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第二章 机械设计基础
该章介绍了机械设计中所涉及的一些基础的、最常用的知识和标准，如“极限与配合”,
“形状与位置公差”及其应用、最新国家标准的“图样的表面结构表示法（粗糙度）,,以及机械零件常用材料及其选择方法等。
§2-1 极限与配合
为了组织规模生产，提高设计、制造和使用的效率和经济性，在装配时，从同一批零件中任取一个，不经修配，不经分组或其他加工就能装配成产品，并能达到所规定的使用要求，
这种性质称为互换性。互换性给产品设计、制造和使用维修带来很大的方便，已成为现代机械制造业中一个普遍遵守的原则。 为了完全满足互换性的要求,同一规格的零件的几何参数做得完全一致是不可能的,因为加工误差总是存在的。 在实际中只要求同一规格的零部件的几何参数保持在一定的范围内变动,就能达到互换的目的,这个零件几何参数的允许范围就叫做公差。
一、极限
由于设备、工装夹具及测量误差等因素的影响，零件不可能制造得绝对准确。为了保证零件的互换性,就必须对零件的尺寸规定一个允许的变动范围,这个变动范围就是通常所说的尺寸公差。极限有关术语的含义如图 2-1 所示，为了讨论问题的方便，均把尺寸的变动作单边变动来讨论。
图 2-1 尺寸公差与术语
1．基本尺寸 基本尺寸是由设计者给定的尺寸，如图 2-1a 中的 φ40mm。
2．实际尺寸 实际尺寸是零件加工完毕后测量所得的尺寸。
3．极限尺寸 极限尺寸是指允许尺寸变化的两个极限值。它以基本尺寸为基数来确定，
较大的一个尺寸为最大极限尺寸，如 40.003mm，它限定了实际尺寸的最大值；较小的一个为最小极限尺寸，如 39.987mm，它限定了实际尺寸的最小值。
2
4．尺寸偏差（简称偏差） 某一尺寸减去其基本尺寸所得的代数差。尺寸偏差分为上偏差（孔 ES、轴 es）和下偏差（孔 EI、轴 ei） 。
上偏差 =最大极限尺寸－基本尺寸
下偏差 =最小极限尺寸－基本尺寸
极限偏差其值可以为正、负或零。图 2-1b 中孔的 ES = (40.003－ 40 ) mm = +0.003 mm,
EI= (39.987－ 40 ) mm = － 0.013 mm。
实际偏差是实际尺寸与基本尺寸的代数差。实际偏差在上、下偏差之间，该尺寸合格。
5．尺寸公差（简称公差） 尺寸公差是允许零件尺寸的变动量。公差 =最大极限尺寸－最小极限尺寸或公差 =上偏差－下偏差。如图 2-1b 中孔的公差 =（ 40.003－ 39.987) mm = [+0.003
－ (－ 0.013)] mm = 0.016 mm，所以尺寸公差一定为正值。
6．零线 在极限与配合图解中，零线是表示基本尺寸的一条直线，以其为基准确定偏差和公差，即偏差值为 0 的一条基准直线。通常用基本尺寸起点的尺寸界线作为零线。一般零线水平布置，位于零线之上的偏差值为正，位于零线之下的偏差值为负，如图 2-1c 所示。
7．尺寸公差带（简称公差带） 由代表上、下偏差值的两条直线所限定的一个区域称为公差带。公差带与零线构成的图形称为公差带图。图 2-1a 中 φ40 孔的公差带图如图 2-1c 所示。
公差带图能形象地表示公差带大小及其相对于零线的位置。
8．标准公差 用以确定公差带大小的任一公差，它是由基本尺寸和公差等级所确定。国家标准为了满足不同零件的要求，将标准公差分为 20 个等级，即 IT01,IT0,IT1,IT2,……、
IT18。 IT 代表标准公差，数字代表公差等级。公差等级反映尺寸精确程度。同一基本尺寸，
公差等级越高，则公差值越小，公差带越窄，即该尺寸的精确程度越高。
选用公差等级的原则是：在满足机器使用要求的前提下应尽量采用较低等级，以降低制造成本。通常,
IT01～ IT1——用于精密量块和计量器具等的尺寸公差。
IT2～ IT5——用于精密零件的尺寸公差。
IT5～ IT12——用于有配合要求的一般机器零件的尺寸公差。
IT12～ IT18——用于不重要或没有配合要求的零件的尺寸公差。
9．基本偏差 在极限与配合制中，标准公差确定公差带大小，但不能确定公差带相对于零线的位置，如再知任一极限偏差，公差带图就能唯一确定。因此，一般把在公差带图中离零线最近的那个极限偏差称为,基本偏差,，用以确定公差带相对于零线的位置。
基本偏差系列,公差带不同的位置就形成不同的基本偏差。 根据机器中零件间结合关系的不同要求，国家标准规定了 28 种基本偏差，这 28 种基本偏差就构成了基本偏差系列，每种基本偏差都规定了相应的基本偏差代号。 这 28 个基本偏差代号由 26 个拉丁字母去掉了容易相混的 I,L,O,Q,W5 个字母，加入 CD,EF,FG,JS,ZA,ZB,ZC 七种组成。其中大写字
3
母表示孔，小写字母表示轴，如图 2-2 所示。
图 2-2 基本偏差系列示意图
轴的基本偏差从 a～ h 为上偏差，且为负值，其中 h 的上偏差为零。 js 在各级标准公差带里完全对称地分布在零线的两侧，其基本偏差可以是上偏差（ +IT/2）或下偏差（－ IT/2） 。从
j 到 zc 为下偏差，其中 j 为负值而 k 到 zc 为正值。 k 表示了两种不同位置的基本偏差，分别适用于不同的公差等级。
孔和轴的基本偏差呈对称地分布在零线的两侧。 图中公差带一端画成开口,表示不同公差等级的公差带宽度有变化。
根据基本尺寸可以从有关标准中查得轴和孔的基本偏差数值，再根据给定的标准公差即可计算轴和孔的另一偏差,
轴的另一偏差 (上偏差 es 或下偏差 ei)
es=ei+IT 或 ei=es－ IT
孔的另一偏差 (上偏差 ES 或下偏差 EI)
ES=EI+IT 或 EI=ES－ IT
10．公差带代号 公差带代号由,基本偏差代号,和,公差等级,组成，如 F6,K6,f7 等。
例如,H8,F7,K6 等为孔的公差带代号； h7,f7,k6 等为轴的公差带代号。
11．公差等级的选择 合理地选择公差等级，就是为了更好地解决机械零、部件的使用要求与制造工艺术成本之间的矛盾。
(1) 选择公差等级应首先满足使用要求，各个等级标准公差的应用范围没有严格的划分。
表 2-1 为各公差等级的应用范围。
4
表 2-1 公差等级的应用
公 差 等 级（ IT）
应用
01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
量块
量规
配合尺寸
特别精密零件的
配合
非配合尺寸
（大制造公差）
原材料公差
（ 2）对于基本尺寸至 500mm 的配合，由于孔比轴加工困难，所以当公差等级较高（标准公差≤ IT8）时，国标规定选用异级（轴比孔高一级）配合，对于公差等级要求较低时，推荐采用同级配合。
（ 3）在满足使用要求的前提下，尽量采用较大的公差值，以降低生产成本，同时也考虑到工艺上的可行性。
公差等级与各种加工方法的关系如表 2-2 所示。
5
表 2-2 各种加工方法的加工精度
公 差 等 级（ IT）
加工方法
01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
研 磨
珩 磨
圆 磨
平 磨
金刚石车
金刚石镗
拉 削
铰 孔
车
镗
铣
刨、插
钻 孔
滚压、挤压
冲 压
压 铸
粉末冶金成型
粉末冶金烧结
砂型铸造、气割
锻 造
二、配合
“基本尺寸,相同的相互结合的孔与轴（也包括非圆表面）公差带之间的关系称为配合。通俗讲，配合就是指,基本尺寸,相同的孔与轴结合后的松紧程度，当孔的尺寸减去轴的尺寸所得代数差为正值时为间隙，为负值时为过盈。
1．配合的种类 由于机器或部件在工作时有各种不同的要求，因此，零件间配合的松紧程度也不一样。国家标准把配合分为三大类,
（ 1）间隙配合,基本尺寸,相同的孔与轴结合时，孔的实际尺寸大于轴的实际尺寸的这类配合称为间隙配合。它的特点是：孔与轴结合后，有间隙存在（包括最小间隙为零）,二者可作相对运动，属可动结合。孔的公差带始终位于轴的公差带上方，如图 2-3 所示。
6
图 2-3 间隙配合
（ 2）过盈配合,基本尺寸,相同的孔与轴结合时，孔的实际尺寸小于轴的实际尺寸的这类配合称为过盈配合。它的特点是：孔与轴结合后，有过盈存在（包括最小过盈为零）,二者不能相对运动，属刚性结合，轴的公差带始终位于孔的公差带上方，如图 2-4 所示。
图 2-4 过盈配合
（ 3）过渡配合,基本尺寸,相同的孔与轴结合时，孔与轴之间可能出现间隙，也可能出现过盈的这类配合称为过渡配合。它的特点是：孔的实际尺寸可能大于、也可能小于轴的实际尺寸，孔与轴的公差带相互交叠，如图 2-5 所示。
图 2-5 过渡配合
上述三种配合中,由于过渡配合具有间隙或过盈都较小,相互结合的孔与轴的同轴度较好，
7
因此使用较为广泛。
2．配合制（基准制） 同一极限制的孔和轴组成配合的一种制度。由于国家标准规定了
28种基本偏差和 20个等级的标准公差后,对给定基本尺寸的孔或轴就可以形成大量的公差带。
如果任意选配,情况变化极多,这样不便于零件的设计与制造。 为此,国家标准规定了配合制，
它分为基孔制配合和基轴制配合。
（ 1） 基孔制配合 是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。基孔制配合的孔为基准孔，其代号为,H”。标准规定的基准孔的基本偏差（下偏差）为 0，如图 2-6a 所示。
（ 2） 基轴制配合 是基本偏差为一定的轴的公差带,与不同基本偏差的孔的公差带形成各种配合的一种制度。基轴制配合的轴为基准轴，其代号,h”。标准规定的基准轴的基本偏差
（上偏差）为 0，如图 2-6b 所示。
图 2-6 基孔制与基轴制
（ 3）极限与配合的选择 一般优先采用基孔制，因为加工相同精度等级的孔要比轴困难，而且可以减少定值刀具和量具的规格数量，有利于刀、量具的标准化、系列化，经济合理，
使用方便。特殊情况下采用基轴制，在有些情况下，采用基轴制比较经济合理。例如用冷拉钢材做轴时，由于本身的精度（可达 IT8）已能满足设计要求，故不再加工，这时应采用基轴制。
再如图 2-7a 所示，活塞销两端与活塞孔为过渡配合，中部与连杆衬套为间隙配合。若采用基孔制，活塞势必做成两端粗、中间细，造成加工和装配困难。
8
图 2-7 基轴制选用示例
根据标准件选择基准制。当设计的零件与标准件相配时，基准制的选择应依标准件而定。
如图 2-7b 中，与滚动轴承内圈相配的轴应选用基孔制，而与滚动轴承外圈配合的孔应选用基轴制。
在保证使用要求的前提下,为了减少加工工作量,一般应选用孔比轴低一级公差才是合理经济的。
如有特殊需要，允许将任一孔、轴公差带组成非基准制配合。
国标在极大地满足各行各业使用要求的前提下,规定了优先,常用和一般用途的公差带和与之相应的优先、常用的配合，见附录，选用时首先采用优先配合，其次选用常用配合。在实际生产中，通常多采用类比法，为此首先必须掌握各种基本偏差的特点，并了解它们的应用实例，然后，再根据具体要求的情况加以选择。表 2-3 列出了尺寸至 500mm 基孔制、基轴制优先配合的特征及应用。
表 2-3 优先配合特性及应用（ GB/T 1801-1999）
基孔制 基轴制 优先配合选用说明
11
11
H
c
11
11
C
h
间隙非常大，用于很松的、转动很慢的动配合，或要求大公差与大间隙的外露组件，或要求装配方便的很松的配合
9
9
H
d
9
9
D
h
间隙很大的自由转动配合，用于精度为非主要要求，或有大的温度变动、高转速或大的轴颈压力时
8
f7
H
8
7
F
h
间隙不大的转动配合，用于中等转速与中等轴颈压力的精确转动，也用于装配较易的中等定位配合
7
6
H
g
7
6
G
h
间隙很小的滑动配合，用于不希望自由转动，但可自由移动和滑动并精密定位时，也可用于要求明确的定位配合
78
67
911
911
H H
hh
H H
hh
78
67
911
911
H H
hh
H H
hh
均为间隙定位配合，零件可自由装拆，而工作时一般相对静止不动。在最大实体条件下的间隙为零，在最小实体条件下的间隙由公差等级决定
7
6
H
k
7
6
K
h
过渡配合，用于精密定位
9
7
6
H
n
7
6
N
h
过渡配合，允许有较大过盈的更精密定位
7*
6
H
p
7
6
P
h
过盈定位配合，即小过盈配合，用于定位精度特别重要时，能以最好的定位精度达到部件的刚性及对中性要求，而对内孔承受压力无特殊要求，不依靠配合的紧固性传递摩擦负荷
7
6
H
s
7
6
S
h
中等压入配合，适用于一般钢件，或用于薄壁件的冷缩配合，用于铸铁件可得到最紧的配合
6
7
u
H
7
6
U
h
压入配合，适用于可以承受大压入力的零件或不宜承受大压入力的冷缩配合
注：,*” 表示基本尺寸≤ 3mm 时为过渡配合。
用类比法选择配合时还必须考虑受载荷情况、拆装情况、配合件的结合长度和材料、温度的影响及生产类型等因素。
三、尺寸公差与配合的标注
1．公差带代号 孔、轴公差带代号由基本偏差代号与公差等级代号组成。基本偏差代号孔用大写拉丁字母表示，轴用小写拉丁字母表示，公差等级用阿拉伯数字表示。如孔的公差带代号 F8 和轴的公差带代号 f8。 φ 50F8 的含义为,
2．配合代号 用孔、轴公差带代号组合表示，写成分数形式，分子为孔公差带代号，
分母为轴公差带代号。如
8
7
H
f
或 H8/f7 表示公差等级 8 级的基准孔 H 与公差等级 7 级、基本偏差 f 的轴配合。
3．极限与配合的标注 如图 2-8,2-9 所示，装配图上一般标注配合代号，零件图上可注公差带代号或极限偏差数值，也可以两者都注。
标注极限偏差时，① 偏差数值比基本尺寸数字的字体要小一号；② 偏差数值前必须注出正负号（偏差为零时例外） ；
③ 当某一偏差为,0”时，此,0”应与另一偏差的个位数字对齐；
④ 偏差数值的单位必需是 mm（注意表上查到的是 mμ ） ；⑤ 下偏差数值与基本尺寸数值应在同一底线上。
若上下偏差的数值相同而符号相反时，则在基本尺寸后面注上,±,号，再写上偏差数值，
其数字大小与基本尺寸数字相同，如 30± 0.01，如图 2-9d 所示。
10
图 2-9 零件图中的公差标注
标注标准件,外购件与零件 （轴或孔） 的配合代号时,可以仅标注相配零件的公差带代号，
如图 2-7b 所示。
4,极限偏差值的查表方法 根据零件轴或孔的基本尺寸、基本偏差和公差等级，可由附录中分别查得轴或孔的极限偏差值，例如,
φ 50H8 查孔的极限偏差表,由基本尺寸大于 40 至 50 一 行 以及与公差带 H8 一 列 中查得
39
0
mμ
+
，但标注的单位必须是 mm，经换算后（ 11/100mmμ = ）即得孔的偏差
0.039
0
50φ
+
。
φ 50f7 查轴的极限偏差表，由基本尺寸大于 40 至 50 一 行 与公差带 f7 一 列 中查得
25
50
mμ
。
又如孔和轴配合为 φ 30H7/p6，可分别查得孔和轴的极限偏差,
孔
0.021
0
30 7( );Hφ
+
轴
0.035
0.022
30 6( )pφ
+
+
。由其偏差值可知这对配合为过盈配合。
§2-2 形状公差和位置公差
我们已经知道，零件尺寸不可能制造得绝对准确，同样也不可能加工出绝对准确的形状和表面间的相对位置。尺寸可由尺寸公差加以限制。同样，形状、位置也可由形状，位置公差来限制。因此，对精度要求高的零件，不仅要注明尺寸公差，还要注出形状、位置公差。
一、形位公差的概念
形状公差和位置公差简称为形位公差。
1．基本术语 要素：指零件上的特征部分 ——点、线或面。要素可以是实际存在的零件轮廊上的点、线、面，也可以是由实际要素取得的轴线或中心平面等。
被测要素 ——给出了形位公差的要求，是检测的对象。
