形状和位置公差及其检测
形位公差的概念
图样上给出的零件是没有误差的理想几何体，但是，在加工过程中由于机床、夹具、刀具和工件所组成的工艺系统本身存在各种误差，以及加工过程中出现受变形、振动、磨损等各种干扰，使加工后零件的实际形状和相互位置，与理想几何体规定的形状以及线、面相互位置存在差异，这种形状上的差异就是形状误差，相互位置之间的差异就是位置误差，它们统称为形状和位置的误差，简称形位误差。
零件在加工过程中，不仅有尺寸误差，而且会产生形状和位置误差。形位误差对机构、仪器的使用功能影响很大。因此，仅控制尺寸误差尺寸误有时仍难以保证零件的工作精度、联结强度、密封性、运动平衡性、耐磨性和可装配性等方面的要求，特别在高温、高压、高速重载等条件下工作的精密机械影响很大。
零件的形位误差对其使用性能会产生以下影响：
影响零件的功能要求。例如，机床导轨的形状误差会影响结构件（如刀架）的动精度；车床主轴两支承轴颈的形位误差会影响主轴的回转精；齿轮箱上各轴承孔的位置误差将影响齿面承载能力和齿轮副的侧隙。有结合要求的平面形状误差将影响结合的密封性，并因接触的减小面降低承载能力等。
影响零件的配合性质。例如，对于圆柱结合的间隙配合，圆柱表面的形状误差会使间隙大小分布不均，当配合件发生相对转动时，磨损加快，降低零件的工作寿命和运动精度。
影响零件的自同装配性。例如，花键轴各键的位置误差将影响与花键孔的联结；箱盖、法兰盘等零件上各螺栓孔出现位置误差将难以自由装配。
因此，设计零件时必须根据零件的功能要求，并考虑制造时的经济性，对其形位误差加以必要且合理的限制，即合理地确定零件的形位误差。
形状公差标准是重要的基础标准之一。我国参照国际准，重新修订并以颁布实施的《形状和位置公差》国家标准有GB/T1182-1996《形状和位置公差通则、定义、符号和图样表示法》、GB/T1184-1996《形状和位置公差未注公差值》、GB4249-1996》《公差原则》、GB/T16671-1996《形状位置公差最大实体要求、最小实体要求和可逆要求》等。在形位误差检测方面，也颁布了一系列国家标准和行业标准，如GB/T1958-1980《形状和位置公差检测规定》、直线度、平面度、圆度、同轴度误差检测以及位置功能量规标准等。
形位公差的研究对象
形位公差的研究对象是几何要素。任何机械零件都是由点、线、面组合而成的，把构成零件特征的点、线或面统称为几何要素，简称要素。
如图4.1所示的零件是多种要素组成的。
要素可以从不同的角度分类。 １.按存在状态分类
（１）实际要素：零件上实际存在的要素。由于存在测误差，所以完全符 合定义的实际要素是测量不到的，在生 产实际中，通常用测量得到的要素来代替实际要素。
（２）理想要素：指具有几何意义的要素，它们不存在任何误差。图样上表示的要素均为理想要素。
２．按结构特征分类
（１）轮廓要素：指构成零件外廓的并能直接为人们所感觉到的点、线、面。如图４－１中的球面、圆柱面、端平面以及圆锥面的轴线，槽面的中心平面等。中心要素是看不见、摸不着的，它总是由相应的轮廓要素来体现的，如轴线等。
３．按要素在形位公差中所处的地位分类
（１）被测要素：指零件设计图样上给出了形公差或位置公差要求的要素，是被检测的对象。
（２）基准要素：指用来确定被测要素的方向或位置的要素。
４．按被测要素的功能关系分类
（１）单一要素：指仅对其要素本身提出功能要求并给出形状公差的要素。
（２）关联要素：指与其他要素有功能关系并给出位置公差要求的要素。
三、形位公差的特征项目和符号
１．特征项目及符号介绍
表４-1形位公差特征项目和符号
GB/T1182-1996中规定的形位公差特征项目及其符号见表4-1.形位公差共有１４个项目。形状公差是对单一要素提出的要求，因此没有基准要求；位置公差是对关联要素提出的要求，因此在大多数情况下都是有基准的。当公差特征为线轮廓度和面轮廓度时，若无基准要求，则为形状误差；若有基准要求，则为位置误差。
２．形位公差带
形位公差带是用来限制被测实际要素变动的区域。这个区域是一个几何图形，它可以是平面区域或空间区域。只要被测实际要素能全部落在给定的公差带内，就表明该被测实际要素合格。
形装公差带具有形状、大小、方向和位置四个特征要素。这四个要素会在图样标注中体现出来。
形状：公差带的形状由被测要素的理想形状和给定的公差特征项目所确定。常见的形状公差带形状如图4-2所示。
大小：公差带的大小由公差值t确定，指公差带的宽度或直径。如果公差带是圆形或圆柱形的，则在公差值前加注n，如果是球形，则加Ｓn。
方向：公差带的宽度方向就是给定的公差带方向或垂直于被测要素的方向。
位置：指公差带位置是固定的还是浮动的。所谓固定的是指公差带的位置不随实际尺寸的变动而变化，如中心要素的公差带位置均是固定的。所谓浮动的，是指公差带的位置随实际尺寸的变化（上升下降）而浮动，如轮廓要素的公差带位置都是浮动的。
四、形位公差的标注方法
在技术图样中,形位公差应采用代号标注.当无法采用代号标注时,如现有的形位公差项目无法表达,或采用代号标注过于复杂时,才允许在图样的技术要求中用文字说明.
