机械结构设计与工艺性分析
摘要：随着机械加工技术的进步与发展，复杂零部件的加工有所改善，然而结构工艺性分析仍然不容忽视。在生产实践中，应该引起足够重视。本文首先阐述了工艺性分析的重要性，继而探讨机械零件结构工艺性设计的基本原则，并逐一列举了设计中常见的一些问题和机械结构设计工艺性的主要影响因素，并简述了解决对策，最后在对特种加工技术的内涵及特点有了一定认识的基础上，指出了具体特种加工技术对机械制造的重大影响作用。
关键词：机械零部件；设计工艺性；结构分析；特种加工。
（一） 机械零件结构工艺性分析的重要性
日常生产中，在对机器零件进行设计时，要求其结构不仅具体满足使用条件，而且要求结构的工艺性能良好，即具有很强的可行性和经济性，只有满足机械结构设计的工艺性，才能保障生产地顺利进行，还具有零件装载完整、成本消耗少等优点，能在市场竞争中处于优势地位，因此机器零件的结构工艺性设计是进行机械设计的关键，其涉及面广、综合性强，值得深入研究。它的主要目的是：保证功能的实现，使产品达到要求的性能。结构设计的结果对产品零部件的生产成本及质量有着不可低估的影响。因此，在结构设计中应力求使产品有良好的加工工艺性所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造，任何一种加工方法都有可能不能制造某些结构的零部件，或生产成本很高，或质量受到影响。因此，对于设计者认识一种加工方法的特点非常重要，以便在设计结构时尽可能的扬长避短。实际中，零部件结构工艺性受到诸多因素的制约，如生产批量的大小会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可能会限制工件的尺寸；此外，造型、精度、热处理、成本等方面都有可能对零部件结构的工艺性有制约作用。因此，结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响。重视对机械零件的结构工艺性进行分析，可以促进机械加工工艺过程合理化，减少工作量，提高工作效率。具体来讲，应该做好以下几方面工作:
1、 对零件的结构进行认真分析
机械零件结构，尤其是复杂零件(箱体、连杆等类零件)的结构，首先要详细分析零件图纸和产品装配图，搞清楚该零件在产品中的装配关系和作用，对该零件尺寸、形状、精度、表面粗糙度进行详细分析。而学生设计时往往看不到产品装配图，那就更应该对零件图纸进行认真分析，即对零件图纸中。哪些是加工面、哪些是非加工面分清，要将零件图中所有各加工表面拆分成若干个几何单元，对各几何单元的尺寸、形状、精度、表面粗糙度进行详细分析，弄清各形状和位置尺寸的设计基准。
2、 对零件加工工艺性进行分析
认真分析零件加工工艺性，在对机械零件的结构进行了详细、认真分析的基础上，搞清楚各形状和尺寸的设计基准，搞清楚零件的结构，即对零件各切削加工表面的形状、尺寸、精度、表面粗糙度进行分析，弄清各形状和位置尺寸的设计基准，然后对各表面进行工艺性分析，看各切削加工表面设计基准和定位基准能否重合，尽量避免基准不重合，以免造不必要的尺寸链换算。 下面以一个典型箱体类零件为例分析其结构工艺性。
如图所示减速机箱体的零件图，虽然没有装配图，但我们知道是某个部件的基础件，它将部件中的轴、轴承、套和齿轮等零件按一定的相互位置关系装配在一起，按一定的传动关系协调地运动，以传递转矩或改变转速来完成规定的运
动。因此，该箱体的加工质量，不但影响箱体的装配精度及运动精度，还会影响机器的工作精度，使用寿命。
该零件加工面由以下表面组成:底平面180*170；垂直于底面的孔75，47， 42；两边上平面20*170及该平面上的6-9，6-14，2-8锥 孔；箱体底面前侧面180*15； 47
平面130*113及其上4-M5螺孔； 35
6-M5螺孔； 40及58圆周均布6-M5深10螺孔；上及两端面和两端面在47均布的及两端面和两端面在52均布的6-M5螺孔等。
图 减速机箱体
其中:上平面设计基准是底平面，保证位置尺寸127；底平面上台阶平面设计基准是底平面，保证15； 47B设计基准是箱体内外圆58(图中未注)
中心线，
位置中心线，保证其同心且壁厚均匀:58，75，42设计基准是47保证其同心；75端面以47B为设计基准跳动量0.02；35
尺寸900.1设计基准是底上台阶面；其上6-M5分度圆52设计基准为40
中心线；右端面位置尺寸50，设计基准是40
130设计基准为右端面；40中心线；两端面尺寸中位置尺寸350.03设计基准为47
心线，其右端位置尺寸32设计基准为35中心线，其上6-M5螺孔分度圆
A为设计基准保证35
A52设计基准为40和40
与47中心线；还有以40垂直度0.05；以47B垂直度0.05等。 B孔为设计基准保证40
从以上分析可知，大部分表面均能满足设计基准和定位基准重合，只有35
