機(jī)械設(shè)計(jì)中的若干心得體會

□ 劉興玉 □ 丁強(qiáng)偉 □ 婁燕鵬 □ 閔帥超 □ 高 琦

中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471000

設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性勞動,是能夠反映設(shè)計(jì)師綜合水平、體現(xiàn)設(shè)計(jì)師價值的實(shí)踐活動。機(jī)械設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的專業(yè)性,一個優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)工程師不僅要具有扎實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)理論知識,而且需要有豐富的設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),同時還要通曉相關(guān)的國家法令、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等?，F(xiàn)實(shí)情況是,設(shè)計(jì)者常因任務(wù)重、時間緊、設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足或其它不利因素,忽略機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)該要遵守的一般設(shè)計(jì)原則或要求,最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作失誤,甚至設(shè)計(jì)任務(wù)失敗。由此可見,如何全面、嚴(yán)謹(jǐn)、有效地做好機(jī)械設(shè)計(jì),避免設(shè)計(jì)失誤,是非常重要的。筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),從多個方面介紹機(jī)械設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的問題,為機(jī)械設(shè)計(jì)從業(yè)人員提供參考。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

當(dāng)前,我國工業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段,在高速發(fā)展的同時一些安全隱患和事故也隨之出現(xiàn),會給個人、集體甚至國家?guī)碡?cái)產(chǎn)方面的巨大損失,這同時也是機(jī)械設(shè)計(jì)制造中較難突破的一大難題。為了解決這一難題,國家各部委及相關(guān)行業(yè)協(xié)會組織編制了一系列設(shè)計(jì)制造法令、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊等,將設(shè)計(jì)制造內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化成為解決這一問題的一項(xiàng)重要舉措。但是,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范繁多也給設(shè)計(jì)者帶來了一定的困擾,部分設(shè)計(jì)者在選用標(biāo)準(zhǔn)時顯得無所適從,以下筆者對設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化工作談幾點(diǎn)認(rèn)識。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品應(yīng)選用準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品一般都有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范可依,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中也會明確規(guī)定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收等要求。如果某產(chǎn)品的設(shè)計(jì)按照上述規(guī)定執(zhí)行,那么就要求設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)過程必須嚴(yán)格遵守上述規(guī)定,并且不能違背。通常情況下,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來自產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書或者技術(shù)文件要求等頂層文件,設(shè)計(jì)者在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時一定要明確并通曉產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樵O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)會引申出一系列與該產(chǎn)品相關(guān)的制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收等要求,這一系列要求與產(chǎn)品的性能、效率、成本等息息相關(guān)。例如,設(shè)計(jì)一個DN80/PN40船用鑄鋼法蘭截止閥,可以執(zhí)行GB/T 584—2008《船用法蘭鑄鋼截止閥》或CB/T 4006—2005《J類法蘭鑄鋼4.0 MPa截止閥》。需要注意這兩個標(biāo)準(zhǔn)在材料選用、接口尺寸、質(zhì)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)驗(yàn)收等方面均有很大不同,設(shè)計(jì)者必須根據(jù)實(shí)際工況執(zhí)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 非標(biāo)產(chǎn)品應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

機(jī)械是一個古老的行業(yè),機(jī)械設(shè)計(jì)少說也有幾百年的歷史。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)者不僅要依靠自己的努力,而且更應(yīng)善于借鑒他人,特別是前人的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)行一次設(shè)計(jì),不太可能是完全全新的,通常都有先例可以參考。一個有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師,應(yīng)能夠得心應(yīng)手地選擇經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)的方案,而不是試圖去做出未經(jīng)試驗(yàn)的、一鳴驚人的全新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行非標(biāo)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、合格判據(jù)等內(nèi)容的比選中,應(yīng)著重思考是否有類似結(jié)構(gòu)可借鑒,哪個計(jì)算方法更適用,所參照的合格判據(jù)是否符合實(shí)際工況要求等,進(jìn)而選擇成熟、科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)依據(jù),并按其要求執(zhí)行,從局部標(biāo)準(zhǔn)化出發(fā),做到整體標(biāo)準(zhǔn)化。例如在進(jìn)行系列化產(chǎn)品或零件設(shè)計(jì)時,產(chǎn)品或零件的主要參數(shù)或主要尺寸應(yīng)優(yōu)先按GB/T 321—2005《優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系》的規(guī)定選用;在對機(jī)械零件進(jìn)行倒圓與倒角設(shè)計(jì)時,盡量按GB/T 6403.4—2008《零件倒圓與倒角》執(zhí)行;在進(jìn)行扳手空間尺寸設(shè)計(jì)時,應(yīng)參考JB/ZQ 4005—2006《扳手空間》的規(guī)定;在進(jìn)行四方或六方螺母設(shè)計(jì)時,應(yīng)充分考慮是否有與之匹配的扳手等標(biāo)準(zhǔn)工具,尺寸設(shè)計(jì)建議參考JB/ZQ 4263—2006《對邊和對角寬度尺寸》。

