非标机械设备设计和制造中的相关质量问题与优化路径探究

张杰

[摘    要]在机械制造行业的生产中，相当一部分机械设备是量身定制的非标机械设备，这类设备的技术要求一般是由设计人员根据客户的实际需要和实践经验制定的标准。在非标机械设备的设计和制造过程中，由于会受到人员、设备、材料、方法以及环境等方面因素的影响，一些技术要求可能无法实现，引发一定的质量问题，导致设备无法满足交付要求。文章对非标机械设备设计和制造中的相关质量问题进行分析，探讨非标机械设备质量问题的优化路径，为相关工作提供有价值的参考。

[关键词]非标机械设备;设计制造;质量问题

[中图分类号]TH122 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–02

Explore Related Quality Issues and Optimization Paths in the Design and Manufacturing of Non-Standard Machinery and Equipment

Zhang Jie

[Abstract]In the production process of the machinery manufacturing industry， a considerable part of the mechanical equipment is tailor-made non-standard mechanical equipment. The technical requirements of this type of equipment are generally standards formulated by designers based on the actual needs and practical experience of customers' products. In the design and manufacturing process of non-standard mechanical equipment， due to factors such as personnel， equipment， materials， methods， and environment， some technical requirements may not be achieved， causing certain quality problems， resulting in equipment not meeting delivery requirements . This article will analyze the related quality problems in the design and manufacture of non-standard mechanical equipment， explore the optimization path of non-standard mechanical equipment quality problems， and provide a valuable reference for related work.

[Keywords]non-standard machinery and equipment; design and manufacture; quality issues

在非標机械设备设计和制造中，由于设备的外观与参数均是根据客户的特殊要求或现场实际工况而量身定制设计的，因此没有可以执行的统一标准。非标机械设备的市场需求量大而设备本身数量少，一般需要由设计单位提供制造图纸，再交给工厂进行加工制造。在这种情况下，设备的设计与制造是分开进行的，而对于设备的验收也没有可参照的统一标准，难免会存在一些质量问题。针对这种情况，需要充分重视非标机械设备设计和制造中的相关质量问题，制定行之有效的优化路径。

1 非标机械设备设计中的相关质量问题及优化

1.1 使用的原材料不合理

对于非标机械设备而言，使用的原材料主要为铸钢、锻件、钢板以及钢管等黑色金属材料，譬如在阀体、泵等复杂的结构中，一般选择铸钢件作为原材料。有些重型机械设备的机架、轴承座、车轮等需要承载较高的负荷，同样需要使用铸钢件作为原材料。在重型机械设备中，轴类零件、活塞杆、齿轮齿圈、连杆等零部件的负载要求都很严格，一般都需要使用锻造件作为原材料，而机械中的机体、横梁、桥架、壳体以及辅助结构件等部位，则可以使用普通钢板、型材作为原材料，以焊接的方式进行制造。

在非标机械设备设计过程中，原材料的选择需要满足设备对于材料强度、韧性、塑性以及硬度等性能的要求，选择的原材料的性能既要满足设计要求，又要考虑价格合理。而在对原材料进行验收时，质量管理人员需要对相关材料的性能指标进行综合考量。例如，在2台运输设备的设计中，要用上8个轴承座底座以及车轮，要求加工的原材料为ZG270-500与ZG50 MnMo。其中ZG270-500是碳素铸钢件，其验收标准包括力学性能以及化学成分，为了保证轴承座底座的原材料质量满足要求，需要进行力学性能与化学成分检测。在性能检测过程中，需要使用与零件浇注时的同炉钢水来浇注试样或连体试样，并随炉进行热处理，再对试样进行机械性能检测。然而，在当前的市场环境下，大型铸造厂一般不会接收非批量生产的订单，但小型铸造厂的技术能力以及设备条件又存在一定的不足，很难实现同炉浇注试样并进行机械性能检查。因此，非标机械设备要用到这些原材料时，必须考虑到材料的经济性因素，包括价格、材料以及加工费用等。在实际生产过程中，依据设计图纸的技术要求，可以采用材料替换的方式加以解决，根据制造企业的自身情况，可以采用以高带低的库存材料或同性能的高性价比材料。使用库存材料和高性价比的原材料，即可以满足机械设备设计要求，就不应选用其他价格较高的原材料，并且这样又减少了库存积压材料和相应的加工费用。通过可行的生产工艺满足设计要求，降低原材料费用和生产成本。在一些轴承座生产厂家中，目前已经可以使用Q355B钢板材料生产性能满足要求的轴承座，这些原材料的价格低廉，能够更好地满足经济性要求。而以ZG50 MnMo为原材料的铸钢件中容易出现气孔、夹渣等缺陷，为了保证表面具有足够的硬度，在车轮的制造过程中需要经过调质和表面淬火处理。如果技术要求中没有明确提出相关要求，或工作人员存在操作不当的问题，都会导致零部件出现裂纹，无法满足使用要求。如果在非标机械设备制造中反复出现废品率过高这类问题，就会严重影响生产进度和增加制造成本。随着制造行业的快速发展，轧制与锻造技术水平大幅度提升，万吨级锻压机已较常见和被使用，目前已经可以使用探伤钢或锻钢取代铸钢件，可以获得同样的性能。

