公差与表面粗糙度
重庆五一高级技工学校
张强
摘要：随着现代制造技术的高速发展，运用到制造业当中的设备也越来越多，精度越来越高，而制造业也需要更多更先进的设备来满足发展。但是无论加工技术怎么发展，怎么改进，它们都有一个共同的目标，那就是：提高机械零件的质量。本文浅析了公差、表面粗糙度以及二者的数值关系。
公差
公差分为尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度。
现代技术对零件尺寸精度的要求越来越严格。而且，目前许多零件是有散布在各地的不同厂家生产的，因此必须对这些零件的尺寸和生产做出严格的规定，以保证它们具有互换性。 所谓互换性是指：在制成同一规格的零部件中，不需要任何的挑选、调整或修配，装配到部件和机器上，就能完全达到规定的性能和要求。互换性是现代化生产的重要技术经济原则，要求对同一种零件的形状精度，尺寸精度，性能等规定一个统一的标准使其这产品标准化。 标准化是互换性的前提。
要求生产零件尺寸应在一个规定的区间内变动，以保证它们具有互换性的技术称为公差技术。公差是零件具有互换性的保证。允许每个尺寸在规定范围内具有一定的变动量，称为公差。例如，一个零件的尺寸可以被表示为30±0.2，其公差（尺寸变动量）为0.4mm 。 在不影响零件工作性能和工作要求的情况下，应当给予尺寸尽可能较大的公差，这样可把生产成本降至最低。制造成本会随之公差的降低而升高。
尺寸公差有三种表示方式：
1、单向：当只允许尺寸向基本尺寸的单一方向（变大或者变小）的变动时，就称为单向公差。
2、双向：当尺寸可以在基本尺寸的两个方向（变大和变小）都可以变动时，就称为双向公差。
3、极限方式：当然公差也可以用极限形式给出，表示零件轮廓的最大和最小尺寸。
公差在图样上可以采用以上三种不同的标注方式。在单向制中，一个极限偏差是零，另一个极限偏差就是尺寸允许的全部变动量。在双向制中尺寸标注中，采用平均尺寸和在其正负两个方向上的变动量来表示。
一些与公差有关的术语和定义如下：
公差：为某个尺寸所规定的上限与下限的差值。
形状公差：在机械加工中，单一实际要素的形状所允许的变动全量。
位置公差：关联被测要素对基准在方向和位置上所允许的变动全量。
基本尺寸：设计时给定的尺寸称为基本尺寸，是计算极限尺寸和偏差的起始尺寸。
尺寸偏差：孔的尺寸或者轴的尺寸减去基本尺寸所得的代数差称为尺寸偏差（简称偏差）。 上偏差：零件的最大极限尺寸减去其基本尺寸所得的差值。
下偏差：零件最小极限尺寸减去其基本尺寸所得的差值。
实际尺寸：通过实际测量所得出的尺寸，称为实际尺寸。
配合：是指基本尺寸相同的、相互结合的孔和轴公差带之间的位置关系，根据装配在一起的零件之间的松紧程度。可以把配合分为三类：间隙配合，过盈配合，过渡配合。 间隙配合：两个装配在一起的配件之间有间隙（包括最小间隙等于零）的配合。 过盈配合：两个装配在一起的零件之间有过盈（包括最小过盈等于零）的配合。 过渡配合：两个装配在一起的零件之间同时存在间隙和过盈的配合。
选择装配：通过手工试配来选择并装配零件的方法。通过这种方法，可以装配在较低的成本下制造出来的公差较大的零件。它可以作为高的制造精度和易于装配的零件之间的一种折中的方法。
基孔制：基孔制配合是指基本偏差为一定的孔的公差带，与不同基本偏差的轴的公差带形成各种配合的一种制度。当采用标准的钻头、铰刀和机床对孔进行精度加工时，基孔制系统是非常有效的。采用最小的孔的尺寸作为基本尺寸是因为孔的尺寸可以通过机械加工变大，但不能减小。
当轴可以按照非常的高精度的标准尺寸提供时，采用基轴制是适用的。计算公差和余量时，采用轴的最大直径作为基本尺寸。这是因为轴可以通过加工变成较小的尺寸，但基本尺寸不能增加。