1.3 注意參照的有效性

在機(jī)械設(shè)計(jì)中,沒有放之四海皆準(zhǔn)的準(zhǔn)繩,每個標(biāo)準(zhǔn)都有適用范圍和使用限制。對于設(shè)計(jì)者而言,常常因?yàn)闆]有找到可借鑒的設(shè)計(jì)而苦惱,同時也會在前期查閱、收集資料方面為尋找參照而花費(fèi)很多精力,有些時候忽略了參照的系統(tǒng)性和有效性。需要注意的是,參照實(shí)際上是建立在等效采用的原則之上的。忽略參照的系統(tǒng)性和有效性,設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可能會產(chǎn)生失之毫厘、謬以千里的嚴(yán)重后果。例如,法蘭、墊片、緊固件是構(gòu)成法蘭接頭最主要的三種零件,三者合理選配非常重要,應(yīng)當(dāng)綜合考慮法蘭的壓力等級、要求的預(yù)緊比壓、墊片及螺栓的強(qiáng)度等級等諸多因素。如果法蘭按HG/T 20592—2009《鋼制管法蘭(PN系列)》進(jìn)行設(shè)計(jì)選型,那么墊片應(yīng)該按HG/T 20606～20612—2009系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型設(shè)計(jì),緊固件的選型需要滿足HG/T 20613—2009《鋼制管法蘭用緊固件(PN系列)》的相關(guān)規(guī)定,墊片不宜采用國家標(biāo)準(zhǔn)或其它行業(yè)系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型設(shè)計(jì),緊固件也不應(yīng)當(dāng)按NB/T 47027—2012《壓力容器法蘭用緊固件》或GB/T 9125.1—2010《鋼制管法蘭連接用緊固件 第1部分:PN系列》進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。如果某壓力容器按ASME BPVC第Ⅷ卷進(jìn)行設(shè)計(jì),那么所選材料及其性能就應(yīng)按ASME BPVC第Ⅱ卷進(jìn)行確定,而不宜選取國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)材料。因此,采用參照法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時,不僅要關(guān)注所參照的實(shí)例或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)用性,而且要充分考慮所參照實(shí)例的實(shí)際工況與所設(shè)計(jì)產(chǎn)品使用條件的符合性及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性,明確所參考的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的適用范圍和使用限制。參照設(shè)計(jì)中以劣代優(yōu)會使產(chǎn)品出現(xiàn)不可預(yù)估的后果,以優(yōu)代劣的設(shè)計(jì)又偏于保守,使產(chǎn)品失去競爭力,這些都不是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。

2 合理選擇材料

材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個重要環(huán)節(jié),也是一個復(fù)雜的過程。同一個零件采用不同材料制造,尺寸、結(jié)構(gòu)、加工方法、工藝要求等都會有所不同,這就要求設(shè)計(jì)者對常用機(jī)械工程材料的特性和使用工況有充分認(rèn)識,根據(jù)材料的不同特性來采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如,有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者都會盡量將鑄鐵件設(shè)計(jì)為承受壓應(yīng)力而非拉應(yīng)力或彎曲應(yīng)力,使焊接件的焊縫位置盡量避開機(jī)加工面等。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行零件材料選擇時,應(yīng)重點(diǎn)考慮三個方面。

(1) 使用要求。滿足使用要求是零件選材最基本的要求,一般包括:① 零件尺寸和質(zhì)量方面的限制;② 零件的受載情況;③ 零件所處的介質(zhì)、溫度、摩擦、磨損等工況環(huán)境;④ 零件的重要程度;⑤ 抗磁、絕緣、腐蝕等其它要求。在考慮使用要求時,要抓住主要問題,兼顧其它方面。