基准要素 ——用来确定被测要素方向或（和）位置的要素。
公差带 ——限制实际要素变动的区域，公差带有形状、方向、位置、大小（公差数值）的属性。公差带主要形状有：两平行直线之间的区域、两平行平面之间的区域、圆内的区域、两
11
同心圆之间的区域、圆柱面内的区域、两同轴圆柱面之间的区域、球内的区域、两等距曲线之间的区域和两等距曲面之间的区域等。
2,形状公差 是指被测要素的实际形状对其理想形状所允许的变动全量（如平面度、
直线度、圆度等） 。
3,位置公差 是指被测要素的位置对基准所允许的变动全量（如平行度、同轴度等） 。
显然，基准要素本身的形状误差对被测要素的位置公差是有影响的。因此，被测要素的理想位置应由基准要素理想形状的位置来确定。基准要素的理想形状称为位置公差的基准。
二、形位公差项目及符号
形位公差国家标准将形位公差项目分为 14 种，其名称及符号见表 2-4。
表 2-4 形位公差的项目及其符号
三、形位公差的标注
当对零件几何要素的形位公差有特殊要求时，应正确而完整地标注在图样上，规定形位公差一般应采用代号标注。当无法采用代号标注时，允许在技术要求中用文字说明。
1,形位公差代号
(1) 公差框格及填写的内容 如图 2-10 所示，公差框格在图样上一般应水平放置，若有必要，也允许竖直放置。对于水平放置的公差框格，应由左往右依次填写公差项目符号，公差
12
值及有关符号、基准字母及有关符号。基准可多至三个，但先后有别，从第三格至第五格，分别为第一基准、第二基准和第三基准。由两个要素组成的公共基准，用由横线隔开的两个大写字母表示，如图 2-10d 表示。对于竖直放置的公差框格，应该由下往上填写有关内容。为了避免混淆和误解，基准所使用的字母不得采用 E,F,I,J,L,M,O,P,R 等九个字母。
图 2-10 公差框格
公差值用线性值，以 mm 表示。如果公差带是圆形或圆柱形的，则在公差值前加注,φ,；
如果是球形的，则在公差值前加注,Sφ,。
框格中的字高与图中尺寸数字相同，框格高为字高的两倍，框格中第一格宽度与高度相等,其他格的宽度视需要而定,框格线宽与字符的笔画宽相同,笔画宽度为字高的 1/14 或 1/10。
(2) 指引线 指引线是连接公差框格与指示箭头或基准符号的连线。指引线可自框格的左端或右端引出，也可以与框格的侧边直接连接；指引线可以曲折，但不得多于两次，如图 2-11
所示。
图 2-11 指引线画法
(3) 基准符号和基准代号 有位置公差要求的零件，在图样上必须注明基准。基准可由基准符号或基准代号表示。基准符号用加粗的短画线表示，基准代号由基准符号、圆圈、连线和字母组成。基准代号的圆圈用笔画线宽绘制，其直径与框格高度相同，圆圈内用大写的拉丁字母注写，字母的高度与图样中尺寸数字高度相同，连线用细实线绘制（长度一般约等于圆圈直径） 。当用基准代号标注时，无论基准符号在图样中的方向如何，圆圈内字母都应水平书写，
如图 2-12（ h 为尺寸数字高,b 为笔画线宽） 。
图 2-12 基准注法
2,形位公差的标注方法
(1) 被测要素的标注方法
标注被测要素时，要特别注意公差框格的指引线箭头所指的位置和方向。当被测要素为
13
轮廓要素时,指引线的箭头应置于该要素的轮廓线上或它的延长线上,并且箭头指引线必须明显地与尺寸线错开，如图 2-13a,b 所示。对于实际的被侧表面，还可以用带点的参考线把该表面引出（这个点指在该表面上）,指引线的箭头置于这条参考线上，如图 2-13c 所示的被测圆表面的标注方法。当被测要素为中心要素时，指引线的箭头与该要素的尺寸线对齐；若指引线的箭头与尺寸线的箭头方向一致时，可合并为一个，如图 2-14 所示。
图 2-13 被测轮廓要素的标注示例
图 2-14 被测中心要素的标注示例
(2) 基准要素的标注方法
对基准要素应标注基准符号,当基准要素为轮廓要素时,应把基准符号的粗短横线靠近置于该要素的轮廓线上或它的延长线上，且必须与尺寸线明显错开，如图 2-15a,b 所示。对于实际的基准表面，可以用带点的参考线把该表面引出 (这个点指在该表面上 )，基准符号的粗短横线靠近置于这条参考线上，如图 2-15c 所示的圆环形基准表面的标注方法。
图 2-15 基准轮廓要素的标注示例
当基准要素为中心要素时，基准代号的粗短横线应与该要素的尺寸线对齐。基准代号的
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粗短横线也可代替尺寸线的其中一个箭头。如图 2-16 所示。
图 2-16 基准中心要素的标注示例
当被测要素与基准要素允许对调而标注任选基准时，只要将原来的基准符号的粗短横线改为箭头即可，或被测要素与基准要素可互为基准时，可省去基准符号，如图 2-17a 所示。由两个同类要素构成而作为一个基准使用的公共基准,用由横线隔开的两个大写字母表示,如图
2-17b 所示。
图 2-17 任选基准或互为基准与公共基准的标注方法
(3) 简化标注和局部限制的规定
如果图样上所注形位公差无附加说明，则被测范围为箭头所指的整个轮廓要素或中心要素。
1) 形位公差的简化标注法如图 2-18 所示。
15
图 2-18 形位公差的简化标注
2) 如仅要求要素某一部分的公差值或某一部分作为基准，则用粗点画线表示其范围，并加注尺寸，如图 2-19a 所示。
3) 如需给出被测要素任一长度 (或范围 )的公差值时，注法如图 2-19b 所示，表示被测要素任意 (500×500)mm
2
范围内平面度误差不大于 0.04mm。
4) 如不仅给出被测要素任一长度 (或范围 )的公差值，还需给全长 (或整个要素 )的公差值，
其注法如图 2-19c,d 所示。分子表示全长 (或整个要素 )的公差值，分母表示任一长度 (或范围 )
的公差值。
图 2-19 形位公差局部限制的标注
5) 如果要求在公差带内进一步限定被测要素的形状时，则应在公差值后面加注有关的符号，见表 2-5。
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表 2-5 形位公差值后面的要素形状符号
(4) 理论正确尺寸的标注
对于要素的位置度、轮廓度或倾斜度，其尺寸由不带公差的理论正确位置、轮廓或角度确定，这种尺寸称,理论正确尺寸,。
理论正确尺寸应围以框格，零件实际尺寸仅是由在公差框格中位置度，轮廓度或倾斜度公差来限定，如图 2-20 所示。
图 2-20 理论正确尺寸
图 2-21 是标注形位公差的实例，可供标注时参考，具体含义参见表 2-6～ 2-10。
图 2-21 中
M
表示实际要素在尺寸公差范围内具有材料量为最多的状态，称为最大实际状态，表示该同轴度公差值与被被测要素的公差相关。
E
表示实际要素处处位于具有理想形状的最大实体尺寸包容面内的一种公差原则，称为包容原则。进一步的解释请参阅相关书籍。
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图 2-21 形位公差标注示例
四、形位公差的标注示例及解释
1,形状公差举例
形状公差带定义、标注示例和解释如表 2-6 所示。
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表 2-6 形状公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
在给定平面内，公差带是距离为公差值
t 的两平行平面之间的区域
棱线必须位于箭头所示方向距离为公差值 0.02mm 的两平行平面内
直线度 公差
在任意方向上，公差带是直径为公差值
t 的圆柱面内的区域
被测圆柱面的轴线必须位于直径为
φ0.08mm 的圆柱面内
平面度 公差
公差带是距离为公差值 t 的两平行平面之间的区域
被测表面必须位于距离为公差值
0.08mm 的两平行平面内
圆度 公差
公差带是在同一正截面上，半径差为公差值 t 的两同心圆之间的区域
被测圆锥面任一正截面上的圆周必须位于半径差为公差值 0.1mm的两同心圆之间
圆柱度 公差
公差带是半径差为公差值 t 的两同轴线圆柱面之间的区域
被测圆柱面必须位于半径差为公差值
0.1mm 的两同轴线圆柱面之间
形状公差带的特点是不涉及基准，无确定的方向和固定的位置。它的方向和位置随相应实际要素的不同而浮动。
2、轮廓度公差举例
轮廓度公差有线轮廓度和面轮廓度公差两个项目。它们的理想被测要素的形状需要用理论正确尺寸 (把数值围以方框表示的没有公差而绝对准确的尺寸 )决定。
轮廓度公差分为无基准要求的和有基准要求的两种。前者的方位可以浮动，而后者的方位是固定的。
19
轮廓度公差带定义、标注示例和解释如表 2-7 所示。
表 2-7 轮廓度公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
线轮廓度 公差
公差带是包括一系列直径为公差值 t 的圆的两络线之间的区域。这些圆的圆心位于具有理论正确几何形状的曲线上
在平行于图样所示投影面的任一截面上，被测轮廓线必须位于包络一系列直径为公差值 0.04mm 的圆且圆心位于具有理论正确几何形状的曲线上的两包络线之间
(a)无基准要求的 (b)有基准要求的
线轮廓度公差 线轮廓度公差
面轮廓度 公差
公差带是包络一系列直径为公差值 t 的球的两包络面之间的区域。这些球的球心位于具有理论正确几何形状的曲面上
被测轮廓面必须位于包络一系列球的两包络面之间，这些球的直径为公差值 0.02mm 且球心位于具有理论正确几何形状的曲面上
(a)无基准要求的 (b)有基准要求的
面轮廓度公差 面轮廓度公差
3,定向公差举例
定向公差是关联实际要素对基准在方向上允许的变动全量。定向公差有平行度、垂直度和倾斜度三项,它们都有面对面,线对面,面对线和线对线几种情况。 典型的定向公差带定义、
标注示例和解释如表 2-8 所示。
表 2-8 典型的定向公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
平
行
度
公
差
面
对
面
平
行
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且平行于基准平面的两平行平面之间的区域
被测表面必须位于距离为公差值 0.01mm 且平行于基准平面 D 的两平行平面之间
20
线
对
面
平
行
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且平行于基准平面的两平行平面之间的区域
被测轴线必须位于距离为公差值 0.01mm 且平行于基准平面 B 的两平行平面之间
面
对
线
垂
直
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且垂直于基准直线的两平行平面之间的区域
被测平面必须位于距离为公差值 0.08mm 且垂直于基准轴线 A 的两平行平面之间
垂直
度
公
差
线
对
线
垂
直
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且垂直于基准直线的两平行平面之间的区域
被测轴线必须位于距离为公差值 0.06mm 且垂直于基准轴线 A 的两平行平面之间的区域
倾
斜
度
公
差
面
对
面
倾
斜
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且与基准平面或一给定角度的两平行平面之间的区域
被测表面必须位于距离为公差值 0.08mm 且与基准平面 A 成理论正确角度 40°的两平行平面之间
定向公差带具有如下特点,
① 定向公差带相对基准有确定的方向。
② 定向公差带能自然地把同一被测要素的形状误差控制在定向公差范围内。因此，对某一被测要素给出定向公差后，仅在对其形状精度有进一步要求时，才另行给出形状公差，而形状公差值必须小于定向公差值。
4．定位公差举例
定位公差是关联实际要素对基准在位置上允许的变动全量。定位公差有同轴度、对称度和位置度三项。典型的定位公差带定义、标注示例和解释如表 2-9 所示。
21
表 2-9 典型的定位公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
同
轴
度
公
差
线
的
同
轴
度
公
差
公差带是直径为公差值 t 的圆柱面内的区域，该圆柱面的轴线与基准轴线同轴线
φd
1
圆柱面轴线必须位于直径为公差值
φ0.04mm 且与基准轴线 A 同轴线的圆柱面内
对
称
度
公
差
面
对
面
对
称
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且相对于基准中心平面对称配置的两平行平面之间的区域
被测中心平面必须位于距离为公差值
0.08mm 且相对于基准公共中心平面 A--B
对称配置的两平行平面之间
位
置
度
公
差
线
的
位
置
度
公
差
公差带是直径为公差值 t 且以线的理想位置为轴线的圆柱面内的区域。公差带轴线的位置由基准和理论正确尺寸确定
φD 被测孔的轴线必须位于直径为公差值
φ0.08mm，由三基面体系 A,B,C 和相对于基准平面 B,C 的理论正确尺寸 100,68
所确定的理想位置为轴线的圆柱面内
位公差特征中，同轴度只涉及轴线；对称度涉及的要素有轴线和中心平面；位置度涉及的要素包括点、线、面。定位公差带的特点如下。
① 定位公差带相对于基准具有确定的位置，位置度的公差带位置由理论正确尺寸确定。
② 定位公差带能自然地把同一被测要素的形状误差和定向误差控制在其定位公差范围内。因此，对某一被测要素给出定位公差后，仅在对其定向精度或 (和 )形状精度有进一步要求时，才另行给出定向或 (和 )形状公差，而定向公差值必须小于定位公差值，形状公差值必须小于定向公差值。
5、跳动公差举例
22
跳动公差是关联实际要素绕基准轴线回转一周或连续回转时所允许的最大跳动量。跳动量可由指示表的最大与最小示值之差反映出来。 被测要素为回转表面或端面,基准要素为轴线。
跳动可分为圆跳动和全跳动。
圆跳动是指被测要素在某个测量截面内相对于基准轴线的变动量。圆跳动有径向圆跳动、
端面圆跳动和斜向圆跳动。
全跳动是指整个被测要素相对于基准轴线的变动量。全跳动有径向全跳动和端面全跳动。
典型的跳动公差带定义、标注示例和解释如表 2-10 所示。
23
表 2-10 典型的跳动公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
径
向
圆
跳
动
公
差
公差带是在垂直于基准轴线的任意测量平面内，半径差为公差值 t 且圆心在基准轴线上的两同心圆之间的区域
当被测圆柱面绕基准轴线 A 旋转一转时，
在任意测量平面内的径向圆跳动均不得大于
0.1mm
圆
跳
动
公
差
端
面
圆
跳
动
公
差
公差带是在与基准轴线同轴线的任一半径位置的测量圆柱面上，宽度为公差值 t
的两个圆之间的区域
被测圆端面绕基准轴线 A 旋转一周时，在任一测量圆柱面上的轴向跳动均不得大于
0.1mm
径
向
全
跳
动
公
差
公差带是半径差为公差值 t 且与基准轴线同轴线的两圆柱面之间的区域
被测圆柱面绕公共基准轴线 A--B 连续旋转，指示表与工件在平行于该公共基准轴线的方向作轴向相对直线运动时，被测圆柱面上各点的示值中最大值与最小值的差值不得大于 0.1mm
全
跳
动
公
差
端
面
全
跳
动
公
差
公差带是距离为公差值 t 且与基准轴线垂直的两平行平面之间的区域
被测圆端面绕基准轴线 A 连续旋转，指示表与工件在垂直于该基准轴线的方向作径向相对直线运动时，被测圆端面上各点的示值中最大值与最小值的差值不得大于 0.1mm
