ProeCreo產品結構設計-通用機械加工件設計指南

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。

這裡要注意的是，除了通用的機械加工的設計準則，不同的機械加工工藝對零件設計提出了不同的要求。設計者需要詳細瞭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，設計完成後也需要與製造人員再詳細核對。在正式製造之前，最佳化完成機械加工件。

2。通用機械加工件設計指南

2。1 儘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、加工週期短、加工成本低、質量高。

由於機械加工存在著上述的零件成本高、加工效率低、不能加工複雜形狀零件等特點，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、衝壓加工、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，儘量避免使用機械加工。

在本博文中，已經分別列舉了一些例項來說明如何使用注射加工、衝壓加工、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，回答了這一條後，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、工藝尺寸等製成的供進一步加工用的生產物件。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、加工週期和製造成本有著直接影響。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製造方法，機械製造中常用的毛坯有以下幾種：

（1）鑄件

形狀複雜的零件毛坯，宜採用鑄造方法制造。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，加工表面餘量大，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，但裝置費用高，鑄件的重量也受到限制，適用於大批次生產的中小鑄件。其次，少量質量要求較高的小型鑄件可採用特種鑄造（如壓力鑄造、離心製造和熔模鑄造等）。

（2）鍛件

機械強度要求高的鋼製件，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，加工餘量較大，而且零件的結構必須簡單；適用於單件和小批生產，以及製造大型鍛件。

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複雜，因而能減少機械加工餘量。模鍛的生產率比自由鍛高得多，但需要特殊的裝置和鍛模，故適用於批次較大的中小型鍛件。

（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，多用於批次較大的生產，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，焊接件的優點是製造簡單、週期短、節省材料，缺點是抗振性差，變形大，需經時效處理後才能進行機械加工。

除此之外，還有衝壓件、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；

一章後，我們就會明白，機械加工屬於二級工藝，那麼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後。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、選材和製造方法也不一樣。

1）農業機械和建築機械用齒輪：低速運轉，受力不大，齧合及振動要求低，常選用灰鑄鐵或合金鑄鐵等鑄造，不加工或簡單加工後即可使用。

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）後才可使用。

3）汽車用齒輪：要求具有較高的耐磨性和抗衝擊性能，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、淬火等處理後使用。

2。2。3 毛坯形狀和尺寸應儘量接近零件的形狀和尺寸

由於毛坯製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餘量，以便透過機械加工達到零件的技術要求。

現代機械製造發展的趨勢之一是精化毛坯，使其形狀和尺寸儘量與零件接近，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 儘量採用標準型材

只要能滿足使用要求，零件毛坯儘量採用標準型材，不僅可減少毛坯製造的工作量，而且由於型材效能好，可減少切削加工的工時及節省材料。

2。2。5 考慮到批次和生產週期

生產批次和生產週期對毛坯種類的選擇有很大的影響。

一般單件、小批次生產且生產週期短時，應選用常用材料、通用裝置和工具、低精度和低生產率的毛坯生產方法

在大批次生產條件下，應選用專用裝置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。這樣可使毛坯的製造成本下降，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，在某車床中採用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併成一個整體毛坯

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併成一個整體毛坯，對毛坯的各平面加工好後切割分離為單件，再對單件進行加工。

對於半圓形的零件一般應合併成一個整圓的毛坯；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，待加工到一定階段後再切割分離。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後再切割分離。

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臺，以保證在機械加工時裝夾穩定，工藝凸臺在零件加工完成後再切除。

2。3 寬鬆的零件公差要求

在前面的章節中，反覆強調了零件公差與成本的關係，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，隨著零件的精度要求的增加，則需要更精密的加工工序，同時伴隨著加工效率的降低，因此加工成本大幅上升。

因此，對於機械加工件，零件公差越寬鬆越好，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：透過設計合理間隙、簡化產品裝配關係、使用定位特徵、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 選擇工序間加工餘量的原則

a）應採用最小的加工餘量，以求縮短加工時間，降低零件的製造費用；

b）應保證各工序有充分的加工餘量，能在最後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採用的裝置及加工方法，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餘量也應愈大。

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範圍；

b）選擇公差時應考慮到加工餘量的大小，公差的界限決定加工餘量的極限尺寸；

c）選擇公差時應根據零件的最後精度；

d）選擇公差時應考慮生產批次的大小，對單件小批次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域性的角度，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，透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，零件形狀複雜，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，零件需要透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，透過增加凸臺結構，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。

//在這裡作者提個醒，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徵。比如上圖的夾持面作者自己標註上去，但如果螺紋孔是最初的夾持面，那麼就不需要最佳化誰，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→加工製造方確認→自己再次最佳化。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；在最佳化的設計中，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 尺寸標註便於測量

在對機械加工件零件圖進行標註時，標註的尺寸應當便於測量。如圖6-14所，在原始設計中，尺寸測量基準為A面，不便測量；在最佳化的設計中，尺寸測量基準為B面，便於測量。

//這條設計準則並沒有錯，但是實際使用時要注意。基準的制定最重要的是依據設計要求來的，其次是兼顧製造、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 保證零件熱處理後的質量

在設計機械加工件時，需要考慮後續工序（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；在最佳化的設計中，增設凸緣後，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；在最佳化的設計中，增加肋板後，提高了剛度，可以採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，為了製造是次要的目的。還有，刨削？

