1、第第7章圆锥配合的互换性与检测章圆锥配合的互换性与检测 7.1概述概述 7.2圆锥公差圆锥公差 7.3圆锥配合圆锥配合 7.4锥度的测量锥度的测量 7.17.1概概 述述 7.1.17.1.1圆锥配合的特点圆锥配合的特点圆锥配合是机器结构中常用的典型结构，它具有较高的同轴度，配合自锁性好，密封性好，可以自由调整间隙和过盈等特点，因而在工业生产中得到了广泛的应用。与光滑圆柱体配合相比较，圆锥配合具有以下特点：(1)保证结合件相互自动对准中心。在圆柱配合中，当配合存在间隙时，孔与轴的中心线就存在同轴度的误差，而圆锥配合则不同，内外圆锥体沿轴向作相对运动，就可减少间隙，甚至产生过盈，消除间隙引起的偏
2、心，使结合件轴线重合，即轴线自动对准。(2)配合性质可以调整，即可以调整配合间隙和过盈的大小来满足不同的工作要求。在圆柱体配合中，相互配合的孔、轴的间隙与过盈是由基本偏差和标准公差确定的，其大小不能调整。而圆锥体配合中，则可通过内、外圆锥在轴向的相对位置改变其间隙和过盈的大小，从而达到不同的配合性质，且可补偿表面的磨损，延长圆锥的使用寿命。(3)配合紧密且便于装拆。圆柱体配合是要在配合中得到过盈，而在装配时得到间隙是较困难的。圆锥体的配合则不然，只要内、外圆锥沿轴向适当地移动即可得到较紧的配合，而反向移动又很容易拆开。所以，圆锥配合的密封性很好，常被用在防止漏气、漏水等方面。(4)圆锥配合的结
3、构较为复杂，加工和检测也较为困难，故不如圆柱配合应用广泛。7.1.27.1.2圆锥配合的种类圆锥配合的种类1.1.间隙配合间隙配合间隙配合具有间隙，零件易拆开，相互配合的内、外圆锥能相对运动，如机床顶尖、车床主轴的圆锥轴颈与滑动轴承的配合。2.2.过渡配合过渡配合过渡配合具有间隙，也可能具有过盈，要求内、外圆锥紧密配合，它用于对中定心和密封。当用于密封时，可以防止漏水和漏气，例如内燃机中气门与气门座的配合。为了使配合的圆锥面有良好的密封性，内、外圆锥要成对研磨，因而通常这类圆锥不具有互换性。3.3.过盈配合过盈配合过盈配合具有自锁性，用于传递扭矩。内、外锥体没有相对运动，过盈大小也可以调整，而
4、且装卸方便，如机床上的刀具(钻头、立铣刀等)的锥柄与机床主轴锥孔的配合。7.1.37.1.3常用术语及定义常用术语及定义1.1.圆锥圆锥以与轴线成一定角度且一端相交于轴线的一条直线为母线，围绕着该轴线旋转形成的圆锥表面(见图71)与一定尺寸所限定的几何体，称为圆锥。外圆锥是外部表面为圆锥表面的几何体，如图72所示；内圆锥是内部表面为圆锥表面的几何体，如图73所示。图71圆锥表面 图72外圆锥 图73内圆锥 2.圆锥角圆锥角在与圆锥平行并通过轴线的截面内，两条素线(圆锥表面与轴向截面的交线)间的夹角(见图71)称为圆锥角。圆锥角的代号为，斜角(锥角之半)的代号为2。3.3.圆锥直径圆锥直径圆锥直
5、径是指圆锥上垂直于轴线截面的直径，如图72所示。常用的圆锥直径有最大圆锥直径D、最小圆锥直径d和给定截面圆锥直径dx。4.4.圆锥长度圆锥长度L L最大圆锥直径与最小圆锥直径之间的轴向距离(见图72)，称为圆锥长度。5.5.锥度锥度C C两个垂直圆锥轴线截面的圆锥直径差与这两个截面间的轴向距离之比称为锥度。如果最大圆锥直径为D，最小圆锥直径为d，圆锥长度为L，则锥度C为 LdDC（71）锥度C与圆锥角的关系为 2cot21:12tan2C（72）锥度关系式反映了圆锥直径、圆锥长度、圆锥角和锥度之间的关系，这一关系式是圆锥的基本公式。锥度一般用比例或分式形式表示。7.1.4 锥度与锥角系列锥度与
