機械設計中的若干心得體會

□ 劉興玉 □ 丁強偉 □ 婁燕鵬 □ 閔帥超 □ 高 琦

中國船舶集團有限公司第七二五研究所 河南洛陽 471000

設計是一種創造性勞動,是能夠反映設計師綜合水平、體現設計師價值的實踐活動。機械設計具有很強的專業性,一個優秀的機械設計工程師不僅要具有扎實的機械設計專業理論知識,而且需要有豐富的設計、制造、使用、維護工程實踐經驗,同時還要通曉相關的國家法令、標準、規范等。現實情況是,設計者常因任務重、時間緊、設計實踐經驗不足或其它不利因素,忽略機械設計中應該要遵守的一般設計原則或要求,最終導致設計工作失誤,甚至設計任務失敗。由此可見,如何全面、嚴謹、有效地做好機械設計,避免設計失誤,是非常重要的。筆者結合實踐經驗,從多個方面介紹機械設計中需要關注的問題,為機械設計從業人員提供參考。

1 設計標準化

當前,我國工業進入了快速發展階段,在高速發展的同時一些安全隱患和事故也隨之出現,會給個人、集體甚至國家帶來財產方面的巨大損失,這同時也是機械設計制造中較難突破的一大難題。為了解決這一難題,國家各部委及相關行業協會組織編制了一系列設計制造法令、標準、規范、手冊等,將設計制造內容標準化成為解決這一問題的一項重要舉措。但是,標準規范繁多也給設計者帶來了一定的困擾,部分設計者在選用標準時顯得無所適從,以下筆者對設計標準化工作談幾點認識。

1.1 標準產品應選用準確的設計標準

標準產品一般都有設計標準或規范可依,標準規范中也會明確規定產品的設計、制造、檢驗、驗收等要求。如果某產品的設計按照上述規定執行,那么就要求設計者的設計過程必須嚴格遵守上述規定,并且不能違背。通常情況下,產品的設計標準來自產品設計任務書或者技術文件要求等頂層文件,設計者在進行標準產品設計時一定要明確并通曉產品的設計標準,因為設計標準會引申出一系列與該產品相關的制造、檢驗、驗收等要求,這一系列要求與產品的性能、效率、成本等息息相關。例如,設計一個DN80/PN40船用鑄鋼法蘭截止閥,可以執行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》。需要注意這兩個標準在材料選用、接口尺寸、質量、產品結構、試驗驗收等方面均有很大不同,設計者必須根據實際工況執行準確的設計標準。

1.2 非標產品應采用標準化設計

機械是一個古老的行業,機械設計少說也有幾百年的歷史。在機械設計過程中,設計者不僅要依靠自己的努力,而且更應善于借鑒他人,特別是前人的成功設計經驗。進行一次設計,不太可能是完全全新的,通常都有先例可以參考。一個有經驗的設計師,應能夠得心應手地選擇經過實踐考驗的方案,而不是試圖去做出未經試驗的、一鳴驚人的全新設計。設計者在進行非標產品的結構設計、分析計算、合格判據等內容的比選中,應著重思考是否有類似結構可借鑒,哪個計算方法更適用,所參照的合格判據是否符合實際工況要求等,進而選擇成熟、科學、合理的設計依據,并按其要求執行,從局部標準化出發,做到整體標準化。例如在進行系列化產品或零件設計時,產品或零件的主要參數或主要尺寸應優先按GB/T 321—2005《優先數和優先數系》的規定選用;在對機械零件進行倒圓與倒角設計時,盡量按GB/T 6403.4—2008《零件倒圓與倒角》執行;在進行扳手空間尺寸設計時,應參考JB/ZQ 4005—2006《扳手空間》的規定;在進行四方或六方螺母設計時,應充分考慮是否有與之匹配的扳手等標準工具,尺寸設計建議參考JB/ZQ 4263—2006《對邊和對角寬度尺寸》。

