摘要：提出毛坯尺寸的设计不应仅以零件图为基础，而应考虑加工工艺，尤其是加工时选用的粗基准。指出合理的设计毛坯尺寸不但可保证毛坯各面有均匀合理的粗加工余量，而且可保证非加工面与加工面之间的位置及尺寸。

目前，毛坯图的尺寸都是在零件图尺寸的基础上，加减总加工余量得到毛坯尺寸，毛坯各面的设计基准一般同零件图一致。笔者认为这种设计方法并不合理，这是因为从毛坯尺寸的作用来讲并不要求它和零件图一致，对它提出的要求是:(1)保证它在机械加工时有最均匀合理的粗加工余量：(2)保证非加工面与加工面有最准确的位置及尺寸。

1 粗基准的两个重要特征

零件在加工时所用的粗基准是非常重要的，它起着承上启下的作用，对粗加工余量有影响的所有工序尺寸和毛坯尺寸的汇交点必定是粗基准。

(a)

(b)图1

特征1 粗基准面的粗加工余量公差最小。图1为两种设计形式的毛坯图，毛坯各面的粗加工余量公称值均取10mm，零件加工时选M面为粗基准，图1a按零件图设计毛坯尺寸(括号内为设计尺寸及公差)，图1b毛坯各面均以粗基准M为基准。各工序尺寸依次为:MB
_{1：B_{1C_{1：B_{1D_{1：C_{1E_{1：D_{1M_{1(B_{1，C_{1，D_{1，M_{1表示第一次加工的B、C、D、M面)。根据工艺尺寸式原理，M面的粗加工余量为:MM_{1→MB_{1D_{1M_{1，即MM_{1=-MB_{1+B_{1D_{1+D_{1M_{1，由此可见，粗基准面M的粗加工余量MM_{1只和工序尺寸MB_{1：B_{1D_{1：D_{1M_{1有关，和毛坯尺寸无关。我们再来看E面的粗加工余量EE_{1→E……MB_{1C_{1E_{1，可以看出EE_{1除和工序尺寸MB_{1：B_{1C_{1：C_{1E_{1有关外，还和毛坯面E与粗基准M之间的尺寸有关(同理可以证明，粗基准面的粗加工余量只和工序位置误差有关，和毛坯的位置误差无关)，由于工序尺寸的误差比毛坯小，因而粗基准面粗加工余量公差最小。
图2}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

特征2 粗基准面和其他加工过的面之间的尺寸及位置误差最小。图2所示工件加工时的粗基准为M面，M面不需加工，各工序保证的位置关系为:M⊥B
_{1：B_{1⊥D_{1：B_{1∥E_{1：D_{1∥P_{1。根据工艺尺寸式原理，图2M面与P_{1面的位置关系为:M∥P_{1→M⊥B_{1⊥D_{1∥P_{1。由此可见，M面和P_{1面的位置只和工序位置M⊥B_{1：B_{1⊥D_{1：D_{1∥P_{1有关，和毛坯各面的位置误差无关，但对于其他不加工的面，例如N毛坯面和第一次加工的P面(P_{1面)的位置关系为:N⊥P_{1→N…M⊥B_{1⊥D_{1∥P_{1。这说明，N面和P_{1面的位置关系除和M⊥B_{1，B_{1⊥D_{1，D_{1∥P_{1有关外，还与毛坯面N和基准面M的位置误差有关。同理，由于工序位置误差远比毛坯各面的位置误差小，因而粗基准面和其他加工过的面的位置误差最小。
2 毛坯各面粗加工余量分析计算}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

从上面分析可知，不为粗基准的毛坯各面的粗加工余量除和相关的工序尺寸有关外，还必然与相应的毛坯各面和粗基准之间的尺寸有关。

毛坯各面的设计基准按零件图
如图1a所示，毛坯尺寸为EC、DE、CB、BM，我们求E面的粗加工余量。首先写出EE
_{1的尺寸式:EE_{1→ECBMB_{1C_{1E_{1，由此得 EE_{1=-EC-CB+BM-MB_{1+B_{1C_{1+C_{1E_{1(1)等式右边的工序尺寸MB_{1为未知，我们可由BB_{1→BMB_{1得BB_{1=BM-MB_{1=(620±3)-MB_{1，假定要求BB_{1=10±4，则MB_{1=610±1mm，代入式(1)得}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

EE
_{1=-(330±3)-(150±2)+(620±3)-(610±1)+(150±3)+(300±0.3)=10±9.6(mm)}

(如按概率法计算，则EE
_1=10±4.8mm)
毛坯各面的设计基准均为加工该工件时的粗基准
如图1b所示，毛坯尺寸为BM、CM、DM、EM，我们仍计算E面的粗加工余量。该情况下的尺寸式为

