機械零部件的創(chuàng)新設(shè)計

白洪金

摘要:傳統(tǒng)機械機械零部件設(shè)計的特點是以長期經(jīng)驗積累為基礎(chǔ),通過力學、數(shù)學建模及試驗等所形成的經(jīng)驗公式、圖表、標準及規(guī)范作為依據(jù),運用條件性計算或類比等方法進行設(shè)計。文章針對傳統(tǒng)機械零部件的設(shè)計局限性,提出了現(xiàn)代產(chǎn)設(shè)計思想。

關(guān)鍵詞:機械制造;零部件設(shè)計;創(chuàng)新

傳統(tǒng)機械零部件的設(shè)計帶來了運用中出現(xiàn)的許多問題:零部件容易腐蝕損壞;零部件容易疲勞損壞,斷裂、表面剝落等;零部件容易摩擦損壞等等。這些問題的出現(xiàn),都是機械零部件傳統(tǒng)的設(shè)計局限性所產(chǎn)生的。傳統(tǒng)設(shè)計在長期運用中得到不斷的完善和提高,目前在大多數(shù)情況下仍然是有效的設(shè)計方法,但是它有很多局限:在方案設(shè)計時憑借設(shè)計者有限的直接經(jīng)驗或間接經(jīng)驗,通過計算、類比分析等,以收斂思維方式,過早地確定方案。這種方案設(shè)計既不充分又不系統(tǒng),不強調(diào)創(chuàng)新,因此很難得到最優(yōu)方案;在機械零部件設(shè)計中,僅對重要的零部件根據(jù)簡化的力學模型或經(jīng)驗公式進行靜態(tài)的或近似的設(shè)計計算,其他零部件只作類比設(shè)計,與實際工況有時相差較遠,難免造成失誤;傳統(tǒng)設(shè)計偏重于考慮產(chǎn)品自身的功能的實現(xiàn),忽略人——機——環(huán)境之間關(guān)系的重要性;傳統(tǒng)設(shè)計采用手工計算、繪圖,設(shè)計的準確性差、工作周期長、效率低。所以,在現(xiàn)代機械部件設(shè)計中,很有必要用到創(chuàng)新思維的方法去設(shè)計。

1 創(chuàng)新思維機械零部件的設(shè)計思想

機械零部件設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)造和革新?，F(xiàn)代機械機械零部件設(shè)計強調(diào)創(chuàng)新設(shè)計,要求在設(shè)計中更充分地發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力,利用最新科技成果,在現(xiàn)代設(shè)計理論和方法的指導下,設(shè)計出更具有生命力的產(chǎn)品。

1.1 運用創(chuàng)造思維

設(shè)計者的創(chuàng)造力是多種能力、個性和心理特征的綜合表現(xiàn),它包括觀察能力、記憶能力、想象能力、思維能力、表達能力、自控能力、文化修養(yǎng)、理想信念、意志性格、興趣愛好等因素。其中想象能力和思維能力是創(chuàng)造力的核心,它是將觀察、記憶所得信息有控制地進行加工變換,創(chuàng)造表達出新成果的整個創(chuàng)造活動的中心。創(chuàng)造力的開發(fā)可以從培養(yǎng)創(chuàng)新意識、提高創(chuàng)新能力和素質(zhì)、加強創(chuàng)新實踐等方面著手。設(shè)計者不是把設(shè)計工作當成例行公事,而是時刻保持強烈的創(chuàng)新愿望和沖動,掌握必要創(chuàng)新方法,加強學習和鍛煉,自覺開發(fā)創(chuàng)造力,成為一個符合現(xiàn)代設(shè)計需要的創(chuàng)新人才。

1.2 運用發(fā)散思維

發(fā)散思維又稱輻射思維或求異思維等。它是以欲解決的問題為中心,思維者打破常規(guī),從不同方向,多角度、多層次地考慮問題,求出多種答案的思維方式。例如,若提出“將兩零部件聯(lián)結(jié)在一起”的問題,常規(guī)的辦法有螺紋聯(lián)結(jié)、焊接、膠接、鉚接等,但運用發(fā)散思維思考,可以得到利用電磁力、摩擦力、壓差或真空、綁縛、冷凍等方法。發(fā)散思維是創(chuàng)造性思維的主要形式之一,在技術(shù)創(chuàng)新和方案設(shè)計中具有重要的意義。

1.3 運用創(chuàng)新思維

創(chuàng)造力的核心是創(chuàng)新思維。創(chuàng)新思維是一種最高層次的思維活動,它是建立在各類常規(guī)思維基礎(chǔ)上的。人腦在外界信息激勵下,將各種信息重新綜合集成,產(chǎn)生新的結(jié)果的思維活動過程就是創(chuàng)新思維。機械機械零部件設(shè)計的過程是創(chuàng)新的過程。設(shè)計者應(yīng)打破常規(guī)思維的慣例,追求新的功能原理、新方案、新結(jié)構(gòu)、新造型、新材料、新工藝等,在求異和突破中體現(xiàn)創(chuàng)新。

