光滑工件与批量零件尺寸检验

任务描述与要求

在各种几何量的测量中，尺寸检验是最基本的。由于被测零件的形状、大小、精度要求和使用场合的不同，采用的计量器具也不同。对于单件或小批量生产的零件，常采用通用计量器具来检验；对于大批量生产的零件，为提高检验效率，多采用量规来检验。

1. 知识要求

（1） 熟悉测量误差的有关术语及产生的原因。

（2） 掌握误差的数据处理方法。

2. 技能要求

能够正确处理测量数据，检验零件的合格性。

任务引入

（2） 工厂现有1 000 件配合件需要检验，零件尺寸标注为 18H8/h7 φ　，请设计适合的检验工具。

任务知识准备

一、光滑工件的尺寸检验

用普通计量器具测量工件应参照国家标准GB/T 3177—2009 进行，该标准适用于车间用的计量器具（游标卡尺、千分尺和分度值不小于0.5 m 的指示表和比较仪等），主要用以检测公称尺寸至500 mm、公差等级为IT6～IT18 的光滑工件尺寸，也适用于一般公差尺寸的检测。

1. 误收与误废

由于测量误差的存在，故在验收工件时可能会受测量误差的影响，对位于极限尺寸附近的工件产生两种错误判断——误收和误废。误收是指将超出极限尺寸的工件误判为合格品而接收；误废是指将未超出极限尺寸的工件误判为废品而报废。

误收会影响产品质量，误废将造成经济损失。GB/T 3177—2009 中规定的验收原则是：所用验收方法原则上是“应只接收位于规定的尺寸极限之内的工件”，即只允许有误废而不允许有误收。

2. 验收极限与安全裕度

为了减少误收，保证零件的质量，一般采用规定验收极限的方法来验收工件，即采用安全裕度来抵消测量的不确定度。国家标准对确定验收极限规定了两种方式。

（1） 内缩方式。验收极限是指从规定的上极限尺寸和下极限尺寸分别向工件公差带内移动一个安全裕度A，如图3 - 21 所示。

图3-21　验收极限与安全裕度　

工件的验收极限：　

内缩方式主要适用于符合包容要求、公差等级高的尺寸。

安全裕度A 值应按工件的公差大小确定，一般为工件公差的1/10，数值见表3 - 7。

表3-7　安全裕度A 及计量器具不确定度的允许值u1　mm

（2） 不内缩方式。不内缩方式的验收极限等于工件的上极限尺寸和下极限尺寸，即安全裕度A = 0。由于这种验收极限方式比较宽松，所以一般用于非配合尺寸和一般公差尺寸。

3. 计量器具的选择

在机械制造中，计量器具的选择要综合考虑计量器具的技术指标和经济指标，主要有两点要求：按照被测工件的外形、位置和尺寸的大小及被测参数的特性来选择计量器具，使选择的计量器具的测量范围能满足工件的要求；按照被测工件的精度来选择计量器具，使选择的计量器具的不确定度u1 既能保证测量精度，又符合经济性要求。

GB/T 3177—2009 中规定，应按照计量器具测量的不确定度允许值（u1）选择计量器具。选择时应使所选用的计量器具的测量不确定度数值等于或小于选定的u1 值。

计量器具的测量不确定度允许值（u1）按测量不确定度（u）与工件公差的比值分挡。

对IT6～IT11 级别分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三挡，分别为工件公差的1/10、1/6、1/4，对IT12～IT18级分为Ⅰ、Ⅱ两挡，见表3 - 8。

计量器具的测量不确定度允许值为测量不确定度的0.9 倍。

一般情况下应优先选用Ⅰ挡，其次选用Ⅱ、Ⅲ挡。

选择计量器具时，应保证其不确定度 1u′不大于其允许值u1。有关量仪的 1u′值见表3 - 9～表3 - 11。

表3-9　千分尺和游标卡尺的不确定度 ′1u　mm

表3-10　比较仪的不确定度 ′1u　mm

表3-11　指示表的不确定度 ′1u　mm

二、批量零件的检验

大批量的同规格零件需要检测时，如果用常规的测量器具逐个零件检查则费时费力，那么能不能采用一种专用的测量器具呢？光滑极限量规就能很好地解决这一问题。光滑极限量规是一种没有刻度的专用检验工具，它不能确定工件的实际尺寸，只能确定工件尺寸是否处于规定的极限尺寸范围内。

