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1、第八章第八章第八章第八章 汽汽汽汽车产车产品品品品设计设计的的的的结结构工构工构工构工艺艺性性性性第一节第一节 概述概述第二节第二节 零件结构的机械加工工艺性零件结构的机械加工工艺性第三节第三节 产品结构的装配工艺性产品结构的装配工艺性第一节第一节 概述概述一、结构工艺性的概念一、结构工艺性的概念在汽车产品设计时，除了要满足零件使用性能的要求外，还应满足制造工艺的要求，即所设计的整车或零部件应具有良好的结构工艺性。结构工艺性是指所设计的产品或零部件，在一定的生产条件和保证使用性能的前提下，能以高生产效率、最少的劳动量及材料消耗、最低的生产成本制造出来。产品的结构工艺性贯穿于产品制造和使用的全过
2、程，包括材料选择、毛坯生产、机械加工、热处理、机器装配、机器使用、维护，甚至报废、回收和再利用等。因此，产品结构工艺性的优劣对产品的设计、制造具有至关重要的影响。作为汽车产品设计人员，必须掌握制造工艺的理论和知识，对设计方案全面考虑和综合分析，使所设计的产品能符合制造、使用、维护等方面的要求。零件机械加工的结构工艺性还是一项重要的技术经济指标，其影响因素涉及生产批量、工艺路线、加工精度、加工方法、工艺装备等许多方面。二、结构工艺性的评价标准二、结构工艺性的评价标准评价零件机械加工的结构工艺性优劣的条件很多，主要有加工精度和表面质量、标准化程度、加工效率等。在零件设计之初，设计人员要充分重视结构
3、的优化，在满足零件使用要求的前提下，零件的结构设计应做到以下几点：有利于零件达到加工质量的要求。有利于使用高效机床，并与先进加工工艺相适应。有利于减少零件的机动工时。有利于减少加工过程中的辅助工时。有利于使用标准刀具和量具。结构工艺性在某种意义上还具有相对性，它是随着生产类型和生产条件的不同，以及制造技术水平的发展而变化的。例如，图8-1所示为满足同一使用功能的两种箱体孔结构。如果各孔的同轴度公差较大，在大批大量生产时，为提高生产效率，可以采用高效率的双面专用镗床，从箱体两端向中间进给同时镗出四个孔。此时，图8-1（a）所示结构的工艺性较好。虽然专用镗床一次性投资成本较高，但若产量大、年产量稳
4、定，分摊到每个零件上的工艺成本很低，在经济上是合理的。当用普通卧式镗床进行单件小批生产时，镗杆从箱体一端伸入孔口，此时孔径应从一端向另一端递减，则图8-1（b）所示结构的工艺性较好。当同轴度要求高时，无论哪种生产类型，孔径都应设计成图8-1（b）所示的结构形式，并在加工时设置几个支承镗杆的导套，以保证加工要求。又如，对于图8-2所示的双联齿轮，图8-2（a）所示的结构为整体加工，小齿轮只能用插齿加工。为保证插齿刀能正常工作，设计时必须在齿轮间留有足够的空刀宽度B，工艺性才是良好的，但齿轮宽度L将增大。当出现了电子束焊接技术后，大、小齿轮可以分解成两件，分别用滚齿加工，然后再将它们焊接在一起。这
5、样不仅提高了滚齿的生产效率和齿轮的运动精度，还缩小了齿轮的宽度尺寸L。则此时，图8-2（b）的结构工艺性也是良好的。设计人员必须对工艺性有足够的认识，特别要重视面向制造和装配的设计理念，在产品设计的初始阶段就应考虑和审查结构工艺性，并在此后的生产准备和正式生产期间，与工艺人员密切合作，不断修改和完善设计结构，以提高产品设计质量。第二节第二节 零件结构的机械加工工艺性零件结构的机械加工工艺性零件的机械加工工艺性直接影响着机械加工的过程，使用性能相同而结构不同的两个零件，它们的制造过程和加工成本可能有较大差别。在制订零件的机械加工工艺规程时，应充分研究零件图，认真分析结构工艺性是否良好、合理，并提
6、出修改意见。审查和评价零件结构的工艺性，可以从以下几个方面入手。一、零件结构要素的标准化一、零件结构要素的标准化标准化是在经济、技术、科学和管理等社会实践中，对重复性事物和概念通过制定、发布和实施标准，达到统一，以获得最佳秩序和社会效益的一项技术措施。标准化是组织现代化生产的重要手段之一。零件结构要素的标准化程度高，既可以简化零件的设计工作，又可以减少零件生产准备工作量，使零件的生产准备周期大大缩短，降低零件的生产成本。零件结构要素的标准化主要包括螺纹、中心孔、退刀槽、砂轮越程槽、锥度与锥角、莫氏锥度、倒圆与倒角、球面半径、T型槽、锯缝尺寸等，这些结构的形状及尺寸标注应符合国家标准和行业标准的
