公差、配合与技术基础标准

1.互换性的概念

互换性是现代化生产的一个重要技术经济原则，它普遍应用于机械设备和各种家用机电产品的生产中。

在机械工业中，互换性是指制成的同一规格的一批零件或部件，不需作任何挑选、调整或辅助加工（如钳工修配），就能进行装配，并能满足机械产品的使用性能要求的一种特性。例如，一批螺纹标记为M10-6H的螺母，如果都能与M10-6g的螺栓自由旋合（见图1-1），并且满足设计的连接可靠性要求，则这批螺母就具有互换性。又如，车床上的主轴轴承，磨损到一定程度后会影响车床的使用，在这种情况下，换上一个相同代号的新轴承，主轴就能恢复原来的精度而达到满足使用性能的要求。这里轴承作为一个部件而具有互换性，如图1-2所示。

在日常生活中，互换性的例子也有很多。如自行车的内外胎破了，可以换上同规格的新胎，更换后仍可满足使用要求。又如电池没电了，换上一个同型号的新电池，电器就能恢复正常使用。

图1-1 具有对应标记的螺栓 和螺母可自由旋合

图1-2 相同代号的轴承能替换已 磨损的轴承并恢复精度

互换性原则广泛用于机械制造中的产品设计、零件加工、产品装配、机器的使用和维修等各个方面。

在使用和维修方面，互换性有其不可取代的优势。当机器的零（部）件突然损坏时，可迅速用相同规格的零（部）件更换，既缩短了维修时间，又能保证维修质量，从而提高机器的利用率并延长机器的使用寿命。

在加工和装配方面，当零件具有互换性时，可以采用分散加工、集中装配。这样有利于组织跨地域的专业化厂际协作生产；有利于使用现代化的工艺装备，并可提高设备的利用率；有利于采用自动线等先进的生产方式，还可减轻劳动强度，缩短装配周期。汽车的零件一般采用分散加工，但汽车整体是集中装配的。

在设计方面，采用具有互换性的标准件和通用件，可以使设计工作简化，缩短设计周期，并便于应用计算机辅助设计。

零（部）件的互换性既包括其几何参数（如尺寸、形状等）的互换，也包括其力学性能（如硬度、强度等）的互换。本书仅论述几何参数的互换性。

2.几何量误差、公差和测量

要保证零件具有互换性，就必须保证零件的几何参数的准确性（即加工精度）。零件在加工过程中，由于机床精度、计量器具精度、操作工人技术水平及生产环境等诸多因素的影响，其加工后得到的几何参数会不可避免地偏离设计时的理想要求，而产生误差。这种误差称为零件的几何量误差。几何量误差主要包含尺寸误差、几何误差。

零件的几何量误差是否会使零件丧失互换性呢？实践证明，虽然零件的几何量误差可能影响到零件的使用性能，但只要将这些误差控制在一定的范围内，仍能满足使用功能要求，也就是说仍可以保证零件的互换性要求。

为了控制几何量误差，人们提出了公差的概念。所谓几何参数的公差就是零件几何参数允许的变动量，它包括尺寸公差、几何公差等。只有将零件的误差控制在相应的公差内，才能保证互换性的实现。

既然要用几何参数的公差来控制几何误差的大小，那么就必须合理地确定几何量公差的大小。而在现代化生产中，一种产品的制造往往涉及许多部门和企业，为了适应各个部门或企业之间在技术上相互协调的要求，必须有一个统一的公差标准，以保证互换性生产的实现。

公差与配合标准、几何公差标准、表面粗糙度标准等是我们国家制定的重要的技术基础标准，是保证互换性的基础。

除制定和贯彻公差标准之外，要保证互换性在生产实践中实现还必须有相应的技术测量措施。若测量结果显示零件的几何参数误差控制在规定的公差范围内，则此零件就合格，就能满足互换性的要求；若测量结果显示误差超过公差范围，零件就不合格，也就达不到互换的目的。因此，对零件的测量是保证互换性生产的重要手段。

另外，通过测量的结果，人们可以分析产生不合格零件的原因，及时采取必要的工艺措施，提高加工精度，减少不合格产品，提高合格率，从而降低生产成本并提高生产效率。

3.基本术语及定义

（1）尺寸

1）公称尺寸。公称尺寸是图样规范确定的理想形状要素的尺寸。孔的公称尺寸用大写字母表示，轴的公称尺寸用小写字母表示。在设计中，公称尺寸根据产品的性能要求来确定，然后再标准化。

2）实际尺寸。实际尺寸是通过测量得到的尺寸。孔的实际尺寸以D_a表示，轴的实际尺寸以d_a表示。

3）极限尺寸。极限尺寸是尺寸要素允许的尺寸的两个界限。一般规定两个界限，其中较大的称为上极限尺寸，较小的称为下极限尺寸。极限尺寸是根据零件的使用要求确定的，它可能大于、等于或小于公称尺寸。

孔的上极限尺寸以D_max表示，下极限尺寸D_min以表示；轴的上极限尺寸以d_max表示，下极限尺寸以d_min表示。

（2）公差 允许尺寸的变动量。公差表示一批零件尺寸允许变动的范围，这个范围大小的数量值就是公差，所以它是绝对值，不是代数值，零公差，负公差的说法都是错误的。公差等于上极限尺寸与下极限尺寸之代数差的绝对值，可用公式表示为：

