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1、机械加工件结构设计工艺性 主讲 杨俊生 中国航天科工集团第三十五研究所,内容目录,普通机加件结构设计工艺性钛合金机加件结构设计工艺性,普通机加件结构设计工艺性,毛坯和材料的选择 零件结构工艺性 合理标注尺寸 规定最佳的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度,毛坯和材料的选择,铸件、锻件的选择原则 应最大限度地减少切削加工表面，使毛坯形状尽量接近最终成品零件的形状和尺寸要求。强度允许并适合铸造成形的零件，优先选用铸件毛坯。 在选择毛坯时既要考虑毛坯种类、成本，又要兼顾毛坯的制造方法和批量大小。为降低制造成本，在满足使用性能的前提下尽可能选用低等级的铸件和锻件。,棒材和钣材的选择原则 在考虑选用棒材还是钣
2、材时，要根据零件批量大小全面权衡。厚度在10mm以上的2A11 T4、2A12 T4铝合金钣材，从钣材供应状况考虑优先选用H112状态的钣材，而尽量不选用T4状态的钣材。对于有旋转结构要素的小结构件可选用2A11 T4、2A12T4的棒材。对于有些从结构要素上看采用45钢、30CrMnSiA等钢钣较为合适的零件，若批量不大，从工艺方法考虑宜选用棒材以降低成本。铝合金整体壁钣优先选用5A06防锈铝钣材或者2A11 T4、2A12 T4的预拉伸钣材。在选用棒材直径和钣材厚度尺寸时，要留有足够的机械加工余量。,型材的选择原则挤压型材可降低机械加工余量三倍五倍，提高材料利用率四倍五倍，选用型材应尽量减
3、少加工表面，应充分考虑到型材的标准和出厂规格及变形量（扭曲变形量、直线度、平行度），在图样上宜标出（原本可以不加工的表面，但为改善型材的变形情况，符合使用要求）允许加工的基准面和最小壁厚。橡胶件材料的选择原则要求用机械加工方法制造的橡胶零件，应选用硬度较高的橡胶材料。,材料硬度对切削加工性的影响 一般情况下，同类材料中常温硬度高的切削加工性差。 零件材料硬度过高会引起刀刃烧损及崩刃。零件材料中的硬质点对刀具有擦伤作用。硬质点越多，形状越尖锐，分布越广，零件材料切削加工性越差。零件材料的冷作硬化程度越高，切削加工性越差。材料强度对切削加工性的影响零件材料的强度（包括常温强度和高温强度）越高，所需
4、切削力越大，消耗功率越大。切削温度越高，刀具越容易磨损，切削加工性越差。,材料塑性与韧性对切削加工性的影响金属材料的塑性以延伸率衡量，塑性越大，切削加工性越差。但材料塑性太小 ，切屑与前刀面接触长度越短，切屑负荷集中在刀刃附近，将加剧刀具磨损，故塑性太大或太小都使切削加工性变差。材料的韧性是指材料抗冲击的能力。以冲击韧性值表示。韧性越大的材料，切削力越大，断屑越困难，从而将降低切削加工性能。,材料导热系数对切削加工性的影响材料的导热系数用k表示。导热系数大的材料导热性能好，切削加工性能比较好；而导热系数低的材料、切削热不易散发，切削加工性就差。一般难加工材料如不锈钢、高温合金、钛合金等，k 值
5、均较小，切削加工性差。表1所示的是常用材料力学性能及切削性的关系。,表1 常用材料力学性能及切削性,零件结构工艺性,导弹上的机械加工零件种类多，结构各异。大部分机械加工零件均由一些基本结构要素组合而成。组成机械加工零件的基本要素有平面、外旋转面、内旋面、槽、肋、凸台、下陷、窝、螺纹等。机械加工零件设计时应注意结构要素的工艺性。零件形状尽量简化，考虑加工刀具及量具的可达性，便于使用标准刀具和通用量具。重型零件应考虑工艺吊装的可能性，设有吊装位置并应专门设计吊装孔。,平面结构要素工艺性平面棱边、棱角要求加工平面方法很多，如车削、铣削、刨削、磨削等。加工后会在平面棱边、棱角处产生锐边或毛刺，可能会使
