精益理念下的机械设计要求

刘兴玉 赵朋举 高 琦

（中国船舶集团有限公司第七二五研究所，洛阳 471000）

精益理念是一种思想，核心可概括为消除一切浪费、创造更多价值，为市场提供质优价廉的产品服务[1]。精益思想发展到今天已不再局限于生产领域，而是已外延到企业活动的各个方面。合理运用精益思想，组织开展机械设计相关精益工作，能够有效减少机械制造过程中各个环节造成的浪费，管控各个环节的成本支出，提升工程项目的整体效益和企业产品的市场竞争力[2]。

虽然机械设计成本在产品总成本中的占比不高，但它与产品的材料、工艺、制造、装配、检验等各工序息息相关，直接影响后续工序的制造成本和最终的产品质量。例如，同一个产品分别交付给两位不同的设计者完成图纸设计。由于两位设计者设计经验和能力的差异，导致在材料选用、结构设计、制造精度选择、技术要求制定等方面有较大不同，最终造成两位设计者设计的产品在生产周期和制造成本上产生巨大差异。但是，人们往往不能察觉到设计质量对产品成本的内在影响。可见，设计浪费有时看起来是潜在的、无形的，可能隐含在设计图纸或者工艺文件中，不易被人们察觉或重视。鉴于此，人们应该高度重视设计在生产中的作用，从源头上消除浪费，为企业创造更大的价值。

目前，运用精益思想提升机械设计质量，对设计工作提出了以下几方面要求。

1 标准化要求

机械设计标准化是指将零件的类型、结构要素、性能、尺寸、参数、制图要求等进行统一规定并强制执行。标准化后的零件简称为标准件，如滚动轴承、键、销、螺栓、螺钉、螺母、垫圈以及联轴器等。采用标准化设计具有重大意义：一是可简化设计工作，使设计者将更大的精力投入到非标零件的设计中，缩短设计周期；二是可组织批量生产，保证零件生产的一致性，降级生产成本；三是减少零件种类和备品的库存，提高零件的通用性和互换性，简化产品的装配和维修成本。

设计标准化作为我国现行的重要技术政策，设计人员应在实际工作中认真贯彻执行[3]。标准化设计不仅适用于标准零件或产品，也适用于非标零件或产品。积木式设计法是产品进行标准化设计的一种全新设计观念和方法，是将非标零件或产品看作一个或者若干个标准结构或零件的组合体[4-5]，进而从局部标准化设计扩展到全局标准化设计。例如：设计系列化产品或零件时，产品或零件的主要参数和尺寸满足《优先数和优先数系》（GB/T 321—2005）规定；对机械零件进行倒圆与倒角设计时，按《零件倒圆与倒角》 （GB/T 6403.4—2008）规定设计尺寸；设计扳手空间尺寸时，按照《扳手空间》（JB/ZQ 4005—2006）规定执行；设计四方或六方时，尺寸按照《对边和对角宽度尺寸》（JB/ZQ 4263—2006）规定执行等。运用积木式设计法可有效提高产品的设计标准化率，降低产品的生产成本。

2 善于搜集、借鉴和积累

重复设计并绘制已有的完全相同的或者大同小异的图纸，即通常所说的图纸的重复性设计和多样性设计，将意味着重复劳动和工艺文件、制造设备的多样性，造成不必要的成本支出。设计者应善于利用现有的检索手段，查询、搜集、借鉴或采用现有成熟的零部件结构或图纸，不断积累设计资料，尽量避免重复性设计和多样性设计。为了解决设计者存在的上述问题，现代化企业基本都已推行了产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）信息化系统，整合全企业的设计和工艺资料，有效减少了设计浪费。

3 选材要求

材料选择是机械设计中的一个重要环节，也是一个复杂的过程[6]。材料选择对机械产品的质量影响是全方位的，在设计过程中占有绝对重要的地位，必须予以关注。实际上，如果设计者忽视选材的重要性，不仅会降低产品设计质量，更会严重影响产品的制造质量和性能。如果仅仅片面地认为选用优质材料能保证产品质量，对一些非重要的零件也选用优质材料，会造成很大的浪费。因此，如果选材科学合理，不仅能提高产品质量，还能降低产品生产成本，提升产品综合性能[7]。设计选材必须遵循一项原则，即在满足使用要求的前提下，以最低的成本支出获取最大的经济效益，为提高产品的市场竞争力奠定基础。具体而言，设计者在进行材料选择时应着重考虑以下要求。