1. 光滑极限量规的测量原理及分类

最大实体尺寸（MMS）是指确定要素最大实体状态的尺寸，即内尺寸要素的下极限尺寸或外尺寸要素的上极限尺寸，分别用DM 和力dM 表示。

最小实体尺寸（LMS）是指确定要素最小实体状态的尺寸，即内尺寸要素的上极限尺寸或外尺寸要素的下极限尺寸，分别用DL 和dL 表示。

检验孔的光滑极限量规称为塞规，一个塞规按被测孔的最大实体尺寸制造，称为通规或过端；另一个塞规按被测孔的最小实体尺寸制造，称为止规或止端，如图3 - 22（a）所示。检验轴的光滑极限量规称为环规或卡规。一个环规按被测轴的最大实体尺寸制造，称为通规；另一个环规按被测轴的最小实体尺寸制造，称为止规，如图3 - 22（b）所示。测量时，必须把通规和止规联合使用，只有当通规能够通过被测孔或轴，同时止规不能通过被测孔或轴时，该孔或轴才是合格品。

在机械制造业中，由于光滑极限量规结构简单、使用方便、测量可靠，所以成批或大量生产的工件多采用光滑极限量规检验。

光滑极限量规按其不同的用途分为工作量规、验收量规和校对量规三类。工作量规是工人在制造工件过程中使用的量规，工作量规的通规用代号T 表示，止规用代号Z 表示。

通规和止规的用法

图3-22　光滑极限量规　

验收量规是检验部门或用户代表验收产品时使用的量规；校对量规只是用来校对轴用量规，以检验卡规是否符合制造公差或已经磨损或变形。对于孔用量规，因其工作表面为外表面，可以很方便地使用量仪检验，故不用校对量规。

2. 工作量规的尺寸公差带

（1） 工作量规公称尺寸的确定。工作量规中的通规用于检验工件的作用尺寸是否超过最大实体尺寸（轴的上极限尺寸或孔的下极限尺寸），工作量规中的止规用于检验工件的实际尺寸是否超过最小实体尺寸（轴的下极限尺寸或孔的上极限尺寸）。各种量规即以被检验的极限尺寸作为公称尺寸。

（2） 工作量规公差带。

工作量规公差带由两部分组成。

①　制造公差。量规制造时不可避免地也会产生误差，故需规定制造公差。但量规制造公差要比被检验工件公差小得多。

②　磨损公差。通规在检验时，经常要通过被检验工件，其工作表面会产生磨损，故还需规定磨损公差，以使通规有一合理的使用寿命。而止规因不经常通过被检验工件，故不需要规定磨损公差。

图3 - 23 所示为光滑极限量规公差带图，GB/T 1957—2006 中规定量规公差带以不超越工件极限尺寸为原则，通规的制造公差带对称于Z 值，其允许磨损量以工件的最大实体尺寸为极限；止规的制造公差带是从工件的最小实体尺寸算起，分布在尺寸公差带之内。

图3-23　量规公差带图　

（a）孔用工作量规公差带；（b）轴用工作量规及其校对量规公差带
T—量规制造公差；Tp—校对量规制造公差；Z—通规制造公差带的中心线到工件最大实体尺寸之间的距离

制造公差T 值和通规公差带位置要素Z 值综合考虑了量规的制造工艺水平和一定的使用寿命，按工件的公称尺寸、公差等级给出，具体数值见表3 - 12。

表3-12　IT6～IT12 级工作量规的制造公差T 及位置要素Z　mm

3. 量规的设计

1）量规设计原则及其结构

当所设计的轴和孔要求遵守包容原则时，检验该轴、孔所用的光滑极限量规的设计应符合极限尺寸判断原则（即泰勒原则）。所谓极限尺寸判断原则，即孔或轴的作用尺寸不允许超过最大实体尺寸，对于孔，其作用尺寸应不小于下极限尺寸；对于轴，其作用尺寸应不大于上极限尺寸。同时，在任何位置上的实际尺寸不允许超过最小实体尺寸，对于孔，实际尺寸应不大于上极限尺寸；对于轴，则应不小于下极限尺寸。

根据这一原则，通规应设计成全形的，即其测量面应具有与被测孔或轴相应的完整表面，其尺寸应等于被测孔或轴的最大实体尺寸，其长度应与被测孔或轴的配合长度一致；止规应设计成点接触式的，其尺寸应等于被测孔或轴的最小实体尺寸。

但在实际应用中，极限量规常偏离上述原则。例如，为了采用已标准化的量规，允许通规的长度小于接合面的全长；对于尺寸大于100 mm 的孔，用全形塞规通规很笨重，不便使用，则允许用不全形塞规；环规通规不能检验正在顶尖上加工的工件及曲轴，允许用卡规代替；检验小孔的塞规止规，常用便于制造的全形塞规，检验刚性差的工件时也常用全形塞规或环规。

同时应该指出，只有在保证被检验工件的形状误差不致影响配合性质的前提下，才允许使用偏离极限尺寸判断原则的量规。

选用量规结构型式时，必须考虑工件结构、大小、产量和检验效率等，图3 - 24 所示给出了量规的型式及其应用。

卡规的使用视频

(www.xing528.com)

