本章目的:设计符合机械加工工艺的零件。前端
①进阶篇:2)DFMA方法的运用;面试
②须要一台FDM3d打印机:请查看微信
基础篇:8)结构设计装备必备;工具
相对于注射加工、冲压加工等,机械加工是一种传统的零件加工方法,其具备如下优缺点。性能
①加工精度高:在不考虑成本的状况下,机械加工能够达到的精度远高于注射加工等其余加工方式。
②表面质量高。
③不须要额外的模具。
④小批量生产时,具备成本优点。
⑤可加工重量大的金属件。优化
①机械加工须要熟练的技术人员,同时加工时间长、效率低,所以机械加工成本高。
②机械加工是材料切除的加工,材料浪费严重。
③有可能影响工件表面和总体的完整性。
④生产效率低,不适合大批量生产。
⑤适合加工具备简单形状的零件,不能加工复杂形状的零件。所以,由机械加工件组成的产品有可能零部件众多,装配复杂,产品成本高。
⑥加工过程会产生振动、噪声和切削废料。
⑦加工刀具存在磨损。spa
毛坯是根据零件(或产品)所要求的形状、工艺尺寸等制成的供进一步加工用的生产对象。毛坯的种类、形状、尺寸及精度对机械加工工艺过程、产品质量、材料消耗、加工周期和制形成本有着直接影响。所以,在产品设计时,必须正确地选择毛坯的种类和肯定毛坯的形状。.net
机械加工中经常使用毛坯的种类种类不少,同一种毛坯又有多种制造方法,机械制造中经常使用的毛坯有如下几种:
(1)铸件
形状复杂的零件毛坯,宜采用铸造方法制造。目前铸件大多用砂型铸造,它又分为木模手工造型和金属模机器造型。木模手工造型铸件精度低,加工表面余量大,生产率低,适用于单件小批生产或大型零件的铸造。金属模机器造型生产率高,铸件精度高,但设备费用高,铸件的重量也受到限制,适用于大批量生产的中小铸件。其次,少许质量要求较高的小型铸件可采用特种铸造(如压力铸造、离心制造和熔模铸造等)。
(2)锻件
机械强度要求高的钢制件,通常要用锻件毛坯。锻件有自由锻造锻件和模锻件两种。自由锻造锻件可用手工锻打(小型毛坯) 、 机械锤锻(中型毛坯)或压力机压锻(大型毛坯)等方法得到。这种锻件的精度低,生产率不高,加工余量较大,并且零件的结构必须简单;适用于单件和小批生产,以及制造大型锻件。
模锻件的精度和表面质量都比自由锻件好,并且锻件的形状也可较为复杂,于是能减小机械加工余量。模锻的生产率比自由锻高得多,但须要特殊的设备和锻模,故适用于批量较大的中小型锻件。
(3)型材
型材按截面形状可分为:圆钢、方钢、六角钢、扁钢、角钢、槽钢及其它特殊截面的型材。型材有热轧和冷拉两类。热轧的型材精度低,但价格便宜,用于通常零件的毛坯;冷拉的型材尺寸较小、精度高,易于实现自动送料,但价格较高,多用于批量较大的生产,适用于自动机床加工。
(4)焊接件
焊接件是用焊接方法而得到的结合件,焊接件的优势是制造简单、周期短、节省材料,缺点是抗振性差,变形大,需经时效处理后才能进行机械加工。设计
除此以外,还有冲压件、冷挤压件、粉末冶金等其它毛坯。3d
其实在学了高阶篇:材料和工艺的选择;
一章后,咱们就会明白,机械加工属于二级工艺,那么所谓的毛坯就是一级工艺:成形工艺所产品的零件。二级工艺的序列须要再一级工艺以后。少有机械加工不能加工的成形零件,因此能够说毛坯的工艺接近无限。
功能性原则要求具体体如今零件的工做条件、受力状况及形状、尺寸、精度等方面,只有知足使用要求的毛坯,才有实际价值。保证使用功能要求是选择毛坯的首要原则。如最经常使用的齿轮零件,因为工做条件、使用要求不一样,其毛坯的类别、选材和制造方法也不同。