6、锥角系列 GBT 1572001产品几何量技术规范(GPS)圆锥的锥度与锥角系列标准中规定了一般用途和特殊用途两种圆锥的锥度与锥角，适用于光滑圆锥。1 1一般用途圆锥的锥度与锥角一般用途圆锥的锥度与锥角GBT 157一2001标准中对一般用途圆锥的锥度与锥角规定了21个基本值系列，见表71。锥角从120到小于1，或锥度从1:0.289到1:500。选用时，应优先选用表中第一系列，当不能满足需要时，选第二系列。表71一般用途圆锥的锥度与锥角系列 2.2.特殊用途圆锥的锥度与锥角特殊用途圆锥的锥度与锥角GBT1572001对特殊用途圆锥的锥度与锥角规定了24个基本值系列，如表72所示，这些系列仅适
7、用于表中所说明的特殊行业和用途。表72特殊用途圆锥的锥度与锥角系列 表72特殊用途圆锥的锥度与锥角系列表表73莫氏工具圆锥莫氏工具圆锥(摘录摘录)7.2圆锥公差圆锥公差 7.2.1有关圆锥公差的术语及定义有关圆锥公差的术语及定义1.基本圆锥基本圆锥基本圆锥是设计时给定的圆锥。基本圆锥可以用两种形式确定：一种以一个基本圆锥直径(最大圆锥直径D、最小圆锥直径d或给定截面的圆锥直径dx)、基本圆锥长度L和基本圆锥角(或基本锥度C)来确定；另一种以两个基本圆锥直径(D和d)和基本圆锥长度L来确定。2.2.极限圆锥极限圆锥极限圆锥是实际圆锥允许变动的界限。直径为最大极限尺寸的称为最大极限圆锥，直径为最小
8、极限尺寸的称为最小极限圆锥。合格的实际圆锥必须在两极限圆锥限定的空间区域之内，如图74所示。图74极限圆锥 3.3.圆锥直径公差圆锥直径公差T TD D允许圆锥直径的变动量称为圆锥直径公差,其数值为允许的最大极限圆锥直径与最小圆锥直径之差(见图74)，用公差表示为 minmaxminmaxddDDTD(73)4.4.圆锥角公差圆锥角公差ATAT允许圆锥角的变动量称为圆锥角公差，其数值为允许的最大圆锥角与最小圆锥角之差(见图75)，用公式表示为 minmaxAT(74)图75圆锥角公差带 圆锥角公差有以下两种表示形式。(1)AT：以角度单位微弧度(rad)或以度、分、秒(、)表示圆锥角公差值。(
9、2)ATD:以长度单位微米(m)表示公差值。它是用与圆锥轴线垂直且距离为L的两端直径变动量之差所表示的圆锥角公差。AT与ATD的关系如下：310LATATD(75)式中：ATD的单位为m；AT的单位为rad；L的单位为mm。5.5.圆锥的形状公差圆锥的形状公差T TF F圆锥形状公差包括下述两种：(1)圆锥素线直线度公差:在圆锥轴向平面内，允许实际素线形状的最大变动量。其公差带是在给定截面上，距离为公差值TF的两条平行直线间的区域，如图74所示。(2)截面圆度公差：在圆锥轴线法向截面内，允许截面形状的最大变动量。它的公差带是半径差为公差值TF的两同心圆之间的区域，如图74所示。6.给定截面圆锥
