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技術趨勢
美國ASA公差分析之1 基本孔徑制與基本軸徑制
2020.01.17∣瀏覽數:933

1894年美國生產力已超越英國、法國成為世界第一,其中機械產業普遍使用公差概念,引爆相關衍生產品加速改善零組件製造效率與合格率,組配合格率同步提升,產量驟升,引導降低產品售價,更擴大市場需求量等之良性循環。
文◆陳銘德

1894年美國生產力已超越英國、法國成為世界第一,其中機械產業普遍使用公差概念,引爆相關衍生產品加速改善零組件製造效率與合格率,組配合格率同步提升,產量驟升,引導降低產品售價,更擴大市場需求量等之良性循環。

拜美國標準協會(American Standard Association ASA)將國機械工程學會(American Society of Mechanical Engineers ASME)之公差配合規範提升至國家級標準規範,供美國機械產業使用,減少許多藍圖各自解讀之爭議,節省試誤、資材、人力、時間等之浪費。當美國家用手工具、割草機、電動或氣動工具、採礦工具等產品因後代子女無意願承接,或成本利潤等考量,但品牌已建立多年,每年均有相當數量之市場需求,大多均轉而採委外製造,其中台灣因鑄造品質與機械加工技術精良,製作成本合理,而承製不少訂單,目前尚持續中。因此美國原設計圖對公差標註,許多仍沿用當時之規範符號,以現代國內習用之[標準機械設計圖表便覽]因屬日本規範JIS,亦即ISO公差配合規範之註解有些不同,設計、加工、甚至檢驗部門,很容易發生解釋觀點各異之紛爭,尤其對公稱尺寸一項,更是莫衷一是,爭議重複發生頻率相當高,加上基孔制、基軸制意義各自引經據典,益使爭議更複雜,浪費時間、資材等資源。

例如公稱尺寸0.5英吋 (以下同)之軸孔配合,採美規ASA干涉配合(Heavy force & shrink fit)重壓收縮法,設計出其製造尺寸。

查ASA 34a 1925版,公稱尺寸係由經驗期望或理論分析之計算值,賦予公母配合共有之尺寸,對基本孔徑制而言,公稱尺寸指母件之最小尺寸為基本尺寸,與ISO公差規範之基孔制不同。基本軸徑制之公稱尺寸則為工件最大或最小之基本尺寸,亦與ISO公差規範之基軸制不同。

依題意公稱尺寸可為公件或母件,再代入相關適合之公式計算其平均公緊(IAV)、公件公差(Ts)及母件公差(Th)。首先以基本孔徑制而言,重壓收縮法屬第8級配合,母件之基本尺寸(最小尺寸)為公稱尺寸,即d=0.5"(下限),母件最大為d+Th (上限),而平均公緊配合之5~8各級,公件最小尺寸=d+IAV (下限),公件最大尺寸=(d+IAV)+Ts (上限)。IAV =0.001d=0.0005,Th = Ts=0.0006d1/3 =0.000476≒0.0005,可獲得母件之製造尺寸為0.5+0.0005,而公件之製造尺寸為0.5005+0.0005。進一步稍加分析公母件配合情況如表1。

如採大配大,小配小,則其干涉值一致(-0.0005),而最緊配合為-0.0010,最鬆量則為0。再查標準機械設計圖表便覽10c-21,0.5落於7/16~9/16第8級配合(Heavy Force Fit or Shrink Force Fit)之孔公差為0及+0.0005,軸公差為+0.0005及+0.0010,最大緊度為0.0010,最小緊度為0,完全吻合,只是未提到計算公式及干涉公式。

如採基本軸徑制,第5~8級,公件最小尺寸=d =0.5(下限);公件最大尺寸=d+Ts =0.5005 (上限);母件最小尺寸=d-IAV =0.4995 (下限);母件最大尺寸=(d-IAV)+Th =0.4995+0.0005 (上限);得出公件之製造尺寸為0.5+0.0005,母件之製造尺寸為0.4995+0.0005,同樣進一步分析配合情況如表2。

發現最緊量為-0.0010,最鬆量則為0,而如採大配大,小配小,則其干涉值一致(-0.0005)。無論基本孔徑制或基本軸徑制,兩種之公差值及配差值完全一樣,只是基本尺寸不同。設計工程師不可混淆,設計主管與老闆更不能不清楚其原委。

當遇到美國早期訂單前,須先確認藍圖公差依據之當代規範,尤其遇到明顯與ISO公差規範不一樣時,更應與委製商討論,待獲得共識後才能設計、發工製作,因公稱尺寸不同於ISO、JIS、 CNS規範,反映到公母件之基本尺寸大小,及後續之上下偏差值。

ASA基本孔徑制基本軸徑制之基本尺寸或公稱尺寸意義
基本孔徑制:母件之基本尺寸(最小尺寸)為公稱尺寸。公稱尺寸:兩配合件共有之大約尺寸。基本尺寸:理論分析計算或經驗之尺寸。相關公差數學模式,d=公稱尺寸,公稱尺寸範圍時取幾何平均。(1)各級:母件最小尺寸=d;母件最大尺寸=d+Th;MMC:d+Th。(2)公隙配合之1、2、3、4各級:公件最大尺寸=d-Cmin;公件最小尺寸=(d-Cmin)-Ts;MMC:(d-Cmin)-Ts。(3)平均公緊配合之5、6、7、8各級:公件最小尺寸=d+IAV;公件最大尺寸=(d+IAV)+Ts;LMC:(d+IAV)+Ts。

基本軸徑制:軸件之基本尺寸(最大或最小尺寸)為公稱尺寸。(1)1、2、3、4各級數學關係式,公隙配合:公件最大尺寸=公稱尺寸=d;公件最小尺寸=d-Ts;基本尺寸採MMC:d-Ts。母件最小尺寸=d+Cmin;母件最大尺寸=(d+Cmin)+Th;基本尺寸採MMC: (d+Cmin) +Th。(2)5、6、7、8各級數學關係式,過渡或公緊配合採平均公緊配合。公件最小尺寸=d;公件最大尺寸=d+Ts;基本尺寸採LMC:d+Ts。母件最小尺寸=d-IAV;母件最大尺寸=(d-IAV)+Th;基本尺寸採MMC:(d-IAV) +Th。

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90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