關于機械設計過程中零件結構合理性設計的研究

朱繼偉

山東冶金機械廠有限公司 山東淄博 255064

機械零件是構成機械的基本元件。隨著機械制造業的飛速發展，如何才能制造出高精度的機械零件已成為人們研究的重點，其中機械零件的外觀設計是體現零件精度高低的一個重要因素。但在實際生產過程中，廠商往往容易忽略對高精度機械零件的外觀進行精心設計，導致許多機械零件在外觀設計方面無法滿足客戶的需求。三維設計技術廣泛應用于多個領域，可實現多專業的協同設計理念，已成為一種常用的機械零件設計技術。

1 機械零件結構合理性設計的基本原則

1.1 機械零件結構應該與毛坯成形方法相適應

由于不同的毛坯成形工藝適用于不同結構形狀的毛坯生產的過程中，站在某種角度來說，毛坯成型工藝會對零件結構產生較大影響。在鑄造成型過程中，可選擇的工藝很多，往往可以將一些結構復雜的零件生產出來，尤其是在芯子制造上具有多變性特點，為后續復雜內腔的制定提供了基礎。整體來看，為了進一步提升設計效果，人們可以采用具體的空中結構將零部件的剛性提升，進而降低材料用量的消耗程度。像在結構復雜的箱體設計上，可以利用焊接形式進行，但焊接過程中的箱體內腔不能太過復雜，否則將會增加整個焊接生產工作的難度，最終提升企業的生產結構成本。又如，在曲軸生產過程中，由于鑄造工藝具有較強的成形性，可以進一步降低軸的加工余量，提升金屬利用率，其制造成本也要低出鍛軸很多。在曲軸鑄造過程中，其具體的結構設計可以比較復雜，但必須與相關鑄造工藝要求相符，并做到形狀對稱。最后，如果不加工面與分型面相垂直，設計人員需要將整體結構斜度突顯出來[1]。

1.2 整體性

在機械制造工藝的合理化設計過程中，應先制定機械設計方案。在制定設計方案的時候，技術人員應嚴格遵守整體性原則，以機械制造工藝作為出發點，在保證各部件合理的同時，制定多種機械設計方案，并從中擇取最優方案作為最終設計方案。

2 機械設計過程中零件結構合理性設計的具體方法

2.1 合理設計安全參數

與常規安全系數法，可靠性設計法以用戶要求及實際情況為出發點制定科學合理的設計方案，兼顧設計結構，不止大大節約加工材料及加工時間，更為企業贏得更多的經濟效益，但是常規安全系數法設計理念過于傳統保守，早已與時代發展相脫節。同時，機械零件可靠性優化設計能延長零件自身使用年限大大降低其失效概率，彌補常規安全系數法的不足，但是受加工材料自身強度分布及荷載分布資料欠缺的影響，一定程度上阻礙可靠性優化設計廣泛應用[3]。從理論及實踐角度來看，機械材料特性及機械構件運作荷載條件、破壞過程均存在著不同程度的隨機性。

2.2 提升加工精確度

對于零件而言，精確度是檢驗其質量的一大重要標準。為了確保零件精確度與客戶需求相符，在合理化機械設計中，需要加強對設計方式的有效應用。首先，測量工具優化方式，在機械制造工藝生產中，零件精確度主要是利用測量工具所獲取，一旦測量工具精確度較低，那么零件產品的精確度參數也會明顯降低，所以應結合豐富經驗，按照客戶需求，對測量工具進行優化與調整，并應用到精確度測量中去，以提高客戶的滿意度。其次，加工工具改善方式，在機械制造過程中，夾具等工具的應用會直接影響零件產品的精確度參數，因此企業應根據零件差異，改善夾具等工具，從而增強工具和產品間的契合度。再次，誤差因素控制方式，應力、切削磨損和變形等誤差參數都會影響產品精度，因此在合理化機械設計中，應根據相關因素采取與之相適應的控制方式，最大程度上控制精確度誤差。

2.3 減少零件加工面

在機械零件結構設計過程中，應進一步降低加工面積，這樣一來，整體零件的加工量也會得到大幅度降低，提升加工效率。在實際工作中，還會出現很多零件結構定位，此時，工作人員需要確保整個零件加工精度能夠得到大幅提升，并且對零件裝配進行有效控制，長此以往，會增加零件的加工量和加工難度。為此，工作人員在加工工作開始之前，對整個零件結構進行適當調整，進而將零件定位到一個端面之中，提升定位的合理性，為整體加工工作提供便利的同時，提升加工精準度。除此之外，在具體的機械零件加工過程中，工作人員需要注意的地方有很多，例如不能在封交的內表面開展加工工作。一般來說，機械零件的內部加工本身存在很大難度，其內部表面處于半封閉狀態，不利于加工工作的全面開展。因此，工作人員一定要避免這種情況的出現。

2.4 合理設計機械零件自身尺寸、荷載、強度

機械零件自身物理量、幾何尺寸、荷載、強度及應力均屬于多值參數且呈現相應的分布狀態，尤其是強度分布及應力分布往往被視為正態分布。可靠性優化設計途徑較為單一，以指定性能指針為約束大大增強機械零件可靠度，甚至以可靠度為標準促使零件指定指針呈現最優化體現，并且二者相比后者方法適用性更強。因此在實際設計的過程中，技術人員必須建立體積最小、重量最輕及成本最低的目標函數，結合幾何尺寸、剛度、可靠度及強度等設計要求，搭建相應的可靠性優化設計數學模型，再依據數學模型的復雜程度、形態及規模選擇出最為適宜的優化方法求出其最終優化設計變量。

3 結語

綜上所述，在機械制造過程中，確保設計的合理性是十分關鍵的，合理化機械設計不僅可以確保產品整體質量與使用壽命，還可以促使企業在激烈競爭的市場環境中占據有利地位。因此，在具體的機械零件設計過程中，應該將其中的設計結構合理性地展示出來，并以實際情況為主，對相關機械零件性能進行優化，改善其零件結構，只有這樣，才能確保整個機械零件設計與現代化機械生產需求相符。