10、直径公差TDS TDS为在垂直于圆锥轴线的给定截面内，允许圆锥直径的变动量。7.2.27.2.2圆锥公差值和给定方法圆锥公差值和给定方法1.1.圆锥公差项目圆锥公差项目为了满足圆锥联结功能和使用要求，圆锥公差国标规定了下述四项公差。1)圆锥直径公差TD圆锥直径公差以基本圆锥直径(一般取最大圆锥直径D)为基本尺寸。按圆柱公差与配合国标(GB18001998)规定的标准公差选取。对于有配合要求的圆锥，其内、外圆锥直径公差带的位置应按圆锥配合国标(GB1236090)中的有关规定选取。对于无配合要求的圆锥，建议选用基本偏差JS、js来确定内、外圆锥的公差带位置。2)圆锥角公差圆锥角公差AT圆锥角公差
11、按加工精度的高低分为12个等级，其中，AT1级精度最高，AT12级精度最低。由于加工方法不同，圆锥长度L的角度误差不同，L越大，角度误差可以越小，因此在同一公差等级中，按基本圆锥长度L的不同规定了不同的角度公差值AT。基本长度L在6630mm范围内划分为10个尺寸分段，其角度公差如表74所示。表74圆锥角公差(摘录)表74圆锥角公差(摘录)图76圆锥角的极限偏差 3)圆锥的形状公差TF形状公差包括素线直线度公差和截面圆度公差。在一般情况下，不单独给出，而是由对应的两极限圆锥公差带限制。当对形状精度有更高要求时，应单独给出相应的形状公差。其数值可从国标(GBT11841996)形状和位置公差未注
12、公差附录中选取，但应不大于圆锥直径公差值的一半。4)给定截面圆锥直径公差TDS TDS以给定截面直径为基本尺寸，按圆柱公差与配合国标(GB18001998)规定的标准公差选取。选取的公差值仅适用于该给定截面，其公差带位置按功能要求确定。2.圆锥公差的给定方法圆锥公差的给定方法对一个具体的圆锥零件来说，并不都需要给定上述四项公差，而应按圆锥零件的功能要求和工艺特点选取公差项目。我国国家标准规定了两种圆锥公差的给定方法。(1)给出圆锥的理论正确圆锥角(或锥度C)和圆锥直径公差TD，由TD确定两个极限圆锥。其圆锥直径误差、圆锥角误差和圆锥形状误差都应限制在圆锥直径公差带内，如图74所示。圆锥直径公差
13、TD所能限制的圆锥角如图77所示。图77圆锥直径公差限制的圆锥角 如果对圆锥角公差、圆锥形状公差有更高要求，则可压缩圆锥直径公差TD，或者再给出圆锥角公差AT和圆锥形状公差TF，此时给定的AT和TF值只能占圆锥直径公差TD的一部分。这种方法通常适用于有配合要求的内、外锥体，例如圆锥滑动轴承、钻头的锥柄等。(2)同时给出给定截面的圆锥直径公差TDS和圆锥角公差AT。此时，给出的TDS仅控制该给定截面的圆锥直径误差，而给出的圆锥角公差不包括在给定截面的圆锥直径公差带内，TDS和AT两种公差分别规定，分别满足要求，如图78所示。图78给定截面的圆锥直径公差TDS与圆锥角公差AT的关系 7.3圆圆 锥
14、配合锥配合 7.3.17.3.1圆锥配合的特征圆锥配合的特征圆锥配合是由基本圆锥直径和基本圆锥角或基本锥度相同的内、外圆锥形成的。圆锥尺寸公差带的数值是按直径给定的，其间隙或过盈垂直于圆锥轴线方向即直径方向，而与圆锥角的大小无关。由于圆锥角会引起两个方向上数值的差别，因此在本标准的适用范围内(锥度131500)，若最大差值不超过2，则可忽略不计。圆锥配合区别于圆柱配合的主要特点是：内、外圆锥的相对轴向位置不同，可以获得间隙配合、过渡配合或过盈配合。因此，圆锥配合按内、外圆锥相对位置的确定方法可分为两类：结构型圆锥配合和位移型圆锥配合。1.1.结构型圆锥配合结构型圆锥配合用适当的结构使内、外圆锥
