形状和位置公差检测优化方法

一、概述

由于机床夹具、刀具及工艺操作水平等因素的影响，经过机械加工后，零件的尺寸、形状及表面质量均不能做到完全理想，而出现加工误差，归纳起来除了有尺寸误差外，还会出现形状误差、位置误差等。

零件在加工过程中，形状和位置误差（简称形位误差）是不可避免的。工件在机床上的定位误差、切削力、夹紧力等因素都会造成各种形位误差。如车削时由三爪卡盘夹紧的环形工件，会因夹紧力使工件变形成为棱圆形，见图1-51；钻孔时钻头移动方向与工作台面不垂直，会造成孔的轴线对定位基面的垂直度误差，见图1-52。

图1－51　车削形成的形状误差

图1－52　钻孔形成的位置误差

为控制机器零件的形位误差，提高机器的精度和延长使用寿命，保证互换性生产，标准相应规定了14项形位公差项目。其项目的名称和符号见表1-22。

二、形状公差

1.直线度

直线度公差是被测实际要素对其理想直线的允许变动全量。它用来控制圆柱体的素线、轴线、平面与平面的交线误差，见图1-53。

2.平面度

平面度公差是被测实际要素对理想平面的允许变动全量。它用来控制被测实际平面的形状误差。平面度公差带是距离为公差值t的两平行平面间的区域。如图1-54所示，实际平面必须位于间距为公差值0.1的两平行平面间的区域内。

表1－22　形位公差项目

图1－53　素线直线度公差带

图1－54　平面度公差带

平面度测量仪器有平晶［见图1-55（a）］、平板和带指示表的表架［见图1-55（b）］、水平仪、自准直仪和反射镜等。

3.圆度

圆度公差是被测实际要素对理想圆的允许变动全量。它用来控制回转体表面（如圆柱面、圆锥面、球面等）正截面轮廓的形状误差。圆度公差带是在同一正截面上半径差为公差值t的两同心圆间的区域，如图1-56所示。

圆度误差测量仪器有圆度仪、光学分度头、三坐标测量机或带计算机的测量显微镜、V形块和带指示表的表架、千分尺及投影仪等。

图1－55　平面度的测量方法

图1－56　圆度公差带

用转轴式圆度仪测量的工作原理见图1-57。测量时将被测零件安置在测量仪工作台上，调整其轴线与测量仪回转轴线同轴。记录被测零件在回转一周内截面各点的半径差，绘制出极坐标图，最后评定出圆度误差。

图1－57　圆度仪测量圆度误差原理

4.圆柱度

圆柱度公差是被测实际要素对理想圆柱所允许的变动全量。它用来控制被测实际圆柱面的形状误差。圆柱度公差带是半径差为公差值t的两同轴圆柱面间的区域。如图1-58所示，被测圆柱面必须位于半径差为公差值0.05两同轴圆柱面间的区域内。

圆柱度误差测量，如图1-59所示，将被测零件放在平板上，并靠紧直角座。

（1）在被测零件回转一周过程中，测量一个横截面上的最大与最小读数。

（2）按（1）所述方法测量若干个横截面，然后取各横截面内所测得的所有读数中最大与最小读数差之半作为该零件的圆柱度误差。此方法适用于测量外表面的偶数棱形状误差。

图1－58　圆柱度公差带

图1－59　两点法测量圆柱度

5.线轮廓度

线轮廓度公差是指被测实际要素相对于理想轮廓线所允许的变动全量。它用来控制平面曲线（或曲面的截面轮廓）的形状或位置误差。如图1-60所示。线轮廓度测量的仪器有轮廓样板、投影仪、仿形测量装置和三坐标测量机等。

图1－60　线轮廓度公差带

（a）公差带；（b）无基准要求；（c）有基准要求

6.面轮廓度

面轮廓度公差是指被测实际要素相对于理想轮廓面所允许的变动全量。它用来控制空间曲面的形状或位置误差。面轮廓度是一项综合公差，它既控制面轮廓度误差，又可控制曲面上任一截面轮廓的线轮廓度误差，见图1-61。