6、生产者或实用者受到伤害，故应对锐边进行修整，一般倒角0.545或倒圆R0.5。高精度平面的工艺性高精度平面的面积越大，加工费时费力，且面接触性能不好。应把高精度平面（安装基准面）限在最小范围内。,磨削平面工艺性 需要磨削加工的平面要保证开敞性。 平面间圆角过渡 铣削加工平面之间圆角过渡应符合标准铣刀尺寸。 刨削平面的退刀结构 刨削加工台阶平面应设退刀结构，尤其是在拐角处 要避免留下加工不到的地方。 平面接刀差 多次走刀加工的平面存在一定的接刀误差，对于 非配合表面应允许有小于0.15mm接刀误差，但应 做适当修整。,外旋转面结构要素工艺性轴类零件的长径比在设计刚性轴类零件时，应尽可能使轴的长径
7、比（L/D）小于10，并设有中心孔。轴上的中心孔和定心倒角尺寸和位置精度高的轴需多次装夹定位加工，为减少定位误差应在轴的两端设有中心孔和定心倒角，中心孔按GB/T1452001规定执行，并优先选用带护锥型中心孔轴上的键槽结构轴一侧的长键槽会使轴的应力分布不均，在加工键槽时，使轴产生弯曲变形，所以在设计轴上长键槽时应保持对称性和均匀性。,锥形轴的结构设计锥形轴要考虑在机床上装夹的方便和可行性，避免全长为锥形表面，应有一段直线段。阶梯轴的结构阶梯轴应尽可能按直径大小逐次排列或按中间大、两端小的方式排列。阶梯轴的直径差太大会降低棒材的利用率，增加切削工作量，并在根部产生较大的应力集中，所以，应采用逐
8、渐过渡或分离成两个零件的结构形式。配合轴的结构轴上过盈配合部分太长，会使装配发生困难，且容易损伤配合表面。应把过盈配合部分的长度控制在最小范围内。,对于阶梯轴或锥形轴要避免几个表面同时参加配合。要求磨外圆柱面应有合理的空刀槽或有合理过渡圆角。为减少刀具品种和换刀时间，轴上空刀槽尺寸应保持一致。安装轴承处的台肩高度应保证拆卸轴承的方便。球体结构工艺性旋转轴线处的切削速度为零，为改善切削工艺性应尽量避免采用整体球形结构，过渡应采用空刀槽。零件有规则的几何要素结构的工艺性零件上有规则的几何要素，如椭圆、双曲线、抛物线等，应用数学公式在图样上表示。,内旋转面结构要素工艺性孔的长径比 一般的长径比（L/
9、D）超过5即为深孔。深孔还可以细分， 表2为深孔的种类。深孔加工处于半封闭或封闭状态， 存在排屑与冷却困难，导向性差等问题。深孔加工质量 不易保证，而且随着长径比的增加，成本显著提高，所 以，除非有特殊要求，零件上的孔不要设计成深孔。表2 深孔的种类,小直径深孔的结构小直径的深孔加工非常困难，对于没有配合要求的小直径深孔，应采取阶梯孔结构。台阶孔的工艺性精度较高的盲孔和台阶孔加工工艺性差应尽可能设计成通孔，要求磨削的盲孔应有合理的空刀槽或砂轮越程槽。按GB/T6403.51986规定。盲孔根部结构盲孔的加工方法主要有钻、扩、铰等。受刀具结构限制，一般很难制成平底清根的盲孔，所以盲孔根部结构应符
10、合刀具结构，在孔底形成一个过渡表面。镗孔的退刀结构精度较高的台阶孔，镗削加工时，应在台阶孔底部设有退刀结构，避免退刀时划伤已加工表面。,斜面上孔的工艺性在斜面、棱边上钻孔会因斜表面上切削抗力的分力使钻头偏离正确位置，且易折断钻头，所以，应使孔端面垂直于孔轴线。配合孔的范围要限制精密配合孔的精加工范围，缩短配合面长度。非实心体及材质不均匀孔处的结构在不完全是实心体的地方钻孔，钻头将偏斜到切削抗力小的一侧，钻出斜孔或弯曲的孔，应使孔周围处于实体状态。在不同硬度材料的合缝上钻孔也存在偏斜或弯曲倾向，应避免在合缝正中钻孔。,加强筋上孔的结构结构件加强筋条上平行腹钣面的孔，一般用拐角风钻加工，受工具结构
11、限制，对孔的位置离边距应大于15mm铸件上孔的壁厚铸件的位置精度较低，孔壁凸台的偏移多易使薄壁被钻透，所以，一般对薄壁孔要预先留出充分的补偿余量孔端倒角结构孔口倒角便于装配，可使润滑油导入，形成流畅的润滑通路。定位销孔的结构通孔式的定位销孔便于加工和装配，工艺性最好，定位销孔要垂直于配合平面，倾斜的定位销孔容易产生错位。,精密盲孔的结构精密配合的盲孔在安装或拆卸轴时，孔底的密封空间内形成正压或负压，使安装或拆卸困难，所以，要设有通气孔。高强度材料上孔的工艺性在高强度材料（b1050MPa）上制孔，因受结构限制，只能采用切削加工方法时，应使孔的直径大于6mm，精度低于IT8级。球形窝的结构整体球
