互换性（应用于机械制造等领域的概念）

简介

在日常生活和工业生产中，互换性的例子不胜枚举。人们常用的自行车，它的零件都是按照互换性生产的。如果自行车的某个零件坏了，可以在五金商店买到相同规格的零件更换，恢复自行车的功能。这些自行车零件，在同一规格内都可以互相替换使用，它们都是具有互换性的零部件。

在机械和仪器制造业中，零部件的互换性是指在同一规格的一批零部件中，任取其一，不需进行任何挑选或修配，就能装到机器上，并能达到规定的使用要求的特性。

机械和仪器制造业中的互换性，通常包括几何参数的互换性和性能参数的互换性。几何参数一般包括尺寸的大小、几何形状（宏观、微观）及相互位置关系等。机械产品的性能包括硬度、强度、刚度、传热性还有其他物理、化学参数等。

互换性通常包括几何参数互换（如尺寸、形状等），机械性能互换（如硬度、强度等），理化性能互换（如化学成分、导电性等）等。

几何参数，一般包括尺寸大小、几何形状（宏观、微观），以及点、线、面间的相互位置关系等。为了满足互换性的要求，为了满足互换性的要求，同一规格的零件（或部件）的几何参数要做得完全一致是最理想的，但由于加工误差的存在，在实践中这是达不到的，同时也是不必要的。实际上，只要求同一规格的零件（或部件）的几何参数保持在一定的范围内，就能达到互换性的目的。

和生产标准零件、部件，可以简化绘图、计算等工作，缩短设计周期，并便于用计算机辅助设计。

发展

互换性原理始于兵器制造。在中国，早在战国时期（公元前476～前222）生产的兵器便能符合互换性要求。西安秦始皇陵兵马俑坑出土的大量弩机（当时的一种远射程的弓箭）的组成零件都具有互换性。这些零件是青铜制品，其中方头圆柱销和销孔已能保证一定的间隙配合。18世纪初，美国批量生产的火枪实现了零件互换。随着织布机、缝纫机和自行车等新的机械产品的大批量生产的需要，又出现了高精度工具和机床,促使互换性生产由军火工业迅速扩大到一般机械制造业。20世纪初，汽车工业迅速发展，形成了现代化大工业生产，由于批量大和零部件品种多，要求组织专业化集中生产和广泛的协作。工业标准是实现生产专业化与协作的基础。机械工业中最重要的基础标准之一是公差与配合标准。1902年英国纽瓦尔公司编制出版的“极限表”，是世界上最早的公差与配合标准。30年代前后，各工业国家都颁布了公差与配合国家标准。1926年国际标准化协会（ISA）成立，1935年公布了国际公差制ISA草案。第二次世界大战后，重建国际标准化组织（ISO），1962年颁布ISO/R286-1926 极限与配合制。中国于1959年颁布公差与配合国家标准GB159～174-59，1979年颁布公差与配合新标准GB1800-1804-79，已有尺寸、形状和位置、表面粗糙度等基本要素的公差和轴承、螺纹、齿轮等通用零件的公差与配合等整套标准。

作用

现代化的机械零件具有互换性，才有可能将一台机器中的成千上万个零部件，进行高效率的、分散的专业化的生产，然后集中起来进行装配。因此，互换性原则的应用已成为提高生产水平和促进技术进步的强有力的手段之一，其主要作用如下：

从设计方面来看，零部件具有互换性，就可以最大限度地采用标准件、通用件和标准部件，大大简化了绘图和计算工作，缩短了设计周期，有利于计算机辅助设计和产品品种的多样化。

从制造方面来看，互换性有利于相互协作，大量应用的标准件还可由专门车间或工厂单独生产，因产品单一、数量多、分工细，可使用高效率的专用设备，进而采用计算机辅助加工，为生产专业化创造了必备条件，这样必然会提高产量和质量，并显著降低生产成本。装配时，由于零部件具有互换性，不需辅助加工，使装配过程能够持续而顺利地进行，故能减轻装配工作的劳动量，缩短装配周期，从而可采用流水线作业方式，乃至进行自动化装配，促进了生产自动化的发展，效率明显提高。

从使用和维修方面来看，若零件具有互换性，则零件在磨损或损坏、丢失后，可立即用另一个新的储备件代替（如汽车、拖拉机的活塞、活塞销、活塞环等就是这样的备件），不仅维修方便，且使机器或仪器的维修时间和费用显著减少，保证了机械产品工作的持久性和连续性，从而延长了产品的使用寿命，使产品的使用价值显著提高。

总之，互换性在提高产品质量和可靠性、提高经济效益等方面具有重要的意义。它已成为现代化机械制造业中一个普遍遵守的原则，对我国的现代化建设起着重要作用。但是，应当注意，互换性原则不是在任何情况下都适用，当只有采取单个配制才符合经济原则时，零件就不能互换。

分类

互换性按照使用场合分为内互换和外互换，按照互换程度分为分为完全互换性和不完全互换性和不具有互换性。按照互换目的分为装配互换和功能互换。

内互换：标准部件内部各零件间的互换性称为内互换；

外互换：标准部件与其相配件间的互换性称为外互换；

例如滚动轴承，其外环外径与机座孔、内环内径与轴颈的配合为外互换；外环、内环滚道直径与滚动体间的配合为内互换。

完全互换：亦称绝对互换。零件既不需辅助加工和修配，亦不需选择，即可实现互换所达到的一种技术状态。采用完全互换使大批，大量生产中的装配工作简单化，省工省时，成本降低，质量稳定，使用维修中受换零件方便。但有时将使零件公差很小，加工困难，甚至无法加工。

不完全互换性：零部件在装配时需要选配（但不能进一步加工）才能装成具有规定功能的机器的称为不完全互换。提出不完全互换式为了降低零件制造成本。在机械装配时，当机器装配精度要求很高时，如采用完全互换会使零件公差太小，造成加工困难，成本很高。这时应采用不完全互换，将零件的制造公差放大，并利用选择装配的方法将相配件按尺寸大小分为若干组，然后按组相配，即大孔和大轴相配，小孔和小轴相配。同组内的各零件能实现完全互换，组际间则不能互换。为了制造方便和降低成本，内互换零件应采用不完全互换。但是为了使用方便，外互换零件应实现完全互换。

不具有互换性：当零件转配时需要加工才能装配完成规定功能的零件成为不具有互换性。一般高精密零件需要相互配合的两个零件配作，或者对研才能完成其功能。

装配互换性：规定几何参数公差达到装配要求的互换称为装配互换；

功能互换性：既规定几何参数公差，又规定机械物理性能参数公差达到使用要求的互换称为功能互换。

上述的外互换和内互换、完全互换和不完全互换皆属装配互换。装配互换目的在于保证产品精度，功能互换目的在于保证产品质量。