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熟悉几何公差的符号及意义并正确理解尺寸公差的概念,对工程师进行设计时选择合适的产品精度至关重要。本文基于ISO的定义进行讲解,简要介绍ISO与ASME的区别。之后介绍制造业中必不可少的几何公差基础知识及测量相关技术。
ISO将几何公差定义为“Geometrical product specifications (GPS)−Geometrical tolerancing−Tolerancing of form, orientation, location and run-out”。换言之,“几何特性”指的是物体的形状、大小、位置关系等,“公差”则是“容许误差”。“几何公差”的特点,是不仅定义尺寸,还会定义形状、位置的容许误差。
设计图纸的标注方法,大致可分为“尺寸公差”与“几何公差”这两类。尺寸公差管控的是各部分的长度。而几何公差管控的则是形状、平行度、倾斜度、位置、跳动等。
尺寸公差图纸
几何公差图纸
意为“进行相对面(A)的‘平行度’不超过‘0.02’的加工”
为什么需要标注几何公差呢?举个例子,设计者在订购某板状部件时,通过尺寸公差进行了如下标示。
a:公差带
但是根据上述图纸,生产方可能会交付如下所示的部件。
a:公差带
这样的部件会成为不适合品或不良品。究其原因,就是没有在图纸上标注平行性。相应的责任不在于加工业者,在于设计者的公差标示。
用几何公差标注同一部件的图纸,可得到如下所示的设计图。该图在尺寸信息的基础上,追加了“平行度”、“平面度”等几何公差信息。这样一来,就能避免因单纯标注尺寸公差而导致的问题。
a:平行度公差 b:平面度公差 c:基准面
综上所述,几何公差的优点,就是能够正确、高效地传达无法通过尺寸公差来体现的设计者意图。
尺寸公差与几何公差管控的公差不同。尺寸公差管控的是长度,几何公差管控的则是形状及位置关系。因此,尺寸公差和几何公差并无优劣之分,结合使用这两种公差,可实现高效的公差标示。
此外,尺寸公差及几何公差分别以不同测量设备及检测方法测量。例如,尺寸公差会使用游标卡尺、千分尺等测量2点间距离,此时,下图中的尺寸公差都合格。
但是,几何公差会利用真圆度测量仪、三坐标测量仪检测真圆度及中心轴的位置,根据指定的公差范围,可能会被判定为不合格。换言之,根据尺寸公差会被判定为合格,根据几何公差则不合格。
因此我们可以认为,尺寸公差管控与几何公差管控基本上不存在相关性。这种思考方式就是“独立原则”。
ISO 8015-2011中的定义尺寸与几何特性的关系定义如下:
除去特别指定相关性的情形,图纸中标示的各要求事项,例如尺寸公差及几何公差,与其他尺寸、公差或特性不存在关联性,独立发挥作用。
如上所述,独立原则是ISO明文规定的国际标准。但是,在美国等国家,部分企业可能会遵循不适用独立原则的ASME(美国机械工程师协会)准则。因此,在与境外企业开展贸易时,建议务必提前通过协商等途径,明确规格要求。
几何公差在图纸上通过符号进行指定。几何公差的符号共有14种,并根据管控的特性进行分类。
几何公差的符号如下所示。所谓“适用要素”的“独立要素”,就是不关联基准(无需标示基准)的要素。“基准”是为了决定姿态、位置、跳动而设定的理论理想要素。而“关联要素”则是与基准存在关联的要素,用于指定姿态、位置、跳动公差。
适用要素 |
公差类别 |
几何特性 |
符号 |
独立要素 |
形状公差 |
直线度 |
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平面度 |
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真圆度 |
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圆柱度 |
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线轮廓度 |
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面轮廓度 |
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关联要素 |
姿态公差 (定向公差) |
平行度 |
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垂直度 |
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倾斜度 |
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位置公差 |
位置度 |
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同轴度 |
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同心度 |
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对称度 |
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线轮廓度 |
