3.7 典型零件設計

機械零件設計中主要包括四種類型的典型零件,分別是軸套類零件、盤蓋類零件、叉架類零件及箱體類零件。因為這四種類型零件結構比較典型,所以其設計方法及考慮相對來講也是比較固定的,我們只要掌握這些典型零件設計方法,就能夠很好完成這些零件設計。本節(jié)主要介紹這四種典型零件設計方法與技巧。

3.7.1　軸套類零件設計

軸套類零件一般裝在軸上或機體腔體孔中,起支承、導向、軸向定位、保護傳動零件、傳遞動力等作用。

軸套類零件多數是由共軸的多段圓柱體、圓錐體構成,一般其軸向尺寸大于徑向尺寸,根據設計和加工工藝要求,在各段上常有倒角、鍵槽、銷孔、螺紋等結構,軸段與軸段之間常有軸肩、退刀槽、砂輪越程槽等結構。軸類零件的毛坯多是棒料或鍛件,加工方法以車削、磨削為主。軸套類零件的毛坯多是管筒件或鑄造件,加工方法以車削、磨削、鏜削為主。圖3?427所示的是常見軸套類零件。

(1)軸套類零件結構特點分析

欲設計軸套類零件,首先要分析軸套類零件結構特點。軸套類零件不同于前面章節(jié)介紹的任何一種一般類型的零件,所以不能使用一般零件設計方法進行設計。軸套類零件屬于機械設計中的一種典型零件,一般可以劃分為四大結構。

① 軸套主體結構　軸套主體結構是軸套零件的基礎結構,就是將軸套上所有細節(jié)去掉之后的結構,軸套類零件上的其余結構都是在這個主體結構基礎上設計的。

② 軸套溝槽結構　軸套溝槽結構包括各種回轉溝槽、退刀槽等。

③ 軸套附屬結構　軸套附屬結構包括各種鍵槽、花鍵、切口、內外螺紋等結構。

④ 軸套修飾結構　軸套修飾結構就是為了方便軸套零件與其他零件安裝配合而設計的倒角結構及圓角結構,一般需要在安裝配合的軸段連接位置設計。

(2)軸套類零件設計思路

分析軸套類零件結構特點。軸套類零件一般都是回轉類零件,在設計中首先使用旋轉命令設計軸套類零件的主體結構及溝槽結構,然后再設計軸套類零件上的其他附屬結構及修飾結構。在SOLIDWORKS中進行軸套類零件設計的一般思路如下:

① 使用旋轉凸臺命令設計軸套零件的主體結構;

② 使用旋轉切除命令設計軸套零件上的溝槽結構;

③ 使用合適工具設計軸套上其他附屬結構;

④ 使用倒斜角或倒圓角命令設計軸套零件上的修飾結構。

(3)軸套類零件設計要求及規(guī)范

軸套類零件設計不僅要注意軸套類零件結構要求,更要注意軸套類零件內在要求及規(guī)范。下面主要介紹一下軸套類零件設計過程中一定要注意的內在設計要求及規(guī)范。

① 主體結構設計要求及規(guī)范　軸套類零件一般都是回轉零件,在設計中首先使用旋轉凸臺基體命令設計軸套類零件的主體結構。在繪制軸套類零件主體結構旋轉截面時要特別注意以下幾點:

首先,在沒有特殊說明的情況下,一般是在主視圖(SOLIDWORKS軟件中的前視基準面)上繪制旋轉截面,方便以后出工程圖,因為在機械制圖中軸套零件主視圖是非常重要的視圖,反映軸套零件主體結構。

其次,在機械制圖中,軸套零件的主視圖一般都是沿軸線水平放置的(特殊情況例外),所以在草繪環(huán)境中繪制的軸套截面也應該按照水平方向繪制,如果豎直繪制或者采用其他方位繪制不符合機械制圖關于軸套零件工程圖的標準規(guī)范。

第三,對于軸套類零件設計基準的確定,如果沒有比較明確的設計基準或特殊說明,都是取軸套零件總長的中點作為其設計基準。

最后,繪制軸套類零件主體結構旋轉截面時,軸套類零件各段軸徑一定要直接標注直徑值,不能標注軸的半徑值,否則不符合軸套零件工程圖尺寸標注要求及規(guī)范。

另外,軸套零件主體結構中各段的長度要根據具體要求進行計算,千萬不要隨便設計,特別是涉及與其他軸套上附屬零件安裝時,一定要保證符合安裝尺寸要求,如軸零件上與軸承安裝的軸段,軸段長度一般要小于或等于安裝軸承的寬度值。

