《设计结构》-第4章教学用

在设计铸造结构时，应重点结合铸造生产的工艺特点，考虑相关的工艺性。在此，结合一些典型设计实例进行有关的讨论。尽量减少凹凸部分，简化制造工艺，如图4-1所示。考虑出模工艺，应在结构上设计拔模斜度，包括内腔结构，如图4-2所示。为便于取模，尽量避免造成出模困难的死尾和内凹。对于砂型铸造，尽量减少活块部分，多块连成一片，简化制造工艺，如图4-3所示；在凸台距离分型面较近时，为避免使用活块，可将凸台延长，延长至分型面，或考虑加工方便，取消凸台，采用锪平加工措施，如图4-4所示。对于砂型铸造，铸件结构上应考虑使砂型牢固，必要时需修改一些局部结构，以保证砂型牢固。如图4-5所示，将上法兰改为内法兰，下法兰厚度加大，以增加砂型强度；如图4-6、图4-7、图4-8所示，均是通过修改不合理的凸台结构，达到保护砂型进而保证铸件质量的目的。4.1铸造件的结构设计下一页返回使用型芯会增加砂型的复杂性和工艺难度，在可能的情况下，应通过修改结构避免使用型芯或减少型芯数量。如图4-9所示，通过将内腔改为开式，铸造时可以不用型芯；如图4-10所示，在结构允许的条件下，采用对称结构，可减少制模、制芯的工作量。铸造件在冷凝时会产生收缩，如各部分冷却速度不一致，厚冷凝的部分易产生缩孔、缩松的缺陷。铸件厚度较大的局部，冷却速度慢，因此在结构设计上，应尽可能使铸件各处厚度接近。4.1铸造件的结构设计上一页返回在设计冲压壳体结构时，需综合考虑产品结构需要、零件结构强度、材料特性与成型能力、冲压模具复杂性及冲压工艺等因素。对于优质低碳钢、铝合金薄板等成型能力强的材料，可设计成较大的拉深深度及复杂的结构形状。如图4-11所示的铝合金壳体，在拉深成型的同时，在底面上压制出浅浮雕装饰图案、冲出几个小孔，对模具结构和冲压工艺复杂性和难度增加并不太大。冲压壳体设计上，往往会关注结构造型和功能而忽视生产加工工艺，使得模具结构复杂、生产成本大，特别是对于结构上需弯曲和拉深成型部分。板料弯曲时，内侧金属受切向压应力，产生压缩变形；外层金属受切向拉应力，产生伸长变形，如图4-12所示。当拉应力超过材料的抗拉强度时，即会造成金属破裂。坯料厚度越大、弯曲半径越小，材料所受的内应力就越大，越容易弯裂。必须控制最小弯曲半径，通常取为板厚的0.25～1.00倍以上，材料塑性好时取下限。4.2模压件的结构设计下一页返回弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直，如图4-13所示，亦即使材料所受的拉应力与纤维方向一致，避免产生破裂。在双向弯曲时，应使弯曲线与纤维方向呈45°角。设计弯曲件时应加强其变形部位的刚性，如在弯曲部位设置加强筋等，如图4-14所示。在设计拉伸壳体时，应注意拉伸变形的影响。如图4-15所示，在凸模作用下板料被拉入凸模和凹模的间隙中，凸模和凸模圆角部位变形最大。凸模部分在圆周切线万向受压应力，压应力过大时，会发生折皱，坯料厚度越小，拉深深度越大，越容易产生折皱。凸模四尾部位承受筒壁传递的拉应力，材料变薄，容易在此处拉裂。拉伸部位在形状上应尽可能简单、对称，带有法兰边时，四周法兰边宽度应尽可能一致，否则，可能增加加工难度，浪费材料。4.2模压件的结构设计上一页返回注塑件的结构设计应综合考虑产品要求、外观造型、注塑材料、各功能局部、生产加工条件及成本等因素。在设计注塑件的有关几何参数时，如壁厚、加强筋、塑件上的孔的孔径和孔深及孔距等，壳体的外形尺寸、选择的材料等都需要考虑。可参考有关设计手册或类似的设计产品、设计经验确定。注塑件也存在定型收缩的问题，因此，在设计注塑壳体时也要考虑脱模斜度。通常，注塑壳体内表面拔模斜度取为15´，外表面取为30´，孔的斜度与内表面相同，加强筋的斜度为2°～5°。壁厚设计尽可能均匀，过厚的部分容易在内部产生气孔、收缩变形等缺陷，如图4-16所示。在壳体转弯连接处，应避免使用锐角连接，而采用圆角过渡，否则，易造成应力集中，如图4-17所示。在壳体结构上，尽量避免表面凹陷，否则将加大模具的复杂性，降低效率，增加成本，如图4-18所示。