5.3　机械设计方向应用

机械制图是用图样确切表示机械的结构形状、尺寸大小、工作原理和技术要求的学科。图样由图形、符号、文字和数字等组成，是表达设计意图和制造要求以及交流经验的技术文件，常被称为工程界的语言。

5.3.1　机械制图的基本概念

一套完整的机械工程图如图5-80所示，通常包含以下各项。

图5-80　完整的机械工程图效果

图纸：表达机件各部位形状的整体图。

尺寸：标注机件各部位的尺寸数值。

注释：用于说明材料、热处理或加工制造等细节要求。

图框和标题栏：每张图纸都应附图框和标题栏，如图名、图号、生产单位、设计者、绘图者、比例、日期等。

组装图纸：表达机件各部位的装配关系。

另附部件表和材料表。

此外，如果零件属于批量生产的，则需要工具设计部门另制工程图和程序图来描述制造步骤，并说明所使用的特殊工具、钻模、夹具和量规的类别，以供制造部门使用。

5.3.2　机械制图的相关国家标准

关于机械图样的图形画法、尺寸标注等，国家已制定明确的标准。在绘制机械图样的过程中，应了解并遵循这些绘图标准。

GB/T 14690—1993《技术制图 比例》 

GB/T 14691—1993《技术制图 字体》 

GB/T 14665—2012《机械工程 CAD制图规则》 

GB/T 4458.1—2002《机械制图 图样画法 视图》 

GB/T 16675.1—2002《技术制图 简化表示法 第1部分：图样画法》 

1．图形比例标准

比例是指机械制图中图形与实物相应要素的尺寸之比。例如，比例为1:1表示实物与图样尺寸相等；比例大于1则图形尺寸大于实物尺寸，称为放大比例；比例小于1则图形尺寸小于实物尺寸，称为缩小比例。

国家标准GB/T 14690—1993《技术制图 比例》规定的制图比例的种类和系列如表5-6所示。

表5-6　比例的种类与系列 

注：n为正整数。

机械制图中常用的3种比例为2:1、1:1和1:2。比例的标注符号应以“:”表示，标注方法如1:1、1:100等。比例一般应标注在标题栏的比例栏内，局部视图或者剖视图还需要在视图名称的下方或者右侧标注比例，如图5-81所示。

图5-81　比例的另行标注

2．字体标准

文字是机械制图中必不可少的要素，因此国家标准对字体也作了相应的规定，详见GB/T 14691-1993《技术制图 字体》。该标准对机械图样中书写的汉字、字母、数字的字体及字号（字高）规定如下。

图样中书写的字体必须做到：字体端正、笔画清楚、排列整齐、间隔均匀。汉字应写成长仿宋体，并应采用国家正式公布推行的简化字。

字体的高度（单位为mm）分为20、14、10、7、5、3.5、2.5共7种字号，字体的宽度约等于字体高度的2/3。

斜体字字头向右倾斜，与水平线成75°角。

用作指数、分数、极限偏差、注脚等的数字及字母，一般采用比主体文字小一号的字体。

3．图线标准

在GB/T 14665—2012《机械工程 CAD制图规则》中，对机械图形中使用的各种图线及其在图形中的格式都做了相关规定，如表5-7所示。

表5-7　图线的形式和用途

提示线宽栏中的“b”代表基本线宽，可以自行设定。基本线宽推荐值包括2.0 mm、1.4 mm、1.0 mm、0.7 mm、0.5 mm和0.35 mm。同一图纸中，应采用相同的b值。

4．尺寸标注标准

在GB/T 4458.4—2003《机械制图 尺寸注法》中，对尺寸标注的基本规则、尺寸线、尺寸界线、标注尺寸的符号、简化标注以及尺寸的公差与配合标注等都有详细的规定。

