互换性与技术测量基础

互换性与技术测量晏俊2014.08第一章绪论1.1互换性与公差的概念1.2标准化与优先数1.3本课程的研究对象及任务1.1互换性与公差的概念互换性与测量技术基础。它将互换性原理、标准化生产原理、几何量计量测试等相关知识结合在一起，涉及机械及其零件的设计、制造、维修、质量控制和生产管理等多方面技术问题。1.1.1互换性的概念1.1.2公差的概念1.1.3互换性在机械制造中的作用1.1.1互换性的概念互换性在日常生活中随处可见。举例：机器上的螺钉、灯泡，自行车、缝纫机、钟上的零部件，损坏后可以更换。机械示例机器人空中客车A380钟表缝纫机制造业生产中，经常要求产品的零部件具有互换性零件与装配1.1.1互换性的概念广义上说，互换性是指一种产品、过程或服务能够代替另一种产品、过程或服务，且能满足同样要求的能力。互换性是机器和仪器制造行业中产品设计和制造的重要原则。在现代化生产中，一般应遵守互换性原则。1.定义：同一规格的一批零部件，任取其一，不需任何挑选或修理就能装在机器上，并能满足其使用功能要求。2.互换性包括：几何参数、机械性能和理化性能方面的互换性。本课程仅讨论几何参数的互换。包括尺寸大小、几何形状以及相互位置的关系；几何量误差（尺寸、形状、位置、表面微观形状误差）。3.互换性分类：按互换程度分  —— 完全互换性简称互换性，厂际协作时采用 特点：不限定互换范围，以零部件装配或更换时不需要挑选或修配为条件。 ——不完全互换性有限互换性，同厂制造和装配时采用。特点：因特殊原因，只允许零件在一定范围内互换。对标准部件或机构互换性又可分为——内互换性部件或机构内部组成零件间的互换性——外互换性部件或机构与其相配合件间的互换性1.1.1互换性的概念例：滚动轴承（标准件）内互换性外互换性1.1.2公差的概念任何一台机器的设计，除了运动、结构设计、强度、刚度计算外，还要进行精度设计。研究机器的精度时，要处理好机器的使用要求与制造工艺的矛盾。解决的方法是规定合理的公差，并用检测手段保证其贯彻实施。用公差来控制误差，保证零件的互换性。若制成的一批零件实际尺寸数值=理论值，即这些零件完全相同，虽具有互换性，但在生产上不可能，且没有必要。而只要求制成零件的实际参数值变动不大，保证零件充分近似即可。要使零件具有互换性，就应按“公差”制造。公差：控制几何参数的技术规定就称“公差”，实际参数允许的最大变动量。设计者要正确地确定公差，并在图样上标注。在满足功能要求的条件下，公差尽量规定得大些，以提高技术经济效益。 加工误差与公差尺寸误差宏观几何形状误差相互位置误差表面粗糙度加工误差问题：加工误差与公差的区别与联系区别：误差在加工过程中产生，公差由设计人员确定联系：公差是误差的最大允许值几何量的测量有了先进的公差标准，还必须有相应的技术测量措施。技术测量研究的问题： （1）统一计量单位：用什么单位计量；量值的传递。 （2）研究测试理论：制定计量标准、设计计量器具、培训计量人员。1.1.2公差的概念几何量的检测完工后的零件是否满足公差要求，要通过检测加以判断。检测包含检验与测量。检验是确定零件的几何参数是否在规定的极限范围内，并作出合格性判断，而不必得出被测量的具体数值；测量是将被测量与作为计量单位的标准量进行比较，以确定被测量的具体数值的过程。意义：检测不仅用来评定产品质量，而且用于分析产生不合格品的原因，及时调整生产，监督工艺过程，预防废品产生。检测是机械制造的“眼睛”。产品质量的提高，除设计和加工精度的提高外，往往更有赖于检测精度的提高。合理地确定公差与正确进行检测，是保证产品质量、实现互换性生产的两个必不可少的条件和手段。1.1.3互换性在机械制造中的作用在设计方面——有利于最大限度采用通用件和标准件，大大简化绘图和计算工作，缩短设计周期。便于计算机辅助设计和产品品种的多样化。加速产品更新换代。 在制造方面——有利于组织专业化生产，采用先进工艺、高效率的专用设备和CAM技术，提高生产效率、提高产品质量和降低生产成本。 