金属板公差解释

金属板公差解释

在零件的三维设计中，设计尺寸必须考虑到允许变化的总范围。在钣金设计过程中，钣金零件设计师需要考虑产品尺寸的可能变化范围。如果零件的尺寸变化范围不合适，例如公差过小，则需要更精确的制造工艺来确保成品的精度。实际公差因设计要求而异。然而，这种技术只有少数几家制造商可以提供，而且会导致生产成本大幅增加。另一方面，如果公差范围过大，就无法保证零件的质量。因此，在考虑精度和成本的前提下，为钣金零件尺寸确定适当的公差范围至关重要。

什么是金属板公差？

钣金公差是允许零件设计尺寸变化的指定范围。制造公差范围定义了工件可变设计尺寸的上限和下限。公差是确保钣金件精度的关键，广泛应用于钣金制造。板材公差的公差带是由上下限偏差定义的区域。较松的公差具有较宽的公差带，而较紧的公差具有较小的上下限范围。更严格的公差也意味着工件的尺寸更加精确。与机械加工和 3D 打印一样，这使我们能够保持更严格的公差。

为什么需要金属板公差？

在工件制造加工过程中，金属板的细微差别会导致最终产品的差异。金属板的厚度、纯度、质地、使用年限等因素都会对金属板公差产生重大影响，材料的加工方法也会影响精密金属板的加工质量。公差范围会因材料和材料厚度的不同而不同。以下是一些常见的公差范围数据：

在加工过程中，不同的材料有不同的公差要求。例如：

• 铝合金:由于其性质较软，典型的公差范围约为±0.1 毫米。
• 不锈钢:硬度越高，公差范围越大，约为±0.2 毫米。
• 碳钢:公差范围通常在 ±0.15 毫米左右。

只要保持在一个合理的范围内，拥有一定的公差范围可以改善工件的配合，并有可能降低生产成本。工具尺寸的精确需要更专业的技术和设备，这通常会导致加工时间延长。因此，在零件设计中使用合理的公差对于确定最终产品的尺寸至关重要。

公差的相对定义

钣金加工中使用的公差形式多种多样，包括法兰长度、宽度、板厚、壁厚、弯曲、卷曲、沉头、折边、孔、槽、凹槽和凸台。零件需要在整体上保持均匀的壁厚。除了尺寸公差外，零件的实际形状或相互位置与理想几何形状相比也有差异，分别称为形状公差和位置公差。

尺寸公差指的是尺寸的允许变化，表示为最大极限尺寸和最小极限尺寸之间的差异，或者说是上偏差和下偏差之间的差异。另一方面，位置公差是实际特征相对于基准的位置所允许的总变化，可以进一步分为方向公差、定位公差和跳动公差。

公差等级决定尺寸精度，根据国际标准公差分为 18 个等级，公差值越大，加工难度越低。IT01至IT4用于生产量具和测量仪器，而IT5至IT7用于精密工程应用，IT12至IT14用于金属板加工或冲压。公差符号表示为没有符号的绝对值，尺寸公差越小表示尺寸精度越高。尺寸公差等于最大极限尺寸和最小极限尺寸之差，或者等于上偏差和下偏差之差。

如何确定金属板公差？

零件公差是指零件设计和制造中没有公差指示的尺寸，或不属于尺寸链的一部分，不直接影响配合性能。正确选择零件公差对机械设计中零件的尺寸配合至关重要。如果零件公差选择不当，零件设计尺寸链将不完整。

对于精度要求较低的零件，可在公差标记过程中使用一般公差。但对于精度要求较高的零件，应在机械设计中详细规定公差，以确保公差满足实际需要。零件的尺寸、形状、位置和其他要求由其功能决定。公差等级的选择应满足零件的设计和质量要求，并考虑加工成本、产品性能、功能、使用寿命和燃料消耗等因素。

如何进行容差分析？

公差分析的方法主要有一维和三维两种。一维方法不需要购买软件，因此成本较低，而三维方法成本较高。一维公差分析也有两种不同的方法，一种是最坏情况法，另一种是均方根法（RSS）。第二种方法属于统计方法，而极限方法相对简单。