标准公差（IT ）等级：一系列随基本尺寸变化，且在规定等级内提供均匀精度的公差。标准公差共有20个IT 等级：IT01，IT0，IT1，… ,IT18. 其中IT01级最高，IT18级最低，IT01～IT11级是配合公差等级，IT12～IT18级为非配合公差等级，从IT01到IT18，公差数值依次增大，精度等级依次降低，加工业越来越易。
公差符号：符号给出了公差和配合的技术要求，基本尺寸是一个数字，后面跟着表示基本偏差的字母和表示IT 等级的数字。它们共同决定公差带的大小和位置。大写字母代表孔的基本偏差，小写字母代表轴的基本偏差。
表面粗糙度
表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm 以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，因此对其大小必须精确地加以规定，表面形貌是表面上的差异，包括粗糙度、波度、加工纹理方向和缺陷。
粗糙度：有用来使工件表面光洁的加工工艺所造成的最细微的表面不平度。表面粗糙度的高度采用微米和微英寸进行测量。
波度：是超过粗糙度宽度的界限的大间隔偏差，采用英寸和毫米测量。可将粗糙度看作叠加在波度表面上的表面不平度。
加工纹理方向：由所采用的加工方法所产生的表面刀痕图案的方向。
缺陷：不经常出现或者在很大区间内才会出现的表面瑕疵，其包括裂纹、气孔、微细裂纹、划痕等。缺陷的影响通常在粗糙度的高度测量中被忽略。
一、表面粗糙度的产生原因：在加工过程中，由于刀具和制作表面的摩擦，切削和压制时产生的塑性变形，以及工艺系统中高频振动等因素的作用，使被加工表面产生微观几何变形。
二、表面粗糙度的选择原则：
1、 在满足表面的工作情况下尽量选择大值。
2、 同一零件上，工作表面粗糙度值小于非工作表面粗糙度值。
3、 摩擦表面粗糙度值小于非摩擦表面粗糙度值。
4、 受循环负荷的表面及易引起应力集中，表面粗糙度值要小。
5、 配合性质稳定性要求较高的结合面，粗糙度值要小。
6、 配合性质相同，零件尺寸越小表面粗糙度值越小，同一公差等级小尺寸比大尺寸的粗糙
度小，轴比孔的粗糙度值小。
尺寸公差、形位公差、表面粗糙度的数值关系
1、形状公差与尺寸公差的数值关系：
当尺寸精度确定后形状公差将有一个适当的数值对应。尺寸公差的精度越高，形状公差与尺寸公差的比例越小。一般以尺寸公差值的%50作为形状公差值。
2、形状公差与位置公差的数值关系：
在一般情况下给定位置公差就不在给形状公差。当有特殊要求时可以同时标注出形状公差和位置公差，但标注的形状公差值要小于所标注的位置公差值。
3、形状公差与表面粗糙度的关系：
以上二者无直接联系，但在一定的加工条件下也有有一定的比例关系。一般精度的表面粗糙度是形状公差的1/5～1/4。为保证形状公差，应适当限制相应表面粗糙度高度参数的最大允许值。
从以上三者的关看，设计者在设计时要协调处理好三者的数值关系，在标注图样上的公差时应遵循：给定同一表面的粗糙度应小于其形状公差值，而形状公差值应小于其位置公差值，位置公差值应小于其尺寸公差值。否则会给后续的制造加工时带来种种麻烦。 公差对设计的影响
图样是制造机器零件的依据。因此，从事制造业的工作人员都要正确的理解应用于整个生产过程的图样的含义。
设计图样中模糊不清的地方会引起许多混乱和经济损失。在拟订公差时，设计人员必须充分认识到，要完全达到其设计目的，图样上必须包含所需要的信息。因而，图样上必须给出全部信息，并且尽可能的简单明了。图样中的每个部分都应该能被大家所理解。图样中所表示的含义对于所有使用它的人员（设计，采购，刀具设计，生产，检验，装配和维修部门）来说都应该是唯一的。