15、保持固定的相对轴向位置，配合性质完全取决于内、外圆锥直径公差带的相对位置的圆锥配合称为结构型圆锥配合。实现轴向位置固定的方法可以是内、外圆锥基准平面之间直接接触(见图79(a)，也可以采用其他附加结构保持内、外圆锥基准平面之间的距离(见图79(b)。图79结构型圆锥配合 2.2.位移型圆锥配合位移型圆锥配合用调整内、外圆锥相对轴向位置的方法，获得满足要求的配合性质的圆锥配合称为位移型圆锥配合。位移型圆锥配合的性质与内、外圆锥直径公差带的位置无关。图710(a)表示由内圆锥与外圆锥相接触的实际初始位置Pa起，向左移动距离Ea到达终止位置Pf，形成间隙配合；图710(b)表示内圆锥由实际初始位置P
16、a起，在一定的轴向装配力的作用下，向右移动Ea到达终止位置Pf，形成过盈配合。图710位移型圆锥配合 7.3.27.3.2有关圆锥配合的术语及定义有关圆锥配合的术语及定义由于结构型圆锥配合的性质与圆柱配合一样，是由内、外圆锥直径公差带的相对位置决定的，因此，圆锥配合国家标准主要对位移型圆锥配合的有关术语作了如下规定。1.1.实际初始位置实际初始位置P Pa a在不施加轴向力的情况下，相互结合的内、外实际圆锥的表面接触时的轴向位置，称为实际初始位置。实际初始位置可以以内圆锥相对于外圆锥的位置表示(见图710)，也可以以外圆锥相对于内圆锥的位置表示。2.极限初始位置极限初始位置(P1、P2)极限初
17、始位置为实际初始位置允许变动的两个界限。内、外圆锥以最大实体圆锥(内圆锥为最小极限圆锥，外圆锥为最大极限圆锥)相接触时的轴向位置，称为极限初始位置P1；内、外圆锥以最小实体圆锥(内圆锥为最大极限圆锥，外圆锥为最小极限圆锥)相接触时的轴向位置，称为极限初始位置P2，如图711所示。合格的内、外圆锥相接触时，其实际初始位置Pa一定位于极限初始位置P1和P2之间。图711极限初始位置和初始位置公差 3.3.初始位置公差初始位置公差T TP P初始位置公差是指实际初始位置允许的变动量。它等于两极限初始位置之间的距离。初始位置公差与相互结合的内、外圆锥直径公差(TDi，TDe)的关系为)(1DeDiPT
18、TCT(76)式中,C为锥度；TDi为内圆锥直径公差；TDe为外圆锥直径公差。4.4.终止位置终止位置P Pf f相互结合的内、外圆锥为得到要求的配合性质(间隙或过盈)所规定的相对轴向位置，称为终止位置，如图710所示。终止位置由给定的轴向位移值或轴向装配力来达到。5.5.轴向位移轴向位移E Ea a内圆锥或外圆锥从实际初始位置Pa到终止位置Pf移动的距离，称为轴向位移Ea，如图710所示。相互结合的内、外圆锥向相互脱离的方向位移，即产生间隙；反之，则产生过盈。其位移大小决定间隙或过盈量的大小。6极限轴向位移极限轴向位移(Eamax，Eamin)轴向位移允许变动的界限称为极限轴向位移(见图71
19、2)。最大(极限)轴向位移Eamax是使圆锥配合得到最大间隙(smax)或最大过盈(max)时，内圆锥或外圆锥的轴向位移(图712)。最小(极限)轴向位移Eamin是使圆锥配合得到最小间隙()或最小过盈()时，内圆锥或外圆锥的轴向位移(图712)。图712 极限轴向位移和轴向位移公差(圆锥过盈配合)7.7.轴向位移公差轴向位移公差T TE E在轴向位移时，允许变动量称为轴向位移公差。它等于最大、最小轴向位移之差。轴向位移公差反映了配合松紧变动的大小。轴向位移公差的给定取决于对配合精度的要求，其数值与允许的最大过盈(或间隙)、最小过盈(或间隙)有关，它们之间的关系为)(1)(1minmaxmin
