機械設計制造專業畢業設計的選題與指導

李彬+王紅

摘要： 按照應用型人才培養目標，畢業設計過程是大學生進行科學教育，強化創新意識和工程意識，進行工程基本訓練和提高工程實踐能力的重要培養階段。本文結合“基于仿生自修復的鉆頭結構設計與開發”這個畢業設計，提出前期調研實習階段、創新設計階段和總結與答辯階段，并對相關創新提出自己的看法。

Abstract： According to the applied talents training target， the process of graduation design is the science education for college students， which can strengthen the awareness of innovation and engineering consciousness， improve the basic training ability and engineering practice. Based on the graduation design of "Design and development of drill structure based on bionic self repair"， the research internship stage， innovation design stage， and summary and defense stage are put forward， at the same time some views on innovation are suggested.

關鍵詞： 畢業設計；培養目標；創新設計

Key words： graduation design；training target；innovation design

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）08-0239-02

0 引言

畢業設計教學過程是大學生進行科學教育，強化創新意識和工程意識，進行工程基本訓練和提高工程實踐能力的重要培養階段；是對大學生進行綜合素質教育，培養嚴肅認真的科學態度、優良的思維品質和嚴謹求實的工作作風的重要途徑。大多數機械設計制造類專業畢業設計為工程設計。工程設計是將技術原理轉化為生產力的橋梁，是實現科研成果設計價值的創新活動。下畢業設計從大的進程來看，通常分為三個階段，包括：前期調研實習階段、創新設計階段和總結與答辯階段。下面以“基于仿生自修復的鉆頭結構設計與開發”這個畢業設計的三個階段為例，介紹下機械設計制造專業畢業設計的選題與指導策略。

1 前期調研實習階段

畢業設計前期調研實習階段的主要任務是通過調查實習，查閱中英文文獻、收集資料和現場考察，了解國內外相關技術的發展情況。有條件的學習可以通過工廠的現場參觀實踐，以便使畢業設計更好地接近工程運用領域。這個階段要確定好畢業設計題目、設計要求、畢業設計任務書和指導書，并收集好相關資料。

“基于仿生自修復的鉆頭結構設計與開發”畢業設計的主要研究內容：

①仿生自修復的鉆頭結構方案的總體設計；

②仿生自修復的鉆頭結構的建立及相關參數確定；

③仿生自修復的鉆頭結構參數的創新性優化；

④基于三維軟件的仿生自修復鉆頭結構模型的生成與二維圖紙出圖。

畢業設計的主要任務及數量：

①分析題目和設計技術要求，查閱20篇以上的相關文獻資料；

②說明書字數不少于2萬字，圖紙總量不少于3張A0；

③英文翻譯一篇（0.3-0.4萬字）、畢業論文一本（2-3萬字）、開題報告一份。

畢業設計的進度計劃：

第1-2周：借閱相關資料、文章，完成開題報告；

第3-6周：熟悉運動仿真的相關軟件，達到靈活運用的程度；

第7周：基于仿生自修復的鉆頭結構總體設計；

第8-12周：仿生自修復的鉆頭結構的建立及相關參數確定及優化；

第13-14周：編制設計說明書做答辯前的準備。

前期調研實習階段的畢業論文簡介：

科學技術發展到今天，由于超硬材料在物理力學方面有著良好的表現，超硬材料也在不斷地擴大它的應用領域，尤其是在地質的勘探和在石油鉆井等方面有著重要的作用。而在二十世紀的七十年代，在海外就已經開始把眼光放在了聚晶金剛石復合片（PDC）上，將這種材料作為了一種切削工具，而他們所研發的這種聚晶金剛石鉆頭在某些地層有著顯著的效果。聚晶金剛石鉆頭的工作層在工作的時候會逐步磨損，工作層與巖石的接觸面會變為平面或者是一個弧面，這在鉆壓不發生改變的前提下，巖石上受到的壓強會變弱，這樣就會使得整個鉆頭的工作效率降低，這在石油鉆探的過程中會使得整個鉆探的成本增加施工的周期也會延長。聚晶金剛石鉆頭在堅硬復雜的地層進行破碎的時候，PDC齒由于受到較大的沖擊就會使得鉆頭的金剛石層發生破裂、脫層等不正常的磨損現象，而這些現象的產生就會大幅度的降低鉆頭的工作效率和使用壽命。

