结构工艺性.docx

结构工艺性.docx

《结构工艺性.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《结构工艺性.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

结构工艺性

第八章结构工艺性

第一节结构工艺性概述

机器由许多零件组成，每一零件结构设计的是否合理直接关系到加工制造难易程度及对使用性能的影响，所以通常工程技术人员在设计整机或零部件时，要从机器的使用、制造等方面全面考虑。

为了评定机器结构的设计质量，通常引用“结构工艺性”概念。

如果所设计的产品（零件）根据一定的生产规模且能保证有较好的使用性能（如寿命长、效率高、安全可靠性、安装及维修方便等）前提下，能用劳动量小、高效率、材料消耗少、较低成本的方法制造出来，那我们说此“零件结构工艺性好”，或“具有结构工艺性”。

另外，如果设计的机器或零件既能保证使用要求，又可用最少的材料制造出来，我们称其为“节材性”。

节材性包括三个要素：

1.机器或零件重量轻。

2.制造过程中产生废料少。

3.特殊钢材及稀有、贵重金属用量少。

生产一台机器或一个零件的过程，一般都要经过毛坯制造、切削加工、热处理和装配等过程，所以结构工艺性是个整体概念。

在进行结构设计时必须将各生产过程对零件结构工艺性的要求全面考虑，综合分析，不应顾此失彼，使在不同生产阶段都具有良好的工艺性。

如不能周全的兼顾到各工种时，则应抓住主要矛盾，以求确定出较理想的方案，从而获得较好的结构工艺性。

零部件的结构工艺性与生产规模密切相关，并随着科学技术发展而变化。

生产批量是影响结构工艺性的首要因素，批量大小不同，制造方法不同，结构工艺性不同。

先进制造工艺与新技术的发展与应用是促进零件结构工艺性变化的又一重要因素。

如采用电解、电火花、激光、超声波等加工工艺可使一些较复杂型面、难加工材料、微孔、窄缝等的加工变的较为容易，又如精密铸、锻、精密冲压、挤压、轧制等工艺，可使毛坯精度大大提高，接近于成品。

结构工艺性基本内容包括：

a．机器的系列化、通用化、标准化及合理的技术要求；

b．毛坯结构工艺性；

c．切削加工零件结构工艺性；

d．热处理结构工艺性；

e．机器结构的装配工艺性

第二节机器的“三化”及技术要求合理性

机械行业迅速发展对各种机器的质量及品种多样化提出了更多的要求，但这给设计制造和维修带来了一定的难度及复杂化。

如能使不同行业的机器、结构有一定统一性，主要零部件有通用性，多设计标准件，就可用最少的零部件品种满足各种需要，减少品种数量及规格。

因此，机器品种规格系列化、零部件通用化、参数标准化可大大缩短机器设计和制造过程。

品种规格系列化后采用较多通用件、标准件，减少专用件，机器零件品种减少，零部件制造批量增加；零部件通用化后，不同型号的机器有可能采用相同零部件，既可扩大制造批量，又有利于组织专门化生产，采用先进设备和工艺，提高产品质量，降低成本。

对易损件通用化、紧固件标准化，使维修配件、零件品种减少，方便了维修。

因此，在设计机器时的基本要求首先要按照“三化”标准系列，对机器及其零部件多采用标准及定型结构，尽量减少专用件。

这是评定一台机器总体结构工艺性好否的重要标志。

零件结构设计中，仅用视图、剖视、剖面及尺寸合理的表达其形状及大小是不够的，还需有合理的技术要求。

如：

1.机器性能、化学性能、热处理、无损探伤等；2.尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等；3.零件重量等其它要求。

尺寸公差、形位公差及表面粗糙度是零件图上机械加工中相当重要的内容，必须合理选择及正确标注。

对于基准的选择通常采用基孔制，特殊情况例外。

从经济性考虑，只要能满足使用要求，应尽量选低公差等级，根据生产规模及零件的具体结构确定合适精度，且形位公差、尺寸公差与表面粗糙度应协调。

在部件或机器装配图上，应根据机器的使用要求规定合适的装配技术要求。

第三节毛坯结构工艺性

毛坯要具结构工艺性，注意选合适的毛坯型式、种类且据该种毛坯工艺的需要设计合理的结构。

设计时要根据具体情况综合考虑，如：

零件材料、生产类型、结构形状、尺寸大小等。

下面讨论铸件、锻件、焊件的结构工艺性。

一、铸件的结构工艺性

铸件结构工艺性常指零件的本身结构应符合铸造生产的要求，便于铸造工艺过程顺利进行，还能保证产品质量，如能简化铸造生产过程，减少铸造缺陷，节约金属材料，能降低成本，及提高生产率，那所设计的铸件结构工艺性好。

