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产品结构工艺规范

1概述

结构工艺性的概念

在机械设计中，不仅要保证所设计的机械设备具有良好的工作性能，而且还要考虑能否制造、便于制造和尽可能降低制造成本。

这种在机械设计中综合考虑制造、装配工艺、维修及成本等方面的技术，称为机械设计工艺性。

机器及其零部件的工艺性主要体现于结构设计当中，所以又称为结构设计工艺性。

零件结构工艺性，是指所设计的零件在满足使用要求的条件下制造的可行性和经济性。

零件结构工艺性存在于零部件生产和使用的全过程，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，直至报废、回收和再利用等。

影响结构工艺性的因素

影响结构设计工艺性的因素主要有：

生产类型、制造条件和工艺技术的发展三个方面。

生产类型是影响结构设计工艺性的首要因素。

当单件、小批生产零件时，大都采用生产效率较低、通用性较强的设备和工艺装备，采用普通的制造方法，因此，机器和零部件的结构应与这类工艺装备和工艺方法相适应。

在大批大量生产时，往往采用高效、自动化的生产设备和工艺装备，以及先进的工艺方法，产品结构必须适应高速、自动化生产的要求。

常常同一种结构，在单件小批生产中工艺性良好，在大批大量生产中未必也好，反之亦然。

机械零部件的结构必须与制造厂的生产条件相适应。

具体生产条件应包括：

毛坯的生产能力及技术水平、机械加工设备和工艺装备的规格及性能、热处理设备条件与能力、技术人员和工人的技术水平以及辅助部门的制造能力和技术力量等。

随着生产不断发展，新的加工设备和工艺方法的不断出现，以往认为工艺性不好的结构设计，在采用了先进的制造工艺后，可能变得简便、经济。

例如电火花、电解、激光、电子束、超声波加工等特种加工技术的发展，使诸如陶瓷等难加工材料、复杂形面、精密微孔等加工变得容易；精密铸造、轧制成形、粉末冶金等先进工艺的不断采用，使毛坯制造精度大大提高；真空技术、离子氮化、镀渗技术使零件表面质量有了很大的改善。

零件结构工艺性的基本要求

1）机器零部件是为整机工作性能服务的，零部件结构工艺性应服从整机的工艺性。

2）在满足工作性能的前提下，零件造型应尽量简单，同时应尽量减少零件的加工表面数量和加工面积；尽量采用标准件、通用件和外购件；增加相同形状和相同元素（如直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量。

3）零件设计时在保证零件使用功能和充分考虑加工可能性、方便性、精确性的前提下应符合经济性要求，即应尽量降低零件的技术要求（加工精度和表面质量），以使零件便于制造。

4）尽量减少零件的机械加工余量，力求实现少或无切屑加工，以降低零件的生产成本。

5）合理选择零件材料，使其机械性能适应零件的工作条件，且成本较低。

6）符合环境保护要求，使零件制造和使用过程中无污染、省能源，便于报废、回收和再利用。

一、铸造零件的结构设计

铸件结构设计：

保证其工作性能和力学性能要求、考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求，铸件结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。

