第1章 绪论
1.1 互换性的意义和作用
1.1.1 互换性的含义
在进行机械零件几何精度设计的过程中，应遵循互换性原则、经济性原则、匹配性原则和最优化原则。其中，互换性是现代化生产中的一个重要技术经济原则，普遍应用于机械设备和各种机电产品的生产中。随着现代化生产的发展，专业化、协作化生产模式的不断扩大，互换性原则的应用范围也越来越大。
什么叫互换性？关于互换性的实例，人们在日常生活和工作中经常遇到。例如，机器或仪器上掉了一个螺钉按相同的规格买一个装上就行了；灯泡坏了，买一个安装上即可；汽车、拖拉机，乃至自行车、缝纫机、手表中某个机件磨损了，可以迅速换上一个新的，并且在更换和装配后，能很好地满足使用要求。之所以能这样方便，就是因为这些零件都具有互换性。
互换性是某一产品（包括零件、部件、构件）与另一产品在尺寸、功能上能够彼此互相替换的性能。简言之，互换性是指在同一规格的一批零件或部件中，任取一件，无须经过任何选择、修配或调整，就能装配在整机上，并能满足使用性能要求的特性。
显然，具备互换性应该同时满足以下三个条件：①无须经过任何选择；②无须辅助加工或修配便能装配；③装配（或更换）后的整机能满足规定的功能要求。
由此可见，要使产品满足互换性要求，不仅要使产品的几何参数（包括尺寸、宏观几何形状、微观几何形状）充分的近似，而且要使产品的机械性能、理化性能以及其他功能参数充分的近似。
当前，互换性是许多工业部门产品设计和制造中应遵循的重要原则。它不仅涉及产品制造中零、部件的可装配性，而且还涉及机械设计、生产及其使用的重大技术和经济问题。互换性已经在生产资料和生活资料的各部门被普遍、广泛采用。
1.1.2 互换性的分类
1.按零、部件互换性程度分类
在生产中，按零、部件互换性的程度可分为完全互换（绝对互换）与不完全互换（有限互换）。
完全互换又称绝对互换，即零件在装配或更换时，不需要经过任何挑选、辅助加工、调整与修配等辅助处理，在功能上便具有彼此互相替换的性能。
从实用要求出发，人们总希望零件都能完全互换，实际上大部分零件也能做到，但有时由于受限于加工零件的设备精度、经济效益等因素，要做到完全互换就显得比较困难了，同时也不够经济，故而产生了不完全互换方法。
不完全互换称有限互换，是指零件在装配更换前需要经过挑选、调整或者修配等辅助处理，方能使其在功能上具有彼此互相替换的性能。当装配精度要求较高时，采用完全互换将使零件制造公差很小，加工困难，成本很高，甚至无法加工。这时，可以采用其他技术手段（如不完全互换）来满足装配要求。不完全互换按实现方法的不同可分为以下几种：
（1）分组互换就是将零件的制造公差适当放大，使之便于加工，而在零件加工后装配前，用测量器具将这些零件按实际尺寸的大小分为若干组，使每组零件间实际尺寸的差别减小，按相应组进行装配（即大孔与大轴相配，小孔与小轴相配）。这样，既可保证装配精度和使用要求，又能减少加工难度、降低成本。此时，仅仅同组的零件可以互换，组与组之间的则不可互换。例如，有些滚动轴承内、外圈滚道与滚动体的结合，活塞销与活塞销孔的结合，都是分组互换的。
（2）调整互换指在装配时要用调整的方法改变零、部件在其他部件、机构中的尺寸或位置方能满足功能要求。圆锥齿轮在装配时，要调整两组调整垫片，以保证圆锥齿轮转动时，假想中的分度圆锥在作纯滚动；燕尾导轨中的调整镶条在装配时要沿导轨移动方向调整它的位置，方可满足间隙要求。
（3）修配互换指在装配时要用去除材料的方法改变其某一尺寸的大小方能满足功能上的要求。例如车床尾座部件中的垫板在装配时要对其厚度进行修磨，方能满足车床头、尾顶尖中心的等高要求。
2.按标准部件或机构分类
对标准部件或机构来说，互换性又可分为外互换与内互换。