从工艺过程分析，要造型、制芯方便，下芯、清理方便。

应有如下要求：

1．外型应尽量简单

尽量简化外型、减少分型面，便于造型，只要能满足使用要求，不要复杂化（尽管复杂形状也可铸造），以获得优质铸件。

2．铸件内腔合理设计

一般内腔要采用型芯，这样会增加成本，延长生产周期，所以设计时如能直接铸出内腔不要用型芯，如非要用时，应尽量避免悬臂型芯，提高稳定性，要做到便于下芯、合箱安装、固定及排气和清理。

3．铸件的结构斜度

垂直于分型面的不加工面要具有一定的结构斜度，以便于起模。

对于不允许有结构斜度的铸件应在模样上留出拔模斜度，铸件愈高，其斜度应相应减少，以避免上下边绝对尺寸相差过大。

以上参看表8-1示例。

表（8-1）铸件的结构工艺性

基本要求

零件结构

说明

工艺性不好

工艺性好

造

型

方

便

各管口截面应处在同一个平面上以使分型方便

注意起模方向留有拔模斜度

将局部凸台连成一体

可加长凸台面积至分型面，避免采用活块，或不设凸台，锪平即可

基本要求

零件结构

说明

工艺性不好

工艺性好

制

芯

方

便

去掉内凹处减少铸造缺陷方便制芯

将箱形结构改为肋骨形结构，可省去型芯。

但强度和刚度变差

将整体结构改为组合结构简化型芯形状保证壁厚均匀

和

箱

下

芯

和

排

气

方

便

避免用悬臂芯，或设工艺孔，以利型芯的固定和排气

减少型芯，少用或不用芯撑

4．铸件壁的连接

对于不同壁厚的铸件应逐渐过渡和转变、拐弯和交接处应采用较大圆角过渡连接，以避免因应力集中而产生开裂，铸件壁厚应均匀，减少厚大部分，防止形成热节而产生缩孔、晶粒粗大等缺陷，并能减少铸造热应力、变形、裂纹等缺陷，图例如表（8-2）