跳动公差值可以综合控制被测要素的方位和形状。 例如,端面全跳动公差带控制端面对基准轴线的垂直度,也可控制端面的平面度误差,径向全跳动公差带可控制同轴度误差和圆柱度误差。
24
采用跳动公差时,若综合控制被测要素不能满足功能要求,则可进一步给出相应的形状公差 (其数值应小于跳动公差值 )。
§2-3 表面结构的图样表示法
在机械图样上，为保证零件装配后的使用要求，除了对零件各部分结构的尺寸、形状和位置给出公差要求,还要根据功能需要对零件的表面质量 ——表面结构给出要求。 表面结构是表面粗糙度、表面波纹度、表面缺陷、表面纹理和表面几何形状的总称。表面结构的各项要求在图样上的表示法在 GB/131-2006 中均有具体规定。本节主要介绍常用的表面粗糙度表示法。
一、表面粗糙度的基本概念
零件表面加工得再精细，放大后观察，还是可以看到高低不平的状况，如图 2-22 所示。
这是由于零件在加工过程中,机床和刀具的振动,材料的不均匀及切削时表面金属的塑性变形等影响,使零件表面存在着较小间距的轮廓峰谷。 这种表面上具有较小间距的峰谷所组成的微观几何形状特性，称为表面粗糙度。表面粗糙度反映零件表面的光滑程度。由于机器或部件对零件的各个表面有着不同的要求 (如配合性质、耐磨性、抗腐蚀性、密封性等 )，因此，对零件表面粗糙度的要求也各不相同。
表面粗糙度是评定零件表面质量的一个重要指标。 一般来说，凡零件上有配合或相对运动的表面、要求耐磨、抗腐蚀的表面，其表面粗糙度的值要小。而表面粗糙度参数值越小，表示零件表面粗糙度要求越高，则其加工成本也越高。因此，应在满足零件表面功能的前提下，合理选用表面粗糙度参数。
此外，表面粗糙度对零件外形的美观等也有影响。 图 2-22 零件表面微观不平程度
二、表面粗糙度的评定
国标 GB/T3505-2000 中规定了评定表面粗糙度的各种参数，其中较常用的是两种高度参数：轮廓算术平均偏差 Ra、轮廓最大高度 Rz。使用时宜优先选用 Ra 参数。参数的单位是微米。 Ra 和 Rz 也称 R 轮廓。
1,评定表面结构常用的轮廓参数
(1) 轮廓算术平均偏差 Ra 是指在一个取样长度内，沿测量方向 (Z 方向 )的轮廓线上的点与基准线之间距离绝对值的算术平均值，如图 2-23 所示，用公式表示为,
()
r
0
r
1
||
l
Razxdx
l
=
∫
式中 l
r
—取样长度 (一段基准线长度 )；
z——轮廓偏距 (表面轮廓上点至基准线的距离 )。
Ra 也可近似表示为,
25
1
1
||
n
i
i
Raz
n =
= ∑
式中 n——在取样长度内所测点的数目。
图 2-23 轮廓的算术平均偏差 Ra和轮廓最大高度 Rz
所测值 Ra 越大，则表面越粗糙。 Ra 能客观地反映表面微观几何形状的特性，但因受到计量器具功能的限制，不用作过于粗糙或太光滑的表面的评定参数。目前，一般机械制造工业主要选用 Ra，通常它用电动轮廓仪测量，运算过程由仪器自动完成；也可用,比较法,将被测表面和表面粗糙度样板直接进行比较，此法评定的准确性在很大程度上取决于检验人员的经验。 Ra 的数值见表 2-7，表中第一系列为优先选用。
(2) 轮廓最大高度 Rz 是指在同一取样长度 l
r
内，最大轮廓峰高和最大轮 廓谷深之间的高度，如图 2-23 所示。
测得的 Rz 值越大，则表面加工痕迹越深。 Rz 只能反映轮廓的峰高，不能反映峰顶的尖锐或平钝的几何特性。当被测表面很小，不宜采用 Ra 时，也常采用 Rz 值。 Rz 的数值见表 2-11。
表 2-11 表面粗糙度高度参数（ Ra,Rz）的数值系列（ GB/T1031—1995） μm
轮廓算术平均偏差 Ra 轮廓最大高度 Rz
第 1 系列 第 2 系列 第 1 系列 第 2 系列 第 1 系列 第 2 系列 第 1 系列 第 2 系列
0.012
0.025
0.05
0.1
0.2
0.4
0.8
0.008
0.010
0.016
0.020
0.032
0.040
0.063
0.080
0.125
0.160
0.25
0.32
0.50
0.63
1.00
1.6
3.2
6.3
12.5
25
50
100
1.25
2.0
2.5
4.0
5.0
8.0
10.0
16.0
20
32
40
63
80
0.025
0.05
0.1
0.2
0.4
0.8
1.6
3.2
0.032
0.040
0.063
0.080
0.125
0.160
0.25
0.32
0.50
0.63
1.00
1.25
2.0
2.5
4.0
5.0
6.3
12.5
25
50
100
200
400
800
8.0
10.0
16.0
20
32
40
63
80
125
160
250
320
500
630
1000
1250
26
1600
注：应优先选用第 1 系列
2．有关检验规范的基本术语
检验评定表面结构的参数值必须在特定条件下进行,国家标准规定,图样中注写参数代号及其数值要求的同时，还应明确其检验规范。
有关检验规范方面的基本术语有,取样长度、评定长度、极限值判断规则,等。
（ 1）取样长度和评定长度 以粗糙度高度参数的测量为例，由于表面轮廓的不规则性，
测量结果与测量段的长度密切相关，当测量段过短，各处的测量结果会产生很大差异；但当测量段过长,则测得的高度值中将不可避免的包含了波纹度 （在工作表面所形成的间距比粗糙度大得多的表面不平度称为波纹度）的幅值。因此，在 X 轴（即基准线，见图 2-23）上选取一段适当长度进行测量，这段长度称为取样长度。但是，在每一取样长度内的测得值通常是不等的，为取得表面粗糙度最可靠的值，一般取几个连续的取样长度进行测量，并以各取样长度内测量值的平均值作为测得的参数值。这段在 X 轴方向上用于评定轮廓的、包含着一个或几个取样长度的测量段称为评定长度。
当参数代号后未注明时，评定长度默认为 5 个取样长度，否则应注明个数。例如,Rz 0.4、
Ra3 0.8,Rz1 3.2 分别表示评定长度为 5 个（默认）,3 个,1 个取样长度。
（ 2） 极限值判断规则 完工零件表面按检验规范测得轮廓参数值后,需与图样上给定的极限比较，以判定其是否合格。极限值判断规则有两种,
16%规则 运用本规则时，当被检表面测得的全部参数值中，超过极限值的个数不多于总个数 16%时，该表面是合格的。超过极限值有两种含义：当给定上限值时，超过是指大于给定值；当给定下限值时，超过是指小于给定值。
最大规则 运用本规则时，被检的整个表面上测得的参数值一个也不应超过给定的极限值。
16%规则是所有表面结构要求标注的默认规则。即当参数代号后未标注写,max”字样时，
均默认为应用 16%规则（例如 Ra 0.8） 。反之，则应用最大规则（例如 Ramax 0.8） 。
三、表面粗糙度的选用
零件表面粗糙度值的选用，应该既要满足零件表面的功能要求，又要考虑经济合理性。
具体选用时，可参照生产中的实例，用类比法确定，同时注意下列问题,
(1) 在满足功用的前提下，尽量选用较大的 Ra 值，以降低生产成本。
(2) 在同一零件上，工作面比非工作面 Ra 值要小。
(3) 配合性质相同时，零件尺寸大的比尺寸小的表面 Ra 值大。同一公差等级，小尺寸比大尺寸、轴比孔的 Ra 值要小。
(4) 受循环载荷的表面及容易产生应力集中的表面 (如圆角、沟槽 )的 Ra 值要小。
27
(5) 运动速度高、单位压力大的摩擦表面，比运动速度低、单位压力小的摩擦表面 Ra 值小。
(6) 一般情况下，尺寸和表面形状要求精度高的表面 Ra 值小，不同的加工方法可以得到不同的 Ra 值。
表 2-12 给出了零件表面粗糙度数值不同的表面情况以及对应的加工方法和应用举例。
表 2-12 表面粗糙度 Ra 的表面特征、经济加工方法及应用示例
表面微观特性 Ra/μm 加 工 方 法 应 用 举 例
明显见刀痕 ≤ 20
粗车、粗刨、粗铣、毛挫、锯断
半成品粗加工的表面、非配合的加工表面，如轴端面、倒角、钻孔、齿轮和带轮侧面、键槽底面、垫圈接触面等
微见加工痕迹
≤ 10 车、刨、铣、钻、粗铰轴上不安装轴承、齿轮的非配合表面，紧固件的自由装配表面，轴和孔的退刀槽等
微见加工痕迹
≤ 5
车、刨、铣、镗、拉、
粗刮、滚压
半精加工表面、箱体、支架、盖面、套筒等和其他零件结合而无配合要求的表面，需要发蓝的表面等
看不见加工痕迹
≤ 2.5
车、刨、铣、镗、磨、
拉、刮、压、铣齿
接近于精加工表面，箱体上安装轴承的镗孔表面，
齿轮的工作面等
可辨加工痕迹方向
≤ 1.25
车、镗、磨、拉、刮、
精铰、磨齿、滚压
圆柱销、圆锥销、与滚动轴承配合的表面，普通车床导轨面，内、外花键定心表面等
微辨加工痕迹方向
≤ 0.63
精铰、精镗、磨、刮、
滚压
要求配合性质稳定的配合表面，工作时受交变应力的重要零件，较高精度车床的导轨面等
不可辨加工痕迹方向
≤ 0.32
精磨、珩磨、研磨、超精加工
精密机床主轴锥孔、顶尖圆锥面，发动机曲轴，凸轮轴工作表面，高精度齿轮齿面
暗光泽面 ≤ 0.16 精磨、研磨、普通抛光精密机床主轴颈表面，一般量规工作表面，汽缸套内表面，活销表面等
亮光泽面 ≤ 0.08
镜状光泽面 ≤ 0.04
超精磨、精抛光、镜面磨削
精密机床主轴颈表面，滚动轴承的滚珠，高压油泵中柱塞和柱塞孔配合的表面等
镜面 ≤ 0.01 镜面磨削、超精研
高精度量仪、量块的工作表面，光学仪器中的金属镜面等
四、表面结构符号、代号及其标注
国标 GB/T131-2006 规定了零件表面结构符号、代号及其在图样上的标注。
1,表面结构符号 图样上表示零件表面结构的符号种类,名称,尺寸及其含义见表 2-13。
28
表 2-13 表面结构符号的画法及含义
符号名称 符 号 含 义
基本图形符号
d′=0.35mm
（ d′--符号线宽）
H1=3.5mm
H2=7mm
未指定工艺方法的表面，仅适用于简化代号标注,当通过一个注释时可单独使用
用去除材料方法获得的表面；仅当其含义是,被加工表面,时可单独使用。
例如：车、铣、钻、刨、磨等
扩展图形符号
不去除材料的表面,也可用于表示保持上道工序形成的表面,不管这种状况是通过去除或不去除材料形成的。例如：铸、锻、轧、冲压等
在以上各种符号的长边上加一横线，
以便注写对表面结构的各种要求
完整图形符号
在上述三个符号的长边与横线相交处加一小圆,表示封闭轮廓的各表面具有相同的表面结构的要求
注：表中 d′,H1 和 H2 的大小是当图样中尺寸数字高度选取 h=3.5mm 时按 GB/T131—2006 的相应规定给定的。表中 H2 是最小值，必要时允许加大。
2,表面结构要求在图形符号中的注写位置
为了明确表面结构要求，除了标注表面结构参数和数值外，
必要时应标注补充要求，包括取样长度、加工工艺、表面纹理及方向、加工余量等。这些要求在图形符号中的注写位置如图
2-24 所示。 图 2-24 补充要求的注写位置 （ a 到 e）
注写位置说明,
a——注写表面结构的单一要求；
a 和 b 同时存在,a——注写第一表面结构要求,b 注写第二表面结构要求；
c——注写加工方法,“车,,“铣,,“镀,等；
d——注写表面纹理方向，如,＝,,“×”,“M”等；
e——注写加工余量。
注意：表面纹理是指完工零件表面上呈现的，与切削运动轨迹相应的图案，常见加工纹理方向的符号及其含义参见表 2-14，也可查阅 GB/T131—2006 的相应规定。
29
表 2-14 加工纹理方向符号
符号 说明 示意图 符号 说明 示意图
＝
纹理平行于标注代号的视图的投影面
C
纹理呈近似同心圆
⊥
纹理垂直于标注代号的视图的投影面
R
纹理呈近似放射形
×
纹理呈两相交的方向
M 纹理呈多方向
P
纹理无方向或呈凸起的细粒状
注：若表中所列符号不能清楚地表明所要求的纹理方向，应在图样上用文字说明。
3．表面结构代号
表面结构符号中注写了具体参数代号及数值等要求后即称为表面结构代号。 表面结构代号的示例及含义见表 2-15。
表 2-15 表面结构代号示例及意义
No 代号示例 含义 /解释 补充说明
1
表示不允许去除材料，单向上限值,R 轮廓，
算术平均偏差 0.8μm，评定长度为 5 个取样长度（默认）,,16%规则,（默认） 。
参数代号与极限值之间应留空格（下同）,取样长度可由 GB/T
10610 和 GB/T 6062 中查取。
2
表示去除材料，单向上限值,R 轮廓，粗糙度最大高度的最大值 0.2μm，评定长度为 5 个取样长度（默认）,,最大规则,。
示例 No.1～ No.4 均为单向极限要求，且均为单向上限值，则均可不加注,U”，若为单向下限值，则应加注,L”。
3
表示去除材料，单向上限值,R 轮廓，算术平均偏差 3.2μm,评定长度为 5 个取样长度 （默认）,,16%规则,（默认） 。
取样长度可由 GB/T 10610 和
GB/T 6062 中查取。
4
表示去除材料，单向上限值，取样长度
0.8mm,R 轮廓，算术平均偏差 3.2μm，评定长度包含 3 个取样长度,“16%规则,（默认） 。
取样长度 0.8前面的负号表示应用于 R 轮廓。
5
表示不允许去除材料，双向极限值,R 轮廓。
上限值：算术平均偏差 3.2μm，评定长度为 5
个取样长度（默认）,,最大规则,；下限值：
算术平均偏差 0.8μm，评定长度为 5 个取样长度（默认）,,16%规则,（默认） 。
本例为双向极限要求，用,U”和
“L”分别表示上限值和下限值。在不致引起歧义时，可不加注,U”、
“L”。
30
4,表面结构要求在图样中的注法
(1) 表面结构要求对每一表面一般只注一次，并尽可能注在相应的尺寸及其公差的同一视图上。除非另有说明，所标注的表面结构要求是对完工零件的要求。
(2) 表面结构的注写和读取方向与尺寸的注写和读取方向一致。表面结构要求可标注在轮廓线上，其符号应从材料外指向并接触表面，如图 2-25 所示。必要时，表面结构也可用带箭头或黑点的指引线引出标注，如图 2-26 所示。
图 2-25 表面结构要求在轮廓线上的标注 图 2-26 用指引线引出标注表面结构要求
(3) 在不致引起误解时，表面结构要求可以标注在给定的尺寸线上，如图 2-27 所示。
(4) 表面结构要求可标注在形位公差框格的上方，如图 2-28 所示。
图 2-27 表面结构要求标注在尺寸线上 图 2-28 表面结构要求 标注在 形位公差框格的上方
(5) 当在图样某个视图上构成封闭轮廓的各表面有相同的表面结构要求时，在完整图形符号上加一圆圈，标注在图样中工件的封闭轮廓线上，如图 2-29a 所示。注意：图示的表面结构符号是指对图形中封闭轮廓的六个面的共同要求（不包括前后面）,如图 2-29b 所示。
图 2-29 对周边各表面有相同的表面结构要求的标注
31
(6) 圆柱和棱柱表面的表面结构要求只标注一次，如图 2-30 所示。如果每个棱柱表面有不同的表面要求，则应分别单独标注，如图 2-31 所示。对两个独立表面，若为一次加工完成，
则用细实线相连，表面结构要求只标注一次，如图 2-32 所示。
图 2-30 表面结构要求标注在圆柱特征的延长线上
图 2-31 圆柱和棱柱的表面结构要求的注法 图 2-32 不连续的同一表面的表面结构要求只注一次
5,表面结构要求在图样中的简化注法
(1) 有相同表面结构要求的简化注法
如果在工件的多数（包括全部）表面有相同的表面结构要求时，则其表面结构要求可统一标注在图样的标题栏附近。此时，表面结构要求的符号后面应有,
在圆括号内给出无任何其他标注的基本符号，如图 2-33a 所示。
在圆括号内给出不同的表面结构要求，如图 2-33b 所示。
