机械男——让你轻松了解“公差”

     相信大家对于iphone的包装盒那个缓慢开启修的感觉很有印象，或者是对乐高积木之间的密合程度，那个微妙的的那种组装感，又或者是在插USB接头的时候，虽然都可以用，但插入不同设备的时候，有时候松松的，有时候紧紧的，又为什么会这样呢？这些事其实都有个共同的关键。

     今天我们就来跟大家聊聊这个制造过程之中必备的知识——公差。进入主题之前，本文比较长，但也很实用，需要大家耐心看完！也欢迎按赞，分享，给我一点支持和鼓励，我也会继续给大家分享有关机械的知识。

     公差的由来一般来说，一个产品都会经过多个零件组装起来，而零件和零件之间互相组装后的松紧程度，工业上就称为配合，而配合这件事大大影响了产品的品质。在工业革命之前，产品的组装配合都是一个一个通过工匠制造调整的，反正每个配合都是特制定做的，太松太紧就调整一下。产品的品质差异完全看工匠的手艺，所以主配之间微妙的关系差异还不大明显。但是，在开始工业化大量制造之后，零件的标准化和可互换性变得相当重要。为了要让千千万万的产品都有一致的品质，尤其是会动的产品，还要能够提供一样的性能表现，就必须要规定零件的尺寸以及组装配合的关系。

      我们必须了解完美的物品其实并不存在，快速大量生产的机械制品要做到与设计时完全相同的尺寸是非常困难的。现实中会因为各种因素，像机台震动、关节磨耗、模具精度、材料品质等因素的差异，就会产生各种的瑕疵。虽然肉眼看起来好像都一样，但其实每一个都会有些极微小差异，但是我们可以定义一个合理的容许范围，让尺寸和外观在一定偏差范围之内的零件都能组装出相同品质的产品，产品也能提供一致的性能，甲方也会有验收的标准，这个范围就叫做公差。通常公差越小表示产品的品质要求越严格，要求的性能越高，当然成本也就越高。这也是为什么夜市卖的廉价玩具有时候连组都组不起来，这就是因为公差实在太大。

     公差大致上可分为三种，尺寸公差、几何公差和配合公差。

      一、尺寸公差是最单纯的，是指零件或产品尺寸的容许误差范围，在图面上会用一个加减的符号来表示，这个表示的意思就是：以前面的数字为准，误差不能超过0.1。以家具来说，假设以脚的高度设计在45cm，那么就会规定每只椅脚都要在45公分上下的一个范围内，不然整张椅子组起来就会无法平稳的站立。

   二、几何公差也可以称为形状公差，是指零件形状的容许误差范围。

    像这三个零件，虽然测量各点的尺寸都相同，但因为加工过程的一些因素，造成形状上还会存在微小的差异，所以才需要几何公差的标注。像直线度就是规范这个直线有多直，平面度是规范平面要多平，圆度就是圆要多圆，其他还有圆柱度、倾斜度、对称度等等，各自都有图面标示用的符号。

      像这张图标的直线度在0.1，意思就是这根轴的轴心偏差范围只能在轴线上直径0.1 mm的圆柱之内，不可以超过。

     而这张图标示的垂直度0.05旁边还写了一个A意思就是是左侧平面必须垂直于A平面，并且在预设位置前后0.05 mm的范围之内。

      三、最后一个就是配合公差。这一项是最复杂的，这个是要定义零件之间配合的状况。

      假设今天有一个轴要插入一个孔当中来组装配合，我们可以想象会有三种状况，很松，很紧，刚刚好。像很松的配合就叫间隙配合。例如引擎的活塞和气缸壁之间的关系，而很紧的配合就叫过盈配合。而刚刚好的配合就叫做过渡配合。用在需要精密定位但又能拆卸的状况，像轴和轴承的关系就是刚刚好又能拆。不过到底要有多松多紧是需要严谨的规定的，所以就需要配合公差来设定。

      实际上配合时两个零件也会有各自的公差，也必须要考虑进去。标识起来就比较复杂，随着衍生出一种缩写的形式，大概长这样子，H7/g6就是一种配合公差标识，其中的H7就是孔的配合公差，g6就是轴的配合公差，英文符号代表着公差范围。看不懂是正常的，需要查表来对应一下数值。

      H是一个基准字母，越往前（EFG等）就代表越松，越后面（IJK等）就代表越紧，数字则是公差等级，也就是精密度。这个数字越小，公差范围就越小，那就代表越精密。简单来说，ɸ100H7/g6，意思就是以直径100的孔为基准，而轴要松的一级，那就是一种间隙配合。ɸ 50H7/r6意思就是以直径50的孔为批准，轴要紧的七级，那就是一种过盈配合。

      了解了尺寸几何配合三种公差，那到底公差的数值要怎么设定呢？

    其实工业上为了方便量产，公差已经有一个标准可以参考喽（如上图）。这个公差表上排的公差等级就是前面配合公差标识中的那个数字，也就是精密度。IT 01到IT 4就属于高精密的范围，制作精密量规或是以精密仪器使用。IT 5到IT7是属于一般常规使用，譬如普通等级的游标卡尺。IT 5到IT 12的范围是属于一般切削加工的精度或是基建配合使用。IT 13到IT 16则是粗加工等等初次加工的精度水准。IT 17 18则是例如冲压、轧型、抽拉成型等相对精度较低的标准。

       所以如果今天要做一个60cm长的金属汽车零件，那么我们会寻找表格中尺度在大于500到630之间级别，IT 6到IT 12的范围。这边假设是高精密的设备来使用，那么我们就可以选择IT6的级别，就可以得到0.044 mm的标准公差范围。那么设计的时候我们就会把它设定成60+/-0.022mm。设定了公差之后，我们就可以透过各种精密量测的工具来去验收。

      这听起来很复杂，但其实在生活中都很常见。像是卫生纸包装的背后就可以看到这些标识，除了尺寸有公差，抽数也有规范，一包的抽数不能超过六张，少不能少于三张，公差真是无所不在。实际上一个高明的产品会巧妙的运用各种的公差设定，才能够达到好的产品性能跟体验。以乐高来说，除了模具本身的高精密度，积木跟积木之间的配合是以过盈配合为设定，让它在组装之后能够稳固。但卡榫之间的接触面又只有三个点，所以它很方便拆卸，才造就了乐高独特的手感。以开头提到的iphone包装盒来说，一样的纸盒设计，除了内外尺寸公差的紧密配合，纸盒表面的粗糙度也就造就了iphone开箱时有点紧又不会太紧的这种高级感原因之一。

      虽然最需要了解公差这个观念的是机械工程师和制作工艺员的人，但是设计师最好也是对公差有些了解，不然就会发生工厂按图做出来才发现组装容易松脱或是组不起来的笑话，而且不同的工艺也会有不同的公差等级，能达到的精度也就不一样。如果设计师能预先考虑到，就能够增加设计的可行性，降低设计和机构的冲突，加速生产的效率。这个部分有机会我们再来详谈。

      其实人与人的配合也是有公差的存在。在公式上，高标准虽然能够让事物精确的运作，但适当的保留弹性也能够让双方好衔接。所以有的时候我们还是要保留一些空间，彼此还会看后退，做人留一线，日后好相见。

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