第二章机械设计基础 该章介绍了机械设计中所涉及的一些基础的、最常用的知识和标准,如“极限与配合”、 “形状与位置公差”及其应用、最新国家标准的“图样的表面结构表示法(粗糙度)”,以及机 械零件常用材料及其选择方法等。 §2-1极限与配合 为了组织规模生产,提高设计、制造和使用的效率和经济性,在装配时,从同一批零件 中任取一个,不经修配,不经分组或其他加工就能装配成产品,并能达到所规定的使用要求 这种性质称为互换性。互换性给产品设计、制造和使用维修带来很大的方便,已成为现代机械 制造业中一个普遍遵守的原则。为了完全满足互换性的要求,同一规格的零件的几何参数做得 完全一致是不可能的,因为加工误差总是存在的。在实际中只要求同一规格的零部件的几何参 数保持在一定的范围内变动,就能达到互换的目的,这个零件几何参数的允许范围就叫做公差。 极限 由于设备、工装夹具及测量误差等因素的影响,零件不可能制造得绝对准确。为了保证零 件的互换性,就必须对零件的尺寸规定一个允许的变动范围,这个变动范围就是通常所说的尺 寸公差。极限有关术语的含义如图2-1所示,为了讨论问题的方便,均把尺寸的变动作单边变 动来讨论。 +0.003 (a)孔零件图 (b)孔公差带示意图 (c)孔直径公差带图 图2-1尺寸公差与术语 1.基本尺寸基本尺寸是由设计者给定的尺寸,如图2-1a中的40mm。 2.实际尺寸实际尺寸是零件加工完毕后测量所得的尺寸。 3.极限尺寸极限尺寸是指允许尺寸变化的两个极限值。它以基本尺寸为基数来确定, 较大的一个尺寸为最大极限尺寸,如40003mm,它限定了实际尺寸的最大值;较小的一个为 最小极限尺寸,如39.987mm,它限定了实际尺寸的最小值
1 第二章 机械设计基础 该章介绍了机械设计中所涉及的一些基础的、最常用的知识和标准，如“极限与配合”、 “形状与位置公差”及其应用、最新国家标准的“图样的表面结构表示法（粗糙度）”，以及机 械零件常用材料及其选择方法等。 §2-1 极限与配合 为了组织规模生产，提高设计、制造和使用的效率和经济性，在装配时，从同一批零件 中任取一个，不经修配，不经分组或其他加工就能装配成产品，并能达到所规定的使用要求， 这种性质称为互换性。互换性给产品设计、制造和使用维修带来很大的方便，已成为现代机械 制造业中一个普遍遵守的原则。为了完全满足互换性的要求，同一规格的零件的几何参数做得 完全一致是不可能的，因为加工误差总是存在的。在实际中只要求同一规格的零部件的几何参 数保持在一定的范围内变动，就能达到互换的目的，这个零件几何参数的允许范围就叫做公差。 一、极限 由于设备、工装夹具及测量误差等因素的影响，零件不可能制造得绝对准确。为了保证零 件的互换性，就必须对零件的尺寸规定一个允许的变动范围，这个变动范围就是通常所说的尺 寸公差。极限有关术语的含义如图 2-1 所示，为了讨论问题的方便，均把尺寸的变动作单边变 动来讨论。 图 2-1 尺寸公差与术语 1．基本尺寸 基本尺寸是由设计者给定的尺寸，如图 2-1a 中的φ40mm。 2．实际尺寸 实际尺寸是零件加工完毕后测量所得的尺寸。 3．极限尺寸 极限尺寸是指允许尺寸变化的两个极限值。它以基本尺寸为基数来确定， 较大的一个尺寸为最大极限尺寸，如 40.003mm，它限定了实际尺寸的最大值；较小的一个为 最小极限尺寸，如 39.987mm，它限定了实际尺寸的最小值