② 溝槽結構設計要求及規(guī)范　軸套零件上往往有各種溝槽結構,如回轉溝槽、退刀槽等,這些溝槽主要作用如下。

a.首先,方便加工過程中加工刀具從軸上退出,確保已加工結構的安全。例如在已加工好的軸段上還需要加工螺紋結構,就需要在加工螺紋結構之前,先在軸段上加工退刀槽,再去加工螺紋,此時加工螺紋的刀具就能夠方便地從退刀槽位置退出加工,同時確保其他已加工結構的安全。

b.其次,溝槽結構方便軸套類零件與其他軸套上零件(如齒輪、帶輪、軸承等)之間的安裝配合,保證安裝精度要求,所以凡是涉及要與軸套上零件安裝配合的軸段,都要設計相應的溝槽結構。

在實際軸套類零件設計中,溝槽結構很容易與軸套類主體結構搞混淆,所以很多人會錯誤地將軸套上的溝槽結構與軸套主體結構一塊進行設計,這樣能夠一次性完成軸套主體與溝槽的設計,看似很簡便高效,但是存在很多實際問題,所以在實際設計時一定要注意以下3個方面:

a.首先,將軸套主體結構與溝槽一塊進行設計會使回轉截面草圖更加復雜,這不符合零件設計中簡化草圖的設計原則。

b.其次,從軸套設計與工藝來講,軸套主體結構與溝槽結構屬于不同結構工藝,在加工過程中使用不同的車刀進行加工,對其進行分開設計,符合對軸套加工工藝的理解。

c.最后,這些溝槽結構屬于軸套上比較細微的特征,在結構分析中應該進行簡化,如果將溝槽與軸套主體結構一起設計會影響軸套類零件簡化與結構分析。

基于以上原因,在軸套類零件設計中應該將軸套上溝槽結構與軸套主體結構進行分步設計,一般是先設計軸套主體結構,再設計軸套上的溝槽結構。

③ 附屬結構設計要求及規(guī)范　軸套類零件上附屬結構主要包括鍵槽、花鍵、螺紋以及各種孔結構,一定要注意這些附屬結構標準化設計要求及規(guī)范。

下面以鍵槽設計為例,因為鍵槽位置將來要安裝鍵零件,而所有的鍵都屬于標準件,其具體尺寸都已經標準化了,一定要根據標準選用。如果不按標準進行設計,將來在安裝鍵零件時找不到合適鍵零件,會影響整個產品設計。

另外,在繪制鍵槽截面時(以長圓形鍵槽為例),需要繪制一個長圓形截面,在進行標注時,一定要標注長圓形的寬度值,標注長圓形圓弧半徑是不規(guī)范的,因為此處的長圓形寬度就是鍵槽的寬度值。

最后是鍵槽的定位尺寸,這個取決于整個軸套零件的尺寸基準,一般要從尺寸基準處開始標注。

④ 修飾結構設計要求及規(guī)范　修飾結構主要包括倒角與圓角。軸套類零件上的一些軸段需要安裝各種軸上附屬結構,如軸承、軸套等,為了方便之后在軸套上安裝這些附屬結構,需要在配合的軸段位置設計合適的倒角與圓角,方便安裝導向,實現精確安裝。

這些修飾結構的設計與前面介紹的溝槽結構設計類似,不要與軸套主體一起設計,主要考慮還是簡化草圖的原則以及方便以后在結構分析中進行結構簡化。

(4)軸套類零件設計實例

如圖3?428所示是一軸零件的設計圖紙,根據該設計圖紙,完成軸零件的結構設計,在設計中注意軸零件設計思路及典型結構的設計。

根據軸結構特點及前面介紹的軸設計思路,要完成該軸的設計,首先需要設計軸主體結構(軸主體就是軸的基礎結構,一般就是將軸上溝槽、附屬結構及倒角全部簡化后的光軸結構,需要按照軸圖紙信息標注各段軸長度及直徑尺寸);然后設計軸上溝槽結構,一共兩處溝槽,溝槽寬度為2,溝槽直徑為33;接著設計軸上附屬結構,包括左端的鍵槽和右端的螺紋,左端鍵槽尺寸為26×6,定位尺寸為4,右端螺紋規(guī)格為M24×30;最后設計軸上倒角結構,所有倒角尺寸為C1。具體設計過程請參看隨書視頻。

