【原】你应该知道的GD&T那点事

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。