机械设计中的若干心得体会

  摘要

  在机械设计过程中，遇到了很多现实并客观存在的问题，或对标准运用理解不深，或对材料使用了解不够，或对结构设计不清晰，或对制造重视不足。如果这些问题不加以关注，轻则产品出现故障，造成资源浪费，重则危及人身及财产安全。文章从设计标准化、合理的选材、设计的主次要求、面向制造的设计要求等几个方面简要阐述了机械设计中的若干心得，以期对机械设计从业者提供一定的帮助。

  引言

  设计是一种具有创造性的劳动，是最能反映设计师综合水平、体现设计师价值的实践活动。机械设计具有很强的专业性，一个优秀的机械设计工程师不仅要有扎实的机械设计专业理论知识，更需要有丰富的设计、制造、使用和维护工程实践经验，同时还要通晓相关的国家法令、标准、规范等。现实情况是，设计者常因任务重、时间紧以及设计实践经验不足或其他不利因素，而忽略机械设计中应该要遵守的一般设计原则或要求，最终导致设计工作失误甚至设计任务失败。因此，如何全面、严谨、有效地做好机械设计，避免设计失误，变得尤为重要。本文作者结合自己的实践经验，从多个方面阐述机械设计中需要关注的若干问题，以期对机械设计从业人员提供借鉴。

  01:设计标准化

  在改革开放后，我国工业领域进入了快速发展阶段，但在其高速稳定发展的同时一些安全隐患和事故也随之出现。这非但给个人、集体甚至国家带来精神和财产上的巨大损失，同时也成为机械设计制造中难以突破的一大难题。为了解决这一难题，国家各部委及相关行业协会组织编制了一系列设计制造法令、标准、规范、手册等，将设计制造内容标准化成为解决这一问题的一项重要举措。但标准规范繁多也给设计者带来了一定的困扰，部分设计者在选用标准时显得无所适从。以下作者对设计标准化工作谈几点认识：

  标准产品应选用准确的设计标准

  标准产品一般都有设计标准或规范可依，标准规范中也会明确规定产品的设计、制造、检验和验收等要求。如果某产品的设计按照上述规定执行，就要求设计者的设计过程必须严格遵守上述规定，而不能违背。通常情况下，产品的设计标准来自产品设计任务书或者技术文件要求等顶层文件，设计者在进行标准产品设计时一定要明确并通晓产品的设计标准，因为设计标准会引申出一系列与该产品相关的制造、检验、验收等要求，而这些系列要求恰恰与产品的性能、效率、成本等息息相关。例如：设计一个DN80/PN40的船用铸钢法兰截止阀，可选用GB/T 584-2008《船用法兰铸钢截止阀》或CB/T 4006-2005《J类法兰铸钢4.0MPa截止阀》，但上述两个标准在材料选用、接口尺寸、重量、产品结构、试验验收等方面均有很大不同，设计者必须根据实际工况选用准确的设计标准。

  非标产品应采用标准化设计

  机械是一个古老的行业，机械设计少说也有数百年的历史。在机械设计过程中，设计者不仅要依靠自己的努力，同时更应善于借鉴他人，特别是前人的成功设计经验。一个设计不大可能是全新的，通常都有先例可以参考。一个有经验的设计师应能够得心应手地选择经过实践考验的方案，而不大可能也没有必要试图去做出未经试验的、一鸣惊人的全新设计。设计者在进行非标产品的结构设计、分析计算、合格判据等内容的比选中应着重思考是否有类似结构可借鉴、哪个计算方法更适用、所参照的合格判据是否符合实际工况要求等，进而选择成熟、科学、合理的设计依据并按其要求执行，即可采用“参照法”，从局部标准化做到整体标准化。例如：在进行系列化产品或零件设计时，产品或零件的主要参数或主要尺寸应优先按GB/T 321-2005《优先数和优先数系》的规定选用;在对机械零件进行倒圆与倒角设计时，尽量按GB/T 6403.4-2008《零件倒圆与倒角》执行;在进行扳手空间尺寸设计时应参考JB/ZQ 4005-2006《扳手空间》的规定;在进行四方或六方设计时，应充分考虑是否有与之匹配的扳手等标准工具，尺寸设计建议参考JB/ZQ 4263-2006《对边和对角宽度尺寸》。

  注意“参照法”的有效性

  没有放之四海而皆准的准绳，每个标准都有其适用范围和使用限制。对于设计者而言，常常因为没有找到可借鉴的设计而苦恼，同时也会在前期查阅、收集资料方面为寻找“参照”而花费很多的精力，有些时候就忽略了“参照”的系统性和有效性，而“参照法”实际上是建立在“等效采用”的原则之上的。为此，不少人设计的产品产生了“失之毫厘，谬以千里”的严重后果。比如：法兰、垫片、紧固件是构成法兰接头最主要的三种零件，三者合理地选配非常重要，应综合考虑法兰的压力等级、要求的预紧比压、垫片以及螺栓的强度等级等诸多因素。如果某管法兰按HG/T 20592-2009《钢制管法兰(PN系列)》进行设计选型，垫片就应该按HG/T 20606~20612-2009系列标准进行选型设计，紧固件选型就需要满足HG/T 20613-2009《钢制管法兰用紧固件(PN系列)》的相关规定;而垫片不宜采用GB或其他行业系列标准进行选型设计，紧固件也不应按NB/T 47027-2012《压力容器法兰用紧固件》或GB/T 9125-2010《管法兰连接用紧固件》进行选型设计;如果某压力容器按ASME BPVC Ⅷ 进行设计，其所选材料及其性能就应按ASME BPVC II 进行确定，而不宜选取国内标准材料。因此，采用参照法进行产品设计时，不仅要关注所参照的实例或标准规范的实用性，更要充分考虑所参照实例的实际工况与所设计产品的使用条件的符合性以及相关标准的系统性，或者清晰所参考的标准规范的适用范围和使用限制。参照设计中“以劣代优”会使产品出现不可预估的后果，“以优代劣”的设计又偏于保守，使产品失去竞争力，这些都不是优秀的设计。