5.3.3　机械制图的种类与组成

前文说过，机械设计是一项复杂的工作，设计的内容和形式也有很多种，但无论是其中的哪一种，机械设计体现在图纸上的结果都只有两个，即装配图和零件图。

1．装配图

装配图是表达产品或部件的整体结构，以及部件与部件、零件与部件或零件之间连接的图样，应包括装配与检验所必需的数据和技术要求，如图5-82所示。其中，产品装配图也称为总装配图，产品装配图中具备总图所要求的全部核心内容时，可作为总图使用。

图5-82　装配图效果

在产品或部件的设计过程中，一般先绘制装配图，根据装配图进行零件设计，再绘制零件图；在制造过程中，先根据零件图进行零件加工和检验，再依据装配图所制定的装配工艺规程将零件装配成机器或部件；在使用、维护及维修过程中，也经常要通过装配图来了解产品或部件的工作原理及构造。

一般情况下，设计或制作一个产品都需要使用装配图。一张完整的装配图应该包括以下内容。

（1）一组视图。这组视图能正确、完整、清晰地表达产品或部件的工作原理、各组成零件间的相互位置和装配关系及主要零件的结构形状。

画装配图时，部件大多按工作位置放置。主视图应选择反映部件主要装配关系及工作原理的方向，主视图的表达方法多采用剖视图；其他视图以进一步准确、完整、简便地表达各零件间的结构形状及装配关系为原则，多采用局部剖视图、拆去某些零件后的视图、断面图等表达方法。

装配图的视图表达方法和零件图基本相同，也可以使用各种视图、剖视图、断面图等，但装配图的侧重点是将零件的结构、工作原理和装配关系正确、清晰地表达出来。由于表达的侧重点不同，国家标准对装配图的画法另行规定。

（2）必要的尺寸。装配图的尺寸标注和零件图不同，零件图要清楚地标注所有尺寸，确保准确无误，而装配图上只需标注与性能、安装、运输、装配有关的尺寸，包括以下尺寸类型。

特性尺寸：表示装配体的性能、规格或特征的尺寸，它常常是设计或选择使用装配体的依据。

装配尺寸：是指装配体各零件间装配关系的尺寸，包括配合尺寸和相对位置尺寸。

安装尺寸：表示装配体安装时所需要的尺寸。

外形尺寸：装配体的外形轮廓尺寸(如总长、总宽、总高等)，是装配体在包装、运输、安装时的尺寸依据。

其他重要尺寸：不能包括在上述几类尺寸中的重要尺寸，如运动零件的极限位置尺寸。

（3）技术要求。装配图中的技术要求就是采用文字或符号来说明机器或部件的性能、装配、检验、使用、外观等方面的要求。技术要求一般注写在明细表的上方或图纸下部空白处，如果内容较多，也可另外编写技术文件作为图纸的附件，如图5-83所示。 

图5-83　技术要求

技术要求的内容应简明扼要、通俗易懂。技术要求的条文应编写顺序号，仅一条时可以不写顺序号。装配图技术要求的内容如下。

装配体装配后所达到的性能要求。

装配体装配过程中应注意的事项及特殊加工要求。

检验、实验方面的要求。

使用要求。

（4）零部件序号。按国家标准规定的格式绘制标题栏和明细栏，并按一定格式将零部件进行编号，填入标题栏和明细栏。零部件序号是由圆点或箭头、指引线、水平线或圆(细实线)、数字组成，序号写在水平线上侧或小圆内，如图5-84所示。

