投稿類別 : 工程技術類 篇名 : 概論圖面繪製標註的重要性 作者 : 黃文宣 國立永靖高級工業職業學校 製圖科三年甲班邱湘諭 國立永靖高級工業職業學校 製圖科三年甲班 指導老師 : 蕭永和老師 1
壹 前言 人類日常生活中所看見的機械 交通工具 3C 產品等如工作機械 產業機械 汽機車 火車 手機 電腦等相關產品都必須透過一定的產品開發設計程序才能完成的 ( 如圖一所示 ), 在開發設計程序中, 圖面的繪製標示是設計的起源, 可以說沒有設計圖就不會有新的產品被開發出來 人與人之間溝通是靠著語言 肢體動作 臉部表情來完成的, 但是在產品開發過程裡, 必須透過設計圖將產品的設計構想及工程上想達到的功能 品質清楚完整的傳達給加工製造 組裝與檢測使得產品被順利開發出來推到市場銷售 圖面的溝通傳遞是靠著線條 文字 圖形 數字來描述物體的形狀 大小 尺寸與幾何關係, 所以如何規範圖面的標示準則使得大家識圖的能力有一致性, 是一門基礎而且重要的課程 產品市場性 設計與最佳化分析 設計圖面設計繪製, 包括公差設定 加工設備與成本評估 生產性評估 工程圖面發包製造與組裝 產品成品檢測 不良品 圖一 產品開發程序圖 貳 正文 一 機械零件加工圖面標示要項大致可分為幾個要向來討論, 尺寸與公差 配合制度 位置與類型 表面加工粗糙度 ( 一 ) 尺寸與公差 1 名詞解釋 (1) 公稱尺寸 : 工作圖上表示零件 ( 機件 ) 外形標註之數值 (2) 實測尺寸 : 零件經製造完成後, 所量測的尺寸 (3) 極限尺寸 : 零件製造之最大尺寸與最小尺寸 (4) 公差 : 零件製造時允許尺寸在一定的差異範圍內 2 公差種類: 可分為尺寸公差 形狀公差 幾何公差 (1) 尺寸公差有單向公差 雙向公差 一般公差等 (2) 形狀公差有真直度 : 符號 真平面: 符號 真圓度: 符號 圓柱度: 符號等等 (3) 幾何公差有平行度 : 符號 垂直度: 符號 偏擺度: 符號 同心度: 符號 等等 3 公差等級: 依據 CNS 標準 500 mm以下分為 18 級,IT01 0 1~18, 2
共 20 級,( 如表一所示 ) 其用途如下: (1)IT01~IT4: 用於量具公差或高精密度公差 如塊規 量規等 (2)IT5~IT10: 用於一般機械零件的配合公差 (3)IT11~IT18: 用於不需配合公差的機件, 如橋樑 焊接零件等 表一 CNS 標準公差 表格內數字單位 μm,1μm=0.001 mm 級數 01 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 mm 0.3 0.5 0.8 1.2 2 3 4 6 10 14 3~6 0.4 0.6 1 1.5 2.5 4 5 8 12 30 48~10 0.4 0.6 1 1.5 2.5 4 6 9 15 22 10~18 0.5 0.8 1.2 2 3 5 8 11 18 27 18~30 0.6 1 1.5 2.5 4 6 9 13 21 33 30~50 0.6 1 1.5 2.5 4 7 11 16 25 39 50~80 0.8 1.2 2 3 5 8 13 19 30 46 80~120 1 1.5 2.5 4 6 10 15 22 35 54 120~180 1.2 2 3.5 5 8 12 18 25 40 63 180~250 2 3 4.5 7 10 14 20 29 46 72 250~315 2.5 4 6 8 12 16 23 32 52 81 315~400 3 5 7 9 13 18 25 36 57 89 400~500 4 6 8 10 15 20 27 40 63 97 級數 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 3 mm 25 40 60 100 140 250 400 600 1000 1400 3~6 30 48 75 120 180 300 480 750 1200 1800 6~10 36 58 90 150 220 360 580 900 1500 2200 