20、maxminmaxssCCEETaaE式中Eamax、Eamin为最大、最小轴向位移；max、min、smax、smin最大、最小过盈；TE为轴向位移公差；C为锥度。7.3.37.3.3圆锥配合的确定圆锥配合的确定1.1.结构型圆锥配合结构型圆锥配合1)圆锥公差带的确定圆锥配合的圆锥直径公差带的代号和数值，采用极限与配合国标(GB18001998)规定的标准公差系列与基本偏差系列。由圆锥角或锥度和圆锥直径公差带即可确定极限圆锥的大小和位置。标准公差系列由IT01，IT0，IT1，IT18共20个公差等级组成。IT01级公差等级最高，公差值最小；IT18级公差等级最低，其公差值最大。由标准公差I
21、T可确定圆锥直径公差带的大小，即确定两个极限圆锥之间的距离。基本偏差系列由按A(a)ZC(zc)顺序排列的28个拉丁字母表示。大写代表孔(指内圆锥)，小写代表轴(指外圆锥)。基本偏差是上、下偏差中的一个，除J和j外，均指靠近零线的那个偏差。由基本偏差可确定圆锥直径公差带相对于基本圆锥直径的位置。2)圆锥配合的确定结构型圆锥配合是通过相互结合的圆锥零件的结构或基准平面间的轴向距离而获得的配合。其配合的间隙或过盈由相互结合的内、外圆锥直径公差带之间的位置来决定。圆锥配合内、外圆锥直径公差带，国标规定按极限与配合国标选取。根据圆锥配合的特性，圆锥配合一般不用于大间隙的场合。配合的基本偏差通常在D(d
22、)ZC(zc)中选择。若国标(GB18011998)中给出的常用配合不能满足要求，则可按国标(GB18001998)的规定组成所需的配合。对于高精度的配合，允许按由功能要求计算得到的极限间隙或极限过盈确定配合。结构型圆锥配合的圆锥直径配合公差等于两结合圆锥内、外直径公差之和。其公差值的大小直接影响配合精度。因此，对这类配合，推荐内、外圆锥直径公差不低于IT9级。若对接触精度有更高要求，则可按圆锥公差国标规定的圆锥角公差AT系列值，给出圆锥角极限偏差以及圆锥的形状公差。2.2.位移型圆锥配合位移型圆锥配合1)圆锥直径公差带的确定由于位移型圆锥配合的配合性质是由初始位置开始的轴向位移决定的，内、外
23、圆锥直径公差带仅影响配合的接触精度和装配的初始位置，而与配合性质无关，因此，内、外圆锥直径公差带的基本偏差并不反映配合的松紧。对于圆锥直径公差带的基本偏差，根据加工条件，国标推荐选用H、h或JS、js的配合公差带。圆锥直径基本偏差会影响初始位置和终止位置上配合的基面距，应通过计算来选取或校核内、外圆锥直径公差带。2)圆锥配合的确定位移型圆锥配合是通过给定相互结合的内、外圆锥的轴向位移或装配力来确定的。轴向位移方向决定是间隙配合还是过盈配合。从初始位置开始，向内、外圆锥相互脱开的方向移动，将形成间隙配合；反之形成过盈配合。轴向位移的大小决定配合间隙量或过盈量的大小。轴向位移量的极限值由功能要求的