在使用、维修方面——可以减少机器的维修时间和费用，保证机器能连续持久的运转。提高了效率和机器的使用价值。在现代机械制造中贯彻互换性原则课堂练习(1)判断题1.为了使零件具有完全互换性，必须使各零件的几何尺寸完全一致。×2.互换性要求零件具有一定的精度。√3.凡是合格的零件一定具有互换性。×4.同厂制造和装配时，可采用不完全互换性。√1.2标准化与优先数标准化的发展史是与制造业的发展史相对应的，它是社会生产劳动的产物。萌芽期：公元前200年－青铜弩机。初期：开始于兵器制造业，前苏联1760年至1770年的土里斯基兵工厂；1902英国纽瓦尔公司（极限表）；英国标准B.S.27(1906)；1931年的沈阳兵工厂和1937年的金陵兵工厂。现代期：ISA标准(1926)，ISO标准(1947)，超出了机械工业的范畴，扩大到了其他行业（如微电子行业）。1.2.1标准与标准化的概念1.2.2优先数和优先数系青铜弩机弩机主要由弩弓和弩臂两部分组成的。弓上装弦，臂上装弩机，两者配合而发矢。一般弩机是装置在木弩的后部，四周有“郭”，“郭”中有“牙”，可以钩住弓弦；“郭”上有“望山”作为瞄准器，“牙”下连结有“悬刀”，作为扳机；发射时把“悬刀”一扳，“牙”就缩下，“牙”所钩住的弦就弹击，有力地把矢射出。在当时社会条件较差的情况下，能制造这种弩机，是中国古代科技史上的一个伟大发明创造。远程射击武器国际标准化组织（ISO）在国际上，为了促进世界各国在技术上的统一，成立了国际标准化组织（简称ISO）和国际电工委员会（简称IEC），由这两个组织负责制定和颁发国际标准。ISO9000系列标准的颁发，使世界各国的质量管理和质量保证的原则、方法和程序，都统一在国际标准的基础之上。我国于1978年恢复参加ISO组织后。陆续修订了自己的标准。修订的原则是，在立足我国生产实际的基础上向ISO靠拢，以利于加强我国在国际上的技术交流和产品互换。1.2.1标准与标准化的概念现代化工业生产的特点是规模大，协作单位多，互换性要求高，为了正确协调各生产部门和准确衔接各生产环节，必须有一种协调手段，使分散的局部的生产部门和生产环节保持必要的技术统一，成为一个有机的整体，以实现互换性生产。标准与标准化正是联系这种关系的主要途径和手段，对零件的加工误差及其控制范围所制订的技术标准称“极限与配合”标准，它是实现互换性的基础。1.2.1标准与标准化的概念标准定义：标准是对重复性事物和概念所做的统一规定，也就是一种规矩。它以科学、技术和实践经验的综合成果为基础，经有关方面协商一致，由主管机构批准，以特定形式发布，作为共同遵守的准则和依据(GB3935.1—83)标准内涵：（1）是一种为大家共同遵守的“技术依据”或“技术规范”、“规定”。（2）也可以是一种实物标准、计量标准、标准样品。（3）研究对象必须是具有可重复性特征的事物及概念。（4）是协商的产物，涉及到不同部门不同阶层的利益。1.2.1标准与标准化的概念标准化：是指标准的制定、发布贯彻实施的全部过程。标准化是以标准的形式体现的，也是一个不断循环、不断提高的过程。标准化是社会化生产的重要手段，是联系设计、生产和使用方面的纽带，是科学管理的重要组成部分。标准化对于改进产品、过程和使用的适用性，防止贸易壁垒，促进技术合作方面具有特别重要的意义。1.2.1标准与标准化的概念标准分类按标准的使用范围分：国家标准GB、行业标准HB（如JB）、地方DB标准和企业标准QB。按标准的作用范围分：国际标准、区域标准、国家标准、地方标准和试行标准。按标准化对象的特征分：基础标准、产品标准、方法标准和安全与环境保护标准、卫生标准。按标准的性质分：技术标准、工作标准和管理标准。 1.2.1标准与标准化的概念对需要在全国范围内统一的技术要求，应当制定国家标准；对没有国家标准而又需要在全国某个行业范围内统一的技术要求，可制定行业标准；对没有国家标准和行业标准而又需要在某个范围内统一的技术要求，可制定地方标准或企业标准。