机械工程师应该了解几何公差(GD&T)的那些事!

1987人感兴趣发表于:2018-10-19

摘要: 1 GD&T 历史及其演化   零件公差产生于十九世纪后期,初衷是为了保证零件的互换性,初期只有尺寸正负公差,给定公差一般都比较大,当时的制造设备和能力不能保证高精度产品的加工。随着产品性能要求的不断提高,和批量生产,产品公差逐步缩小,从而导致产品的可装配性逐渐成了问题,随后泰勒先生提出了装配功能要求的“泰勒原则”,也就是现在公差标准中的包容原则,它

1 GD&T 历史及其演化

   零件公差产生于十九世纪后期,初衷是为了保证零件的互换性,初期只有尺寸正负公差,给定公差一般都比较大,当时的制造设备和能力不能保证高精度产品的加工。随着产品性能要求的不断提高,和批量生产,产品公差逐步缩小,从而导致产品的可装配性逐渐成了问题,随后泰勒先生提出了装配功能要求的“泰勒原则”,也就是现在公差标准中的包容原则,它有效地解决了零件的大小和形状的关系,从而保证了产品的可装配性。

   直到二战期间,零件的制造逐渐分包给供应商,设计部门和制造部门越来越远,设计与制造部门之间的随时交流就不太可能,另外一方面产品公差越来越小,零件的可装配性和互相性问题越来越突出。因此各种定义几何公差的几何语言的标准就应运而生,随着这些标准的发展,演化及合并,到今天世界上的几何公差标准只有两大标准:ASME Y14.5和ISO 1101, 两大标准在基本原理上是一至的,都是为了解决零件的功能和可装配性问题。

2. GD&T国际标准及其对比

2.1 标准的使用情况简介

前面提到当今世界上主要的两大标准,美国ASME Y14.5标准仍然是是世界上尺寸和公差最全面的标准,目前最新版版本是2009年版。另外一个是欧洲标准ISO 1101,目前最新版本是2017年版,中国的尺寸公差标准主要是翻译等效ISO标准,具体使用情况如下:

   美国ASME Y14.5-2009-Dimensioning andTolerancing (GD&T)标准ASME(美国机械工程师协会),Y14.5 标准编号,2009标准批准年份。它是ASME Y14.5M-1994的升级版, ASME Y14.5M-1994是ANSI Y14.5M-1982标准的升级版。主要应用于北美,如美国、加拿大的公司及其在全球的公司使用,  日本、韩国、欧洲等一些国家公司也在广泛使用。

  欧洲ISO 1101 –Geometrical product specification 系列标准ISO(欧洲国际标准委员会),1101标准编号,主要在欧洲公司及其全球公司使用。

中国GB/T 1182-2008—产品几何技术规范GPS标准系列此标准等同于ISO 1101, 主要在中国国内一些公司使用,几大标准对比见下表。

   这两个标准大约 80 %的内容重叠。大多数工程图纸要求遵守重叠部分标准,这将允许创建世界各地都能理解图纸,其它主要国家的几何公差标准都是翻译等效ISO 1101标准的。


2.2   GD&T标准的优势分析

    GD&T(美标)与传统的正负尺寸公差比较,主要有以下几个优点,所以要想设计一张好图纸,建议除尺寸大小外,其它如形状,方向和位置用形位公差来控制。

1)采用正负尺寸公差控制位置时,由于没有基准,测量结果不确定,从而导致把不合格的零件接收。如下例所示:产品要求板件支架小端安装在支撑平台上,要求产品上表面到安装面的距离为最大、最小为11.6和12.4,图1按照国标正负公差标准,由于没有基准就会出现两种测量结果,分别以大端和小端作为测量起点,见图2所示,以大端作为测量起点产品符合图纸要求,如以小端作为测量起点,产品不符合图纸要求,这样就会引起歧义。解决此类问题的唯一办法就是用GD&T(美标)来标注图纸,选择安装面作为基准,用轮廓度控制位置,如图3所示。这样测量就只有一种结果,及下端作为测量基准。


2)用正负尺寸公差控制孔的位置时,公差带是方形且固定,这样就有可能把满足装配功能的零件拒绝掉,如果改用GD&T的 位置度,公差带变成圆形,且公差带面积增大57%,从而产品合格率增大,如图4所示 :


3) 用正负尺寸公差标注孔的位置会引起公差的累计,GD&T控制孔的位置,标准理论尺寸,不会有公差的累计,如图5所示,正负尺寸公差标注孔3到B端位置公差为正负1.5mm, GD&T图纸标注3到B端位置公差为正负0.5mm。


4) 不用正负尺寸公差,而用GD&T位置度去控制孔,槽的位置,并且在位置公差后面加M圈,如图6所示,这样就可以带来两大优势,一方面位置度公差可以得到补偿,及当孔,槽尺寸偏离最大实体尺寸时,位置度公差可以放大,从而可以在满足装配功能的前提下,放大制造公差,如图7所示的动态公差图,蓝色三角公差区域为公差补偿区,及产品合格率提高区,对于孔、槽合格率分别提高66%和50%(蓝色三角形面积比黄色矩形面积)。另一方面可以方便做检具进行产品的快速在线检测,先用A、B、C基准对零件进行定位,在理论位置插入直径为11.5的销和13.9厚板分别检测孔和槽的位置度,能插入位置度就算合格,检测非常方便,快捷。


4.GD&T的技术框架

  GD&T是一种面向产品功能的图纸设计语言,图纸设计的终极目标是保证产品的功能,通过GD&T的图纸公差标注,让图纸只有一种解释,从而保证不同人读图纸不会引起歧义,另外通过GD&T图纸的标注,可以在满足产品功能的前提下,放大制造公差,从而提高产品的合格率。GD&T主要是通过下面三步来完成图纸的定义的:

  第一步:定功能,分析产品怎么装配的,那些是定位与配合面,那些是产品的关键功能面等。

第二步:定基准,基准一般选择在产品的装配面,根据产品装配的先后次序定出第一,第二和第三基准。

第三步:定公差:这里包括三部分,首先选择公差类型,如一般是孔的推荐使用位置度,表面推荐使用轮廓度。另外公差值的大小需要通过尺寸链公差计算来确定。最后加上相应的公差修饰因子从而达到在满足产品功能的前提下,放大制造公差和方便检测。


5.GD&T标准的应用

从公司标准转向国际公认的标准,其原因包括成本考虑:
•维护企业标准费用
•培训供应商和员工费用
•自定义新技术费用
•定义解释费用这些费用通过使用一个全球公认的标准会大大降低。公司所面临的挑战就是选择一个标准,可以适应公司的应用和需求。许多公司都被迫使用ISO标准。似乎有一个假设,即任何ISO是不错的。不幸的是,并非所有的ISO标准是成熟的。这在尺寸和公差领域尤其是这种情况。那些被要求采用ISO尺寸和公差标准的企业,应彻底了解他们目前的状态,未来的方向和当前的限制。当一个公司只有普通的设计要求,使用ASME Y14.5和ISO标准的重叠部分就足够,可充分定义要求不高的零件。对于更复杂的设计要求,如对很多曲面的轮廓控制,和孔组的方向控制,一个公司就应该应用ASME Y14.5标准,ASME Y14.5标准仍然是是世界上尺寸和公差最全面的标准。它是全球公认的标准,并被翻译成其他语言。其数学定义被用作三坐标测量仪和公差分析软件的基础。



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