因此，本設計目的是為了解決聚晶金剛石鉆頭在堅硬復雜的地層磨損比較大工作效率比較低的現象。通過引入仿生學的理論使得所設計出來的仿生聚晶金剛石鉆頭能夠根據地層硬度的變化自動調節合適的工作角度從而減少了鉆頭的磨損、延伸鉆頭的工作壽命以及增加鉆頭的出產效率。

2 創新設計階段

機械畢業設計的本質是創造和革新。現代機械零件設計強調創新設計，要求在設計中更充分地發揮設計者的創造力，利用最新科技成果，在現代設計理論和方法的指導下，設計出更具有生命力的產品。

創新設計階段的畢業論文簡介：如圖1所示這就是設計出來的仿生自適應鉆頭結構三維模型。當聚晶金剛石復合片進入巖石的時候，它會受到來自巖體反作用力，鉆頭基體與切削齒柱體之間有圓柱銷進行連接，使得切削齒柱體能夠在一定范圍內自由轉動，切削齒柱體之間裝有兩個彈性體，分別是第一彈性體和第二彈性體，兩者都有一定的預緊力。當鉆頭遇到比較堅硬的巖石的時候，巖石作用在切削齒柱體上的作用力大于第一彈性體的預緊力時，切削齒將會自動向后轉動，擠壓第一彈性體，使后傾角增大，降低在鉆頭工作過程中受到來自巖層的沖擊力，降低了PDC切削齒的磨損，增進了使用生命，降低工作成本。當遇到較軟的巖石時，巖石的反作用力將會驅使切削齒柱體向前轉動，壓縮第二彈性體，減小了鉆頭的后傾角大小，能夠讓鉆頭更加容易進行破碎，提高了工作效率。

3 總結與答辯階段

總結階段的畢業論文簡介：

通過對自然界各種生物的研究，初步選擇了老虎爪趾，鼴鼠爪趾以及兔爪作為仿生原型。最終選擇了老虎爪趾作為仿生原型。結合了仿生自適應理論，將老虎爪趾的結構運用在了常規PDC鉆頭上，制造出了仿生自適應PDC鉆頭。這種鉆頭能夠適應復雜地層的鉆進。這種鉆頭可以根據鉆頭收到的來自巖石的反作用力，自動調節后傾角的大小，當遇到硬度較大的巖層的時候，它會增大后傾角，減小PDC齒受到的打擊力，降低它的磨損，提高PDC鉆頭的壽命。遇到硬度較低的巖層的時候能夠降低后傾角大小，從而使鉆頭更加容易破碎巖石，提高了工作效率，降低生產成本。歸功于上述的這種結構功能，使得這種PDC鉆頭的適用范圍相較于常規的鉆頭更加廣泛。

答辯階段的畢業論文簡介：

①鉆頭的結構分為幾部分？

答：鉆頭基體、切削齒、鉆頭刀翼等部分組成。

②鉆頭刀片部位如何進行設計，用什么材料？

答：我們需要預測接觸區的形狀，以及它們的尺寸如何隨載荷的增加而增加通過分析接觸區接觸應力的大小和分布來計算變形分量和應力分量。材料采用的是聚晶金剛石復合片、硬質合金齒。

③刀片結構的幾何參數如何定？

答：通過SolidWorks中的Stimulation進行分析從而了解刀片的幾何參數。

4 小結

機械設計制造專業的畢業設計是一項集學習、實踐、探索和創新相結合的綜合教學環節，這不僅是培養學生綜合素質和工程實踐能力的重要載體，也是離校前對學生知識、能力、素質的一次全面檢驗、總結和提高。高等院校已經成為科技創新和技術創新的骨干力量，所以畢業設計的選題與指導一定要注意教育功能和社會功能相結合，既能使教學質量得以提高，又能使學生在設計中得到全面鍛煉。

參考文獻：

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