1.2.1标准与标准化的概念技术标准：对产品和工程建设质量、规格及检验方面所作的技术规定。我国的技术标准分三级国家标准（GB）部门标准（专业标准，如JB）企业标准。公差标准：对零件的公差和相互配合所制订的标准。加工误差和公差 （1）加工误差：加工过程中产生的尺寸、几何形状和相互位置误差。 （2）公差：由设计人员给定的允许零件的最大误差，并标注在零件图上作为技术要求。1.2.1标准与标准化的概念完整产品标准标准术语试验和检验标准性能标准减少规格尺寸标准基础标准标准的技术范围1.2.1标准与标准化的概念标准的分级国际标准区域标准国家标准专业标准地方标准企业标准1.2.2优先数和优先数系1.数值标准化工程上各种技术参数的简化、协调和统一是标准化的一项重要内容。制定公差标准以及设计零件的结构参数时，都需要通过数值表示。任何产品的参数值不仅与自身的技术特性有关，还直接、间接地影响与其配套系列产品的参数值。为满足不同的需求，产品必然出现不同的规格，形成系列产品。产品数值的杂乱无章会给组织生产、协作配套、使用维修带来困难。故需对数值进行标准化。优先数和优先数系的引入在机械设计中，常常需要确定很多参数，而这些参数往往不是孤立的，一旦选定，这个数值就会按照一定规律，向一切有关的参数传播。例如，螺栓的尺寸一旦确定，将会影响螺母的尺寸、丝锥板牙的尺寸、螺栓孔的尺寸以及加工螺栓孔的钻头的尺寸等。由于数值如此不断关联、不断传播，所以，机械产品中的各种技术参数不能随意确定。为使产品的参数选择能遵守统一的规律，使参数选择一开始就纳入标准化轨道，必须对各种技术参数的数值作出统一规定。《优先数和优先数系》国家标准（GB321—80）就是其中最重要的一个标准，要求工业产品技术参数尽可能采用它。1.2.2优先数和优先数系2.优先数系 工程技术上通常采用的优先数系是一种十进制的几何级数。优先数系列是一种科学的数值分级制度，适用于尺寸、参数和各种质量标准的分级。1.2.2优先数和优先数系凡是在数系项值上含有10的整数幂，并且有公比为如下值的等比级数，称之为优先数系，用字母Rr表示。R80包含R40的项值；R40包含R20的项值；R20包含R10的项值；R10包含R5的项值；1.2.2优先数和优先数系2.优先数系 我国标准GBT321-80与国际标准ISO推荐R5、R10、R20、R40、R80系列，前四项为基本系列（见表1-1），R80为补充系列。派生系列派生系列(Rr/p)：从基本系列中每隔几项选取一个优先数，组成一个新的系列。使优先数系具有更宽广的适应性。还可分段选用最合适的系列，以复合系列的形式来组成最佳系列。选用原则：先疏后密；优先选用公比较大的基本系列；优先选用公比较大和延伸项含有项值1的派生系列。派生系列R10/3系列0.801.001.251.602.002.503.154.005.006.308.0010.0012.5优先数和优先数系的特点优先数系的五个系列中任一个项值均为优先数。按公比计算得到的优先数的理论值，除10的整数幂外，都是无理数，工程技术上不能直接应用。实际应用的都是经过圆整后的近似值。根据圆整的精确程度，可分为：（1）计算值：取五位有效数字，供精确计算用。（2）常用值：即经常使用的通常所称的优先数，取三位有效数字。国家标准规定的优先数系分档合理，疏密均匀，有广泛的适用性，简单易记。常见的量值，如长度、直径、转速及功率等分级，基本上都是按一定的优先数系进行的。本课程所涉及的有关标准里，诸如尺寸分段、公差分级及表面粗糙度的参数系列等，基本上采用优先数系。1.3本课程的研究对象及任务1.3.1研究对象从“精度”和“误差”两方面去分析和研究机械零件及机构的几何参数，解决机器的使用要求与制造工艺之间的矛盾。本课程主要讨论的是机械精度的分析与计算。