不同的表面结构要求应直接标注在图形中，如图 2-33a,b 所示。
图 2-33 大多数表面有相同表面结构要求的简化注法
32
(2) 多个表面有共同要求的注法
用带字母的完整符号的简化注法，如图 2-34 所示，把带字母的完整符号，以等式的形式，
在图形或标题栏附近，对有相同表面结构要求的表面进行简化标注。
图 2-34 在图纸空间有限时的简化注法
只用表面结构符号的简化注法，如图 2-35 所示，用表面结构符号，以等式的形式给出对多个表面共同的表面结构要求。
图 2-35 多个表面结构要求的简化注法
(3) 两种或多种工艺获得的同一表面的注法
由几种不同的工艺方法获得的同一表面，当需要明确每种工艺方法的表面结构要求时，
可按图 2-36a 所示进行标注（图中 Fe 表示基体材料为钢,Ep 表示加工工艺为电镀） 。
图 2-36b 所示为三个连续的加工工序的表面结构、尺寸和表面处理的标注。
第一道工序：单向上限值,Rz=1.6μm,“16%规则,（默认）,默认评定长度，表面纹理没有要求，用去除材料的工艺。
第二道工序：镀铬，无其他表面结构要求。
第三道工序：一个单向上限值，仅对长度 50mm 的圆柱表面有效,Rz=6.3μm,“16%规则,
（默认）,默认评定长度，表面纹理没有要求，磨削加工工艺。
图 2-36 多种工艺获得同一表面的注法
33
§2-4 机械零件常用材料及其选择
在机械零件产品的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用材料是一项十分重要的工作。它不仅要求考虑材料性能适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的产量，降低成本，减少消耗等。另外，对选用商品材料牌号、形状和规格都应适宜。除金属材料以外的所有工程材料，通称为非金属材料。近几十年来，以高分子材料、工程陶瓷和复合材料为主的非金属材料有了迅速的发展，在机械工程材料中占据重要地位，它的应用遍及国民经济的各个领域，受到人们青睐。限于篇幅，本节只介绍用量最大的金属零件材料。
一、材料的机械性能
在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件、损坏形式找出该零件所选材料的主要机械性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。
如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓，在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力，
而且拉应力是周期变动的。 在这种条件下工作时,其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形失效外,多数情况下是由于疲劳破坏而造成断裂的。 因此对连杆螺栓材料的机械性能除了要求有高的屈服极限和强度极限外，还要求有高的疲劳强度。并且由于整个截面均匀受力，因此材料的淬透性也需考虑。
表 2-16 列举了一些零件的工作条件、主要损坏形式及主要机械性能指标。
表 2-16 一些零件的工作条件、主要损坏形式及主要机械性能指标
零件名称 工作条件 主要损坏形式 主机械性能指标
重要螺栓 交变拉应力
过量塑性变形或由疲劳而造成破断
σ
0.2
,σ
-1p
,HB
重要传动齿轮
交变弯曲应力，交变接触压应力，齿表面受带滑动的滚动摩擦、冲击负荷
齿的折断，过度磨损，疲劳麻点
σ
-1
,σ
bb
，接触疲劳强度,HRC
曲轴、轴类
交变弯曲应力，扭转应力冲击负荷，磨损和轴瓦发生摩擦
疲劳破断，过度磨损 σ
0.2
,σ
–1
,HRC
弹簧 交变应力，振动 弹力丧失或疲劳破断 σ
e
,σ
–1p
,HRC
滚动轴承
点或线接触下的交变压力，滚动摩擦
过度磨损破坏，疲劳破断 σ
bc
,σ
–1
,HRC
注,σ
–1p
—抗压疲劳极限或对称拉伸时的疲劳强度； σ
bb
—抗弯强度；
σ
–2
—光滑试样对称弯曲应力时的疲劳强度； σ
bc
—抗压强度。
由上表可见，零件实际受力条件是较复杂的，同时还应考虑到：短时过载、润滑不良、
材料内部缺陷等因素的影响。因此机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。
在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得
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的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件不同于机械零件实际工作条件，因而严格说来，材料机械性能数据是不能确切反映机械零件承受载荷的实际能力的。生产中，最常用的、
比较方便的检验性能的方法是硬度 (见附表 )，因为硬度检验可以不破坏零件。
目前，在我国零件图纸上一般都以硬度作为主要的热处理技术条件。某些重要零件要求作其它机械性能检验时，常在图纸上注明。
二、材料的工艺性能
现代工业所用的机械设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。
用金属材料制造零件的基本加工方法，通常有下列四种：铸造，压力加工，焊接和机械加工。热处理是作为改善机械加工性和使零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间的。
材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响。几种重要的工艺性能如下,
铸造性能；包括流动性、收缩、偏析和吸气性等。
锻造性能：包括金属的可锻性（塑性与变形抗力的综合）抗氧化及氧化皮性质、冷镦性、
锻后冷却要求等；
机械加工性：表面结构质量、切削加工性等；
焊接性能：形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的倾向等；
热处理工艺性；包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向、冷脆性等。热处理工艺介绍见附表。
机器上的钢制零件一般是经过锻造、切削加工和热处理等几种加工方法，因此在选材时要对材料的工艺性能加以注意。
在小批量的生产条件下，工艺性能的好坏并不显得突出；而成批大量生产条件下，有时可以成为决定性的因素。例如某厂曾试制一种 24SiMnWV 钢作为 18CrMnTi 钢的代用材料，
虽然其机械性能较 18CrMnTi 钢为优，但因正火后硬度较高，切削加工性差，不能适应大量生产的要求而未被采用。
在设计零件时，也要注意热处理工艺性。如其结构形状复杂，应选用淬透性较好的钢材，
如油淬钢，它变形较小。
一般说来，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求，因此碳钢的用途较广，但它的强度还不够高，淬透性较差。所以，制造大截面、
形状复杂和高强度的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好、强度高。可是合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。
通过改变工艺规范，调整工艺参数，改进刀具、设备，变更热处理方法等途径是可以改善金属材料工艺性能的。
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三、金属材料的选用
机器零部件绝大部分是由金属材料制成的，金属材料又分黑色金属（钢铁类的合金）和有色金属（钢铁类的合金以外的金属统称）,所以这里仅就金属材料的选用作一介绍，有关金属材料和非金属材料的牌号及说明见附表。
1．金属材料
（ 1）钢
工业用钢在现代国民经济中是应用最为广泛的金属材料，占有极其重要的地位。工业用钢包括碳钢和合金钢。碳钢，由于价格低廉、便于冶炼、容易加工，且通过含碳量的增减和不同热处理可使其性能得到改善，能满足许多工业生产上的需求，因而获得广泛应用。但是，随着现代工业和科学技术的迅速发展，机械设备普遍向重载、高速、高（低）温、高压、多功能、
精密,可靠等方向发展,这就要求钢材具有较高的强度,良好的塑,韧性以及耐高压,耐高 （低）
温、耐腐蚀等特殊物理、化学性能，而碳钢在很多方面已远远不能满足这些要求，因而促使合金钢的发展。
在碳钢的基础上有意识地加入一种或几种合金元素，使其性能（使用性能和工艺性能）
得以提高的的以铁为基的合金即为合金钢。 由于合金钢具有比碳钢更加优良的特性 （如渗透性好、回火稳定性好，基本相强硬，特殊的物理、化学性能优异等）,因而其用量比率在逐年增大。然而合金钢，由于加入了合金元素，使其冶炼、浇铸、锻造、切削加工、焊接与热处理等工艺复杂化，加工成本增高、价格较贵。因此在选择与使用工业用钢时，在满足机械零件使用性能要求的前提下应尽量使用碳钢，必要时才使用合金钢。
（ 2）铸铁
铸铁是含碳量大于 2.08%的铁碳合金，并且还含有较多的 Si,Mn,S,P 等元素。同钢相比，铸铁熔炼简便、成本低廉，虽然强度、塑性和韧性较低，但具有优良的铸造性能，很高的减摩和耐磨性，良好的消震性和切削加工性以及缺口敏感性低等一系列优点。因此，铸铁广泛应用于机械制造、冶金、石油化工、交通、建筑和国防工业各部门。
（ 3）有色金属
习惯上把所有非铁金属及其合金，通称为有色金属材料。有色金属及其合金的种类很多，
虽然其产量和使用量不及黑色金属多，但由于它们具有许多优良的特性，如铝、镁、钛等金属及其合金具有密度小，比强度高的特点；银、铜、铝等有色金属导电、导热性优良；钨、钼、
钽、铌及其合金具有耐热性高等特殊力学、物理、化学性能。它们在机电、仪表，特别是航空、
航海、汽车、石化、电力等工业中发挥着重要的作用，使其成为现代工业乃至日常生活中不可缺少的材料。
2,金属材料选用的基本原则
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机械零件选用材料时，主要考虑零件的工作条件对材料的使用性能的要求，零件的制造对材料的工艺性能的要求，材料的经济成本。
市场供应的钢铁材料商品有铸锭（生产铸锻件和各种型材的坯料）,型材（圆钢、方钢、
扁钢、六角钢等）,板材、管材、线材和异型截面材等钢材。
选用材料应能满足零件的工作条件对材料的使用性能的要求，这是选材的基本出发点。
选用材料时对零件的工作条件及对使用性能的要求主要考虑以下几点；
1) 零件的工作环境和服役情况，特别是承受载荷的情况。
2) 零件的形状、尺寸和重量所受的限制。
3) 零件的重要性。
选用材料还应能满足零件的制造对材料的工艺性能的要求，并考虑材料的经济成本，既要能够在现有的工艺技术和装备条件能够加工制造,又要考虑材料本身的价格及加工工艺的成本费用。在权衡工艺性能和经济成本时，视零件的重量和加工量的大小不同。例如当零件重量不大而加工量很大时,加工费用是构成零件制造成本的主要因素,选择材料时首先考虑其工艺性能。反之，则应重视相对价格。例如，在实践中常以灰铸铁件的价格为 1 单位，碳素钢铸件的价格与灰铸铁件价格之比即为碳素钢铸件的相对价格。毛坯材料的相对价格可参考表 2-17。
表 2-17 毛坯材料相对价格表
材料 种类规格 相对价格
灰铸铁件 1
碳素钢铸件 2 铸造金属
铝合金铸件 8～ 10
Q235(φ33～ φ42) 1
优质碳素结构钢 (φ29～ φ50) 1.5～ 1.8
合金结构钢 (φ29～ φ50) 1.7～ 2.5
弹簧钢 (φ29～ φ50) 1.7～ 3
滚动轴承钢 (φ29～ φ50) 3
合金工具钢 (φ29～ φ50) 3～ 20
圆钢
耐热合金钢 (φ29～ φ50) 5
在具体选材时，应根据机械零件的功能用途、工作环境、受力情况，查阅材料标准和手册，初步选择能满足要求的材料。再从选材的角度进行产品和零件的结构分析，考察能否用更廉价,更通用的材料或经热处理强化后部分或全部代替初选的材料,为此有时甚至还可在不影响产品和零件的功能的前提下，修改结构设计，以满足选材的基本原则。
四、典型零件选材举例
1,轴
轴是机械产品的主要零件和基础零件之一。在工作状态下，轴受到往复循环的应力的作
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用，有时还有冲击载荷的作用，其失效形式主要是疲劳裂纹和断裂。同时在轴颈与轴承配合处还因相互摩擦而磨损。因此，轴类零件的材料应具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳强度等综合机械性能，承受摩擦磨损处还应有高的硬度和耐磨性。
在轴类零件选材时，形状简单、尺寸不大，承载较小和转动速度较低的轴可选用 45 钢、
球墨铸铁等碳素钢或铸铁材料，不经热处理或经热处理制成；形状复杂、尺寸较大、承载较大和转动速度较高的轴可选用 45,40Cr,35CrMo,40CrNi,42CrMo,38CrMoAl 等碳素钢或合金钢，经热处理制成。例如 C6132 车床的主轴就是用 45 钢按以下工艺路线制造的,
下料 →锻造 →正火 →粗加工 →调质 →精加工 →局部表面淬火 →低温回火 →精磨 →成品
2,齿轮
齿轮也是机械产品的主要零件和基础零件之一。齿轮的失效形式主要是齿面的疲劳裂纹、
磨损和折断。齿轮的工作条件和失效形式要求其材料应具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面应有高的硬度和耐磨性，心部则要有足够的强度和韧性。
对于工作较平稳，无强烈的冲击，负荷不大，转速不太高，形状不太复杂，尺寸不太大的齿轮，可选用 20,45,40Cr,40MnB 等低碳钢、中碳结构钢、中碳低合金钢等经调质、表面淬火或渗碳淬火制造。 对于工作条件较恶劣,负荷较大,转速较高,且频繁受到强烈的冲击，
形状复杂，尺寸大的齿轮，对材料性能和热处理质量的要求高，可选用 20CrMo,20CrMnTi、
18Cr2Ni4W,40Cr,42CrMo 等合金钢，经调质、表面淬火或渗碳淬火等热处理制造。例如用
20CrMnTi 钢可按以下工艺制造汽车齿轮,
下料 →锻造 →正火 →机加工 →（制齿） →渗碳 →淬火 →低温回火 →喷丸 →精磨 →成品
五、材料的经济性
在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的其它一切费用。
在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下，
选用碳钢、铸铁（尤其是球墨铸铁）,不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。
此外，在选材时还应考虑国家的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和生产管理。
总之，作为一个设计、工艺人员，在选材时必须了解我国工业生产发展形势，要按照国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际情况出发，来全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题。
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复习思考题
1,什么叫互换性？互换性的优越性有哪些？
