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技術趨勢
幾何公差基本原則
2018.06.15∣瀏覽數:69

 文 ◆ 陳銘德
幾何尺寸與公差規範有五大原則(Fundamental rules)可彌補尺寸公差之侷限與不合 理,同時可合理增加製作公差,具易製性、易組性、互換性、降成本等特性。
規則一是描述單個尺寸形體之規則, 或稱為尺寸限界(Limits of size、Taylor principle、Envelope principle、Perfect form at MMC)等,係規定一個尺寸公差管制形體尺寸及形體形狀,保證尺寸形體可互相 裝配。其含義為:(一)標註尺寸個別形體:僅規定尺寸公差處標註個別形體之尺寸界限,繪 出其幾何形狀與大小之容許變動範圍。(二) 大小之變動:尺寸形體任何部位截面上之實際 大小需於規定尺寸公差內。(三)形狀變動(包 絡原則):尺寸形體之形狀被其尺寸界限控制在 下述範圍內:(1)形體上個表面不得超出於最多 留料狀況下完整形狀之範圍(包絡),該範圍即為藍圖所要表達之真實幾何形狀。如形體 經製作加工成為最多留料狀況(MMC)下之尺 寸界限,即不容許發生任何形狀偏差。(2)當形體實際尺寸偏離其最大實體狀態情況而趨 向最小實體狀態(最少留料LMC)情況時,該局部形體形狀允許相同等量變形。當形體被 製作在LMC尺寸邊界時,容許有偏移至MMC 邊界最大之形狀偏差。(3)當最小實體狀態情況時,對完整形狀就無範圍要求,即製作成最小實體狀態情況時,可在實際形狀到最大 實體狀態(最多留料)所容許完整範圍之間做變動。

規則一:應用在尺寸形體,是一項被默許使用之規則,使用通止規為管制尺寸形體最 嚴苛之方式。通規可測量尺寸形體之MMC尺寸及理想形狀,一個通規為可通過一個內部尺寸形體,或能讓一個外部尺寸形體通過, 通規是尺寸形體MMC時之理想幾何形狀,其長度應稍長過尺寸形體之長度,需確認能完全通過才合格。止規可測量尺寸形體之 LMC尺寸,一個止規為不能進入一個內部尺寸形體,或不能讓一個外部尺寸形體進入, 止規為尺寸形體於LMC時之尺寸,做兩點接觸檢測,不能通過才合格,分釐卡或卡尺可被做為止規用,確認在尺寸形體多處位置 作兩點檢測。另高度規、2.5D高度規與3D CMM(Coordinate measuring machine)亦可 模擬通止規,其中又以3D CMM座標量測儀之綜效最佳。

於MMC之完成形狀不使用規則一,由尺寸界限表達之幾何形狀控制,不適用於下列情 況:(1)依工業標準或政府標準中對真直度、平面度及其他幾何特性規定所製作出之棒、管、薄板、型鋼等類之材料,除非用此等材料製作之工件藍圖上有標註幾何公差,則此等工件之表面保留原材料標準所訂之狀況。 (2)工件可在不限制之狀況下變動。(3)非剛性 尺寸形體在自由狀態(Free state )。

於MMC之完成形狀不要求規則一,於容許 形體之某一表面或數個表面,可超出MMC之 完整形狀範圍時,可加註如[不要求MMC之 完整形狀],以免除規則一之大小尺寸限制。 獨立符號(Independency symbol ),用於否定規則一,表示這個尺寸形體表面將可突 破MMC理想幾何形狀邊緣。實務上如長度與 直徑/寬度之比值≧5:1時,可考慮使用 ,並 用幾何公差控制形體形狀(如偏轉度等)。

連續形體(Continuous feature CF )要求兩個形體看成一個單獨形體,用規則一來檢測尺寸。尺寸界限並不控制個別形體間之偏轉、方位或位置之關係。形體間之垂直、同軸或其他幾何上之關係,必須加以控制以避免藍圖要求之不足,可賦予適當之幾何公差來控制這些位置、方位或偏轉等。

