结构设计的加工工艺性

　　1：前言

　　本文就工业结构设计的零件的机械加工性做简单的汇总。要想将机械加工的工艺性在一篇文章里就说清楚，是不可能的，至少不是笔者水平能达到的。

　　作为结构设计员，必须对通常的机械加工工艺和当前主流工艺深入了解，否则可能画出来的图，加工厂做不了。

　　做不了还好，问题直接就体现出来了，就怕能做，但是需要复杂工艺和高昂成本，这是隐性的。等到厂家做完，要加工费时，你会发现怎么这么贵?人家就会回答，为了达到什么什么指标，必须如何如何加工，所以这么贵。

　　如果提前报价还可避免这个问题，但就我公司现状来讲，加工由物流负责，零件种类很多，许多“小东西”难以一一报价。有时就会出现上面的问题。所谓“小东西”，完全靠物流人员的主观判断。公司并没有专门文件规定如何区分。

　　请阅读者行家多多批评指教，不全面之处，烦请提出，不胜感谢!

　　2：机械加工的范畴

　　机械加工就是使用加工机械改变零件外形或零件性能。

　　这个定义太笼统了些，下面细分一下。总体上说，机械加工分为两大类，一类是冷加工，一类是热加工。二者区分的标准就在于是否改变零件材料的金相组织。有时两者同时具有。比如钣金折弯，同时获得了变形区域的冷作硬化，如果不利，则需要退火或者回火来消除。

　　不改变金相组织的有切削加工、钣金、线切割、电火花、腐蚀、激光加工等，相反就是热加工了。通常说的冷加工就是切削加工和钣金加工，它们的特点是具有改变零件外形。热加工通常不改变形状，但不是绝对的，会造成微观改变，常见的就是各种热处理、锻造、铸造、焊接、时效、表面处理等。

　　熟悉这些工艺对工业结构设计工程师而言，至关重要。否则面对一个需求，不清楚如何实现，或者不清楚需要多大代价实现，那是不可想象的。

　　对每一类加工方式，都已被细分成一个行业了，因此，必须对这些行业深入了解。下面对每个常遇到的机械加工细分行业做个简单介绍。

　　3：切削加工

　　最常见的就是加工中心了，它属于铣削，能加工复杂形状。结构设计者需要了解材料硬度、机床刀具范围，在画图的时候考虑清楚是否有刀具空间。比如设计一个非直线的槽，宽只有3毫米，深度40毫米，那就很难实现，需要用电火花加工，成本比较高。

　　其次是车削，单件小批时使用普通车床，批量较大时选择数控车床较好。具有异形回转表面的优先选用数控车床，也可制作专用刀具在普通车床上加工。车削仍然是考虑材料加工性和刀具空间，尤其是退刀槽等。

　　比较深入的问题也很多，例如螺纹加工，普通车床很难做到切入点的一致性，因此螺纹的有效长度会有差别，笔者设计的一个结构中碰到这个问题，被迫作了一个结构来消除这个差异。

　　有时做结构设计时，需要实时询问加工厂家，是否有这样的刀具，是否有这样的材料等。

　　其他还有刨、磨、钻、拉、镗等切削方法，不再一一列举了。

　　对于结构设计来说，要知道它们通常能达到的精度，数控铣和车床一般是0.01毫米，叫1丝或1道，再小就要增加费用了，当然再大也会降低费用，只是不明显了，一般来说，车和铣就是1丝的活。当然也和零件尺寸有关，上面说的也就是200毫米以内的小零件。至于磨床，可以掌握到0.25丝，就是2.5微米精度，这是通常的。这种情况一般是在室温20摄氏度时测量，因为天冷就可能导致零件不合格。

　　4：其他冷加工

　　指钣金、线切割、电火花、腐蚀、激光加工等，这些加工方式各有各的局限性，也各有各的优点。比如线切割，必须针对能导电的金属，但优点也很多，能切出很复杂的平面图形、加工与材料硬度无关、能一次加工许多层薄的零件、基本不改变金属的金相组织等。激光加工则只能切除很少的材料，一半用来刻字或花纹。钣金包括冲压、折弯两大类，其中包括拉伸，子弹壳就属于拉伸成形。电火花加工一般面对硬度较高的材料，比如模具淬火后，必须用电火花或腐蚀的方法进行精加工，然后再用抛光、电镀形成完美的形腔。

　　5：热处理、锻造、铸造、焊接、时效、表面处理等热加工

　　有人将时效分为热时效和振动时效，然后把热时效放到热处理里面，我认为是对的，不影响本文这么分类。但有些工程师习惯将表面阳极氧化也放到热处理里面，笔者个人认为这么做就不好了，因此本文宁可将表面处理单独分开。

　　热处理主要是淬火、退火，热时效其实就是退火的一种，可以通过加热的温度高低和冷却的时间长短来控制金属材料的金相组织形态，可以变得很硬，也可变得很软。冷深拉伸时，必须分多次拉伸，中间加入多次退火处理，就是为了消除冷作硬化。

　　锻造的目的是改善零件形状，使得切削余量小，节省材料。另一个目的是改变金属内部金相组织，消除铸造等造成的内部金属金相不均匀性。例如高速钢，必须用锻造达到完全击碎内部晶粒，使得材料变得非常一致，就像生活中揉面团一样。又比如曲轴，在达到材料一致的同时，能使细的地方和粗的地方的加工余量大致一致，节省了许多昂贵的材料。一般锻造的时候，在零件最终形状的基础上加上合理余量，就是毛坯的形状，这个形状是工艺员设计的，必须符合锻造工艺要求。

　　铸造是将材料液化，然后注入形腔冷却成形，分金属铸造、注塑、压铸等。一个有趣的现象是，ABS材料注塑和硅胶注塑又分成两个行业，ABS注塑是冷却成形，而硅胶注塑是加热成形。

　　时效是利用足够长的时间来振动零件或者在某温度保温零件，使零件的金相组织发生缓慢变化的工艺。比如振动时效，主要是消除内应力，它们由冷作硬化、焊接、铸造等造成。

　　表面处理则种类繁多，例如阳极氧化改变金属表面颜色和耐磨性、防水性等。发蓝工艺强化表面硬度、防锈。渗碳、渗氮、软氮化都是大幅度提高表面一定厚度的硬度、韧性、抗疲劳特性、防水性等，软氮化就是碳氮共渗。封釉、封塑、喷漆、烤漆是在零件表面附着一层涂料，注意表面需提前处理以便涂料附着牢固。抛光、火花纹是通过微量切削改变表面外观的方法，其中火花纹还能在表面形成分布均匀的硬点区域，能提高耐磨性。比如机床的导轨，需要打火花纹来形成存油微坑，同时靠形成局部硬点区域来提高耐磨性。电镀则在导电零件表面形成致密的一薄层电镀金属，一般有镀金、银、锌、镍、铬等，电镀行业的厚度单位叫麦，1麦就是百万分之一英寸，可方便地记为微英寸，是0.0254微米。