EE
_{1→EMB_{1C_{1E_{1，由此得EE_{1=EM-MB_{1+B_{1C_{1+C_{1E_{1=(170±1.5)-(610±1)+(150±0.3)+(300±0.3)=10±3.1(mm)}}}}}}}}}}

(如按概率法计算，则EE
_{1=10±1.85mm)}

从以上计算结果可以看出，毛坯按图1b的设计形式，只有一个毛坯尺寸EM影响粗加工余量EE
_{1，而毛坯按图1a的设计形式，则有三个毛坯尺寸EC、CB、BM影响粗加工余量EE_{1。因此，按图1b设计毛坯尺寸可使得粗加工余量公差大大减小。用同样的方法可对其他面的粗加工余量进行分析计算，会得到同样的结论，因此，该结论具有普遍意义。}}

3 非加工面与加工面之间的位置误差分析

以图2为例，分析非加工面N和P
_{1面的位置关系N⊥P_{1→N…M⊥B_{1⊥D_{1∥P_{1，和以上余量分析相同，如果在毛坯图中N面的位置设计基准为M面(M⊥N)，则N⊥P_{1→N⊥M⊥B_{1⊥D_{1∥P_{1，只有N⊥M这一毛坯位置误差影响N⊥P_{1，否则将有更多的毛坯位置误差影响N⊥P_{1。例如，假设毛坯图按零件图的设计形式，毛坯N面的基准为D面(D⊥N)，D面的基准为E面(E⊥D)，E面的基准为M面(M⊥E)，则N⊥P_{1→N⊥D⊥E⊥M⊥B_{1⊥D_{1∥P_{1，有D⊥N，E⊥D，M⊥E三个毛坯位置误差影响N⊥P_{1。因而从减少非加工面与加工面的位置误差一方面考虑，对毛坯各面提出的位置误差仍应以加工该毛坯时采用的粗基准为基准。}}}}}}}}}}}}}}}}

在以上的分析中，N代表的是任意非加工面，P
_{1代表的是任意加工面，所以上面的结论也有普遍意义。
4 毛坯尺寸设计原则}

通过上面的分析可以看出无论从减少各面粗加工余量公差方面考虑，还是从减小非加工面与加工面之间的位置误差方面考虑，笔者认为都应以粗基准面作为毛坯各面的设计基准。

“毛坯各面的尺寸设计基准(包括位置基准)应尽量采用加工该毛坯时采用的粗基准”称为毛坯尺寸设计原则(以下称原则)。遵循该原则，一是可以使毛坯各面的粗加工余量公差最小，从而可选取较小的加工余量，降低材料消耗：二是可以使得非加工面与加工面之间的相对位置尺寸最准确，以提高零件的加工精度。

应当指出的是如果零件图中两个面都不需要加工，且零件图对这两个非加工面之间有尺寸位置要求，则该两面之间的毛坯尺寸应按零件图的标注方式进行标注。

目前我们在制订机械加工工艺时才考虑如何选择粗基准才能使粗加工余量变化最小以及如何才能保证非加工面与加工面之间的位置尺寸最准确，通过上面的分析使我们认识到在设计毛坯时就应充分考虑这一点。

按原则设计毛坯尺寸在实践中是可行的，这需要我们在毛坯的模具制造及毛坯生产工艺及检验中应尽量按原则生产毛坯(用快速原型制造技术制造的模具很容易按照原则)。当然，有的毛坯生产工艺按原则是很困难的，也未必非按原则不可，但我们应尽量按原则，以使尽量少的毛坯尺寸影响粗加工余量以及非加工面与加工面之间的尺寸。

按原则设计的毛坯图与零件图的尺寸可比性较差，尺寸计算也较复杂，但和降低材料消耗，提高零件精度相比，这些代价是值得的，而且计算机辅助设计毛坯尺寸使这样的尺寸换算不会成为障碍。实际上，我们开发的“工艺尺寸式计算软件”已经包含了该方面的内容。

笔者提出的原则设计毛坯尺寸，一是可以减少粗加工余量，二是可以提高非加工面与加工面之间的尺寸位置精度。这个原则的推广应用对机械制造业降低材料消耗，提高产品质量有重要意义，同时这个原则也可作为计算机辅助毛坯尺寸设计的基本原则。

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谈毛坯尺寸的设计

1 粗基准的两个重要特征

2 毛坯各面粗加工余量分析计算

3 非加工面与加工面之间的位置误差分析

4 毛坯尺寸设计原则

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