每位设计人员都非常清楚，如果零件都以较小的公差来加工制造，则产品的成本就会迅速增加。因此，设计师们需要不断的改进，要采用尽可能大的公差。要是产品以较低的价格被生产出来并满足设计要求，规定适当的加工公差是最为重要的工作。公差的大小是由设计人员所确定的，它取决于许多与设计有关的条件以及过去在设计类似产品时所获得的经验。 机械加工中出现的误差原因
在机械制造中，显然尽可能保持稳定的生产条件，但是加工后获得的尺寸任然不可避免地出现误差。在完全相同的制造过程中，按某一指定尺寸加工一批零件，加工后所得的尺寸却并完全相同。一般将产生这种现象的原因分两大类：系统原因和随机原因。
系统原因：生产过程中某些因素的微小变动可以引起尺寸变化。原材料性能的微小变化可以引起尺寸变化。刀具受到磨损并且需要重新安装。速度、润滑剂、切削温度、操作人员以及其他条件都会发生变化。通过分析研究，一般可以找出这些原因并可以采取相应的步骤来消除它。
随机原因：另一方面随机原因的出现是具有偶然性的。它们是由一些既无法确定又不能控制的力所造成的。它们是生产过程的固有误差，即使尽可能地保持所有条件完全一致，它们仍然不可避免的存在。
当依次检查由系统原因造成的误差，并且将其逐一排除后，即可达到理想的稳定状态或控制状态。如果随机原因对尺寸变化的影响过大，一般需要采用更精密的加工设备，要比花费更多精力来改变生产过程更为有效。
小结
在企业工作的设计师总要面对这样一个事实，即任何两个机器零件都不能制造得完全相同。他知道在设计中必须考虑重复生产中所产生的微小尺寸差异，在图样上标注合适的公差，将尺寸的变化限制在允许的范围内。加工后的零件的外形轮廓必须位于公差规定的区域内。只有采用适当的公差才可以保证产品的功能和使用寿命方面都能达到预期的目标。
参考文献
[1]《车工工艺学》重庆市劳动和社会保障局职业技能开发处，重庆市技工教育研究室2004。
[2]杨小刚 张红主编《公差配合与技术测量》[M]，西南师范大学出版社。
[3]邹吉权主编《公差配合与技术测量》[M]，重庆大学出版社。
公差与表面粗糙度
重庆五一高级技工学校
张强
摘要：随着现代制造技术的高速发展，运用到制造业当中的设备也越来越多，精度越来越高，而制造业也需要更多更先进的设备来满足发展。但是无论加工技术怎么发展，怎么改进，它们都有一个共同的目标，那就是：提高机械零件的质量。本文浅析了公差、表面粗糙度以及二者的数值关系。
公差
公差分为尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度。
现代技术对零件尺寸精度的要求越来越严格。而且，目前许多零件是有散布在各地的不同厂家生产的，因此必须对这些零件的尺寸和生产做出严格的规定，以保证它们具有互换性。 所谓互换性是指：在制成同一规格的零部件中，不需要任何的挑选、调整或修配，装配到部件和机器上，就能完全达到规定的性能和要求。互换性是现代化生产的重要技术经济原则，要求对同一种零件的形状精度，尺寸精度，性能等规定一个统一的标准使其这产品标准化。 标准化是互换性的前提。
要求生产零件尺寸应在一个规定的区间内变动，以保证它们具有互换性的技术称为公差技术。公差是零件具有互换性的保证。允许每个尺寸在规定范围内具有一定的变动量，称为公差。例如，一个零件的尺寸可以被表示为30±0.2，其公差（尺寸变动量）为0.4mm 。 在不影响零件工作性能和工作要求的情况下，应当给予尺寸尽可能较大的公差，这样可把生产成本降至最低。制造成本会随之公差的降低而升高。
尺寸公差有三种表示方式：
1、单向：当只允许尺寸向基本尺寸的单一方向（变大或者变小）的变动时，就称为单向公差。
2、双向：当尺寸可以在基本尺寸的两个方向（变大和变小）都可以变动时，就称为双向公差。
3、极限方式：当然公差也可以用极限形式给出，表示零件轮廓的最大和最小尺寸。
公差在图样上可以采用以上三种不同的标注方式。在单向制中，一个极限偏差是零，另一个极限偏差就是尺寸允许的全部变动量。在双向制中尺寸标注中，采用平均尺寸和在其正负两个方向上的变动量来表示。
