在国际两大标准ASME和ISO中,包容原则和独立原则都是比较重要的存在。在ASME中,尺寸要素的第一条规则就是包容原则,第二规则就是独立原则;在ISO中,尺寸要素默认是独立原则。那么,包容原则和独立原则具体指什么,具体该如何使用,接下来会一一探讨。
包容原则:当尺寸要素只有一个尺寸公差时,该公差会同时约束尺寸要素的大小和形状。尺寸要素不能超过MMC(最大实体状态)的完美边界,这个边界是有图纸定义的正确几何形状,当尺寸要素是MMC时,不允许有形状上的误差;当尺寸从MMC向LMC(最小实体状态)偏离时,该偏离量即为允许的形状误差的最大值。
图中的轴和孔,尺寸合格时,是否就可以装配?
假定上图是ASME标准的图纸,根据尺寸要素的第一规则即包容原则,图中的孔和轴都要满足包容原则。虽然图中只标注了尺寸公差,并未标注形状公差,但是形状公差允许的最大值已经被尺寸公差所约束。
具体来说,轴的尺寸只能在Φ19.8到Φ20之间,轴的尺寸为Φ20时,轴的圆柱度、表面母线直线度这些形状公差都必须为零;轴的尺寸为Φ19.8时,轴的圆柱度、表面母线直线度形状公差可以达到允许的最大值Φ0.2;轴的尺寸在Φ19.8到Φ20之间变动时,其允许的形状公差最大值也会随之变化。同样的,孔的尺寸只能在Φ20到Φ20.1之间,孔的尺寸为Φ20.1时,孔的圆柱度、内表面母线直线度这些形状公差都必须为零;孔的尺寸为Φ20时,孔的圆柱度、表面母线直线度形状公差可以达到允许的最大值Φ0.1;孔的尺寸在Φ20到Φ20.1之间变动时,其允许的形状公差最大值也会随之变化。
即在ASME标准下,轴的尺寸最大为Φ20,孔的尺寸最小为Φ20,图中的轴和孔只要尺寸合格,则一定能够装配。
当在ISO标准时,尺寸要素默认是独立原则,即尺寸公差和形状公差没有关系,即只要在每个截面,轴和孔的尺寸公差都满足图纸要求,即可判定轴和孔满足图纸要求,轴和孔的具体情况如下图:
可以看到,任意截面上轴和孔的直径都是合格的,不过由于图纸中未标注轴和孔的形状公差,则上图是满足图纸要求的,但此时的轴和孔不能满足装配(由于形状误差)。
是否 ISO标准就无法使用包容原则,答案是否定的。在ISO标准中,同样可以使用包容原则,只需要在尺寸后面标注E圈即可。
当轴和孔的标注成上图的样式时,表示在ISO标准下的包容原则,具体要求和ASME的包容原则相同,不做赘述。
独立原则:几何公差和要素尺寸无关,它们相互独立,应该分别满足。这里的几何公差指的是特征之间的相互关系,而非特征本身的形状公差。
根据独立原则,图中的Φ20轴的尺寸公差和位置公差应该分别满足,即轴径只要在Φ19.8到Φ20.2之间,则轴径合格;轴的位置度在Φ0.3之内,则轴的位置度合格。
对于尺寸要素,在ISO标准中,默认使用独立原则,故独立原则不需要做特殊标注;在ASME标准中,默认使用包容原则,当需要对尺寸要素使用独立原则时,可以在尺寸后面使用I圈,如下图:
在ASME标准的图纸中出现上图的尺寸标注时,表示尺寸公差不再约束尺寸要素的形状公差。
包容原则并不是在所有的ASME标准中都满足,有些情况下,包容原则不适用,以下情况均不实用包容原则。
1. 一些按国家标准生产的原材料一般不使用包容原则。包括线材、管材、板材、棒材等。
2. 在非约束状态下具有自由的状态,且形变很大。
3. 尺寸标注有独立符号I圈。
4. 形状公差用于尺寸要素的中心要素。
关于独立原则,在概念中提到是特征之间的相互关系,实际上这是ASME标准中关于独立原则的解释,在ISO标准中,独立原则也对特征内起作用,即特征的尺寸公差和本身形状公差之间也满足独立原则。不过在ASME标准中的独立原则要注意,由于默认包容原则的前提下,特征本身的形状公差就不能超越尺寸公差,当形状公差大于尺寸公差时,由于包容原则的存在,只要零件合格,形状公差将不起作用,而是由尺寸公差约束其形状公差的最大值。
需要特别关注的是,包容原则的对象只能是尺寸要素。关于尺寸要素的概念,之前已经介绍过,是指能够体现材料多少的几何特征。常见的尺寸要素有孔、轴、板、槽、球。这些特征对应的孔径、轴径、板厚、槽宽、球径,可以约束特征的形状,是一种特征内的相互关系,而对于像距离、位置、方向等尺寸公差,则不能使用包容原则。
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