互换性(公差)三级项目全解

《互换性与测量技术》三级项目报告

题目：轴类零件的精度设计

班级：机械装备（一）班

姓名：徐经纬姚培锋丁涛石天磊指导教师：邵晓荣

提交时间：2015、11、20

摘要

在机械行业中，轴类零件的精度对传动的平稳性，轴的寿命等很多方面有重要作用，为此需对其精度进行分析与检测。对轴类零件的结构特点及加工方法进行分析，根据其使用范畴，确定加工方法以及所能达到的精度等级，通过轴类零件的互换性，分析并确定轴和键、键槽所需要的尺寸公差、几何公差。不同的加工方法对应不同的粗糙度等级，加工零件时根据粗糙度需要选取不同的加工方法，确定轴、键、键槽各部分的粗糙度。用相应仪器对加工出来的轴类零件进行检测，选取允许范围内的零件进行装配。为了加深我们对轴类零件的误差分析、加工方法及其精度的理解，灵活运用零件的尺寸公差、几何公差和表面粗糙度，熟练掌握轴类零件图的标注。本项目中我们运用了互换性中误差、公差、偏差、表面粗糙度、尺寸标注等互换性理论知识，还包括机械设计中轴的长度、直径的选取及机械制造工艺中轴类零件的加工方案等知识方法。

关键字：尺寸公差几何公差粗糙度

目录

1 前言 1

2 轴类零件的结构特点、选材及加工方法 2 2.1 轴类零件的结构特点 2 2.2 轴类零件的材料选择 2

2.3 轴类零件加工工艺及能达到的精度等级 2

3 轴类零件的尺寸公差选用 3 3.1 基准制

4 3.1.1 基孔制 4 3.1.2 基轴制 4 3.1.3 非基准制应用的场合 4 3.2 精度等级 4 3.3 配合种类

5 3.3.1 间隙配合 5 3.3.2 过度配合 5 3.3.3 过盈配合 5

3.4 配合选用 5

4 轴类零件的形位公差选用

5 4.1 几何公差 5 4.2 位置公差

6 4.3 公差等级 6

4.4 基准 6

5 轴类零件的表面粗糙度选择

6 5.1 评点参数的选择 6

5.2 评定参数值的选择 6

6 最终结论

7 6.1 尺寸公差选用 7 6.2 形位公差选用 7

6 .3 表面粗糙度选用 8

7 感想与体会 9

8 参考文献 9

1 前言

随着现代生产技术、管理技术的进步和生产力的发展，产品的复杂程度及其质量要求日益提高。为适应这种社会化大生产的需要，提高生产效率，降低成本，保证产品质量，必须按照专业化协作的原则进行生产。在这种大背景下，机械设计人员需要在精度设计方面力求优化，所以《互换性与测量技术基础》课程的学习日益重要。

互换性与测量技术将测量、标准化与计量学等有关部分有机结合在一起，主要包含几何量公差选用和误差检验两方面的内容，与机械设计、机械制造及其质量控制密切相关。该课程结合生产中常用的典型零部件，如滚动轴承、键和花键、螺纹和齿轮，着重介绍了尺寸公差、形状和位置公差、表面粗糙度。在现代化的机械生产中只要运用正确的技术测量方法，将几何量的误差控制在一定的范围内，就能实现互换性。互换性原则是组织现代化生产极为重要的技术经济原则，机械加工现代化生产的发展，专业化、协作化、生产模式的不断扩大，互换性原则的应用范围也越来越大。

2 轴类零件的结构特点、选材及加工方法

2.1 轴类零件的结构特点

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。

轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。

2.2 轴类零件的材料选择

轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。

45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45~52HRC。

40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。

轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50~58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。

精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。

2.3 轴类零件加工工艺及能达到的精度等级

传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。故车削后还需磨削。粗车后精度能达到IT12-IT11，表面粗糙度达到Ra25-Ra12.5；半精车后精度能达到IT10-IT9，表面粗糙度达到Ra6.3-Ra3.2；精车后精度能达到IT8-IT6，表面粗糙度达到Ra1.6-Ra0.8淬火粗磨后精度能达到IT8-IT7，表面粗糙度达到Ra0.8-Ra0.4，精度等级和精车相同；粗磨后精度能达到IT6-IT5，表面粗糙度达到Ra0.4-Ra0.2。若需要更高的精度则可以采用研磨等。