4.尺寸偏差(简称偏差)某一尺寸减去其基本尺寸所得的代数差。尺寸偏差分为上偏 差(孔ES、轴es)和下偏差(孔EI、轴ei) 上偏差=最大极限尺寸一基本尺寸 下偏差=最小极限尺寸一基本尺寸 极限偏差其值可以为正、负或零。图2-1b中孔的ES=(40003-40)mm=+0.003mm El=(39987-40)mm=-0.013mm 实际偏差是实际尺寸与基本尺寸的代数差。实际偏差在上、下偏差之间,该尺寸合格 5.尺寸公差(简称公差)尺寸公差是允许零件尺寸的变动量。公差=最大极限尺寸一最 小极限尺寸或公差=上偏差一下偏差。如图2-1b中孔的公差=(40003-39987)mm=[+0.003 (-0.013)mm=0016mm,所以尺寸公差一定为正值。 6.零线在极限与配合图解中,零线是表示基本尺寸的一条直线,以其为基准确定偏差 和公差,即偏差值为0的一条基准直线。通常用基本尺寸起点的尺寸界线作为零线。一般零线 水平布置,位于零线之上的偏差值为正,位于零线之下的偏差值为负,如图2-1c所 尺寸公差带(简称公差带)由代表上、下偏差值的两条直线所限定的一个区域称为 公差带。公差带与零线构成的图形称为公差带图。图2-1a中d40孔的公差带图如图2-1c所示 公差带图能形象地表示公差带大小及其相对于零线的位置。 8.标准公差用以确定公差带大小的任一公差,它是由基本尺寸和公差等级所确定。国 家标准为了满足不同零件的要求,将标准公差分为20个等级,即ITO1、IT0、ITl、IT2、 IT8。IT代表标准公差,数字代表公差等级。公差等级反映尺寸精确程度。同一基本尺寸, 公差等级越高,则公差值越小,公差带越窄,即该尺寸的精确程度越高。 选用公差等级的原则是:在满足机器使用要求的前提下应尽量采用较低等级,以降低制 造成本。通常 IT01~IT1——用于精密量块和计量器具等的尺寸公差 IT2~IT5——用于精密零件的尺寸公差。 IT5~IT12用于有配合要求的一般机器零件的尺寸公差。 IT12~IT18用于不重要或没有配合要求的零件的尺寸公差。 基本偏差在极限与配合制中,标准公差确定公差带大小,但不能确定公差带相对于 零线的位置,如再知任一极限偏差,公差带图就能唯一确定。因此,一般把在公差带图中离零 线最近的那个极限偏差称为“基本偏差”,用以确定公差带相对于零线的位置。 基本偏差系列:公差带不同的位置就形成不同的基本偏差。根据机器中零件间结合关系的 不同要求,国家标准规定了28种基本偏差,这28种基本偏差就构成了基本偏差系列,每种基 本偏差都规定了相应的基本偏差代号。这28个基本偏差代号由26个拉丁字母去掉了容易相混 的I、L、O、Q、W5个字母,加入CD、EF、FG、JS、ZA、ZB、ZC七种组成。其中大写字
2 4．尺寸偏差（简称偏差） 某一尺寸减去其基本尺寸所得的代数差。尺寸偏差分为上偏 差（孔 ES、轴 es）和下偏差（孔 EI、轴 ei）。 上偏差=最大极限尺寸－基本尺寸 下偏差=最小极限尺寸－基本尺寸 极限偏差其值可以为正、负或零。图 2-1b 中孔的 ES = (40.003－40 ) mm = +0.003 mm， EI= (39.987－40 ) mm = －0.013 mm。 实际偏差是实际尺寸与基本尺寸的代数差。实际偏差在上、下偏差之间，该尺寸合格。 5．尺寸公差（简称公差） 尺寸公差是允许零件尺寸的变动量。公差=最大极限尺寸－最 小极限尺寸或公差=上偏差－下偏差。如图 2-1b 中孔的公差=（40.003－39.987) mm = [+0.003 －(－0.013)] mm = 0.016 mm，所以尺寸公差一定为正值。 6．零线 在极限与配合图解中，零线是表示基本尺寸的一条直线，以其为基准确定偏差 和公差，即偏差值为 0 的一条基准直线。通常用基本尺寸起点的尺寸界线作为零线。一般零线 水平布置，位于零线之上的偏差值为正，位于零线之下的偏差值为负，如图 2-1c 所示。 7．尺寸公差带（简称公差带） 由代表上、下偏差值的两条直线所限定的一个区域称为 公差带。公差带与零线构成的图形称为公差带图。图 2-1a 中φ40 孔的公差带图如图 2-1c 所示。 