第1章互换性概论 1.1互换性 随着现代生产技术和管理技术的进步及生产力的发展，对产品质量要求和复杂程度的提高，大量生产的出现，特别是商品生产的发展，已经不能只有一个工厂来完成某一产品的全部生产过程，必须组织专业的协作生产。 例如，一辆东风牌卡车，由上万个零件、部件组成，并由上百个工厂、车间协作生产，然后集中到主装配厂进行装配。若以年产量十二万辆计算，一分多钟就可以装配一辆汽车。至于像滚动轴承那样的精密部件，每天在一个工厂中将近生产几十万套。由此可见，现代化生产具有规模大、分工细、协作广的特点，这就要求在生产活动中必须遵循一定的生产原则，这个原则就是现代工业生产的互换性原则。 所谓互换性是指： 在规格相同的一批零件中，不需任何挑选或辅助加工（如钳工修配）或调整就可装上机器（或部件），并满足技术标准规定的质量指标和使用性能。例如，一批规格为M12-6H的螺母，如果都能与其相配的M12-6g螺栓自由旋合，并且满足原定的连接强度要求，则这批螺母就具有互换性。 互换性原则也可用于某些部件上，滚动轴承作为部件而互换，就是一个例子。 零（部）件的互换性应包括几何参数、机械性能和理化性能等方面的互换性。根据本课程的教学任务，我们仅讨论零（部）件的尺寸、形状和位置等几何参数方面的互换性。 1. 互换性的种类 按照互换范围的不同，有完全互换性和不完全互换性之分。当不限定互换范围时，称为完全互换性，它在机械制造中得到广泛的应用。由于某种特殊原因只允许零件在一定范围内互换时，称为不完全互换性，也称有限互换性。例如，当机器上某些部位的装配精度要求很高时，若采用完全互换性，则相配零件的精度要求也要高，这将导致加工困难（甚至无法加工）或制造成本过高。为此，生产中往往把零件精度适当降低，以便于制造。然后，再根据实测尺寸的大小，将制成的相配零件各分成若干组，使每组内的尺寸差别比较小。最后，再把相应组的零件进行装配，这样既解决了零件加工困难，又保证了装配的精度要求。但是，这时零件的互换范围，就被限定在各分组内。 2. 互换性的作用 互换性是现代工业生产发展的客观需要，是实际标准化的保证，在社会化分工生产中具有十分重要的意义。 从生产的设计上看，在进行产品设计和产品系列设计时，由于零、部件具有互换性，有利于最大限度的采用标准件、通用件，因而可以大大简化设计、计算、绘图等工作，缩短设计周期，做到用尽可能多的标准件、通用件装配成不同品种的产品，以满足社会的需求。 从产品的制造上看，互换性是提高生产水平和文明程度的强有力的手段。因为，只有当零件具有互换性后，才能在标准化的基础上，合理地进行生产分工和组织专业化生产，并尽可能地采用先进的工艺方法和高生产率的专用设备； 装配时，则无需任何附加的挑选和修配，易于实现机械化、自动化。例如，汽车装配流水线。 在机器的维护和维修方面，互换性也有其重要意义。当机器零件在磨损或损坏、丢失后，可立即用另一新的储备件换上，使机器或仪器的维修时间或费用显著减少，保证了机械产品工作的连续性和持久性，亦即提高了产品的使用价值。在某些情况下，互换性起的作用很难用价值计算。例如在战场上要求立即更换武器中损坏的零件，使武器迅速地重新投入战斗； 发电厂要求迅速地派出机器故障继续发电等。 总之，在改善产品的制造和使用的经济指标，提高质量、可靠性以及寿命等方面，互换性具有特别的意义。 1.2标准化 在机械制造中，标准化是广泛实现互换性生产的前提，而公差与配合等互换性标准都是重要的基础标准。 1.2.1标准 标准是指为了取得国民经济最佳效果，在总结实践经验和充分协商的基础上，有计划地对人类生活和生产活动中具有多样性和重复性的事物，在一定范围内作出统一规定，并经一定的标准程序，以特定的形式颁发的技术法规。 简单说来，标准就是评定一切产品质量好坏的技术依据。 按标准化对象的特征，标准大致可分为以下几类。 （1） 基础标准： 以标准化共性要求和前提条件为对象的标准，如计量单位、术语、符号、优先数系、机械制图、公差与配合、零件结构要素等标准。 （2） 产品标准： 以产品及其构成部分为对象的标准，如机电设备、仪器仪表、工艺装配、零部件、毛坯、半成品及原材料等基本产品或辅助产品的标准。产品标准包括产品品种系列标准和产品质量标准，前者规定产品的分类、形式、尺寸和参数等，后者规定产品的质量特征和使用性能指标等。 （3） 方法标准： 以生产技术活动中的重要程序、规划方法为对象的标准，如设计计算方法、工艺规程、测试方法、验收规则及包装运输方法等标准。 （4） 安全与环境保护标准： 专门为安全与环境保护目的而制订的标准。 