外互换是指部件或机构与其相配件间的互换性。例如，滚动轴承内圈内径与轴的配合，外圈外径与机座孔的配合。
内互换是指部件或机构内部组成零件间的互换性。例如，滚动轴承内、外圈滚道直径与滚珠（滚柱）直径的配合。
为使用方便起见，滚动轴承的外互换采用完全互换，而其内互换则因其组成零件的精度要求高，加工困难，故采用分组装配，为不完全互换。一般地说，不完全互换只用于部件或机构的制造厂内部的装配。至于厂外协作，即使产量不大，往往也要求完全互换。究竟是采用完全互换，还是不完全互换或者部分地采用修配调整，要由产品精度要求与复杂程度、产量大小（生产规模）、生产设备、技术水平等一系列因素决定。
3.按参数特性或使用要求分类
按参数特性或使用要求分类，互换性可分为几何互换性和功能互换性。
几何互换性为狭义互换性，是指按规定几何参数的公差来保证成品的理论几何参数与实际几何参数充分近似达到的互换性。通常所讲的互换性，有时也局限于指保证零件尺寸配合要求的互换性。
功能互换性指按照规定功能参数的公差所制造的产品达到的互换性。其中功能参数不仅包括几何参数，还包括材料机械性能参数及化学、光学、电学及力学参数等。也可理解为广义互换性，注重保证尺寸配合要求以外的其他功能要求。例如，内燃机中铝活塞环不能代替铸铁活塞环。
应该指出，保证零件具有互换性，决不仅仅取决于它们几何参数的一致性，还取决于它们的物理性能、化学性能、机械性能等参数的一致性。因此，按决定参数或使用要求，互换性可分为几何参数互换性与功能互换性，本课程主要研究的是零件几何参数的互换性。
1.1.3 互换性在机械制造中的作用
互换性在机械制造中有很重要的作用。
从使用方面看，如果一台机器的某零件具有互换性，则当该零件损坏后，可以很快使用另一备件来代替，从而使机器维修方便，保证了机器工作的连续性和持久性，延长了机器的使用寿命，提高了机器的使用价值。在某些情况下，互换性所起的作用是难以用价值来衡量的。例如，发电厂要及时排除发电设备的故障保证继续供电；在战场上要及时排除武器装备的故障，保证继续战斗。在这些场合，实现零件的互换，显然是极为重要的。
从制造方面看，互换性是提高生产水平和进行文明生产的有力手段。装配时，由于零件（部件）具有互换性，不需要辅助加工和修配，可以减轻装配工的劳动量，因而缩短了装配周期。而且，还可使装配工作按流水作业方式进行，以至实现自动化装配，这就使装配生产效率显著提高。加工时，由于按标准规定的公差加工，同一部机器上的各个零件可以分别由各专业厂同时制造。各专业厂产品单一，产品数量多，分工细，所以有条件采用高效率的专用设备，乃至采用计算机辅助制造（CAM）技术，从而使产品的数量和质量明显提高，成本也必然显著降低。
从设计方面看，产品中采用了具有互换性的零部件，尤其是采用了较多的标准零件和部件（如螺钉、销钉、滚动轴承等），这就使许多零部件不必重新设计，从而大大减轻了计算与绘图的工作量，简化了设计程序，缩短了设计周期。尤其是还可以应用计算机进行辅助设计（CAD）技术，这对发展系列产品和促进产品结构、性能的不断改善，都有很大作用。例如，目前我国手表生产采用具有互换性的统一机芯，许多新建手表厂就不用重新设计手表机芯，因而缩短了生产准备周期，而且也为不断改进和提高产品质量创造了一个极好的条件。
综上所述，在机械制造中组织互换性生产，大量应用具有互换性的零部件，不仅能够显著提高劳动生产率，而且还能够有效地保证产品质量和降低成本。互换性原则已成为现代制造业中的一个普遍遵守的基本原则。互换性生产对我国现代化生产具有十分重要的意义，但互换性也不是在任何情况下都适用，有时也只有采用单个配制才符合经济原则，这时零件虽不能互换，但同样也有公差和检测方面的要求。