公差带图能形象地表示公差带大小及其相对于零线的位置。 8．标准公差 用以确定公差带大小的任一公差，它是由基本尺寸和公差等级所确定。国 家标准为了满足不同零件的要求，将标准公差分为 20 个等级，即 IT01、IT0、IT1、IT2、……、 IT18。IT 代表标准公差，数字代表公差等级。公差等级反映尺寸精确程度。同一基本尺寸， 公差等级越高，则公差值越小，公差带越窄，即该尺寸的精确程度越高。 选用公差等级的原则是：在满足机器使用要求的前提下应尽量采用较低等级，以降低制 造成本。通常： IT01～IT1——用于精密量块和计量器具等的尺寸公差。 IT2～IT5——用于精密零件的尺寸公差。 IT5～IT12——用于有配合要求的一般机器零件的尺寸公差。 IT12～IT18——用于不重要或没有配合要求的零件的尺寸公差。 9．基本偏差 在极限与配合制中，标准公差确定公差带大小，但不能确定公差带相对于 零线的位置，如再知任一极限偏差，公差带图就能唯一确定。因此，一般把在公差带图中离零 线最近的那个极限偏差称为“基本偏差”，用以确定公差带相对于零线的位置。 基本偏差系列：公差带不同的位置就形成不同的基本偏差。根据机器中零件间结合关系的 不同要求，国家标准规定了 28 种基本偏差，这 28 种基本偏差就构成了基本偏差系列，每种基 本偏差都规定了相应的基本偏差代号。这 28 个基本偏差代号由 26 个拉丁字母去掉了容易相混 的 I、L、O、Q、W5 个字母，加入 CD、EF、FG、JS、ZA、ZB、ZC 七种组成。其中大写字
母表示孔,小写字母表示轴,如图22所示 孔 排址我 图2-2基本偏差系列示意图 轴的基本偏差从a~h为上偏差,且为负值,其中h的上偏差为零。js在各级标准公差带 里完全对称地分布在零线的两侧,其基本偏差可以是上偏差(+IT/2)或下偏差(一IT2)。从 j到zc为下偏差,其中j为负值而k到zc为正值。k表示了两种不同位置的基本偏差,分别适 用于不同的公差等级。 孔和轴的基本偏差呈对称地分布在零线的两侧。图中公差带一端画成开口,表示不同公差 等级的公差带宽度有变化。 根据基本尺寸可以从有关标准中查得轴和孔的基本偏差数值,再根据给定的标准公差 可计算轴和孔的另一偏差 轴的另一偏差(上偏差es或下偏差ei) es=ei+IT或ei=es-IT 孔的另一偏差(上偏差ES或下偏差E ES=EI+IT或E=ES-IT 10.公差带代号公差带代号由“基本偏差代号”和“公差等级”组成,如F6,K6,门7等。 例如:H8、F7、K6等为孔的公差带代号:h7、门、k6等为轴的公差带代号。 11.公差等级的选择合理地选择公差等级,就是为了更好地解决机械零、部件的使用 要求与制造工艺术成本之间的矛盾。 (1)选择公差等级应首先满足使用要求,各个等级标准公差的应用范围没有严格的划分 表2-1为各公差等级的应用范围
3 母表示孔，小写字母表示轴，如图 2-2 所示。 图 2-2 基本偏差系列示意图 轴的基本偏差从 a～h 为上偏差，且为负值，其中 h 的上偏差为零。js 在各级标准公差带 里完全对称地分布在零线的两侧，其基本偏差可以是上偏差（+IT/2）或下偏差（－IT/2）。从 j 到 zc 为下偏差，其中 j 为负值而 k 到 zc 为正值。k 表示了两种不同位置的基本偏差，分别适 用于不同的公差等级。 孔和轴的基本偏差呈对称地分布在零线的两侧。图中公差带一端画成开口，表示不同公差 等级的公差带宽度有变化。 根据基本尺寸可以从有关标准中查得轴和孔的基本偏差数值，再根据给定的标准公差即 可计算轴和孔的另一偏差： 轴的另一偏差(上偏差 es 或下偏差 ei) es=ei+IT 或 ei=es－IT 孔的另一偏差(上偏差 ES 或下偏差 EI) ES=EI+IT 或 EI=ES－IT 10．公差带代号 公差带代号由“基本偏差代号”和“公差等级”组成，如 F6，K6，f7 等。 例如：H8、F7、K6 等为孔的公差带代号；h7、f7、k6 等为轴的公差带代号。 11．公差等级的选择 合理地选择公差等级，就是为了更好地解决机械零、部件的使用 要求与制造工艺术成本之间的矛盾。 (1) 选择公差等级应首先满足使用要求，各个等级标准公差的应用范围没有严格的划分。 表 2-1 为各公差等级的应用范围