7、规定。所谓标准件是指按照国家标准、行业标准或企业标准制造的零件；所谓通用件是指同一类型而规格不同或者不同类型的产品中，部分零件相同，彼此可以互换通用的零件。产品中使用标准件和通用件，不仅可以简化结构设计，避免重复工作，还能减少产品中的零件种类，扩大零件制造批量。此外，产品制造过程中可以采用高效设备和工艺装备，减少工艺装备的数量，有利于降低制造成本。因此，汽车产品设计时，应尽可能采用标准件和通用件。二、尽量采用标准件和通用件二、尽量采用标准件和通用件三、提高产品的继承性三、提高产品的继承性提高产品的继承性能够充分利用原有产品中合理的结构和先进、成熟的技术，也可以充分利用现有的制造工艺、生产设备和
8、工艺装备。因此，提高产品的继承性可以减少产品设计和生产准备的工作量，缩短产品开发和生产周期，节约成本，从而提高设计制造的可靠性和产品质量。四、采用切削加工性好的材料四、采用切削加工性好的材料材料的切削加工性是指在一定生产条件下，材料切削加工的难易程度和经济性。对材料的切削加工性的要求是：粗加工时能获得较高的生产效率；精加工时能获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度。不同金属材料的化学成分、金相组织及物理力学性能不同，其切削加工性也不同。材料的切削加工性可根据加工的表面质量、刀具耐磨程度（刀具寿命）、切削力和排屑的难易程度等方面进行衡量。一般而言，材料的硬度越高，其切削加工性就越差，硬度过高还会引
9、起刀具崩刃和刀尖烧损；材料的强度越高，切削力越大，切削温度也越高，刀具磨损也越大。同类材料强度相同时，塑性大的材料切削力较大，切削温度也较高，切屑易与刀具发生粘结，因而刀具磨损大，加工表面粗糙度值大，所以切削加工性差。因此，产品设计人员在选择材料时，除了要满足使用性能和力学性能的要求外，还必须满足材料的切削加工性要求。为此，必须对材料的切削加工性及材料的最新发展有较全面的了解。五、具有可靠定位用的定位基准和夹紧表面五、具有可靠定位用的定位基准和夹紧表面在设计零件结构时，必须认真考虑零件在机械加工时可能采用的定位和夹紧方案，尽可能使定位基准（或基面）与装配基准重合。为保证零件的加工要求，应对定位
10、基准（或基面）规定出合理的尺寸和位置公差。有时对定位基准（或基面）所规定的尺寸和位置公差比产品设计要求更为严格。如果零件结构上没有合适的装配基准可作为定位基准（或基面），应该考虑在零件的适当位置处设置一个定位基准（或基面）辅助基准；或者在零件上的适当位置上增加一个结构表面，以加工出定位基准（或基面）附加基准。汽车零件机械加工时，设置辅助基准的实例有很多，如轴类零件两端设置的中心孔、连杆大、小头侧面设置的工艺凸台等。如图8-3（a）所示，发动机活塞下端设置端面K和内止口P；如图8-3（b）所示，加工发动机缸体缸孔、曲轴主轴承孔时设置两个工艺凸台J和两个工艺孔F；如图8-3（c）所示，加工多缸曲轴
11、连杆轴颈时在曲柄侧面设置角度定位平面Q；如图8-3（d）所示，加工转向节主销孔时设置角度定位槽B，加工轴颈时设置中心孔C。六、易于保证零件的加工精度六、易于保证零件的加工精度例如，在图8-4（a）中，连杆杆身上的螺纹孔入口端，由于毛坯表面圆弧面（图中双点划线所示）过大，使圆周方向上的加工余量分布不均，造成钻孔时刀具在入口处因受力不均而发生偏移，往往很难保证螺纹孔轴线对结合面的垂直度要求。若将螺纹孔入口端面改成平面（图中实线所示），则可以减少螺纹孔的垂直度误差。又如，在图8-4（b）所示的盘形齿轮中，轮毂端面突出部分做成凹槽形状（图中双点划线所示），在镗孔或拉孔时外端处的径向刚度较低，加工后孔的
