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。

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）
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。

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
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
零件结构
零件结构
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。

精度。

零件结构
3、减少同时配合面数目
零件结构
表（8-9）刀具要有足够的操作空间零件结构
5、提高刀具的刚度与寿命
表（8-11）采用标准刀具，减少加工种类
零件结构
零件结构
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
零件结构
零件结构
表（8-13）方便进刀、退刀和测量
零件结构
表（8-14）避免曲面加工
零件结构
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
表（8-16）方便拆卸
零件结构
表（8-17）设计正确的装配基面零件结构
表（8-18）保证装卸工具的活动空间
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。