進階篇：3.4.1）通用機械加工件設計指南

本文轉載自查看原文 2020-03-01 15:11 1801 機械加工/ 結構設計/ DFM

本章目的：敘述通用機械加工件設計指南

1.前言

一個機械加工件，要先滿足通用機械加工要求，再滿足其自身加工工藝的要求。

這里要注意的是，除了通用的機械加工的設計准則，不同的機械加工工藝對零件設計提出了不同的要求。設計者需要詳細了解不同的機械加工工藝（見分章），並在初次設計時就能預估出機械加工工藝的組合次序，設計完成后也需要與制造人員再詳細核對。在正式制造之前，優化完成機械加工件。

2.通用機械加工件設計指南

2.1 盡量避免使用機械加工

機械加工件的設計需要考慮機械加工工藝對零件的設計要求。在滿足產品功能、外觀和可靠性的前提下,機械加工件的設計應當使得機械加工工藝簡單、高效、加工周期短、加工成本低、質量高。

由於機械加工存在着上述的零件成本高、加工效率低、不能加工復雜形狀零件等特點,在越來越多的行業中,機械加工正在被其他加工方式,例如注射加工、沖壓加工、壓鑄加工等替代。因此,在設計機械加工件時,產品設計工程師首先想到的問題是:可以用其他加工方式來替代機械加工嗎?在可能的情況下,盡量避免使用機械加工。

在本博文中,已經分別列舉了一些實例來說明如何使用注射加工、沖壓加工、壓鑄加工等代替機械加工。

//這一條是非常可笑的一條，卻被列在機械加工設計原則的第一條，是因為時代的發展。作者在一次面試時就碰到過關於機械加工原則的問題，回答了這一條后，面對一堆老工程師感覺就有些尷尬了╮(╯▽╰)╭

2.2 毛坯的選擇

毛坯是根據零件(或產品)所要求的形狀、工藝尺寸等制成的供進一步加工用的生產對象。毛坯的種類、形狀、尺寸及精度對機械加工工藝過程、產品質量、材料消耗、加工周期和制造成本有着直接影響。因此,在產品設計時,必須正確地選擇毛坯的種類和確定毛坯的形狀。

2.2.1 毛坯的種類

機械加工中常用毛坯的種類種類很多，同一種毛坯又有多種制造方法，機械制造中常用的毛坯有以下幾種：
（1）鑄件
形狀復雜的零件毛坯，宜采用鑄造方法制造。目前鑄件大多用砂型鑄造，它又分為木模手工造型和金屬模機器造型。木模手工造型鑄件精度低，加工表面余量大，生產率低，適用於單件小批生產或大型零件的鑄造。金屬模機器造型生產率高，鑄件精度高，但設備費用高，鑄件的重量也受到限制，適用於大批量生產的中小鑄件。其次，少量質量要求較高的小型鑄件可采用特種鑄造（如壓力鑄造、離心制造和熔模鑄造等）。
（2）鍛件
機械強度要求高的鋼制件，一般要用鍛件毛坯。鍛件有自由鍛造鍛件和模鍛件兩種。自由鍛造鍛件可用手工鍛打（小型毛坯）、機械錘鍛（中型毛坯）或壓力機壓鍛（大型毛坯）等方法獲得。這種鍛件的精度低，生產率不高，加工余量較大，而且零件的結構必須簡單；適用於單件和小批生產，以及制造大型鍛件。
模鍛件的精度和表面質量都比自由鍛件好，而且鍛件的形狀也可較為復雜，因而能減少機械加工余量。模鍛的生產率比自由鍛高得多，但需要特殊的設備和鍛模，故適用於批量較大的中小型鍛件。
（3）型材
型材按截面形狀可分為：圓鋼、方鋼、六角鋼、扁鋼、角鋼、槽鋼及其它特殊截面的型材。型材有熱軋和冷拉兩類。熱軋的型材精度低，但價格便宜，用於一般零件的毛坯；冷拉的型材尺寸較小、精度高，易於實現自動送料，但價格較高，多用於批量較大的生產，適用於自動機床加工。
（4）焊接件
焊接件是用焊接方法而獲得的結合件，焊接件的優點是制造簡單、周期短、節省材料，缺點是抗振性差，變形大，需經時效處理后才能進行機械加工。

