機(jī)械產(chǎn)品零部件設(shè)計(jì)革新

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作者：王月強(qiáng)

傳統(tǒng)的機(jī)械零部件設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在長期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)之上，通過數(shù)學(xué)建模、力學(xué)實(shí)驗(yàn)等形成的標(biāo)準(zhǔn)、圖表、公式等作為規(guī)范依據(jù)，進(jìn)而采用條件性類比或計(jì)算的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。但就目前而言，這種設(shè)計(jì)存在著一定的局限性，與現(xiàn)代化機(jī)械的應(yīng)用需求不相適應(yīng)。因此，必須對(duì)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，以提高機(jī)械零部件的實(shí)用性能。本文中筆者主要就此進(jìn)行了探討，并提出了現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想。

傳統(tǒng)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中存在的局限

機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)就是人類未來實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)而進(jìn)行的一種機(jī)械創(chuàng)造性活動(dòng)。在傳統(tǒng)的機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中，通常是在長期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)之上，通過數(shù)學(xué)建模、力學(xué)實(shí)驗(yàn)等形成的標(biāo)準(zhǔn)、圖表、公式等作為規(guī)范依據(jù)，進(jìn)而采用條件性類比或計(jì)算的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法雖然較為穩(wěn)定，但隨著機(jī)電一體化進(jìn)程的加快，此設(shè)計(jì)方法往往不能滿足實(shí)際應(yīng)用的各種需求，長期以來出現(xiàn)了很多運(yùn)用中的實(shí)際問題，如零部件容易受到摩擦而損壞、容易受到腐蝕損壞、容易疲勞損壞以及表面斷裂、剝落等，這對(duì)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的發(fā)展造成了極大的局限。在目前我國機(jī)械運(yùn)用中，很多機(jī)械的零部件設(shè)計(jì)的實(shí)效性能普遍不高，存在著很多局限：設(shè)計(jì)者在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中往往按照既定的經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算方式進(jìn)行有限的設(shè)計(jì)，思維狹隘，過早的確定方案，其設(shè)計(jì)方案通常會(huì)缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)新性，實(shí)際應(yīng)用效果不能與時(shí)俱進(jìn)；在設(shè)計(jì)中，僅僅重點(diǎn)計(jì)算關(guān)鍵零部件的簡化力學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)公式，而對(duì)于其他的零部件則只進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，與實(shí)際工況有著較大差距，出現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更加重視產(chǎn)品的自身功能實(shí)現(xiàn)，往往對(duì)于人與機(jī)械與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)功能不夠重視；大量采用手工設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性不強(qiáng)，效率較低，工作周期較長等。

機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思維運(yùn)用

對(duì)于機(jī)械零部件設(shè)計(jì)工作而言，本身就是一種創(chuàng)造和革新，目前大多設(shè)計(jì)工作者忽略了這一根本思想，導(dǎo)致了自身設(shè)計(jì)思維的局限，也對(duì)其設(shè)計(jì)產(chǎn)品的創(chuàng)新性造成極大的局限，基于這種情況，筆者提出了以下創(chuàng)新思維在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，以通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。首先，設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分運(yùn)用創(chuàng)造思維進(jìn)行設(shè)計(jì)，將自身的想象能力、思維能力、理想信念等充分融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)日常觀察、記憶所得的信息進(jìn)行加工創(chuàng)新，并通過有效的創(chuàng)造活動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制創(chuàng)新。并通過日常工作加強(qiáng)自身創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新實(shí)踐的培養(yǎng)，從而提高自身的設(shè)計(jì)創(chuàng)新發(fā)展。其次，設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分運(yùn)用發(fā)散思維進(jìn)行設(shè)計(jì)，突破自身思維局限，以設(shè)計(jì)問題為核心，從不同角度、不同層次進(jìn)行思考，從而得出多種設(shè)計(jì)方式。如，對(duì)于將兩個(gè)零部件進(jìn)行有機(jī)的聯(lián)結(jié)，常規(guī)辦法通常是焊接、膠結(jié)、螺紋聯(lián)結(jié)等，但通過設(shè)計(jì)者不同角度和層次的考慮，就可以通過摩擦力、電磁力、冷凍、壓差或真空等方式進(jìn)行。在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)創(chuàng)新中，發(fā)散思維是設(shè)計(jì)者必須具有的素質(zhì)。此外，創(chuàng)新思維是一種人腦最高層次的思維活動(dòng)，在常規(guī)思維基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)者將各種信息進(jìn)行重新的集成，從而產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)思維。尤其在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)過程中，一般要經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、原理方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段，設(shè)計(jì)者更應(yīng)該以產(chǎn)品創(chuàng)新為目的，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，常規(guī)思維管理，追求產(chǎn)品的新功能、新造型、新結(jié)構(gòu)、新工藝等，以全面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

現(xiàn)代機(jī)械零部件設(shè)計(jì)策略

科學(xué)的把握機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，零部件設(shè)計(jì)是重要的內(nèi)容和組成部分，只有通過高性能的零部件，才能全面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的機(jī)械性能。零部件作為機(jī)械的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求極其運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)要求，將零部件的性能、參數(shù)及工作要求明確，精確把握零部件的結(jié)構(gòu)、材料極其精度等，進(jìn)行嚴(yán)格的工作能力和失效分析，繪制精確的零部件裝配圖。機(jī)械產(chǎn)品的整體工作性能及其壽命取決于零部件，所以，對(duì)于機(jī)械零部件設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求，工作能方面的要求有壽命、耐磨性、強(qiáng)度、剛度、耐熱性、精度以及震動(dòng)穩(wěn)定性等；對(duì)其工藝性要求主要為維修便利；對(duì)其經(jīng)濟(jì)性能的要求主要為控制生產(chǎn)成本。此外，還應(yīng)該滿足機(jī)械零部件使用的防腐性能要求、噪聲控制需求以及安全需求等。

