淺談機械精度設計

在加工零部件的過程中，不可避免地會產生不同程度的尺寸偏差、表面形狀偏差、位置偏差以及微觀不平度，這些偏差過大，將影響零件間的配合性質，降低工件質量，并且不利于零件的互換與維修。因此在設計機械時，除了進行運動分析、結構設計、強度和剛度計算外，還必須進行精度設計一一合理地選擇公差。所謂精度設計，即公差設計，就是按照機械使用性能的要求，兼顧制造成本的限制，合理地確定零部件的公差，并用監測手段保證其貫徹執行。

機械精度設計是機械設計的重要內容（領域）之一。隨著社會的進步和科技水平的提高，機器被賦予越來越高的功能要求、可靠性要求、經濟性要求、環境要求及壽命要求。因此，人們意識到了一個超越于機械原理與設計、質量管理與控制學、材料學、制造工藝學等許多學科之外，并以信息技術、實驗技術為基礎的新的分支，這就是機械精度設計。

1.機械精度設計的內容

機械精度設計是以實際參數對設計參數的變動以及實際參數自身的變動對機器功能和機器制造使用成本的影響為研究對象，以保證機器預定功能的實現、保持機器預定功能的穩定性，并獲得最大綜合效益為目的工作過程。

機械設計最終是以機器機構設計為其表達形式，而機器結構必然會體現一定的功能，這些功能必須與機器的預定功能、壽命及預定成本相一致。機器結構的功能基本上可以分為運動功能和動力功能兩個方面，適應與這兩個方面的設計稱為運動設計和動力設計。反過來，這些功能又要通過結構來實現。結構的準確程度在很大程度上決定了運動和動力的準確程度。確切地說，機械的結構設計是基本設計，機械精度設計是針對機器結構中需要注意結構參數微小變化部分的設計。這個“微小變化”為：①“微小變化”的量是在制造誤差數量級；②“微小變化可能造成機器功能參數不可容忍的改變；③“微小變化”密切關聯著制造成本。

2.機器精度設計的基本原則

雖然機器的種類繁多，但做為機械設計的重要組成部分――機械精度設計，同樣也需要遵循一些原則。

2.1功能保證原則

以上的敘述已闡明了功能的含義，它是機器精度設計的出發點和歸宿。

2.2互換性原則

互換性是指某一產品（包括零件、部件等）與另一產品功能能夠彼此互相替換的性能。要使產品能夠滿足互換性的要求，就要使產品的幾何參數（包括尺寸、宏觀幾何形狀）和物理參數（機械性能、理化性能等）充分相似。機械零件幾何參數的互換性，是指同種零件在幾何參數方面，能夠彼此互相替換的性能。機械零件的形體千差萬別，僅從一些典型零件來看，就有圓柱形、圓錐形、單鍵、螺紋、齒輪等等，雖然其形體各異，但它們都是由一些點、線、面等幾何要素構成。零件制造中由于在“機床-刀具-夾具-工件”組成的工藝系統有誤差存在，致使尺寸、幾何要素之間的相互位置，線與面的宏觀幾何形狀，表面的微觀幾何形狀或多或少地出現誤差，這些誤差被稱為尺寸誤差、位置誤差、形狀誤差和表面粗糙度。為了實際機械零件幾何參數的互換性，就必須按照一定的要求，把這些幾何參數的誤差限制在相應的尺寸公差、位置公差、形狀公差和表面粗糙度要求的范圍內。從設計上看，選用具有互換性的標準化零、部件，可以使設計簡化。從制造上看，可以使零、部件分別制造、集中制造，有利于采用成組技術，批量的擴大有利于降低成本和保證質量；可以使裝配采用高效、先進的方法，提高裝配效率，保證裝配質量。從使用上看，互換性可以使用戶更換零、部件或修理更方便，從而提高了機器的使用性。互換性是現代生產所應遵循的一項基本原則，當然也是精度設計時優先選用的原則。

2.3經濟性原則

經濟性原則是一切設計工作都要遵循的一條基本原則，機器精度設計時要作到的是：（1）達到精度要求的加工工藝性較好，易于組織生產，節省工時，降低管理費用。一般情況下，人們對于結構工藝性通常較重視，而忽視了精度設計工藝。（2）合理的精度要求，避免多余功能和不必要的機器功能波動限制。（3）合理確定互換性程度，以降低對零件的加工精度要求，從而達到降低機器成本的目的。（4）注意精度儲備，以保證機器的使用壽命。

2.4匹配性原則

在對整機（或機構、結構）進行精度分析時，若機器中各部分、各環節對機器預定功能影響程度不同，應分別提出不同的精度要求，也就是說，要進行恰當的精度分配。精度匹配的原則是：若影響程度相同或基本相同，精度分配時，應使達到各部分，各環節精度的工藝難易程度大致相同，即作到工藝等價。某一重要零件、部件或重要表面的精度確定后，與其關聯的零、部件或表面的精度，以不致于對其精度產生影響為原則，即作到精度協調。例如，一般機械，運動鏈中的各環節要求精度高，應當設法使這些環節保持足夠的精度。對于其它環節，則應根據不同的要求分配不同的精度。

3.結語

機器精度的四項基本原則中，功能保證原則是從機器存在意義角度提出的；互換性原則是從社會生產經濟性角度提出的；經濟性原則是從具體生產對象的經濟性角度提出的；匹配性原則既是生產對象設計過程的經濟性原則，又是生產對象設計過程中所應遵循的技術原則。任何加工方法都不可能沒有誤差，而零件幾何要素的誤差都會影響其功能要求的實現，公差的大小又與制造經濟性和產品和使用壽命密切相關。因此，精度設計是機械零件設計的重要組成部分。