公差課程中尺寸公差教具研制

孫駿馳 胡志翔 方詩懿 魏金澤 邱祁 張俊

摘要：隨著新技術新材料不斷地更迭，自制工科教具設計越來越豐富，涌現了一批批具有創新實用性的自制工科教具。本論文設計了一種用于教師在公差課程中教學使用的教具。通過更換不同基準制的尺寸配合塊以進行實驗分析，研制出相對完善、可涉及日常公差教學中使用的尺寸公差教具。設計內容主要包括間隙、過盈兩種配合方式在零部件裝配時的效果展示，感受細微尺寸變化所帶來的影響，對于理解尺寸公差概念有著顯著的提升作用。

Abstract： With the continuous change of new technology and new materials， the design of self-made engineering teaching AIDS is more and more abundant， and a batch of innovative and practical self-made engineering teaching AIDS have emerged. This paper designs a kind of teaching aid for teachers to use in the tolerance course. By changing the size fitting blocks of different datum system to carry out experimental analysis， a relatively perfect size tolerance teaching tool is developed which can be used in daily tolerance teaching. The design content mainly includes the effect display of clearance and interference in the assembly of parts and components. To feel the influence brought by subtle size changes， it has a significant role in improving the understanding of the concept of size tolerance.

關鍵詞：尺寸公差;拉壓力傳感器;公差配合;數顯儀

Key words： dimension tolerance;pull pressure sensor;tolerance coordination;digital display

中圖分類號：TG8 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0253-04

0 ?引言

目前在尺寸公差課程中的教學中，一般老師只是單純地依靠PPT和黑板板書授課，形式單一，課程中涉及到內容繁多且復雜的知識點，是需要學生具有足夠良好的空間想象力和空間思維能力才能夠去理解這些知識點并運用它們。所以在涉及公差的教學中，遇到了許多問題[1]，對于經常與各種機械打交道的學生來說，必須牢牢掌握與尺寸公差相關的課程知識[2]。這時就迫切需要一種尺寸公差教具，將尺寸公差的概念以及涉及到的知識點可視化地呈現在學生面前，讓學生能夠直觀地了解到老師所講授的知識點中大概的意思，能夠快速消化理解并深刻地記入腦海，運用到具體的實例中去，為將來的學習打好基礎。如果能讓學生在校學習階段透徹掌握公差的相關概念以及檢測方法和理念，也有利于提高學生就業競爭力[3]。譚偉林等人在此之前也發現了類似問題的存在，其設計了一款具備全面檢測形位公差項目的教具[3]以有效提升學生對形位公差的檢測能力。

鮑艷等人曾在其發表的一篇文章中提出，自制教儀必須以教學實際需要為出發點，一切研究工作都圍繞體現專業知識和培養學生實踐創新能力去開展[4]。本文主要研究設計一種尺寸公差教具的具體內容。研制出相對完善可涉及日常公差教學中使用的尺寸公差教具。設計中主要包括間隙、過度、過盈三種配合方式在零部件裝配時的差異，使用拉壓力傳感器親自操作，以感受實踐中細微的尺寸差距帶來的影響，讓學生對于理解尺寸公差概念以及公差大小帶來的裝配效果有顯著的提升效果。

1 ?儀器研制

此尺寸公差教具主要由尺寸配合部分（尺寸配合塊）、加壓部分（直線滑臺）、傳感顯示部分（拉壓力傳感器、數顯儀）和其他部分（電源、底座、箱子）組成。（圖1、圖2）

1.1 尺寸配合部分

尺寸配合部分主要通過一組尺寸配合塊來實現，通過零件孔和零件軸來進行尺寸裝配。一組尺寸配合塊由零件孔和零件軸組成，考慮到能夠全面地進行課堂展示問題，選用基孔制與基軸制兩種配合制。再考慮到制作成本以及加工的難易程度，我們將制作少量的金屬材料的尺寸配合塊和多數采用3D打印材料制作的尺寸配合塊。3D打印材料有許多不同的種類，如表1所示。

