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你应该知道的GD&T那点事

1年前浏览2415

注:本文为工程师投稿,按要求未署名。

书写是为了更好地思考,欢迎各位工程师投稿。


       
本文先从一个真实的案例说明形位公差及公差原则的重要性,然后从为什么学、是什么、怎么学三个方面介绍GD&T的一些基础知识,其中重点介绍GD&T的面轮廓度和位置度。        


       

       
 1           
       
从一个真实的案例说起          
       
         
       
在应用正负尺寸公差标注图纸上,我们是被交过学费的。        
先讲一个真实的案例。新中国成立初期,我们国家的制造设备、制造工艺还相对比较落后,某企业需要加工一根轴与孔匹配,这里为便于说明假定轴为φ100 0/-0.1mm,孔为φ100 +0.1/0,如图1所示。        

图1 孔、轴图纸

工程师标注图纸后,总工审核也计算了公差,都一致认为孔和轴可以装配,于是找了一家日本供应商加工。

一个月后,当日本供应商把轴交付过来后,整个企业都炸开了锅,因为他们交付过来的轴是弯的,根本无法装到孔上,如图2。

图2 轴加工后尺寸

企业领导和工程师都很生气,把日本供应商叫过来说产品不合格让他们重做,并且承担延期费用,日本那边理直气壮说他们产品是合格的,并且量了轴两头及中间位置的直径,确实在图纸要求尺寸范围内。

我们哑口无言,只好花钱请日方培训怎么标注图纸,培训完后又请日方加工。总之,在这个事件中,该企业花了好大一笔钱加工一根原本很简单的轴。   

该案例说明:

1)仅有尺寸大小公差是不够的,还需要形状位置公差;

2)公差原则差异对产品加工后的影响,国际/中国标准对公差是独立原则,即尺寸大小公差和形状公差是独立的。

如果采用美国标准,则是包容原则,即大小公差要和形状公差关联起来,大小公差补偿形状公差,这样即使没有标注形状公差,大小公差也把形状公差管控了,从而保证了孔、轴装配不干涉。


       


       

       
 2           
       
为什么要学GD&T          
       

       
       

我2012年参加过GD&T培训,那次培训对我而言是醍醐灌顶,我为GD&T科学、严谨及其工程思维所折服,培训中学到的内容对我后续设计及坚持更加正确、规范标注图纸大有裨益,促进个人成长,此为学习GD&T之第一目的。

其次,GD&T与传统的正负尺寸公差标准相比,有如下几点优势:


优势1:公差带宽

如图3所示,圆孔D的孔心位置公差如果按正负公差标注,其公差带为方形,只要孔心在方形区域内,都能够满足装配。

由在方形的4个角点也可以满足装配,推论任意孔心到理论中心的偏差与4个角点到理论中心的偏差相等则也能满足装配不干涉,由此得出公差带是一个圆形,圆形公差带可以用GD&T的位置度来表示。

圆形公差带比方形公差带面积大57%(圆形公差带面积1.57 – 方形公差带1),也就是说用GD&T标注孔的位置比正负公差标注,在满足装配的前提下,制造公差可以提高57%,公差带放大。

这让我想起钟老师“降本设计”精华文章:公差设定的第二原则:考虑成本,越宽松越好,土豪除外,文末说到:最理想的公差设定是公差很宽松,但是产品的质量、功能和可靠性等同样可以满足。

我对这一原则的理解是:宽松的公差一方面当然取决于结构设计方案的优劣,体现在3D数模上;另一方面更体现2D图纸上,即用何种方式去表达,GD&T标注法优于正负公差标注。                     

     

图3 圆孔孔心位置公差带


优势2:公差补偿

公差补偿有个更接地气的叫法是公差拿奖金,即在公差带后面加M圈,后面会有详细说明。

如图4所示,在方板上有一个孔,用正负公差表示,当孔径为上偏差A+a时,其位置公差不变;但是从装配的角度考虑,与孔配合的轴却是由孔的直径及位置公差共同决定,即在孔径偏大的情况下,轴在孔内有更大的活动空间。

在GD&T标注下,孔径偏大时,孔的允许位置度为M圈前的位置度数值加上补偿量(即奖金,Bonus tolerance),补偿量的大小等于实测孔径减去孔的最大实体,后面关于位置度章节有例子详细说明。

因此,GD&T可以在满足装配要求的前提下扩大位置度公差,避免把合格品误判为不良品。

图4 孔心位置公差


优势3:检测唯一性

如图5所示,传统正负公差标注由于没有基准,检测方法有2种,不同检测方法得到不同的结果,由于不知道何种方法是符合设计要求,这就可能导致好零件被废弃,坏零件被接受,最终导致装配不良,功能失效。

而GD&T公差有明确的基准,检测方法唯一,清晰传递设计要求指导检测人员,消除设计和检测人员之间对零件质量问题的争议。

图5 正负公差与GD&T公差标注检测差异


以上从3个优势:公差带宽、公差补偿、检测唯一性,阐述为什么要学习GD&T,除此之外,GD&T还具有公差无累积,传递产品功能等优势。




       

       
 3        
       
什么是GD&T        
       

       

GD&T是Geometric Dimensioning and Tolerancing首字母缩写,中文意思是几何尺寸和公差,它用精确的数学语言描述零件的尺寸、形状、方向和位置,它是工程技术人员沟通交流的通用国际语言。

GD&T有2大阵营,美国的ASME Y14.5和欧洲的ISO 1101,两大标准基本原理是一致的,大约有80%的内容重叠,它们都是为了解决零件的功能和可装配性问题。下表列出主要的GD&T标准。

