機械產(chǎn)品零部件設(shè)計革新
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作者：王月強
傳統(tǒng)的機械零部件設(shè)計特點是在長期設(shè)計經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)之上，通過數(shù)學(xué)建模、力學(xué)實驗等形成的標準、圖表、公式等作為規(guī)范依據(jù)，進而采用條件性類比或計算的方式進行設(shè)計。但就目前而言，這種設(shè)計存在著一定的局限性，與現(xiàn)代化機械的應(yīng)用需求不相適應(yīng)。因此，必須對機械零部件設(shè)計進行創(chuàng)新，以提高機械零部件的實用性能。本文中筆者主要就此進行了探討，并提出了現(xiàn)代機械產(chǎn)品的設(shè)計思想。
機械零部件的設(shè)計就是人類未來實現(xiàn)既定目標而進行的一種機械創(chuàng)造性活動。在傳統(tǒng)的機械零部件設(shè)計中，通常是在長期設(shè)計經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)之上，通過數(shù)學(xué)建模、力學(xué)實驗等形成的標準、圖表、公式等作為規(guī)范依據(jù)，進而采用條件性類比或計算的方式進行設(shè)計。這種設(shè)計方法雖然較為穩(wěn)定，但隨著機電一體化進程的加快，此設(shè)計方法往往不能滿足實際應(yīng)用的各種需求，長期以來出現(xiàn)了很多運用中的實際問題，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，這對機械零部件設(shè)計的發(fā)展造成了極大的局限。在目前我國機械運用中，很多機械的零部件設(shè)計的實效性能普遍不高，存在著很多局限：設(shè)計者在實際設(shè)計過程中往往按照既定的經(jīng)驗或計算方式進行有限的設(shè)計，思維狹隘，過早的確定方案，其設(shè)計方案通常會缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)新性，實際應(yīng)用效果不能與時俱進；在設(shè)計中，僅僅重點計算關(guān)鍵零部件的簡化力學(xué)模型或經(jīng)驗公式，而對于其他的零部件則只進行類比設(shè)計，與實際工況有著較大差距，出現(xiàn)設(shè)計失誤；傳統(tǒng)設(shè)計更加重視產(chǎn)品的自身功能實現(xiàn)，往往對于人與機械與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)功能不夠重視；大量采用手工設(shè)計，其設(shè)計的準確性不強，效率較低，工作周期較長等。
機械零部件設(shè)計的創(chuàng)新思維運用
對于機械零部件設(shè)計工作而言，本身就是一種創(chuàng)造和革新，目前大多設(shè)計工作者忽略了這一根本思想，導(dǎo)致了自身設(shè)計思維的局限，也對其設(shè)計產(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)新思維在機械零部件設(shè)計中的運用，以通過現(xiàn)代設(shè)計理論指導(dǎo)設(shè)計出更好的產(chǎn)品。首先，設(shè)計者應(yīng)該充分運用創(chuàng)造思維進行設(shè)計，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)計中，對日常觀察、記憶所得的信息進行加工創(chuàng)新，并通過有效的創(chuàng)造活動對設(shè)計進行控制創(chuàng)新。并通過日常工作加強自身創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新實踐的培養(yǎng)，從而提高自身的設(shè)計創(chuàng)新發(fā)展。其次，設(shè)計者應(yīng)該充分運用發(fā)散思維進行設(shè)計，突破自身思維局限，以設(shè)計問題為核心，從不同角度、不同層次進行思考，從而得出多種設(shè)計方式。如，對于將兩個零部件進行有機的聯(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行。在機械零部件設(shè)計創(chuàng)新中，發(fā)散思維是設(shè)計者必須具有的素質(zhì)。此外，創(chuàng)新思維是一種人腦最高層次的思維活動，在常規(guī)思維基礎(chǔ)之上，設(shè)計者將各種信息進行重新的集成，從而產(chǎn)生新的設(shè)計思維。尤其在機械零部件設(shè)計過程中，一般要經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、原理方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計、改進設(shè)計等幾個階段，設(shè)計者更應(yīng)該以產(chǎn)品創(chuàng)新為目的，以現(xiàn)代設(shè)計方法為基礎(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，以全面實現(xiàn)設(shè)計創(chuàng)新。
現(xiàn)代機械零部件設(shè)計策略
科學(xué)的把握機械設(shè)計內(nèi)容及要求
