一異形爐架的制造復(fù)雜性研究

陶表達(dá)

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

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一異形爐架的制造復(fù)雜性研究

陶表達(dá)

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

以一異形爐架制造為例，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)有限的制造條件，逐步實(shí)現(xiàn)制造目的；通過探討各階段制成品的制造方法、失效原因和試制失敗的原因，總結(jié)研制經(jīng)驗(yàn)。試制的結(jié)果表明：可通過不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)來克服生產(chǎn)條件簡陋所帶來的困難，設(shè)計(jì)與制造是相互影響的，要將兩者很好的融合，需要積累很多知識(shí)。

異形爐架；機(jī)械制造；復(fù)雜性分析；工藝性分析

1 問題的提出

一家用爐架如圖1所示，它是一鑄鐵件，因?yàn)槭褂眠^程中經(jīng)常接觸高溫和水等腐蝕介質(zhì)，銹蝕速度很快，兩年就銹成圖示狀態(tài)，各支撐腳部位都快銹斷，給繼續(xù)使用帶來安全隱患，必須想辦法解決。

圖1 家用爐架的實(shí)物照片

聯(lián)系原制造廠家，但廠家已經(jīng)倒閉，沒有繼續(xù)生產(chǎn)；市場(chǎng)上購買吧，它又是異形爐架，底座是橢圓形，市場(chǎng)上只有底座是正圓的標(biāo)準(zhǔn)爐架，如圖2所示；整體更換新爐灶吧，成本太高，七八百元的爐灶，僅僅只使用兩年就因爐架不能使用就更換，爐身完整無缺，未免太浪費(fèi)了。權(quán)衡再三，決定自己制造。

本文試圖還原制作過程中所經(jīng)歷的反復(fù)，再現(xiàn)在極其有限的機(jī)械制造條件下，如何逐步解決該異形爐架制造問題過程，以此為例，探索設(shè)計(jì)與制造的關(guān)系，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為類似制造提供參考。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)爐架的實(shí)物照片

2 原異形爐架制造方法及銹蝕成因探索

原異形爐架自身不存在設(shè)計(jì)困難，其主體造形已經(jīng)確定，且結(jié)構(gòu)簡單，沒有太多的改變空間；它不像文章[1]中所述的解決機(jī)械創(chuàng)新樣機(jī)實(shí)現(xiàn)中的有無問題，那種情況下可改變的空間很大；但是對(duì)于一個(gè)并非專門從事機(jī)械生產(chǎn)，生產(chǎn)條件缺乏，以教學(xué)為主的單位而言，這樣一個(gè)簡單的零件制造起來卻困難重重。

從原異形爐架的成品材質(zhì)來分析，它是用鑄造方法制造而成,又因上面部分存在彎鉤狀、不便于起模來判斷，它采用實(shí)型鑄造，即用泡沫塑料代替木?；蚪饘倌＿M(jìn)行造型，造型后模樣不取出，鑄型呈實(shí)體，澆入液態(tài)金屬后，模樣燃燒氣化消失，金屬液充填模樣的位置，冷卻凝固成鑄件[2]。

實(shí)型鑄造由于沒有型腔和分型面，不必起模和修型，與普通鑄造相比工序簡單、生產(chǎn)周期短、效率高、鑄件尺寸精度高，可采用無粘結(jié)劑型砂，勞動(dòng)強(qiáng)度低，而且零件設(shè)計(jì)自由度大，因而實(shí)用范圍廣[2]。

由表面的粗糙狀況分析，原鑄件采用底面的澆注口；從銹蝕情況來分析，在立柱與底座的四個(gè)聯(lián)接部位銹蝕程度最為嚴(yán)重，這是由于該部位壁厚不均勻，鑄造冷卻成型時(shí)速度不一致，導(dǎo)致存在縮孔、縮松等缺陷，加速銹蝕[2]。

如果按原廠家生產(chǎn)方法制造，需要砂型、實(shí)物模型、熔化金屬液的鉗鍋等設(shè)備，砂型和實(shí)物模型好制造，但關(guān)鍵設(shè)備鉗鍋卻沒有，導(dǎo)致無法生產(chǎn)金屬液，因而排除鑄造方法。

3 首次制造方案及失敗原因分析

首次制造方案如圖2，先準(zhǔn)備一塊長方形原材料(a)，然后利用已有的數(shù)控銑床，銑銷出圖2(b)所示的橢圓形，利用橢圓形的外形作模具，將鋼筋繞著橢圓外形彎成標(biāo)準(zhǔn)橢圓形狀即可。