1)农业机械和建筑机械用齿轮:低速运转,受力不大,啮合及振动要求低,常选用灰铸铁或合金铸铁等铸造,不加工或简单加工后便可使用。
2)机床用齿轮:要求传动平稳、振动小,受力稳定,在静态下换速,且要求润滑良好,常选用中碳钢或低合金钢锻造和机械加工,并经热处理(总体正火或调质、齿面高频淬火)后才可以使用。
3)汽车用齿轮:要求具备较高的耐磨性和抗冲击性能,且动态下变速,常选用有良好淬透性的低碳合金钢,如20CrMn等材料,经锻造、机械加工、渗碳、淬火锻造、机械加工、渗碳、淬火等处理后使用。
因为毛坯制造技术和成本的限制,而且零件对机械加工精度和表面质量的要求愈来愈髙,因此毛坯的某些表面仍需留有必定的零件加工余量,以便经过机械加工达到零件的技术要求。
现代机械制造发展的趋势之一是精化毛坯,使其形状和尺寸尽可能与零件接近,从而进行少许切屑加工甚至无屑加工,下降材料成本和机械加工成本。
只要能知足使用要求,零件毛坯尽可能采用标准型材,不只可减小毛坯制造的工做量,并且因为型材性能好,可减小切削加工的工时及节省材料。
生产批量和生产周期对毛坯种类的选择有很大的影响。
通常单件、小批量生产且生产周期短时,应选用经常使用材料、通用设备和工具、低精度和低生产率的毛坯生产方法
在大批量生产条件下,应选用专用设备和工具及高生产率的毛坯生产方法,如精密铸件、精密模锻件。这样可以使毛坯的制形成本降低,同时能节省大量金属材料,并能够下降机械加工的成本。例如,在某车床中采用1吨的精密铸件能够节省机械加工3500工时,具备十分显著的经济效益。
为了保证零件的加工质量、便于装夹和提升机械加工的生产效率,常将多个零件的毛坯合并成一个总体毛坯,对毛坯的各平面加工好后切割分离为单件,再对单件进行加工。
对于半圆形的零件通常应合并成一个整圆的毛坯;对于一些小的、薄的零件(如轴套、垫圈和螺母等),能够将若干零件合成一件毛坯,待加工到必定阶段后再切割分离。如图6-6所示,车床进给系统中的开合螺母外壳,就是将其毛坯作成总体,待零件加工到必定阶段后再切割分离。
如图6-7所示,有些铸件毛坯须要铸出工艺凸台,以保证在机械加工时装夹稳定,工艺凸台在零件加工完成后再切除。
在前面的章节中,反复强调了零件公差与成本的关系,公差越严格,成本越高,对机械加工件更是如此。如图2-45所示,随着零件的精度要求的增长,则须要更精密的加工工序,同时伴随着加工效率的下降,所以加工成本大幅上升。
所以,对于机械加工件,零件公差越宽松越好,避免严格的尺寸公差要求。如何作到这一点,能够从两方面入手:
1)从产品总体结构入手:经过设计合理间隙、简化产品装配关系、使用定位特征、使用点或线与平面配合代替平面与平面配合等方法,来避免零件严格的尺寸公差要求。详见DFA章节。
2)从零件入手:尺寸精度要求和表面质量要求不高的表面,不该设计为高精度和高表面粗糙度要求的表面;另外,不须要加工的表面,不要设计成加工面。
a)应采用最小的加工余量,以求缩短加工时间,下降零件的制造费用;
b)应保证各工序有充分的加工余量,能在最后的工序中保证图纸所要求的精度及表面粗糙度;
c)应考虑到零件热处理时引发的变形;
d)应考虑加工零件时所采用的设备及加工方法,以及零件在加工过程当中可能发生的变形;
e)应考虑到被加工零件的大小,零件愈大则所要求的加工余量也应愈大。
a)公差不该超出经济的加工精度范围;
b)选择公差时应考虑到加工余量的大小,公差的界限决定加工余量的极限尺寸;
