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

[互换性与测量技术课程三级报告]
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

[互换性与测量技术课程三级报告]
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

[互换性与测量技术课程三级报告]
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< br>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。

1

[互换性与测量技术课程三级报告]
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。
2

[互换性与测量技术课程三级报告]
轴承钢GCr15和弹簧钢65 Mn，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< br>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
< br>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I T12-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。
3

[互换性与测量技术课程三级报告]
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< br>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。
4

[互换性与测量技术课程三级报告]
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
5

[互换性与测量技术课程三级报告]
技术与经济的最佳效果。 < br>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。

6

[互换性与测量技术课程三级报告]
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< br> 7

[互换性与测量技术课程三级报告]
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。







8

[互换性与测量技术课程三级报告]
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< br>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。

9

[互换性与测量技术课程三级报告]
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
10

[互换性与测量技术课程三级报告]
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。
11

[互换性与测量技术课程三级报告]
2)左起第二段：与毛毡接触，按GBT1804-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；
12

[互换性与测量技术课程三级报告]
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。

13

[互换性与测量技术课程三级报告]
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< br>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
14

[互换性与测量技术课程三级报告]
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。

15