为了保证基层标准和上级标准的统一、协调一致，我国标准按使用范围分为 ： 国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。 1.2.2标准化 现代工业生产的特点是生产社会化程度越来越高，分工越来越细，仅依靠孤立的产品标准，难以保证产品的质量，只有形成产品质量整个系统的各个方面都遵循标准、准则、规章、计划等，才能保证和提高产品质量。 标准化是制定标准、贯彻标准，以促进经济全面发展的整个过程。 标准化的目的，是要通过制订标准来体现的。所以，制订标准和修订标准是标准化的最基本的任务。 标准化所起的作用是多方面。标准化是组织现代化大生产的重要手段，是实现专业化协作生产的必要前提，是科学管理的重要组成部分。标准化同时是联系科研、设计、生产、流通和使用等方面的技术纽带，是整个社会经济合理化的技术基础。标准化也是发展贸易，提高产品在国际市场上的竞争能力的技术保证。搞好标准化，对于高速度发展国民经济，提高产品和工程建设质量，提高劳动生产率，搞好环境保护和安全卫生，改善人民生活等，都有着重要作用。 由上述可知，现代工业都是建立在互换性原则基础上的。为了保证机器（或兵器）零件几何参数的互换性，就必须制订和执行统一的互换性公差标准。其中包括公差与配合、几何公差、表面结构、各种典型的连接件和传动件的公差与配合标准等。这类标准是用保证一定的制造公差的办法来保证零件的互换性和使用性能的。所以，公差标准被认为是机械制造中最重要的技术基础标准。 1.2.3产品几何技术规范 随着经济全球化，产品的设计、生产往往在国际间进行，中国是制造业大国，在制定国家标准时需引进消化相关国际标准（ISO），其中互换性的相关标准就参照产品几何技术规范。 产品几何技术规范(Geometrical Product Specification and Verification，GPS)是针对所有几何产品建立的一个几何技术标准体系，它覆盖了从宏观到微观的产品几何特征，涉及产品开发、设计、制造、验收、使用以及维修、报废等整个生命周期的全过程。它由涉及产品几何特征及其特征量的诸多技术标准所组成，包括工件尺寸、几何形状和位置以及表面形貌等方面的标准。产品几何技术规范原隶属三个国际标准化组织的技术委员会(ISO/TC)负责的标准领域： ISO/TC 3“极限与配合”； ISO/TC 57“表面特征及其计量学”； ISO/TC 10/SC 5“尺寸和公差的表示法”。三个技术委员会分别有其各自的标准体系，由于各自工作的独立性，造成各技术委员会之间的工作出现了重复、空缺和不足，同时产生术语定义的矛盾、基本规定的差别以及综合要求的差异，使得产品几何标准之间出现众多不衔接和矛盾之处。1993年成立了ISO/TC 3-10-57/JHG“联合协调工作组”，对三个委员会所属范围的尺寸和几何特征领域内的标准化工作进行了协调和调整，提出了GPS的概念，并决定根据一个总体规划建立GPS标准结构。1995年TC 3颁布了ISO/TR 14638“GPS总体规划(Masterplan)”，正式提出了GPS概念和标准体系的矩阵模型。1996年ISO/TMB“技术管理局”采纳了联合协调工作组(JHG)的建议，撤销了TC 3, TC 10/SC 5和TC 57三个技术委员会，将其合并成立了ISO/TC 213，其工作任务是根据ISO/TR 14638“GPS总体规划(Masterplan)”负责建立一个完整的GPS国际标准体系。 GPS包括以下概念： （1） 分为4类标准，即GPS基础标准、GPS综合标准、GPS通用标准和GPS补充标准； （2） 涵盖各种几何特征，如尺寸、距离、角度、形状、位置、方向、表面粗糙度等(见图1.1中GPS通用标准矩阵的第1~18标准链)； （3） 包括工件的特定工艺公差标准和典型的机械零件几何要素标准(见图1.1中GPS补充标准链的 A1~A7和B1~B3)； （4） 涉及产品生命周期的多个阶段，如设计、制造、计量、质量检验等。将四种类型GPS标准按其功能建立了GPS总体规划的矩阵模型(又称体系框架)。 图1.1给出了GPS总体规划(GPS矩阵模型)框架。 图1.2为GB/Z 20308—2006给出的GPS通用标准矩阵简图。其中链环定义如下： 链环1——产品文件表示(图样标注代号)。 本链环所包含的GPS通用标准规定了为处理或表达工件特征，图样标注中使用的代号。 链环2——公差定义及其数值。 本链环所包含的GPS通用标准定义了用相关代号表示的公差及其规范值、代号转换规则(即如何把公差代号转化为“使用者能够理解”和“计算机能够理解”的数值表达，例如： SI单位制中的长度尺寸单位mm，反之亦然)和具有关联公差的理论正确要素及其几何特征。 