(2) 工藝要求。為了便于加工制造,選材時應(yīng)考慮零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、尺寸大小和毛坯類型。對于外形復(fù)雜、尺寸較大的零件,可以考慮采用鑄造成型或焊接成型。若采用鑄件,則應(yīng)優(yōu)選鑄造性能好的材料。若采用焊接結(jié)構(gòu),則應(yīng)選擇焊接性能好的材料。對于外形簡單、尺寸小、批量大的零件,適合沖壓和模鍛,應(yīng)選用塑性較好的材料。對于需要熱處理的零件,材料除應(yīng)具有良好的熱處理性能外,還應(yīng)考慮材料熱處理后的易加工性。

(3) 經(jīng)濟(jì)性要求。材料的經(jīng)濟(jì)性不僅指材料自身的價格,而且包括加工制造費(fèi)用、使用維護(hù)費(fèi)用等。可以從五個方面提高材料的經(jīng)濟(jì)性。第一,材料自身的價格。第二,采用熱處理或表面處理等工藝,以減輕腐蝕或磨損情況,充分發(fā)揮和利用材料的潛力,延長零件使用壽命。第三,通過組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或選擇合適的替代材料,節(jié)約使用稀有材料,避免使用有害材料。第四,在設(shè)計(jì)選材時盡可能減少材料種類和規(guī)格,以簡化供應(yīng)和管理。第五,結(jié)合企業(yè)自身情況,選擇便于供應(yīng)的材料。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)主次分明

一般產(chǎn)品都由多個零件組成,每個零件在產(chǎn)品中扮演著不同的角色,發(fā)揮著應(yīng)有的作用。每個零件的重要程度不盡相同,有主次之分,尤其是對于運(yùn)動副而言,在多數(shù)條件下保證組成運(yùn)動副的全部零件的等壽命設(shè)計(jì)是行不通的,設(shè)計(jì)者必須明確采用保護(hù)哪個零件、犧牲哪個零件的設(shè)計(jì)意圖,與其投入巨大精力和成本設(shè)計(jì)制造為等壽命或全壽命,不如適時將次要零件設(shè)計(jì)為易損件,或許這是一個更明智的選擇。例如,一根傳動軸比較重要,一般情況下與其配合的襯套、滑動軸承等零件的表面布氏硬度(HB)至少應(yīng)低于傳動軸的表面布氏硬度(HB)30以上,而不允許在使用過程中出現(xiàn)相互磨損的現(xiàn)象。另一方面,在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,還應(yīng)盡量簡化設(shè)計(jì),減少零部件的種類和數(shù)量,追求精煉和簡單,這是設(shè)計(jì)者追求的終極目標(biāo)。

4 設(shè)計(jì)應(yīng)面向制造

圖紙是設(shè)計(jì)輸出的最重要載體,要求設(shè)計(jì)者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),也包括了圖紙標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)者繪制的圖紙應(yīng)能使制造者看得懂,看得清,容易理解,不易誤解,否則極易導(dǎo)致返工甚至產(chǎn)生廢品。更應(yīng)避免的是,因設(shè)計(jì)者對生產(chǎn)工藝考慮不周或認(rèn)識不夠,人為制造設(shè)計(jì)圖的不確定因素,將問題留給制造人員,從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)者與制造者的想法不一致,造成不必要的損失?？傊?設(shè)計(jì)應(yīng)該面向制造,圖紙?jiān)O(shè)計(jì)必須遵循一個原則:無論什么樣的零件,在沒有設(shè)計(jì)者參與的前提下,任何一個制造者都能從圖紙中讀懂一切j,毫無疑問、準(zhǔn)確無誤地將零件生產(chǎn)出來。這就要求設(shè)計(jì)者增加制造工藝方面的知識儲備,當(dāng)設(shè)計(jì)和制造發(fā)生矛盾時,及時提出自己的見解,將自己的設(shè)計(jì)意圖傳達(dá)出去并可以執(zhí)行。從原則上講,設(shè)計(jì)應(yīng)該適應(yīng)工藝。如果出現(xiàn)不匹配的情況,應(yīng)該修改設(shè)計(jì)。但由于設(shè)計(jì)更改所需時間一般較長,因此在設(shè)計(jì)更改未完成前,為了提高效率,建議對工藝做適當(dāng)調(diào)整。

5 結(jié)束語

機(jī)械設(shè)計(jì)是一門大學(xué)問,不能盲目參照,更不能采用拿來主義,無論是功能定位、材料選用,還是加工工藝、檢修維護(hù),設(shè)計(jì)者都需要做到知其然,知其所以然,知其然后然。機(jī)械設(shè)計(jì)值得從業(yè)者不斷鉆研提高。