机械产品零部件设计革新

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作者：王月强

传统的机械零部件设计特点是在长期设计经验积累的基础之上，通过数学建模、力学实验等形成的标准、图表、公式等作为规范依据，进而采用条件性类比或计算的方式进行设计。但就目前而言，这种设计存在着一定的局限性，与现代化机械的应用需求不相适应。因此，必须对机械零部件设计进行创新，以提高机械零部件的实用性能。本文中笔者主要就此进行了探讨，并提出了现代机械产品的设计思想。

传统机械零部件设计中存在的局限

机械零部件的设计就是人类未来实现既定目标而进行的一种机械创造性活动。在传统的机械零部件设计中，通常是在长期设计经验积累的基础之上，通过数学建模、力学实验等形成的标准、图表、公式等作为规范依据，进而采用条件性类比或计算的方式进行设计。这种设计方法虽然较为稳定，但随着机电一体化进程的加快，此设计方法往往不能满足实际应用的各种需求，长期以来出现了很多运用中的实际问题，如零部件容易受到摩擦而损坏、容易受到腐蚀损坏、容易疲劳损坏以及表面断裂、剥落等，这对机械零部件设计的发展造成了极大的局限。在目前我国机械运用中，很多机械的零部件设计的实效性能普遍不高，存在着很多局限：设计者在实际设计过程中往往按照既定的经验或计算方式进行有限的设计，思维狭隘，过早的确定方案，其设计方案通常会缺乏系统性和创新性，实际应用效果不能与时俱进；在设计中，仅仅重点计算关键零部件的简化力学模型或经验公式，而对于其他的零部件则只进行类比设计，与实际工况有着较大差距，出现设计失误；传统设计更加重视产品的自身功能实现，往往对于人与机械与环境之间的协调功能不够重视；大量采用手工设计，其设计的准确性不强，效率较低，工作周期较长等。

机械零部件设计的创新思维运用

对于机械零部件设计工作而言，本身就是一种创造和革新，目前大多设计工作者忽略了这一根本思想，导致了自身设计思维的局限，也对其设计产品的创新性造成极大的局限，基于这种情况，笔者提出了以下创新思维在机械零部件设计中的运用，以通过现代设计理论指导设计出更好的产品。首先，设计者应该充分运用创造思维进行设计，将自身的想象能力、思维能力、理想信念等充分融入产品设计中，对日常观察、记忆所得的信息进行加工创新，并通过有效的创造活动对设计进行控制创新。并通过日常工作加强自身创新意识、创新能力和创新实践的培养，从而提高自身的设计创新发展。其次，设计者应该充分运用发散思维进行设计，突破自身思维局限，以设计问题为核心，从不同角度、不同层次进行思考，从而得出多种设计方式。如，对于将两个零部件进行有机的联结，常规办法通常是焊接、胶结、螺纹联结等，但通过设计者不同角度和层次的考虑，就可以通过摩擦力、电磁力、冷冻、压差或真空等方式进行。在机械零部件设计创新中，发散思维是设计者必须具有的素质。此外，创新思维是一种人脑最高层次的思维活动，在常规思维基础之上，设计者将各种信息进行重新的集成，从而产生新的设计思维。尤其在机械零部件设计过程中，一般要经过产品规划、原理方案设计、技术设计、施工设计、改进设计等几个阶段，设计者更应该以产品创新为目的，以现代设计方法为基础，常规思维管理，追求产品的新功能、新造型、新结构、新工艺等，以全面实现设计创新。

现代机械零部件设计策略

科学的把握机械设计内容及要求

在机械设计中，零部件设计是重要的内容和组成部分，只有通过高性能的零部件，才能全面实现设计的机械性能。零部件作为机械的基础，其设计主要内容有：根据总体设计要求极其运动方案设计要求，将零部件的性能、参数及工作要求明确，精确把握零部件的结构、材料极其精度等，进行严格的工作能力和失效分析，绘制精确的零部件装配图。机械产品的整体工作性能及其寿命取决于零部件，所以，对于机械零部件设计应该满足以下要求，工作能方面的要求有寿命、耐磨性、强度、刚度、耐热性、精度以及震动稳定性等；对其工艺性要求主要为维修便利；对其经济性能的要求主要为控制生产成本。此外，还应该满足机械零部件使用的防腐性能要求、噪声控制需求以及安全需求等。

