淺談結構設計中注意的幾個問題

文海鵬

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠材料工藝所，湖北荊州434024)

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淺談結構設計中注意的幾個問題

文海鵬

(中石化石油工程機械有限公司第四機械廠材料工藝所，湖北荊州434024)

摘要：結構設計時對相關知識的不了解，會提高制造成本,降低材料的利用率和零件的使用壽命。鑒于此，對材料與熱處理之間的關系、粗糙度對材料性能的影響；以及各種結構型式對制造成本、材料使用性能和產品質量的影響進行闡述。這對設計者在機構設計時選取合適的材料及設計出優良的結構將有很大的幫助。

關鍵詞:材料選取結構設計使用壽命

設計一個零件時，首選考慮材料選擇問題，根據零件所處的作用和使用場合，選擇不同的材料并采用不同的熱處理方法，使材料的機械性能達到最佳狀態，有效降低制造成本；合理標注粗糙度將會提高材料的利用率，這樣可以降低設計成本，減少不必要的浪費和提高經濟效益；好的機械、焊接結構設計，不但提高零件的質量，而且有助于提高產品的使用壽命和經濟效益。

1材料選取對機械性能的影響

設計一個零件時，首選考慮選擇何種材料，根據該零件在產品中所處的作用來選擇，一般來講，零件如果受載荷不大，可選擇普通碳鋼就可以滿足零件的使用要求，如果零件承受較大的載荷，就要求零件有較高的抗拉強度，可選擇優質碳鋼或合金鋼經過調質處理來滿足強度要求，根據所受力的形式來確定是否選用淬透性好的材料，如承受拉伸或壓縮載荷，可選擇淬透性好的合金鋼材料，淬透后整個截面強度的綜合機械性能是一樣的，如只承受扭矩負荷，那么只要求從外徑到中心一半淬透就可以滿足性能要求，因為從外徑到中心受扭矩力逐漸減少，中心不受扭矩力，那么選取優質碳鋼經過調質處理就可以滿足使用要求；如果零件承受摩擦的環境，零件就需要有好的耐磨性，選擇合金鋼經過調質后芯部有較好的綜合機械性能，其表面經過淬火處理就可以提高零件的耐磨性，如果受力不大只承受耐磨的工況，可選擇低碳鋼經過滲碳處理就可以增加表面的耐磨性；零件如承受交變載荷，零件就需要有較高的抗疲勞性能，不需要很高的強度，只需要采取一定的工藝措施來提高材料的抗疲勞性能，如表面經過滾壓加工、噴丸、高頻淬火或滲碳處理等表面強化方法都會提高材料的抗疲勞性能，這對提高材料的使用率和降低設計成本有很大的意義。

2粗糙度對材料使用性能的影響

我們的設計人員在設計零件時，對粗糙度標注很隨便，其實粗糙度標注也要根據零件使用的場合來確定其值大小，粗糙度一般指的是輪廓算術平均偏差Ra如活塞桿或活塞等需要密封的表面，這些表面的光潔度要求高既粗糙度要求低一些，粗糙度在Ra=0.2～0.4左右,才能進行有效的密封,粗糙度太高很快就會磨損使密封失效，如粗糙度太低，接觸面無法儲藏油膜，也會使零件很快磨損而失效，在裝軸承等配合的面粗糙度一般在Ra=0.8左右；一定要注意，有些沒有配合又沒有其它要求的面，粗糙度要求不要太高，一般在Ra=12.5就滿足使用要求，否則造成加工浪費，相應增加制造成本, 而有些高強度鋼如合金剛經過調質處理后有較高的機械強度，如在重負荷或交變載荷的工作環境下使用，如果這些零件表面粗糙度太高，而且合金鋼對應力集中更為敏感，在這樣的工作環境下，這些較高的粗糙度就會產生應力集中形成了裂紋源，零件就會產生裂紋從而使零件報廢，甚至造成設備損壞或人員傷亡等重大安全事故。