2。10 採用標準化引數

儘量採用標準化引數，同類引數儘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、溝槽等引數儘量選用相關標準推薦的數值，這樣可使用標準的刀、夾、量具，減少專用工裝的設計、製造週期和製造費用。

如圖6-19所示，在設計螺紋時，採用標準引數，這樣才能使用標準絲錐和板牙加工。

如圖6-20所示，在原始的設計中，軸上的退刀槽寬度不一致，車削時需準備、更換不同寬度的車槽刀，增加了換刀和對刀的次數；在最佳化的設計中，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，軸上的過渡圓角儘量一致，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，即準確定位、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；在最佳化的設計中，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。

如圖6-25所示，在原始的設計中，零件在三爪卡盤上裝夾時，零件與卡爪是點接觸，不能將工件夾牢；在最佳化的設計中，透過增加一段圓柱面，使工件與卡爪的接觸面積增大，裝夾較容易，並可提高裝夾可靠性。

如圖6-26所示，在原始的設計中，大平板工件在加工中不便裝夾；在最佳化的設計中，增加了夾緊的工藝凸緣或工藝孔，以便用螺釘、壓板夾緊，且吊裝、搬運方便。

刨削較大零件時，往往把零件直接裝夾在工作臺上，為了保證加工時加工面水平以便於裝夾定位，可在零件上增加工藝凸臺，必要時可在精加工後切除。如圖6-27所示，在原始的設計中，沒有工藝凸臺，零件很難進行裝夾定位；在最佳化的設計中，零件上增加了工藝凸臺，即可準確的裝夾定位。

2。12 減少裝夾次數

儘量減少裝夾次數，降低裝夾誤差和減少輔助工時，提高切削效率，保證精度。

如圖6-28所示，在原始的設計中，傾斜加工表面會增加裝夾次數；在最佳化的設計中，將傾斜加工表面改為水平表面，一次裝夾即可同時加工幾個表面。

如圖6-29所示，最佳化前需裝夾兩次，最佳化後只需一次裝夾即可磨削兩個表面。

如圖6-30所示，在原始的設計中，軸上的鍵槽不在同一方向，銑削時需重複裝夾和對刀；在最佳化的設計中，鍵槽佈置在同一方向上可減少裝夾、調整次數，也易於保證位置精度。

如圖6-31所示，在原始的設計中，A、B面的加工需要分別調整機床；在改進的設計中，將A、B面的高度改成一致，則可在機床的一次調整中完成A、B面的加工。

如圖6-32所示，最佳化前需從兩端分別進刀，需裝夾兩次，最佳化後只需一次裝夾即可完成兩個內表面的加工。

2。13 減少機械加工面積

減少機械加工面積，即可減少加工工時，繼而可以降低機械加工成本。

//針對壓鑄等工藝的毛坯件很有效果。

如圖6-33所示，在原始的設計中，支座零件的底面加工面積較大；在改進的設計中，透過最佳化的設計減少了加工面積，從而減少機械加工量和刀具消耗，提高了加工效率，降低了加工成本。

圖6-34和圖6-35顯示了其他兩個如何透過增加凸臺或凹槽的方式最佳化零件設計，減少機械加工面積的例項。

2。14 減少走刀次數

減少加工走刀次數，減少加工工時，即可減少加工成本。

如圖6-36所示，在原始的設計中，加工具有不同高度的凸檯面時，需逐一將工作臺升高或降低，增加加工工時；在最佳化的設計中，將幾個凸檯面設計成等高，則能在一次走刀中加工所有凸檯面，提高生產率，同時也容易保持相對位置精度。

2。15 零件結構應便於刀具工作

零件加工部位的結構應便於刀具正確地切入及退出。

如圖6-37所示，在原始的設計中，孔與零件立壁相距太近，造成鑽夾頭與立壁干涉，只能採用非標準加長鑽頭，刀具剛性差；在最佳化的設計中，增加了孔與零件立壁的距離，即可採用標準刀具，從而可保證加工精度。

如圖6-38所示，插齒時要留有空刀槽，這樣大齒輪可滾齒或插齒，小齒輪可以插齒加工。

如圖6-39所示，刨削時，在平面的前端要有讓刀的部位，即讓刀槽。

如圖6-40所示，磨削時，各表面間的過渡部分應設計出越程槽。

2。16 不同要求的表面明顯分開

機械加工要求不同的表面及加工面與非加工面間都應明顯分開，以改善刀具的工作條件。

如圖6-41所示，最佳化後的設計中，溝槽底面不與其他加工面重合，零件便於加工，也可避免損傷其他加工表面。

3。機械加工件DFMA表格

DFMA學以致用，事前遵循，事後補缺。

機械加工的特徵具有靈活性和不確定性：幾乎沒有特徵是機械加工絕對做不出來的。而出於機械加工裝置能力的提升，特徵製造難度和成本也很難說一成不變。

所以，作者依據兩份書籍，製作了兩份截然不同的機械加工DFMA表格。都是合理的，均可以作參考。

3。1 機械加工件設計指南1（鍾元）

3。2 機械加工件設計指南2（布思羅伊德）

這份書籍的具體內容可以看分享，作者以後有空會詳寫。