表2-1公差等级的应用 公差等级(IT) 应用 量块 量规 配合尺寸 特别精密零件的 配合 非配合尺寸 (大制造公差) 原材料公差 (2)对于基本尺寸至500mm的配合,由于孔比轴加工困难,所以当公差等级较高(标 准公差≤IT8)时,国标规定选用异级(轴比孔高一级)配合,对于公差等级要求较低时,推 荐采用同级配合。 (3)在满足使用要求的前提下,尽量采用较大的公差值,以降低生产成本,同时也考虑 到工艺上的可行性。 公差等级与各种加工方法的关系如表22所示
4 表 2-1 公差等级的应用 公 差 等 级（IT） 应用 01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 量块 量规 配合尺寸 特别精密零件的 配合 非配合尺寸 （大制造公差） 原材料公差 （2）对于基本尺寸至 500mm 的配合，由于孔比轴加工困难，所以当公差等级较高（标 准公差≤IT8）时，国标规定选用异级（轴比孔高一级）配合，对于公差等级要求较低时，推 荐采用同级配合。 （3）在满足使用要求的前提下，尽量采用较大的公差值，以降低生产成本，同时也考虑 到工艺上的可行性。 公差等级与各种加工方法的关系如表 2-2 所示
表2-2各种加工方法的加工精度 公差等级(IT) 加工方法 131415161718 珩 圆磨 平磨 金刚石车 金刚石镗 铰孔 刨、插 滚压、挤压 冲压 压铸 粉末冶金成型 粉末冶金烧结 砂型铸造、气割 配 “基本尺寸”相同的相互结合的孔与轴(也包括非圆表面)公差带之间的关系称为配合。通 俗讲,配合就是指“基本尺寸”相同的孔与轴结合后的松紧程度,当孔的尺寸减去轴的尺寸所得 代数差为正值时为间隙,为负值时为过盈 1.配合的种类由于机器或部件在工作时有各种不同的要求,因此,零件间配合的松 紧程度也不一样。国家标准把配合分为三大类 (1)间隙配合“基本尺寸”相同的孔与轴结合时,孔的实际尺寸大于轴的实际尺寸的这 类配合称为间隙配合。它的特点是:孔与轴结合后,有间隙存在(包括最小间隙为零),二者 可作相对运动,属可动结合。孔的公差带始终位于轴的公差带上方,如图2-3所示
5 表 2-2 各种加工方法的加工精度 公 差 等 级（IT） 加工方法 01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 研 磨 珩 磨 圆 磨 平 磨 金刚石车 金刚石镗 拉 削 铰 孔 车 镗 铣 刨、插 钻 孔 滚压、挤压 冲 压 压 铸 粉末冶金成型 粉末冶金烧结 砂型铸造、气割 锻 造 二、配合 “基本尺寸”相同的相互结合的孔与轴（也包括非圆表面）公差带之间的关系称为配合。通 俗讲，配合就是指“基本尺寸”相同的孔与轴结合后的松紧程度，当孔的尺寸减去轴的尺寸所得 代数差为正值时为间隙，为负值时为过盈。 1．配合的种类 由于机器或部件在工作时有各种不同的要求，因此，零件间配合的松 紧程度也不一样。国家标准把配合分为三大类： （1）间隙配合 “基本尺寸”相同的孔与轴结合时，孔的实际尺寸大于轴的实际尺寸的这 类配合称为间隙配合。它的特点是：孔与轴结合后，有间隙存在（包括最小间隙为零），二者 可作相对运动，属可动结合。孔的公差带始终位于轴的公差带上方，如图 2-3 所示