2,什么是标准公差？什么是基本偏差？二者各自的作用的什么？
3,尺寸公差与尺寸偏差有何联系与区别？
4,什么是配合？什么是配合制？国标中规定了几种配合和几种配合制？如何正确的来选？
5,为什么要规定优先、常用和一般孔、轴公差带以及优先常用配合？
6,形位公差带由哪些要素组成，形位公差带的形状有哪些？
7,表面粗糙度影响零件的哪些使用性能？
8,选择评定表面结构的 R 轮廓参数值，是否越小越好？
9,机械零件选用金属材料的基本原则是什么？常用铸铁、碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金钢的牌号有哪些？
第二章 机械设计基础
该章介绍了机械设计中所涉及的一些基础的、最常用的知识和标准，如“极限与配合”,
“形状与位置公差”及其应用、最新国家标准的“图样的表面结构表示法（粗糙度）,,以及机械零件常用材料及其选择方法等。
§2-1 极限与配合
为了组织规模生产，提高设计、制造和使用的效率和经济性，在装配时，从同一批零件中任取一个，不经修配，不经分组或其他加工就能装配成产品，并能达到所规定的使用要求，
这种性质称为互换性。互换性给产品设计、制造和使用维修带来很大的方便，已成为现代机械制造业中一个普遍遵守的原则。 为了完全满足互换性的要求,同一规格的零件的几何参数做得完全一致是不可能的,因为加工误差总是存在的。 在实际中只要求同一规格的零部件的几何参数保持在一定的范围内变动,就能达到互换的目的,这个零件几何参数的允许范围就叫做公差。
一、极限
由于设备、工装夹具及测量误差等因素的影响，零件不可能制造得绝对准确。为了保证零件的互换性,就必须对零件的尺寸规定一个允许的变动范围,这个变动范围就是通常所说的尺寸公差。极限有关术语的含义如图 2-1 所示，为了讨论问题的方便，均把尺寸的变动作单边变动来讨论。
图 2-1 尺寸公差与术语
1．基本尺寸 基本尺寸是由设计者给定的尺寸，如图 2-1a 中的 φ40mm。
2．实际尺寸 实际尺寸是零件加工完毕后测量所得的尺寸。
3．极限尺寸 极限尺寸是指允许尺寸变化的两个极限值。它以基本尺寸为基数来确定，
较大的一个尺寸为最大极限尺寸，如 40.003mm，它限定了实际尺寸的最大值；较小的一个为最小极限尺寸，如 39.987mm，它限定了实际尺寸的最小值。
2
4．尺寸偏差（简称偏差） 某一尺寸减去其基本尺寸所得的代数差。尺寸偏差分为上偏差（孔 ES、轴 es）和下偏差（孔 EI、轴 ei） 。
上偏差 =最大极限尺寸－基本尺寸
下偏差 =最小极限尺寸－基本尺寸
极限偏差其值可以为正、负或零。图 2-1b 中孔的 ES = (40.003－ 40 ) mm = +0.003 mm,
EI= (39.987－ 40 ) mm = － 0.013 mm。
实际偏差是实际尺寸与基本尺寸的代数差。实际偏差在上、下偏差之间，该尺寸合格。
5．尺寸公差（简称公差） 尺寸公差是允许零件尺寸的变动量。公差 =最大极限尺寸－最小极限尺寸或公差 =上偏差－下偏差。如图 2-1b 中孔的公差 =（ 40.003－ 39.987) mm = [+0.003
－ (－ 0.013)] mm = 0.016 mm，所以尺寸公差一定为正值。
6．零线 在极限与配合图解中，零线是表示基本尺寸的一条直线，以其为基准确定偏差和公差，即偏差值为 0 的一条基准直线。通常用基本尺寸起点的尺寸界线作为零线。一般零线水平布置，位于零线之上的偏差值为正，位于零线之下的偏差值为负，如图 2-1c 所示。
7．尺寸公差带（简称公差带） 由代表上、下偏差值的两条直线所限定的一个区域称为公差带。公差带与零线构成的图形称为公差带图。图 2-1a 中 φ40 孔的公差带图如图 2-1c 所示。
公差带图能形象地表示公差带大小及其相对于零线的位置。
8．标准公差 用以确定公差带大小的任一公差，它是由基本尺寸和公差等级所确定。国家标准为了满足不同零件的要求，将标准公差分为 20 个等级，即 IT01,IT0,IT1,IT2,……、
IT18。 IT 代表标准公差，数字代表公差等级。公差等级反映尺寸精确程度。同一基本尺寸，
公差等级越高，则公差值越小，公差带越窄，即该尺寸的精确程度越高。
选用公差等级的原则是：在满足机器使用要求的前提下应尽量采用较低等级，以降低制造成本。通常,
IT01～ IT1——用于精密量块和计量器具等的尺寸公差。
IT2～ IT5——用于精密零件的尺寸公差。
IT5～ IT12——用于有配合要求的一般机器零件的尺寸公差。
IT12～ IT18——用于不重要或没有配合要求的零件的尺寸公差。
9．基本偏差 在极限与配合制中，标准公差确定公差带大小，但不能确定公差带相对于零线的位置，如再知任一极限偏差，公差带图就能唯一确定。因此，一般把在公差带图中离零线最近的那个极限偏差称为,基本偏差,，用以确定公差带相对于零线的位置。
基本偏差系列,公差带不同的位置就形成不同的基本偏差。 根据机器中零件间结合关系的不同要求，国家标准规定了 28 种基本偏差，这 28 种基本偏差就构成了基本偏差系列，每种基本偏差都规定了相应的基本偏差代号。 这 28 个基本偏差代号由 26 个拉丁字母去掉了容易相混的 I,L,O,Q,W5 个字母，加入 CD,EF,FG,JS,ZA,ZB,ZC 七种组成。其中大写字
3
母表示孔，小写字母表示轴，如图 2-2 所示。
图 2-2 基本偏差系列示意图
轴的基本偏差从 a～ h 为上偏差，且为负值，其中 h 的上偏差为零。 js 在各级标准公差带里完全对称地分布在零线的两侧，其基本偏差可以是上偏差（ +IT/2）或下偏差（－ IT/2） 。从
j 到 zc 为下偏差，其中 j 为负值而 k 到 zc 为正值。 k 表示了两种不同位置的基本偏差，分别适用于不同的公差等级。
孔和轴的基本偏差呈对称地分布在零线的两侧。 图中公差带一端画成开口,表示不同公差等级的公差带宽度有变化。
根据基本尺寸可以从有关标准中查得轴和孔的基本偏差数值，再根据给定的标准公差即可计算轴和孔的另一偏差,
轴的另一偏差 (上偏差 es 或下偏差 ei)
es=ei+IT 或 ei=es－ IT
孔的另一偏差 (上偏差 ES 或下偏差 EI)
ES=EI+IT 或 EI=ES－ IT
10．公差带代号 公差带代号由,基本偏差代号,和,公差等级,组成，如 F6,K6,f7 等。
例如,H8,F7,K6 等为孔的公差带代号； h7,f7,k6 等为轴的公差带代号。
11．公差等级的选择 合理地选择公差等级，就是为了更好地解决机械零、部件的使用要求与制造工艺术成本之间的矛盾。
(1) 选择公差等级应首先满足使用要求，各个等级标准公差的应用范围没有严格的划分。
表 2-1 为各公差等级的应用范围。
4
表 2-1 公差等级的应用
公 差 等 级（ IT）
应用
01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
量块
量规
配合尺寸
特别精密零件的
配合
非配合尺寸
（大制造公差）
原材料公差
（ 2）对于基本尺寸至 500mm 的配合，由于孔比轴加工困难，所以当公差等级较高（标准公差≤ IT8）时，国标规定选用异级（轴比孔高一级）配合，对于公差等级要求较低时，推荐采用同级配合。
（ 3）在满足使用要求的前提下，尽量采用较大的公差值，以降低生产成本，同时也考虑到工艺上的可行性。
公差等级与各种加工方法的关系如表 2-2 所示。
5
表 2-2 各种加工方法的加工精度
公 差 等 级（ IT）
加工方法
01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
研 磨
珩 磨
圆 磨
平 磨
金刚石车
金刚石镗
拉 削
铰 孔
车
镗
铣
刨、插
钻 孔
滚压、挤压
冲 压
压 铸
粉末冶金成型
粉末冶金烧结
砂型铸造、气割
锻 造
二、配合
“基本尺寸,相同的相互结合的孔与轴（也包括非圆表面）公差带之间的关系称为配合。通俗讲，配合就是指,基本尺寸,相同的孔与轴结合后的松紧程度，当孔的尺寸减去轴的尺寸所得代数差为正值时为间隙，为负值时为过盈。
1．配合的种类 由于机器或部件在工作时有各种不同的要求，因此，零件间配合的松紧程度也不一样。国家标准把配合分为三大类,
（ 1）间隙配合,基本尺寸,相同的孔与轴结合时，孔的实际尺寸大于轴的实际尺寸的这类配合称为间隙配合。它的特点是：孔与轴结合后，有间隙存在（包括最小间隙为零）,二者可作相对运动，属可动结合。孔的公差带始终位于轴的公差带上方，如图 2-3 所示。
6
图 2-3 间隙配合
（ 2）过盈配合,基本尺寸,相同的孔与轴结合时，孔的实际尺寸小于轴的实际尺寸的这类配合称为过盈配合。它的特点是：孔与轴结合后，有过盈存在（包括最小过盈为零）,二者不能相对运动，属刚性结合，轴的公差带始终位于孔的公差带上方，如图 2-4 所示。
图 2-4 过盈配合
（ 3）过渡配合,基本尺寸,相同的孔与轴结合时，孔与轴之间可能出现间隙，也可能出现过盈的这类配合称为过渡配合。它的特点是：孔的实际尺寸可能大于、也可能小于轴的实际尺寸，孔与轴的公差带相互交叠，如图 2-5 所示。
图 2-5 过渡配合
上述三种配合中,由于过渡配合具有间隙或过盈都较小,相互结合的孔与轴的同轴度较好，
7
因此使用较为广泛。
2．配合制（基准制） 同一极限制的孔和轴组成配合的一种制度。由于国家标准规定了
28种基本偏差和 20个等级的标准公差后,对给定基本尺寸的孔或轴就可以形成大量的公差带。
如果任意选配,情况变化极多,这样不便于零件的设计与制造。 为此,国家标准规定了配合制，
它分为基孔制配合和基轴制配合。
（ 1） 基孔制配合 是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。基孔制配合的孔为基准孔，其代号为,H”。标准规定的基准孔的基本偏差（下偏差）为 0，如图 2-6a 所示。
（ 2） 基轴制配合 是基本偏差为一定的轴的公差带,与不同基本偏差的孔的公差带形成各种配合的一种制度。基轴制配合的轴为基准轴，其代号,h”。标准规定的基准轴的基本偏差
（上偏差）为 0，如图 2-6b 所示。
图 2-6 基孔制与基轴制
（ 3）极限与配合的选择 一般优先采用基孔制，因为加工相同精度等级的孔要比轴困难，而且可以减少定值刀具和量具的规格数量，有利于刀、量具的标准化、系列化，经济合理，
使用方便。特殊情况下采用基轴制，在有些情况下，采用基轴制比较经济合理。例如用冷拉钢材做轴时，由于本身的精度（可达 IT8）已能满足设计要求，故不再加工，这时应采用基轴制。
再如图 2-7a 所示，活塞销两端与活塞孔为过渡配合，中部与连杆衬套为间隙配合。若采用基孔制，活塞势必做成两端粗、中间细，造成加工和装配困难。
8
图 2-7 基轴制选用示例
根据标准件选择基准制。当设计的零件与标准件相配时，基准制的选择应依标准件而定。
如图 2-7b 中，与滚动轴承内圈相配的轴应选用基孔制，而与滚动轴承外圈配合的孔应选用基轴制。
在保证使用要求的前提下,为了减少加工工作量,一般应选用孔比轴低一级公差才是合理经济的。
如有特殊需要，允许将任一孔、轴公差带组成非基准制配合。
国标在极大地满足各行各业使用要求的前提下,规定了优先,常用和一般用途的公差带和与之相应的优先、常用的配合，见附录，选用时首先采用优先配合，其次选用常用配合。在实际生产中，通常多采用类比法，为此首先必须掌握各种基本偏差的特点，并了解它们的应用实例，然后，再根据具体要求的情况加以选择。表 2-3 列出了尺寸至 500mm 基孔制、基轴制优先配合的特征及应用。
表 2-3 优先配合特性及应用（ GB/T 1801-1999）
基孔制 基轴制 优先配合选用说明
11
11
H
c
11
11
C
h
间隙非常大，用于很松的、转动很慢的动配合，或要求大公差与大间隙的外露组件，或要求装配方便的很松的配合
9
9
H
d
9
9
D
h
间隙很大的自由转动配合，用于精度为非主要要求，或有大的温度变动、高转速或大的轴颈压力时
8
f7
H
8
7
F
h
间隙不大的转动配合，用于中等转速与中等轴颈压力的精确转动，也用于装配较易的中等定位配合
7
6
H
g
7
6
G
h
间隙很小的滑动配合，用于不希望自由转动，但可自由移动和滑动并精密定位时，也可用于要求明确的定位配合
78
67
911
911
H H
hh
H H
hh
78
67
911
911
H H
hh
H H
hh
均为间隙定位配合，零件可自由装拆，而工作时一般相对静止不动。在最大实体条件下的间隙为零，在最小实体条件下的间隙由公差等级决定
7
6
H
k
7
6
K
h
过渡配合，用于精密定位
9
7
6
H
n
7
6
N
h
过渡配合，允许有较大过盈的更精密定位
7*
6
H
p
7
6
P
h
过盈定位配合，即小过盈配合，用于定位精度特别重要时，能以最好的定位精度达到部件的刚性及对中性要求，而对内孔承受压力无特殊要求，不依靠配合的紧固性传递摩擦负荷
7
6
H
s
7
6
S
h
中等压入配合，适用于一般钢件，或用于薄壁件的冷缩配合，用于铸铁件可得到最紧的配合
6
7
u
H
7
6
U
h
压入配合，适用于可以承受大压入力的零件或不宜承受大压入力的冷缩配合
注：,*” 表示基本尺寸≤ 3mm 时为过渡配合。
用类比法选择配合时还必须考虑受载荷情况、拆装情况、配合件的结合长度和材料、温度的影响及生产类型等因素。
三、尺寸公差与配合的标注
1．公差带代号 孔、轴公差带代号由基本偏差代号与公差等级代号组成。基本偏差代号孔用大写拉丁字母表示，轴用小写拉丁字母表示，公差等级用阿拉伯数字表示。如孔的公差带代号 F8 和轴的公差带代号 f8。 φ 50F8 的含义为,
2．配合代号 用孔、轴公差带代号组合表示，写成分数形式，分子为孔公差带代号，
分母为轴公差带代号。如
8
7
H
f
或 H8/f7 表示公差等级 8 级的基准孔 H 与公差等级 7 级、基本偏差 f 的轴配合。
3．极限与配合的标注 如图 2-8,2-9 所示，装配图上一般标注配合代号，零件图上可注公差带代号或极限偏差数值，也可以两者都注。
标注极限偏差时，① 偏差数值比基本尺寸数字的字体要小一号；② 偏差数值前必须注出正负号（偏差为零时例外） ；
③ 当某一偏差为,0”时，此,0”应与另一偏差的个位数字对齐；
④ 偏差数值的单位必需是 mm（注意表上查到的是 mμ ） ；⑤ 下偏差数值与基本尺寸数值应在同一底线上。
若上下偏差的数值相同而符号相反时，则在基本尺寸后面注上,±,号，再写上偏差数值，
其数字大小与基本尺寸数字相同，如 30± 0.01，如图 2-9d 所示。
10
图 2-9 零件图中的公差标注
标注标准件,外购件与零件 （轴或孔） 的配合代号时,可以仅标注相配零件的公差带代号，
如图 2-7b 所示。
4,极限偏差值的查表方法 根据零件轴或孔的基本尺寸、基本偏差和公差等级，可由附录中分别查得轴或孔的极限偏差值，例如,
φ 50H8 查孔的极限偏差表,由基本尺寸大于 40 至 50 一 行 以及与公差带 H8 一 列 中查得
39
0
mμ
+
，但标注的单位必须是 mm，经换算后（ 11/100mmμ = ）即得孔的偏差
0.039
0
50φ
+
。
φ 50f7 查轴的极限偏差表，由基本尺寸大于 40 至 50 一 行 与公差带 f7 一 列 中查得
25
50
mμ
。
又如孔和轴配合为 φ 30H7/p6，可分别查得孔和轴的极限偏差,
孔
0.021
0
30 7( );Hφ
+
轴
0.035
0.022
30 6( )pφ
+
+
。由其偏差值可知这对配合为过盈配合。
§2-2 形状公差和位置公差