1.2 设计图纸技术要求不明确

在非标机械设备设计图纸中，一些技术要求存在不明確的问题，需要通过文字描述的方式对其进行补充与完善。在零部件设计图纸中，技术要求主要包括原材料要求、锻造或铸造要求、无损检测要求、热处理要求、化学处理要求、未经标注的粗糙度要求、倒角要求、形位公差要求、切削后表面要求、试验要求、装配要求以及运输与存储要求等。这些文字描述的技术要求，是产品验收过程中的重要参考依据，检验时需要严格执行这些技术要求。例如，在非标机械设备中一个连杆部件的检验过程中，设计图纸中只规定零部件外形与尺寸，并要求使用的原材料为42 CrMo，没有其他方面的要求。在对零部件进行验收时，可以确认材料为42 CrMo，外观与尺寸均满足设计图纸要求，但使用的是42 CrMo热轧钢板材料。由于连杆部件在机械设备运行过程中的受力状态复杂，对连杆部件进行无损检测，通过超声波探伤检查，可以发现连杆是否存在裂纹的缺陷问题，而使用热轧钢板会存在纤维组织在长度方向的单一分布和厚度方向的层间分布问题，就会直接影响到连杆在运行中不同位置的机械强度，这个问题是轧制类材料固有的隐形缺陷，无法通过无损检测方式得以探测和获取，连杆发生断裂的可能性较大。由于连杆是重要的受力部件，制造时使用的材料最好为锻件，在无损检测中应保证内部没有裂纹缺陷，并且要在完成粗加工后对其进行调质处理，采用这种处理方式，能够有效地提高原材料的强度，并且使其具备良好的韧性与塑性。

设计图纸中应能够体现零部件的综合性能，不但包括零部件的外观、尺寸以及材料，而且包括零部件制造时的制作过程及热处理、机加工等。例如，在一个非标机械设备中的辊子设计中，这种零部件需要在两头焊接挡块，再焊接到辊套上。设计图纸中要求焊接操作完成后需要采取退火工艺来消除应力，再对其进行机械加工。在完成零部件焊接后通过退火来消除应力是正常技术要求，但是，在辊子焊接成型后，内部会有腔体结构，并且表面不存在透气孔，在这种状态下对其进行热处理，容易导致零部件变形，严重时还会引发安全事故。因此，在制定零部件技术要求时，工艺设计人员需要考虑到制造过程中零部件可能受到的影响，针对辊子这类零部件，如果需要在焊接完成后通过退火来消除应力，则需要在挡块上开透气孔，也可采用振动的处理方式来消除应力。

对材料进行热处理能够有效地改善材料性能，在机械制造中发挥着重要作用。例如，低碳钢中的含碳量较低，对其进行热处理无法有效地改变其金相组织，淬火处理后内部的马氏体数量也十分有限，调质处理也基本无法改变其机械性能。因此，在对低碳钢材料进行处理时，不应采取调质处理的方式，但可以进行表面渗碳、渗氮处理，再对表面进行淬火，而对于中碳钢或高碳钢材料，可以直接对其进行淬火处理。因此，在设计一些需要进行表面淬火或整体淬火的零部件时，设计图纸中不应只给出淬火的技术要求，而是要规定淬火前需要进行预热处理。如果设计图纸参考已经成型的图纸，技术要求中仅给出了抗拉强度的要求，没有提出具体的热处理要求，需要作出相应的改进，增加相关要求。