形位公差代号包括:形位公差框格、指引线、形位公差项目的符号、形位公差值和有关符号以及基准符号等,如图4.3所示.对被测要素的形位公差要求,填写在公差框格内.形位公差框格至少两格,也可以有多格的.按规定从左到右填写框格,第一格为公差项目符号,第二格为公差值和有关符号,从第三格起为代表基准的字母.基准字母用大写的英方字母,为了避免混淆,不得采用E、F、I、J、L、M、O、P、R这几个字母.
如要求在公差带内进一步限定被测要素的形状,则应在公差值后面加注符号,现表4-2.
图4.4(a)为两格的填写方法示例.图4.4(b)为三格的填写方法示例,其中A-B表示由A和B共同组成的公共基准.图4.4(c)为五格的填写方法示例,其中基准字母A、B、C、依次表示第一、第二、第三基准,其顺序无关.
五、形位公差各要素的标注
1.被测要素的标注
首先区分被测要素是轮廓要素还是中心要素.
(1)当被测要素为中心要素时,指引线的箭头应与尺寸线对齐,如图4.5(a)和图4.5(b)所示.
(2)当被测要素为轮廓要素时,箭头指向该轮廓要素或指向其引出线上,并应明显地与尺寸线错开,如图4.6(a)和图4.6(b)所示.
(3)当被测要素指向实际表面时,可在面上用一小黑点引出参考线,指引线箭头指在参考线上,如图4.7所示.
2.基准要素的标注 有方向或位置要求时,需用基准代号,并在框格中标出被测要素与基准要素之间的关系.基准代号由粗短横线、细实线和带大写字母的圆组成,如图4.8所示.无论基准代号的方向如何,其字母均为水平填写,如图4.8(b)所示.
当基准要素是轮廓要素时,基准代号中的短横线应靠近基准要素的轮廓线或轮廓面,也可靠近轮廓的延长线,但不能与尺寸线对齐,如图4.9所示.
当基准要素是短横线时,基准代号的边线应与该要素的尺寸线对齐,如图4.10(a)所示,基准代号中的短横线也可以代替尺寸线的箭头,如图4.10(b)所示.
当受到图形限,限基准代号必须在某个面上进,可在面上画出小黑点,由黑点引出参考线,基准代号则置于参考线上,如图4.11所示.
(4)当需要在基准要素上指定某此点、线或局部表面来体现各基准平面时,应标注基准目标.基准目标按下列方法标注在图样上:
①当基准目标为点时,用“x”表示,如图4.12(a)所示.
②当基准目标为线时,用细实线表示,并在棱边上加“x”,如图4.12(b)所示.
③当基准目标为局部表面时,用双点划线绘出该局部表面的图形,并画上与水平成45°的细实线,如图4.12(c)所示.
④当被测要素与基准要素相似不易辩认时,可采用任选基准(任一要素均可作为基准要素),用箭头代替基准代号中的基准符号来标注,如图4.13所示.
3.特殊表示法
(1)全周符号:对于适用于视图所示的所有轮廓线或轮廓面的形位公差要求,可在公差框格指引线的弯折处画一个细实线小圆圈,如图4.14所示.
图4.1零件的几何要素
图4.2形位公差带的形状
图4.12基准目标的标注示例
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