12、左、右端直径尺寸将收缩，造成沿孔轴线方向的孔径不同。若将左、右端轮毂处外壁加厚（图中实线所示），则可以避免上述缺陷。七、保证能以高生产效率加工七、保证能以高生产效率加工（一）零件加工表面的形状应尽量简单尽量采用平面、外圆柱表面和内圆柱孔表面，以提高表面成形的效率。如图8-5所示为汽车变速器第一轴内、外圆砂轮越程槽的结构形式。在大批大量生产时，若使用液压仿形车床的上刀架加工外圆，而使用下刀架作横向进给加工端面和槽，则采用图8-5（b）所示的砂轮越程槽；对于内孔中的砂轮越程槽，采用图8-5（c）所示的结构形式，在数控车床上也能较方便地进行加工。又如，图8-6（a），（b）所示的两种键槽结构中，后者
13、能使用生产效率较高的槽铣刀进行加工，所以它的结构工艺性更好。（二）尽量减少表面的加工面积减少表面加工面积能有效减少机械加工时间，提高生产效率，降低生产成本。（三）减少零件加工时的安装次数零件在一道工序中需加工多个表面时，应尽量使这些表面分布在同一个方向上。（四）减少加工时的工作行程次数有的零件的多个加工表面，虽然在同一个方向上，但由于结构的限制，不能在一次工作行程中加工出来，影响了生产效率的提高。（五）将复杂的零件分解成若干个简单零件有些汽车零件结构较为复杂，定位和加工比较困难；有的零件由于结构受限，生产效率较低。八、保证刀具正常工作的条件八、保证刀具正常工作的条件在汽车零件结构设计时，设计人
14、员应考虑每个表面采用何种加工方法，使用何种刀具进行加工，在结构上尽量保证加工时刀具能正常工作。例如，在车床上使用螺纹车刀车削螺纹时，为避免车刀损坏，必须留出退刀槽，如图8-13（a）所示；在插齿机上使用插齿刀加工小齿轮时，为避免插齿刀工作行程终了时碰撞大齿轮端面而损坏插齿刀，必须留有空刀槽，如图8-13（b）所示；在内圆磨床上磨内孔时，为避免砂轮损坏必须留有砂轮越程槽，如图8-13（c）所示；在加工箱体螺纹孔时，为保证丝锥能方便地对准底孔，并容易自动引入，需在底孔入口处加工出倒角，如图8-13（d）所示。（一）零件结构应保证刀具正常工作（二）尽量避免箱壳体内壁平面的加工由于刀具不便于进入或接近
15、箱壳体内壁平面，因此应尽可能避免加工内壁平面。例如，图8-14（a）所示的变速器壳体倒挡轴结构中，需要加工齿轮轮毂两端面与变速器壳体相接触的两个内侧端面。一般在箱壳体侧面均留有窗口，使用专用铣削头从窗口伸入到加工处同时铣削两内侧端平面。若将结构改变为图8-14（b）所示的结构，用倒挡轴轴肩作为齿轮的支承端面，则箱壳体内侧端面的加工就可以简化，在镗孔的同时使用同一镗杆上的刮刀就可以一同加工内侧左端平面。但这种结构应保证孔径尺寸FD大于内侧左端平面尺寸FA，如图8-14（c）所示。（三）零件结构应使刀具具有良好的工作条件汽车中有很多零件上开有深孔（孔长与孔径之比大于5的孔。加工深孔时，钻头细长、刚
16、性差，极易发生引偏；由于冷却润滑较为困难，钻头切削刃易被烧伤，失去切削能力；切屑不易排出，使钻削扭矩大增，钻头极易被折断；为了冷却钻头和排屑，必须多次退出钻头，从而降低了生产效率。因此，在零件结构设计时，应尽可能改善深孔结构或用其他结构代替深孔结构。例如，将深孔制造成阶梯孔就可以改善上述缺陷，如图8-15所示，气缸体上的润滑油孔和十字轴润滑油孔就采用了阶梯孔结构。又如图8-16（a）所示的连杆上连通大、小头孔的润滑油深孔结构，可以改变成图8-16（b）所示的两种结构，在连杆小头顶面处钻一个小孔或铣一窄槽，利用飞溅式润滑的方式润滑，就可避免深孔加工。九、零件加工时应具有足够的刚性九、零件加工时应
17、具有足够的刚性零件结构应具有足够的刚性，这不仅是结构设计的要求，同时也是制造过程中的要求。零件加工时应具有足够的刚性，以免由于切削力和夹紧力的作用而导致较大的变形，从而对加工质量和生产效率产生影响。例如，对于图8-17所示的拨叉，通常在板辐上设置加强肋以提高刚性，以保证拨叉平面F的加工要求。第三节第三节 产品结构的装配工艺性产品结构的装配工艺性一、产品能分解成若干个独立装配的装配单元一、产品能分解成若干个独立装配的装配单元从装配工艺性的角度来分析，汽车产品是由若干个装配单元组成的，一个产品的装配单元可划分为五级，即零件、合件、组件、部件和产品，如图8-18所示：合件：合件：又称为结合件，它一般