3機械結構型式對制造成本和材料使用性能的影響

3.1提高生產效率和降低制造成本的結構

1)有配合的表面一般都需要精加工,設計時盡量減少配合面的長度，如果需要配合件的穩定性，可將中間孔加大減少配合面或改進結構型式，這樣中間孔或整個面不需要精加工，可使加工面長度減少或只進行粗加工即可，這樣提高了工作效率和產品的使用質量。某油缸上的一個零件導向套(圖1)，它的外圓與缸體內圓有配合關系，外圓表面光潔度要求較高Ra為1.6,其作用是活塞桿上下運動過程中起扶正活塞桿作用，外圓整個長度范圍內都需要精加工后達到光潔度Ra=1.6的要求,這樣的結構一是與缸體配合面較長需要外圓尺寸精度較高，光潔度要求較低，因此先經過粗加工，然后進行精加工，二是精加工的面加長增加了工時,也消耗了不必要的功率和增加了加工成本,為此,我們對其結構進行了改進(圖2)，在外圓上加工幾個凹槽，在凹槽內裝上扶正環,扶正環與缸體配合進行扶正，外圓不再是配合面，也不與缸體進行配合，其外圓和缸體內圓之間有1.5 mm的間隙，所以外圓不需要精加工，只進行粗加工使光潔度達到Ra=12.5就可以,只對這幾個凹槽進行精加工達到Ra=1.6就可滿足產品的功能,這樣減少了工時、縮短了制造時間;而且扶正環材質為聚四氟乙烯，損壞后可以進行更換， 這樣不但提高了產品的質量，也降低了制造成本。

圖2　改進后的導向套結構示意圖

2)螺紋深度的選擇。 在螺紋設計時，設計者在標注螺紋深度時很隨意，螺紋設計都很深,這樣增加工時造成的加工浪費，會使刀具磨損加劇，降低刀具的使用壽命，所以在標注螺紋深度時一般來講螺紋深度為螺紋公稱直徑再加上2個螺距長度即可，如M24螺紋，螺距為3,則加工螺紋深度為24+2×3=30 mm即可。

3.2減少應力集中的結構

結構設計時注意減少應力集中的結構，如在結構形狀和尺寸突變的地方最容易產生應力集中，因此盡量避免結構形狀和尺寸突變的結構設計，如果有盡可能平滑和均勻過渡，盡可能增大過渡處的圓角半徑，同一零件相鄰剖面處的剛性變化盡可能的小，這樣可大大降低應力集中；兩個零件配合邊緣處也會產生應力集中，應采取增大配合處的直徑或在軸上開減載槽等結構來減少此處的應力集中；還有零件的表面粗糙度對零件的疲勞強度影響最大[1]，因為疲勞裂紋常發生在表面粗糙的部位,特別是合金鋼影響最大，因為合金鋼對應力集中更為敏感，降低表面粗糙度顯得更為重要，所以當選用材料為合金鋼時，其表面粗糙度應該比較小，否則沒有起到好材料的使用價值。還有一些熱處理零件如軸類，在進行熱處理過程中，如果有尖角或較小的倒角就會在熱應力作用下而產生裂紋，導致零件材料損壞。

3.3提高抗彎結構的設計

當零件承受彎矩時就要考慮哪種截面抗彎能力強，抗彎能力的大小用截面矩量W來衡量，截面矩量W是表明材料正應力強度的一個數量，數量大則抗彎能力強，而截面矩量與截面形狀有關系,截面形狀的不同其抗彎能力也不一樣，這就使得對材料截面形狀的正確選取顯得尤為重要，要正確選擇合適的截面形狀必須對各種截面的截面矩量的大小有所了解和掌握；如果兩個截面形狀不同而面積相等，則截面矩量大的截面就比較經濟合理，可用截面矩量W與截面面積F之比來衡量，即W/F=K比值來衡量材料的經濟程度，比值越大其使用經濟越好，圓形截面K=0.125，矩形截面K=0.17，工字鋼截面K=0.29-0.31，槽鋼截面K=0.27-0.31，從K值就可以看出在這幾個截面形狀中選擇工字鋼抗彎能力最強，翼緣部分正應力值很大，可承擔絕大部分的彎矩，而腹板部分剪應力值很大，承擔了絕大部分的剪力，這兩部分都發揮了最好的作用，即選擇工字鋼截面使材料的使用經濟比較好；從圓鋼正應力的變化規律來看，離中性軸越遠處正應力越大而面積卻越小，而中性處材料越多，中性軸處的材料沒有充分發揮作用；所以圓形截面其經濟性最差，其次較好的是槽鋼、矩形鋼。