位置尺寸900.1和330.03，为了基准统一，而不能让设计基准和定位基准重合，要计算相关尺寸链，看能否满足加工要求，如不能，还得想办法让设计基准和定位基准重合。搞清楚零件加工表面的形状和位置及设计基准，才能合理的确定各工序的定位方案，并准确计算定位误差，使各工序定位方案正确且准确。因此，在机械零件进行工艺规程的编制过程中，首先必须认真对零件结构工艺性进行分析。
（二） 机械零件结构工艺性设计的基本原则
1 、机械零件的结构应该与所选定的结构材料相适应
不同的材料具有不同的性能，包括力学性能，物理化学性能和工艺性能，因此，产品材料选定之后，在进行产品和零部件结构设计时，必须考虑所选材料的工艺性能。而且在某种程度上说，产品材料一旦确定，材料的工艺性能和产品的生产工艺过程也就基本确定，则产品结构的基本形式也就确定了。例如，一旦某产品选用铸铁制作，铸铁的铸造性能好，那么该零件一般采用铸造生产，其零件结构的基本形式应符合铸造工艺的要求，零件应是薄壁结构的形式，实心的铸铁零件结构上往往是不合理的。对于用45钢制造的凸轮轴，45钢的锻造性能优于铸造性能，凸轮轴往往采用锻造成形，如果不是零件本身的性能有特殊要求，即轴多设计成实心结构的形式，若将轴设计成空心的结构将增加加工费用和成本，其结构工艺性较差。所以，机械零件的结构工艺性应与所选材料一致。
2 、机械零件的结构应与毛坯成形方法相适应
不同的毛坯成形工艺适合于生产不同结构形状的毛坯。因此，在某种程度上毛坯成形工艺对零件的结构起着至关重要的作用。一般地说，铸造成形时，由于其造型工艺的灵活多变性，往往可以生产出一些结构比较复杂的零件。特别铸造时芯子制造的多变性，为零件复杂内腔的成形提供了可能。所以用铸造方法成形的零件，其结构可以根据工作或使用条件等的要求设计得复杂些。可以采用中空结构来提高零部件的刚性，减少材料用量等。例如复杂箱体的设计，用焊接的方法也可以制造箱体，然而焊接箱体的内腔形状不能过于复杂。过于复杂的内腔，其焊接箱体的生产难度增加，生产成本增加，使产品结构工艺性变差。曲轴零件的设计也说明了这点。曲轴按毛坯成形方法，可分为锻造曲轴与铸造曲轴；锻造曲轴按锻造成形方法又可分为自由锻曲轴和模锻曲轴。自由锻曲轴的表面大多需机加工。因此，在设计自由锻曲轴时应注意方便切削加工。
如图1(a)所示为自由锻曲轴的曲拐，除轴颈为圆柱面外，其他表面多为平面形状。模锻可以加工出形状比较复杂的曲拐。但是设计模锻曲轴时应考虑模锻工艺的特点和锻模的制造。如轴上垂直于分模面的侧面应有模锻斜度；将曲轴的曲拐设计成180°分布要比成120°分布或60°分布的制模成本和模锻成本低得多。由于模锻件的非配合面可以不进行切削加工，因而模锻件表面形状的设计除应满足模锻斜度的要求外，比自由锻件表面形状较自由。图1给出了自由锻曲拐与模锻曲拐的结构对比。
在铸造成形生产曲轴时，由于铸造工艺的成形性较好，因此，轴的加工余量小，金属利用率高，制造成本比锻轴低得多。铸造曲轴的结构可以设计得比较复杂，但必须满足铸造工艺的要求，其主要结构特点是壁厚应均匀，形状应对称；在轴上应防止有“热节”结构；轴的转角处应设计出结构圆角；在垂直于分型面的不加工面，应设计出结构斜度。由于用于铸造工艺时比较容易形成复杂内腔，所以铸造曲轴可以考虑设计成空心轴。空心轴比实心轴的自重轻，节省金属，同时空心轴的临界转速高，不易发生共振折断等。对于某些形状非常复杂的大、中型曲轴(如多缸柴油机曲轴，设计时还可以考虑采用组合式结构。组合式曲轴的成型工艺比整体式简单，而且质量控制、运输管理等都比较方便，其生产成本和产品质量有时比整体式结构要低。
图2给出了12V180柴油机组合式球墨铸铁曲轴的一个曲拐；12V175柴油机
整体式球墨铸铁曲轴和锻造曲轴结构示意图。两种柴油机功率相差不大，但12V180柴油机曲轴的结构工艺性远比12V175柴油机的好；12V175铸造曲轴的结构工艺性又远比锻造曲轴的好。
图3给出了锻造辐板式齿轮和铸造辐板式齿轮的结构差异。锻造辐板式齿轮的幅板为平板，辐板上的孔一般不锻出，由随后进行的机加工加工出来(图3(a))
。
铸造齿轮为减少辐板对铸型上型面的烘烤，防止产生夹砂等缺陷，将辐板设计成倾斜的(图3(b))，辐板上的孔一般同时铸出，不必进行机加工。有些铸造齿轮(如铸造锥齿轮)还可以设计出加强筋以提高强度和刚度。
3、 机械零件的结构应与生产工艺过程相适应，与零件加工工艺路线相适应
机电产品的结构应该与生产的工艺过程相适应，与零件加工工艺路线相适应。若用铸铁生产一个箱体时，该箱体的加工工艺路线大致为:砂型铸造箱体----时效处理----切削加工----产品。则这个箱体的结构首先必须满足砂型铸造工艺的要求，例如，壁不能太厚且壁厚应均匀；转角处要有铸造圆角；不加工的侧面应有结构斜度；为增加箱体强度、刚度，可以设计出加强筋等。箱体的切削加工主要是平面和孔系的加工，因此，在设计箱体时，应考虑刨削、铣削、磨削平面和镗削孔系的工艺要求。如箱体的装配平面应考虑尽量减少切削加工量而设计一些支脚、凸台等；箱体的拐角处应考虑有退刀槽。