对机械零部件的失效形式进行严格的计算

在实际机械运用中，经常会发生零部件失效现象，造成机械不能正常工作。主要失效形式包括：表面压碎、断裂、塑性变形、共振、表面压碎、过度弹性变形以及过度磨损等。因此，要想最大限度的避免零部件失效，应该在设计阶段对其进行失效分析，对其失效可能性进行预测，并实行相应的措施，具体如下，第一，根据机械零部件抵抗断裂、表面疲劳或塑性变形等失效的能力进行计算，确保机械零部件的强度能够符合其正常工作的需求；第二，根据刚度准则，即在荷载作用之下，零部件对弹性变形进行抵抗的能力，确保零部件在荷载作用之下的弹性变形处于极限值之内；第三，对机械零部件的震动稳定性进行计算预测。尽量避免机械在高速运动中发生共振，确保零部件的固有频率和工作时受到的激振源频率分离；第四，根据机械零部件的耐热性准则，即高温条件之下，零部件在工作中由于过度受热而引起氧化、热变形、胶化等问题造成的零部件失效进行计算预测，合理的选择材料进行对其结构的设计，必要时可以采用气冷或水冷等方式对零部件进行降温以确保零部件在高温条件下的工作正常。第五，根据机械零部件的耐磨性准则，即机械在工作过程中，零部件之间由于相互接触摩擦而造成工作表面的磨损的抵抗能力进行计算预测，当零部件磨损过度时，其结构形状、强度等都会受到极大的影响，进而影响到其工作效率和精度。所以，在设计阶段必须采取有效措施加强零部件的耐磨性能。

科学的设计机械零部件的表面粗糙度

机械零部件的表面粗糙度是对其进行表面质量检验的重要指标，也是零部件表面微观集合形状误差的重要反映指标，其合理与否直接关系这零部件的寿命、质量和成本。对于机械零部件表面粗糙度的选择，可以遵循以下三种方法进行：类比法、试验法和计算法。其中应用最为广泛的是类比法，这种方法不仅快捷简便，而且效果较好。在进行应用类比法选择机械零部件表面粗糙度时，首先应该进行充分的资料参考，通常而言，机械零部件的尺寸公差要求越小，则其表面粗糙度值也就越小，但二者之间的函数关系并不固定。在机械的实际应用中，在相同尺寸的零部件前提下，表面粗糙度的要求会由于机械的不同而存在差异，这就是其配合稳定性的问题。此外，不同类型的机械其互换性要求也存在差异。因此，在机械零部件设计过程中，应该从实际出发，对零部件的工艺性、经济性及其表面功能进行全面的研究之后，合理的选择其表面粗糙度，这样才能实现科学合理的设计。

机械零部件设计的全面优化

在现代机械零部件设计中，除了把握好上述几个方面的设计外，还应该充分利用现代机械学的理论和方法，如机械动力学、机构学、摩擦学、传动机械学等，而且随着计算机技术的不断发展，各种新的设计准则和方法逐步发展与完善。在设计中各种关机技术问题能够利用计算机进行辅助分析，如在设计过程中引入CAD，通过计算机技术完成设计中的各种计算、选型、制图及其他工作，此外，还有基于专家系统的智能CAD；计算机辅助制造（CAD,CAM），CAD系统集成化，动态三维造型技术，面向制造的设计技术，CAD分布式网络系统等，各种CAD技术的运用不仅能够极大的提高机械零部件设计效率，使设计者有更多的时间进行创新，而且极大的推动了我国机械零部件设计的发展，逐步取代了其他设计方法，成为当前机械设计的重要组成部分，所以，现代设计者应该更加重视这些技术的运用，对机械零部件的设计进行全面优化。