10~18 43 70 110 180 270 430 700 1100 1800 2700 18~30 52 84 130 210 330 520 840 1300 2100 3300 30~50 62 100 160 250 390 620 1000 1600 2500 3900 50~80 74 120 190 300 460 740 1200 1900 3000 4600 80~120 87 140 220 350 540 870 1400 2200 3500 5400 120~180 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 180~250 115 185 290 460 720 1150 1850 2900 4600 7200 250~315 130 210 320 520 810 1300 2100 3200 5200 8100 315~400 140 230 360 570 890 1400 2300 3600 5700 8900 400~500 155 250 400 630 970 1550 2500 4000 6300 9700 ( 二 ) 配合制度 位置與類型 1 配合制度: 可分為基孔 基軸兩種,( 如圖二所示 ) (1) 基軸制 : 係將軸的公差大小與位置 ( 取 h 位置 ) 固定不變, 改變孔的公差大小及位置, 以獲得所需之配合, 以小寫英文字母表示 3
(2) 基孔制 : 係將孔的公差大小與位置 ( 取 H 位置 ) 固定不變, 改變 軸的公差大小及位置, 以獲得所需之配合, 以大寫英文字母表示 表二配合公差的範圍 餘隙配合 過渡配合 干涉配合 基孔制 H/a~h H/js~n H/p~zc 基軸制 h/a~h h/js~n h/p~zc 圖二 基孔制基軸制圖示 ( 取材網路資料中興大學蔡志成教授 ) 2 公差位置 ( 如圖三所示 ) 圖三 公差代號位置圖 (1) 孔公差位置 : A~G: 在零線以上, 上下偏差均為正值, 例如 ψ25d7 即為 ψ25 H: 由零線往上偏, 下偏差為零, 例如 ψ25h7 即為 ψ25 J JS K: 跨在零線上, 屬於正負雙向公差, 例如 ψ25j7 即為 ψ25±0.0105 M~ZC: 零線以下, 上下偏差均為負值, 例如 ψ25n7 即為 ψ25 (2) 軸公差位置 : a~g: 在零線以下, 上下偏差均為負值, 例如 ψ25d8 即為 ψ25 h: 由零線往下偏, 上偏差為零, 例如 ψ25h7 即為 ψ25 j js k: 跨在零線上, 屬於正負雙向公差, 例如 ψ25j7 即為 ψ25±0.0105 4
m~zc: 在零線以上, 下偏差均為正值, 例如 ψ25n7 即為 ψ25 3 配合的類型: 依配合情況可分為三種 (1) 餘隙配合 : 孔之尺寸大於軸之尺寸, 配合後會有適當的間隙 (2) 過渡配合 : 孔之尺寸公差帶與軸之尺寸公差帶重疊, 即孔之最大尺寸可能會小於或大於軸之尺寸, 產生干涉或是間隙現象 (3) 干涉配合 : 孔之尺寸小於軸之尺寸, 配合後會干涉有緊度 間隙現象 干涉現象 ( 三 ) 表面粗糙度表面粗糙度 : 是指零件經加工後表面高低平整的程度, 通常以 μm 為單位 1 表示法有三種: (1) 中心線平均粗糙度 R a : 將粗糙度曲線分隔成上 下兩部分相等面積 ( 如下圖 ) 中心線平均粗糙度 (2) 最大粗糙度 R : 指以斷面曲線的平均線為基準, 以平行於平均線 max 兩條通過最高點與最低點之間的距離 ( 如下圖 ) 最大粗糙度 (3) 十點平均粗糙度 R : 於一基準長度間分別於平均線上方取最高五個 z 波峰及最低五個波谷平均值, 此兩個平均值之和即是十點平均粗糙度 ( 如下圖 ) 5