孔的公差以T_h表示：

T_h=|D_max-Dmin|=|ES-EI|

轴的公差以T_s表示：

T_s=|d_max-dmin|=|es-ei|

公差的大小表示对零件加工精度高低的要求，并不能根据公差的大小去判断零件尺寸是否合格。上、下极限偏差表示每个零件实际偏差大小变动的界限，是代数值，是判断零件尺寸是否合格的依据，与零件加工精度的要求无关，但是，上、下极限偏差之差的绝对值（公差）是与精度有关。公差是误差的允许值，是由设计确定的，不能通过实际测量得到。

（3）公差带 公差带是由代表两极限偏差或两极限尺寸的两平行直线所限定的区域。取公称尺寸为零线（零偏差线），用适当的比例画出以两极限偏差表示的公差带，称为公差带图，如图1-3所示。在公差带图中，零线水平放置，取零线以上为正偏差，零线以下为负偏差。公差带的大小取决于公差的大小，公差大的公差带宽，公差小的公差带窄；公差带相对于零线的位置取决于某一极限偏差。公差和极限偏差的大小都是根据使用性能由设计确定的。(www.xing528.com)

（4）配合 公称尺寸相同的、相互结合的孔和轴公差带之间的关系，称为配合。在孔与轴的配合中，孔的尺寸减去轴的尺寸所得之代数差，此差值为正时是间隙，以X表示，为负时是过盈，以Y表示，根据相互结合的孔、轴公差带的不同相对位置关系，可把配合分为间隙配合、过盈配合、过渡配合三种。

图1-3 公差带

图1-4 间隙配合

图1-5 过盈配合

1）间隙配合。间隙配合是具有间隙（包括最小间隙等于零）的配合。孔的公差带必定在轴的公差带之上，如图1-4所示。

一批相配合的孔、轴的实际尺寸是不同的，装配后间隙也是不同的。当孔为上极限尺寸、轴为下极限尺寸时，装配后会有最大间隙，以X_max表示；当孔为下极限尺寸、轴为上极限尺寸时，装配后会有最小间隙，以X_min表示。二者可用下列公式表示：

X_max=Dmax^-dmin=ES-ei

X_min=Dmax^-dmax=EI-es

2）过盈配合。过盈配合是具有过盈（包括最小过盈等于零）的配合。孔的公差带必定在轴的公差带之下，如图1-5所示。

同样，一批相互配合的孔、轴的实际尺寸是变化的，每一对装配后的过盈也是变化的。当孔为上极限尺寸、轴为下极限尺寸时，装配后会有最小过盈，用Y_min表示；当孔为下极限尺寸、轴为上极限尺寸时，装配后会有最大过盈，用Y_max表示。

综合以上两种配合可得：

Y_min=Dmax^-dmin=ES-ei

Y_max=Dmin^-dmax=EI-es

3）过渡配合。过渡配合是可能具有间隙或过盈的配合。孔与轴的公差带相互交叠，如图1-6所示。

图1-6 过渡配合

过渡配合介于间隙配合与过盈配合之间。某对孔、轴装配后，不是有间隙，就是有过盈，绝不会又有间隙又有过盈。过渡配合的性质用最大间隙（X_max）和最大过盈（Y_max）表示：

X_max=Dmax^-dmin=ES-ei

Y_max=Dmax^-dmin=EI-es

（5）公差与配合的应用 公差与配合的应用，就是如何经济地满足使用要求，确定相配合孔、轴公差带的大小和位置，即选择基准制、公差等级和配合种类。

1）基准制的选择。基准制的选择与使用要求无关，不管选择基孔制还是基轴制，都可达到预期的目的，实现配合性质。但从工艺的经济性和结构的合理性考虑问题，对中、小尺寸应优先选用基孔制。

2）公差等级的选择。确定公差等级应综合考虑各种因素，如果选择公差等级过高，当然可以满足使用要求，但加工难度大，成本高。选择公差等级过低，加工容易，成本低，未必能保证使用要求。所以，公差等级的选择应在满足使用要求的前提下，尽量选用较低的公差等级。保证产品质量，满足使用要求是选择时应首先考虑的因素，然后再考虑如何能更经济，选择比较合适的、尽量低的公差等级。一般情况采用类比法选择公差等级。

3）配合种类的选择。配合种类的选择，实质上是确定孔、轴配合应具有一定的间隙或过盈，满足使用要求，保证机器正常工作。当基准制、公差等级确定后，基准孔或基准轴的公差带就确定了，关键就是选择配合件公差带的位置，即选择配合件的基本偏差代号。

选择配合件的基本偏差代号一般采用类比法，根据使用要求、工作条件，首先确定配合的类别。对于工作时有相对运动或虽无相对运动却要求装拆方便的孔、轴，应该选用间隙配合；对于主要靠过盈保持相对静止或传递载荷的孔、轴，应该选用过盈配合；对于既要求对中性高，又要求装拆方便的孔、轴，应该选用过渡配合。

在满足实际生产需要和考虑生产发展需要的前提下，为了尽可能减少加工零件的刀具、量具和工艺装备的品种及规格，在常用尺寸标准中规定了优先、常用和一般用途的轴公差带，如图1-7所示，圆圈中的轴公差带为优先的，方框中的轴公差带为常用的。在常用尺寸标准中还规定了优先、常用和一般用途的孔公差带，如图1-8所示，圆圈中的孔公差带为优先的，方框中的孔公差带为常用的。选择配合件基本偏差时应注意按优先、常用、一般的顺序选取。

图1-7 优先、常用和一般用途的轴公差带（尺寸≤500mm）

图1-8 优先、常用和一般用途的孔公差带（尺寸≤500mm）