實(shí)際制造過程中因受鋸弓的限制，準(zhǔn)備原材料(a)非常困難，每個(gè)邊有中間部分材料不好直接截?cái)?。?dāng)費(fèi)盡心思準(zhǔn)備好材料后，放到數(shù)控銑床上時(shí)，發(fā)現(xiàn)因夾具所夾范圍的限制，數(shù)控銑床的夾具無法夾持圖2(b)所示方形部位，無法夾持就意味著橢圓無法銑出，故此制造方案是失敗的。

圖3 首次制造方案

4 第二次制造方案及失敗原因分析

無法制造橢圓模具，故不能采用方案一來制造，必須另想辦法！第二次制造方案如圖4所示，采用固定鉗臺(tái)加上套筒來加工底面橢圓，具體方法是：在鉗臺(tái)上夾持鋼筋，將鋼筋插入套筒內(nèi)，通過套筒形成的力臂逐漸彎曲鋼筋，一邊彎曲一邊和橢圓模板比對(duì)，并對(duì)不符合模板的部分微調(diào)，使其和模板一致。

圖4 第二次制造方案

與方案一相比，方案二省去了制造橢圓模具的煩惱，充分利用套筒作力臂，并利用其中心孔與鋼筋的配合來解決施力問題，首次制成品如圖5所示，基本上實(shí)現(xiàn)了原爐架的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)過程中為了減少焊接點(diǎn)，四個(gè)立腳采用“7”字彎曲形式，使用效果對(duì)比如圖6所示。

圖5 首次制造方案

圖6 首次制成品與原成品比較

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問題：第一是鍋放不穩(wěn)，因?yàn)樯鲜鰪澢椒槭止澢葘?duì)“7”字形立腳時(shí)，因鋼筋較粗，回彈角不好控制[3]，彎曲角度或多或少存在差異，即使沒有差異，但固定在圖7(a)所示的輔助支架焊接時(shí)，也會(huì)存在兩對(duì)側(cè)立腳傾斜角度不一致，直接導(dǎo)致鍋放不穩(wěn)；第二是鍋放得太高，離火焰距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致火焰再怎么大，鍋內(nèi)一點(diǎn)熱氣也沒有。

再用套筒調(diào)整立腳的角度的話，很難保證對(duì)側(cè)立腳傾斜角度一致，也可能導(dǎo)致它不在同一平面內(nèi)，直接導(dǎo)致鍋仍放不穩(wěn)；當(dāng)然也可以用乙炔焰加熱軟化立腳，用錘子像鐵匠加工工件時(shí)那樣調(diào)整立腳，但現(xiàn)實(shí)中沒有加熱工具。

綜上所述，無法準(zhǔn)確保證四個(gè)立腳的傾角一致，因而方案二的制成品仍是失敗的，必須繼續(xù)改進(jìn)。

5 再次制造方案及實(shí)用效果

認(rèn)識(shí)到利用套筒手工彎曲只能加工大致角度精度，而不能獲得準(zhǔn)確角度精度[3]，是改進(jìn)制造方案關(guān)鍵。對(duì)于橢圓底座而言，不需要很高的橢圓形狀精度，只要保證底面平直就可以了，這可用固定鉗臺(tái)不斷夾緊來調(diào)整校對(duì)，故其制造方案仍采用方案二；而對(duì)于立腳而言，不僅要求彎曲的精度高，而且焊接夾持時(shí)的精度要求高，才能保證鍋放置其上平穩(wěn)。改進(jìn)后制造過程如圖7所示，它在方案二的基礎(chǔ)上，只對(duì)立腳的制造進(jìn)行改進(jìn)。

圖7 再次制造過程與制成品

改進(jìn)后每個(gè)立腳均由兩小段直鋼筋焊接而成，兩小段鋼筋直線度可在固定鉗臺(tái)上不斷周向轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊來保證，它雖然增加了一個(gè)焊點(diǎn)，但容易保證每段長度和夾持的方位。

具體制造方法是：先在軟紙上確定一個(gè)立腳的固定方位，對(duì)折即可確定另外一個(gè)立腳的固定方位(圖7(a))，將這兩個(gè)立腳的固定方位標(biāo)注在輔助制造支架上，再將小段鋼筋按標(biāo)識(shí)方位固定在輔助制造支架上。固定的方式有兩種，一個(gè)是在輔助支架上穿孔，用細(xì)鐵絲通過孔將立腳縛住；另一個(gè)是用活動(dòng)彈簧夾子夾住。最后用彈簧夾子將輔助制造支架和底座橢圓固定在一起(如圖7(b))，便可直接用電焊焊接了。