（一）砂型铸造工艺对铸件结构设计的要求

造型工艺对铸件结构设计的要求，见表1-1。

表1-1造型工艺对铸件结构设计的要求

对铸件结构的要求

不好的铸件结构

较好的铸件结构

1.铸件的外形必须力求简单、造型方便

铸件应具有最少的分型面，从而避免多箱造型和不必要的型芯

铸件加强筋的布置应有利于取模

铸件侧面的凹槽、凸台的设计应有利于取模，尽量避免不必要的型芯和活块

铸件设计应注意避免不必要的曲线和圆角结构，否则会使制模、造型等工序复杂化

凡沿着起模方向的不加工表面，应给出结构斜度，其设计参数见表1-2

2.铸件的内腔必须力求简单、尽量少用型芯

尽量少用或不用型芯

型芯在铸型中必须支撑牢固和便于排气、固定、定位和清理（图中A处需放置型芯撑）

为了固定型芯，以及便于清理型芯，应增加型芯头或工艺孔

表1-2铸件的结构斜度

斜度（a：

h）

角度（β）

使用范围

1∶5

11°30′

h＜25㎜铸钢和铸铁件

1∶10

5°30′

h＝25~500㎜铸钢和铸铁件

1∶20

3°

h＝25~500㎜铸钢和铸铁件

1∶50

1°

h＞500㎜铸钢和铸铁件

1∶100

30′

非铁合金铸件

（二）合金铸造性能对铸件结构设计的要求

缩孔、变形、裂纹、气孔和浇不足等铸件缺陷的产生，有时是由于铸件结构设计不够合理，未能充分考虑合金铸造性能的要求所致。

合金铸造性能与铸件结构之间的关系见表1-3。

表1-3合金铸造性能与铸件结构之间的关系

对铸件结构的要求

不好的铸件结构

较好的铸件结构

铸件的壁厚应尽可能均匀，否则易在厚壁处产生缩孔、缩松、内应力和裂纹

铸件内表面及外表面转角的连接处应为圆角，以免产生裂纹、缩孔、粘砂和掉砂缺陷。

铸件内圆角半径R的尺寸见表1-4

铸件上部大的水平面（按浇注位置）最好设计成倾斜面，以免产生气孔、夹砂和积聚非金属夹杂物

为了防止裂纹，应尽可能采用能够自由收缩或减缓收缩受阻的结构，如轮辐设计成弯曲形状

在铸件的连接或转弯处，应尽量避免金属的积聚和内应力的产生，厚壁与薄壁相连接要逐步过渡，并不能采用锐角连接，以防止出现缩孔、缩松和裂纹。

几种壁厚的过渡形式及尺寸见表1-5

对细长件或大而薄的平板件，为防止弯曲变形，应采用对称或加筋的结构。

灰铸铁件壁及筋厚参考值见表1-6

表1-4铸件的内圆角半径R值（mm）

（a+b）/2

＜8

8~12

12~16

16~20

20~27

27~35

35~45

45~60

R值

铸铁

铸钢

表1-5几种壁厚的过渡形式及尺寸

图例

尺寸

b≤2a

铸铁

R≥（1/6~1/3）（a+b）/2

铸钢

R≈（a+b）/4

b＞2a

铸铁

L＞4（b-a）

铸钢

L＞5（b-a）

b＞2a

R≥（1/6~1/3）（a+b）/2；R1≥R+（a+b）/2

C≈3（b-a）1/2，h≥（4~5）C

表1-6灰铸铁件壁及筋厚参考值

铸件质量

㎏

铸件最大尺寸

㎜

外壁厚度

㎜

内壁厚度

㎜

筋的厚度

㎜

零件举例

6~10

11~60

61~100

101~500

501~800

801~1200

300

500

750

1250

1700

2500

3000

盖、拨叉、轴套、端盖

挡板、支架、箱体、闷盖

箱体、电动机支架、溜板箱、托架

箱体、液压缸体、溜板箱

油盘、带轮、镗模架

箱体、床身、盖、滑座

小立柱、床身、箱体、油盘

（三）砂型铸造铸件最小壁厚的设计

最小壁厚：

每种铸造合金都有其适宜的壁厚，不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同，主要取决于合金的种类和铸件的大小，见表1-7。