一些与公差有关的术语和定义如下：
公差：为某个尺寸所规定的上限与下限的差值。
形状公差：在机械加工中，单一实际要素的形状所允许的变动全量。
位置公差：关联被测要素对基准在方向和位置上所允许的变动全量。
基本尺寸：设计时给定的尺寸称为基本尺寸，是计算极限尺寸和偏差的起始尺寸。
尺寸偏差：孔的尺寸或者轴的尺寸减去基本尺寸所得的代数差称为尺寸偏差（简称偏差）。 上偏差：零件的最大极限尺寸减去其基本尺寸所得的差值。
下偏差：零件最小极限尺寸减去其基本尺寸所得的差值。
实际尺寸：通过实际测量所得出的尺寸，称为实际尺寸。
配合：是指基本尺寸相同的、相互结合的孔和轴公差带之间的位置关系，根据装配在一起的零件之间的松紧程度。可以把配合分为三类：间隙配合，过盈配合，过渡配合。 间隙配合：两个装配在一起的配件之间有间隙（包括最小间隙等于零）的配合。 过盈配合：两个装配在一起的零件之间有过盈（包括最小过盈等于零）的配合。 过渡配合：两个装配在一起的零件之间同时存在间隙和过盈的配合。
选择装配：通过手工试配来选择并装配零件的方法。通过这种方法，可以装配在较低的成本下制造出来的公差较大的零件。它可以作为高的制造精度和易于装配的零件之间的一种折中的方法。
基孔制：基孔制配合是指基本偏差为一定的孔的公差带，与不同基本偏差的轴的公差带形成各种配合的一种制度。当采用标准的钻头、铰刀和机床对孔进行精度加工时，基孔制系统是非常有效的。采用最小的孔的尺寸作为基本尺寸是因为孔的尺寸可以通过机械加工变大，但不能减小。
当轴可以按照非常的高精度的标准尺寸提供时，采用基轴制是适用的。计算公差和余量时，采用轴的最大直径作为基本尺寸。这是因为轴可以通过加工变成较小的尺寸，但基本尺寸不能增加。
标准公差（IT ）等级：一系列随基本尺寸变化，且在规定等级内提供均匀精度的公差。标准公差共有20个IT 等级：IT01，IT0，IT1，… ,IT18. 其中IT01级最高，IT18级最低，IT01～IT11级是配合公差等级，IT12～IT18级为非配合公差等级，从IT01到IT18，公差数值依次增大，精度等级依次降低，加工业越来越易。
公差符号：符号给出了公差和配合的技术要求，基本尺寸是一个数字，后面跟着表示基本偏差的字母和表示IT 等级的数字。它们共同决定公差带的大小和位置。大写字母代表孔的基本偏差，小写字母代表轴的基本偏差。
表面粗糙度
表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm 以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度的大小，对机械零件的使用性能有很大的影响，因此对其大小必须精确地加以规定，表面形貌是表面上的差异，包括粗糙度、波度、加工纹理方向和缺陷。
粗糙度：有用来使工件表面光洁的加工工艺所造成的最细微的表面不平度。表面粗糙度的高度采用微米和微英寸进行测量。
波度：是超过粗糙度宽度的界限的大间隔偏差，采用英寸和毫米测量。可将粗糙度看作叠加在波度表面上的表面不平度。
加工纹理方向：由所采用的加工方法所产生的表面刀痕图案的方向。
缺陷：不经常出现或者在很大区间内才会出现的表面瑕疵，其包括裂纹、气孔、微细裂纹、划痕等。缺陷的影响通常在粗糙度的高度测量中被忽略。
一、表面粗糙度的产生原因：在加工过程中，由于刀具和制作表面的摩擦，切削和压制时产生的塑性变形，以及工艺系统中高频振动等因素的作用，使被加工表面产生微观几何变形。
二、表面粗糙度的选择原则：
1、 在满足表面的工作情况下尽量选择大值。
2、 同一零件上，工作表面粗糙度值小于非工作表面粗糙度值。
3、 摩擦表面粗糙度值小于非摩擦表面粗糙度值。
4、 受循环负荷的表面及易引起应力集中，表面粗糙度值要小。