若用结构钢生产一根传动轴时，该传动轴的加工工艺路线大致为:锻造成形----预备热处理----粗加工----最终热处理----精加工----产品。该轴的毛坯成型方法可以是自由锻，也可以是模锻。若是自由锻，该轴的结构应尽可能简单，最好是简单的阶梯轴形式，且阶梯不宜过多。若是模锻成形，轴的结构可以较复杂，但也不能出现高的筋。传动轴的机械加工主要是外圆加工，因此，传动轴结构除应满足毛坯成形的要求外，还必须满足车外圆、磨外圆等工艺的要求。与箱体不同的是，传动轴需要进行较复杂的热处理。因此，在设计传动轴时，还应该考虑如何防止热处理的变形与开裂。如轴肩处必须有过渡圆弧；轴棱处应有倒角；轴上的键槽最好对称。
4 、机械零件的结构应与生产批量相适应
不同生产批量采用的生产工艺不同，因而要求产品或零件的结构工艺性也不同。为了获得最高的生产率和最大的经济效益，机电产品的结构和零部件的结构应该与生产批量相适应。图4(a)所示为一定位轴，尺寸要求准确。单件小批量时，这种结构是可行的。大批量生产时，若将定位轴改为图4(b)所示的定位套和固定螺栓结构，定位套可用平面磨床大量加工，其结构工艺性更好。
5、 机械零件的结构应与质量技术指标相适应
在机械制造过程中，产品的质量技术指标越高，所耗费的工时和成本也愈大。而且往往是当质量技术指标高到一定程度时，若再提高要求，工时费用将迅速增加，生产率明显下降，生产成本增加，因而在经济上不理想。因此，在机电产品设计时，产品质量技术指标的确定必须是在满足使用要求的前提下，与产品结构工艺性相适应。机电产品的结构设计，必须使产品加工工艺最经济，质量较高。 6 、机械零件的结构应与生产的具体条件和具体生产工艺相适应
机械零部件的结构工艺性应与具体的生产工艺相适应，
与企业具体的生产条
件相适应。在某种条件下结构工艺性好的零件，当条件发生变化时，其结构工艺性可能变差。图5所示为电液伺服阀的阀套零件。套上有4个精密方孔，用一般的切削加工方法很难加工出来，过去常将阀套分成5个圆环，分别加工后联接起来，再进行研磨(图5(a))，结构工艺性很差。但是，如果有电火花加工设备，将阀套改为整体结构可将孔一次加工出来(图5(b))，而且质量很容易得到保证，其结构工艺性较好。
（三）机械结构设计工艺性的主要影响因素
机械零件结构的工艺性设计应综合考虑多种因素，包括单个零件的工艺性分析，或针对加工工艺的工艺性研究。因此，要求进行零件材料的正确选择，成型方法的合理设计以及工艺路线的统筹安排等，这些过程是相互作用的，设计时，具体应考虑以下几方面因素:
1、所选结构材料各种材料的性能受力学与化学性质的影响而有差别，故选定产品材料后，考虑其工艺性能，安排产品的生产工艺流程，确定零件的基本结构，如果零件结构与所选结构材料不一致，不但加大加工难度，还导致成本增加，结构的工艺性能会较差，所以要求两者相适应；
2、毛坯成型方法:不同结构形状的毛坯所需的毛坯成型工艺不同，一定程度上，毛坯成型工艺对机械零件的结构产生巨大影响，形状设计的复杂性根据零件的结构确定；
3、加工工艺过程机器零件生产的加工工艺选择是根据零件工艺性要求而具体确定的，一般生产中，要求机器零件的结构与零件加工工艺路线相适应；
4、生产批量零件要求的生产批量不同，则选用的生产工艺不同，进而影响结构工艺性，因此，如果产品或零件的结构与生产批量相适应，对提高生产效率，扩大经济效益有很重要的意义；
5、质量技术指标产品的质量技术指标与生产时间与费用正相关，即指标越高，需要的生产时间和生产成本越大，一旦质量技术指标高出了一定范围，会导致成本和费用急剧增加，破坏经济效益、确定合理的产品质量指标，使其既能符合结构工艺性设计，又能满足使用要求，对保证经济性至关重要；
6、具体生产条件机械零部件的结构工艺性会随着生产条件的变化而变化，即一定条件下，结构工艺性表现好的部件，会因条件变化而导致工艺性很差。因此，零件的结构设计工艺性应与具体的生产条件保持一致。
（四）机械结构工艺性设计常见问题分析
随着机械结构设计的不断进步和发展，设计工艺性要求也越来越高，然而总是不可避免的存在以下一些常见问题：
1
、轴承密封问题滑动轴承通常有较大的空隙，极易出现磨损而导致轴心移动，
不宜采用接触式密封方法；
2、较长机械零部件变形困难问题机器零部件的长度随温度变化而迅速变化，因此设计较长的机械结构时，应给予其自由变形的空间，可以采用移动支座或者自由伸缩的管道结构解决此类问题；
3、螺纹载荷过重问题螺杆结构设计时，应尽量减小螺纹载荷，可以采用扩大受力面积的结构方式来减小螺纹受力；
4、螺栓头部伸出问题告诉旋转结构体，极易出现螺栓头与螺母伸出法兰面的现象，给安全生产造成威胁，结构设计时，宜用防护罩掩盖伸出部分；