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面轮廓度 |
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跳动公差 |
圆跳动 |
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全跳动 |
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几何公差符号一览(相关标准:ISO 5459)
用“理论正确尺寸(TED:Theoretically Exact Dimension)”标示几何公差(位置度、轮廓度、倾斜度)的思考方式。TED会用方框(□)围起理论正确尺寸,将与该位置相关的公差填入形体控制框。
理论尺寸,即理论正确尺寸,是指3D数据上提取的理论值尺寸。用于定义要素理论正确的几何形状、范围、位置与方向的线性或角度尺寸。
如下图所示,尺寸外面加方框的尺寸标注方式,即表达的是理论正确尺寸。
可使用TED定义的:
1、要素的公称形状与尺寸;
2、理论正确要素;
3、要素的局部位置与尺寸,包括局部被测要素;
4、被测要素的延伸长度;
5、两个或多个公差带的相对方向;
6、基准目标相对位置与方向,包含可移动基准目标;
7、公差带相对于基准或基准体系的相对位置与方向;
8、公差带宽度的方向;
需要注意一下,理论尺寸可以标注,也可以不标注,不标注时,一般图纸技术要求中都会增加一句好“未注尺寸参照3D数据”。每一个尺寸都包含公差,当实际应用理论尺寸时,需同时配备公差框来使用,即理论尺寸和形位公差需一起使用,单独的理论尺寸标注是不正确的。
进行如下图所示的位置指定时,尺寸公差标示的基准尺寸和公差均会成为尺寸公差的总和(累积公差),无法指定正确位置。而利用TED进行标示时,因其不附带公差,不会引发累积公差的问题。
利用尺寸公差进行指定
孔间距离最大为45.3
利用TED进行指定
孔间距离最大为45.1
在指定公差带时,真位置度理论会在公差值的中心,正确标示需要用TED管控的位置。要素为点时,公差带就是以该点为中心的圆形(a)或球形;要素为直线时,则公差带为以该直线个别正确离开公差值一半的平行二平面(b),或以该直线为中心的圆柱公差带(c)。
ISO 5459:2011定义如下所示。
位置(公差)及/或姿态(公差)的公差带,抑或是为了定义表现执行状态的理想要素,而选择的实际组成要素(1个以上)所适用的设定要素(1个以上)。
基准分为“基准要素”与“模拟基准要素”。还有组合2个以上的基准,指定要素的“基准体系”。
基准要素
用于设定基准的目标物实际要素(部件的表面、孔洞等)。
模拟基准要素
在设定基准时与基准要素相接,形状极其精密的实际表面(平板、轴承、心轴等)。
基准体系
为了设定带公差要素的基准,组合使用2个以上不同基准的基准组。标示为基准的部件的面,并不具备理想的形状。因此,必须将拥有更精密表面的平板、尺规、心轴等作为实用基准,进行接触。
基准可通过下列符号(基准符号)进行标注。基准符号由镂空或涂黑的三角形标注。而代表基准的英文字母必须与图纸的方向一致。
此外,作为对象的区域,会因图纸中基准符号的位置而异。为了严谨传达设计意图,请注意标示基准的位置。
将尺寸线与基准合并在一处,标示基准要素。标示的基准要素中心,将成为基准轴或基准中心平面。
标示时需错开基准要素的尺寸线与基准。标示的基准要素中心,将成为基准轴或基准中心平面。
几何公差用“形体控制框”标示。形体控制框中应包含下列要素。
国际标准与几何公差:伴随着企业活动的全球化,制图领域的国际标准化也在不断推进,各国也会参照国际标准,对本国规格进行定期修订。
图纸标准化的相关规定源于1938年的“泰勒原则”,该原则旨在借助尺寸公差,对螺丝嵌合的形状公差(形状偏差)进行管控。其后,美国、加拿大及英国也开始探讨形状及位置公差方面的管控标注,着手研究用几何公差方式替代传统的标注。
ISO 8015“独立原则”
除去有特殊要求的情形,标示的“尺寸公差”与“几何公差”互不干涉,独立发挥作用。
- “尺寸公差”不管控形状偏差。
- 形状偏差由“几何公差”负责管控。
- 长度尺寸公差需测量2点间距离。
虽然美国的标准化机构从ASA、ANSI转变成ASME,但无论哪种规格,都采用了“包容原则”。所谓包容原则,就是“对于已标示的带公差尺寸,若对象为尺寸要素,可同时管控几何特性”的思考方式。换言之,在ASME的规定中,并未像ISO那样分别指定尺寸公差与几何公差,而是在尺寸公差的标示中附带了几何公差的标示。
ASME Y14.5-2009“包容原则”
标示的“带公差尺寸”对大小尺寸同时实施几何特性管控。
随后在2009年开始采用“独立符号”。即在不适用包容原则时,借助原创符号进行独立原则等的适用,可见在标示方法上,ASME正在逐步向ISO靠拢。
SO与ASME都在以图纸的全球化为目标,积极采取各类整合措施。但是直到现在,两者使用的符号及标注方式仍存在不同之处。在读取/绘制图纸时必须多加注意。
ISO与ASME中的部分符号标注存在区别。伴随着两种规格的统一,今后可能还会发生变化,因此必须确认最新版的规格。
有时虽然标示相同,管控的具体内容却不尽相同。下面就是其中的一个例子,除此之外,还存在其他标示及思考方式上的区别。详情请参阅专业书籍等资料。
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