1.3 公差及精度的可行性差

在机械设备的零部件制造过程中，对于公差与精度的控制会受到人员技术能力、设备能力、材料性能以及制造工艺等多方面因素的影响。设计图纸中给出的是理想状态下的理论参数，而在经过各个生产环节后，最终形成的产品会与这些理论参数存在一定的差异。为了有效地提高零部件制造精度，需要使用精度更高的设备，技术能力更强的人员。而由于车、铣、刨等机械加工设备的加工方法不同，因此加工出来的零部件在公差及精度方面均存在较大差异。对于非标机械设备设计和制造而言，一般需要在确定设计图纸后进行设备制造招标，一旦在考察机械制造企业时存在疏漏，就会导致加工设备的公差与精度无法满足要求的情况。而在选取公差等级时，必须保证设计产品的精度与零部件的互换性，并且要参考生产设备的经济性以及生产工艺的可行性。例如，非标机械设备中需要设计一个挂槽，设计图纸中要求将50 mm×50 mm的方板焊接在5 mm×15 mm×2 000 mm的钢板上，并在5 mm的钢板表面进行机械加工。在焊接工序完成后，零部件在自然放置过程中就会变形，需要装夹到台面上时，固定难度会增加，道具在接触加工面时会出现偏移问题。这个挂槽的技术要求对于制造工艺的可行性考虑不足，对于零部件的加工精度要求较高，制造成本会随之增加。

2 非标机械设备制造中的相关质量问题及优化

2.1 材料与技术要求不符

在进行非标机械设备制造时，会遇到采购周期问题或加工成本问题，可能还会出现材料与要求不符的问题。在这种情况下，如果不改变设计原则，就不会对零部件的强度与性能造成不利影响，就能够保证设备质量满足要求。例如，在非标机械设备框架制造中，使用同样规格的Q355B钢板代替Q355C钢板，由于这两种材料在规格相同的情况下屈服强度与抗拉强度相同，只在断后延伸率方面存在一定的差异，并且冲击功能的试验温度不同。而同时，机械设备的框架对材料没有特殊要求，可以使用Q355B钢板代替Q355C钢板。但是，在零部件对材料有特殊要求时，如果替换的材料无法满足相应的要求，将会造成严重的质量问题，带来一定的安全隐患。例如，在非标机械设备中，需要使用42 CrMo作为油缸的材料，而在实际制造过程中使用45号钢代替，会导致油缸的质量无法满足要求。

2.2 技术要求执行不全面

在非标机械设备制造过程中，技术要求执行不全面主要体现在没有按照要求对零部件进行热处理，需要进行探伤检测时没有按照要求执行，或探伤比例无法满足要求等。例如，在制造连铸设备扇形段框架时，设计图纸要求全熔透对接焊缝，钢板需要开V字形坡口，留有间隙2 mm，并对焊缝进行探伤检验。但是，在实际制造中，框架挡块焊缝没有开坡口，或者反面没有实施气刨清根后焊接，这就无法对其进行探伤检测。

2.3 加工精度无法满足技术要求

对于大型非标设备而言，制造过程中的精度会受到焊接误差、热变形、定位误差、制造误差等因素的影响，导致几何尺寸、形位公差无法满足设计图纸中规定的技术要求。一些机械制造单位的技术能力不足，选择的加工设备精度无法满足要求，就会造成零部件的形位公差、表面粗糙度等。

3 结束语

总而言之，在非标机械设备的设计与制造过程中，设计图纸是加工与检验的主要依据，生产过程则是对设计图纸进行检验的途径。因此，设计单位需要与制造单位形成良好的沟通，互相进行学习与交流，不断发现非标机械设备的设计与制造中的相关质量问题，制定针对性的优化途径和工艺技术，有效的提高非标机械设备质量。

参考文献

[1] 初文博，刘明哲.非标设备设计及加工分析[J].山东工业技术.2019（10）：35.