尺寸上限 USL: 10.2+10.2+10.2+10.2+10.2=51
尺寸下限：9.8+9.8+9.8+9.8=49，所以尺寸D的波动范围是49~51。
极限法是直接累积每个尺寸的边界，而统计法是考虑每个尺寸的概率，计算出累积后每个尺寸的概率。
如果要使用概率方法进行分析，我们需要知道每个维度各自的概率。下面是维度 A 的分布概率。如果它是一个稳定的过程，那么它应该是正态分布。
那么我们需要知道总体分布，我们需要知道正态分布的两个参数，即平均值和标准差。

标准差描述了一个分布的离散状态。它是对一组数据的平均离散程度的衡量。
标准差大，说明大多数数值与平均值之间的差异较大。标准差小，说明大多数数值与平均值之间的差异较小。

在知道平均值和标准差后，我们可以看到这个尺寸的分布。
如上图所示，均值为10，标准差为0.067。

如果两个维度累积起来，均值相同，标准差不同，那么累积分布就完全不同。如果维度波动的分布状态不同，结果也会不同。
公差的原始定义是极限定义，不能很好地描述分布。描述分布需要两个参数，即平均值和标准偏差。
为了与原始区间公差相关联，需要引入另一个参数 CPK。为了简化描述，我们假设中心不发生偏移，CP=CPK。
如下图所示，有了公差范围和CP，你就可以知道标准差。加上均值，就可以确定正态分布。

所以我们做公差分析的时候需要知道均值，公差范围，和CP（CPK）三个参数。

如果我们知道尺寸链中所有尺寸的分布状况，我们需要计算总成的分布。
我们需要RSS(Root Sum Square)的计算公式，就是总成的正态分布的标准差的平方等于每一个子分布的标准差的平方和。
因此，每个尺寸的标准偏差=与公差/CP对应的西格玛水平，如下图所示 σ表示标准偏差。
σ²=(tolerance/process sigma) ²
叠加不同的σ²是整体标准差σ²的总分布。
最后，可以使用 excel 模板来实现分析过程。将各维度的相关参数填入模板中的表格，即可得到总体标准偏差的堆叠结果。

行业标准和规范

1.ISO 2768

ISO 2768 是广泛使用的精密金属板材制造通用公差国际标准。它涵盖线性尺寸、角度尺寸和几何公差。该标准分为两部分：

• ISO 2768-1:线性和角度尺寸的通用公差，无单独公差标注。
• ISO 2768-2:无单独公差标注的几何公差的通用公差。

2.ASME Y14.5

ASME Y14.5 是一项美国标准，为尺寸和公差提供指导。它对于确保零件正确配合并发挥预期功能至关重要。该标准包括：

• 几何尺寸和公差（GD&T）:定义和传递工程公差的系统。
• 符号和记号:在工程图纸上表示公差的标准化符号。

3.ANSI B4.1

ANSI B4.1 是另一项美国标准，规定了圆柱形零件的首选限制和配合。它为以下方面提供了指导：

• 公差等级:根据精度要求的不同，公差等级也不同。
• 适合:配合零件之间的配合类型（如间隙、过渡、过盈）。

4.DIN 6930 标准

DIN 6930 是德国标准，规定了机械工程中线性和角度尺寸的一般公差。它类似于 ISO 2768，在欧洲广泛使用。

5.JIS B 0405 和 JIS B 0419

这些日本标准为金属板制造的一般公差提供了指导：

• JIS B 0405:线性和角度尺寸的一般公差。
• JIS B 0419:形状和位置的一般公差。

6.标准的实际应用

包括如何应用这些标准的实际例子，可以帮助你理解它们的重要性。例如：

• ISO 2768:用于汽车行业，以确保来自不同供应商的部件能无缝配合。
• ASME Y14.5:应用于航空航天制造业，以保持钣金部件的高精度和可靠性。

7.基于 ISO 2768 的公差示例表

8.基于 ASME Y14.5 的几何公差示例

结束语

本博客概述了钣金公差的基础知识、如何进行公差分析、行业标准和规范等。零件设计越来越复杂，对公差的要求也越来越严格。钣金加工是通过冲压、切割、冲压和弯曲等工艺将金属板材加工成零件的过程。为了达到钣金件设计准则中要求的钣金公差，制造商必须在生产过程中使用精密机械。