我们已经知道，零件尺寸不可能制造得绝对准确，同样也不可能加工出绝对准确的形状和表面间的相对位置。尺寸可由尺寸公差加以限制。同样，形状、位置也可由形状，位置公差来限制。因此，对精度要求高的零件，不仅要注明尺寸公差，还要注出形状、位置公差。
一、形位公差的概念
形状公差和位置公差简称为形位公差。
1．基本术语 要素：指零件上的特征部分 ——点、线或面。要素可以是实际存在的零件轮廊上的点、线、面，也可以是由实际要素取得的轴线或中心平面等。
被测要素 ——给出了形位公差的要求，是检测的对象。
基准要素 ——用来确定被测要素方向或（和）位置的要素。
公差带 ——限制实际要素变动的区域，公差带有形状、方向、位置、大小（公差数值）的属性。公差带主要形状有：两平行直线之间的区域、两平行平面之间的区域、圆内的区域、两
11
同心圆之间的区域、圆柱面内的区域、两同轴圆柱面之间的区域、球内的区域、两等距曲线之间的区域和两等距曲面之间的区域等。
2,形状公差 是指被测要素的实际形状对其理想形状所允许的变动全量（如平面度、
直线度、圆度等） 。
3,位置公差 是指被测要素的位置对基准所允许的变动全量（如平行度、同轴度等） 。
显然，基准要素本身的形状误差对被测要素的位置公差是有影响的。因此，被测要素的理想位置应由基准要素理想形状的位置来确定。基准要素的理想形状称为位置公差的基准。
二、形位公差项目及符号
形位公差国家标准将形位公差项目分为 14 种，其名称及符号见表 2-4。
表 2-4 形位公差的项目及其符号
三、形位公差的标注
当对零件几何要素的形位公差有特殊要求时，应正确而完整地标注在图样上，规定形位公差一般应采用代号标注。当无法采用代号标注时，允许在技术要求中用文字说明。
1,形位公差代号
(1) 公差框格及填写的内容 如图 2-10 所示，公差框格在图样上一般应水平放置，若有必要，也允许竖直放置。对于水平放置的公差框格，应由左往右依次填写公差项目符号，公差
12
值及有关符号、基准字母及有关符号。基准可多至三个，但先后有别，从第三格至第五格，分别为第一基准、第二基准和第三基准。由两个要素组成的公共基准，用由横线隔开的两个大写字母表示，如图 2-10d 表示。对于竖直放置的公差框格，应该由下往上填写有关内容。为了避免混淆和误解，基准所使用的字母不得采用 E,F,I,J,L,M,O,P,R 等九个字母。
图 2-10 公差框格
公差值用线性值，以 mm 表示。如果公差带是圆形或圆柱形的，则在公差值前加注,φ,；
如果是球形的，则在公差值前加注,Sφ,。
框格中的字高与图中尺寸数字相同，框格高为字高的两倍，框格中第一格宽度与高度相等,其他格的宽度视需要而定,框格线宽与字符的笔画宽相同,笔画宽度为字高的 1/14 或 1/10。
(2) 指引线 指引线是连接公差框格与指示箭头或基准符号的连线。指引线可自框格的左端或右端引出，也可以与框格的侧边直接连接；指引线可以曲折，但不得多于两次，如图 2-11
所示。
图 2-11 指引线画法
(3) 基准符号和基准代号 有位置公差要求的零件，在图样上必须注明基准。基准可由基准符号或基准代号表示。基准符号用加粗的短画线表示，基准代号由基准符号、圆圈、连线和字母组成。基准代号的圆圈用笔画线宽绘制，其直径与框格高度相同，圆圈内用大写的拉丁字母注写，字母的高度与图样中尺寸数字高度相同，连线用细实线绘制（长度一般约等于圆圈直径） 。当用基准代号标注时，无论基准符号在图样中的方向如何，圆圈内字母都应水平书写，
如图 2-12（ h 为尺寸数字高,b 为笔画线宽） 。
图 2-12 基准注法
2,形位公差的标注方法
(1) 被测要素的标注方法
标注被测要素时，要特别注意公差框格的指引线箭头所指的位置和方向。当被测要素为
13
轮廓要素时,指引线的箭头应置于该要素的轮廓线上或它的延长线上,并且箭头指引线必须明显地与尺寸线错开，如图 2-13a,b 所示。对于实际的被侧表面，还可以用带点的参考线把该表面引出（这个点指在该表面上）,指引线的箭头置于这条参考线上，如图 2-13c 所示的被测圆表面的标注方法。当被测要素为中心要素时，指引线的箭头与该要素的尺寸线对齐；若指引线的箭头与尺寸线的箭头方向一致时，可合并为一个，如图 2-14 所示。
图 2-13 被测轮廓要素的标注示例
图 2-14 被测中心要素的标注示例
(2) 基准要素的标注方法
对基准要素应标注基准符号,当基准要素为轮廓要素时,应把基准符号的粗短横线靠近置于该要素的轮廓线上或它的延长线上，且必须与尺寸线明显错开，如图 2-15a,b 所示。对于实际的基准表面，可以用带点的参考线把该表面引出 (这个点指在该表面上 )，基准符号的粗短横线靠近置于这条参考线上，如图 2-15c 所示的圆环形基准表面的标注方法。
图 2-15 基准轮廓要素的标注示例
当基准要素为中心要素时，基准代号的粗短横线应与该要素的尺寸线对齐。基准代号的
14
粗短横线也可代替尺寸线的其中一个箭头。如图 2-16 所示。
图 2-16 基准中心要素的标注示例
当被测要素与基准要素允许对调而标注任选基准时，只要将原来的基准符号的粗短横线改为箭头即可，或被测要素与基准要素可互为基准时，可省去基准符号，如图 2-17a 所示。由两个同类要素构成而作为一个基准使用的公共基准,用由横线隔开的两个大写字母表示,如图
2-17b 所示。
图 2-17 任选基准或互为基准与公共基准的标注方法
(3) 简化标注和局部限制的规定
如果图样上所注形位公差无附加说明，则被测范围为箭头所指的整个轮廓要素或中心要素。
1) 形位公差的简化标注法如图 2-18 所示。
15
图 2-18 形位公差的简化标注
2) 如仅要求要素某一部分的公差值或某一部分作为基准，则用粗点画线表示其范围，并加注尺寸，如图 2-19a 所示。
3) 如需给出被测要素任一长度 (或范围 )的公差值时，注法如图 2-19b 所示，表示被测要素任意 (500×500)mm
2
范围内平面度误差不大于 0.04mm。
4) 如不仅给出被测要素任一长度 (或范围 )的公差值，还需给全长 (或整个要素 )的公差值，
其注法如图 2-19c,d 所示。分子表示全长 (或整个要素 )的公差值，分母表示任一长度 (或范围 )
的公差值。
图 2-19 形位公差局部限制的标注
5) 如果要求在公差带内进一步限定被测要素的形状时，则应在公差值后面加注有关的符号，见表 2-5。
16
表 2-5 形位公差值后面的要素形状符号
(4) 理论正确尺寸的标注
对于要素的位置度、轮廓度或倾斜度，其尺寸由不带公差的理论正确位置、轮廓或角度确定，这种尺寸称,理论正确尺寸,。
理论正确尺寸应围以框格，零件实际尺寸仅是由在公差框格中位置度，轮廓度或倾斜度公差来限定，如图 2-20 所示。
图 2-20 理论正确尺寸
图 2-21 是标注形位公差的实例，可供标注时参考，具体含义参见表 2-6～ 2-10。
图 2-21 中
M
表示实际要素在尺寸公差范围内具有材料量为最多的状态，称为最大实际状态，表示该同轴度公差值与被被测要素的公差相关。
E
表示实际要素处处位于具有理想形状的最大实体尺寸包容面内的一种公差原则，称为包容原则。进一步的解释请参阅相关书籍。
17
图 2-21 形位公差标注示例
四、形位公差的标注示例及解释
1,形状公差举例
形状公差带定义、标注示例和解释如表 2-6 所示。
18
表 2-6 形状公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
在给定平面内，公差带是距离为公差值
t 的两平行平面之间的区域
棱线必须位于箭头所示方向距离为公差值 0.02mm 的两平行平面内
直线度 公差
在任意方向上，公差带是直径为公差值
t 的圆柱面内的区域
被测圆柱面的轴线必须位于直径为
φ0.08mm 的圆柱面内
平面度 公差
公差带是距离为公差值 t 的两平行平面之间的区域
被测表面必须位于距离为公差值
0.08mm 的两平行平面内
圆度 公差
公差带是在同一正截面上，半径差为公差值 t 的两同心圆之间的区域
被测圆锥面任一正截面上的圆周必须位于半径差为公差值 0.1mm的两同心圆之间
圆柱度 公差
公差带是半径差为公差值 t 的两同轴线圆柱面之间的区域
被测圆柱面必须位于半径差为公差值
0.1mm 的两同轴线圆柱面之间
形状公差带的特点是不涉及基准，无确定的方向和固定的位置。它的方向和位置随相应实际要素的不同而浮动。
2、轮廓度公差举例
轮廓度公差有线轮廓度和面轮廓度公差两个项目。它们的理想被测要素的形状需要用理论正确尺寸 (把数值围以方框表示的没有公差而绝对准确的尺寸 )决定。
轮廓度公差分为无基准要求的和有基准要求的两种。前者的方位可以浮动，而后者的方位是固定的。
19
轮廓度公差带定义、标注示例和解释如表 2-7 所示。
表 2-7 轮廓度公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
线轮廓度 公差
公差带是包括一系列直径为公差值 t 的圆的两络线之间的区域。这些圆的圆心位于具有理论正确几何形状的曲线上
在平行于图样所示投影面的任一截面上，被测轮廓线必须位于包络一系列直径为公差值 0.04mm 的圆且圆心位于具有理论正确几何形状的曲线上的两包络线之间
(a)无基准要求的 (b)有基准要求的
线轮廓度公差 线轮廓度公差
面轮廓度 公差
公差带是包络一系列直径为公差值 t 的球的两包络面之间的区域。这些球的球心位于具有理论正确几何形状的曲面上
被测轮廓面必须位于包络一系列球的两包络面之间，这些球的直径为公差值 0.02mm 且球心位于具有理论正确几何形状的曲面上
(a)无基准要求的 (b)有基准要求的
面轮廓度公差 面轮廓度公差
3,定向公差举例
定向公差是关联实际要素对基准在方向上允许的变动全量。定向公差有平行度、垂直度和倾斜度三项,它们都有面对面,线对面,面对线和线对线几种情况。 典型的定向公差带定义、
标注示例和解释如表 2-8 所示。
表 2-8 典型的定向公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
平
行
度
公
差
面
对
面
平
行
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且平行于基准平面的两平行平面之间的区域
被测表面必须位于距离为公差值 0.01mm 且平行于基准平面 D 的两平行平面之间
20
线
对
面
平
行
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且平行于基准平面的两平行平面之间的区域
被测轴线必须位于距离为公差值 0.01mm 且平行于基准平面 B 的两平行平面之间
面
对
线
垂
直
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且垂直于基准直线的两平行平面之间的区域
被测平面必须位于距离为公差值 0.08mm 且垂直于基准轴线 A 的两平行平面之间
垂直
度
公
差
线
对
线
垂
直
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且垂直于基准直线的两平行平面之间的区域
被测轴线必须位于距离为公差值 0.06mm 且垂直于基准轴线 A 的两平行平面之间的区域
倾
斜
度
公
差
面
对
面
倾
斜
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且与基准平面或一给定角度的两平行平面之间的区域
被测表面必须位于距离为公差值 0.08mm 且与基准平面 A 成理论正确角度 40°的两平行平面之间
定向公差带具有如下特点,
① 定向公差带相对基准有确定的方向。
② 定向公差带能自然地把同一被测要素的形状误差控制在定向公差范围内。因此，对某一被测要素给出定向公差后，仅在对其形状精度有进一步要求时，才另行给出形状公差，而形状公差值必须小于定向公差值。
4．定位公差举例
定位公差是关联实际要素对基准在位置上允许的变动全量。定位公差有同轴度、对称度和位置度三项。典型的定位公差带定义、标注示例和解释如表 2-9 所示。
21
表 2-9 典型的定位公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
同
轴
度
公
差
线
的
同
轴
度
公
差
公差带是直径为公差值 t 的圆柱面内的区域，该圆柱面的轴线与基准轴线同轴线
φd
1
圆柱面轴线必须位于直径为公差值
φ0.04mm 且与基准轴线 A 同轴线的圆柱面内
对
称
度
公
差
面
对
面
对
称
度
公
差
公差带是距离为公差值 t 且相对于基准中心平面对称配置的两平行平面之间的区域
被测中心平面必须位于距离为公差值
0.08mm 且相对于基准公共中心平面 A--B
对称配置的两平行平面之间
位
置
度
公
差
线
的
位
置
度
公
差
公差带是直径为公差值 t 且以线的理想位置为轴线的圆柱面内的区域。公差带轴线的位置由基准和理论正确尺寸确定
φD 被测孔的轴线必须位于直径为公差值
φ0.08mm，由三基面体系 A,B,C 和相对于基准平面 B,C 的理论正确尺寸 100,68
所确定的理想位置为轴线的圆柱面内
位公差特征中，同轴度只涉及轴线；对称度涉及的要素有轴线和中心平面；位置度涉及的要素包括点、线、面。定位公差带的特点如下。
① 定位公差带相对于基准具有确定的位置，位置度的公差带位置由理论正确尺寸确定。
② 定位公差带能自然地把同一被测要素的形状误差和定向误差控制在其定位公差范围内。因此，对某一被测要素给出定位公差后，仅在对其定向精度或 (和 )形状精度有进一步要求时，才另行给出定向或 (和 )形状公差，而定向公差值必须小于定位公差值，形状公差值必须小于定向公差值。
5、跳动公差举例
22
跳动公差是关联实际要素绕基准轴线回转一周或连续回转时所允许的最大跳动量。跳动量可由指示表的最大与最小示值之差反映出来。 被测要素为回转表面或端面,基准要素为轴线。
跳动可分为圆跳动和全跳动。
圆跳动是指被测要素在某个测量截面内相对于基准轴线的变动量。圆跳动有径向圆跳动、
端面圆跳动和斜向圆跳动。
全跳动是指整个被测要素相对于基准轴线的变动量。全跳动有径向全跳动和端面全跳动。
典型的跳动公差带定义、标注示例和解释如表 2-10 所示。
23
表 2-10 典型的跳动公差带定义、标注示例和解释
特征项目 公差带定义 标注示例和解释
径
向
圆
跳
动
公
差
公差带是在垂直于基准轴线的任意测量平面内，半径差为公差值 t 且圆心在基准轴线上的两同心圆之间的区域
当被测圆柱面绕基准轴线 A 旋转一转时，
在任意测量平面内的径向圆跳动均不得大于
0.1mm
圆
跳
动
公
差
端
面
圆
跳
动
公
差
公差带是在与基准轴线同轴线的任一半径位置的测量圆柱面上，宽度为公差值 t
的两个圆之间的区域
被测圆端面绕基准轴线 A 旋转一周时，在任一测量圆柱面上的轴向跳动均不得大于
0.1mm
径
向
全
跳
动
公
差
公差带是半径差为公差值 t 且与基准轴线同轴线的两圆柱面之间的区域
被测圆柱面绕公共基准轴线 A--B 连续旋转，指示表与工件在平行于该公共基准轴线的方向作轴向相对直线运动时，被测圆柱面上各点的示值中最大值与最小值的差值不得大于 0.1mm
全
跳
动
公
差
端
面
全
跳
动
公
差
公差带是距离为公差值 t 且与基准轴线垂直的两平行平面之间的区域
被测圆端面绕基准轴线 A 连续旋转，指示表与工件在垂直于该基准轴线的方向作径向相对直线运动时，被测圆端面上各点的示值中最大值与最小值的差值不得大于 0.1mm