4.3注塑件的结构设计返回对于机械加工的零件，在构型上要考虑到使装卡、加工与测量时间比较短，设备费用低等因素。主要体现在加工面的形状力求简单，尺寸力求小，位置应方便装卡与刀具的退出，避免在斜面上钻孔，避免在内表面上进行复杂的加工等。例如图4-19所示，将内部加工的键槽改为在外部加工，就是合理的结构构型。结构复杂的零件会增加加工工序，浪费材料，提高成本。为了改变这样的结构可采用组合件来实现同样的功能。图4-20所示为带有两个偏心小轴的凸缘，加工难度较大。但若将小轴改变为用组合方式装配上去，则既改善工艺性，又不失去原有功能。图4-21所示为一燕尾槽滑轨，加工时有一定难度，对刀具容易损坏，如果设计成组合式结构，对加工要求就简单多了。4.4机加工件的结构设计下一页返回图4-22所示的顶尖结构中，左图中显示只有两个圆锥表面，用卡盘无法装卡，右图改变后的结构中增加了一个圆柱表面，方便了装卡。图4-23所示将斜面开孔进行结构变形，使零件表面与孔的中心线垂直，便于加工。4.4机加工件的结构设计上一页返回人工装配时，希望装配可靠、方便、省力。同时随着装配自动化程度的提高，装配自动生产线和装配机器人对结构形状的识别也提出了构型的要求。图4-24所示为一种易装拆的V带轮，带轮由带锥孔的轮毅和带外锥的轴套组成。这种带轮对轴的加工要求较低，连接可靠，装拆方便，不需要笨重的拆卸工具，不同的轴颈只需要更换不同的轴套，因而也扩大了带轮的通用性。图4-25所示为一种弹性活销联轴器的结构。该联轴器最突出的优点之一是只需要一次对中性安装，当更换弹性元件时，不需要移动半联轴器，减少了工时，提高了效率。该联轴器特别适合于轴线对中安装困难，又要求节省工时的场合，1989年获国家专利。对那些外形相似或差别很小、不容易识别的结构，设计时需要在外形上进行巧妙构造，使其造型既不影响结构功能，又使结构形状容易识别。4.5装配输送的结构设计下一页返回如图4-26所示的左、右旋螺栓，从外形上很难识别，结构构型时，可以将左旋螺栓头设计成方形。对于螺栓连接的螺母装配，采用对称结构形状的螺母，不必判别方向，装上即可。这给自动化装配带来万便，可以省去判别方向的过程。对于用机械手安装的零件，可以将螺钉定位结构改变为卡扣定位结构，如图4-27所示。零件在输送时，需要形状简单、稳定，不易互相干扰或倾倒，如图4-28所示。其中图4-28(a)、(c)、(e)、(g)的结构不利于输送，而图4-28(b)、(d)、(f)、(h)为比较合理的结构形状。4.5装配输送的结构设计上一页返回一般情况下，零部件的结构越复杂，其所能完成的功能就越多、越复杂。但是，在某些条件下或某些场合，将复杂的结构巧妙地进行简化设计，使其不仅能保持原功能不变，而且结构简单、新颖，便于制造、安装、调整和维护，这种设计万法即为结构的简化设计。例如在计算机中使用的软盘驱动器上有多处铰链，原设计中普遍采用传统的铰链设计方法[如图4-29(a)所示]，即用销轴构造铰链，其结构复杂，占用空间大。现在的软盘驱动器设计中将多处铰链改为弹性铰链结构，原来的销轴和轴承被一片焊接在两个部件之间的弹性金属片取代[如图4-29(b)所示]，靠金属片的弹性变形实现两个部件之间的相对转动，使结构简化但功能不变。某机器人研究所在设计用于生物工程技术的显微镜调整机构时，需要机构能够精确实现接近生物细胞尺寸的调整量，如果使用通常的设计方法只有采用流体静压导轨结构才能实现，这将需要配置一套包括泵、阀、管路及其他附件的复杂系统。4.6结构简化设计下一页返回他们在设计中采用了弹性进给机构，通过一个梁在载荷作用下的变形实现精确进给，不但结构非常简单，而且工作性能非常稳定。图4-30所示为螺纹连接结构和经结构简化创新设计而改进的快动连接结构对照图。可见，快动连接结构通过零件的弹性变形达到连接的目的，结构简单、便于操作。需要指出，这种快动连接结构只适用于承受载荷较小或不承受载荷的场合。图4-31所示即为一组快动连接结构。图中1均为预备状态，2为工作状态。