在機械設(shè)計中，零部件設(shè)計是重要的內(nèi)容和組成部分，只有通過高性能的零部件，才能全面實現(xiàn)設(shè)計的機械性能。零部件作為機械的基礎(chǔ)，其設(shè)計主要內(nèi)容有：根據(jù)總體設(shè)計要求極其運動方案設(shè)計要求，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，進行嚴格的工作能力和失效分析，繪制精確的零部件裝配圖。機械產(chǎn)品的整體工作性能及其壽命取決于零部件，所以，對于機械零部件設(shè)計應(yīng)該滿足以下要求，工作能方面的要求有壽命、耐磨性、強度、剛度、耐熱性、精度以及震動穩(wěn)定性等；對其工藝性要求主要為維修便利；對其經(jīng)濟性能的要求主要為控制生產(chǎn)成本。此外，還應(yīng)該滿足機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。
對機械零部件的失效形式進行嚴格的計算
在實際機械運用中，經(jīng)常會發(fā)生零部件失效現(xiàn)象，造成機械不能正常工作。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)計階段對其進行失效分析，對其失效可能性進行預(yù)測，并實行相應(yīng)的措施，具體如下，第一，根據(jù)機械零部件抵抗斷裂、表面疲勞或塑性變形等失效的能力進行計算，確保機械零部件的強度能夠符合其正常工作的需求；第二，根據(jù)剛度準則，即在荷載作用之下，零部件對彈性變形進行抵抗的能力，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，對機械零部件的震動穩(wěn)定性進行計算預(yù)測。盡量避免機械在高速運動中發(fā)生共振，確保零部件的固有頻率和工作時受到的激振源頻率分離；第四，根據(jù)機械零部件的耐熱性準則，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行計算預(yù)測，合理的選擇材料進行對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計，必要時可以采用氣冷或水冷等方式對零部件進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)機械零部件的耐磨性準則，即機械在工作過程中，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行計算預(yù)測，當零部件磨損過度時，其結(jié)構(gòu)形狀、強度等都會受到極大的影響，進而影響到其工作效率和精度。所以，在設(shè)計階段必須采取有效措施加強零部件的耐磨性能。
科學(xué)的設(shè)計機械零部件的表面粗糙度
機械零部件的表面粗糙度是對其進行表面質(zhì)量檢驗的重要指標，也是零部件表面微觀集合形狀誤差的重要反映指標，其合理與否直接關(guān)系這零部件的壽命、質(zhì)量和成本。對于機械零部件表面粗糙度的選擇，可以遵循以下三種方法進行：類比法、試驗法和計算法。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。在進行應(yīng)用類比法選擇機械零部件表面粗糙度時，首先應(yīng)該進行充分的資料參考，通常而言，機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。在機械的實際應(yīng)用中，在相同尺寸的零部件前提下，表面粗糙度的要求會由于機械的不同而存在差異，這就是其配合穩(wěn)定性的問題。此外，不同類型的機械其互換性要求也存在差異。因此，在機械零部件設(shè)計過程中，應(yīng)該從實際出發(fā)，對零部件的工藝性、經(jīng)濟性及其表面功能進行全面的研究之后，合理的選擇其表面粗糙度，這樣才能實現(xiàn)科學(xué)合理的設(shè)計。
機械零部件設(shè)計的全面優(yōu)化
在現(xiàn)代機械零部件設(shè)計中，除了把握好上述幾個方面的設(shè)計外，還應(yīng)該充分利用現(xiàn)代機械學(xué)的理論和方法，如機械動力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、摩擦學(xué)、傳動機械學(xué)等，而且隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新的設(shè)計準則和方法逐步發(fā)展與完善。在設(shè)計中各種關(guān)機技術(shù)問題能夠利用計算機進行輔助分析，如在設(shè)計過程中引入CAD，通過計算機技術(shù)完成設(shè)計中的各種計算、選型、制圖及其他工作，此外，還有基于專家系統(tǒng)的智能CAD；計算機輔助制造（CAD,CAM），CAD系統(tǒng)集成化，動態(tài)三維造型技術(shù)，面向制造的設(shè)計技術(shù)，CAD分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，各種CAD技術(shù)的運用不僅能夠極大的提高機械零部件設(shè)計效率，使設(shè)計者有更多的時間進行創(chuàng)新，而且極大的推動了我國機械零部件設(shè)計的發(fā)展，逐步取代了其他設(shè)計方法，成為當前機械設(shè)計的重要組成部分，所以，現(xiàn)代設(shè)計者應(yīng)該更加重視這些技術(shù)的運用，對機械零部件的設(shè)計進行全面優(yōu)化。