5、同轴双半圆键设计问题同轴母线上的半圆键靠侧面传力，常由于键槽深而严重削弱轴的强度的问题，故应在同一轴向母线上设计两个半圆键；
6、传动结构设计问题带传动，链传动的结构设计紧边，松边位置相反，链传动采用紧边在上的结构，避免链与链轮缠绕，预防链条卡断问题，另外，虽然传动系统中的摩擦传动，能避免载荷过重时的滑动危险，但大型机械结构设计要求有足够高的安全系数，多不采用摩擦传动，避免引起安全事故；
7、活塞杆或阀杆的填料密封问题多层填料密封的泵，不适合用螺纹旋转压盖压紧，这样会由于法兰面与填料的相互摩擦而损坏调料，同样也增加了扭紧力矩，故应采用一个法兰与若干螺钉配合来压紧填料的结构。
以下以滚动轴承的装卸为例阐述机械结构的工艺性设计：
滚动轴承在轴上的装卸时应避免从外圈施力，因此在设计时，应使轴肩高度小于轴承内圈厚度，如图6（b）所示，使轴承内圈露出于轴肩，便于用工具通过内圈将轴承卸下，图6（a）的结构设计是不合理的，又如图6（c）所示，为圆锥滚子轴承座孔的设计是不合理的，因轴承外圈的拆卸是困难的，应采用图4（d）所示的结构，使轴承座孔的凸肩高度小于轴承外圈的厚度。
图6 轴颈结构尺寸的合理选择
如图7所示，装配零件1时其键槽要与轴上的键对准，而图7所示的轴结构，不如图7（b）和7（c）的结构易于对准。
图7 较易对准装配的结构
另外，为了便于安装，在设计中要避免两段配合面同时进入装配，例如图8所示，蜗杆轴装入箱体时，两轴承外圈应同时装入轴承座孔，而是一先一后地进入轴承座孔配合面。
图8 两轴承不应同时装入箱体孔图
（五）特种加工对机械制造结构工艺性的重要作用
1、涵义及特点：
特种加工就是在机械零部件或产品的被加工部位，施加声化学等能量，以去除，塑形或镀覆材料的加工方法，此类加工方法可以对硬度大、韧性高的材料以及表面复杂，敢赌低的零件进行加工，有力地解决了传统机械加工难以实现复杂结构工艺性的难题，成为一项必需的加工技术，特种加工的主要特点是非接触性，即工具与工件很少接触，采用物理溶解，剥离等加工机理可对复杂表面的零部件进行工艺性设计，另外，还有以下优点:
1、特种加工与零部件的机械性能无关，对各种非金属材料也可进行加工；
2、特种加工不依靠切削原理，无排屑问题存在，是传统机械加工的有力补充；
3、能量的控制和转换较容易，使得加工范围广、适应性强；
4、加工余量微细进行，提高加工精度；
5、不存在传统机械加工中的大面积热应变问题，使得表面粗糙度较低；
6、各类型能量组合使用，可形成新的复合加工，加工效果好；
2、影响作用
由上述认识可知，特种加工具有很好的应用前景，发展潜力巨大，常见的特种加工类型有电火花加工，电化学加工，超声加工等，分析其特点，结合实践，利用特种加工方法进行机械结构设计，对其结构工艺性有重要作用，主要表现为:
1、零件的典型工艺路线发生改变通常情况下，淬火热处理在切削，
成型加工后，
然后再进行磨削处理，而特种加工处理形式与此不同，因工件硬度不影响加工工艺，一般都是先淬火后加工，避免部件形变；
2、新产品的试制周期明显缩短试制新产品时，如采用特种加工处理方式切割，便可直接加工出各种复杂的零件，省去二次工具的设计和制造，大大缩短了产品生产周期；
3、对产品零件的结构设计有影响为了减少应力集中轴齿根部应设计成小圆角结构，拉削加工和电解加工都存在一定劣势，其他常规方法也往往采用拼接结构，很难实现良好设计，电火花加工方法对硬度高的金属也有极高的塑性，实现整体结构设计，除这些作用外，特种加工还对传统结构工艺性好坏进行了重新衡量，例如对方孔和窄缝工艺性好坏的评定，避免典型的结构工艺流程，实现了机械结构的良好设计，由此看来，特种加工工艺在机械结构设计和制造中意义重大，推动了机械制造技术的发展，并将不断完善，促进更明显的发展，
（六）结论
综上所述，机械零件结构工艺性设计是降低生产成本，提高经济效益的关键，它与所选的制造零件材料的性能、毛坯成形的方法以及加工工艺方法和过程等密切相关。机械零件结构工艺性设计的过程，实质上是一个零件的材料选择，毛坯成型方法的设计，加工工艺路线的安排和工艺设计的全过程。在许多情况下零件材料一旦选定，零件的生产工艺过程和零件结构的基本形式也就确定。而且，零件的毛坯成形工艺对零件的结构起着至关重要的作用。机械零件结构工艺性设计还与产品批量、生产条件以及质量技术指标等因素有关。因此在进行机械零件结构工艺性设计时，需要考虑诸多因素，只有将材料选择，方法设计，工艺流程，设计工艺综合起来统筹设计，才能合理确定各道工序的具体方案，减小方案设计误差，保证方案的可行性与经济性，最终确保机械零部件使用功能和质量达标外，节省时间，提高工作效率，实现良好的经济效益。
参考文献：
1、 徐向红、易顺明 结构工艺性冲突解决的知识表示
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5、 董 杰 机械设计工艺性手册 上海:上海交通大学出版社， 1991。