2 科學的進行機械零部件設(shè)計

2.1 把握機械零部件設(shè)計的主要內(nèi)容

機械零部件設(shè)計是機械設(shè)計的重要組成部分,機械運動方案中的機構(gòu)和構(gòu)件只有通過零部件設(shè)計才能得到用于加工的零部件工作圖和部件裝配圖,同時它也是機械總體設(shè)計的基礎(chǔ)。機械零部件設(shè)計的主要內(nèi)容包括:根據(jù)運動方案設(shè)計和總體設(shè)計的要求,明確零部件的工作要求、性能、參數(shù)等,選擇零部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)形、材料、精度等,進行失效分析和工作能力計算,畫出零部件圖和部件裝配圖。機械產(chǎn)品整機應(yīng)滿足的要求是由零部件設(shè)計所決定的,機械零部件設(shè)計應(yīng)滿足的要求為:在工作能力上要求具體有強度、剛度、壽命、耐磨性、耐熱性、振動穩(wěn)定性及精度等;在工藝性上要求加工、裝配具有良好的工藝性及維修方便;在經(jīng)濟性上的要求主要指生產(chǎn)成本要低。此外,還要滿足噪聲控制、防腐性能、不污染環(huán)境等環(huán)境保護要求和安全要求等。這些要求往往互相牽制,需全面綜合考慮。

2.2 嚴格計算機械零部件的失效形式

機械零部件由于各種原因不能正常工作而失效,其失效形式很多,主要有斷裂、表面壓碎、表面點蝕、塑性變形、過度彈性變形、共振、過熱及過度磨損等。為了保證零部件能正常工作,在設(shè)計零部件時應(yīng)首先進行零部件的失效分析,預(yù)估失效的可能性,采取相應(yīng)措施,其中包括理論計算,計算所依據(jù)的條件稱為計算準則,常用的計算準則有:一是強度準則。強度是機械零部件抵抗斷裂、表面疲勞破壞或過大塑性變形等失效的能力。強度要求是保證機械零部件能正常工作的基本要求。二是剛度準則。剛度是指零部件在載荷的作用下,抵抗彈性變形的能力。剛度準則要求零部件在載荷作用下的彈性變形在許用的極限值之內(nèi)。三是振動穩(wěn)定性準則。對于高速運動或剛度較小的機械,在工作時應(yīng)避免發(fā)生共振。振動穩(wěn)定性準則要求所設(shè)計的零部件的固有頻率與其工作時所受激振源的頻率錯開。四是耐熱性準則。機械零部件在高溫工作條件下,由于過度受熱,會引起潤滑油失效、氧化、膠合、熱變形、硬度降低等問題,使零部件失效或機械精度降低。因此,為了保證零部件在高溫下正常工作,應(yīng)合理設(shè)計其結(jié)構(gòu)及合理選擇材料,必要時須采用水冷或氣冷等降溫措施。五是耐磨性準則。耐磨性是指相互接觸并運動零部件的工作表面抵抗磨損的能力。當零部件過度磨損后,將改變其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸,削弱其強度,降低機械精度和效率,以致零部件失效報廢。因此,機械設(shè)計時應(yīng)采取措施,力求提高零部件的耐磨性。

2.3 正確選擇機械零部件表面粗糙度

表面粗糙度是反映零部件表面微觀幾何形狀誤差的一個重要技術(shù)指標,是檢驗零部件表面質(zhì)量的主要依據(jù);它選擇的合理與否,直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、使用壽命和生產(chǎn)成本。機械零部件表面粗糙度的選擇方法有3種,即計算法、試驗法和類比法。在機械零部件設(shè)計工作中,應(yīng)用普通的是類比法,此法簡便、迅速、有效。應(yīng)用類比法需要有充足的參考資料,現(xiàn)有的各種機械設(shè)計手冊中都提供了較全面的資料和文獻。最常用的是與公差等級相適應(yīng)的表面粗糙度。在通常情況下,機械零部件尺寸公差要求越小,機械零部件的表面粗糙度值也越小,但是它們之間又不存在固定的函數(shù)關(guān)系。

2.4 全面優(yōu)化機械零部件設(shè)計方法

要充分運用機械學理論和方法,包括機構(gòu)學、機械動力學、摩擦學、機械結(jié)構(gòu)強度學、傳動機械學等及計算機輔助分析的不斷發(fā)展,對設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題能作出很好的處理,一系列新型的設(shè)計準則和方法正在形成。計算機輔助設(shè)計(CAD)是把計算機技術(shù)引入設(shè)計過程,利用計算機完成選型、計算、繪圖及其他作業(yè)的現(xiàn)代設(shè)計方法。CAD技術(shù)促成機械零部件設(shè)計發(fā)生巨大的變化,并成為現(xiàn)代機械設(shè)計的重要組成部分。目前,CAD技術(shù)向更深更廣的方向發(fā)展,主要表現(xiàn)為以下基于專家系統(tǒng)的智能CAD;CAD系統(tǒng)集成化,CAD與CAM(計算機輔助制造)的集成系統(tǒng)(CAD/CAM);動態(tài)三維造型技術(shù);基于并行工程,面向制造的設(shè)計技術(shù)(DFM);分布式網(wǎng)絡(luò)CAD系統(tǒng)。

參考文獻

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