现代机械设计方法在磨具行业的应用

暴建霞 王慧锋

摘要：随着生产力的不断发展和科学技术的不断进步，特别是在计算机技术和电子信息技术应用和发展的前提下，在常规机械设计的基础上，现代机械设计方法发展得更科学、更完善。现代机械设计方法依据现代机械设计思想与当代机械理论的基本原理，运用电子信息技术工程、计算机技术工程、管理科学工程与知识工程等知识，融合CAD、CAE、机电一体化设计、数值分析、可靠性设计、动态仿真、有限元仿真、虚拟设计和优化设计等先进的技术与方法，从而形成现代机械设计方法的理论与体系。磨具产品的设计不仅要考虑其制造过程和产品的使用周期，还要考虑在保证使用性能和使用寿命的前提下，最大程度的降低设计成本，从而给企业带来好的经济收益和成长竞争机制

关键词：机械设计；现代设计方法；优化设计；磨具设计，计算机辅助设计

前言：“21世纪是质量的世纪”。全球经济一体化促使市场对产品质量严格要求的同时，对产品的成本也有了一定的要求。磨具产品的设计不仅要考虑其制造过程和产品的使用周期，还要考虑在保证使用性能和使用寿命的前提下，最大程度的降低设计成本，从而给企业带来好的经济收益和成长竞争机制。利用现代设计方法与机械设计理论来设计磨具产品，就能很好的满足上述要求。特别是在设计磨具产品的配方中，应用计算机辅助设计（CAD）与优化设计理论，具有可观的经济应用价值。

1 磨具行业背景

近年来，国内磨具企业通过引进国外磨具行业先进的新技术、新工艺与新产品，取得了飞速的发展。特别是在钢铁、数控、汽车制造和船舶等领域积极进行新技术的引进和研发，大大地提升了产品的质量和性能。同时，“高、精、专、自动化”等先进加工工艺的应用，要求磨具产品有更高的质量水准。当然，由于我国磨具制造产业起步晚，品种比较少，在产品质量和加工工艺水平方面与国外先进磨具企业相比存在比较大的差距：比如，高端产品依赖进口；低端产品产能过剩，积压，从而产生货款拖欠与价格战等问题；自主产品和名牌产品较少。因此，磨具制造企业如何利用先进的现代机械设计方法与理论来解决这些个问题是关键。

2现代机械设计方法介绍

现代设计方法概念：现今为工程项目或产品制造完成到实体化的全过程而制订的技术方案、图样与程序。英文为“Modern Design Method”。它运用创新的设计手段，交叉地应用多种理论、方法和技术，使产品设计过程成为一种富于电脑化，自动化、虚拟化、智能化和最优化的创造活动，在决策、综合、迭代与寻优中高效率的、低成本的、高质量的完成产品设计。现代机械设计方法主要有：

1）发展比较成熟，普及范围较广泛的有有限元设计、机电一体化设计、计算机辅助设计、最优化设计等；

2）概念提出较新，正蓬勃发展的有创新设计、生命周期设计、虚拟设计、稳健设计、并行设计、智能设计等.

磨具企业要在市场中立于不败之地，就需要更多的应用现代设计的先进技术和方法，来研发产品、开拓市场，保证产品质量和提高经济效益。

3 现代机械设计的特点

机械设计是实现某一种功能，同时综合制造产品的经济性、制造可能性等，从而构思的一种具有创新性机械产品过程。与传统机械设计相比，现代机械设计有着其自身独有的特点，为了使得设计的产品具有更大的市场竞争力，现代机械在设计时不仅仅需要对系统的机械工作原理、运动形式、力量的传递方式、零部件结构尺寸、外部阻力、摩擦力、各零部件间的耦合方式等等进行考虑，还需要综合融入多门新的科学知识，比如计算机学、机械电子、控制理论、仿生学、美术学等等，是一种融入多门科学知识的综合性设计过程。随着社会的发展以及科技的进步，現代机械的种类越来越多，机械系统的结构复杂度也是逐年的增加。但是从系统功能角度上来说，机械系统可以分为动力系统、执行系统、控制系统、动力传输系统等等，如果再进行细分，每个系统在原系统的基础上仍可进行划分。