6、 蔡 兰 机械零件工艺性手册 北京:机械工业出版社， 1995。
7、 徐 灏 新编机械设计师手册(上) 北京:机械工业出版社， 1995。
8、 王金华 铸件结构设计 北京:机械工业出版社， 1983。
9、 何少平 热加工工艺基础 北京:中国铁道出版社， 1998。
10、何少平 机械结构工艺性 中南大学出版社， 2003。
机械结构设计与工艺性分析
摘要：随着机械加工技术的进步与发展，复杂零部件的加工有所改善，然而结构工艺性分析仍然不容忽视。在生产实践中，应该引起足够重视。本文首先阐述了工艺性分析的重要性，继而探讨机械零件结构工艺性设计的基本原则，并逐一列举了设计中常见的一些问题和机械结构设计工艺性的主要影响因素，并简述了解决对策，最后在对特种加工技术的内涵及特点有了一定认识的基础上，指出了具体特种加工技术对机械制造的重大影响作用。
关键词：机械零部件；设计工艺性；结构分析；特种加工。
（一） 机械零件结构工艺性分析的重要性
日常生产中，在对机器零件进行设计时，要求其结构不仅具体满足使用条件，而且要求结构的工艺性能良好，即具有很强的可行性和经济性，只有满足机械结构设计的工艺性，才能保障生产地顺利进行，还具有零件装载完整、成本消耗少等优点，能在市场竞争中处于优势地位，因此机器零件的结构工艺性设计是进行机械设计的关键，其涉及面广、综合性强，值得深入研究。它的主要目的是：保证功能的实现，使产品达到要求的性能。结构设计的结果对产品零部件的生产成本及质量有着不可低估的影响。因此，在结构设计中应力求使产品有良好的加工工艺性所谓好的加工工艺指的是零部件的结构易于加工制造，任何一种加工方法都有可能不能制造某些结构的零部件，或生产成本很高，或质量受到影响。因此，对于设计者认识一种加工方法的特点非常重要，以便在设计结构时尽可能的扬长避短。实际中，零部件结构工艺性受到诸多因素的制约，如生产批量的大小会影响坯件的生成方法；生产设备的条件可能会限制工件的尺寸；此外，造型、精度、热处理、成本等方面都有可能对零部件结构的工艺性有制约作用。因此，结构设计中应充分考虑上述因素对工艺性的影响。重视对机械零件的结构工艺性进行分析，可以促进机械加工工艺过程合理化，减少工作量，提高工作效率。具体来讲，应该做好以下几方面工作:
1、 对零件的结构进行认真分析
机械零件结构，尤其是复杂零件(箱体、连杆等类零件)的结构，首先要详细分析零件图纸和产品装配图，搞清楚该零件在产品中的装配关系和作用，对该零件尺寸、形状、精度、表面粗糙度进行详细分析。而学生设计时往往看不到产品装配图，那就更应该对零件图纸进行认真分析，即对零件图纸中。哪些是加工面、哪些是非加工面分清，要将零件图中所有各加工表面拆分成若干个几何单元，对各几何单元的尺寸、形状、精度、表面粗糙度进行详细分析，弄清各形状和位置尺寸的设计基准。
2、 对零件加工工艺性进行分析
认真分析零件加工工艺性，在对机械零件的结构进行了详细、认真分析的基础上，搞清楚各形状和尺寸的设计基准，搞清楚零件的结构，即对零件各切削加工表面的形状、尺寸、精度、表面粗糙度进行分析，弄清各形状和位置尺寸的设计基准，然后对各表面进行工艺性分析，看各切削加工表面设计基准和定位基准能否重合，尽量避免基准不重合，以免造不必要的尺寸链换算。 下面以一个典型箱体类零件为例分析其结构工艺性。
如图所示减速机箱体的零件图，虽然没有装配图，但我们知道是某个部件的基础件，它将部件中的轴、轴承、套和齿轮等零件按一定的相互位置关系装配在一起，按一定的传动关系协调地运动，以传递转矩或改变转速来完成规定的运
动。因此，该箱体的加工质量，不但影响箱体的装配精度及运动精度，还会影响机器的工作精度，使用寿命。
该零件加工面由以下表面组成:底平面180*170；垂直于底面的孔75，47， 42；两边上平面20*170及该平面上的6-9，6-14，2-8锥 孔；箱体底面前侧面180*15； 47
平面130*113及其上4-M5螺孔； 35
6-M5螺孔； 40及58圆周均布6-M5深10螺孔；上及两端面和两端面在47均布的及两端面和两端面在52均布的6-M5螺孔等。
图 减速机箱体
其中:上平面设计基准是底平面，保证位置尺寸127；底平面上台阶平面设计基准是底平面，保证15； 47B设计基准是箱体内外圆58(图中未注)
中心线，
位置中心线，保证其同心且壁厚均匀:58，75，42设计基准是47保证其同心；75端面以47B为设计基准跳动量0.02；35
尺寸900.1设计基准是底上台阶面；其上6-M5分度圆52设计基准为40
中心线；右端面位置尺寸50，设计基准是40
130设计基准为右端面；40中心线；两端面尺寸中位置尺寸350.03设计基准为47
心线，其右端位置尺寸32设计基准为35中心线，其上6-M5螺孔分度圆
A为设计基准保证35
A52设计基准为40和40