跳动公差值可以综合控制被测要素的方位和形状。 例如,端面全跳动公差带控制端面对基准轴线的垂直度,也可控制端面的平面度误差,径向全跳动公差带可控制同轴度误差和圆柱度误差。
24
采用跳动公差时,若综合控制被测要素不能满足功能要求,则可进一步给出相应的形状公差 (其数值应小于跳动公差值 )。
§2-3 表面结构的图样表示法
在机械图样上，为保证零件装配后的使用要求，除了对零件各部分结构的尺寸、形状和位置给出公差要求,还要根据功能需要对零件的表面质量 ——表面结构给出要求。 表面结构是表面粗糙度、表面波纹度、表面缺陷、表面纹理和表面几何形状的总称。表面结构的各项要求在图样上的表示法在 GB/131-2006 中均有具体规定。本节主要介绍常用的表面粗糙度表示法。
一、表面粗糙度的基本概念
零件表面加工得再精细，放大后观察，还是可以看到高低不平的状况，如图 2-22 所示。
这是由于零件在加工过程中,机床和刀具的振动,材料的不均匀及切削时表面金属的塑性变形等影响,使零件表面存在着较小间距的轮廓峰谷。 这种表面上具有较小间距的峰谷所组成的微观几何形状特性，称为表面粗糙度。表面粗糙度反映零件表面的光滑程度。由于机器或部件对零件的各个表面有着不同的要求 (如配合性质、耐磨性、抗腐蚀性、密封性等 )，因此，对零件表面粗糙度的要求也各不相同。
表面粗糙度是评定零件表面质量的一个重要指标。 一般来说，凡零件上有配合或相对运动的表面、要求耐磨、抗腐蚀的表面，其表面粗糙度的值要小。而表面粗糙度参数值越小，表示零件表面粗糙度要求越高，则其加工成本也越高。因此，应在满足零件表面功能的前提下，合理选用表面粗糙度参数。
此外，表面粗糙度对零件外形的美观等也有影响。 图 2-22 零件表面微观不平程度
二、表面粗糙度的评定
国标 GB/T3505-2000 中规定了评定表面粗糙度的各种参数，其中较常用的是两种高度参数：轮廓算术平均偏差 Ra、轮廓最大高度 Rz。使用时宜优先选用 Ra 参数。参数的单位是微米。 Ra 和 Rz 也称 R 轮廓。
1,评定表面结构常用的轮廓参数
(1) 轮廓算术平均偏差 Ra 是指在一个取样长度内，沿测量方向 (Z 方向 )的轮廓线上的点与基准线之间距离绝对值的算术平均值，如图 2-23 所示，用公式表示为,
()
r
0
r
1
||
l
Razxdx
l
=
∫
式中 l
r
—取样长度 (一段基准线长度 )；
z——轮廓偏距 (表面轮廓上点至基准线的距离 )。
Ra 也可近似表示为,
25
1
1
||
n
i
i
Raz
n =
= ∑
式中 n——在取样长度内所测点的数目。
图 2-23 轮廓的算术平均偏差 Ra和轮廓最大高度 Rz
所测值 Ra 越大，则表面越粗糙。 Ra 能客观地反映表面微观几何形状的特性，但因受到计量器具功能的限制，不用作过于粗糙或太光滑的表面的评定参数。目前，一般机械制造工业主要选用 Ra，通常它用电动轮廓仪测量，运算过程由仪器自动完成；也可用,比较法,将被测表面和表面粗糙度样板直接进行比较，此法评定的准确性在很大程度上取决于检验人员的经验。 Ra 的数值见表 2-7，表中第一系列为优先选用。
(2) 轮廓最大高度 Rz 是指在同一取样长度 l
r
内，最大轮廓峰高和最大轮 廓谷深之间的高度，如图 2-23 所示。
测得的 Rz 值越大，则表面加工痕迹越深。 Rz 只能反映轮廓的峰高，不能反映峰顶的尖锐或平钝的几何特性。当被测表面很小，不宜采用 Ra 时，也常采用 Rz 值。 Rz 的数值见表 2-11。
表 2-11 表面粗糙度高度参数（ Ra,Rz）的数值系列（ GB/T1031—1995） μm
轮廓算术平均偏差 Ra 轮廓最大高度 Rz
第 1 系列 第 2 系列 第 1 系列 第 2 系列 第 1 系列 第 2 系列 第 1 系列 第 2 系列
0.012
0.025
0.05
0.1
0.2
0.4
0.8
0.008
0.010
0.016
0.020
0.032
0.040
0.063
0.080
0.125
0.160
0.25
0.32
0.50
0.63
1.00
1.6
3.2
6.3
12.5
25
50
100
1.25
2.0
2.5
4.0
5.0
8.0
10.0
16.0
20
32
40
63
80
0.025
0.05
0.1
0.2
0.4
0.8
1.6
3.2
0.032
0.040
0.063
0.080
0.125
0.160
0.25
0.32
0.50
0.63
1.00
1.25
2.0
2.5
4.0
5.0
6.3
12.5
25
50
100
200
400
800
8.0
10.0
16.0
20
32
40
63
80
125
160
250
320
500
630
1000
1250
26
1600
注：应优先选用第 1 系列
2．有关检验规范的基本术语
检验评定表面结构的参数值必须在特定条件下进行,国家标准规定,图样中注写参数代号及其数值要求的同时，还应明确其检验规范。
有关检验规范方面的基本术语有,取样长度、评定长度、极限值判断规则,等。
（ 1）取样长度和评定长度 以粗糙度高度参数的测量为例，由于表面轮廓的不规则性，
测量结果与测量段的长度密切相关，当测量段过短，各处的测量结果会产生很大差异；但当测量段过长,则测得的高度值中将不可避免的包含了波纹度 （在工作表面所形成的间距比粗糙度大得多的表面不平度称为波纹度）的幅值。因此，在 X 轴（即基准线，见图 2-23）上选取一段适当长度进行测量，这段长度称为取样长度。但是，在每一取样长度内的测得值通常是不等的，为取得表面粗糙度最可靠的值，一般取几个连续的取样长度进行测量，并以各取样长度内测量值的平均值作为测得的参数值。这段在 X 轴方向上用于评定轮廓的、包含着一个或几个取样长度的测量段称为评定长度。
当参数代号后未注明时，评定长度默认为 5 个取样长度，否则应注明个数。例如,Rz 0.4、
Ra3 0.8,Rz1 3.2 分别表示评定长度为 5 个（默认）,3 个,1 个取样长度。
（ 2） 极限值判断规则 完工零件表面按检验规范测得轮廓参数值后,需与图样上给定的极限比较，以判定其是否合格。极限值判断规则有两种,
16%规则 运用本规则时，当被检表面测得的全部参数值中，超过极限值的个数不多于总个数 16%时，该表面是合格的。超过极限值有两种含义：当给定上限值时，超过是指大于给定值；当给定下限值时，超过是指小于给定值。
最大规则 运用本规则时，被检的整个表面上测得的参数值一个也不应超过给定的极限值。
16%规则是所有表面结构要求标注的默认规则。即当参数代号后未标注写,max”字样时，
均默认为应用 16%规则（例如 Ra 0.8） 。反之，则应用最大规则（例如 Ramax 0.8） 。
三、表面粗糙度的选用
零件表面粗糙度值的选用，应该既要满足零件表面的功能要求，又要考虑经济合理性。
具体选用时，可参照生产中的实例，用类比法确定，同时注意下列问题,
(1) 在满足功用的前提下，尽量选用较大的 Ra 值，以降低生产成本。
(2) 在同一零件上，工作面比非工作面 Ra 值要小。
(3) 配合性质相同时，零件尺寸大的比尺寸小的表面 Ra 值大。同一公差等级，小尺寸比大尺寸、轴比孔的 Ra 值要小。
(4) 受循环载荷的表面及容易产生应力集中的表面 (如圆角、沟槽 )的 Ra 值要小。
27
(5) 运动速度高、单位压力大的摩擦表面，比运动速度低、单位压力小的摩擦表面 Ra 值小。
(6) 一般情况下，尺寸和表面形状要求精度高的表面 Ra 值小，不同的加工方法可以得到不同的 Ra 值。
表 2-12 给出了零件表面粗糙度数值不同的表面情况以及对应的加工方法和应用举例。
表 2-12 表面粗糙度 Ra 的表面特征、经济加工方法及应用示例
表面微观特性 Ra/μm 加 工 方 法 应 用 举 例
明显见刀痕 ≤ 20
粗车、粗刨、粗铣、毛挫、锯断
半成品粗加工的表面、非配合的加工表面，如轴端面、倒角、钻孔、齿轮和带轮侧面、键槽底面、垫圈接触面等
微见加工痕迹
≤ 10 车、刨、铣、钻、粗铰轴上不安装轴承、齿轮的非配合表面，紧固件的自由装配表面，轴和孔的退刀槽等
微见加工痕迹
≤ 5
车、刨、铣、镗、拉、
粗刮、滚压
半精加工表面、箱体、支架、盖面、套筒等和其他零件结合而无配合要求的表面，需要发蓝的表面等
看不见加工痕迹
≤ 2.5
车、刨、铣、镗、磨、
拉、刮、压、铣齿
接近于精加工表面，箱体上安装轴承的镗孔表面，
齿轮的工作面等
可辨加工痕迹方向
≤ 1.25
车、镗、磨、拉、刮、
精铰、磨齿、滚压
圆柱销、圆锥销、与滚动轴承配合的表面，普通车床导轨面，内、外花键定心表面等
微辨加工痕迹方向
≤ 0.63
精铰、精镗、磨、刮、
滚压
要求配合性质稳定的配合表面，工作时受交变应力的重要零件，较高精度车床的导轨面等
不可辨加工痕迹方向
≤ 0.32
精磨、珩磨、研磨、超精加工
精密机床主轴锥孔、顶尖圆锥面，发动机曲轴，凸轮轴工作表面，高精度齿轮齿面
暗光泽面 ≤ 0.16 精磨、研磨、普通抛光精密机床主轴颈表面，一般量规工作表面，汽缸套内表面，活销表面等
亮光泽面 ≤ 0.08
镜状光泽面 ≤ 0.04
超精磨、精抛光、镜面磨削
精密机床主轴颈表面，滚动轴承的滚珠，高压油泵中柱塞和柱塞孔配合的表面等
镜面 ≤ 0.01 镜面磨削、超精研
高精度量仪、量块的工作表面，光学仪器中的金属镜面等
四、表面结构符号、代号及其标注
国标 GB/T131-2006 规定了零件表面结构符号、代号及其在图样上的标注。
1,表面结构符号 图样上表示零件表面结构的符号种类,名称,尺寸及其含义见表 2-13。
28
表 2-13 表面结构符号的画法及含义
符号名称 符 号 含 义
基本图形符号
d′=0.35mm
（ d′--符号线宽）
H1=3.5mm
H2=7mm
未指定工艺方法的表面，仅适用于简化代号标注,当通过一个注释时可单独使用
用去除材料方法获得的表面；仅当其含义是,被加工表面,时可单独使用。
例如：车、铣、钻、刨、磨等
扩展图形符号
不去除材料的表面,也可用于表示保持上道工序形成的表面,不管这种状况是通过去除或不去除材料形成的。例如：铸、锻、轧、冲压等
在以上各种符号的长边上加一横线，
以便注写对表面结构的各种要求
完整图形符号
在上述三个符号的长边与横线相交处加一小圆,表示封闭轮廓的各表面具有相同的表面结构的要求
注：表中 d′,H1 和 H2 的大小是当图样中尺寸数字高度选取 h=3.5mm 时按 GB/T131—2006 的相应规定给定的。表中 H2 是最小值，必要时允许加大。
2,表面结构要求在图形符号中的注写位置
为了明确表面结构要求，除了标注表面结构参数和数值外，
必要时应标注补充要求，包括取样长度、加工工艺、表面纹理及方向、加工余量等。这些要求在图形符号中的注写位置如图
2-24 所示。 图 2-24 补充要求的注写位置 （ a 到 e）
注写位置说明,
a——注写表面结构的单一要求；
a 和 b 同时存在,a——注写第一表面结构要求,b 注写第二表面结构要求；
c——注写加工方法,“车,,“铣,,“镀,等；
d——注写表面纹理方向，如,＝,,“×”,“M”等；
e——注写加工余量。
注意：表面纹理是指完工零件表面上呈现的，与切削运动轨迹相应的图案，常见加工纹理方向的符号及其含义参见表 2-14，也可查阅 GB/T131—2006 的相应规定。
29
表 2-14 加工纹理方向符号
符号 说明 示意图 符号 说明 示意图
＝
纹理平行于标注代号的视图的投影面
C
纹理呈近似同心圆
⊥
纹理垂直于标注代号的视图的投影面
R
纹理呈近似放射形
×
纹理呈两相交的方向
M 纹理呈多方向
P
纹理无方向或呈凸起的细粒状
注：若表中所列符号不能清楚地表明所要求的纹理方向，应在图样上用文字说明。
3．表面结构代号
表面结构符号中注写了具体参数代号及数值等要求后即称为表面结构代号。 表面结构代号的示例及含义见表 2-15。
表 2-15 表面结构代号示例及意义
No 代号示例 含义 /解释 补充说明
1
表示不允许去除材料，单向上限值,R 轮廓，
算术平均偏差 0.8μm，评定长度为 5 个取样长度（默认）,,16%规则,（默认） 。
参数代号与极限值之间应留空格（下同）,取样长度可由 GB/T
10610 和 GB/T 6062 中查取。
2
表示去除材料，单向上限值,R 轮廓，粗糙度最大高度的最大值 0.2μm，评定长度为 5 个取样长度（默认）,,最大规则,。
示例 No.1～ No.4 均为单向极限要求，且均为单向上限值，则均可不加注,U”，若为单向下限值，则应加注,L”。
3
表示去除材料，单向上限值,R 轮廓，算术平均偏差 3.2μm,评定长度为 5 个取样长度 （默认）,,16%规则,（默认） 。
取样长度可由 GB/T 10610 和
GB/T 6062 中查取。
4
表示去除材料，单向上限值，取样长度
0.8mm,R 轮廓，算术平均偏差 3.2μm，评定长度包含 3 个取样长度,“16%规则,（默认） 。
取样长度 0.8前面的负号表示应用于 R 轮廓。
5
表示不允许去除材料，双向极限值,R 轮廓。
上限值：算术平均偏差 3.2μm，评定长度为 5
个取样长度（默认）,,最大规则,；下限值：
算术平均偏差 0.8μm，评定长度为 5 个取样长度（默认）,,16%规则,（默认） 。
本例为双向极限要求，用,U”和
“L”分别表示上限值和下限值。在不致引起歧义时，可不加注,U”、
“L”。
30
4,表面结构要求在图样中的注法
(1) 表面结构要求对每一表面一般只注一次，并尽可能注在相应的尺寸及其公差的同一视图上。除非另有说明，所标注的表面结构要求是对完工零件的要求。
(2) 表面结构的注写和读取方向与尺寸的注写和读取方向一致。表面结构要求可标注在轮廓线上，其符号应从材料外指向并接触表面，如图 2-25 所示。必要时，表面结构也可用带箭头或黑点的指引线引出标注，如图 2-26 所示。
图 2-25 表面结构要求在轮廓线上的标注 图 2-26 用指引线引出标注表面结构要求
(3) 在不致引起误解时，表面结构要求可以标注在给定的尺寸线上，如图 2-27 所示。
(4) 表面结构要求可标注在形位公差框格的上方，如图 2-28 所示。
图 2-27 表面结构要求标注在尺寸线上 图 2-28 表面结构要求 标注在 形位公差框格的上方
(5) 当在图样某个视图上构成封闭轮廓的各表面有相同的表面结构要求时，在完整图形符号上加一圆圈，标注在图样中工件的封闭轮廓线上，如图 2-29a 所示。注意：图示的表面结构符号是指对图形中封闭轮廓的六个面的共同要求（不包括前后面）,如图 2-29b 所示。
图 2-29 对周边各表面有相同的表面结构要求的标注
31
(6) 圆柱和棱柱表面的表面结构要求只标注一次，如图 2-30 所示。如果每个棱柱表面有不同的表面要求，则应分别单独标注，如图 2-31 所示。对两个独立表面，若为一次加工完成，
则用细实线相连，表面结构要求只标注一次，如图 2-32 所示。
图 2-30 表面结构要求标注在圆柱特征的延长线上
图 2-31 圆柱和棱柱的表面结构要求的注法 图 2-32 不连续的同一表面的表面结构要求只注一次
5,表面结构要求在图样中的简化注法
(1) 有相同表面结构要求的简化注法
如果在工件的多数（包括全部）表面有相同的表面结构要求时，则其表面结构要求可统一标注在图样的标题栏附近。此时，表面结构要求的符号后面应有,
在圆括号内给出无任何其他标注的基本符号，如图 2-33a 所示。
在圆括号内给出不同的表面结构要求，如图 2-33b 所示。
不同的表面结构要求应直接标注在图形中，如图 2-33a,b 所示。