中心杆和开轴向槽的空心套插在一起共同进入被连接件，图4-31(a)所示连接件，使用时推入中心杆将空心套端部撑开，以其弹性变形提供一定锁合力，单侧操作，推入动作比转动更快，成本低廉，但不能重复使用。图4-31(b)为左右两元件组合，依靠连接件的弹性变形使被连接件锁紧，安装操作简单。4.6结构简化设计上一页下一页返回图4-31(c)所示左右两侧的被连接件厚度不同，连接件在推入中心杆时，空心套底部被挤压变形，当中心杆的定位槽与空心套底部凸边缘相嵌时，即实现了连接。这种连接具有较高的锁合力和抗振能力，其中3为待拆卸状态，连接件组件一起从上方取出，可重复使用。4.6结构简化设计上一页返回宜人结构是指机械设备的结构形状应该适合人的生理和心理要求，使得操作安全、准确、省力、简便，减轻操作的疲劳，提高工作效率。1.减少操作疲劳的结构结构设计与构型时应该考虑操作者的施力情况，避免操作者长期保持一种非自然状态下的姿势。如图4-32所示为各种手工操作工具改进前后的结构形状。改进前结构形状呆板，操作者使用时长期处于非自然状态，容易疲劳；改进后，结构形状柔和，操作者在使用时基本处于自然状态，长期使用也不觉得疲劳。2.提高操作能力的结构操作者在操作机械设备或装置时需要用力，人处于不同姿势、不同方向、不同手段用力时发力能力差别很大。一般人的右手握力大于左手，握力与手的姿势与持续时间有关，当持续一段时间后握力显著下降。推拉力也与姿势有关，站姿前后推拉时，拉力要比推力大；站姿左右推拉时，推力大于拉力。4.7宜人结构设计下一页返回脚力的大小也与姿势有关，一般坐姿时脚的推力大，当操作力超过50～150N时宜选脚力控制。图4-33所示为人脚在不同方向上的力量分布图。用手操作的手轮、手柄或杠杆外形应设计得使手握舒服，不滑动；用脚操作如采用坐姿，座椅要有靠背，脚踏板应设在座椅前正中位置。图4-34所示为旋钮的结构形状与尺寸建议。表4-1列出了各种尺寸旋钮的操纵力。3.减少操作错误的结构为减少操作错误，操作零件的外形要简单、容易辨认；操作位置要合适，应力求使操作零件位于操作者的手或脚够得着的位置；应给操作者提供一个可减轻疲劳的座位，指示仪表在操作者视野范围之内。表4-2列出了各种形状指示仪表的误读率以及相应的结构尺寸。4.7宜人结构设计上一页下一页返回4.外形与色彩零件的外形应与零件的功能、材料、载荷特点、加工方法相适应，同时也要适应人的反应。例如减速箱的功能是放置轴及传动齿轮，同时还要作为轴的支撑与油箱。其材料常用铸铁加工过程有铸造、镗孔、铣平面、钻孔等。箱座的外形常被设计成长方体，安装轴承的支撑处设有加强筋，与箱盖和地面结合处设计成凸缘状，为安装起运方便还应设计吊耳或吊环等。除满足使用功能、加工条件、材料特性外，还要考虑外形的和谐、均衡、稳定。一般产品的外形多为对称布置，例如各种轮型零件的腹板孔常设计成4个或6个，并对称分布；花键的键槽也是对称分布。图4-35表示了一个外形均衡的机座。假如要设计成非对称结构，要注意结构的和谐、合理性。图4-36是几种非对称结构的实例。外形稳定主要体现在上小下大、上轻下重、重心较低，让人产生稳定感。经常采用附加的或扩大支承面来实现稳定。图4-37所示的结构通过扩大支承面实现了外形的稳定。4.7宜人结构设计上一页下一页返回机械产品的配色一方面要考虑与零部件的功能相适应，另一方面还要考虑与环境相协调。例如示警色彩要鲜明，一般采用黄色或红色。消防车用红色，工程车采用黄色。对于机器中的危险部分，如外露的齿轮，自动报警开关等可局部涂上鲜艳的橙色。如希望突出洁净感，可采用比较素雅的色彩，如医疗与食品器械常采用白色或淡蓝色。冰箱、风扇等需要凉爽感的产品则多用冷色。为了隐蔽，色彩要与环境相似，所以军用机械多采用绿色和迷彩颜色。对于机身和机座，常采用套色的做法，一般是二套色。例如机床，为使操作者心情愉快，主调色一般采用鲜艳色彩，辅助色则与机器功能相适应，应能反映出机器的造型和结构特征。故机床一般采用浅灰与深灰、奶白与苹果绿或苹果绿与深紫的套色方法。4.7宜人结构设计上一页返回图4-1返回图4-2返回图4-3返回图4-4返回图4-5返回图4-6返回图4-7返回图4-8返回图4-9返回图4-10返回图4