图5-84　零部件序号的标注类型

在机械制图中，序号的标注形式有多种，序号的排列也需要遵循一定的原则，这些原则总结如下。

在装配图中，所有的零部件都必须编写序号。

装配图中零部件序号要与明细栏中的序号一致。

序号字体应与尺寸标注一致，字高一般比尺寸标注的字高大一至二号。

同一装配图中的零部件序号类型应保持一致。

装配图中的每个零件都必须编写序号，相同零件只需编写一个序号。

指引线应由零件可见轮廓内引出，零件太薄或太小时，建议用箭头指向，如图5-85所示。

图5-85　箭头标注序号 

紧固件以及装配关系清晰的零件组，可采用公共指引线，如图5-86所示。

图5-86　公共指引线标注序号

指引线应避免彼此相交，也不宜过长。若指引线必须经过剖面线，应避免指引线与剖面线平行。必要时可以画成折线，但只能折一次。

序号应按水平方向或垂直方向排列整齐，并按顺时针或逆时针方向顺序编号。 

（5）标题栏和明细栏。为了方便装配时查找零件和管理图纸，必须对零件编号，列出零件的明细栏。明细栏是装配体中所有零件的目录，一般绘制在标题栏上方，可以和标题栏连在一起，也可以单独画出。明细栏序号按零件编号从下到上编排，以方便修改。明细栏的框线用粗实线绘制，行线和栏线用细实线绘制。图5-87是明细栏的常用形式和尺寸。 

图5-87　装配图明细栏

总的来说，装配图是表达设计思想及技术交流的工具，是指导生产的基本技术文件。因此无论是在设计还是测绘机器时都必须画出装配图。

2．零件图

零件图即装配图中各个零部件的详细图纸。零件图是制造和检验零件的主要依据，是设计部门提交给生产部门的重要技术文件，也是进行技术交流的重要资料。本节主要讲解零件图的相关知识。

零件图是生产中指导制造和检验该零件的主要图纸，它不仅仅是把零件的内、外结构形状和尺寸表达清楚，还需要对零件的材料、加工、检验、测量提出必要的技术要求。零件图必须包含制造和检验零件的全部技术资料。因此，一张完整的零件图一般应包括图形、尺寸、技术要求和标题栏几项内容，如图5-88所示。

图5-88　减速器传动轴零件图

（1）完善的图形。零件图中的图形要求能正确、完整、清晰和简洁地表达出零件内外的形状，其中包括零件的各种表达方法，如三视图、剖视图、断面图、局部放大图和简化画法等。

（2）详细的尺寸。零件图中应正确、完整、清晰、合理地标注出制造零件所需的全部尺寸。与装配图只需添加若干必要的尺寸不同，零件图中的尺寸必须详尽，因为零件图是直接用于加工生产的，任何尺寸的缺失都将导致零件无法正常加工。因此，在一般的机械设计过程中，设计师完成零件图后，还需要由其他1～2位设计人员进行检查，防止出现尺寸缺失。

（3）技术要求。零件图中必须用规定的代号、数字、字母和文字注解说明制造和检验零件时在技术指标上应达到的要求，如表面粗糙度、尺寸公差、形位公差、材料和热处理、检验方法以及其他特殊要求等。技术要求的文字一般注写在零件图空白处。

（4）标题栏。零件图中的标题栏应配置在图框的右下角。它一般由更改区、签字区、其他区、名称区以及代号区组成。填写的内容主要有零件的名称、材料、数量、比例、图样代号以及设计、审核、批准者的姓名、日期等。标题栏的尺寸和格式已经标准化，可参见有关标准，图5-89为常见的零件图标题栏形式与尺寸。 

图5-89　零件图标题栏

【练习5-3】零件图的绘制

本节以图5-88所示的减速器传动轴为例，介绍零件图的具体绘制方法。

（1）启动AutoCAD，打开素材文件，所需图层已创建完毕。

（2）将【中心线】图层置为当前层，执行【构造线】命令，在适当位置绘制水平中心线及垂直的定位中心线。

（3）使用快捷键O激活【偏移】命令，对垂直中心线进行多重偏移，如图5-90所示。 

图5-90　偏移垂直中心线

（4）再使用【偏移】命令，对水平中心线进行多重偏移，如图5-91所示。 

图5-91　偏移水平中心线

（5）切换到【轮廓线】图层，执行【直线】命令，绘制轴体的半边轮廓，再执行【修剪】和【删除】命令，修剪多余的辅助线，结果如图5-92所示。 

图5-92　绘制轴体

（6）单击【修改】面板中的【倒角】按钮，激活【倒角】命令，对轮廓线进行倒角，倒角尺寸为C2，然后使用【直线】命令，配合捕捉与追踪功能，绘制倒角线，结果如图5-93所示。 

