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技術趨勢
美國ASA公差分析之2 公差設計效率
2020.03.16∣瀏覽數:996

美國ASA公差規範有兩大種八大類,清楚 界定各種公、母配合之適用情況,設計工程師 只須依據功能需求,即可輕鬆找到公、母件之 製造公差與配差。而ISO公差規範只列出上、 下偏差,但無配差值,設計步驟稍微多些。
文 ◆ 陳銘德

ASA之公差規範有公隙配合與平均公緊配 合兩大種,公隙配合細分1~4級配合類別, 而平均公緊配合細分5~8級配合,新進工程 師只要找到功能需求適用級別,即可依據公 稱尺寸查到公、母件之製造公差及餘隙或公 緊(干涉)。而ISO公差規範則需先知道餘隙量 或干涉量,再依基孔制或基軸制設計,最後 再計算(或查表)出上、下偏差值,此步驟對 設計工程師而言較陌生,較易陷入困惑,甚 至放棄,另尋他途,或走回頭路,採用試誤 法,造成資源浪費。

首先以ISO公差規範為例,公稱尺寸40.0mm ,功能需求最小餘隙為25µ(1µ=0.001mm), 最大餘隙為66µ,欲設計軸、孔件之製造尺 寸。先計算配差變化總量=66-25=41µ,再 查標準公差實用表,得IT6及IT7之標準公差 分別為16µ與25µ,合計41µ,進而再假定 16µ為軸公差,25µ為孔公差。就基孔制言, H孔之下偏差為0,則孔之上偏差為25µ,迅 得孔之製造尺寸為40+0.025mm (40H7)。因軸 之上偏差=-最小公隙=-25µ,且軸之下偏差 =軸之上偏差-軸公差=-25µ-16µ=-41µ,則軸之製造尺寸為40 mm (40f6)。驗算最 小餘隙為0-(-25)=25µ,最大餘隙為0.025-(- 0.041)=66µ,符合題意需求。

如用基軸制, h 軸之上偏差 = 0 ,軸之 下偏差=-軸公差=-16µ,得軸製造尺寸為 40-0.016 mm (40h7)。而孔之下偏差=最小公 隙=25µ,孔之上偏差=孔之下偏差+孔公差 =25+25=50µ,而得出孔之製造尺寸為40 mm (40F6)。再驗算最小餘隙為25- 0=25µ,最大餘隙為0.050-(-0.016)=66µ, 亦滿足題意需求,得到40H7f6與40F6h7之 配差一樣。

美國ASA公差規範比較簡單,例如公稱 尺寸為2.5英吋,功能需求為自由配合(Free fit),求軸孔件之製造尺寸。依ASA基本孔 徑制之公隙配合實用表,立可查到最小公隙 Cmin=0.0026英吋,軸公差=孔公差=0.0018 英吋,因母件最小尺寸=基本尺寸=公稱尺寸 =2.5英吋,得母件最大尺寸=公稱尺寸+孔公 差=2.5+0.0018英吋。而公件最大尺寸=公稱尺 寸-最小公隙=2.4974英吋,公件最小尺寸=公 稱尺寸-軸公差=2.4974-0.0018英吋,其最小公 隙Cmin=2.5-2.4974=0.0026英吋,最大餘隙 Cmax=2.5018-2.4956=0.0062英吋,明顯比 ISO制簡單。如查[機械圖表便覽]10c-19,可 查到孔公差為+0.0018英吋(上偏差),下偏差 為0。而軸之上偏差為-0.0026英吋及軸之下偏差為-0.0044英吋。餘隙為0.0026英吋(最 小)~0.0062英吋(最大),公差帶(範圍)完全相同。

ISO公差制之配差總量如何分配給公、母 件需查標準公差實用表,換言之;配差總量 為何分成16µ及25µ,成為一大關卡。公、母 件之上、下偏差計算公式,為第二道關卡。 如遇到無法與配差總量一致,設計師需考量 稍微修正,盡量接近配差總量,再與委製商 客戶協商做最終定奪,依客戶需求或修正值 兩種選一,才可進行公、母件之標準公差級 數,再查公、母件之上下偏差表,才可得到 公、母件之製造尺寸。ISO公差制可輕鬆查 到標準公差與上、下偏差,但缺餘隙或干涉 值。需正確代入上、下偏差公式計算,對一 般機械工程師較陌生,尤其對基孔制、基軸 制之上、下偏差位置與基(零)線之相關位置 關係欠缺正確認識,在計算餘隙或干涉量之 加減時混淆不清,難以正確分析計算。孔偏 差之A等~H等配合,基礎偏差為下偏差(EI), 上偏差ES=EI+ITn;K等~ZC等,EI=ESITn。而軸偏差之a等~h等配合,基礎偏差 為上偏差(ES),下偏差ei=es-ITn; k等~zc 等,es=ei+ITn。ITn為ISO國際標準公差級數 (IT01~IT18),計20級。

困惑,增加工作意願,進而快速累積經驗, 縮短模索期程,提升生產經營效率,直接反 映到公司企業獲利。因此,認識瞭解ASA 規範有備無患,當機會降臨立可接單,製作 生產。如查[機械圖表便覽]10c-19,公稱尺 寸單位為英吋,但1~8級配合表內之數值卻 忽略漏印了單位註解,建議讀者自行加註單 位為英吋。另有其他參考書之印製雖僅為整 數,但有註釋單位是0.0001英吋,不會混 淆及費心猜測實際數值,以本例C min=26, 明顯意指0.0026英吋。然而[機械圖表便 覽]10c-19之最小餘隙僅為0.0026而已,稍嫌 欠周延,因其JIS配合每頁右上角落均加註單 位µ=0.001mm。

實務上,一般工程師如不瞭解ASA公差規 範,就不會去翻查[機械圖表便覽]10c-19~21 之公差表作為設計依據,筆者認為ASA公差 規範較適合新進設計工程師進入企業公司產 品設計之狀況,簡單易學易用,學習成本最 低,時間最短,效益最佳,尤其相當適合目 前正在承製美國早期已成熟之機械工業與商 用產品(電動與氣動手工具、割草機、鋸子、 打磨機、鉚釘機、鑽孔機等),因有品牌及穩 定市場需求量,待累積實力後,增加被信賴 感,可進一步承接委託設計、製造、組裝等 一條龍服務,甚至增加產品項與需求量,在 不需額外增加機具、儀器、設備、廠房、人 力之情況下,大幅提升經營體質與效率,大 展鴻圖。

參考資料
1. USA STANDARD, ASA B4a, Tolerances, Allowances and Gages for Metal Fits, 1925。
2. 嚴轟,機械設計之允差配合,徐氏文教基金會,中華民國97年.
3. 小栗富士雄,標準機械設計圖表便覽,台隆書店,中華民國60/71年.
4. ISO 129-1 “Indication of dimensions and tolerances”, 2004(E)。
5. ISO 286-1 “Basis of tolerances, deviations and fits”, 1988/2010。
6. ISO 286-2 “Tables of standard tolerance classes and limit deviations for holes and shafts”, 1988/2010。
7. CNS 4-1, B1002-1線性尺度之ISO公差編碼系統-第1部:公差、偏 差及配合基礎,中華民國98/101年。
8. CNS 4-2, B1002-2線性尺度之ISO公差編碼系統第2部:孔及軸之標 準公差類別與限界偏差表,中華民國98/101年。