表1-7砂型铸造铸件最小壁厚的设计mm

铸件尺寸

铸钢

灰铸铁

球墨铸铁

可锻铸铁

铝合金

铜合金

＜200×200

200×200~500×500

＞500×500

5~8

10~12

15~20

3~5

4~10

10~15

4~6

8~12

12~20

3~5

6~8

—

3~3.5

4~6

—

3~5

6~8

—

以上介绍的只是砂型铸造铸件结构设计的特点，在特种铸造方法中，应根据每种不同的铸造方法及其特点进行相应的铸件结构设计。

二、熔摸铸造铸件的结构工艺性

熔摸铸造铸件的结构，除应满足一般铸造工艺的要求外，还具有其特殊性：

1．铸孔不能太小和太深：

否则涂料和砂粒很难进入腊模的空洞内，只有采用陶瓷芯或石英玻璃管芯，工艺复杂，清理困难。

一般铸孔应大于2mm.。

2．铸件壁厚不可太薄：

一般为2~8mm。

3．铸件的壁厚应尽量均匀：

熔摸铸造工艺一般不用冷铁，少用冒口，多用直浇口直接补缩，故不能有分散的热节。

三、金属型铸件的结构工艺性

（1）铸件结构一定要保证能顺利出型，铸件结构斜度应较砂型铸件为大。

（2）铸件壁厚要均匀，壁厚不能过薄（Al-Si合金2~4mm，Al-Mg合金为3~5mm）。

（3）铸孔的孔径不能过小、过深，以便于金属型芯的按放和抽出。

四、压铸件的结构工艺性

1．压铸件上应消除内侧凹，以保证压铸件从压型中顺利取出。

2．压力铸造可铸出细小的螺纹、孔、齿和文字等，但有一定的限制。

3．应尽可能采用薄壁并保证壁厚均匀。

由于压铸工艺的特点，金属浇注和冷却速度都很快，厚壁处不易得到补缩而形成缩孔、缩松。

压铸件适宜的壁厚：

锌合金为1~4mm，铝合金为1.5~5mm，铜合金为2~5mm。

4．对于复杂而无法取芯的铸件或局部有特殊性能（如耐磨、导电、导磁和绝缘等）要求的铸件，可采用嵌铸法，把镶嵌件先放在压型内，然后和压铸件铸合在一起。

㈠、壁厚

压铸件的壁厚对铸件质量有很大的影响。

以铝合金为例，薄壁比厚壁具有更高的强度和良好的致密性。

因此，在保证铸件有足够的强度和刚性的条件下，应尽可能减少其壁厚，并保持壁厚均匀一致。

铸件壁太薄时，使金属熔接不好，影响铸件的强度，同时给成型带来困难；壁厚过大或严重不均匀则易产生缩瘪及裂纹。

随着壁厚的增加，铸件内部气孔、缩松等缺陷也随之增多，同样降低铸件的强度。

压铸件的壁厚一般以2.5～4mm为宜，壁厚超过6mm的零件不宜采用压铸。

推荐采用的最小壁厚和正常壁厚见表1-8。

表1-8压铸件的最小壁厚和正常壁厚

壁厚处的面积a×b（cm2）

锌合金

铝合金

镁合金

铜合金

壁厚h（mm）

最小

正常

最小

正常

最小

正常

最小

正常

≤25

0.5

1.5

0.8

2.0

0.8

2.0

0.8

1.5

＞25～100

1.0

1.8

1.2

2.5

1.2

2.5

1.5

2.0

＞100～500

1.5

2.2

1.8

3.0

1.8

3.0

2.0

2.5

＞500

2.0

2.5

4.0

2.5

4.0

2.5

3.0

㈡、铸造圆角和脱模斜度

1）铸造圆角