18、是由两个或两个以上零件的永久性连接（如焊接或铆接等）结合成的不可拆卸的整体件。组件：件：由若干个零件和合件组成的组合件，如连杆体、连杆盖、螺栓等组成的连杆等；部件：部件：由若干零件、合件和组件组成的，能完成某种使用功能的组合体，如汽车变速器、发动机等。二、产品具有正确的装配基准二、产品具有正确的装配基准与工件在加工时的定位情况类似，零件在装配单元中的正确位置，是靠零件的装配基准（基面）和其他零件相接触或相配合来实现的。因此，为使零件在装配单元中能正确定位，应该有正确的装配基准。要根据零件的使用功能限制其必要的自由度，一般不应该出现过定位现象。例如，图8-19所示为主动锥齿轮轴承座组件（总成）装
19、配图。轴承座2装配到后桥壳体1内时，轴承座的两段外圆和法兰端面为其装配基面。轴承座装配基面与后桥壳体的内孔配合，并与端面接触后，被限制了五个自由度，而绕轴线旋转的自由度不必限制。这样，轴承座在后桥壳体内就正确定位了。三、产品便于装配和拆卸三、产品便于装配和拆卸进行产品设计时，应考虑零件的装配和拆卸是否方便。例如，在图8-19所示的轴承座组件装配中，轴承座以两段外圆表面与后桥壳体孔相配合。若设计成两段外圆表面同时与壳体两孔配合（参见图8-19（a），由于它们不易同时对准，装入较为困难；而若设计成轴承座右段外圆表面先进入壳体孔内3mm后，左段外圆表面再进入壳体孔内，由于右段外圆与壳体内孔起导向作用
20、，就容易装配。又如，图8-20所示为箱体零件上用圆柱销定位的局部结构图，圆柱销与下箱体上的销孔为过盈配合。若圆柱销孔设计成盲孔（参见图8-20（a），由于打入圆柱销时会形成密封腔，将阻碍圆柱销的顺利进入。因此，除非特殊需要，都应设计成图8-20（b），（c）所示的结构，将箱体定位销孔钻通，或在圆柱销上铣出通气平面或钻通气孔。装配工艺性不仅要考虑产品制造时装配的方便性，也要考虑装配中调整、修配和使用维修中拆卸的方便性。例如，图8-21所示为轴承外圈装在轴承座内孔中和轴颈装在轴承内圈孔中的三种结构方案。其中，图8-21（a）所示的结构中，轴承座孔肩内径等于轴承外圈内径，而轴承内圈外径等于轴颈轴肩直
21、径，使轴承内、外圈均难以拆卸。若将轴承座孔肩内径增至大于轴承外圈内径，轴颈轴肩减至小于轴承内圈外径（参见图8-21（b），或者在轴承座孔肩处加工24个缺口（参见图8-21（c）所示），轴承内、外圈就容易拆卸了。四、正确选择装配方法四、正确选择装配方法为保证产品的使用性能，各部件（总成）都规定了若干个装配精度要求。这些精度要求是由装配方法和零件制造精度来保证的。正确选择装配方法对装配生产效率和经济性有很大的影响。完全互换装配法是最简单、生产效率最高的一种装配方法，因此，当装配精度要求不高，零件尺寸公差在加工经济精度范围内时，都应采用完全互换装配法。设计人员在设计结构时，应使结构尽量简单，结构中所
22、包含的零件数量尽量少。这样，在保证同样装配精度要求的情况下，装配尺寸链的环数少，增大完全互换法的可能性。当装配精度要求较高，或组成环数目较多，用完全互换装配法保证装配精度要求使零件尺寸公差过小时，可考虑使用其他装配方法。在采用补偿法时（包括调整装配法和修配装配法），应合理地选择补偿环。补偿环所处的位置应尽可能便于调节或便于装卸。五、尽量减少装配时的修配和机械加工五、尽量减少装配时的修配和机械加工若在装配时进行修配和机械加工，切屑容易掉入产品中，既影响产品的清洁度和产品质量，又难以控制修配和机械加工的时间，不易组织流水作业，延长了装配生产周期，也不能保证互换性。因此，装配时应尽量避免修配和机械加工。一般情况，只有合件和组件要求的位置公差（也就是装配精度）很小时，才在合件和组件装配后，用修配装配法保证其精度。通常这样的修配或机械加工都安排在机械加工生产线上进行。例如，为了保证发动机气门与阀座锥面的密封性精度，缸体或缸盖进入总装配之前在机械加工生产线上，先将气门导管和阀座压入缸体或气缸盖中，然后相互研磨气门和阀座。在这种情况下，修配或机械加工后，应仔细清除切屑和其他污物。Thank You!