需要注意的是，輔助制造支架是必不可少的，它需要自制，確保對(duì)側(cè)兩立腳在同一平面內(nèi)且軸對(duì)稱；由于焊接過程中產(chǎn)生高溫，立腳鋼筋會(huì)傳導(dǎo)熱量，不用輔助制造支架的話，易發(fā)生燙傷事故，用輔助制造支架可避免。雖然制造方案二也用到了該輔助制造支架，但是“7”形立腳的弧度難以完全一致，固定起來也無法確保兩邊完全對(duì)稱。充分吸取方案二失敗經(jīng)驗(yàn)，本次制成品如圖8所示，使用效果如圖9所示。

圖8 制成品

圖9 第二次制成品與使用效果

試驗(yàn)結(jié)果表明，第二次制成品完全能實(shí)現(xiàn)原爐架的功能，鍋放在其上非常平穩(wěn)，爐架的高度合適，火焰的溫度能迅速傳遞到鍋上，較好地實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能要求。

6 結(jié)語

異形爐架自身結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是制造起來因條件限制，卻要考慮很多問題，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)簡陋的生產(chǎn)條件。通過復(fù)現(xiàn)異形爐架制造過程，可得出如下研制經(jīng)驗(yàn)：

(1)原異形爐架在設(shè)計(jì)時(shí)，為了考慮美觀、標(biāo)新立異，底座采用橢圓形，但這給后期維護(hù)埋下了隱患。初期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)圓形造形，這樣在損壞時(shí)可方便客戶更換，這需要設(shè)計(jì)人員具有足夠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

(2)在考慮機(jī)械零件制造時(shí)，要知己知彼，才能百戰(zhàn)不殆，知已就是要弄清楚具有什么樣的設(shè)備，能加工什么；知彼就是要搞清待加工零件需要什么樣的設(shè)備來加工，沒有相應(yīng)設(shè)備，工藝設(shè)計(jì)得再好，也只能空中樓閣，無法實(shí)現(xiàn)。要從夾具、量具、卡具等諸多方面，要從制造的全過程進(jìn)行相互對(duì)照，越全面，越能避免做無用功，例如本零件的首次制造方案就因?qū)φ詹蝗娑　?/p>

(3)制造一個(gè)機(jī)械零件的方法有很多，它與所擁有的機(jī)械加工設(shè)備密切相關(guān)，不同的制造方法對(duì)應(yīng)著不同的制造設(shè)備。設(shè)計(jì)并非一成不變，它受制造方法影響，必須隨具有的加工設(shè)備情況進(jìn)行調(diào)整，也必須隨制造過程中出現(xiàn)的新情況、新問題而調(diào)整。

(4)對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)件的制造，不可能存在制造所需的全部裝備，必須充分考慮制造過程中存在的問題，優(yōu)先保證采用自行無法制造的裝備的使用，并采取相應(yīng)的制造方法；提前制造能自行解決的相應(yīng)的工具。例如本次制造過程中的輔助夾具，必須自己制造，它不可能是標(biāo)配，既能保證對(duì)側(cè)立腳的對(duì)稱一致，又不致于在焊接過程中發(fā)生燙傷事故。

(5)意識(shí)到彎曲過程中因?yàn)榛貜椀挠绊?，不可能通過手工彎曲保證角度精度[3]，這可以避免在難以實(shí)現(xiàn)的制造方案二上繼續(xù)想辦法調(diào)整而少走彎路，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

機(jī)械制造它需要設(shè)計(jì)者、制造者具有生產(chǎn)制造的經(jīng)驗(yàn)，而這些知識(shí)在書本上往往難以找到。本文為非標(biāo)準(zhǔn)件的研制提供了一個(gè)范例，對(duì)設(shè)計(jì)者如何思考、如何改進(jìn)設(shè)計(jì)以適應(yīng)生產(chǎn)條件提供一種參考。

[1]陶表達(dá)．一種速降裝置手動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)多種設(shè)計(jì)方案的制造復(fù)雜性研究[J]．機(jī)械，2015，11(42)：37-41.

[2]林江．機(jī)械制造基礎(chǔ)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[3]成虹．沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2006．

Study on the Manufacturing Complexity of a Special-Shaped Stove Frame

TAO Biao-da

(School of Physics & Mechanical Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

This paper conducts a case study of a special-shaped stove in order to adapt to limited manufacturing conditions, make continuous improvement and realize the purpose of manufacturing. Through the discussion of product manufacturing method of each stage,and the causes of invalidation and trial failure manufacture experience have been summarized. The trial results show that it proves to overcome the difficulties of poor manufacturing conditions by continuous improvement of the design, for the interaction of designs and manufacture. Therefore, better integration of them would need more deep knowledge.

special-shaped stove frame; machinery manufacturing; complexity analysis; process analysis

2016-07-08

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B2013020)； 湖北省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目(2012386)

陶表達(dá)(1972-)，男，湖北洪湖人，副教授，碩士，研究方向?yàn)镃IMS、智能控制。

TH16

A

1674-344X(2016)08-0016-04