  02:合理选择材料

  材料的选择是机械设计中的一个重要环节，也是一个复杂的过程。同一个零件采用不同材料制造，则其尺寸、结构、加工方法、工艺要求等都会有所不同，这就要求设计者对常用机械工程材料的特性和使用工况有充分的认识，根据材料的不同特性来采取相应的结构设计。比如，有经验的设计者都会尽量将铸铁件设计为承受压应力而非拉应力或弯曲应力，将焊接件的焊缝位置尽量避开机加工面等等。设计者在进行零件材料选择时应重点考虑以下几个方面：

  (1)使用要求。满足使用要求是零件选材最基本的要求，其要求一般包括以下几个方面。①对零件的尺寸和重量方面的限制;②零件的受载情况;③零件所处的介质、温度、摩擦、磨损等工况环境;④零件的重要程度;⑤抗磁、绝缘、腐蚀等其他要求。在考虑使用要求时，要抓住主要问题，兼顾其他方面。

  (2)工艺要求。为了便于加工制造，选材时应考虑零件结构的复杂程度、尺寸大小和毛坯类型。比如：对于外形复杂、尺寸较大的零件，可考虑采用铸造成型或焊接成型，若采用铸件则应优选铸造性能好的材料，若采用焊接结构则应选择焊接性能好的材料;对于外形简单、尺寸小、批量大的零件，适合冲压和模锻，应选用塑性较好的材料;对于需要热处理的零件，材料除应具有良好的热处理性能外，还应考虑材料热处理后的易加工性。

  (3)经济性要求。材料的经济性不仅指材料本身的价格，还包括其加工制造费用、使用维护费用等。提高材料的经济性可从以下几个方面考虑：①材料本身的价格;②采用热处理或表面处理等工艺，以减轻腐蚀或磨损情况，充分发挥和利用材料的潜力，延长零件使用寿命;③通过组合式结构设计或选择合适的替代材料，节约使用稀有材料，避免使用有害材料;④在设计选材中尽可能减少材料的种类和规格，以简化供应和管理;⑤结合企业自身情况，选择便于供应的材料。

  03:设计应主次分明

  一般产品都有多个零件组成，每个零件在产品中扮演着不同的角色、发挥着其应有的作用。但每个零件的重要程度不尽相同，必有主次之分，尤其在运动副中表现尤为突出，因为多数条件下保证组成运动副全部零件的等寿命设计是行不通的，设计者必须明确保护哪个零件、牺牲哪个零件的设计意图。与其投入巨大精力和成本将其设计制造成等寿命或全寿命，不如适时把次要零件设计成易损件或许更是一个明智的选择。比如：有一根传动轴比较重要，一般情况下与其配合的衬套、滑动轴承等零件的表面硬度至少应低于传动轴的表面硬度30HB以上，而不允许在使用过程中出现相互磨损的现象。此外，在机械结构设计中，还应尽量简化设计，减少零部件的种类和数量，只有精炼的、简单的才是设计的进步，这也理应作为设计者追求的终极目标。

  04:设计应面向制造

  图纸是设计输出的最重要载体，在要求设计者进行标准化设计的同时，图纸标准化也是其应有之意。设计者绘制的图纸应能使制造者看得懂，看得清，容易理解，不易误解。否则，极易导致返工甚至废品产生。更为不可取的是，因设计者对生产工艺考虑不周或认识不够，人为制造设计图的不确定因素，将问题留给制造人员，从而导致设计者与制造者的想法不一致，造成不必要的损失。总之，设计应该面向制造，图纸设计必须遵循一个原则：不管什么样的零件，在没有设计者参与的前提下，任何一个制造者都能从图纸中读懂一切，毫无疑问、准确无误的把零件生产出来。这就要求设计者增加制造工艺方面的知识储备，当设计和制造发生矛盾时，及时提出自己的见解，将自己的设计意图传达并执行下去。原则上讲，设计应该适应工艺。如果出现不匹配的情况，应该修改设计。但由于设计更改所需时间一般较长，因此在设计更改未完成前，为了提高效率，建议对工艺做适当调整。

  结语

  机械设计是一门大学问，不能盲目参照，更不能采用拿来主义，无论从功能定位到材料选用，还是从加工工艺到检修维护，设计者都必须做到知其然，知其所以然，知其然后然。在机械设计这个深邃的事业中，值得机械设计从业者穷其毕生精力去钻研。