4焊接結構設計對產品質量的影響

在設計中遇到許多焊接結構，如果焊接結構不合理，輕者對焊縫質量有直接影響，重者會引起安全事故，在考慮焊接結構時，要注意以下幾個方面。

4.1減少焊接變形的結構

1)設計焊縫時，焊縫與焊縫之間盡量互相錯開，不能相距太近，如相互交叉則焊縫互相影響，使焊接產生過熱組織，也會加大熱影響區，導致焊接變形增大，過大的變形不但影響產品的質量，而且也會影響焊縫質量，焊縫與焊縫之間的距離我們一般要求大于3倍鋼板的厚度且應不小于100 mm比較合適。

2)設計焊縫的位置盡量對稱布置，如果焊縫位置布置不對稱，焊縫布置偏向一側，由于焊縫的收縮，就會產生較大的變形,影響產品的質量；當焊縫對稱布置時，兩邊的焊縫產生的變形能互相抵消，使焊接變形變小[2]。

4.2減少焊接受力不好的結構

在最大應力及應力集中的部位不要布置焊縫，如兩節梁焊接而成，梁中間受集中載荷，這時焊縫不應布置在中間部位，應該避開這個載荷，可采用三節梁焊接而成，即多增加一道焊縫來實現避開最大應力處布置焊縫，也不應該在構件截面有急劇變化的位置或尖角部位布置焊縫，因這些部位易產生應力集中,容易使焊縫產生裂紋，影響焊縫質量。

4.3焊接坡口對產品質量的影響

圖3　低壓容器焊接坡口圖

當焊接兩塊板厚度一般大于6 mm以上時，為使電弧伸到接頭根部而保證焊透，焊透后焊縫成型較好，而且容易清理焊縫，其次是保證焊縫強度也比較高,就要對焊接板開焊接坡口,坡口型式有很多型式，有V型、U型、X型和雙面U型等，V型和U型坡口屬于單面焊接，焊接變形較大，而且焊條消耗量也大；X型和雙面U型坡口屬于兩面施焊，受熱比較均勻,焊接變形也較小,產生的內應力也較小，其焊縫金屬中母材所占比例也較小，即融合比較小，而且焊條消耗量也較小,缺點是易受結構形狀限制，不能采用兩面施焊,其次U型或雙U型坡口形狀比較復雜，要用機械加工來加工坡口，增加了制造成本，所以一般在重要的受動載荷的部位或大厚度鋼板中采用這類坡口。有一個低壓容器焊接坡口型式見圖3，由于管與封頭之間為V型坡口，如果開X型坡口里面焊縫無法施焊，因此開V型坡口比較合理，但由于開的V型坡口鈍邊設計為5 mm比較厚，因此無法焊透，所以會在管與封頭之間的縫隙中留存有焊渣無法清理而產生焊接缺陷，而且沒有焊透的焊縫其強度也較低，因此盡量避免這種無法焊透的坡口，把V型坡口鈍邊改為1 mm~2 mm左右，兩個零件的焊接間隙取1 mm，這樣就屬于焊透性坡口，焊透后的焊縫避免了焊接缺陷并提高了材料的強度，這樣的坡口型式才是最好的。

因此設計者要想設計出優良的結構,必須了解材料性能與熱處理、表面粗糙度之間的關系；這對提高材料利用率和材料性能有很大的幫助，以及掌握結構型式對制造成本和零件壽命的影響，將很好的減低制造成本和提高產品的質量；通過掌握這些相關知識,將有助于提升產品壽命和使用性能，更好的提高產品的經濟效益。

參考文獻

[1]孟少農.機械加工工藝手冊(第1卷)[M].機械工業出版社，1991.

[2]陳祝年. 焊接工程師手冊[M].機械工業出版社，2002.

Brief discussion of a few important issues in structure design

WEN Haipeng

Abstract:In the field of structure design, lack of relevant knowledge in the part of the designer will result in higher manufacturing cost，lower material utilization and shorter service life of parts. To address the issue, this paper tries to expound the relation between material and heat treatment, the influence of roughness upon material properties, as well as the influence of various structure patterns upon the manufacturing cost, material usage, and product quality. This would provide reference for suitable material selection and good structure design.

Keywords:material selection；structure design；service life

收稿日期：2015-07-16

作者簡介：文海鵬(1971-) ，男 ,籍貫:湖南省永州市,職稱:高級工程師,主要從事機械制造工藝研究,已發表論文13篇。

中圖分類號：TH131.3；TH131.2

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0079-04