轴类零件的主要表面是各个轴颈的外圆表面，空心轴的内孔精度一般要求不高，而精密主轴上的螺纹、花键、键槽等次要表面的精度要求也比较高。因此，轴类零件的加工工艺路线主要是考虑外圆的加工顺序，并将次要表面的加工合理地穿插其中。下面是生产中常用的不同精度、不同材料轴类零件的加工工艺路线：

(1)一般渗碳钢的轴类零件加工工艺路线：备料-锻造-正火-打顶尖孔-粗车-半精车、精车-渗碳（或碳氮共渗）-淬火、低温回火-粗磨-次要表面加工-精磨。

(2)一般精度调质钢的轴类零件加工工艺路线：备料-锻造-正火（退火）-打顶尖孔-粗车-调质-半精车、精车-表面淬火、回火-粗磨-次要表面加工-精磨。

(3)精密氮化钢轴类零件的加工工艺路线：备料-锻造-正火（退火）-打顶尖孔-粗车-捌质-半精车、精车-低温时效-粗磨-氮化处理-次要表面加工-精磨-光磨。

整体淬火轴类零件的加工工艺路线：备料-锻造-正火（退火）-打顶尖孔-粗车-调质-半精车，精车-次要表面加工-整体淬火-粗磨-低温时效-精磨。

3 轴类零件的尺寸公差选用

总原则: 在保证零件功能要求的前提下，应尽量取较低等级的尺寸公差，以获得较好的经济效益。

3.1 基准制

在制造配合的零件时，使其中一种零件作为基准件，它的基本偏差一定，通过改变另一种非基准件的基本偏差来获得各种不同性质配合的制度称为基准制。根据生产实际的需要，国家标准规定了两种基准制。合理选择基准制与工艺、结构、装配以及经济因素有关。

3.1.1 基孔制

基孔制--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。见左下图。基孔制的孔称为基准孔，其基本偏差代号为H，其下偏差为零。一般情况下优先选用基孔制，因为孔的尺寸类型少而轴的尺寸类型多，这样就能减少刀具的成本费用。

3.1.2 基轴制

1) 用冷拉钢制圆柱型材制作光轴作为基准轴

这一类圆柱型材的规格已标准化，尺寸公差等级一般为IT7～IT9。它作为基准轴，轴径可以免去外圆。

切削加工，只要按照不同的配合性质来加工孔，可实现

技术与经济的最佳效果。

2)“一轴多孔”，而且构成的多处配合的松紧程度要求不同的场合所谓“一轴多孔”指一轴与两个或两个以上的孔组成配合。

3）轴为标准件或标准部件(如：键、销、轴承等)。

3.1.3 非基准制应用的场合

国家标准规定：为了满足配合的特殊需要，允许采用非基准制配合，即采用任一孔、轴公差带(基本偏差代号非H的孔或h 的轴)组成的配合。

3.2 精度等级

1.公差等级的选择依据

主要是根据使用性能对尺寸精度及配合一致性要求的高低来确定。

2.选择公差等级的原则

1）在满足使用性能的前提下，尽量选取较低的公差等级。所谓“较低的公差等级”是指：假如IT7级以上(含IT7)的公差等级均能满足使用性能要求，那么，选择IT7级为宜。它既保证使用性能，又可获得最佳的经济效益。

2）尽量遵守标准推荐的孔与轴公差的等级组合规定。

3.3 配合种类

孔轴配合时配合种类可分为三中：间隙配合、过度配合、过盈配合。

3.3.1 间隙配合

间隙配合主要应用的场合：孔轴之间有相对运动和需要拆卸的无相对运动的配合部位。

3.3.2 过渡配合

过渡配合主要应用的场合：孔与轴之间有定心要求，而且需要拆卸的静联接(即无相对运动)的配合部位。

3.3.3 过盈配合

过盈配合主要应用的场合：孔与轴之间需要传递扭矩或准确定心的静联接(即无相对运动)的配合部位。

3.4 配合选用

配合选择的方法有类比法、计算法和试验法3种。1）类比法

同公差等级的选择相似，大多通过查表将所设计的配合部位的工作条件和功能要求与相同或相似的工作条件或功能要求的配合部位进行分析比较，对于已成功的配合作适当的调整，从而确定配合代号。此选择方法主要应用在一般、常