c)选择公差时应根据零件的最后精度;
d)选择公差时应考虑生产批量的大小,对单件小批量生产的零件容许选择大的数值。
在设计机械加工件时,不能仅仅从单个零件的角度来进行设计,而是须要从产品总体和全局的角度,综合考虑各个零件机械加工的可行性、加工效率和加工成本等,经过对产品进行合理的拆分和组合,简化产品和零件结构,使得产品总体易于机械加工、加工质量高、加工成本低。
如图6-9所示,在原始的设计中,零件形状复杂,加工费时;在改进的设计中,零件形状简单,有利于减小加工成本。
加工内表面通常比加工外表面困难,应合理设计零件以下降加工难度。如图6-10所示,原始的设计中,内环形槽较窄,加工起来比较困难。在改进的设计中,改成外表面加工,既不影响使用,又便于加工。
有相互位置精度要求的表面,最好能在一次装夹中加工,这样有利于保证加工表面间的位置精度、减小装夹次数。
图6-12所示的零件,其内、外圆表面有同轴度精度要求,在原始的设计中,零件须要经过两次装夹来分别加工外圆面和内孔,难以知足同轴度精度的要求;在改进的设计中,经过增长凸台结构,可在一次装夹中加工出内、外圆表面,容易知足同轴度要求,同时加工成本也下降。
//在这里做者提个醒,不少机械加工的方式是很灵活的,本身要推测加工工序,但也要和供应商一一确认,否则只会设计出一些无用的特征。好比上图的夹持面做者本身标注上去,但若是螺纹孔是最初的夹持面,那么就不须要优化谁,又或者,外表面是长轴的无意磨,那又是另一回事了。
因此机械加工中,DFM确定要:本身推断加工工序→加工制造方确认→本身再次优化。至少三步走的方式。
图6-13 所示的零件,左右侧两个内圆面有同轴度精度要求。在原始的设计中零件必须通过两次装夹、两次加工,两个内圆面同轴度精度不容易获得知足;在优化的设计中,零件则可一次装夹、一次加工,有利于保证同轴度精度要求。
在对机械加工件零件图进行标注时,标注的尺寸应当便于测量。如图6-14所,在原始设计中,尺寸测量基准为A面,不便测量;在优化的设计中,尺寸测量基准为B面,便于测量。
//这条设计准则并无错,可是实际使用时要注意。基准的制定最重要的是依据设计要求来的,其次是兼顾制造、装配、检测等要求。不能够仅仅是由于检测,而废弃设计要求。
在设计机械加工件时,须要考虑后续工序(如热处理等)的质量。零件锋利的边和尖角,在淬火时容易产生应力集中,形成开裂。所以在淬火前重型阶梯轴的轴肩根部应设计成圆角,轴端及轴肩上要有倒角,如图6-15所示。
//避免尖角,这一条在注塑、钣金、压铸、机加等设计要求中都有,是很重要的一条,但经常为设计师所忽略。
零件壁厚不均匀,在热处理时容易产生变形。如图6-16所示,增设一个工艺孔,以使零件壁厚均匀,防止热处理时产生变形。
//一样,壁厚均匀,也是重要的一条。在用模具加工工艺中更加剧要。
零件结构要有足够的刚度,以减少其在夹紧力或切削力做用下的变形,保证加工精度和加工质量。
如图6-17所示,在原始的设计中,零件壁厚较薄,易因夹紧力和切削力而变形;在优化的设计中,增设凸缘后,零件刚度提升,不会由于夹紧力和切削力而变形。
//注意一些机械加工工艺的轴承。
如图6-18所示,在原始的设计中,箱体结构刚度较差,刨削上平面时易因切削力形成工件变形;在优化的设计中,增长肋板后,提升了刚度,能够采用较大的切深和进给量加工,易于保证加工工件的质量并提升了生产率。
//感受这样作能够增长零件的强度比较多,为了制造时次要的目的。还有,刨削?
