基于零件表達方案選擇及優化的思考

趙晉峰 武學峰 張敬芳

（1.太原科技大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.太原科技大學機械工程學院，山西 太原 030024）

“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽（以下簡稱“大賽”）是國內圖學類課程最高級別的國家級賽事，主要目的是為了培養大學生的工匠精神和創新意識，全面提高大學生圖學技能，為中國制造業的發展發掘和培養大量優秀人才[1]。大賽的機械類比賽是以工程圖學課程為基礎，考察學生讀圖識圖、繪制工程圖及計算機建模方面的能力。工程制圖是根據零件立體圖采用尺規繪圖或cad 軟件繪制工程圖。不論是采用何種形式，其本質都是要用工程圖樣把所給零件正確、簡明、快速地表示清楚。

隨著大賽的發展，競賽題目推陳出新，難度逐年增加，學生在備賽中存在識圖困難、制定表達方案不合理、效率低、不知如何優化的問題。如何能夠快速準確地讀懂零件的軸測圖并制定一個合理的表達方案？如何進一步優化表達方案？這些是備賽過程中必須解決的關鍵問題。

本文就上述問題提出識圖十字準則，闡述了如何確定零件表達方案的思路，進一步提出對表達方案進行優化和評價的方法；對零件圖教學、成圖比賽訓練及機械產品設計等方面有一定的借鑒和參考意義。

1 零件立體圖或工程圖的讀圖與識圖

圖學課程要求工科大學生掌握用二維成圖技術、三維建模工具繪制工程圖的能力，具備這些能力是從事工程領域工作重要的基本功，如果沒有這些扎實的基本功，不可能成為一名出色的工程師[2]。讀圖是制定表達方案思路的前提條件。在繪制工程圖或三維建模前，可遵循 “位置在哪里？形狀是什么？” 的十個字準則進行讀圖。

在繪制工程圖時，首先根據題中基本信息，分析機件的加工工藝、功能用途，合理地把零件分隔為若干部分。相對于零件整體，各個部分位置在哪里？形狀是什么？遵循這個原則，就可以快速準確地辨析復雜的結構和繁多的尺寸。圖1 所示的蝸輪減速器：該零件加工工藝為鑄造及切削加工，功用是容納蝸輪蝸桿并安裝減速器其他零件；蝸輪蝸桿要實現嚙合并傳動，它們的軸線（即圖中所示的兩條中心線）就是該殼體的基準。以蝸輪所在的空腔軸線為基準，與蝸桿所處位置軸間距為37mm，與零件方形端面距離為55mm；確定這一位置，即可捕捉對應的形狀尺寸，蝸輪所處空腔為回轉結構，蝸桿所處空腔為長方體結構；以Φ36mm 法蘭的端面為基準，這是切削加工時的工藝基準，可以確定方腔體上長度尺寸和Φ20mm 凸臺的端面位置；端面上的螺紋孔、3 個沉頭孔亦可確定。

圖1 蝸輪減速器殼體

2 零件表達方案思路的來源

確定零件表達方案的思路是工程圖繪制過程中最核心的要義，表達的優劣直接影響著生產部門的制造與檢驗，因此設計者必須選擇一個簡明的方案。從學習與競賽實戰出發，可以從實際功能用途角度分析、閱讀積累圖例總結歸納兩個方面來確定零件表達方案的思路。

2.1 從功用角度確定表達方案

機械零件都有功能用途，從結構形狀上考慮表達方案存在局限性；從設計角度考慮，每個零件都由實際生產需求而設計的，即零件根據其所要承擔的功能作用而產生，根據這個想法逆向思考，零件表達方案思路也可以根據其功能作用來確定[3]。以圖2 閥體為例：

圖2 閥體

該零件有通止流體的作用，表達方案要體現以下三點：兩條通道及其相貫情況、閥體與其他零件配合部位、閥體如何固定。所以選擇主、俯視圖表達第一點，第二、三點要表達的內容可通過剖切來實現，只有“□30mm”的凸臺因其是非獨立凸臺，可以通過C向局部視圖表達出來。

2.2 從閱讀已有表達方案中總結歸納

面對陌生零件時，所給信息不能完全反映零件的功用，可以通過大量閱讀已有的機械零件圖不斷積累。在閱讀和汲取經驗的過程中，有以下三層境界。

2.2.1 共通性

按照零件結構特點、視圖特點、功能作用綜合考慮把零件分為軸套、輪盤、叉架和箱體四類零件。

從加工工藝角度分析：軸套類零件要通過自由鍛和車削加工制造；輪盤類零件由模鍛和切削加工制造、簡單薄壁蓋可通過沖壓制造、箱蓋可由鑄造制造；叉架類零件由模鍛或鑄造獲得毛胚，再由車削、銑削等工序加工；箱體類零件的加工主要有毛坯鑄造、銑削、孔加工、攻螺紋、去毛刺等工序。