表（8-2）壁的连接形式

形式

图例

形式

图例

不合理结构

合理结构

不合理结构

合理结构

两

壁

斜

向

相

交

两

壁

垂

直

相

交

两

壁

垂

直

相

连

其

它

5．铸件的最小允许壁厚、孔的最小直径及铸造圆角和筋的合理设计，可直接查阅设计手册取标准植

注意：

不加工孔，再小也要铸出。

第四节锻件结构工艺性

锻件据锻造方法不同，大致可分自由锻锻件和模锻件两种，也就是说锻件结构与锻造方法是密切相关的。

一、锻造方法对锻件结构的要求及合理选材

锻造方法不同，零件结构形状要求不同。

设计锻造零件时，首先应按生产批量、零件形状和尺寸及具备的生产条件，选择技术上可行、经济上合理的锻造方法。

（参阅表8-3）再按所选锻造方法的工艺性要求，合理设计零件的结构。

表（8-3）各种锻造方法的应用范围

锻造方法

自由锻

胎模锻

锤上模锻

压力机上模锻

平锻机上顶锻

示

意

图

零

件

形

状

只能锻出简单形状。

精度低、表面状态差。

零件的形状和尺寸一般须通过切削加工来达到

可锻出复杂的形状（压力机上模锻最优，锤上模锻次之，胎模锻再次之）。

尺寸精度较高，表面状态较好。

在零件的非配合部分，可以保留毛胚面（黑皮）。

黑皮部分的尺寸精度要求，不应超过规定标准。

形状（模锻斜度、圆角半径、筋的高宽比、腹板厚度等）应适应工艺要求

用以锻造带实心或空心头部的杆形零件。

尺寸精度较高，表面状态较好

锻

造

范

围

5吨自由煅锤可锻出350~700kg的钢锻件

12000吨自由锻水压机可锻出150吨以上的钢材

一般锻造50kg以下的钢锻件

用大型自由锻水压机可能锻出重达500kg的钢胎模锻件

5吨模锻锤可锻投影面积达1250cm2的钢模锻件；16吨锤可锻4000cm2的钢模锻件

400吨热模锻压力机可锻投影面积达650cm2的钢模锻件

1200吨的可锻2000cm2的钢锻件

1000吨平锻机可顶锻Φ140钢料棒。

3150吨平锻机可顶锻Φ270钢料棒

合适批量

单件、小批

中、小批

大、中批

大批

另外要注意金属材料的成形性能之差别，尽量采用具有较好的成形性能（高温热变形性能）的材料，如：

中、低碳素钢、低合金结构钢、镁合金、铜合金等。

若采用成形性能较差材料时，设计的锻件形状应尽量简单，截面尽量均匀。

二、自由锻锻件的结构工艺性

1．自由锻锻件形状应尽量平直、简单、对称，尽量采用平面、圆柱面，避免锥面、斜面及加强筋或复杂形状。

2．尽量避免曲面相交结构，多采用平面与平面、平面与圆柱面相交结构。

3．锻件上不应设计加强筋和小凸台。

4．对于大型锻件和复杂的中型锻件，可考虑组合结构（把各个简单的部分锻打好，再组合在一起）。

表（8-4）为自由锻件结构工艺性示例

表（8-4）自由锻件结构工艺性示例

锻件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

形状应尽量平直简单对称（避免锥形和楔形）

避免曲面相交结构

避免有如圆筋、工字形截面等复杂形状

不应设计形状复杂的凸台及叉形件内部凸台

第五节焊件结构工艺性

在制造大型结构或复杂的机器部件时，可用焊接方法。

它可用化大为小、化复杂为简单来准备坯料，逐次装配、焊接拼小成大，这是其它工艺方法难做到的。

还可采用铸-焊或锻-焊复合工艺。

要保证良好的焊接质量，焊接接头的工艺设计尤为重要，由此判断焊件结构工艺性好否。

焊缝位置的合理布置是焊接结构设计的关键，与产品质量、生产率、成本等密切相关。

一、焊缝的布置尽可能分散，密集成交叉会造成金属过热、加大热影响区、恶化组织。

二、焊缝位置尽可能对称分布，如位置偏在截面重心一侧，会使焊件弯曲变形。

三、焊缝位置要离开最大应力和应力集中处，结构截面有急剧变化的位置，易产生应力集中，应避免设计。

四、焊缝应尽量避开机械加工表面。

五、焊缝位置应方便施焊，要有足够的操作空间。

表（8-5）为常见焊接件结构工艺性示例

表（8-5）常见焊接件结构工艺性示例

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

焊缝的布置应尽可能分散

焊缝的位置应尽可能对称布置

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置

焊缝应尽量避开机械加工表面

焊缝位置便于手弧焊

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

焊缝便于自动焊

焊缝便于点焊及缝焊

良好的焊接结构设计，应尽量使全部或大部分焊接部件能在焊前一次装配点固，以简化装配焊接过程、节省占地面积和减少焊接变形，以提高生产率。

第六节零件机械加工的结构工艺性

一台机器或一个零件的生产过程，一般都要经过毛坯制造、切削加工、热处理和装配等过程，所以零件的结构工艺性应是一个整体概念。

在零件结构设计时，应周全地兼顾各生产阶段，抓住主要矛盾，以确定出较理想的结构，从而获得较好的结构工艺性。

同时，零件机械加工在整个机械制造过程中占有很大比重，超过三分之一，因此，提高零件结构的机械加工工艺性是非常重要的。

零件结构机械加工工艺性应从下面几方面加以考虑：

一、提高切削效率

1、工件便于安装。

表（8-6）工件便于安装

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

便于安装找正，增加工艺凸台，可在精加工后切除。

在平板侧面增设装夹用的凸缘或孔，便于可靠地夹紧，也便于吊装和搬运。

工件与卡爪的接触面积增大，安装较易。

2、尽量减少安装次数，降低安装误差和减少辅助工时，提高切削效率，保证精度。

表（8-7）减少安装次数

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

一次安装可同时加工几个表面。

改为通孔，可减少安装次数，保证孔的同轴度。

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

只需一次安装即可磨削两个表面。

改进后可在一次安装中加工出来

3、减少同时配合面数目