链环3——实际要素的特征或参数定义。 本链环所包含的GPS通用标准补充、扩展了理想要素的含义，以准确定义对应于公差标注(代号)的非理想几何要素(实际要素的特征或参数)。本链环中，实际要素特征的定义基于一系列数值点。为帮助使用者对定义的理解和实现计算机计算，实际要素的特征或参数应以文字描述和数学表达的方式分别予以定义。 链环4——工件偏差评定(与公差极限比较)。 本链环所包含的GPS通用标准在兼顾链环2和链环3定义的同时，定义了工件偏差评定的详细要求。 链环5——测量器具。 本链环所包含的GPS通用标准，描述了特定的或各种类型的测量(计量)器具，并定义了测量(计量)器具的特性。这些特性影响着测量过程及测量(计量)器具本身带来的不确定度。标准中还包括测量(计量)器具已定义特性的最大允许误差。 链环6——测量器具校准。链环所包含的GPS通用标准，描述并规定了测量(计量)器具的计量、校准和校准程序，以及链环5中涉及的测量(计量)器具特性的技术要求(最大允许误差)。特征的符号和代号的定义、使用、组合规则、代号之间的差异以及含义上的变化。 GPS 基础 标准 GPS综合标准 影响部分或全部的GPS通用标准链环的 GPS标准或相关标准 GPS通用标准矩阵 GPS通用标准链 1. 有关尺寸的标准链 2. 有关距离的标准链 3. 有关半径的标准链 4. 有关角度的标准链 5. 有关线的形状的标准链（与基准无关） 6. 有关线的形状的标准链（与基准相关） 7. 有关面的形状的标准链（与基准无关） 8. 有关面的形状的标准链（与基准相关） 9. 有关方向的标准链 10. 有关位置的标准链 11. 有关圆跳动的标准链 12. 有关全跳动的标准链 13. 有关基准的标准链 14. 有关轮廓粗糙度的标准链 15. 有关轮廓波纹度的标准链 16. 有关原始轮廓的标准链 17. 有关表面缺陷的标准链 18. 有关棱边的标准链 GPS补充标准矩阵 GPS补充标准链 A特定工艺公差标准 A1. 有关机加工公差的标准链 A2. 有关铸造公差的标准链 A3. 有关焊接公差的标准链 A4. 有关热切削公差的标准链 A5. 有关塑料模具公差的标准链 A6. 有关金属有机镀层公差的标准链 A7. 有关涂覆公差的标准链 B机械零件几何要素标准 B1. 有关螺纹的标准链 B2. 有关齿轮的标准链 B3. 有关花键的标准链 图1.1GPS总体规划(GPS矩阵模型)框架 链环123456 要素的几何特征产品文件表示（图样标注代号）公差定义及其数值实际要素的特征或参数定义工件偏差评定测量器具测量器具校准 1尺寸 2距离 3半径 4角度 5与基准无关的线的形状 6与基准相关的线的形状 7与基准无关的面的形状 8与基准相关的面的形状 9方向 10位置 11圆跳动 12全跳动 13基准 14轮廓粗糙度 15轮廓波纹度 16原始轮廓 17表面缺陷 18棱边 图1.2GPS通用标准矩阵简图 现行GPS国家标准在GPS矩阵模型中的分布见表1.1，列出了对应ISO/TC 213范围的GPS国家标准在其中的位置，只涉及CTPS基础标准、GPS综合标准和CPS通用标准。它包括了GB/Z 20308—2006技术文件颁布时现行的GPS国家标准，显示出了需要填补的国家标准空白。 表1.1现行GPS国家标准在GPS矩阵模型中的分布 基 础 标 准 GPS综合标准 JJF 1101，JJF 1059，18776，16892，18779.1~18779.2，18780.1~18780.2，19765 GPS通用标准 链环123456 要素的 几何特征产品 文件表示公差定义 及其数值实际要素 的特征或 参数定义工件偏差 评定测量 器具测量器具 校准 尺寸1800.1~ 1800.3, 16671.18041800.1~ 1800.4,1803, 1801,16671, 1804,5847, 18776,124713177,1958, 18780.1~ 18780.2, 16671,53713177,1958, 18779.1~ 18779.23177,1957, 16857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 续表 基 础 标 准 GPS综合标准 JJF 1101，JJF 1059，18776，16892，18779.1~18779.2，18780.1~18780.2，19765 GPS通用标准 链环123456 要素的 几何特征产品 文件表示公差定义 