不同的3D打印材料，具有不同的屬性，而對于制作一個尺寸公差教具來說，對關鍵的尺寸配合塊的配合表面精度要求高，加壓過程中對于配合塊受壓強度要求也比較高，所以我們選擇PLA作為制作尺寸配合塊的材料。

在結構設計方面，我們設計了采用基孔制和基軸制兩種加工方案，制作出過盈配合以及間隙配合程度不同的多種尺寸配合塊，將其進行標記處理，用以作為之后的教學示例。

在配合方式方面，榫卯結構簡單且堅固，適合作為尺寸配合塊的拆卸安裝方式，根據零件孔和零件軸的裝配方式，我們可以將連接件設計做成卯結構，即榫眼，設計一個凹槽可以將類似于孔和軸的裝置放置于其中，然后用一個防松件加以固定這樣的一個榫卯結構，便于拆卸和安裝。如圖3。

1.2 加壓模塊

加壓模塊采用手動式滾珠絲杠滑臺，如圖4。

手動式滾珠絲杠滑臺的優點：①運動平穩。手動式絲杠滑臺以點接觸滾動運動作為傳動系統，摩擦力小，運動損耗少，靈敏度高，可以精密地控制進給行程，保證運行過程中的精度要求。②耐用性強。絲杠滑臺的主體都是采用鋁合金制成，鋁合金強度高，耐腐蝕，不易變形，結實可靠，這也使得絲杠滑臺的使用壽命長，故障率少，不用對它進行特殊的保養，維護簡單。③價格便宜。相對于其他加壓方式，相同條件下，手動式滾珠絲杠滑臺價格便宜，經濟更實惠。

手動式滾珠絲杠滑臺的缺點：因為依靠人工轉動進給，轉動速度不能完全保持勻速，所以尺寸配合塊的受力會受到一定的影響，從而產生較大的誤差，對之后實驗數據的準確性具有一定的影響。

由于手動加壓時難以察覺用力是否過大，而導致過盈配合的兩塊尺寸配合塊被暴力擠壓配合，造成實驗器材損壞，因此我們對加壓部分的受力進行分析：

在轉動滑臺時，會產生兩個力Fa，在絲桿接頭上將產生扭矩Ta，Fa與Ta的計算關系見公式（1）。（圖5）

Fa×L=Ta（1）

為保證實驗安全，將絲杠滑臺承受的力控制在Fb≤200N，L=20mm，可以算出Fa≈53N。

為了實驗安全不損壞設備，該課題在絲杠滑臺的左端設計安裝了拉壓力傳感器，精確測出Fb的大小且能夠保證實驗安全。

1.3 傳感顯示

傳感顯示部分包括拉壓力傳感器和數顯儀。拉壓力傳感器是可以通過感受壓力信號，按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的電信號輸出的給器件或裝置。由于此次設計的尺寸公差教具是要滿足便于攜帶的優點，教具各個零件應比較小巧，再考慮到其相比使用其他類型的壓力傳感器所使用的經濟更實惠的原因，選擇了微型拉壓力傳感器，如圖7。

數顯儀具有精度高、穩定性好、質量可靠、體積小、安裝使用方便、價格低廉等特點，一般的有單相、三相、多功能三種規格之分。此次設計只要求數顯儀能夠顯示配合片所受壓力值，所以對數顯儀功能要求不高，因此，比對市面上的數顯儀，最后選擇了歐路達AD2017E稱重測力數顯控制儀表，此型號經濟適用，高亮度數碼顯示屏顯示數值清晰，使教學更為直觀有效，按鍵清晰簡潔，方便老師課堂演示，如圖8所示。