图 2-33 大多数表面有相同表面结构要求的简化注法
32
(2) 多个表面有共同要求的注法
用带字母的完整符号的简化注法，如图 2-34 所示，把带字母的完整符号，以等式的形式，
在图形或标题栏附近，对有相同表面结构要求的表面进行简化标注。
图 2-34 在图纸空间有限时的简化注法
只用表面结构符号的简化注法，如图 2-35 所示，用表面结构符号，以等式的形式给出对多个表面共同的表面结构要求。
图 2-35 多个表面结构要求的简化注法
(3) 两种或多种工艺获得的同一表面的注法
由几种不同的工艺方法获得的同一表面，当需要明确每种工艺方法的表面结构要求时，
可按图 2-36a 所示进行标注（图中 Fe 表示基体材料为钢,Ep 表示加工工艺为电镀） 。
图 2-36b 所示为三个连续的加工工序的表面结构、尺寸和表面处理的标注。
第一道工序：单向上限值,Rz=1.6μm,“16%规则,（默认）,默认评定长度，表面纹理没有要求，用去除材料的工艺。
第二道工序：镀铬，无其他表面结构要求。
第三道工序：一个单向上限值，仅对长度 50mm 的圆柱表面有效,Rz=6.3μm,“16%规则,
（默认）,默认评定长度，表面纹理没有要求，磨削加工工艺。
图 2-36 多种工艺获得同一表面的注法
33
§2-4 机械零件常用材料及其选择
在机械零件产品的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用材料是一项十分重要的工作。它不仅要求考虑材料性能适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的产量，降低成本，减少消耗等。另外，对选用商品材料牌号、形状和规格都应适宜。除金属材料以外的所有工程材料，通称为非金属材料。近几十年来，以高分子材料、工程陶瓷和复合材料为主的非金属材料有了迅速的发展，在机械工程材料中占据重要地位，它的应用遍及国民经济的各个领域，受到人们青睐。限于篇幅，本节只介绍用量最大的金属零件材料。
一、材料的机械性能
在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件、损坏形式找出该零件所选材料的主要机械性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。
如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓，在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力，
而且拉应力是周期变动的。 在这种条件下工作时,其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形失效外,多数情况下是由于疲劳破坏而造成断裂的。 因此对连杆螺栓材料的机械性能除了要求有高的屈服极限和强度极限外，还要求有高的疲劳强度。并且由于整个截面均匀受力，因此材料的淬透性也需考虑。
表 2-16 列举了一些零件的工作条件、主要损坏形式及主要机械性能指标。
表 2-16 一些零件的工作条件、主要损坏形式及主要机械性能指标
零件名称 工作条件 主要损坏形式 主机械性能指标
重要螺栓 交变拉应力
过量塑性变形或由疲劳而造成破断
σ
0.2
,σ
-1p
,HB
重要传动齿轮
交变弯曲应力，交变接触压应力，齿表面受带滑动的滚动摩擦、冲击负荷
齿的折断，过度磨损，疲劳麻点
σ
-1
,σ
bb
，接触疲劳强度,HRC
曲轴、轴类
交变弯曲应力，扭转应力冲击负荷，磨损和轴瓦发生摩擦
疲劳破断，过度磨损 σ
0.2
,σ
–1
,HRC
弹簧 交变应力，振动 弹力丧失或疲劳破断 σ
e
,σ
–1p
,HRC
滚动轴承
点或线接触下的交变压力，滚动摩擦
过度磨损破坏，疲劳破断 σ
bc
,σ
–1
,HRC
注,σ
–1p
—抗压疲劳极限或对称拉伸时的疲劳强度； σ
bb
—抗弯强度；
σ
–2
—光滑试样对称弯曲应力时的疲劳强度； σ
bc
—抗压强度。
由上表可见，零件实际受力条件是较复杂的，同时还应考虑到：短时过载、润滑不良、
材料内部缺陷等因素的影响。因此机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。
在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得
34
的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件不同于机械零件实际工作条件，因而严格说来，材料机械性能数据是不能确切反映机械零件承受载荷的实际能力的。生产中，最常用的、
比较方便的检验性能的方法是硬度 (见附表 )，因为硬度检验可以不破坏零件。
目前，在我国零件图纸上一般都以硬度作为主要的热处理技术条件。某些重要零件要求作其它机械性能检验时，常在图纸上注明。
二、材料的工艺性能
现代工业所用的机械设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。
用金属材料制造零件的基本加工方法，通常有下列四种：铸造，压力加工，焊接和机械加工。热处理是作为改善机械加工性和使零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间的。
材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响。几种重要的工艺性能如下,
铸造性能；包括流动性、收缩、偏析和吸气性等。
锻造性能：包括金属的可锻性（塑性与变形抗力的综合）抗氧化及氧化皮性质、冷镦性、
锻后冷却要求等；
机械加工性：表面结构质量、切削加工性等；
焊接性能：形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的倾向等；
热处理工艺性；包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向、冷脆性等。热处理工艺介绍见附表。
机器上的钢制零件一般是经过锻造、切削加工和热处理等几种加工方法，因此在选材时要对材料的工艺性能加以注意。
在小批量的生产条件下，工艺性能的好坏并不显得突出；而成批大量生产条件下，有时可以成为决定性的因素。例如某厂曾试制一种 24SiMnWV 钢作为 18CrMnTi 钢的代用材料，
虽然其机械性能较 18CrMnTi 钢为优，但因正火后硬度较高，切削加工性差，不能适应大量生产的要求而未被采用。
在设计零件时，也要注意热处理工艺性。如其结构形状复杂，应选用淬透性较好的钢材，
如油淬钢，它变形较小。
一般说来，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求，因此碳钢的用途较广，但它的强度还不够高，淬透性较差。所以，制造大截面、
形状复杂和高强度的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好、强度高。可是合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。
通过改变工艺规范，调整工艺参数，改进刀具、设备，变更热处理方法等途径是可以改善金属材料工艺性能的。
35
三、金属材料的选用
机器零部件绝大部分是由金属材料制成的，金属材料又分黑色金属（钢铁类的合金）和有色金属（钢铁类的合金以外的金属统称）,所以这里仅就金属材料的选用作一介绍，有关金属材料和非金属材料的牌号及说明见附表。
1．金属材料
（ 1）钢
工业用钢在现代国民经济中是应用最为广泛的金属材料，占有极其重要的地位。工业用钢包括碳钢和合金钢。碳钢，由于价格低廉、便于冶炼、容易加工，且通过含碳量的增减和不同热处理可使其性能得到改善，能满足许多工业生产上的需求，因而获得广泛应用。但是，随着现代工业和科学技术的迅速发展，机械设备普遍向重载、高速、高（低）温、高压、多功能、
精密,可靠等方向发展,这就要求钢材具有较高的强度,良好的塑,韧性以及耐高压,耐高 （低）
温、耐腐蚀等特殊物理、化学性能，而碳钢在很多方面已远远不能满足这些要求，因而促使合金钢的发展。
在碳钢的基础上有意识地加入一种或几种合金元素，使其性能（使用性能和工艺性能）
得以提高的的以铁为基的合金即为合金钢。 由于合金钢具有比碳钢更加优良的特性 （如渗透性好、回火稳定性好，基本相强硬，特殊的物理、化学性能优异等）,因而其用量比率在逐年增大。然而合金钢，由于加入了合金元素，使其冶炼、浇铸、锻造、切削加工、焊接与热处理等工艺复杂化，加工成本增高、价格较贵。因此在选择与使用工业用钢时，在满足机械零件使用性能要求的前提下应尽量使用碳钢，必要时才使用合金钢。
（ 2）铸铁
铸铁是含碳量大于 2.08%的铁碳合金，并且还含有较多的 Si,Mn,S,P 等元素。同钢相比，铸铁熔炼简便、成本低廉，虽然强度、塑性和韧性较低，但具有优良的铸造性能，很高的减摩和耐磨性，良好的消震性和切削加工性以及缺口敏感性低等一系列优点。因此，铸铁广泛应用于机械制造、冶金、石油化工、交通、建筑和国防工业各部门。
（ 3）有色金属
习惯上把所有非铁金属及其合金，通称为有色金属材料。有色金属及其合金的种类很多，
虽然其产量和使用量不及黑色金属多，但由于它们具有许多优良的特性，如铝、镁、钛等金属及其合金具有密度小，比强度高的特点；银、铜、铝等有色金属导电、导热性优良；钨、钼、
钽、铌及其合金具有耐热性高等特殊力学、物理、化学性能。它们在机电、仪表，特别是航空、
航海、汽车、石化、电力等工业中发挥着重要的作用，使其成为现代工业乃至日常生活中不可缺少的材料。
2,金属材料选用的基本原则
36
机械零件选用材料时，主要考虑零件的工作条件对材料的使用性能的要求，零件的制造对材料的工艺性能的要求，材料的经济成本。
市场供应的钢铁材料商品有铸锭（生产铸锻件和各种型材的坯料）,型材（圆钢、方钢、
扁钢、六角钢等）,板材、管材、线材和异型截面材等钢材。
选用材料应能满足零件的工作条件对材料的使用性能的要求，这是选材的基本出发点。
选用材料时对零件的工作条件及对使用性能的要求主要考虑以下几点；
1) 零件的工作环境和服役情况，特别是承受载荷的情况。
2) 零件的形状、尺寸和重量所受的限制。
3) 零件的重要性。
选用材料还应能满足零件的制造对材料的工艺性能的要求，并考虑材料的经济成本，既要能够在现有的工艺技术和装备条件能够加工制造,又要考虑材料本身的价格及加工工艺的成本费用。在权衡工艺性能和经济成本时，视零件的重量和加工量的大小不同。例如当零件重量不大而加工量很大时,加工费用是构成零件制造成本的主要因素,选择材料时首先考虑其工艺性能。反之，则应重视相对价格。例如，在实践中常以灰铸铁件的价格为 1 单位，碳素钢铸件的价格与灰铸铁件价格之比即为碳素钢铸件的相对价格。毛坯材料的相对价格可参考表 2-17。
表 2-17 毛坯材料相对价格表
材料 种类规格 相对价格
灰铸铁件 1
碳素钢铸件 2 铸造金属
铝合金铸件 8～ 10
Q235(φ33～ φ42) 1
优质碳素结构钢 (φ29～ φ50) 1.5～ 1.8
合金结构钢 (φ29～ φ50) 1.7～ 2.5
弹簧钢 (φ29～ φ50) 1.7～ 3
滚动轴承钢 (φ29～ φ50) 3
合金工具钢 (φ29～ φ50) 3～ 20
圆钢
耐热合金钢 (φ29～ φ50) 5
在具体选材时，应根据机械零件的功能用途、工作环境、受力情况，查阅材料标准和手册，初步选择能满足要求的材料。再从选材的角度进行产品和零件的结构分析，考察能否用更廉价,更通用的材料或经热处理强化后部分或全部代替初选的材料,为此有时甚至还可在不影响产品和零件的功能的前提下，修改结构设计，以满足选材的基本原则。
四、典型零件选材举例
1,轴
轴是机械产品的主要零件和基础零件之一。在工作状态下，轴受到往复循环的应力的作
37
用，有时还有冲击载荷的作用，其失效形式主要是疲劳裂纹和断裂。同时在轴颈与轴承配合处还因相互摩擦而磨损。因此，轴类零件的材料应具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳强度等综合机械性能，承受摩擦磨损处还应有高的硬度和耐磨性。
在轴类零件选材时，形状简单、尺寸不大，承载较小和转动速度较低的轴可选用 45 钢、
球墨铸铁等碳素钢或铸铁材料，不经热处理或经热处理制成；形状复杂、尺寸较大、承载较大和转动速度较高的轴可选用 45,40Cr,35CrMo,40CrNi,42CrMo,38CrMoAl 等碳素钢或合金钢，经热处理制成。例如 C6132 车床的主轴就是用 45 钢按以下工艺路线制造的,
下料 →锻造 →正火 →粗加工 →调质 →精加工 →局部表面淬火 →低温回火 →精磨 →成品
2,齿轮
齿轮也是机械产品的主要零件和基础零件之一。齿轮的失效形式主要是齿面的疲劳裂纹、
磨损和折断。齿轮的工作条件和失效形式要求其材料应具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面应有高的硬度和耐磨性，心部则要有足够的强度和韧性。
对于工作较平稳，无强烈的冲击，负荷不大，转速不太高，形状不太复杂，尺寸不太大的齿轮，可选用 20,45,40Cr,40MnB 等低碳钢、中碳结构钢、中碳低合金钢等经调质、表面淬火或渗碳淬火制造。 对于工作条件较恶劣,负荷较大,转速较高,且频繁受到强烈的冲击，
形状复杂，尺寸大的齿轮，对材料性能和热处理质量的要求高，可选用 20CrMo,20CrMnTi、
18Cr2Ni4W,40Cr,42CrMo 等合金钢，经调质、表面淬火或渗碳淬火等热处理制造。例如用
20CrMnTi 钢可按以下工艺制造汽车齿轮,
下料 →锻造 →正火 →机加工 →（制齿） →渗碳 →淬火 →低温回火 →喷丸 →精磨 →成品
五、材料的经济性
在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的其它一切费用。
在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下，
选用碳钢、铸铁（尤其是球墨铸铁）,不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。
此外，在选材时还应考虑国家的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和生产管理。
总之，作为一个设计、工艺人员，在选材时必须了解我国工业生产发展形势，要按照国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际情况出发，来全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题。
38
复习思考题
1,什么叫互换性？互换性的优越性有哪些？
2,什么是标准公差？什么是基本偏差？二者各自的作用的什么？
3,尺寸公差与尺寸偏差有何联系与区别？
4,什么是配合？什么是配合制？国标中规定了几种配合和几种配合制？如何正确的来选？
5,为什么要规定优先、常用和一般孔、轴公差带以及优先常用配合？
6,形位公差带由哪些要素组成，形位公差带的形状有哪些？
7,表面粗糙度影响零件的哪些使用性能？
8,选择评定表面结构的 R 轮廓参数值，是否越小越好？
9,机械零件选用金属材料的基本原则是什么？常用铸铁、碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金钢的牌号有哪些？