美国

ASME Y14.5

包容原则

国际

ISO 1101

独立原则

中国、德国、日本标准

皆等效于ISO1101

中国

GB/T 1182

德国

DIN ISO 1101

日本

JIS B0021

GD&T是一种面向产品功能的图纸设计语言,图纸设计的目标是保证产品功能,通过GD&T标注2D图纸公差,让图纸只有一种解释以保证上下游的人解读图纸时不会引起争议。

GD&T主要是通过三步法来完成2D图纸的定义:

第一步:定功能,分析产品是怎么装配的,哪些是定位与配合面,哪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,包括三部分,首先选择公差类型,如孔推荐使用位置度,表面推荐使用轮廓度;其次通过尺寸链公差计算确定公差值大小;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。


GD&T公差类型及关系归纳如图6所示,其中,位置公差管控方向公差和形状公差,方向公差管控形状公差。GD&T尺寸可以归纳为孔、轴、板、槽4种。       

图6 GD&T公差类型及关系

下面重点介绍位置度及面轮廓度,线、面轮廓度不带基准时可以用来表示形状,带基准时可以用来表示方向和位置。


位置度

在讲解位置度之前,先简单介绍最大实体和最小实体,如图7所示。

最大实体状态:MMC是指孔或轴允许的材料量为最多时,即轴最大,孔最小,它代表的是最恶劣的装配状态。

最小实体状态:LMC是指孔或轴允许的材料量为最少时,即轴最小,孔最大,它代表最恶劣的强度状态。 

图7 最大实体MMC和最小实体LMC

位置度多用于孔,如图8所示,4个圆孔大小为Φ7±0.2,相对于基准A、B、C的位置度为Φ1.0,带M圈补偿。

图8 位置度标注

对该位置度的解析及检具检测如图9所示,由此可见,M圈可以放宽公差,同时也便于检测(检具检测销大小唯一),而不带M圈,检具检测销大小不唯一,造成检测麻烦,实际操作会制作成Φ6.2,这样会把一些良品判断成不良品。  

图9 位置度解析及检测


面轮廓度

面轮廓度常用于产品的外表面、外形轮廓,如图10所示。

面轮廓度带基准代表形位公差,表示用两条平行线/面(距离等于轮廓度大小)在理论位置将被测目标包络起来。

轮廓度带基准除了管控特征的形状,还要管控特征相对于基准的位置,轮廓度的大小等于2倍实测的最大单边偏移量。

图10 面轮廓度带基准

面轮廓度公差后面带U圈,符号记作,表示非对称轮廓度符号,比如,

两个公差值中,U前面的0.5是指公差带宽,U后面的0.3比较有讲究,它是指不去除材料方向的公差,可以理解孔径减小或者轴径加大的方向(类似于MMC),U圈后面数值可以带+-号,+号省略不写,也可以为0,下面举例说明。

如图11所示为轴的外轮廓面3种非对称轮廓度及其公差带,0.5为公差带宽,U圈后面的数值为轴径增大的部分,0.3表示在理论面外扩0.3,0表示在理论面外扩0,-0.3表示在理论面外扩-0.3(即内缩0.3)。

图11  轴非对称轮廓度及其公差带

如图12所示为孔的内轮廓面3种非对称轮廓度及其公差带,0.5为公差带宽,U圈后面的数值为孔径减小的部分,0.3表示在理论面内缩0.3,0表示在理论面内缩0,-0.3表示在理论面内缩-0.3(即外扩0.3)。

图12 孔非对称轮廓度及其公差带


       


       

       
 4        
       
如何学GD&T        
       

       

以上介绍了GD&T的几大优势及GD&T涉及的标准、3步法定义图纸,同时介绍了GD&T的公差类型及其关系,重点阐述了2个位置公差,即位置度及面轮廓度。

讲了这么多,如何学GD&T呢?

GD&T知识内容庞大,涉及标准众多,敝人以为分3个层次学习:

1)入门,读懂这篇文章涉及的知识点,能够读懂位置度及面轮廓度,就算是入门了,如果能够在网上查找一下资料再结合一起学习,就更好了。

2)提高,钟老师之前发的10G、25G资料里也有GD&T的培训PPT,找几份认真看一下,较为系统全面学习GD&T其他知识点,如果能够读完一本GD&T书籍或花时间研读GD&T标准就更好了。

3)掌握,有条件的情况下,参加外部培训还是很有必要的,外训的老师基本上是GD&T方面的专家,他们可能是直接参与中国甚至是美国的GD&T标准的编写工作,在入门和提高的前提下去参加培训,可以对GD&T的全貌有更深入的认识,同时也可以纠正或巩固部分知识点。


       


       

       
最后的话        

       

零件加工制造实际尺寸存在误差是必然的事实,为了保证零件装配的互换性,就必须控制零件在允许的尺寸公差范围内。

随着产品性能要求不断提高,产品越来越复杂,原来的正负尺寸公差已无法满足,由此诞生出以满足装配功能的形位几何公差。

GD&T在航空、医疗、汽车、家电、消费电子等行业应用越来越广泛,它是一门产品功能转化为实物的沟通工具和语言,作为机械工程师或从事与机械相关的岗位,学会GD&T以上基础的知识非常有必要且实用。

最后,祝朋友们在学习和使用GD&T的道路上挖掘更多精彩内容,与大家分享共同学习、成长。



注:本文为工程师投稿。书写是为了更好地思考,欢迎各位工程师投稿。    

来源:降本设计

通用航空汽车电子消费电子理论尺寸链材料控制
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首次发布时间:2023-11-14
最近编辑:1年前
钟元
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