压铸件各部分相交应有圆角（分型面处除外），使金属填充时流动平稳，气体容易排出，并可避免因锐角而产生裂纹。

对于需要进行电镀和涂饰的压铸件，圆角可以均匀镀层，防止尖角处涂料堆积。

压铸件的圆角半径R一般不宜小于1mm，最小圆角半径为0.5mm，见表1-9。

铸造圆角半径的计算见表1-10。

表1-9压铸件的最小圆角半径（mm）

压铸合金

圆角半径R

压铸合金

圆角半径R

锌合金

0.5

铝、镁合金

1.0

铝锡合金

0.5

铜合金

1.5

表1-10铸造圆角半径的计算（mm）

相连接两壁的厚度

图例

圆角半径

相等壁厚

rmin=Kh

rmax=Kh

R=r+h

不等壁厚

r≥（h+h1）/3

R=r+（h＋h1）/2

说明：

①、对锌合金铸件，K=1/4；对铝、镁、合金铸件，K=1/2。

②、计算后的最小圆角应符合表2的要求。

2）脱模斜度

设计压铸件时，就应在结构上留有结构斜度，无结构斜度时，在需要之处，必须有脱模的工艺斜度。

斜度的方向，必须与铸件的脱模方向一致。

推荐的脱模斜度见表1-11。

表1-11脱模斜度

合金

配合面的最小脱模斜度

非配合面的最小脱模斜度

外表面α

内表面β

外表面α

内表面β

锌合金

0°10′

0°15′

0°45′

铝、镁合金

0°15′

0°30′

1°

铜合金

0°30′

0°45′

1°

1°30′

说明：

①、由此斜度而引起的铸件尺寸偏差，不计入尺寸公差值内。

②、表中数值仅适用型腔深度或型芯高度≤50mm，表面粗糙度在Ra0.1，大端与小端尺寸的单面差的最小值为0.03mm。

当深度或高度＞50mm，或表面粗糙度超过Ra0.1时，则脱模斜度可适当增加。

㈢、加强筋

加强筋的设置可以增加零件的强度和刚性，同时改善了压铸的工艺性。

但须注意：

①分布要均匀对称；

②与铸件连接的根部要有圆角；

③避免多筋交叉；

④筋宽不应超过其相连的壁的厚度。

当壁厚小于1.5mm时，不宜采用加强筋；

⑤加强筋的脱模斜度应大于铸件内腔所允许的铸造斜度。

一般采用的加强筋的尺寸按图1选取：

t1=2t/3～t；t2=3t/4～t；

R≥t/2～t；

h≤5t；r≤0.5mm

（t—压铸件壁厚，最大不超过6～8mm）。

㈣、铸孔和孔到边缘的最小距离

1）铸孔

压铸件的孔径和孔深，对要求不高的孔可以直接压出，按表1-12。

表1-12最小孔径和最大孔深

孔径

合金类别

最小孔径d（mm）

最大孔深（mm）

孔的最小斜度

一般的

技术上可能的

盲孔

通孔

d＞5

d＜5

d＞5

d＜5

锌合金

1.5

0.8

12d

0～0.3%

铝合金

2.5

2.0

0.5%～1%

镁合金

2.0

1.5

10d

0～0.3%

铜合金

4.0

2.5

2%～4%

说明：

①、表内深度系指固定型芯而言，对于活动的单个型芯其深度还可以适当增加。

②、对于较大的孔径，精度要求不高时，孔的深度亦可超出上述范围。

对于压铸件自攻螺钉用的底孔，推荐采用的底孔直径见表1-13。

表1-13自攻螺钉用底孔直径（mm）

螺纹规格d

M2.5

M3.5

2.30～2.40

2.75～2.85

3.18～3.30

3.63～3.75