5、 配合性质稳定性要求较高的结合面，粗糙度值要小。
6、 配合性质相同，零件尺寸越小表面粗糙度值越小，同一公差等级小尺寸比大尺寸的粗糙
度小，轴比孔的粗糙度值小。
尺寸公差、形位公差、表面粗糙度的数值关系
1、形状公差与尺寸公差的数值关系：
当尺寸精度确定后形状公差将有一个适当的数值对应。尺寸公差的精度越高，形状公差与尺寸公差的比例越小。一般以尺寸公差值的%50作为形状公差值。
2、形状公差与位置公差的数值关系：
在一般情况下给定位置公差就不在给形状公差。当有特殊要求时可以同时标注出形状公差和位置公差，但标注的形状公差值要小于所标注的位置公差值。
3、形状公差与表面粗糙度的关系：
以上二者无直接联系，但在一定的加工条件下也有有一定的比例关系。一般精度的表面粗糙度是形状公差的1/5～1/4。为保证形状公差，应适当限制相应表面粗糙度高度参数的最大允许值。
从以上三者的关看，设计者在设计时要协调处理好三者的数值关系，在标注图样上的公差时应遵循：给定同一表面的粗糙度应小于其形状公差值，而形状公差值应小于其位置公差值，位置公差值应小于其尺寸公差值。否则会给后续的制造加工时带来种种麻烦。 公差对设计的影响
图样是制造机器零件的依据。因此，从事制造业的工作人员都要正确的理解应用于整个生产过程的图样的含义。
设计图样中模糊不清的地方会引起许多混乱和经济损失。在拟订公差时，设计人员必须充分认识到，要完全达到其设计目的，图样上必须包含所需要的信息。因而，图样上必须给出全部信息，并且尽可能的简单明了。图样中的每个部分都应该能被大家所理解。图样中所表示的含义对于所有使用它的人员（设计，采购，刀具设计，生产，检验，装配和维修部门）来说都应该是唯一的。
每位设计人员都非常清楚，如果零件都以较小的公差来加工制造，则产品的成本就会迅速增加。因此，设计师们需要不断的改进，要采用尽可能大的公差。要是产品以较低的价格被生产出来并满足设计要求，规定适当的加工公差是最为重要的工作。公差的大小是由设计人员所确定的，它取决于许多与设计有关的条件以及过去在设计类似产品时所获得的经验。 机械加工中出现的误差原因
在机械制造中，显然尽可能保持稳定的生产条件，但是加工后获得的尺寸任然不可避免地出现误差。在完全相同的制造过程中，按某一指定尺寸加工一批零件，加工后所得的尺寸却并完全相同。一般将产生这种现象的原因分两大类：系统原因和随机原因。
系统原因：生产过程中某些因素的微小变动可以引起尺寸变化。原材料性能的微小变化可以引起尺寸变化。刀具受到磨损并且需要重新安装。速度、润滑剂、切削温度、操作人员以及其他条件都会发生变化。通过分析研究，一般可以找出这些原因并可以采取相应的步骤来消除它。
随机原因：另一方面随机原因的出现是具有偶然性的。它们是由一些既无法确定又不能控制的力所造成的。它们是生产过程的固有误差，即使尽可能地保持所有条件完全一致，它们仍然不可避免的存在。
当依次检查由系统原因造成的误差，并且将其逐一排除后，即可达到理想的稳定状态或控制状态。如果随机原因对尺寸变化的影响过大，一般需要采用更精密的加工设备，要比花费更多精力来改变生产过程更为有效。
小结
在企业工作的设计师总要面对这样一个事实，即任何两个机器零件都不能制造得完全相同。他知道在设计中必须考虑重复生产中所产生的微小尺寸差异，在图样上标注合适的公差，将尺寸的变化限制在允许的范围内。加工后的零件的外形轮廓必须位于公差规定的区域内。只有采用适当的公差才可以保证产品的功能和使用寿命方面都能达到预期的目标。
参考文献
[1]《车工工艺学》重庆市劳动和社会保障局职业技能开发处，重庆市技工教育研究室2004。
[2]杨小刚 张红主编《公差配合与技术测量》[M]，西南师范大学出版社。
[3]邹吉权主编《公差配合与技术测量》[M]，重庆大学出版社。