尽可能采用标准化参数,同类参数尽可能一致的虽要零件的孔径、锥度、螺纹孔径和螺距、齿轮模数和压力角、圆弧半径、沟槽等参数尽可能选用相关标准推荐的数值,这样可以使用标准的刀、夹、量具,减小专用工装的设计、制造周期和制造费用。
如图6-19所示,在设计螺纹时,采用标准参数,这样才能使用标准丝锥和板牙加工。
如图6-20所示,在原始的设计中,轴上的退刀槽宽度不一致,车削时需准备、更换不一样宽度的车槽刀,增长了换刀和对刀的次数;在优化的设计中,将这些槽的宽度改为相同尺寸,用一把刀具完成全部槽的加工,减小了刀具种类和换刀次数,节省了辅助时间。
如图6-21所示,轴上的过渡圆角尽可能一致,便于加工。
如图6-22所示,设计键槽尺寸一致,便可使用同一把刀具加工全部键槽。
如图6-23所示,同一端面上尺寸相近的螺纹孔改成同一尺寸的螺纹孔,便于加工和装配。
零件应便于装夹,即准肯定位、可靠夹紧,这样可简化零件装夹时间、提升加工效率、确保加工质量。
图6-24所示的轴承盖,要加工外圆及端面,在原始的设计中,若是夹在A处,通常卡爪的长度不够,B面又不便装夹;在优化的设计中,能够将原来的圆锥面B面改成圆柱面C面,即可在C面方便地装夹,或者增长一工艺圆柱面D用于装夹。
如图6-25所示,在原始的设计中,零件在三爪卡盘上装夹时,零件与卡爪是点接触,不能将工件夹牢;在优化的设计中,经过增长一段圆柱面,使工件与卡爪的接触面积增大,装夹较容易,并可提升装夹可靠性。
如图6-26所示,在原始的设计中,大平板工件在加工中不便装夹;在优化的设计中,增长了夹紧的工艺凸缘或工艺孔,以便用螺钉、压板夹紧,且吊装、搬运方便。
刨削较大零件时,每每把零件直接装夹在工做台上,为了保证加工时加工面水平以便于装夹定位,可在零件上增长工艺凸台,必要时可在精加工后切除。如图6-27所示,在原始的设计中,没有工艺凸台,零件很难进行装夹定位;在优化的设计中,零件上增长了工艺凸台,便可准确的装夹定位。
尽可能减小装夹次数,下降装夹偏差和减小辅助工时,提升切削效率,保证精度。
如图6-28所示,在原始的设计中,倾斜加工表面会增长装夹次数;在优化的设计中,将倾斜加工表面改成水平表面,一次装夹便可同时加工几个表面。
如图6-29所示,优化前需装夹两次,优化后只需一次装夹便可磨削两个表面。
如图6-30所示,在原始的设计中,轴上的键槽不在同一方向,铣削时需重复装夹和对刀;在优化的设计中,键槽布置在同一方向上可减小装夹、调整次数,也易于保证位置精度。
如图6-31所示,在原始的设计中,A、B面的加工须要分别调整机床;在改进的设计中,将A、B面的高度改为一致,则可在机床的一次调整中完成A、B面的加工。
如图6-32所示,优化前需从两端分别进刀,需装夹两次,优化后只需一次装夹便可完成两个内表面的加工。
减小机械加工面积,便可减小加工工时,继而能够下降机械加工成本。
//针对压铸等工艺的毛坯件颇有效果。
如图6-33所示,在原始的设计中,支座零件的底面加工面积较大;在改进的设计中,经过优化的设计减小了加工面积,从而减小机械加工量和刀具消耗,提升了加工效率,下降了加工成本。
图6-34和图6-35显示了其余两个如何经过增长凸台或凹槽的方式优化零件设计,减小机械加工面积的实例。
减小加工走刀次数,减小加工工时,便可减小加工成本。
如图6-36所示,在原始的设计中,加工具备不一样高度的凸台面时,需逐一将工做台升高或下降,增长加工工时;在优化的设计中,将几个凸台面设计成等高,则能在一次走刀中加工全部凸台面,提升生产率,同时也容易保持相对位置精度。
零件加工部位的结构应便于刀具正确地切入及退出。
如图6-37所示,在原始的设计中,孔与零件立壁相距太近,形成钻夹头与立壁干涉,只能采用非标准加长钻头,刀具刚性差;在优化的设计中,增长了孔与零件立壁的距离,便可采用标准刀具,从而可保证加工精度。
如图6-38所示,插齿时要留有空刀槽,这样大齿轮可滚齿或插齿,小齿轮能够插齿加工。