從功能用途角度分析：軸套類中軸一般用來傳遞動力和支承傳動零件（如齒輪、帶輪），套一般與軸間隙配合起軸向定位作用；輪盤類中輪為傳遞動力，蓋起密封定位的作用；叉架類中撥叉類零件傳遞運動，支架支座起支承固定的作用；箱體類零件中箱殼類起容納作用，泵體類起導流傳遞的作用，閥體類配合閥芯起使流體通止的作用。

視圖表達與結構特點因上述加工方式、功能作用相似，共通之處就更多。這體現了零件的共通性：即便沒有哪兩種零件形狀功能完全一致，但在思考方向（制定原則）這一維度上是統一的[4-6]。

2.2.2 各異性

在制圖課程中系統地對四類典型零件的表達方案都做了具體圖例說明，但實踐中，在對零件確定表達方案時，會發現沒有哪一種表達方案思路能夠作為一個通用的模板。這取決于諸多的因素：功能各異的零件結構一定不同，所以表達方案不同；即使功能類似，由于設計思路、使用環境等方面的不同，設計出的零件也有很大區別；面對同一個零件，同學們都有自己獨特的看法，會形成各具特點的表達方案，在符合標準的情況下沒有對錯之分。在實際制定表達方案的思路這一維度上體現出零件之間的各異性。

2.2.3 借鑒性

通過大量讀圖并總結后，盡管零件互不相同，表達方案也沒有定式，但在統一的機械規律、畫法標準下，能梳理出不同表達方案之間的借鑒之處。

例如箱體類零件從機械功用角度可分為各類功能大同小異的柱塞泵體、減速器殼體、油泵泵體等，它們在功能上類似，自然在結構上有諸多相似之處，圖樣畫法也就有了相似之處[7]。

對于具體的圖樣畫法來說，許多比較復雜的零件不足以在基本視圖中把內外形都表達清楚，這時候剖切看內形，外形就需要另行表達。其中凸臺或類似凸臺結構的畫法就有以下三種：體現在基本視圖中、獨立凸臺的局部視圖、非獨立凸臺的局部視圖。能在基本視圖中畫出凸臺或類似凸臺結構是最佳的，如果畫不出則需要另外的局部視圖表達，凸臺或類似凸臺結構獨立與否，所畫出的局部視圖是不一樣的。凸臺獨立性判據是：如果凸臺的位置在基本視圖中表達清楚，且只與機體在一個方向上相連，則該凸臺獨立，否則不獨立；類似凸臺結構可不考慮上述第二個條件。

閱讀圖例歸納總結思路是周期較長的工作，在對零件及圖樣畫法有深入思考和細致歸類分析的基礎上，通過共通性-各異性-借鑒性這三重境界的循序漸進，并對其辯證思考，就可以建立一個自己獨特的表達方案思路體系。

3 零件表達方案的優化

表達方案確定后，需要考慮該方案是否可優化，這是評價體系的重要標準。優化問題既是對已制定的表達方案進一步的凝練，也是對表達方案的評判標準。工程圖樣的優化有三層要求：

首先是標準問題。繪制工程圖樣時要注意規范性，嚴格遵守相應的國家標準。圖紙是有著對錯之分的，如全剖、半剖、局部剖的區別和畫法；旋轉剖和階梯剖的區別，第六屆大賽手繪題中，不少同學混淆了概念，把題中所展示的剖切分界線當作了旋轉剖回轉軸線進行剖切，則表達方案選擇錯誤。此外，視圖的配置問題、圖線字體的使用、尺寸及技術要求的標注，都要遵守國家標準或技術規范中的要求。

其次是優劣問題。從表達方案思路的制定和繪制工程圖的速度兩方面優化。通過對比各種方案的簡潔性、明確性以及繪圖的速度，得出一個相對優質的表達方案。在平時訓練中，可以著重單方面提升，先精心琢磨表達方案如何更加簡明；然后再著重提升繪圖速度。方案的簡明程度會正向反饋到繪圖速度中，速度會大幅度得到提升。

最后是圖紙的巧妙性與美觀性。如優化圖2中閥體：可采用靈活使用局部剖，將高度尺寸為22mm 空腔和Φ30mm 空腔的上表面相切，可明確下表面截交的情況；利用局部剖視圖，將底板的锪平沉孔融入主視圖中，這樣表達方案就更加清晰了。此外，引入美學的概念，如各視圖的布置、尺寸與技術要求的標注等，這些既有國家標準的約束，又呈現出均勻美觀的效果。

在整個繪圖過程中，將上述的標準、思路、速度、美觀四方面有機地統一結合起來，所繪制的工程圖將是近乎完美，相適應地在學習或競賽中會有一個較好的成績。

4 總結

在學習、備賽比賽過程中，按照“位置在哪里，形狀是什么”十個字準則進行讀圖、識圖；從功用角度分析與大量閱讀經典圖例這兩條途徑來確立和豐富自己制定表達方案的思路；從“對錯”“優劣”“巧妙”這三個層次的要求不斷優化表達方案，從而達到符合教學與競賽的要求，獲得比較好的成績，并且在這個過程中也能夠了解到一些實際生產過程中的知識，以彌補平時學習中多理論少實踐的短板。