3.7.2　盤蓋類零件設計

盤蓋類零件的基本形狀為扁平的盤狀結構,其主要結構為多個回轉體,直徑方向尺寸一般大于軸向尺寸,為了與其他結構連接,結構中一般包括一些凸臺結構及圓周分布的孔結構。盤蓋類零件的毛坯一般為鑄件、鍛件,然后經過車削加工、磨削加工形成最終的形狀,如圖3?429所示的是常見盤蓋類零件。

(1)盤蓋類零件結構特點分析

欲設計盤蓋類零件,首先要分析盤蓋類零件結構特點。盤蓋類零件不同于前面章節(jié)介紹的任何一種一般類型的零件,所以不能使用一般零件設計方法進行設計。盤蓋類零件屬于機械設計中的一種典型零件,一般可以劃分為三大結構:

① 盤蓋主體結構　盤蓋主體結構就是盤蓋類零件的基礎結構,就是將盤蓋上所有細節(jié)去掉之后的結構,盤蓋零件上的其余結構都是在這個主體結構基礎上設計的。

② 盤蓋附屬結構　盤蓋類零件附屬結構主要包括各種凸臺、切口、孔等結構。

③ 盤蓋修飾結構　盤蓋類零件修飾結構就是為了方便盤蓋類零件與其他零件安裝配合而設計的倒角結構及圓角結構。

(2)盤蓋類零件設計思路

分析盤蓋類零件結構特點。盤蓋類零件一般都是回轉類零件,在設計中首先使用旋轉凸臺命令設計盤蓋類零件的主體結構,然后再設計盤蓋類零件上的其他附屬結構及修飾結構。在SOLIDWORKS中進行盤蓋零件設計的一般思路如下:

① 使用旋轉凸臺命令設計盤蓋類零件的主體結構;

② 使用合適工具設計盤蓋上的附屬結構;

③ 使用倒圓角或倒斜角命令設計盤蓋類零件上的圓角及倒角結構。

(3)盤蓋類零件設計要求及規(guī)范

盤蓋類零件設計不僅要注意盤蓋類零件結構要求,更要注意盤蓋類零件設計要求及規(guī)范。下面主要介紹一下盤蓋類零件設計過程中一定要注意的設計要求及規(guī)范。

① 主體結構設計要求及規(guī)范　盤蓋類零件主體多為回轉結構,在繪制盤蓋類零件主體旋轉截面時要特別注意,雖然在機械制圖中對于盤蓋類零件的主視圖沒有嚴格的要求,但是確定主視圖放置一定要從多個方面(如工作方位、放置與安裝方位、圖紙幅面等)綜合考慮,一般都是沿軸線水平放置的,所以在草繪環(huán)境中繪制的盤蓋主體旋轉截面時,如果沒有特殊的考慮,也應該按照水平方向繪制(跟軸套類零件設計類似)。

另外,對于結構復雜的而且?guī)е虚g腔體的盤蓋類零件,在設計盤蓋主體結構時,一般將盤蓋中間腔體與盤蓋主體分開設計,主要考慮就是簡化草圖原則,提高設計效率。

② 附屬結構設計要求及規(guī)范　盤蓋類零件中比較常見的一種附屬結構就是圓周孔結構。一般圓周孔包括均勻分布圓周孔和非均勻圓周孔兩種類型。為了規(guī)范高效地進行圓周孔設計,需要特別注意這兩種圓周孔設計要求及規(guī)范。

a.非均勻分布圓周孔設計。首先選擇合適的打孔平面繪制圓周孔定位草圖點,然后選擇任一定位草圖點創(chuàng)建第一個圓周孔,最后使用草圖驅動陣列方式將第一個圓周孔按照定位草圖點進行陣列,類似于前面章節(jié)介紹的基座零件中底板孔的設計。

b.均勻分布圓周孔設計。這種均勻分布圓周孔在SOLIDWORKS直接使用圓周陣列即可,但是要注意陣列參數的正確設置,方便后期修改。

對于盤蓋類零件中其他的附屬結構,按照一般結構設計要求及規(guī)范進行設計即可。

(4)盤蓋類零件設計實例

如圖3?430所示的是法蘭盤零件的設計圖紙,需要根據該設計圖紙,完成法蘭盤零件的結構設計,在設計中注意盤蓋類零件設計思路、設計方法。

根據盤蓋類零件結構特點及前面介紹的盤蓋類零件設計思路,要完成該法蘭盤的設計,首先需要設計法蘭盤主體結構(法蘭盤主體就是法蘭盤的基礎結構,將法蘭盤上兩側切除結構、圓周孔及倒角結構全部去掉后的簡化結構);然后設計法蘭盤上附屬結構[包括法蘭盤兩側切除結構(兩側切除寬度為82)及圓周孔結構(一共六個沉頭孔)];最后設計法蘭盤上倒角結構(所有倒角尺寸為C1),具體設計過程請參看隨書視頻。