图5-93　倒角并绘制倒角线

（7）激活【镜像】命令，对轮廓线进行镜像复制，结果如图5-94所示。 

图5-94　镜像图形

（8）绘制键槽。调用【偏移】命令，创建如图5-95所示的垂直辅助线。 

图5-95　绘制垂直辅助线

（9）将【轮廓线】置为当前层，调用【圆】命令，以上一步绘制的垂直辅助线与水平中心线的交点为圆心，绘制直径为12和8的圆，如图5-96所示。 

图5-96　绘制圆

（10）使用【直线】命令，配合【捕捉切点】功能，绘制键槽轮廓，如图5-97所示。

图5-97　绘制连接直线

（11）使用【修剪】命令，对键槽轮廓进行修剪，并删除多余的辅助线，结果如图5-98所示。 

图5-98　删除多余图形

（12）绘制断面图。将【中心线】置为当前层，调用【构造线】命令，绘制如图5-99所示的水平和垂直构造线，作为移出断面图的定位辅助线。

图5-99　绘制构造线 

（13）将【轮廓线】置为当前层，调用【圆】命令，以构造线的交点为圆心，分别绘制直径为30和40的圆，结果如图5-100所示。 

图5-100　绘制移出断面图

（14）单击【修改】面板中的【偏移】按钮，对Ø30的水平和垂直中心线进行偏移，结果如图5-101所示。 

图5-101　偏移中心线得到键槽辅助线

（15）将【轮廓线】置为当前层，调用【直线】命令，绘制键深，结果如图5-102所示。

图5-102　绘制Ø30的键槽轮廓 

（16）调用【删除】和【修剪】命令，去掉不需要的构造线和轮廓线，整理后Ø30断面图如图5-103所示。 

图5-103　修剪Ø30的键槽

（17）按相同方法绘制Ø40键槽图，如图5-104所示。

图5-104　绘制Ø40的键槽轮廓

（18）将【剖面线】置为当前层，单击【绘图】面板中的【图案填充】按钮，为此剖面图填充【ANSI31】图案，填充比例为1，角度为0，填充结果如图5-105所示。 

图5-105　填充图案效果

（19）绘制好的图形如图5-106所示。 

图5-106　减速器传动轴的轮廓图形

（20）标注轴向尺寸。切换到【标注线】图层，调用【线性】标注命令，标注轴的各段长度如图5-107所示。 

图5-107　标注轴的轴向尺寸

提示标注轴的轴向尺寸时，应根据设计及工艺要求确定尺寸基准，通常有轴孔配合端面基准面及轴端基准面。应使尺寸标注反映加工工艺要求，同时满足装配尺寸链的精度要求，不允许出现封闭的尺寸链。如图5-107所示，基准面1是齿轮与轴的定位面，为主要基准，轴段长度36、183.5都以基准面1为基准标注尺寸；基准面2为辅助基准面，用于确定最右端的轴段长度为17，以满足轴承安装要求；基准面3同基准面2，用于确定轴段长度为60，以满足联轴器的安装要求；而未特别标明长度的轴段，其加工误差不影响装配精度，因而取为闭环，加工误差可积累至该轴段上，以保证主要尺寸的加工精度。

（21）标注径向尺寸。同样调用【线性】标注命令，标注轴的各段直径长度，尺寸数字前注意添加直径符号“Ø”，如图5-108所示。 

图5-108　标注轴的径向尺寸

（22）标注键槽尺寸。调用【线性】标注命令，标注键槽的移出断面图，如图5-109所示。 

图5-109　标注键槽的移出断面图

（23）添加轴段1的尺寸精度。轴段1上需安装HL3型弹性柱销联轴器，因此尺寸精度可按相应的配合公差选取。由于此处轴径较小，可选用r6精度，查得Ø30对应的r6公差范围为+0.028～+0.041。双击Ø30的尺寸标注，在尺寸文字后输入该公差信息，如图5-110所示。 