与47中心线；还有以40垂直度0.05；以47B垂直度0.05等。 B孔为设计基准保证40
从以上分析可知，大部分表面均能满足设计基准和定位基准重合，只有35
位置尺寸900.1和330.03，为了基准统一，而不能让设计基准和定位基准重合，要计算相关尺寸链，看能否满足加工要求，如不能，还得想办法让设计基准和定位基准重合。搞清楚零件加工表面的形状和位置及设计基准，才能合理的确定各工序的定位方案，并准确计算定位误差，使各工序定位方案正确且准确。因此，在机械零件进行工艺规程的编制过程中，首先必须认真对零件结构工艺性进行分析。
（二） 机械零件结构工艺性设计的基本原则
1 、机械零件的结构应该与所选定的结构材料相适应
不同的材料具有不同的性能，包括力学性能，物理化学性能和工艺性能，因此，产品材料选定之后，在进行产品和零部件结构设计时，必须考虑所选材料的工艺性能。而且在某种程度上说，产品材料一旦确定，材料的工艺性能和产品的生产工艺过程也就基本确定，则产品结构的基本形式也就确定了。例如，一旦某产品选用铸铁制作，铸铁的铸造性能好，那么该零件一般采用铸造生产，其零件结构的基本形式应符合铸造工艺的要求，零件应是薄壁结构的形式，实心的铸铁零件结构上往往是不合理的。对于用45钢制造的凸轮轴，45钢的锻造性能优于铸造性能，凸轮轴往往采用锻造成形，如果不是零件本身的性能有特殊要求，即轴多设计成实心结构的形式，若将轴设计成空心的结构将增加加工费用和成本，其结构工艺性较差。所以，机械零件的结构工艺性应与所选材料一致。
2 、机械零件的结构应与毛坯成形方法相适应
不同的毛坯成形工艺适合于生产不同结构形状的毛坯。因此，在某种程度上毛坯成形工艺对零件的结构起着至关重要的作用。一般地说，铸造成形时，由于其造型工艺的灵活多变性，往往可以生产出一些结构比较复杂的零件。特别铸造时芯子制造的多变性，为零件复杂内腔的成形提供了可能。所以用铸造方法成形的零件，其结构可以根据工作或使用条件等的要求设计得复杂些。可以采用中空结构来提高零部件的刚性，减少材料用量等。例如复杂箱体的设计，用焊接的方法也可以制造箱体，然而焊接箱体的内腔形状不能过于复杂。过于复杂的内腔，其焊接箱体的生产难度增加，生产成本增加，使产品结构工艺性变差。曲轴零件的设计也说明了这点。曲轴按毛坯成形方法，可分为锻造曲轴与铸造曲轴；锻造曲轴按锻造成形方法又可分为自由锻曲轴和模锻曲轴。自由锻曲轴的表面大多需机加工。因此，在设计自由锻曲轴时应注意方便切削加工。
如图1(a)所示为自由锻曲轴的曲拐，除轴颈为圆柱面外，其他表面多为平面形状。模锻可以加工出形状比较复杂的曲拐。但是设计模锻曲轴时应考虑模锻工艺的特点和锻模的制造。如轴上垂直于分模面的侧面应有模锻斜度；将曲轴的曲拐设计成180°分布要比成120°分布或60°分布的制模成本和模锻成本低得多。由于模锻件的非配合面可以不进行切削加工，因而模锻件表面形状的设计除应满足模锻斜度的要求外，比自由锻件表面形状较自由。图1给出了自由锻曲拐与模锻曲拐的结构对比。
在铸造成形生产曲轴时，由于铸造工艺的成形性较好，因此，轴的加工余量小，金属利用率高，制造成本比锻轴低得多。铸造曲轴的结构可以设计得比较复杂，但必须满足铸造工艺的要求，其主要结构特点是壁厚应均匀，形状应对称；在轴上应防止有“热节”结构；轴的转角处应设计出结构圆角；在垂直于分型面的不加工面，应设计出结构斜度。由于用于铸造工艺时比较容易形成复杂内腔，所以铸造曲轴可以考虑设计成空心轴。空心轴比实心轴的自重轻，节省金属，同时空心轴的临界转速高，不易发生共振折断等。对于某些形状非常复杂的大、中型曲轴(如多缸柴油机曲轴，设计时还可以考虑采用组合式结构。组合式曲轴的成型工艺比整体式简单，而且质量控制、运输管理等都比较方便，其生产成本和产品质量有时比整体式结构要低。
图2给出了12V180柴油机组合式球墨铸铁曲轴的一个曲拐；12V175柴油机
整体式球墨铸铁曲轴和锻造曲轴结构示意图。两种柴油机功率相差不大，但12V180柴油机曲轴的结构工艺性远比12V175柴油机的好；12V175铸造曲轴的结构工艺性又远比锻造曲轴的好。
图3给出了锻造辐板式齿轮和铸造辐板式齿轮的结构差异。锻造辐板式齿轮的幅板为平板，辐板上的孔一般不锻出，由随后进行的机加工加工出来(图3(a))
。
铸造齿轮为减少辐板对铸型上型面的烘烤，防止产生夹砂等缺陷，将辐板设计成倾斜的(图3(b))，辐板上的孔一般同时铸出，不必进行机加工。有些铸造齿轮(如铸造锥齿轮)还可以设计出加强筋以提高强度和刚度。
3、 机械零件的结构应与生产工艺过程相适应，与零件加工工艺路线相适应
机电产品的结构应该与生产的工艺过程相适应，与零件加工工艺路线相适应。若用铸铁生产一个箱体时，该箱体的加工工艺路线大致为:砂型铸造箱体----时效处理----切削加工----产品。则这个箱体的结构首先必须满足砂型铸造工艺的要求，例如，壁不能太厚且壁厚应均匀；转角处要有铸造圆角；不加工的侧面应有结构斜度；为增加箱体强度、刚度，可以设计出加强筋等。箱体的切削加工主要是平面和孔系的加工，因此，在设计箱体时，应考虑刨削、铣削、磨削平面和镗削孔系的工艺要求。如箱体的装配平面应考虑尽量减少切削加工量而设计一些支脚、凸台等；箱体的拐角处应考虑有退刀槽。