十點平均粗糙度 2 各種加工法所能達到中心線平均粗糙度 R ( 如圖三所示 ) a 圖三 加工法與中心線平均粗糙度 R ( 標準機械設計圖表設計便覽 ) a 3 粗糙度之間換算 4R =R max =R z a 4 表面粗糙度的量測方法 (1) 比較測量法 : 利用表面粗糙度標準對照片, 比對測定工件表面 (2) 光線切斷法 : 將光幕傾斜照射量測表面, 再以高倍率顯微鏡將光幕與量測面所產生的斷面交線反射出來, 測出表面粗糙度 (3) 光線反射法 : 利用光線投射平滑表面, 入射角等於反射角原理測量 (4) 觸針法 : 利用電子觸針探測工件表面, 利用電子分析儀器數值化, 為求方便及精確的工廠最常用 5 表面粗度之加工符號,( 如圖四所示 ) 圖四是國內常用的 JIS 加工符號, 圖五則是一般的加工符號標註方式 6
圖四 JIS 表面加工符號 ( 標準機械設計圖表設計便覽 ) 符號 (1) 代表切削加工符號 符號 (2) 代表表面粗糙度 符號 (3) 代表加工方法 符號 (4) 代表基準長 (5) 代表刀紋方向或紋理 符號 6) 加工裕度 圖五 一般加工符號 二 圖面設計應用實際案例探討 ( 一 ) 機械結構與生產流程介紹圖六是有機械之母稱呼的工具機機台, 它是一部臥式綜合加工機 (M/C), 屬金屬切削機, 精度可達 μm 等級, 世界上有生產工具機的國家或是國際組織對於工具機是有相關的檢驗標準來做規範的, 因此相關零件的製作必須在材料的選用 熱處理 加工程序 精度檢測 組裝與性能測試上經過層層嚴格的管控才能達到規範所要求的精度跟特性 主軸頭座刀具主軸分度工作台 Z 軸進給系統 Y 軸進給系統 立柱 X 軸進給系統 底座 圖六 臥式綜合加工機結構外型 3D 圖形 7
上圖所示之臥式綜合加工機最常使用在汽機車零件的加工, 結構 是由主要結構體底座 立柱 主軸頭座, 三個進給軸 X Y Z, 刀具 主軸與分度工作台所構成, 以下說明是其生產製造流程簡介 1 主要結構體底座 立柱 主軸頭座它們因為結構複雜一般是藉由鑄造 而成 其主要生產流程如下 : 圖面設計繪製 木模製作 砂模製作 鐵水澆注成型 拆模清砂 後 處理 ( 退火 ) 加工 檢測 完成, 這是一般鑄造生產的流程 2 X Y Z 三軸進給系統是由伺服馬達 馬達托架 聯軸器 滾珠螺桿 軸承壓蓋 軸承 尾端托架所構成 ( 如圖七所示 ), 其中馬達托架 尾 端托架材料是鑄鐵, 其生產過程如要結構體一樣的鑄造生產流程, 其他 零件除了標準件如軸承 聯軸器市購之外其生產流程如下 : 圖面設計繪製 取材 ( 材料選定 ) ( 熱處理 ) 加工 檢測 完成 這是一般取材鋼料 ( 板材或棒材 ) 的生產流程 馬達托架軸承壓蓋滾珠螺桿 伺服馬達 聯軸器 軸承 尾端托架 圖七 臥式綜合加工機進給系統 3 分度工作台是屬完整的零組件成品, 它是由許多零件包括主要結構體 分度傳動機構所構成, 其生產過程是由鑄造跟取材鋼料的流程來完成 4 刀具主軸是機台的心臟部份其轉速可達上萬轉以上, 影響機台切削精度 機械性能甚鉅 其組成相當複雜, 主要是有一支心軸藉由軸承與負責固定的主軸套管產生相對運動 ( 如圖八所示 ), 零件的生產製程也比一般零件品質要求更高, 我們就以其中一個零件的生產流程來探討圖面繪製標註的重要性, 以及圖面標註跟加工 組立甚至精度檢測到底有何關聯性 圖九是刀具主軸與主軸頭座的關係圖, 刀具主軸是一零組件可個別組裝完成後再與機台組合完成, 主軸頭座有一刀具主軸配合孔因為主軸頭座製作過程較為繁複並且外形也較為碩大, 所以通常是以基孔制將公差製作在 H7 的範圍, 刀具主軸再根據這樣的尺寸公差關係製作其搭配組合的尺寸 圖八 刀具主軸組合圖 8
主軸頭座 頭座配合孔 刀具主軸 圖九 刀具主軸與主軸頭座的關係圖 ( 二 ) 如何清楚的標註公差配合圖面已經發展至 3D 繪圖但是生產過程中的工程圖還是以 2D 圖為主, 因為唯有 2D 圖才能將正文中所談的第一個議題機械零件加工圖面標示要項包括尺寸與公差 配合制度 位置與類型 表面粗糙度甚至是加工方法表達清楚 圖十是刀具主軸的主要零件, 通常稱為主軸套管如圖八的第 35 件負責與主軸頭座連接, 如果圖面標示的的夠清楚任何一位受過識圖的人都可以從圖面清楚的了解設計者的想法並依據圖面所標示的要求將零件完整的生產出來 一般圖面通常會有圖框來說明是哪一家公司的圖面, 其中的欄位通常包含了有圖的零件名稱 圖面編號 選用的材質代號 繪圖比例 製作數量 