除此之外，還有沖壓件、冷擠壓件、粉末冶金等其它毛坯。

其實在學了高階篇：材料和工藝的選擇；

一章后，我們就會明白，機械加工屬於二級工藝，那么所謂的毛坯就是一級工藝：成形工藝所產品的零件。二級工藝的序列需要再一級工藝之后。少有機械加工不能加工的成形零件，所以可以說毛坯的工藝接近無限。

2.2.2 功能性原則

功能性原則要求具體體現在零件的工作條件、受力情況及形狀、尺寸、精度等方面,只有滿足使用要求的毛坯,才有實際價值。保證使用功能要求是選擇毛坯的首要原則。如最常用的齒輪零件,由於工作條件、使用要求不同,其毛坯的類別、選材和制造方法也不一樣。
1)農業機械和建築機械用齒輪:低速運轉,受力不大,嚙合及振動要求低,常選用灰鑄鐵或合金鑄鐵等鑄造,不加工或簡單加工后即可使用。
2)機床用齒輪:要求傳動平穩、振動小,受力穩定,在靜態下換速,且要求潤滑良好,常選用中碳鋼或低合金鋼鍛造和機械加工,並經熱處理(整體正火或調質、齒面高頻淬火)后才可使用。
3)汽車用齒輪:要求具有較高的耐磨性和抗沖擊性能,且動態下變速,常選用有良好淬透性的低碳合金鋼,如20CrMn等材料,經鍛造、機械加工、滲碳、淬火鍛造、機械加工、滲碳、淬火等處理后使用。

2.2.3 毛坯形狀和尺寸應盡量接近零件的形狀和尺寸

由於毛坯制造技術和成本的限制,並且零件對機械加工精度和表面質量的要求越來越髙,所以毛坯的某些表面仍需留有一定的零件加工余量,以便通過機械加工達到零件的技術要求。
現代機械制造發展的趨勢之一是精化毛坯,使其形狀和尺寸盡量與零件接近,從而進行少量切屑加工甚至無屑加工,降低材料成本和機械加工成本。

2.2.5 盡量采用標准型材

只要能滿足使用要求,零件毛坯盡量采用標准型材,不僅可減少毛坯制造的工作量,而且由於型材性能好,可減少切削加工的工時及節省材料。

2.2.5 考慮到批量和生產周期

生產批量和生產周期對毛坯種類的選擇有很大的影響。
一般單件、小批量生產且生產周期短時,應選用常用材料、通用設備和工具、低精度和低生產率的毛坯生產方法
在大批量生產條件下,應選用專用設備和工具及高生產率的毛坯生產方法,如精密鑄件、精密模鍛件。這樣可使毛坯的制造成本下降,同時能節省大量金屬材料,並可以降低機械加工的成本。例如,在某車床中采用1噸的精密鑄件可以節省機械加工3500工時,具有十分顯著的經濟效益。

2.2.6 考慮將多個零件的毛坯合並成一個整體毛坯

為了保證零件的加工質量、便於裝夾和提高機械加工的生產效率,常將多個零件的毛坯合並成一個整體毛坯,對毛坯的各平面加工好后切割分離為單件,再對單件進行加工。
對於半圓形的零件一般應合並成一個整圓的毛坯;對於一些小的、薄的零件(如軸套、墊圈和螺母等),可以將若干零件合成一件毛坯,待加工到一定階段后再切割分離。如圖6-6所示,車床進給系統中的開合螺母外殼,就是將其毛坯做成整體,待零件加工到一定階段后再切割分離。