如有必要建立MMC完整形狀之範圍以控制 形體間之關係,不妨採下列發方式:(1)規定一MMC之零公差,包含一參考基準(可行時 於MMC下)控制形體之垂直度、平行、度角 度、正位度、同軸度、偏轉度等。(2)將尺寸 加上基準符號關係。(3)加註如[相關形體需為 MMC之完整方位或同軸],表達對形體之控制。

規則二:正位度公差規則,藍圖上正位度公差符號中之個別公差,參考基準或兩者於 適用條件下需指定 、 、 。ASME Y14.5 1973除非規定為 ,則正位度公差符號為 。 不管形體尺寸(RFS)應用於幾何公差、基準 形體或同時在兩者,空著代表RFS,MMC 與LMC則必須在應用處標註 或 。幾何公 差默認RFS、基準形體默認為RFS,尺寸形體在尺寸範圍內之任何尺寸,幾何公差值均不受尺寸變動之影響,保持不變,對幾何形 狀要求更嚴苛。 ANSI Y14.5 1982將 視同 RFS,1994版作廢。換言之;如於幾何公差、 基準形體中無標註 或 ,即表示RFS要求。

規則三:正位度公差之外之規則,除正位度公差外,其他可用幾何公差符號中之個別公差,參考基準或兩者皆適用 ,如需 時, 需於圖上標註(直度、傾斜度、垂直度、平行 度)。惟偏轉度、總偏轉度與同心度不可用 ,可用於 。

規則四:節徑規則或稱螺栓公差規則(Screw thread rule):位置、方向與任何基準系統應用 在螺栓,就默認為以螺栓之節圓直徑(Pitch diameter)之軸心線,除非另有說明。螺栓之節圓位置度檢測可用螺紋規。例外之情形, 要加在螺紋特定之形體上(如大徑、小徑)時,應於形體控制符號下方標註。

齒輪、健槽等在規定之方位或正位之每一公差及參考基準,需指名加在哪一形體上 (節徑、大徑、小徑),此說明文字應於形體控制符號下方標註。位置、方向與任何基準系統應用在正齒輪或螺旋齒輪時,需明示說明建立軸心線之形體,通常用節圓直徑。正
齒輪用量柱規,螺旋齒輪用圓球卡進齒間取點,建立軸心線,測量位置度。檢測儀具有 分釐卡、卡尺、測量平台(Open set-up 90°V 形塊)、投影儀、功能檢具、3次元座標量測儀。

規則五:基準/可達情況規則(虛擬情況、 實效狀況Virtual condition VC)依被做為主要、次要或第三基準而定,為幾何公差控制其中央平面或軸線之有尺寸基準形體,存在可達情況。即使其形體控制符號中有 之附註,該基準形體仍須遵循可達情況。可達情況依形體之可達情況是由諸指定公差所允許,各輪廓變動之綜合效果所得之大小。其代表於 時,最極端之裝配情況。亦是決定配合件或配合形體間之配合或間隙時,必須考量之輪廓有效尺寸。虛擬情況由尺寸形體(Feature of size FOS)在MMC或LMC時, 與幾何公差共同形成之限界(Limit)邊界,亦 即稱為內部邊界或外部邊界(Inner boundary IB或Outer boundary OB)。尺寸形體之虛擬情況或實效狀況包含尺寸、位置與方向之影響,兼與基準系統關聯。

整部幾何尺寸與公差規範由五大規則及 14種符號之特定功能,次第建構完整彌補尺寸公差之侷限及不合理處,提出合理增加製作公差之論述,同時有效克服累積誤差之問題,並對彈性零件檢測困擾補述,值得機械業界更多人早日投入接觸、學習、活用,接
軌國際,提升品質、效率兼降成本,並增利潤。

參考資料
1. ASME /ANSI Y14.5M Geometric Dimensioning and Tolerancing, 1994/2009。
2. ISO 1101 Geometric tolerancing- Tolerances of form, orientation, location and run-out, 2012。

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