机械设计中的若干心得体会

□ 刘兴玉 □ 丁强伟 □ 娄燕鹏 □ 闵帅超 □ 高 琦

中国船舶集团有限公司第七二五研究所 河南洛阳 471000

设计是一种创造性劳动,是能够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具有扎实的机械设计专业理论知识,而且需要有丰富的设计、制造、使用、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、设计实践经验不足或其它不利因素,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。由此可见,如何全面、严谨、有效地做好机械设计,避免设计失误,是非常重要的。笔者结合实践经验,从多个方面介绍机械设计中需要关注的问题,为机械设计从业人员提供参考。

1 设计标准化

当前,我国工业进入了快速发展阶段,在高速发展的同时一些安全隐患和事故也随之出现,会给个人、集体甚至国家带来财产方面的巨大损失,这同时也是机械设计制造中较难突破的一大难题。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。但是,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,以下笔者对设计标准化工作谈几点认识。

1.1 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、验收等要求。如果某产品的设计按照上述规定执行,那么就要求设计者的设计过程必须严格遵守上述规定,并且不能违背。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,这一系列要求与产品的性能、效率、成本等息息相关。例如,设计一个DN80/PN40船用铸钢法兰截止阀,可以执行GB/T 584—2008《船用法兰铸钢截止阀》或CB/T 4006—2005《J类法兰铸钢4.0 MPa截止阀》。需要注意这两个标准在材料选用、接口尺寸、质量、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执行准确的设计标准。

1.2 非标产品应采用标准化设计

机械是一个古老的行业,机械设计少说也有几百年的历史。在机械设计过程中,设计者不仅要依靠自己的努力,而且更应善于借鉴他人,特别是前人的成功设计经验。进行一次设计,不太可能是完全全新的,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,而不是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,从局部标准化出发,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;在进行四方或六方螺母设计时,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》。

1.3 注意参照的有效性

在机械设计中,没有放之四海皆准的准绳,每个标准都有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精力,有些时候忽略了参照的系统性和有效性。需要注意的是,参照实际上是建立在等效采用的原则之上的。忽略参照的系统性和有效性,设计的产品可能会产生失之毫厘、谬以千里的严重后果。例如,法兰、垫片、紧固件是构成法兰接头最主要的三种零件,三者合理选配非常重要,应当综合考虑法兰的压力等级、要求的预紧比压、垫片及螺栓的强度等级等诸多因素。如果法兰按HG/T 20592—2009《钢制管法兰(PN系列)》进行设计选型,那么垫片应该按HG/T 20606～20612—2009系列标准进行选型设计,紧固件的选型需要满足HG/T 20613—2009《钢制管法兰用紧固件(PN系列)》的相关规定,垫片不宜采用国家标准或其它行业系列标准进行选型设计,紧固件也不应当按NB/T 47027—2012《压力容器法兰用紧固件》或GB/T 9125.1—2010《钢制管法兰连接用紧固件 第1部分:PN系列》进行选型设计。如果某压力容器按ASME BPVC第Ⅷ卷进行设计,那么所选材料及其性能就应按ASME BPVC第Ⅱ卷进行确定,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,而且要充分考虑所参照实例的实际工况与所设计产品使用条件的符合性及相关标准的系统性,明确所参考的标准、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。

2 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,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认识,根据材料的不同特性来采取相应的结构设计。例如,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,使焊接件的焊缝位置尽量避开机加工面等。设计者在进行零件材料选择时,应重点考虑三个方面。

(1) 使用要求。满足使用要求是零件选材最基本的要求,一般包括:① 零件尺寸和质量方面的限制;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、腐蚀等其它要求。在考虑使用要求时,要抓住主要问题,兼顾其它方面。

(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。对于外形复杂、尺寸较大的零件,可以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自身的价格,而且包括加工制造费用、使用维护费用等。可以从五个方面提高材料的经济性。第一,材料自身的价格。第二,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。第三,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。第四,在设计选材时尽可能减少材料种类和规格,以简化供应和管理。第五,结合企业自身情况,选择便于供应的材料。

3 设计应主次分明

一般产品都由多个零件组成,每个零件在产品中扮演着不同的角色,发挥着应有的作用。每个零件的重要程度不尽相同,有主次之分,尤其是对于运动副而言,在多数条件下保证组成运动副的全部零件的等寿命设计是行不通的,设计者必须明确采用保护哪个零件、牺牲哪个零件的设计意图,与其投入巨大精力和成本设计制造为等寿命或全寿命,不如适时将次要零件设计为易损件,或许这是一个更明智的选择。例如,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布氏硬度(HB)至少应低于传动轴的表面布氏硬度(HB)30以上,而不允许在使用过程中出现相互磨损的现象。另一方面,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,追求精炼和简单,这是设计者追求的终极目标。

4 设计应面向制造

图纸是设计输出的最重要载体,要求设计者进行标准化设计,也包括了图纸标准化。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产生废品。更应避免的是,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:无论什么样的零件,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j,毫无疑问、准确无误地将零件生产出来。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出去并可以执行。从原则上讲,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。

5 结束语

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,无论是功能定位、材料选用,还是加工工艺、检修维护,设计者都需要做到知其然,知其所以然,知其然后然。机械设计值得从业者不断钻研提高。