一般公差 設計變更歷程 設計審核者簽名等等, 圖面的繪製通常有一定的思考步驟, 必須以加工者組裝者甚至是精度檢測者的角度思考 : 1 決定視圖的位置, 將最明顯的外形顯示出來, 必要時以剖面圖表示清楚 2 尺寸標示: 最大外形尺寸必須清楚標示, 考慮是否有尺寸相近的標準棒材可用以利取材, 關聯尺寸標示清楚不要重疊整齊一致 3 鑚孔孔位角度必須標示 4 公差標註公差值會決定加工方式, 以幾個重要尺寸做說明, 第一是套管外徑, 因與主軸頭座必需做精密的配合所以採精度甚高的 H7/h5 作配合, 是屬於基孔制的關係配合, 第二是前後端軸承的配合孔, 因軸承是標準件所以應該是一基軸制的配合方式, 又因軸承外環必須緊密與軸承的配合孔接合所以通常採用干涉配合或是公差值甚小的餘隙配合 ( 以這樣的標示為例, 加工必須分為粗車削 精車削甚至於內外徑研磨 ) 5 形狀公差: 重要尺寸如套管外徑 軸承內徑, 必須要求其形狀公差圓 9
筒度或是真圓度 6 幾何公差標註幾何公差的標註通常會有基準面的選定, 應該以加工或是組立的角度去看, 刀具主軸是藉由主軸套管與主軸頭座組立結合在一起的, 所以首先應先考慮主軸套管的外徑加工, 再依序要求重要尺寸與它之間的幾何公差 : 第一 主軸套管的外徑加工標註完成, 將它設為 A 基準 ( 這是加工的首要工序, 並且是檢驗的基準 ), 並且要求外形之圓筒度 第二 主軸套管置入主軸頭座後, 是藉由法蘭面的承窩孔以螺栓固定法蘭面, 所以法蘭面跟套管外徑有偏擺的幾何要求, 套管外徑與法蘭面必須在同一道工序中完成 第三 軸承前端固定處的尺寸外形必須與 A 基準有同心的幾何要求, 並將其設為 B 基準 ( 這是加工的第二道重要工序 ), 再來要求後軸承孔與前軸承孔有同心的關係 ( 前 後軸承孔必須在同一道工序中完成 ) 第四 前端軸承孔有一軸承承靠面, 此面必須要求與 B 基準有偏擺的幾何關係, 並必須在同一道工序中完成 第五 前端軸承孔的前方端面要鎖定軸承壓蓋, 所以此面必須要求與 B 基準有偏擺的幾何關係 ( 必須與前 後軸承孔在同一道工序中完成 ) 第六 套管後方端面要鎖定防塵蓋板, 所以此面要求與 A 基準有偏擺的幾何關係, 所以必須在加工套管外徑時在同一道工序中完成 第七 其他尺寸公差依據圖框一般公差欄位所示的要求加工 7 加工符號標註跟加工方法, 加工表面粗糙度 加工裕度甚至是加工程序有關, 要求的尺寸越精細 表面粗度越光滑 加工裕度越小, 加工程序就會比較繁複, 必須分為粗加工 精加工 甚至是研磨才能完成 8 文字註解通常是告知加工者無法清楚標示的部分, 譬如圖中有提到熱的調質處理, 是為了加強材料的特性延長零件的壽命跟耐疲勞性 9 加工基準面的標示 A B C... 應該考慮加工程序 設備, 裝配關係, 甚至是精度檢測時使用之儀器設備來定順序 尺寸標示套管外徑 加工符號 前軸承固定處 形狀公差 文字註解 基準面 防塵蓋固定面 軸承承靠面 法蘭 後軸承固定處 軸承壓蓋固定面 幾何公差 圖十 主軸套管工程圖 10
参 結論 從實際的案例探討來看, 不管是機械結構外形 傳動機構 零件加工的程序, 組裝順序甚至是成品檢測都必須仰賴一份完整的工程圖面來串起溝通的任務, 工程圖面的各項標示關係到溝通的過程中是否能夠簡單明瞭正確的傳達到各個生產的環節, 將失誤降到最低, 提昇製造的品質降低開發成本 設計繪圖既然如此的重要, 如何將設計的理念清楚的表達傳遞到每一道程序上, 身為一個繪圖員或是設計工程師專業知識的養成應該是多方面的, 包括木模 鑄造 材料選用 加工組裝等相關技術, 甚至是電機 自動化的知識也要具備, 有這麼多樣的技術 知識它是需要長時間去試煉累積的, 也就是說機械設計技術是屬於經驗層面相當高的技術 肆 引註資料 一 臥式綜合加工機開發設計圖 內容取材財團法人精密機械研究發展中心, 作者黃俊嘉 二 公差配合的選用 講義, 中興大學蔡志成教授 三 標準機械設計圖表便覽, 作者小栗富士雄 / 小栗達男, 眾文圖書股份有限公司出版 四 機械零件加工圖面標示要項內容參考 考前衝刺總複習機械製造導讀, 作者林昂 / 林英明, 全華出版社 11