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自动化设计基础讲解-工程制图

本文讲解的是制作一份信息完整、适合制造加工的工程图纸思维过程,而非机械制图的基础教程。目的在于纠正一些初级设计师常见的制图错误。所以,制图的基本知识:画法几何学、机械图学以及各种特征的简化。

表示法等基础知识请查阅相关资料,本文中所使用的图框格式和标题栏为工厂应用之一种,非国标格式

工程图纸就是设计师、工程师、制造加工人员和装配人员进行沟通的语言,它包括:装配图和零件图以及相关辅助的工艺说明或者设计要求文档。

装配图纸反应的是本装配图内的组件的性状、装配工艺要求和使用信息;零件图纸反应的是你的零件的所有信息和部分设计信息,其中包括:零件材料、形状、精度、表面质量、防腐蚀状况、硬度、制造工艺以及使用工况等。根据优秀的图纸制作出来的零件才能保证设计需求和装配调试过程的顺利进行。所以,一份标准合格的图纸对于设计师和设备来说都是至关重要的:对于设计师来说,它是反映设计师水准和素质的一张名片;对于设备来说,它将关系到设备是否能顺利运行,是否能让客户和操作者满意的根本。制作工程图是机械设计环节的最后一个过程,所以,任何工程图都离不开装配要求。任何离开装配而做的所谓工程图都是没有意义的,所以制作任何零部件图纸都需要着眼于设备或者模块的整体设计和装配需求。

工程图纸基本要求

首先,要求图纸视图相对于图纸幅面大小比例合理,采取合理的视图布局、合理的视图比例、合理的主视图方向、合理的投影视图和辅助视图布置。其次,要求尺寸标注清晰、有条理,尺寸线不得直接交叉犹如蜘蛛网。再次,要求技术要求表达清楚,不得使用模棱两可的语句和文字。最后,要求所有标题栏项目填写完整,特别是工件的重要信息,如:数量、版本、热处理、表面处理、材料等。一份合格的、标准的、清晰的图纸应该能让加工制造人员在不咨询的情况下能完全领会作图者的想法和设计者的思路。如果加工制作人员在加工过程中老是需要向绘图员或者设计师咨询相关信息,那就表明这份图纸存在着非常严重的问题。所以,对于工程图纸最基本的总体要求就是要能够非常清晰、明白无误地传达出图纸中零部件的所有信息。

制作工程图纸

一份标准的工程图纸应该能够清楚明晰的表达出下列内容:清晰的视图、完整的尺寸、合理的公差、适当的材料、正确的工艺要求和完整的文档管理内容。

清晰的视图

1:用尽量少的视图表示出工件的所有特征,不要出现冗余视图。

2:主视图包含最多的工件特征信息,凸显“主”字。

3:尽量少用虚线,多用剖视图表达特征,把零件所有的特征都表达清楚。

4:形状、结构异常复杂的工件要配有轴测图,方便加工人员理解图纸。

5:可以选择使用适当的文字说明配合工程技术人员理解图纸。

如以下示例:

图 1.2-2

如上面图片所示,图 1.2-1 的工件的视图摆放如图 1.2-2 就非常清晰了

完整的尺寸

1:不能漏标尺寸,漏标尺寸则加工人员无法按照图纸加工零件。

2:不能多标尺寸,多标尺寸同样让加工人员无法加工出需要的零件。

3:尺寸基准选择符合设计基准。

4:关联尺寸标注正确。

5:尺寸链合理。

如以下示例:

图 1.2-7

如上面图片所示,图 1.2-8 中的标注尺寸完整、尺寸基准正确、尺寸链合理、关联特征尺寸合理。图 1.2-9 中的尺寸链不合理;图 1.2-10 中的槽特征基准选择错误;图 1.2-11 中孔的关联尺寸不合理。所以,我们只有选择图 1.2-8 中的标注方法才能得到我们想要的工件。

注意:所有的零件图的标注和工艺要求都离不开装配图!如上面的例子,如果离开图 1.2-5,单独看以上的几张零件图,就无所谓对错了,因为按照其中任意一张图纸都可以加工出来一件类似的工件。

在这里,重点解释一下图 1.2-11 中的错误问题,因为这个问题是较少的教材中提到的。诸位通过比较可以发现图 1.2-11 中的标注与图 1.2-8 中的孔距标注不一样,这里的孔距就是我们所谓的“关联尺寸”(或者“相关尺寸”)。在实际工程应用中,我们把零件的同一组特征或者有参照关系的特征的尺寸称为“关联尺寸”,它们之间必须有定位尺寸直接关联。诸位再看图 1.2-5 中,4 个Φ9 的通孔是为了与图 1.2-6 中的零件进行螺纹连接用的,所以它们之间的距离必须直接通过纵横两个尺寸进行标注。这实际上也是尺寸链的问题和检验的问题。我们看加工这个工件的工序:首先,是下料,即将一块钢板外形加工到 90X60X20;然后,铣槽 40X20;最后,加工四个Φ9 通孔。下面,我们看图 1.2-8 中外形尺寸与孔的定位尺寸中的封闭环是:孔与边的距离;而在图 1.2-11 中这个封闭环被更换成了孔与孔之间的距离。而在实际的工件加工完成后,质检部门检测的是图纸标注的尺寸,而封闭环是不进行检验的。所以,这样导致的最终结果就是根据图 1.2-11 加工出来的工件孔距最终的偏差与图 1.2-6 中工件的孔距偏差之差值可能大于孔Φ9 与螺栓 M8 的外径偏差(其具体公差尺寸,请大家根据未注线性尺寸公差及图纸标题栏中规定之公差等级进行核对),而使两工件不能顺利连接。这也是我们的工艺不允许象图 1.2-11 中这样标注关联尺寸的根本原因所在。而以上错误则是应届毕业生和初级设计师(助理设计师)由于缺乏工程实践而经常出现的,请诸位务必谨记!!这也是我们一直强调的“着眼于装配图做零件图”的原因,因为离开装配图去做零件图的话,就不存在关联尺寸这个概念了。显然,工程图中的尺寸(包括公差)是由四个方面的因素决定的:零部件功能因素、加工技术因素、检验检测因素、装配条件和技术因素。任何一个尺寸都与这四个因素密切相关,切切不可大意!在本环节中,提到的一个重要概念:尺寸链,请诸位务必理解透彻其本身意义以及由它所引申出来的一系列概念的意义。因为尺寸链本身关系到在设备中各相关零件的公差分配(即精度要求)、装配方法(互换性)以及加工工艺。尺寸链包含:封闭环、增环、减环等内容。其基础理论请诸位查阅《机械制造工艺基础》相关章节内容。