及其数值实际要素 的特征或 参数定义工件偏差 评定测量 器具测量器具 校准 距离18779.1~ 18779.216857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 半径18779.1~ 18779.216857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 角度 （以度为 单位）157.4096, 11334,1575411334,180412360,1575518779.1~ 18779.216857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 与基准无 关的线的 形状1182,1184, 17852,166711182,17852, 16671,118416671,723411336,7235, 1958,4380, 18779.1~ 18779.216857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 与基准有 关的线的 形状1182,178521182,1785218780.1, 18780.211336,1958, 18779.1~ 18879.216857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 与基准无 关的面的 形状 1182,16892， 17852,15754, 16671,118411882,17852, 15754,16671, 118418780.1, 18780.2, 1667111337,1958, 18779.1~ 18779.216857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 与基准有 关的面的 形状1182,17852 157541182,17852， 1575411337, 195816857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 方向1182,16671, 17773,11841182,17773, 16671，118418780.1, 18780.2, 16671195816857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 位置1182，16671, 13319,177731182,13319, 17773,1667118780.1, 18780.2, 16671195816857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.518779.1~ 18779.2 续表 基 础 标 准 GPS综合标准 JJF 1101，JJF 1059，18776，16892，18779.1~18779.2，18780.1~18780.2，19765 GPS通用标准 链环123456 要素的 几何特征产品 文件表示公差定义 及其数值实际要素 的特征或 参数定义工件偏差 评定测量 器具测量器具 校准 圆跳动11821182195816857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 全跳动11821182195816857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 基准轮廓1182,16671 178511785117851,1667116857.1~ 16857.2, 16857.4~ 16857.618779.1~ 18779.2 粗糙度 轮廓13118777, 18618, 18778.1， 1031,12472, 18778.2，350510610, 18777, 18618, 18778.210610, 18618, 18778.16062,1877718779.1~ 18779.2, 6062,19600， 19067.1~ 19067.2 1.3公差与配合的基本概念 为了正确掌握公差与配合标准及其应用，统一设计、工艺、检验等人员对公差与配合标准的理解，应明确规定有关公差与配合的基本概念、术语及定义。基本概念、术语和定义的统一也是国际标准化的重要内容。GB 1800.1—2009、GB 1800.2—2009文件给出了公差与配合相关术语的定义。 