3.7.3　叉架類零件設計

叉架類零件主要起連接與支承固定作用,如發(fā)動機連桿就是連接發(fā)動機活塞與曲軸的典型叉架類零件。各種管線支架、軸承及軸支架都是起支承固定作用的叉架類零件。叉架類零件的使用強度及剛度要求比較高,所以其結構中經常有各種肋板、梁等結構,肋板、梁的截面形狀有工字形、T形、矩形、橢圓形等,其毛坯多為鑄件、鍛件,要經過多種機械加工工序制成。如圖3?431所示是常見叉架類零件。

(1)叉架類零件結構特點分析

欲設計叉架類零件,首先要分析叉架類零件結構特點。叉架類零件形狀結構變化靈活,沒有比較固定的結構特點,絕大部分叉架類零件類似于前文介紹的一般類型零件(特別是分割類零件),但是不能單純按照一般類型零件設計方法進行設計,為了規(guī)范高效地進行叉架類零件的設計,一般按照叉架類零件功能進行結構劃分。叉架類零件包括以下主要結構:

① 定位結構　叉架類零件中經常會包含各種定位結構,這些定位結構就是為了從不同角度方位對結構進行固定,這些定位結構也是叉架類零件設計的基礎與關鍵。

② 連接結構　連接結構作用就是將各種定位結構連接起來形成一個整體零件。

③ 附屬結構　附屬結構作用就是增強叉架類零件結構強度并完善叉架類零件功能,需要特別注意的是,附屬結構對于叉架類零件來講不是必須的,根據具體需要確定其設計。

④ 修飾結構　修飾結構主要是叉架類零件上的各種倒角及圓角結構。

(2)叉架類零件設計思路

因為叉架類零件形狀結構變化靈活,沒有比較固定的結構特點,所以在具體設計中對于設計工具的選擇是非常靈活的,在SOLIDWORKS中進行叉架類零件設計的一般思路如下:

① 首先使用合適的工具設計叉架類零件定位結構;

② 然后使用合適工具設計叉架連接結構;

③ 根據需要使用合適工具設計叉架附屬結構;

④ 最后使用倒圓角或倒斜角命令設計叉架類零件上的圓角及倒角結構。

(3)叉架類零件設計要求及規(guī)范

叉架類零件設計不僅要注意叉架類零件結構要求,更要注意叉架類零件內在設計要求及規(guī)范,下面主要介紹一下叉架類零件設計過程中一定要注意的內在設計要求及規(guī)范。

① 定位結構設計要求及規(guī)范　設計叉架類零件首先一個問題就是其設計方位(定位)的問題,因為支承類型的零件在工作中主要起連接及支承作用,其工作位置一般由與其相連接的零件確定,沒有比較固定的放置方位,在設計中一般采用其實際的工作位置來放置即可。

叉架類零件設計中的結構位置關系非常重要,為了保證這些重要的位置定位關系,保證將來在裝配中能夠符合裝配的位置要求,要靈活使用各種基準特征輔助完成設計。

② 附屬結構設計要求及規(guī)范　叉架類零件中典型結構主要包括加強筋結構。在SOLIDWORKS中提供了兩種加強筋設計工具,一種是輪廓筋,另一種是網格筋,需要根據具體結構特點,確定使用哪種工具來進行設計。有時還會使用掃描等特殊方式進行加強筋結構的設計。

(4)叉架類零件設計實例

如圖3?432所示的連接臂零件設計圖紙,根據該設計圖紙設計連接臂零件。設計前仔細分析具體的設計思路,在設計中注意充分考慮零件的放置及定位,還有結構與結構之間的位置定位關系,另外還要注意結構中加強筋的設計。

根據叉架類零件結構特點及前面介紹的叉架類零件設計思路,要完成該連接臂的設計,首先需要設計連接臂右側的定位結構,這是整個零件設計的基礎,也是關鍵。這個定位結構主要由兩個不同方向的圓柱筒體交叉連接構成。完成該定位結構設計后再設計連接結構,也就是零件中左側的彎臂結構。這種彎臂結構是S形彎臂,可以使用拉伸凸臺和拉伸切除方法來設計。最后是連接臂中的加強筋輔助結構及修飾結構的設計。具體設計過程請參看隨書視頻。