4.70～4.85

5.58～5.70

7.45

～7.60

2.20～2.30

2.60～2.70

3.08～3.20

3.48～3.60

4.38～4.50

5.38～5.50

7.15

～7.30

≥4.2

≥5.0

≥5.8

≥6.7

≥8.3

≥10

≥13.3

旋入深度t

t≥1.5d

2）铸孔到边缘的最小距离

为了保证铸件有良好的成型条件,铸孔到铸件边缘应保持一定的壁厚，见图2。

b≥（1/4～1/3）t

当t＜4.5时，b≥1.5mm

㈤、压铸件上的长方形孔和槽

压铸件上的长方形孔和槽的设计推荐按表1-14采用。

表1-14长方形孔和槽（mm）

合金类别

铅锡合金

锌合金

铝合金

镁合金

铜合金

最小宽度b

0.8

1.2

1.0

1.5

最大深度H

≈10

≈12

≈10

≈12

≈10

厚度h

≈10

≈12

≈10

≈12

≈8

说明：

宽度b在具有铸造斜度时，表内值为小端部位值。

㈥、压铸件内的嵌件

压铸件内采用嵌件的目的：

①改善和提高铸件上局部的工艺性能，如强度、硬度、耐磨性等；②铸件的某些部分过于复杂，如孔深、内侧凹等无法脱出型芯而采用嵌件；③可以将几个部件铸成一体。

设计带嵌件的压铸件的注意事项：

①嵌件与压铸件的连接必须牢固，要求在嵌件上开槽、凸起、滚花等；②嵌件必须避免有尖角，以利安放并防止铸件应力集中；③必须考虑嵌件在模具上定位的稳固性，满足模具内配合要求；④外包嵌件的金属层不应小于1.5～2mm；⑤铸件上的嵌件数量不宜太多；⑥铸件和嵌件之间如有严重的电化腐蚀作用，则嵌件表面需要镀层保护；⑦有嵌件的铸件应避免热处理，以免因两种金属的相变而引起体积变化，使嵌件松动。

㈦、压铸件的加工余量

压铸件由于尺寸精度或形位公差达不到产品图纸要求时，应首先考虑采用精整加工方法，如校正、拉光、挤压、整形等。

必须采用机加工时应考虑选用较小的加工余量，并尽量以不受分型面及活动成型影响的表面为毛坯基准面。

推荐采用的机加工余量及其偏差值见表1-15。

铰孔余量见表1-16。

表1-15推荐机加工余量及其偏差（mm）

基本尺寸

≤100

＞100～250

＞250～400

＞400～630

＞630～1000

每面余量

0.5

+0.4

-0.1

0.75

+0.5

-0.2

1.0

+0.5

-0.3

1.5

+0.6

-0.4

2.0

-0.4

表1-16推荐铰孔加工余量（mm）

公称孔径D

≤6

＞6～10

＞10～18

＞18～30

＞30～50

＞50～60

铰孔余量

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

五、自由锻件的结构工艺性

自由锻件的设计原则是：

在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。

1．尽量避免锥体或斜面结构

锻造具有锥体或斜面结构的锻件，需制造专用工具，锻件成形也比较困难，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率，应尽量避免，如图2-1所示。