12、形窝切削工艺性不好应制出中心孔或孔。径向小孔的结构在高精度孔表面不要设置径向小孔、径向小孔应设置在空刀槽的位置。,孔内键槽的结构 孔内键槽多为拉（或插）削加工而成，所以，通槽工艺性 最好，对于不通槽应设置空刀结构。窝和内形结构要素工艺性内形宽度与转接半径的关系当内形宽度给定时，内形转接圆角半径越大，加工内形时的走刀次数越小，生产效率越高，从刀具刚性和生产效率方面考虑，应尽可能增大内形转接圆角半径。,内形深度与转接半径的关系 内形的转接圆角半径给定时，内形深度越大加工刀具长径 比越大，刚性越差，要保证内形深度H与转接圆角半径R之 间适当的比例，即H值一般不大于R值的四倍五倍。 内形转接圆角的结构
13、 内形侧面之间的转接圆角半径R和侧面与底面之间转接圆 角半径r，决定了加工刀具的结构形式和一次走刀有效加 工面积。为提高生产效率，内形转接圆角应尽可能相同， 在符合标准刀具规格的情况下，取尽可能大的R和尽可能 小的r。,凹窝的结构边距较小的凹窝改为开敞的平面，能提高尺寸加工精度和降低表面粗糙度的值，工艺性好。为避免切伤已加工表面，减轻窝或减轻孔的边缘不要与已加工表面接平。凸台结构要素工艺性非加工表面上的凸台结构铸件不加工表面上的凸台高度尺寸应大于其外形表面的铸造公差。内形中凸台的结构内形结构中凸台的形状和位置要保证走刀路线的通畅，避免更换小直径刀具做补充加工，影响生产率。,螺纹结构工艺性内、外
14、螺纹端头均应设计导入结构。内螺纹倒角一般是120或90，外螺纹一般为C45倒角，C为螺距的0.75倍1倍，也可按60、30设计，装配时自动对中性好。直通式的螺纹是最理想的，非直通式的螺纹根部常有螺纹收尾，它有螺尾、退刀槽两种形式，应符GB/T 31997，一般多采用退刀槽结构。小直径内螺纹用螺尾结构如螺栓、螺钉及双头螺栓末端按GB/T 22内螺纹越长加工精度越低。一般内螺纹长度不应超过（1.52）D。精度较高需磨削加工的轴上的螺纹直径应小于轴的直径。,零件变形对工艺性的影响在型号产品机加件结构设计中，应充分考虑到机械加工中的变形问题，如梁、框、薄壁铸造舱体、翼肋、壁钣等,在零件结构允许的情况下
15、应将加强筋、凸台、槽、减轻槽等设计在相互对称的位置上，使零件在加工中应力释放均衡，对防止变形保证形位公差和尺寸精度有利。对于易变形的零件，在设计图样中应注明允许在机床上测量、检查。,合理标注尺寸零件的工艺性在很多方面是由正确地选择设计基准和工艺基准来确定的，在标注尺寸时要考虑采用通用测量工具或简单的辅助夹具，符合最短的尺寸链原理减少尺寸换算，使零件以满足在机床上加工、测量和最终检验测量的可靠性和简易性，尺寸标注应使零件加工能实施最佳工艺方案。,零件的尺寸标注尽量有利于设计基准和工艺基准的重合，减少尺寸计算和误差积累，方便加工及测量。带有内外旋转表面的零件应从一个端面上标注尺寸便于实现设计基准与
16、工艺基准的重合。带有锥体的零件，要标出锥面的高度和角度及大端直径，便于加工设备调整，减少尺寸链的计算，简化工装。箱体类零件孔位置尺寸应标注在同一坐标系中，便于定位、简化工装、检测方便，容易保证形位公差。圆框类零件旋转面上孔的分布应给出角度而不标长度尺寸。,尺寸精度、形位公差和表面粗糙度的选择尺寸精度与表面粗糙度的关系表面粗糙度（Ra/m）图1 表面粗糙度对公差和成本的关系,各种加工方法的尺寸精度和表面粗糙度,表3 切削加工方法与表面粗糙关系,表4 表面粗糙度与加工方法、加工成本的关系,表5 卧式车床的型号与加工精度,表6 立式车床的型号与加工精度,表7 车削精度及适用范围,表8 卧式镗床的加工精度,表9 坐标镗床的加工精度,表10 金刚镗床的加工精度,表11 卧式升降台铣床与加工精度 单位为毫米,表12 立式升降台铣床与加工精度 单位为毫米,表13 万能回转头铣床与加工精度 单位为毫米,表14 龙门铣床与加工精度 单位为毫米,