图3-24　量规的型式及其应用　

（a）测孔量规形式及应用尺寸范围；（b）测轴量规形式及应用尺寸范围

2）量规极限偏差的计算

（1） 按《公差与配合》国标确定孔与轴的上、下极限偏差。

（2） 按表3 - 12 查出工作量规制造公差T 值和位置要素Z 值。

（3） 计算各种量规的上、下极限偏差，画出公差带图。

3）量规的其他技术要求

工作量规的形位误差应在量规的尺寸公差带内，形位公差为尺寸公差的50%，但当形位公差小于0.001 mm 时，由于制造和测量都比较困难，故形位公差都规定选为0.001 mm。由于校对量规尺寸公差已经比较小，因此，对其形位公差不再另外规定，只要在其尺寸公差带内即可。

量规测量面的材料可用淬硬钢（合金工具钢、碳素工具钢等）和硬质合金，也可以在测量面镀上耐磨材料。测量面的硬度应为58～65HRC。

量规测量面的表面粗糙度，主要是从量规使用寿命、工件表面粗糙度及量规制造的工艺水平考虑。一般量规工作面的表面粗糙度要求比被检工件的粗糙度要求要严格些。量规测量面表面粗糙度要求可参照表3 - 13 选用。

表3-13　量规测量面表面粗糙度

任务实施

根据任务求解如下：

（1） 解：①　确定安全裕度和计量器具不确定度允许值。

已知公差等级IT9，公差T = 0.062 mm，由表3 - 7 查出：安全裕度A = 0.006 mm，计量器具不确定允许值u1 = 0.005 4 mm。

②　确定验收极限。

上验收极限 = 上极限尺寸 - 安全裕度 = φ（40 - 0.006） = φ 39.994（mm）

下验收极限 = 下极限尺寸 + 安全裕度 = φ（39.938 + 0.006） = φ 39.944（mm）

③　选择计量器具：工件公称尺寸为φ 40 mm，由表3 - 9 查得：分度值为0.01 mm 的千分尺的不确定度 1u′ = 0.004 mm，因为 1u′＜u1，所以满足使用要求。

（2） 解：批量的配合件检验应该设计专用量规，根据题意设计计算如下：

φ 18H8 的上极限偏差ES =　+ 0.027 mm，下极限偏差EI = 0。

φ 18h7 的上极限偏差es = 0，下极限偏差ei =　- 0.018 mm。

由表3 - 10 查得：

φ 18H8 孔用塞规：

φ 18h7 轴用卡规：

①　φ 8H8 孔用塞规。

通规：

止规：

②　φ 18h7 轴用卡规

通规：

止规：

量规的尺寸公差带如图3 - 25 所示，量规工作尺寸的标注如图3 - 26 所示。

图3-25　量规的尺寸公差带　

图3-26　量规工作尺寸的标注　

（a）塞规；（b）卡规

拓展知识

一、测量四原则

（1） 阿贝原则：被测量与计量基准的尺寸应在同一处。

（2） 基准统一原则：工序测量基准与工艺加工基准一致，终检测量基准与设计基准一致。

（3） 最短测量链原则：即尽量减少测量链的环节数目，例如用量块时，一般组成的量块组不超过4 块量块。

（4） 最小变形原则：采取标准温度测量并控制测量力，以减少变形而造成的测量误差。

二、量规使用注意事项

量规是一种精密测量器具，使用量规过程中要与工件多次接触，如何保持量规的精度、提高检验结果的可靠性，这与操作者的关系很大，因此必须合理、正确地使用量规。

（1） 使用前，要认真地进行检查。先要核对图纸，看这个量规是不是与要求的检验尺寸和公差相符，以免发生差错，造成大批废品。同时要检查量规有没有检定合格的标记或其他证明。还要检查量规的工作表面上是否有锈斑、划痕和毛刺等缺陷，因为这些缺陷容易引起被检验工件表面质量下降，特别是公差等级和表面粗糙度较高的有色金属工件更为突出。此外，还要检查量规测头与手柄连接是否牢固可靠，最后检查工件的被检验部位（特别是内孔）是否有毛刺、凸起、划伤等缺陷。