1.3.2本课程的任务使学生获得有关几何量公差与测量技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。机械精度设计在机械产品的设计过程中，需进行三方面的分析计算：（1）运动分析与计算。根据机器或机构应实现的运动，由运动学原理，确定机器或机构的合理的传动系统，选择合适的机构或元件，以保证实现预定的动作，满足机器或机构的运动方面的要求。（2）强度的分析与计算。根据强度、刚度等方面的要求，决定各个零件的合理的基本尺寸，进行合理的结构设计，使其在工作时能承受规定的负荷，达到强度和刚度方面的要求。（3）几何精度的分析与计算。零件基本尺寸确定后，还需要进行精度计算，以决定产品各个部件的装配精度以及零件的几何参数和公差。精度设计原则互换性原则：机械零件几何参数的互换性是指同种零件在几何参数方面能够彼此互相替换的性能。经济性原则：工艺性、合理的精度要求、合理选材、合理的调整环节、提高寿命。匹配性原则：根据机器或位置中各部分各环节对机械精度影响程度的不同，对各部分各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，做到恰到好处，这就是精度匹配原则。最优化原则：探求并确定各组成零、部件精度处于最佳协调时的集合体。例如探求并确定先进工艺，优质材料等。本课程在设计中的地位确定齿轮设计参数（传递功率、转速、传动比、寿命、载荷特征)齿轮传动结构形式和布置形式（开式、闭式、对称）确定材料及热处理（齿面、硬度）确定齿轮基本参数（模数、齿数、齿宽、压力角等）接触疲劳强度校核确定齿轮精度等级（公差组、检验组、粗糙度等）弯曲疲劳强度校核1.3.3本课程的学习要求学生通过本课程的学习应达到下列基本目标：1．掌握几何量公差、标准化以及计量学的基本知识。深刻领会上述几方面在实现发展互换性生产、保证产品质量体系中所起的重要作用。2．确切理解有关公差标准的基本术语和定义，掌握标准的内容和特点。初步掌握选用公差、进行精度设计的基本原则。3.学会几何量的测量方法，具有正确处理测量数据的初步能力。学习要求1．学生在学习本课程之前，应有识图和制图能力，懂得机械的一般机构原理，掌握机械制造的初步基础知识。2.独立认真完成课后练习和作业。3.充分做好实验课前准备，独立做好每一项实验，认真完成实验。4.除《画法几何及机械制图》外，了解并适当掌握《金属工艺学》、《机械原理》、《测试技术》等有关课程的内容。5．勤于思考、勇于创新。习题1-1什么叫互换性?互换性的分类有哪些?1-2互换性的优越性有哪些?实现互换性的条件有哪些?1-3试述标准化与互换性及测量技术的关系。1-4写出下列派生系列：R10/2，R10/5，R5/3，R20/3。1-5第一个数为10，按R5系列确定后五项优先数。使用教材及参考资料教材：互换性与测量技术基础李军主编华中科技大学出版社参考资料：互换性与测量技术基础王伯平主编机械工业出版社互换性与技术测量韩进宏主编机械工业出版社本章结束空中客车A380效果图南方航空明年2月份即将交付首架空客A380世界最大宽体客机A380A3802005年4月27日16:30首飞A380轻易取代了波音747占领长达25年之久的世界最大客机地位。当时的法国总统希拉克、德国总理施罗德、英国首相布莱尔、西班牙首相萨帕特罗出席了A380的建成典礼。配置头等舱、商务舱和经济舱的A380客机可载客555人。该机配备了包括健身房、酒吧在内的奢侈设施。如果全机都设定为经济舱A380的最多载客数可达到840人，另外还可携带150吨物品。每架飞机的定价大约在2.63亿美元至2.86亿美元之间。空中客车公司设计了一套全新的总装体系，将整架飞机在一地而非分散在几地进行组装，以赢得时间和提高生产效率。将总装地设在图卢兹，将飞机的内饰等工作设在德国汉堡。在图卢兹，来自全欧洲各地的飞机部件组装在一起。江诗丹顿(VacheronConstantin)参考价约328万人民币镂空腕表是顶级机械表的新潮流时尚