如图6-39所示,刨削时,在平面的前端要有让刀的部位,即让刀槽。
如图6-40所示,磨削时,各表面间的过渡部分应设计出越程槽。
机械加工要求不一样的表面及加工面与非加工面间都应明显分开,以改善刀具的工做条件。
如图6-41所示,优化后的设计中,沟槽底面不与其余加工面重合,零件便于加工,也可避免损伤其余加工表面。
机械加工件除却要遵照通用的机械加工设计指南外,还须要按照加工方式的细分,遵照对应的设计规则。如车削件就要遵照车削加工的,铣削件就要遵照铣削加工的。
细长型的零件在车削时须要使用尾架支撑。若是没有支撑,零件可能会变弯,在夹具中偏离正确位置。另外,这会形成零件在三爪卡盘中松动,形成伤害或事故。车削件应当避免细长形的设计,车削件应当短而粗,零件长度与最小直径比应不大于8,如图6-42所示。
不然飞边会带来夹紧不稳和加工精度问题。
如图6-43所示
圆角越大越好,零件加工处的圆角应与刀具的圆角一致,圆角越大,刀具越不容易折断,寿命越高。
若是孔很大的状况下,就须要使用小的钻头钻个孔作个引导,也是为了减少大钻头的阻力。
如果精度要求严,也须要先用钻头钻个小孔,而后再铣刀进去干。
如图6-44所示,
预制钻孔会简化后续工序,例如镗孔、铰孔和研磨,下降成本。
钻削加工孔的方式的优势在于能够提供精密的尺寸,可是相对其余孔加工方式,钻削加工成本较高,所以需考虑使用其余加工方式代替钻削加工,例如经过压铸直接成型所需的孔,而不是经过二次钻削加工成型。
若不能直接一级工艺成形,对于大孔,能够在毛坯上预先铸造一个孔,再经过扩孔得到设计所需的孔,这样能够节省材料和钻孔加工成本。
钻削孔应当是标准孔,非标准的孔会须要使用非标准的刀具,这会带来额外的刀具制形成本、采购成本和库存成本等。
减小零件中各类孔的种类,以减小换刀时间。
通孔比不通孔好,加工不通孔时产生的切屑难处理;扩孔和攻螺纹等工序在通孔上也比较容易进行。
孔的直径应大于3mm,孔过小,刀具容易断裂,特别是大批量生产时。
小而深的孔应当避免,如图6-46所示。过深容易形成钻头断裂,切屑的移除也很困难。孔深与孔直径比例应不大于3.避免深孔的一个方法是使用阶梯孔。不通孔须要额外增长25%孔深觉得切屑提供存储空间。
减小零件中孔的方向,以减小换刀次数。
若是交叉不可避免,孔的中心应该在型腔以外,如图6-45所示。
在零件边缘钻孔时,避免孔的大部分都在零件以外,不然这容易形成钻头断裂,确保75%的孔在零件边缘以内,如图6-47所示。
弯曲的孔没法加工,如图6-48所示,弯曲的孔可优化为三个直孔的组合。
孔的轴线不垂直于孔的进口或出口的端面时,钻头容易产生偏斜或弯曲,甚至折断,应尽可能避免在曲面或斜壁上钻孔,提升生产率,保证精度,如图6-49所示。
铣削的加工区域不宜过深,如图6-50所示。深宽比不该超过3:1,不然铣刀较长容易折断。
若是较长的铣刀不可避免,可经过如图6-51所示的方式来优化设计,提升铣刀寿命。
零件的大面积沉凹结构的转角应留有必定的转角半径,并且最小转角半径应与标准铣刀直径一致。如图6-52所示,在原始的设计中,因为转角处是直角,零件没法经过铣削加工,需经过更加昂贵的工序(如EDM)加工;在优化的设计中,经过增长转角半径,便可经过铣削进行加工。
当零件整个平面的平面度要求较高时,需使用凸台的设计。如图6-53所示,仅仅只针对凸台进行铣削加工,这一方面容易保证平面度,另外一方也能够减小铣削加工面积。
对于零件的外部棱角,在铣削加工时,应当采用斜角而不是圆角的方式,如图6-54所示。圆角须要使用铲齿铣刀,装夹较麻烦,加工成本高。
DFMA学以至用,事前遵循,过后补缺。
机械加工的特征具备灵活性和不肯定性:几乎没有特征是机械加工绝对作不出来的。而出于机械加工设备能力的提高,特征制造难度和成本也很难说一成不变。
因此,做者依据两份书籍,制做了两份大相径庭的机械加工DFMA表格。都是合理的,都可以做参考。
这份书籍的具体内容能够看分享,做者之后有空会详写。