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构

图2-1轴类锻件结构

2．避免几何体的交接处形成空间曲线

如图2-2a所示的圆柱面与圆柱面相交，锻件成形十分困难。

改成如图2-2b所示的平面相交，消除了空间曲线，使锻造成形容易。

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构

图2-2杆类锻件结构

3．避免加强筋、凸台，工字形、椭圆形或其它非规则截面及外形

如图2-3a所示的锻件结构，难以用自由锻方法获得，若采用特殊工具或特殊工艺来生产，会降低生产率，增加产品成本。

改进后的结构如图2-3b所示。

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构

图2-3盘类锻件结构

4．合理采用组合结构

锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，可设计成由数个简单件构成的组合体，如图2-4所示。

每个简单件锻造成形后，再用焊接或机械联接方式构成整体零件。

a）工艺性差的结构b）工艺性好的结构

图2-4复杂件结构

六、锤上模锻件的结构工艺性

设计模锻零件时，应根据模锻特点和工艺要求，使其结构符合下列原则：

1．模锻零件应具有合理的分模面，以使金属易于充满模膛，模锻件易于从锻模中取出，且敷料最少，锻模容易制造。

2．模锻零件上，除与其它零件配合的表面外，均应设计为非加工表面。

模锻件的非加工表面之间形成的角应设计模锻圆角，与分模面垂直的非加工表面，应设计出模锻斜度。

3．零件的外形应力求简单、平直、对称，避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、等不良结构。

一般说来，零件的最小截面与最大截面之比不要小于0.5，零件的凸缘太薄、太高，中间下凹太深，金属不易充型。

零件过于扁薄，薄壁部分金属模锻时容易冷却，不易锻出，对保护设备和锻模也不利。

零件有一个高而薄的凸缘，使锻模的制造和锻件的取出都很困难。

4．在零件结构允许的条件下，应尽量避免有深孔或多孔结构。

孔径小于30mm或孔深大于直径两倍时，锻造困难。

5．对复杂锻件，为减少敷料，简化模锻工艺，在可能条件下，应采用锻造—焊接或锻造—机械联接组合工艺。

七、冲压件结构工艺性

冲压件的设计不仅应保证具有良好的使用性能，而且也应具有良好的工艺性能，以减少材料的消耗、延长模具寿命、提高生产率、降低成本及保证冲压件质量等。

影响冲压件工艺性的主要因素有：

冲压件的形状、尺寸、精度及材料等。

㈠．冲裁件结构工艺性

指冲裁件结构、形状、尺寸对冲裁工艺的适应性。

主要包括以下几方面：

（1）冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于排样时合理利用材料，尽可能提高材料的利用率。

（2）冲裁件转角处应尽量避免尖角，以圆角过渡。

一般在转角处应有半径R≥0.25t（t为板厚）的圆角，以减小角部模具的磨损。

（3）冲裁件应避免长槽和细长悬臂结构，对孔的最小尺寸及孔距间的最小距离等，也都有一定限制。

对冲裁件的有关尺寸要求如图2-5所示。

图2-5冲裁件的有关尺寸

（4）冲裁件的尺寸精度要求应与冲压工艺相适应，其合理经济精度为IT9~IT12，较高精度冲裁件可达到IT8~IT10。

采用整修或精密冲裁等工艺，可使冲裁件精度达到IT6~IT7，但成本也相应提高。

㈡．弯曲件的结构工艺性

（1）弯曲件的弯曲半径不应小于最小弯曲半径，如果弯曲半径r小于rmin时，可采用减薄弯曲区厚度的方法，以加大rmin/t，；但弯曲半径不应、也不宜过大,否则会造成回弹量过大,使弯曲件精度不易保证。

（2）弯曲件应尽量对称，以防止在弯曲时发生工件偏移。

直边过短不易弯曲成形，应使弯曲件的直边高H＞2t；弯曲已冲孔的工件时，孔的位置应在变形区以外，孔与弯曲变形区的距离L≥（1~2）t。

（3）应尽可能沿材料纤维方向弯曲，多向弯曲时，为避免角部畸变，应先冲工艺孔或切槽。

图2-6弯曲件结构工艺性

㈢．拉深件的结构工艺性

拉深件的有关尺寸要求如图2-7所示，设计时主要考虑以下几个方面：

图2-7拉深件的尺寸要求

（1）拉深件的形状应力求简单、对称。

拉深件的形状有回转体形、非回转体对称形和非对称空间形三类。

其中以回转体形，尤其是直径不变的杯形件最易拉深，模具制造也方便。

（2）尽量避免直径小而深度大，否则不仅需要多副模具进行多次拉深，而且容易出现废品。

（3）拉深件的底部与侧壁，凸缘与侧壁应有足够的圆角，一般应满足R＞rd，rd≥2t，R≥（2~4）t，方形件r≥3t。

拉深件底部或凸缘上的孔边到側壁的距离，应满足B≥rd+0.5t或B≥R+0.5t（t为板厚）。

另外，带凸缘拉深件的凸缘尺寸要合理，不宜过大或过小，否则会造成拉深困难或导致压边圈失去作用。

（4）不要对拉深件提出过高的精度或表面质量要求。

拉深件直径方向的经济精度一般为IT9~IT10，经整形后精度可达到IT6~IT7，拉深件的表面质量一般不超过原材料的表面质量。

此外，变形工序还有翻边、胀形、缩口等，如图2-8所示。

这些工序是通过局部变形来实现工件成形的。

翻边：

将工件上的孔或边缘翻出竖立或有一定角度的直边。

胀形：

利用模具使空心件或管状件由内向外扩张的成形方法。

缩口：

利用模具使空心件或管状件的口部直径缩小的局部成形工艺。

a）翻边b）胀形c）缩口

图2-8其它成形工序

八、冷挤压工艺设计

㈠、冷挤件的形状应尽量有利于金属变形均匀，在挤出方向上流速一致。

1.对称性

冷挤压件的形状最好是轴对称旋转体，其次是对称的非旋转体，如方形、矩形、正多边形,齿形等。

冷挤压件为非对称形时，模具受侧向力，易损坏。

2.断面积差

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