4 现代设计方法在磨具行业的应用

1）优化设计方法的应用：中原工学院的梁宝岩，杨本勇，为了改善树脂磨具的强度、硬度和耐磨等性能，用优化设计方法，通过向酚醛树脂中添加价格低廉的玻璃纤维来代替高价格且不易工业化规模生产的氧化物填料，改善了树脂磨具的力学性能和使用寿命的同时，也降低了成本。

2）创新设计方法的应用：广东小太阳砂磨材料有限公司的梁文聪，利用创新设计方法，通过实验发明了涂附磨具的防静电涂层配方，用5个实施例来说明此发明具备材料成本低、制作简便、能有效的杜绝涂附磨具在磨削过程中的静电效应，提高了磨削质量和效率[2]。

3）有限元设计方法的应用：为了解决加工深窄槽磨具的难题，太原理工的宫晓琴，吕明，王典国等人用有限元模态分析，用得到的磨具的振动频率，研究出一种新的加工方法。磨具在这个频率下工作时，振动和变形量最小，磨具不易损坏，延长了寿命。南京航空航天大学的左敦稳、卢文壮、赵宇飞、孙玉利等人借助ANSYS 软件仿真了热传导的过程，得出冰冻磨具在工作时融化的原因不是磨削热，而是空气的热对流的结论。

4）其他方法的应用：华勇、李亚平等人采用CAD与数学模型，得到了陶瓷磨具配方的经验公式；河南工业大学的宋冬冬，利用BP神经网络超强的处理非线性函数能力，通过相关的实验，得到了结合剂、湿润剂、粘结剂含量和硬度的对应关系。

5 应用前景

磨具企业要适应国际标准形式，缩短磨具配方的开发时间，必须很好的应用现代的设计方法。

1）磨具粒度的检验一直以来存在人为的因素而影响结果准确性。利用二次开发的CAD软件，设计了磨具粒度检测和处理数据一体化系统，使得数据的记录与处理更稳定、更方便。

2）粘合剂的配比直接影响磨具的性能和使用寿命，利用计算机来建立繁多的结合剂配方数据库，可以很方便的进行配方运算，提高了生产效率。

3）利用数学模型，通过可靠性设计方法和优化设计方法，可以精确合理的选择磨具参数特性，改善磨削效果。

4）磨具产品设计过程中，利用有限元分析方法，经验类比设计方法被取代，较灵活地解决了复杂的工程计算分析问题。

5）利用虚拟设计方法，模拟磨具磨削的过程，直观的了解复杂的磨削规律，有效的分析磨削是对表面产生的多因素影响。

6 结论

现代工农业的进步，国民经济和人民生活水平的提高与磨具行业的发展有着丝丝缕缕的联系。“现代设计方法”作为一种新的技术领域和一门新的学科，应用那是相当的广泛。在磨具产品的设计与开发过程中，有效的利用上述现代的设计方法，可以很好的降低成本，同时具备优越的性能与使用寿命，使产品更具市场优越性和竞争力，企业也就获得更好的经济利益。现代机械设计理论在磨具行业配方的应用中，前景远大。

参考文献：

[1]丁继斌，封士彩.机械系统设计及其控制技术[M].北京：化学工业出版社，2007

[2]魏玉新.现代机械设计的创新方法研究[J].装备制造，2009

[3]王典国，等.电镀CBN磨具的基体设计[J].机械管理开发，2008，3

[4]左敦稳、卢文壮、赵宇飞、孙玉利 基于有限元法的硅片冰冻固结磨料抛光温度场分析 金刚石与磨料磨具工程 2009.2