2.2.7 毛坯形狀需要考慮到工件在機械加工時裝夾穩定

如圖6-7所示,有些鑄件毛坯需要鑄出工藝凸台,以保證在機械加工時裝夾穩定,工藝凸台在零件加工完成后再切除。

2.3 寬松的零件公差要求

在前面的章節中,反復強調了零件公差與成本的關系,公差越嚴格,成本越高,對機械加工件更是如此。如圖2-45所示,隨着零件的精度要求的增加,則需要更精密的加工工序,同時伴隨着加工效率的降低,因此加工成本大幅上升。

因此,對於機械加工件,零件公差越寬松越好,避免嚴格的尺寸公差要求。如何做到這一點,可以從兩方面入手:

1)從產品整體結構入手:通過設計合理間隙、簡化產品裝配關系、使用定位特征、使用點或線與平面配合代替平面與平面配合等方法,來避免零件嚴格的尺寸公差要求。詳見DFA章節。

2)從零件入手:尺寸精度要求和表面質量要求不高的表面,不應設計為高精度和高表面粗糙度要求的表面；另外,不需要加工的表面,不要設計成加工面。

2.3.1 選擇工序間加工余量的原則

a)應采用最小的加工余量,以求縮短加工時間,降低零件的制造費用；
b)應保證各工序有充分的加工余量,能在最后的工序中保證圖紙所要求的精度及表面粗糙度；
c)應考慮到零件熱處理時引起的變形；
d)應考慮加工零件時所采用的設備及加工方法,以及零件在加工過程中可能發生的變形；
e)應考慮到被加工零件的大小,零件愈大則所要求的加工余量也應愈大。

2.3.2 選擇工序間工序公差的原則

a)公差不應超出經濟的加工精度范圍;
b)選擇公差時應考慮到加工余量的大小,公差的界限決定加工余量的極限尺寸;
c)選擇公差時應根據零件的最后精度;
d)選擇公差時應考慮生產批量的大小,對單件小批量生產的零件允許選擇大的數值。

2.4 簡化產品和零件結構

在設計機械加工件時,不能僅僅從單個零件的角度來進行設計,而是需要從產品整體和全局的角度,綜合考慮各個零件機械加工的可行性、加工效率和加工成本等,通過對產品進行合理的拆分和組合,簡化產品和零件結構,使得產品整體易於機械加工、加工質量高、加工成本低。
如圖6-9所示,在原始的設計中,零件形狀復雜,加工費時;在改進的設計中,零件形狀簡單,有利於減少加工成本。

2.5 降低加工難度

加工內表面一般比加工外表面困難,應合理設計零件以降低加工難度。如圖6-10所示,原始的設計中,內環形槽較窄,加工起來比較困難。在改進的設計中,改為外表面加工,既不影響使用,又便於加工。

2.6 保證位置精度

有相互位置精度要求的表面,最好能在一次裝夾中加工,這樣有利於保證加工表面間的位置精度、減少裝夾次數。
圖6-12所示的零件,其內、外圓表面有同軸度精度要求,在原始的設計中,零件需要通過兩次裝夾來分別加工外圓面和內孔,難以滿足同軸度精度的要求;在改進的設計中,通過增加凸台結構,可在一次裝夾中加工出內、外圓表面,容易滿足同軸度要求,同時加工成本也降低。

//在這里作者提個醒，很多機械加工的方式是很靈活的，自己要推測加工工序，但也要和供應商一一確認，不然只會設計出一些無用的特征。比如上圖的夾持面作者自己標注上去，但如果螺紋孔是最初的夾持面，那么就不需要優化誰，又或者，外表面是長軸的無心磨，那又是另外一回事了。