1.4 ?其他部分

與其他的材料相比，亞克力板材具有優良的耐候性，對自然環境適應性很強，即便是長時間在太陽光照射、風吹雨淋也不會使其性能發生改變，極易作為底座使用。電源選擇使用24V、4.5A的開關電源LRS-100-24。依據數顯儀、絲杠滑臺、電源的大小，選擇普通的小型鋁合金手提箱作為外殼，長430mm，寬355mm，高170mm的尺寸剛好可以滿足上述各部分零件的安放。整體結構如圖9所示。

2 ?實際操作實驗

2.1 實驗目的

本次實驗目的是為了讓尺寸配合塊（零件孔與零件軸）的尺寸差距在尺寸配合過程中所發生的微小形變，轉化為肉眼可視的拉壓力數值變化，記錄實驗數據，將實驗數據繪制成折線圖，進行不同配合的分析。（圖10、圖11）

2.2 實驗流程

選擇一組合適的尺寸配合塊（基孔制或是基軸制），通過轉動絲杠滑臺，將一組尺寸配合塊進行尺寸配合，在尺寸配合塊進行配合的過程中，因為不同的尺寸配合而產生壓力，由壓力傳感器檢測并傳輸到數顯儀上，記錄下這個過程中壓力的變化情況，然后轉出尺寸配合塊，拉力傳感器檢測到尺寸配合塊所受的拉力，并將數據傳輸到數顯儀。記錄拉力的變化情況，然后將不同組的尺寸配合塊繼續按照上述步驟進行試驗并記錄，最終將所有的數據進行分類，繪制成表，制成折線圖，進行分析。（圖12）

2.3 實驗數據

①基孔制：基孔制下，以零件孔的直徑為14mm，零件軸的直徑為13.9mm為間隙配合，以零件孔的直徑為14mm，零件軸的直徑為14.1mm為過盈配合，檢測這兩種配合情況下的受力情況如圖13所示。

②基軸制：基軸制下，以零件孔的直徑為13.9mm，零件軸的直徑為14mm為間隙配合，以零件孔的直徑為14.1mm，零件軸的直徑為14mm為過盈配合，檢測這兩種配合情況下的受力情況如圖14所示。

2.4 實驗分析

此實驗由于ABS打印技術的精度并不高，所以在尺寸配合塊（零件孔和零件軸）的安裝過程中，并不能保證零件孔和軸的軸線在同一直線上，所以在配合過程中存在一定的誤差，導致間隙配合在配合過程中也能受到力的作用，且拉壓力傳感器測出的數值存在波動誤差，并不能十分精確地測出受力情況，但是從大量數據繪制的折線圖中，還是能大致看出這兩者配合的不同之處。即過盈配合比間隙配合更早受到力的作用，在拉出配合過程中，過盈配合比間隙配合更晚結束受力的作用，由此可以通過折線圖判斷出這兩種不同的配合方式所帶來的不同影響。

3 ?結語

此次設計的尺寸公差教具，包括間隙、過盈兩種配合方式在零部件裝配時的差異，使用拉壓力傳感器親自操作，以感受實踐中細微的尺寸差距帶來的影響，讓學生對于理解尺寸公差概念以及公差大小帶來的裝配效果有顯著的提升效果。既可以用于教師的日常教學，也可以作為實驗課器材讓學生自主實驗使用。

注釋：

由于無法將互相之間為間隙配合的兩個零部件以絕對同軸的狀態進行實驗，因此與其相應受力情況的實驗所測得的數據均是由于誤差引起。

參考文獻：

[1]施建國.自制教具的前世今生與未來[J].教育與裝備研究，2016（6）：6-10.

[2]任偉德.新時期自制教具的原則和特點[J].教學儀器與實驗，2016，32（6）：17-22.

[3]譚偉林，彭志強，危卓瑜.便攜式形位公差檢測演示教具的設計[J].內燃機與配件，2020（10）：262-264.

[4]鮑艷，李鴻儒，張羽，吳傳平.“新工科”背景下以自制教儀服務于實驗教學的探討與實踐[J].實驗技術與管理，2018，35（9）：239-242.