若用结构钢生产一根传动轴时，该传动轴的加工工艺路线大致为:锻造成形----预备热处理----粗加工----最终热处理----精加工----产品。该轴的毛坯成型方法可以是自由锻，也可以是模锻。若是自由锻，该轴的结构应尽可能简单，最好是简单的阶梯轴形式，且阶梯不宜过多。若是模锻成形，轴的结构可以较复杂，但也不能出现高的筋。传动轴的机械加工主要是外圆加工，因此，传动轴结构除应满足毛坯成形的要求外，还必须满足车外圆、磨外圆等工艺的要求。与箱体不同的是，传动轴需要进行较复杂的热处理。因此，在设计传动轴时，还应该考虑如何防止热处理的变形与开裂。如轴肩处必须有过渡圆弧；轴棱处应有倒角；轴上的键槽最好对称。
4 、机械零件的结构应与生产批量相适应
不同生产批量采用的生产工艺不同，因而要求产品或零件的结构工艺性也不同。为了获得最高的生产率和最大的经济效益，机电产品的结构和零部件的结构应该与生产批量相适应。图4(a)所示为一定位轴，尺寸要求准确。单件小批量时，这种结构是可行的。大批量生产时，若将定位轴改为图4(b)所示的定位套和固定螺栓结构，定位套可用平面磨床大量加工，其结构工艺性更好。
5、 机械零件的结构应与质量技术指标相适应
在机械制造过程中，产品的质量技术指标越高，所耗费的工时和成本也愈大。而且往往是当质量技术指标高到一定程度时，若再提高要求，工时费用将迅速增加，生产率明显下降，生产成本增加，因而在经济上不理想。因此，在机电产品设计时，产品质量技术指标的确定必须是在满足使用要求的前提下，与产品结构工艺性相适应。机电产品的结构设计，必须使产品加工工艺最经济，质量较高。 6 、机械零件的结构应与生产的具体条件和具体生产工艺相适应
机械零部件的结构工艺性应与具体的生产工艺相适应，
与企业具体的生产条
件相适应。在某种条件下结构工艺性好的零件，当条件发生变化时，其结构工艺性可能变差。图5所示为电液伺服阀的阀套零件。套上有4个精密方孔，用一般的切削加工方法很难加工出来，过去常将阀套分成5个圆环，分别加工后联接起来，再进行研磨(图5(a))，结构工艺性很差。但是，如果有电火花加工设备，将阀套改为整体结构可将孔一次加工出来(图5(b))，而且质量很容易得到保证，其结构工艺性较好。
（三）机械结构设计工艺性的主要影响因素
机械零件结构的工艺性设计应综合考虑多种因素，包括单个零件的工艺性分析，或针对加工工艺的工艺性研究。因此，要求进行零件材料的正确选择，成型方法的合理设计以及工艺路线的统筹安排等，这些过程是相互作用的，设计时，具体应考虑以下几方面因素:
1、所选结构材料各种材料的性能受力学与化学性质的影响而有差别，故选定产品材料后，考虑其工艺性能，安排产品的生产工艺流程，确定零件的基本结构，如果零件结构与所选结构材料不一致，不但加大加工难度，还导致成本增加，结构的工艺性能会较差，所以要求两者相适应；
2、毛坯成型方法:不同结构形状的毛坯所需的毛坯成型工艺不同，一定程度上，毛坯成型工艺对机械零件的结构产生巨大影响，形状设计的复杂性根据零件的结构确定；
3、加工工艺过程机器零件生产的加工工艺选择是根据零件工艺性要求而具体确定的，一般生产中，要求机器零件的结构与零件加工工艺路线相适应；
4、生产批量零件要求的生产批量不同，则选用的生产工艺不同，进而影响结构工艺性，因此，如果产品或零件的结构与生产批量相适应，对提高生产效率，扩大经济效益有很重要的意义；
5、质量技术指标产品的质量技术指标与生产时间与费用正相关，即指标越高，需要的生产时间和生产成本越大，一旦质量技术指标高出了一定范围，会导致成本和费用急剧增加，破坏经济效益、确定合理的产品质量指标，使其既能符合结构工艺性设计，又能满足使用要求，对保证经济性至关重要；
6、具体生产条件机械零部件的结构工艺性会随着生产条件的变化而变化，即一定条件下，结构工艺性表现好的部件，会因条件变化而导致工艺性很差。因此，零件的结构设计工艺性应与具体的生产条件保持一致。
（四）机械结构工艺性设计常见问题分析
随着机械结构设计的不断进步和发展，设计工艺性要求也越来越高，然而总是不可避免的存在以下一些常见问题：
1
、轴承密封问题滑动轴承通常有较大的空隙，极易出现磨损而导致轴心移动，
不宜采用接触式密封方法；
2、较长机械零部件变形困难问题机器零部件的长度随温度变化而迅速变化，因此设计较长的机械结构时，应给予其自由变形的空间，可以采用移动支座或者自由伸缩的管道结构解决此类问题；
3、螺纹载荷过重问题螺杆结构设计时，应尽量减小螺纹载荷，可以采用扩大受力面积的结构方式来减小螺纹受力；