所以機械加工中，DFM肯定要：自己推斷加工工序→加工制造方確認→自己再次優化。至少三步走的方式。

圖6-13 所示的零件,左右側兩個內圓面有同軸度精度要求。在原始的設計中零件必須經過兩次裝夾、兩次加工,兩個內圓面同軸度精度不容易得到滿足;在優化的設計中,零件則可一次裝夾、一次加工,有利於保證同軸度精度要求。

2.7 尺寸標注便於測量

在對機械加工件零件圖進行標注時,標注的尺寸應當便於測量。如圖6-14所,在原始設計中,尺寸測量基准為A面,不便測量;在優化的設計中,尺寸測量基准為B面,便於測量。

//這條設計准則並沒有錯，但是實際使用時要注意。基准的制定最重要的是依據設計要求來的，其次是兼顧制造、裝配、檢測等要求。不可以僅僅是因為檢測，而廢棄設計要求。

2.8 保證零件熱處理后的質量

在設計機械加工件時,需要考慮后續工序(如熱處理等)的質量。零件鋒利的邊和尖角,在淬火時容易產生應力集中,造成開裂。因此在淬火前重型階梯軸的軸肩根部應設計成圓角,軸端及軸肩上要有倒角,如圖6-15所示。

//避免尖角，這一條在注塑、鈑金、壓鑄、機加等設計要求中都有，是很重要的一條，但常常為設計師所忽略。
零件壁厚不均勻,在熱處理時容易產生變形。如圖6-16所示,增設一個工藝孔,以使零件壁厚均勻,防止熱處理時產生變形。

//同樣，壁厚均勻，也是重要的一條。在用模具加工工藝中更加重要。

2.9 零件結構要有足夠的剛度

零件結構要有足夠的剛度,以減小其在夾緊力或切削力作用下的變形,保證加工精度和加工質量。
如圖6-17所示,在原始的設計中,零件壁厚較薄,易因夾緊力和切削力而變形;在優化的設計中,增設凸緣后,零件剛度提高,不會因為夾緊力和切削力而變形。

//注意一些機械加工工藝的軸承。

如圖6-18所示,在原始的設計中,箱體結構剛度較差,刨削上平面時易因切削力造成工件變形;在優化的設計中,增加肋板后,提高了剛度,可以采用較大的切深和進給量加工,易於保證加工工件的質量並提高了生產率。

//感覺這樣做可以增加零件的強度比較多，為了制造是次要的目的。還有，刨削？

2.10 采用標准化參數

盡量采用標准化參數,同類參數盡量一致的雖要零件的孔徑、錐度、螺紋孔徑和螺距、齒輪模數和壓力角、圓弧半徑、溝槽等參數盡量選用相關標准推薦的數值,這樣可使用標准的刀、夾、量具,減少專用工裝的設計、制造周期和制造費用。
如圖6-19所示,在設計螺紋時,采用標准參數,這樣才能使用標准絲錐和板牙加工。

如圖6-20所示,在原始的設計中,軸上的退刀槽寬度不一致,車削時需准備、更換不同寬度的車槽刀,增加了換刀和對刀的次數;在優化的設計中,將這些槽的寬度改成相同尺寸,用一把刀具完成所有槽的加工,減少了刀具種類和換刀次數,節省了輔助時間。

如圖6-21所示,軸上的過渡圓角盡量一致,便於加工。

如圖6-22所示,設計鍵槽尺寸一致,即可使用同一把刀具加工所有鍵槽。

如圖6-23所示,同一端面上尺寸相近的螺紋孔改為同一尺寸的螺紋孔,便於加工和裝配。

2.11 零件應便於裝夾

零件應便於裝夾,即准確定位、可靠夾緊,這樣可簡化零件裝夾時間、提高加工效率、確保加工質量。
圖6-24所示的軸承蓋,要加工外圓及端面,在原始的設計中,如果夾在A處,一般卡爪的長度不夠,B面又不便裝夾;在優化的設計中,可以將原來的圓錐面B面改為圓柱面C面,便可在C面方便地裝夾,或者增加一工藝圓柱面D用於裝夾。