn)品的數(shù)值具有擴散傳播性，例如，復印機的規(guī)格與復印紙的尺寸有關，復印紙的尺寸，則取決于書刊、雜志的尺寸，復印機的尺寸又影響造紙機械、包裝機械等的尺寸。又如，某一尺寸的螺栓會擴散傳播到螺母尺寸,制造螺栓的刀具（絲錐、扳牙等）尺寸,檢驗螺栓的量具（螺紋千分尺、三針直徑）的尺寸,安裝刀具的工具、工件螺母的尺寸等。由此可見，產(chǎn)品技術參數(shù)的數(shù)值不能任意選取，不然會造成產(chǎn)品規(guī)格繁雜，直接影響互換性生產(chǎn)、產(chǎn)品的質量以及產(chǎn)品的成本。

生產(chǎn)實踐證明，對于產(chǎn)品技術參數(shù)合理分檔、分級，對產(chǎn)品技術參數(shù)進行簡化，協(xié)調統(tǒng)一，必須按照科學、統(tǒng)一的數(shù)值標準，即優(yōu)先數(shù)與優(yōu)先數(shù)系。它是一種科學的數(shù)值制度，也是國際上統(tǒng)一的數(shù)值分級制度。它不僅適用于標準的制訂，也適用于標準制訂前的規(guī)劃、設計，從而把產(chǎn)品品種的發(fā)展一開始就引入科學的標準化軌道。因此優(yōu)先數(shù)系是國際上統(tǒng)一的一個重要的基礎標準。

優(yōu)先數(shù)系由一些十進制等比數(shù)列構成，其代號為R（R是優(yōu)先數(shù)系創(chuàng)始人Renard的縮寫），相應的公比代號為Rr。r代表5、10、20、40等數(shù)值，其對應關系如下：(R5系列）（R10系列）（R20系列）（R40系列）

一般優(yōu)先選擇R5系列，其次為R10系列、R20系列等等，其具體數(shù)值見附表1-1。1.3.4本課程的研究對象與任務

本課程是機械類專業(yè)及相關專業(yè)的一門重要的技術基礎課，在教學中起