（2） 使用前，要用清洁的细棉纱或软布把量规的工作表面擦干净，允许在工作表面上涂一层薄油，以减少磨损。

（3） 使用前，要辨别哪是通端、哪是止端，不要弄错。

（4） 使用时，量规的正确操作方法可归纳为“轻”“正”“冷”“全”四个字。

①　轻，就是使用量规时要轻拿轻放，稳妥可靠；不能随意丢掷；不要与工件碰撞，工件放稳后再来检验；检验时要轻卡轻塞，不可硬卡硬塞。

②　正，就是用量规检验时，位置必须放正，不能歪斜，否则检验结果也不会可靠。

③　冷，就是当被检工件与量规温度一致时才能进行检验，而不能把刚加工完还发热的工件进行检验；精密工件应与量规进行等温检验。

④　全，就是用量规检验工件要全面，才能得到正确可靠的检验结果，塞规通端要在孔的整个长度上检验，而且还要在2 或3 个轴向平面内检验，塞规止端要尽可能在孔的两端进行检验。卡规的通端与止端都应沿轴和围绕轴不少于4 个位置进行检验。

（5）若塞规卡在工件孔内，则不能用普通铁锤敲打、扳手扭转或用力摔砸，否则会使塞规工作表面受到损伤。这时要用木、铜、铝锤或钳工拆卸工具（如拔子或推压器），还要在塞规的端面上垫一块木片或铜片加以保护，然后用力拔或推出来。必要时，可以把工件的外表面稍微加热后再把塞规拔出来。

（6） 当机床上装夹的工件还在运转时，不能用量规去检验。

（7） 不要用量规去检验表面粗糙和不清洁的工件。

（8） 量规的通端要通过每一个合格的工件，其测量面经常磨损，因此，量规需要定期检定。

对于工作量规，当塞规通端接近或超过其最小极限，卡规（环规）的通端接近或超过其上极限尺寸时，工件量规要改为验收量规来使用。当验收量规接近或超过磨损极限时，应立即报废，停止使用。

（9） 使用光滑极限量规检验工件，如判定有争议，则应该使用下述尺寸的量规检验：通端应等于或接近工件的最大实体尺寸（即孔的下极限尺寸、轴的上极限尺寸），止端应等于或接近工件的最小实体尺寸（即孔的上极限尺寸、轴的下极限尺寸）。

三、量具的维护和保养

正确地使用精密量具是保证产品质量的重要条件之一。要保持量具的精度和它工作的可靠性，除了在使用中要按照合理的使用方法进行操作以外，还必须做好量具的维护和保养工作。

（1）在机床上测量零件时，要等零件完全停稳后进行，否则不但会使量具的测量面过早磨损而失去精度，而且会造成事故，尤其是车工使用外卡时，不要以为卡钳简单，磨损一点无所谓，要注意铸件内常有气孔和缩孔，一旦钳脚落入气孔内，会把操作者的手也拉进去，造成严重事故。

（2）测量前应把量具的测量面和零件的被测量表面都擦干净，以免因有脏物存在而影响测量精度。用精密量具如游标卡尺、百分尺和百分表等，去测量锻铸件毛坯，或带有研磨剂（如金刚砂等）的表面是错误的，这样易使测量面很快磨损而失去精度。

（3）量具在使用过程中不要和工具、刀具，如锉刀、榔头、车刀和钻头等堆放在一起，以免碰伤量具；也不要随便放在机床上，以免因机床振动而使量具掉下来损坏。尤其是游标卡尺等，应平放在专用盒子里，以免使尺身变形。

（4）量具是测量工具，绝对不能作为其他工具的代用品。例如拿游标卡尺划线、拿百分尺当小榔头、拿钢直尺当起子旋螺钉，以及用钢直尺清理切屑等都是错误的。把量具当玩具，如把百分尺等拿在手中任意挥动或摇转等也是错误的，都易使量具失去精度。

（5）温度对测量结果影响很大，零件的精密测量一定要使零件和量具都在20 ℃的情况下进行测量。一般可在室温下进行测量，但必须使工件与量具的温度一致，否则由于金属材料热胀冷缩的特性，会使测量结果不准确。

温度对量具精度的影响也很大，量具不应放在阳光下或床头箱上，因为量具温度升高后，也量不出正确尺寸。更不要把精密量具放在热源（如电炉，热交换器等）附近，以免使量具受热变形而失去精度。

（6）不要把精密量具放在磁场附近，例如磨床的磁性工作台上，以免使量具感磁。

（7）发现精密量具有不正常现象时，如量具表面不平、有毛刺、有锈斑以及刻度不准、尺身弯曲变形、活动不灵活，等等，使用者不应当自行拆修，更不允许自行用榔头敲、锉刀锉、砂布打光等粗糙方法修理，以免增大量具误差。发现上述情况，使用者应当主动送计量站检修，并经检定量具精度后再继续使用。

（8）量具使用后，应及时擦干净，除不锈钢量具或有保护镀层者外，金属表面应涂上一层防锈油，放在专用的盒子里，保存在干燥的地方，以免生锈。

（9）精密量具应实行定期检定和保养，长期使用的精密量具要定期送计量站进行保养和检定精度，以免因量具的示值误差超差而造成产品质量事故。