面轮廓度测量的仪器有成套截面轮廓样板、仿形测量装置、坐标测量装置和光学跟踪轮廓测量仪等，如图1-62所示。

图1－61　面轮廓度公差带

（a）面轮廓度公差带；（b）面轮廓度形状公差要求

图1－62　轮廓度测量

（a）轮廓样板测量线轮廓度；（b）三坐标测量仪测量面轮廓度

三、位置公差

（一）定向公差

1.平行度公差

平行度公差用来控制面对面、线对线（面对线、线对面，图略）的平行度误差，见图1-63和图1-64。

图1－63　面对面平行度公差带

图1－64　线对线平行度公差带

测量的仪器有平板和带指示表的表架、水平仪、自准直仪、三坐标测量机等。如图1-65所示，测量面对线平行度误差时，基准轴线由心轴模拟。将被测零件放在等高支架上，调整（转动）该零件使L3=L4。然后测量整个被测表面并记录读数。整个测量过程中指示器的最大读数和最小读数之差作为该零件的平行度误差。测量时应选用可胀式（或与轴成无间隙配合的）心轴。

图1－65　测量面对线的平行度

2.垂直度公差

垂直度公差用来控制面对面、面对线（线对线、线对面，图略）的垂直度误差，见图1-66和图1-67。

图1－66　面对面的垂直度公差带

图1－67　面对线的垂直度公差带

如图1-68所示，面对面垂直度误差测量时，用直角尺将指示表调零后测量工件，指示表读数即为该测点的偏差。调整指示表的高度位置以测得不同数值，指示表最大读数差即为被测实际表面对其基准平面的垂直度误差。

如图1-69所示，面对线垂直度误差的测量时，用导向块模拟基准轴线，将被测零件放置在导向块内后，测量整个被测表面，指示表最大读数差即为被测实际表面对其基准轴线的垂直度误差。

3.倾斜度公差

与平行度、垂直度公差同理，倾斜度公差用来控制面对面（面对线、线对线、线对面）的倾斜度误差，只是将理论正确角度从0°或90°变为0°～90°的任意角度，见图1-70。图样标注时，应将角度值用理论正确角度标出。

图1-71所示为面对面的倾斜度误差的测量。将被测零件放置在定角座上，然后测量整个被测表面，指示表最大读数差即为被测实际表面对其基准面的倾斜度误差。

图1－68　面对面垂直度误差的测量

图1－69　面对线垂直度误差的测量

图1－70　倾斜度公差带

图1－71　倾斜度误差的测量

（二）跳动公差

跳动公差为关联实际被测要素绕基准轴线回转一周或连续回转时所允许的最大变动量。它可用来综合控制被测要素的形状误差和位置误差。

与前面各项公差项目不同，跳动公差是针对特定的测量方式而规定的公差项目。跳动误差就是指示表指针在给定方向上指示的最大与最小读数之差。

1.圆跳动公差

圆跳动公差是指关联实际被测要素相对于理想圆所允许的变动全量，其理想圆的圆心在基准轴线上。测量时实际被测要素绕基准轴线回转一周，指示表测量头无轴向移动。

根据允许变动的方向，圆跳动公差可分为径向圆跳动公差、端面圆跳动公差和斜向圆跳动公差三种。见图1-72是径向圆跳动公差带。(www.xing528.com)

如图1-73所示，将被测零件通过心轴安装在两同轴顶尖之间，用两同轴顶尖的轴线体现基准轴线。在垂直于基准轴线的一个测量平面内，将被测零件回转一周，指示值的最大差值即为单个截面的径向圆跳动误差。若测量若干个截面，应取各截面径向圆跳动误差的最大值作为该零件的径向圆跳动误差。