图5-110　输入轴段1的尺寸公差

（24）创建尺寸公差。按住鼠标左键，向后拖动，选中“+0.041^+0.028”，然后单击【文字编辑器】选项卡中【格式】面板中的【堆叠】按钮，即可创建尺寸公差，如图5-111所示。

图5-111　创建轴段1的尺寸公差

（25）添加轴段2的尺寸公差。轴段2上需要安装端盖，以及一些防尘的密封件（如毡圈）。总的来说，精度要求不高，可以指定一个合适的尺寸公差。

（26）添加轴段3的尺寸公差。轴段3上需安装6207深沟球轴承，因此该段的径向尺寸公差可按轴承的推荐安装参数取值，即k6。查得Ø35对应的k6公差范围为+0.018～+0.002，再按相同标注方法标注即可，如图5-112所示。 

图5-112　标注轴段3的尺寸公差

（27）添加轴段4的尺寸公差。轴段4上需安装大齿轮，而轴、齿轮的推荐配合为H7/r6，因此该段的径向尺寸公差应为r6。查得Ø40对应的r6公差范围为+0.050～+0.034，再按相同标注方法标注即可，如图5-113所示。 

图5-113　标注轴段4的尺寸公差

（28）添加轴段5的尺寸公差。轴段5为闭环，无尺寸，无须添加尺寸公差。

（29）添加轴段6的尺寸公差。轴段6的尺寸公差同轴段3，按轴段3进行添加，如图5-114所示。 

图5-114　标注轴段6的尺寸公差

（30）添加键槽公差。轴上键槽的宽度公差取h9，仅允许负偏差，取下偏差为-0.2，如图5-115所示。

图5-115　标注键槽的尺寸公差

提示在装配减速器时，一般是先将键敲入轴上的键槽，然后再将齿轮安装到轴上，因此轴上的键槽与键应配合紧密些，故取负公差；而齿轮轮毂上的键槽与键之间，需要轴向移动的距离超过键本身的长度，因此间隙应大一点，便于装配。

（31）标注完尺寸公差的图形如图5-116所示。 

图5-116　标注后的图形

提示所有未标注精度要求的尺寸，其线性和角度尺寸公差按GB/T 1804—2000《一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差》执行，形状和位置公差按GB/T 1184—1996《形状和位置公差 未注公差值》执行，并需在技术要求中说明。

（32）放置基准符号。以重要的轴段为基准，在轴段1、轴段3、轴段4、轴段6上放置基准符号，如图5-117所示。

图5-117　放置基准符号

（33）添加轴上的形位公差。轴上的形位公差主要针对轴承段、齿轮段，公差类型为圆跳动，具体标注如图5-118所示。 

图5-118　标注轴上的圆跳动公差

（34）添加键槽上的形位公差。键槽上的形位公差主要指键槽两侧面相对于轴线的对称度，具体标注如图5-119所示。 

图5-119　标注键槽上的对称度形位公差

（35）标注轴上的表面粗糙度。轴上需要配合部分需标注表面粗糙度，如轴段1、轴段3、轴段4、轴段6等，插入表面粗糙度图块，具体标注如图5-120所示。 

图5-120　标注轴上的表面粗糙度

（36）标注断面图上的表面粗糙度。键槽部分表面粗糙度可按相应键的安装要求进行标注，本例中的标注如图5-121所示。 

图5-121　标注断面图上的表面粗糙度

（37）标注其余表面粗糙度，完善图形细节，再将图形移动至A4图框中的合适位置，如图5-122所示。 

图5-122　添加标注后的图形

（38）填写技术要求。单击【默认】选项卡中【注释】面板上的【多行文字】按钮，在图形左下方的空白部分插入多行文字，输入技术要求，如图5-123所示。 

图5-123　填写技术要求

（39）减速器传动轴零件图绘制完成，最终的图形效果如图5-124所示。 

图5-124　减速器传动轴零件图绘制完成效果