4、螺栓头部伸出问题告诉旋转结构体，极易出现螺栓头与螺母伸出法兰面的现象，给安全生产造成威胁，结构设计时，宜用防护罩掩盖伸出部分；
5、同轴双半圆键设计问题同轴母线上的半圆键靠侧面传力，常由于键槽深而严重削弱轴的强度的问题，故应在同一轴向母线上设计两个半圆键；
6、传动结构设计问题带传动，链传动的结构设计紧边，松边位置相反，链传动采用紧边在上的结构，避免链与链轮缠绕，预防链条卡断问题，另外，虽然传动系统中的摩擦传动，能避免载荷过重时的滑动危险，但大型机械结构设计要求有足够高的安全系数，多不采用摩擦传动，避免引起安全事故；
7、活塞杆或阀杆的填料密封问题多层填料密封的泵，不适合用螺纹旋转压盖压紧，这样会由于法兰面与填料的相互摩擦而损坏调料，同样也增加了扭紧力矩，故应采用一个法兰与若干螺钉配合来压紧填料的结构。
以下以滚动轴承的装卸为例阐述机械结构的工艺性设计：
滚动轴承在轴上的装卸时应避免从外圈施力，因此在设计时，应使轴肩高度小于轴承内圈厚度，如图6（b）所示，使轴承内圈露出于轴肩，便于用工具通过内圈将轴承卸下，图6（a）的结构设计是不合理的，又如图6（c）所示，为圆锥滚子轴承座孔的设计是不合理的，因轴承外圈的拆卸是困难的，应采用图4（d）所示的结构，使轴承座孔的凸肩高度小于轴承外圈的厚度。
图6 轴颈结构尺寸的合理选择
如图7所示，装配零件1时其键槽要与轴上的键对准，而图7所示的轴结构，不如图7（b）和7（c）的结构易于对准。
图7 较易对准装配的结构
另外，为了便于安装，在设计中要避免两段配合面同时进入装配，例如图8所示，蜗杆轴装入箱体时，两轴承外圈应同时装入轴承座孔，而是一先一后地进入轴承座孔配合面。
图8 两轴承不应同时装入箱体孔图
（五）特种加工对机械制造结构工艺性的重要作用
1、涵义及特点：
特种加工就是在机械零部件或产品的被加工部位，施加声化学等能量，以去除，塑形或镀覆材料的加工方法，此类加工方法可以对硬度大、韧性高的材料以及表面复杂，敢赌低的零件进行加工，有力地解决了传统机械加工难以实现复杂结构工艺性的难题，成为一项必需的加工技术，特种加工的主要特点是非接触性，即工具与工件很少接触，采用物理溶解，剥离等加工机理可对复杂表面的零部件进行工艺性设计，另外，还有以下优点:
1、特种加工与零部件的机械性能无关，对各种非金属材料也可进行加工；
2、特种加工不依靠切削原理，无排屑问题存在，是传统机械加工的有力补充；
3、能量的控制和转换较容易，使得加工范围广、适应性强；
4、加工余量微细进行，提高加工精度；
5、不存在传统机械加工中的大面积热应变问题，使得表面粗糙度较低；
6、各类型能量组合使用，可形成新的复合加工，加工效果好；
2、影响作用
由上述认识可知，特种加工具有很好的应用前景，发展潜力巨大，常见的特种加工类型有电火花加工，电化学加工，超声加工等，分析其特点，结合实践，利用特种加工方法进行机械结构设计，对其结构工艺性有重要作用，主要表现为:
1、零件的典型工艺路线发生改变通常情况下，淬火热处理在切削，
成型加工后，
然后再进行磨削处理，而特种加工处理形式与此不同，因工件硬度不影响加工工艺，一般都是先淬火后加工，避免部件形变；
2、新产品的试制周期明显缩短试制新产品时，如采用特种加工处理方式切割，便可直接加工出各种复杂的零件，省去二次工具的设计和制造，大大缩短了产品生产周期；
3、对产品零件的结构设计有影响为了减少应力集中轴齿根部应设计成小圆角结构，拉削加工和电解加工都存在一定劣势，其他常规方法也往往采用拼接结构，很难实现良好设计，电火花加工方法对硬度高的金属也有极高的塑性，实现整体结构设计，除这些作用外，特种加工还对传统结构工艺性好坏进行了重新衡量，例如对方孔和窄缝工艺性好坏的评定，避免典型的结构工艺流程，实现了机械结构的良好设计，由此看来，特种加工工艺在机械结构设计和制造中意义重大，推动了机械制造技术的发展，并将不断完善，促进更明显的发展，
（六）结论
综上所述，机械零件结构工艺性设计是降低生产成本，提高经济效益的关键，它与所选的制造零件材料的性能、毛坯成形的方法以及加工工艺方法和过程等密切相关。机械零件结构工艺性设计的过程，实质上是一个零件的材料选择，毛坯成型方法的设计，加工工艺路线的安排和工艺设计的全过程。在许多情况下零件材料一旦选定，零件的生产工艺过程和零件结构的基本形式也就确定。而且，零件的毛坯成形工艺对零件的结构起着至关重要的作用。机械零件结构工艺性设计还与产品批量、生产条件以及质量技术指标等因素有关。因此在进行机械零件结构工艺性设计时，需要考虑诸多因素，只有将材料选择，方法设计，工艺流程，设计工艺综合起来统筹设计，才能合理确定各道工序的具体方案，减小方案设计误差，保证方案的可行性与经济性，最终确保机械零部件使用功能和质量达标外，节省时间，提高工作效率，实现良好的经济效益。
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