1.3 注意參照的有效性

在機械設計中,沒有放之四海皆準的準繩,每個標準都有適用范圍和使用限制。對于設計者而言,常常因為沒有找到可借鑒的設計而苦惱,同時也會在前期查閱、收集資料方面為尋找參照而花費很多精力,有些時候忽略了參照的系統性和有效性。需要注意的是,參照實際上是建立在等效采用的原則之上的。忽略參照的系統性和有效性,設計的產品可能會產生失之毫厘、謬以千里的嚴重后果。例如,法蘭、墊片、緊固件是構成法蘭接頭最主要的三種零件,三者合理選配非常重要,應當綜合考慮法蘭的壓力等級、要求的預緊比壓、墊片及螺栓的強度等級等諸多因素。如果法蘭按HG/T 20592—2009《鋼制管法蘭(PN系列)》進行設計選型,那么墊片應該按HG/T 20606～20612—2009系列標準進行選型設計,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)》的相關規定,墊片不宜采用國家標準或其它行業系列標準進行選型設計,緊固件也不應當按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》進行選型設計。如果某壓力容器按ASME BPVC第Ⅷ卷進行設計,那么所選材料及其性能就應按ASME BPVC第Ⅱ卷進行確定,而不宜選取國內標準材料。因此,采用參照法進行產品設計時,不僅要關注所參照的實例或標準規范的實用性,而且要充分考慮所參照實例的實際工況與所設計產品使用條件的符合性及相關標準的系統性,明確所參考的標準、規范的適用范圍和使用限制。參照設計中以劣代優會使產品出現不可預估的后果,以優代劣的設計又偏于保守,使產品失去競爭力,這些都不是優秀的設計。

2 合理選擇材料

材料的選擇是機械設計中的一個重要環節,也是一個復雜的過程。同一個零件采用不同材料制造,尺寸、結構、加工方法、工藝要求等都會有所不同,這就要求設計者對常用機械工程材料的特性和使用工況有充分認識,根據材料的不同特性來采取相應的結構設計。例如,有經驗的設計者都會盡量將鑄鐵件設計為承受壓應力而非拉應力或彎曲應力,使焊接件的焊縫位置盡量避開機加工面等。設計者在進行零件材料選擇時,應重點考慮三個方面。

(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 零件尺寸和質量方面的限制;② 零件的受載情況;③ 零件所處的介質、溫度、摩擦、磨損等工況環境;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,選材時應考慮零件結構的復雜程度、尺寸大小和毛坯類型。對于外形復雜、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,則應優選鑄造性能好的材料。若采用焊接結構,則應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,應選用塑性較好的材料。對于需要熱處理的零件,材料除應具有良好的熱處理性能外,還應考慮材料熱處理后的易加工性。

(3) 經濟性要求。材料的經濟性不僅指材料自身的價格,而且包括加工制造費用、使用維護費用等。可以從五個方面提高材料的經濟性。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,通過組合式結構設計或選擇合適的替代材料,節約使用稀有材料,避免使用有害材料。第四,在設計選材時盡可能減少材料種類和規格,以簡化供應和管理。第五,結合企業自身情況,選擇便于供應的材料。

3 設計應主次分明

一般產品都由多個零件組成,每個零件在產品中扮演著不同的角色,發揮著應有的作用。每個零件的重要程度不盡相同,有主次之分,尤其是對于運動副而言,在多數條件下保證組成運動副的全部零件的等壽命設計是行不通的,設計者必須明確采用保護哪個零件、犧牲哪個零件的設計意圖,與其投入巨大精力和成本設計制造為等壽命或全壽命,不如適時將次要零件設計為易損件,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相互磨損的現象。另一方面,在機械結構設計中,還應盡量簡化設計,減少零部件的種類和數量,追求精煉和簡單,這是設計者追求的終極目標。

4 設計應面向制造

圖紙是設計輸出的最重要載體,要求設計者進行標準化設計,也包括了圖紙標準化。設計者繪制的圖紙應能使制造者看得懂,看得清,容易理解,不易誤解,否則極易導致返工甚至產生廢品。更應避免的是,因設計者對生產工藝考慮不周或認識不夠,人為制造設計圖的不確定因素,將問題留給制造人員,從而導致設計者與制造者的想法不一致,造成不必要的損失。總之,設計應該面向制造,圖紙設計必須遵循一個原則:無論什么樣的零件,在沒有設計者參與的前提下,任何一個制造者都能從圖紙中讀懂一切j,毫無疑問、準確無誤地將零件生產出來。這就要求設計者增加制造工藝方面的知識儲備,當設計和制造發生矛盾時,及時提出自己的見解,將自己的設計意圖傳達出去并可以執行。從原則上講,設計應該適應工藝。如果出現不匹配的情況,應該修改設計。但由于設計更改所需時間一般較長,因此在設計更改未完成前,為了提高效率,建議對工藝做適當調整。

5 結束語

機械設計是一門大學問,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,設計者都需要做到知其然,知其所以然,知其然后然。機械設計值得從業者不斷鉆研提高。