见的配合中。

2）计算法

计算法主要用于两种情况：一是用于保证与滑动轴承的间隙配合，当要求保证液体摩擦时，可以根据滑动摩擦理论计算允许的最小间隙，从而选定适当的配合。二是完全依靠装配过盈传递负荷的过盈配合，可以根据要求传递负荷的大小计算允许的最小过盈，再根据孔、轴材料的弹性极限计算允许的最大过盈，从而选定适当的配合。

3）试验法

试验法主要用于特别重要配合的选择。这些部位的配合选择，需要进行专门的模拟试验，以确定工作条件要求的最佳间隙或过盈及其允许变动的范围，然后，确定配合性质。

4 轴类零件的形位公差选用

总原则: 在保证零件功能要求的前提下，应尽量减少形位公差项目，检测方法简便，以获得较好的经济效益。

4.1 几何公差

由于该轴与多个零件配合故得限制其素线和中心轴线的直线度、外圆表面的圆度、圆柱面的圆柱度。但回转类零件用径向全跳动代替圆柱度和同轴度，用圆跳动代替垂直度。

4.2 位置公差

轴类零件也应有三类位置公差：定向公差、定位公差、跳动公差。该轴应控制键槽的对称度公差、圆跳动公差、各阶梯轴圆柱面的同轴度公差。

4.3 公差等级

国家标准对圆柱度给定了13个公差等级，对同轴度、对称度、圆跳动给定了12个公差等级，一般取用5-8级，对于该轴选择6级精度。

4.4 基准

基准的选择在保证使用要求前提下力求使设计、加工、检测的基准三者统一，选择中心孔的轴线作为基准。

5 轴类零件的表面粗糙度选择

5.1 评点参数的选择

表面粗糙度的评定参数中，高度参数是最常用的。我国标准中主要采用了Ra和Rz两个参数，Ra一般用电动轮廓仪进行测量。由于Ra的概念较直观，反映轮廓的信息量多，所以应用较广泛。在常用的参数值范围内（Ra为0.025~6.3μm，Rz为0.10~25μm）推荐优先选用Ra。由于受仪器测头的限制，对于过于粗糙的或者太光滑的表面，则不宜采用Ra值。评定参数Rz的测量值方法最简单，用来评定某些不允许出现较大加工痕迹的零件表面零件上狭小的表面（表面不足一个取样长度时）有实际意义。

5.2 评定参数值的选择

表面粗糙度评定参数的数值已经标准化了，应按规定的系列参数值选用。当按表面功能和生产的经济合理性综合考虑。确定评定参数时，处特殊要求外，通常多用类比法来取。这时主要考虑零件的功能要求，一般情况下，确定参数的大小应该考虑以下因素：

1.同一零件上，工作表面的粗糙度参数值应比非工作表面小。

2.摩擦表面的表面粗糙度值应比非摩擦表面小，有相对运动

的工作表面，运动速度越高，其表面粗糙参数值也越小。

3.承受交变载荷的零件，其最易产生应力集中的部位，表面粗糙度参数值应较小。

4.要求配合性质稳定可靠的部件，表面粗糙度参数值应较小。对过盈配合，为保证联结可靠，载荷越大，表面粗糙度参数值应越小，对间隙配合，间隙越小，表面粗糙度参数值也应越小。