對(duì)機(jī)械零部件的失效形式進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算

在實(shí)際機(jī)械運(yùn)用中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生零部件失效現(xiàn)象，造成機(jī)械不能正常工作。主要失效形式包括：表面壓碎、斷裂、塑性變形、共振、表面壓碎、過度彈性變形以及過度磨損等。因此，要想最大限度的避免零部件失效，應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行失效分析，對(duì)其失效可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并實(shí)行相應(yīng)的措施，具體如下，第一，根據(jù)機(jī)械零部件抵抗斷裂、表面疲勞或塑性變形等失效的能力進(jìn)行計(jì)算，確保機(jī)械零部件的強(qiáng)度能夠符合其正常工作的需求；第二，根據(jù)剛度準(zhǔn)則，即在荷載作用之下，零部件對(duì)彈性變形進(jìn)行抵抗的能力，確保零部件在荷載作用之下的彈性變形處于極限值之內(nèi)；第三，對(duì)機(jī)械零部件的震動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。盡量避免機(jī)械在高速運(yùn)動(dòng)中發(fā)生共振，確保零部件的固有頻率和工作時(shí)受到的激振源頻率分離；第四，根據(jù)機(jī)械零部件的耐熱性準(zhǔn)則，即高溫條件之下，零部件在工作中由于過度受熱而引起氧化、熱變形、膠化等問題造成的零部件失效進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，合理的選擇材料進(jìn)行對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必要時(shí)可以采用氣冷或水冷等方式對(duì)零部件進(jìn)行降溫以確保零部件在高溫條件下的工作正常。第五，根據(jù)機(jī)械零部件的耐磨性準(zhǔn)則，即機(jī)械在工作過程中，零部件之間由于相互接觸摩擦而造成工作表面的磨損的抵抗能力進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，當(dāng)零部件磨損過度時(shí)，其結(jié)構(gòu)形狀、強(qiáng)度等都會(huì)受到極大的影響，進(jìn)而影響到其工作效率和精度。所以，在設(shè)計(jì)階段必須采取有效措施加強(qiáng)零部件的耐磨性能。

科學(xué)的設(shè)計(jì)機(jī)械零部件的表面粗糙度

機(jī)械零部件的表面粗糙度是對(duì)其進(jìn)行表面質(zhì)量檢驗(yàn)的重要指標(biāo)，也是零部件表面微觀集合形狀誤差的重要反映指標(biāo)，其合理與否直接關(guān)系這零部件的壽命、質(zhì)量和成本。對(duì)于機(jī)械零部件表面粗糙度的選擇，可以遵循以下三種方法進(jìn)行：類比法、試驗(yàn)法和計(jì)算法。其中應(yīng)用最為廣泛的是類比法，這種方法不僅快捷簡便，而且效果較好。在進(jìn)行應(yīng)用類比法選擇機(jī)械零部件表面粗糙度時(shí)，首先應(yīng)該進(jìn)行充分的資料參考，通常而言，機(jī)械零部件的尺寸公差要求越小，則其表面粗糙度值也就越小，但二者之間的函數(shù)關(guān)系并不固定。在機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用中，在相同尺寸的零部件前提下，表面粗糙度的要求會(huì)由于機(jī)械的不同而存在差異，這就是其配合穩(wěn)定性的問題。此外，不同類型的機(jī)械其互換性要求也存在差異。因此，在機(jī)械零部件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)，對(duì)零部件的工藝性、經(jīng)濟(jì)性及其表面功能進(jìn)行全面的研究之后，合理的選擇其表面粗糙度，這樣才能實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。

機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的全面優(yōu)化

在現(xiàn)代機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中，除了把握好上述幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)外，還應(yīng)該充分利用現(xiàn)代機(jī)械學(xué)的理論和方法，如機(jī)械動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、摩擦學(xué)、傳動(dòng)機(jī)械學(xué)等，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法逐步發(fā)展與完善。在設(shè)計(jì)中各種關(guān)機(jī)技術(shù)問題能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助分析，如在設(shè)計(jì)過程中引入CAD，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)完成設(shè)計(jì)中的各種計(jì)算、選型、制圖及其他工作，此外，還有基于專家系統(tǒng)的智能CAD；計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD,CAM），CAD系統(tǒng)集成化，動(dòng)態(tài)三維造型技術(shù)，面向制造的設(shè)計(jì)技術(shù)，CAD分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，各種CAD技術(shù)的運(yùn)用不僅能夠極大的提高機(jī)械零部件設(shè)計(jì)效率，使設(shè)計(jì)者有更多的時(shí)間進(jìn)行創(chuàng)新，而且極大的推動(dòng)了我國機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的發(fā)展，逐步取代了其他設(shè)計(jì)方法，成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分，所以，現(xiàn)代設(shè)計(jì)者應(yīng)該更加重視這些技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面優(yōu)化。