3.1 使用要求

满足使用要求是零件选材最基本的要求，一般包括：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，并兼顾其他方面的需求。

3.2 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。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。

3.3 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[8]。

（1）原材料本身的价格。在满足功能要求和工艺要求的情况下，应优选价格低廉的材料，这在进行大批量零件或产品生产时尤为重要。

（2）采用热处理或者表面强化（如淬火、喷丸、碾压等）工艺，应充分发挥和利用材料潜在的力学性能。

（3）合理采用表面镀层（镀铬、镀铜、喷塑、发黑、发蓝等）方法，以减轻腐蚀或者磨损的程度，延长零部件的使用寿命。

（4）改善工艺方法，提高材料利用率，减少制造费用。例如，采用无切削、少切削制造工艺（如冷镦、碾压、精铸、模锻、冷拉工艺等），不仅可以减少材料浪费和制造工时，还可以使零件内部金属流线型连续，提高材料强度性能。

（5）节约稀有贵金属材料。例如，采用我国资源较丰富的锰硼系合金钢替代资源稀少的铬镍系合金钢，采用铝青铜材料代替锡青铜材料等。

（6）采用组合式结构设计，节约贵金属材料。例如，采用组合结构的蜗轮设计，冠齿圈采用减摩性较好而价格较贵的锡青铜材料，轮芯采用价格低廉的铸铁或者铸钢材料。

（7）结合企业自身情况，应尽可能选择本地现有且便于供应的材料，以减少采购、运输及存储的费用。

此外，应尽可能减少材料的种类和规格，简化供应和管理，并在加工和热处理工序中掌握合理的操作方法，提高产品制造质量，减少废品的产生，提高劳动生产效率。

4 工艺性要求

产品成本主要取决于材料和制造费用。工艺性与经济性是密切相关的。如果产品设计的工艺性较差，将给产品的加工、检验、装配、试验、使用、检修等各方面带来困难，增加产品寿命周期成本。

4.1 零件形状简单合理

一般来讲，零件的结构和形状越复杂，产品的制造、装配和检修就越困难，成本也越高。在满足使用要求的条件下，产品的几何形状应尽量简单，如最好采用平面或者圆柱面。设计零件结构往往需要经历一个从简单到复杂、再由复杂到高级简单的过程。结合实际情况，化繁为简，体现精炼，降低成本，方便使用，一直是设计者追求的目标。

4.2 毛坯选择合理

零件毛坯可由锻造、冲压、锻造、铸造、焊接、型材等方式获取，而获取方式不同也直接影响零件的质量和成本。选择毛坯时，应综合考虑毛坯原材料价格、毛坯成型费用和毛坯加工费用。

4.3 采用良好的制造工艺

在结构设计中，应力求使设计的零件满足制造加工方便、材料损耗少、效率高、符合质量要求、生产成本低等要求，以确保零件具有良好的制造工艺性。

4.4 便于拆装、维护和检修

零件经过装配才能成为完整的产品。因此，产品的拆装和维修工艺性是设计中必须考虑的重要方面。良好的拆装、维护和检修工艺性要求所设计的产品具有可达性、易于调整、便于更换和修理等特点。

5 差异化设计要求

差异化设计要求即针对产品或零件的技术要求、重要程度、使用工况、寿命等不同情况，提供科学合理的结构设计、选材设计、精度设计、寿命设计等。比如，在某些工况条件下，与其投入巨大精力和成本将某产品各零部件设计成等寿命或全寿命，不如适时地把次要零件设计成易损件在综合成本上显得更经济实用。因此，设计者在设计中未充分考虑产品零部件间的使用工况差异，提出了远高于产品或零件使用性能的要求，或者无谓放大设计裕度或制造裕度，均会造成产品生产成本的增加。

6 结语

机械设计是决定机械产品性能和生产成本的关键因素。在当下的市场经济体制下，企业和个人都必须基于精益理念，重视设计并从源头上把好产品设计关，不断提高成本管控水平，减少因设计问题造成的一系列浪费，提高产品市场竞争力，使得企业在激烈的市场竞争中求得更广阔的生存和发展空间。