1.3.1有关尺寸的术语及其定义 （1） 尺寸（size）： 以特定单位表示线性尺寸的数值。 （2） 尺寸要素（feature of size）： 由一定大小的线性尺寸或角度尺寸确定的几何形状。 （3） 实际(组成)要素（real（integral）feature）： 由接近实际(组成)要素所限定的工件实际表面的组成要素部分。 （4） 提取组成要素（extracted integral feature）： 按规定方法，由实际(组成)要素提取有限数目的点所形成的实际(组成)要素的近似替代。 （5） 拟合组成要素（associated integral feature）： 按规定方法，由提取组成要素形成的并具有理想形状的组成要素。 （6） 轴（shaft）： 通常，指工件的圆柱形外尺寸要素，也包括非圆柱形的外尺寸要素(由二平行平面或切面形成的被包容面)。 （7） 孔（hole）： 指工件的圆柱形内尺寸要素，也包括非圆柱形的内尺寸要素(由二平行平面或切面形成的被包容面)。 （8） 公称尺寸（nominal size）： 由图样规范确定的理想形状要素的尺寸，可以是整数或小数，见图1.3。 图1.3公称尺寸、极限尺寸和极限偏差、尺寸公差 （9） 提取组成要素局部尺寸（local size of an extracted feature）： 一切提取组成要素上两对应点之间距离的统称，简称为提取要素的局部尺寸。 （10） 极限尺寸（limits of size）： 尺寸要素允许的尺寸的两个极端。提取组成要素的局部尺寸应位于其中，也可达到极限尺寸。其中，上极限尺寸（upper limit of size）为尺寸要素允许的最大尺寸； 下极限尺寸（lower limit of size）为尺寸要素允许的最小尺寸。 （11） 零线（zero line）： 在极限与配合图解中，表示公称尺寸的一条直线，以其为基准确定偏差和公差。通常，零线沿水平方向绘制，正偏差位于其上，负偏差位于其下。 1.3.2有关偏差与公差的术语及其定义 （1） 偏差（deviation）： 某一尺寸减其公称尺寸所得的代数差。 （2） 极限偏差（limit deviation）： 上极限偏差和下极限偏差统称。其中，上极限偏差(ES,es,upper limit deviation)为上极限尺寸减其公称尺寸所得的代数差(见图1.4)； 下极限偏差(EI,ei，lower limit deviation)为下极限尺寸减其公称尺寸所得的代数差(见图1.4)。 图1.4公差带图 （3） 基本偏差（fundamental deviation）： 在极限与配合制中，确定公差带相对零线位置的那个极限偏差，它可以是上极限偏差也可以是下极限偏差。 （4） 公差带（tolerance zone）： 在公差图解中，由代表上极限偏差和下极限偏差或上极限尺寸和下极限尺寸的两条直线所限定的一个区域。它是由公差大小和其相对零线的位置如基本偏差来确定（见图1.4）。 （5） 尺寸公差（简称公差，size tolerance）： 允许尺寸的变动量，是上极限尺寸减下极限尺寸之差，或为上极限偏差减下极限偏差之差，尺寸公差是一个没有符号的绝对值。 1.3.3有关配合的术语及其定义 〖*4/5〗1. 配合 配合（fit）是指公称尺寸相同的并且相互结合的孔和轴公差带之间的关系。 上述配合的定义可以从两方面来理解。 (1) 配合的条件。首先，要有一孔一轴相结合，才能形成配合； 其次，相结合的孔和轴，两者的公称尺寸应相同。 (2) 配合的性质。从机器上各种孔轴结合部位的使用要求来看，对孔轴装配后有不同的松紧要求，反映装配后松紧程度和松紧变化程度的配合性质，定义以相互结合的孔和轴公差带之间的关系来确定。 根据孔和轴公差带之间的相互位置关系，或者说形成间隙或过盈的不同，配合可分为间隙配合、过渡配合和过盈配合三类。 2. 间隙配合 间隙配合（clearance fit）是指具有间隙(包括最小间隙等于零)的配合。此时，孔的公差带在轴的公差带之上。 1) 间隙 孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸所得的代数差，当此差值为正值时，称为间隙。故规定，间隙数值的前面必须标上“+”号。间隙用X表示。 间隙的存在，是相配合的孔与轴之间允许发生相对运动的基本条件。 2) 间隙配合 具有间隙（包括最小间隙等于零）的配合，称为间隙配合。 从孔、轴公差带相对位置看，孔的公差带在轴的公差带以上，就形成间隙配合，如图1.5所示。 图1.5间隙配合 由此可知，保证了在孔、轴公差带范围内任何一对孔、轴之间的结合都具有间隙。