表（8-8）减少同时配合面的数目

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

加工阀扦沟槽要比加工阀套沉割槽方便，槽间距的精度也易保证。

改进后两个件容易紧固。

改进前两件的圆角不可能一致，故端面难于贴紧。

同时保证轴、孔之间的轴向配合尺寸甚难，盲孔应改为通孔。

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

圆锥面和轴肩同时起轴向定位作用，难于保证，宜只靠锥面定位

4、刀具应有足够的操作空间。

表（8-9）刀具要有足够的操作空间

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

磨削时，各表面间的过渡部分应设计出越程槽。

刨削时，在平面的前端要有让刀的部位。

留有较大的空间，以保证快速钻削的正常进行。

在套筒上插削键槽时，宜在键槽前端设置一孔，以利让刀。

5、提高刀具的刚度与寿命

表（8-10）提高刀具的刚度与寿命

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

设计工艺孔，便于选用标准钻孔和攻丝工具。

避免在曲面或斜壁上钻孔，以免钻头单边切削

避免深孔钻削，效率低，散热排屑条件差。

6、采用标准刀具，减少刀具种类。

表（8-11）采用标准刀具，减少加工种类

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

孔的位置不能距壁太近，改进后可采用标准刀具，并保证加工精度。

车螺纹时，要留有退刀槽，可使螺纹清根，操作相对容易，避免打刀。

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

加工面在同一高度，一次调整刀具，可加工两个平面，生产率高，易保证精度

使用同一把刀具可加工所有空刀槽。

插齿时要留有退刀槽，这样大齿轮可滚齿或插齿，小齿轮可以插齿加工

应尽量减少加工面积，节省工时，减少刀具损耗，且易保证平面度要求

二、方便切削加工，减少机械加工工作量

1、加工表面尽量减少，尽量避免内凹表面以及内表面的加工，减少加工中和装配中的麻烦。

表（8-12）减少切削加工工作量

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

将孔的锪平面改为端面车削，可减少加工表面数。

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

可铸出凸台，以减少金属切削量

减少精加工的长度，扩大粗加工面。

对于仅有小部分长度的直径必须有严格的公差的轴，可将设计成阶梯状，以减少磨削时间

2、合理进行零件的分拆和合并，便于加工和提高零件的刚性。

表（8-12）减少加工表面数和缩小加工表面积

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

同一端面上的尺寸相近螺纹孔改为同一尺寸螺纹孔，便于加工和装配。

内壁孔出口处有阶梯面，钻孔时孔易偏斜或钻头折断，内壁孔出口处平整，钻孔方便易保证孔中心位置度

将阶梯轴两个键槽设计在同一方向上，一次装夹即可加工两个键槽

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

正后一端留空刀，钻孔时间短，钻头寿命长，钻头不易偏斜。

轴上的过度圆角尽量一致，便于加工。

改进后可用两种材料，并改善了热处理工艺性。

3、要方便进刀、退刀和测量。

表（8-13）方便进刀、退刀和测量

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

保证内部大孔的尺寸精度和粗糙度，改善了切削条件。

4、尽量避免曲面加工

表（8-14）避免曲面加工

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

尽量避免曲面加工

第七节装配结构工艺性

装配结构工艺性是指零件结构在保证机器装配质量的前提下，尽量不采用或少采用复杂特殊的工艺装备，减少辅助，用少的工作量顺利地装配成机器。

一、便于安装和调整。

表（8-15）便于安装

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

打入销子时，应有空气逸出口，防止空气留在孔中，便于装配

为了装卸方便，确保轴承位置，右端轴径应稍小于轴径尺寸，以免装拆轴承时擦伤轴表面

使箱体左侧支承孔直径大于齿轮直径，可以在箱体外把轴上零件装在轴上，再装入箱体。

端部加工出倒角，方便装配，还使外露部分比较美观

二、便于操作，避免在内部紧固结构，方便拆卸。

表（8-16）方便拆卸

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

有过盈配合零件的拆卸，应在零件上设计拆卸螺孔。

为了便于卸下轴承，套筒（或机体）孔台肩处的直径，应大于轴承外环的内径

三、设置合理导向基准面，配合面、结合面要设计合理。

表（8-17）设计正确的装配基面

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

有同轴度要求的两个零件相连结时，应有装配定位基准，保证两零件相连接的同轴度要求

改进后设置了基面保证了汽缸盖内孔与缸体内孔的同轴度。

四、拆卸空间要足够，避免装不上、拆不下等情况

表（8-18）保证装卸工具的活动空间

零件结构

工艺性不好

工艺性好

说明

确定螺栓位置时要留出扳手活动空间

留出安装螺钉的空间

五、要便于起重、运输

设计起吊钩、吊环、螺栓等机构。

习题

改正下列图中的错误与不合理处。

参考文献

1．邓文英主编.金属工艺学.北京.高等教育出版社.2000

2．袁国定朱洪梅主编.机械制造技术基础.东南大学出版社.1991

3．姚慧珠郑海泉合编.化工机械制造.化学工业出版社.1988

4．荆学俭许本枢主编.机械制造基础.山东大学出版社.1995

参编人员：

青岛科技大学机电学院吴俊飞博士讲师

青岛科技大学机电学院付平在职硕士生工程师