合理的公差

所谓合理的公差,即在需要公差的地方我们都要有公差约束以保证加工的准确性;不需要公差的地方我们不得随意标注公差以降低加工难度、节约加工成本;标注公差时要根据工程实际需要进行尺寸链计算来确定各工件间的公差合理分配。很多人认为工件加工精度越高,设备的精度就越高,实际上不是这回事。设备的整体精度除与工件精度有关以外,还与装配技术有关、与生产批量有关,希望诸位明白这一点。比如我们通常见到的普通车床、铣床等的主轴零部件公差等级也都是在普通范围内,而并非想当然的高精度,其高精度保持与其进行批量生产和成熟的装配技术有很大关系。

在这里我们所说的公差,包含:尺寸公差、形状公差、位置公差。其基本概念和基础理论请参阅《公差合理选用与正确标注》、《机械精度设计与检测基础》。在这里我们要强调的是:装配。装配即组装与配合。在大多数应届生或者助理设计师的印象中配合即是轴与孔(狭义的轴孔概念)的配合,原因在于机械设计制造中这类配合是最多的。另外,学校的教材所讲的也是这类配合(广义的轴孔概念)。所以,本人不再在这方面絮絮叨叨地说太多。只是再解释两个概念:基轴制、基孔制。基轴制即在设计过程中以轴为基准的配合方式,比如:轴承外圈和轴承座内孔的配合。基孔制即在设计过程中以孔为基准的配合方式,比如:轴承内圈和轴的配合。

另外,再强调一点:基于加工工艺的原因(加工轴时,刀具在工件外表面进行操作;加工孔时,刀具在工件内表面进行操作),通常状况下在轴与孔的配合中,轴的公差选择比孔的公差高一级。比如:在轴承与轴的过渡配合中,轴承内圈公差等级为 H7,则轴的精度等级选择 k6。

需要公差的地方:

在工程实践应用中有很大一部分是除轴与孔之外的配合方式。所以,我们说凡是有配合的地方都需要公差。另外,在大批量的生产中,我们为了保持工件的一致性,也需要一定的公差约束。为了帮助大家理解配合的概念,我们在回到上面的装配图 1.2-5 请诸位看清楚,上图中的两个 40X20 的槽和凸台的装配即是配合之一种。那么,由此,我们可以清楚得得出结论,这个地方是需要公差约束的。所以,请看以下的工程图:

请诸位注意比较图 1.2-12 河图 1.2-13 中的公差。另外,在工程实际应用中,像这样的精度要求不高的配合的地方也可以在图纸上注明“与 XXXX 工件上的XXX 尺寸配做,间隙配合/过渡配合/过盈配合”。而如果是高精度的机构或者组件中的工件则需要根据设计的结构和装配互换方式、加工工艺进行尺寸连接算和公差分配。

在加工制造过程中有一种现象值得引起注意:通常加工人员加工出来的轴的尺寸较容易向公差范围内偏大的方向移动;孔的尺寸则相反,容易向公差范围内偏小的方向移动。这是由于加工人员担心“过切削”的心理导致的结果,也就是说,加工人员通常会有这样一种心态:轴如果大一点还可以再补加工一次,如果小了就没有办法挽救了;孔如果小一点也还可以补加工一次,如果大了零件也可能就报废了。所以,加工人员在这种心态支配下,通常就以最小极限尺寸为目标加工孔,以最大极限尺寸为目标加工轴。当然,在数控机床上加工出来的工件则不存在这个问题。

请诸位注意图 1.2-13 中右视图内的两个尺寸所构成的尺寸链。为什么我们选择的是凸台的高度尺寸 20 进行标注,而不是底座的高度尺寸(15)进行标注?提醒一下:这也是关联尺寸的问题。

另外,我们给诸位提一提形位公差的问题。形位公差也是机械设计制造中非常重要的内容,形位公差选择、使用不合理同样会导致工件的加工、装配和使用的一系列问题。在实际工程应用中,我们除了要理解 14 种形位公差的基本意义以外,还得要理解形位公差选择的三大重要原则:最大实体原则、包容原则、独立原则。还有一个重要的问题是复合基准和多重基准的选用以及多基准的使用顺序。这方面内容请诸位参阅《公差的合理选用与正确标注》。

这里需要专门提到的是本人见到很多初级设计师常犯的两个错误:1:把选择轴线(或者中线)作为基准的基准符号直接摆在轴线上,请诸位注意;2:在同一要素上给出的形状公差值大于位置公差值。切忌!切忌!!

在这里,再提一下一般公差的问题。所谓一般公差,指在车间通常加工条件下能达到或保证的公差。在国标中,一般公差有三类:线性公差、倒圆半径和倒圆高度公差和角度尺寸公差。他们分别有四个、两个、四个等级,国家标准中规定了具体的尺寸极限偏差值和标注方法,请诸位查询 GB/T 1804-2000。

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