5.要求防腐蚀密封性能或外观要求美观等，表面粗糙度参数值应较小。

6 最终结论

由于轴的基本尺寸不能确定，根据配合关系选定一例确定公差。

6.1尺寸公差选用

1)左起第一段：由4-5（P71）该轴段与联轴器配合，直径尺寸的公差带为Js7, 基本尺寸Φ65，Ts=30,得ei=-0.015，es=+0.015；

根据画法几何确定键槽尺寸为20×12

键槽宽b的上下偏差查表5-2（P92）,得es=0，ei=-0.052；键深基本尺寸7.5，上下偏差分别为es=+0.2,ei=0。

2)左起第二段：与毛毡接触，按GB/T1804-m标准。

3)左起第三段，与轴承配合，

由4-14（P87）查得，直径尺寸的公差带为,k5；

查表2-3（P20），得Ts=13；

查表2-4（P23），得ei=+0.002，则有es=+0.015。

4)左起第五段，与齿轮配合

由表4-5 （P71），选择过渡配合,直径尺寸公差带m6，

Ts=19, 得ei= +0.011，es= +0.030mm ；

键槽与键的配合为基轴制，且键槽尺寸为22×14,

查表5-2 （P92）,选紧密联接, es=+0.074，ei=-0.0074, 基本偏差系列p,精度等级IT9。键槽深度:9.0mm es=+0.2, ei=0 。

5)左起第六段：与轴承配合。同左起第三段。

6.2形位公差选用

1)右起第一段：与轴承配合，需要规定圆柱度与圆跳动公差。轴承精度k5,查得:圆柱度公差0.003,端面圆跳动公差0.010。

2)右起第二段：与齿轮配合，需要规定圆跳动。

查P41，表2-12 对中间轴线的全跳动公差0.015；

键槽需要规定对称度，查 P41 表2-12 对称度公差0.080 3)右起第三段左右轴肩端面：与轴承和齿轮端面配合，

需要规定圆跳动，查 P41 表2-12，6级精度，取圆跳动0.015

4)右起第四段：与左起第一段相同。

5)左起第一段;与联轴器配合，

需要规定对中间轴线的圆跳动，查P41，表2-12全跳动公差为0.025；

键槽需要规定对称度，查P41，表2-12 对称度公差0.080。

6.3表面粗糙度选用

1）左起第一段：与联轴器配合，Ra=1.6；

键槽底面粗糙度Ra=6.3，侧面粗糙度Ra=3.2 ；

2）左起第二段：与毛毡接触，有相对运动，故Ra=1.6；

3）左起第三段：与轴承配合，Ra=0.8，端面粗糙度Ra=3.2；4）左起第四个轴肩端面与齿轮端面配合取粗糙度为Ra=3.2；5）左起第五段：与齿轮配合，Ra=1.6；

键槽侧面Ra=3.2，键槽底面粗糙度Ra=6.3；

6）左起第六段：与轴承配合，Ra=0.8，轴端面不参与配合。

7 感想与体会

本次互换性三级项目，课题是《轴类零件的精度与检测》，通过对轴结构分析、加工方法、加工生产误差的分析、公差给定等过程，我们加深了对轴系零件加工和轴类精度设计的认识。我们查阅了很多有关互换性、机械设计、冷加工的书籍，对轴整个的设计生产使用检测有了完整的认识。通过这次互换性三级项目的学习经历为，了解了如何去学习一个零件互换性的设计与检测，使我们以后去学习其他零件的互换性打下了坚实的基础，为课程设计的精度设计乃至未来学习和工作做了铺垫。在这次项目中我们小组成员一起研究、查资料一同思考互相帮助，没有共同的努力彼此的帮助我们不可能完成项目，通过小组合作我们增强了团队合作意识与能力。

本次互换性三级项目中，我们学习的不仅是知识更是一种意识。不论是怎样一个再熟悉不过的零件都是经过科学严谨的计算得来的，图纸上的标识没有一个是多余或者随意写的，其后都是科学的结晶，这教育我们在学习或者工作中都要一丝不苟的按照要求遵循规律。在设计加工安装不论哪个环节没有严格要求认真对待，其错误的蝴蝶效应一定会为整

个工程到来不可挽回的巨大损失。我们在未来的工作学习中一定会秉持科学严谨的态度，去诠释一个机械工程师的严谨精神。

8 参考文献

[1] 邵晓荣.张艳互.换性与测量技术基础[M].北京: 中国标准出版社,2011年。

[2] 贾春玉,张树存.画法几何与机械制图.北京:中国标准出版社。

[3] 许立忠,周玉林.机械设计[M].北京: 中国标准出版社。