图1－72　径向圆跳动公差带

图1－73　圆跳动测量

在轴线与基准轴线重合的测量圆柱的素线方向，被测零件回转一周的过程中，指示值的最大差值即为单个测量圆柱面上的端面圆跳动误差。若测量若干个圆柱面，应取各个测量圆柱面上的最大值作为该零件的端面圆跳动误差。

通常用端面圆跳动控制端面对基准轴线的垂直度误差。但也有例外，当实际端面为中凹或中凸，端面圆跳动误差为零时，端面对基准轴线的垂直度误差并不一定为零。

2.全跳动公差

全跳动公差是指关联实际被测要素相对于理想回转面所允许的变动全量。

（1）径向全跳动公差。

径向全跳动公差带是半径差为公差值t，以基准轴线为轴线的两同轴圆柱面内的区域。如图1-74所示，轴的实际轮廓必须位于半径差为0.2，以公共基准轴线A—B为轴线的两同轴圆柱面的区域内。

图1－74　径向全跳动公差带

（2）端面全跳动公差。

端面全跳动公差带是距离为全跳动公差值t，且与基准轴线垂直的两平行平面之间的区域。如图1-75所示，右端面的实际轮廓必须位于距离为0.05，垂直于基准轴线A的两平行平面的区域内。

图1－75　端面全跳动公差带

3.全跳动公差的检测

（1）径向全跳动公差的检测。

如图1-76（a）所示，将被测零件固定在两同轴导向套筒内，同时在轴向上固定并调整该对套筒，使其同轴且轴线与平板平行。

在被测零件连续回转过程中，同时让指示器沿基准轴线的方向作直线运动。在整个测量过程中，指示器读数最大差值即为该零件的径向全跳动。

（2）端面全跳动公差的检测。

如图1-76（b）所示，将被测零件支承在导向套筒内，同时在轴向上固定。导向套筒的轴线与平板垂直。在被测零件连续回转过程中，指示器沿其径向作直线运动。在整个测量过程中，指示器读数最大差值即为该零件的端面全跳动。

图1－76　测量全跳动

（a）测量径向全跳动；（b）测量端面全跳动

（三）定位公差

定位公差为关联实际被测要素相对于具有确定位置的理想要素所允许的变动全量。它用来控制点、线或面的定位误差。

1.同轴度公差

同轴度公差控制轴线（中心点）相对于基准的同轴度误差。同轴度公差带是直径为φt、且轴线与基准轴线重合的圆柱面内的区域，公差值前应加注φ。如图1-77所示，实际被测轴线必须位于直径为公差值φ0.01，且轴线与基准轴线A重合的圆柱面内。

同轴度误差的测量仪器有圆度仪、三坐标测量机、V形块和带指示表的表架等。

如图1-78所示，测量同轴度误差时，在平板上用V形块体现公共基准轴线，使工件处于水平位置。先在一个正截面内测量，取指示表在各对应点的最大读数差值作为该截面同轴度误差；再在若干个正截面内测量，取各截面同轴度误差中的最大值作为该零件的同轴度误差。

图1－77　同轴度公差带

图1－78　同轴度误差的测量

2.对称度公差

对称度公差用于控制被测要素相对于基准的对称度误差。理想要素的位置由基准确定。对称度公差带是距离为公差值t，中心平面（或中心线、轴线）与基准中心要素（中心平面、中心线或轴线）重合的两平行平面（或两平行直线）之间的区域。如图1-79所示，槽的实际中心面必须位于距离为公差值0.1，中心平面与基准中心平面A—B重合的两平行平面区域内。

对称度误差的测量仪器有三坐标测量机、平板和带指示表的表架等。

如图1-80所示，将被测零件放置在平板上，测量被测表面①与平板之间的距离，再将被测零件翻转180°，测量被测表面②与平板之间的距离。取测量截面内对应两测点的最大差值作为该零件的对称度误差。

图1－79　对称度公差带

图1－80　对称度误差的测量