24、极限间隙或极限过盈量计算得到。极限间隙或极限过盈量可以通过计算法或类比法从国标中规定的极限间隙或极限过盈中选择。对于较重要的联结，也可直接采用计算值。根据功能要求的极限间隙或极限过盈，位移型圆锥配合的轴向位移和轴向位移公差可按下列公式进行计算。(1)对间隙配合，minmin1sCEa(78)maxmax1sCEa(79)(1minmaxminmaxssCEETaaE(710)式中:C为锥度；smax为配合的最大间隙；smim为配合的最小间隙；Eamax、Eamin为最大、最小的轴向位移；TE为轴向位移公差。(2)对过盈配合，minmin1CEamaxmax1CEa)(1minmaxminmax
25、CEETaaE(711)(712)(713)式中：C为锥度；max为配合的最大过盈；min为配合的最小过盈。【例71】某位移型圆锥配合的基本直径为 100mm，锥度C=1 50，要求形成与H8/u7相同的配合性质。试计算其极限轴向位移和轴向位移公差。解解：根据国标可知，对于 100H8/u7，最大过盈max=159m，最小过盈min=70m。最小轴向位移:mm5.3m350070501minminCEa最大轴向位移:mm95.7m7950159501maxmaxaCE轴向位移公差:mm45.45.395.7minamaxaEEET或 mm45.44450)70159(50)(1minmaxmC
26、TE【例72】某位移型圆锥配合的锥度C=120，由计算可得其极限间隙smax=60m，smin=30m，试确定其极限轴向位移和轴向位移公差。解解：其极限轴向位移和轴向位移公差可按公式求得。最大轴向位移：mm2.1120060201maxmaxmsCEamm6.060030201minminmsCEa最小轴向位移:轴向位移公差:mm6.06.02.1minmaxEaaEET或 mm6.0m600)3060(20)(1minmaxssCTE由于装配力产生轴向位移而达到的过盈配合，其给出的极限装配力由设计要求传递的力矩直接计算得到。7.4锥度的测量锥度的测量1.1.用圆锥量规测量用圆锥量规测量圆锥量
27、规用来检验内、外锥体工件的锥度和基面距偏差。检验内锥体用锥度塞规，检验外锥体用锥度环规。圆锥量规的结构形式如图713所示。圆锥结合时，一般对锥度的要求比直径严，所以用圆锥量规检验工件时，首先应用涂色法检验工件的锥度。用涂色法检验锥度时，要求工件锥体表面接触靠近大端，接触长度不低于国标的规定(高精度工件为工作长度的85，精密工件为工作长度的80，普通工件为工作长度的75)。图713圆锥量规的结构形式 2.2.用平台测量用平台测量平台测量是用平板、量块、正弦尺、指示表和滚柱(或钢球)等常用计量器具组合进行测量。这种测量方法的特点是可测量与被测角度有关的线值尺寸，通过三角函数计算出被测角度值。正弦尺
28、是锥度测量常用的计量器具，分宽型和窄型两类，每种形式又按两圆柱中心距L的不同分为100mm和200mm两种，其主要尺寸的偏差和工作部分的形状、位置误差都很小。在检测锥度时，不确定度为15m，通常测量公称锥角小于30的锥度。sin Lh(714)式中:为圆锥角；L为正弦尺两圆柱中心距。图714用正弦尺测量圆锥量规 表表7-5 常用检测方法常用检测方法然后按图714所示进行测量，如果被测的圆锥角恰好等于公称值，则指示表在a、b两点的指示值相同，即锥角上素线平行于平板工作面；如果被测角度有误差，则a、b两点指示值必有一差值n。n与测量长度之比即为锥度误差，即 lnC(715)当换算成锥角误差时，可按式(716)近似计算：)s(102102)(55lnC（716）