3.7.4　箱體類零件設計

箱體類零件一般起支承、容納、定位和密封等作用。一般箱體類零件的內外結構形狀比較復雜,其上常有空腔、軸孔、內支承壁、肋板、凸臺、大小各異的孔等結構,如圖3?433所示,箱體類零件毛坯多為鑄件,需經各種機械加工。

箱體類零件是典型零件中結構最復雜的一種,要考慮的具體問題比較多,包括設計順序、典型細節(jié)設計方法與技巧,還要特別注意設計效率等。

(1)箱體類零件設計思路

對于箱體類零件的設計,主要注意以下幾點:一是箱體類零件的尺寸基準,一般都是以箱體底座結構上的底面作為尺寸基準,所以一般的箱體類零件設計首先創(chuàng)建箱體底座,然后創(chuàng)建箱體其他結構;箱體的壁厚一般都是均勻的,常使用薄壁拉伸方法來創(chuàng)建,保證壁厚均勻性;另外,要注意的就是充分考慮箱體上軸承、軸的承載凸臺結構的設計,這些結構在箱體設計中是為了增加這些地方的強度,比較關鍵的尺寸一般是凸臺面相對于箱體外表面以及箱體內表面的尺寸,對于箱體中的其他結構,沒有特殊的地方,按照正常的建模要求來創(chuàng)建就可以了。

在SOLIDWORKS中進行箱體類零件設計的主要順序如下:

① 使用拉伸凸臺工具、倒圓角工具及孔工具設計箱體底板結構;

② 使用基準特征確定箱體重要設計基準及設計尺寸;

③ 使用加厚拉伸或抽殼方式設計箱體主體結構;

④ 使用拉伸工具及圓周孔設計箱體中的各種加厚凸臺結構;

⑤ 使用倒圓角或倒斜角命令設計箱體類零件上的圓角及倒角結構。

(2)箱體類零件設計關鍵點

箱體類零件設計關鍵是各種結構形位尺寸的設計,主要包括以下兩點:

① 箱體高度尺寸設計　合理選擇箱體高度設計基準,一般是選擇箱體底座底面為整個箱體設計基準,然后以該設計基準設計箱體高度即可直接得到箱體高度尺寸。

② 箱體表面凸臺尺寸設計　一般會設計一個草圖來控制箱體中凸臺的主要設計尺寸,同時方便尺寸的修改。另外也可以先創(chuàng)建好控制尺寸的設計基準,然后根據這些設計基準來設計相應的結構。

(3)箱體類零件典型結構設計

箱體類零件的結構設計主要包括以下典型結構的設計,在具體設計過程中一定要注意相關的設計規(guī)范,才能正確設計箱體類零件。

① 箱體類零件的放置定位一般很好確定,箱體底板結構放置在水平面上,也就是上視基準平面,然后依次在箱體底板上疊加設計箱體其余結構。

② 箱體底座的設計要考慮箱體安裝平穩(wěn)性問題,所以箱體底座底面一般都不設計成大平整面,要設計成溝槽結構,按照“小面接觸代替大面接觸”的原則進行設計,特別是體型尺寸比較大的箱體更應該采用這種思路去設計。

③ 箱體均厚這一結構特點主要有兩種方法進行設計:一種是用薄壁拉伸的方式進行設計;另外一種就是用抽殼方式進行設計。前者適用于絕大部分箱體的設計,后者主要用于整體式箱體結構的設計,有時還要考慮使用多個實體方式進行創(chuàng)建。

④ 對于箱體主體的設計還要注意箱體“底部”和“頂部”的設計。箱體“底部”一般要比其他位置厚,保證箱體底部及根部的強度。箱體“頂部”一般要考慮與箱蓋的安裝配合問題,需要設計相應的安裝孔及定位銷孔的設計。

(4)箱體類零件設計實例

如圖3?434所示的齒輪箱零件設計圖紙,根據該設計圖紙設計齒輪箱零件,設計前仔細分析具體的設計思路,在設計中注意充分考慮零件的放置及定位,特別是箱體主體及箱體周邊各種凸臺結構的設計。

根據齒輪箱零件結構特點及前面介紹的箱體類零件設計思路,要完成該齒輪箱的設計,首先需要設計箱體底板結構,然后在箱體底板基礎上創(chuàng)建箱體主體結構,注意箱體底部與頂部的設計;然后設計箱體四周的各種凸臺結構,雖然凸臺結構比較多,但是大概的形狀都差不多,關鍵要注意各凸臺的準確位置,這種情況下可以先創(chuàng)建必須的關鍵基準面以確定凸臺準確位置;最后設計各種修飾結構,包括倒圓角及倒角,具體設計過程請參看隨書視頻。