現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制造的相關(guān)技術(shù)分析

陳志廣

齊齊哈爾斯潘塞重工裝備有限公司，中國(guó)·黑龍江 齊齊哈爾 161002

機(jī)械設(shè)計(jì)；機(jī)械制造；技術(shù)

1 引言

如今，在中國(guó)生產(chǎn)力發(fā)展的過(guò)程中，機(jī)械化是至關(guān)重要的技術(shù)表現(xiàn)。在生產(chǎn)加工機(jī)械化進(jìn)程中，機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造技術(shù)發(fā)揮了重要作用。機(jī)械設(shè)計(jì)是基于相關(guān)需求，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、功能配置等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程，要求兼顧科學(xué)性、實(shí)用性和創(chuàng)新性。機(jī)械制造是對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)理念和方案的落實(shí)過(guò)程，要求具備工藝嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性。顯然，機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展是相輔相成的，需要相關(guān)技術(shù)人員投入大量精力進(jìn)行研究和實(shí)踐。

2 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制造相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)更多依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和不斷試錯(cuò)，往往需要消耗大量的時(shí)間、資金成本，才能完成一個(gè)比較成熟的機(jī)械設(shè)計(jì)方案。雖然中國(guó)很多企業(yè)在機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面成立了相應(yīng)的部門(mén)，但是設(shè)計(jì)進(jìn)度慢、各部門(mén)協(xié)調(diào)性不強(qiáng)，成為制約機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的重要因素。另外，當(dāng)前中國(guó)在機(jī)械制造方面的創(chuàng)新性不足，多數(shù)都按照國(guó)際的相關(guān)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行改進(jìn)，缺乏相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，導(dǎo)致中國(guó)機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展很大程度上受到國(guó)際企業(yè)和市場(chǎng)的限制。但是，近年來(lái)中國(guó)鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，部分技術(shù)企業(yè)在探索中逐漸將高新技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)融合起來(lái)，加上企業(yè)對(duì)創(chuàng)新性機(jī)械設(shè)計(jì)的鼓勵(lì)，讓一些具備創(chuàng)造性和科學(xué)性的機(jī)械設(shè)計(jì)理念和作品進(jìn)入到實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域之中，給生產(chǎn)加工行業(yè)及人們的生活帶來(lái)了便利[1]。

2.2 機(jī)械制造

和傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備不同，中國(guó)當(dāng)代機(jī)械系統(tǒng)不僅在機(jī)械構(gòu)造方面更復(fù)雜，更重要的是還涉及到傳統(tǒng)動(dòng)力、電氣、數(shù)控、信息化等多種技術(shù)，這些都給機(jī)械制造工藝提出了更高的要求。尤其是在精細(xì)化加工的大背景下，高精度、低誤差成為機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的核心標(biāo)準(zhǔn)之一。顯然，機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)一方面需要不斷升級(jí)加工制造系統(tǒng)，滿(mǎn)足創(chuàng)新性機(jī)械設(shè)計(jì)方案的需求，另一方面需要不斷提升工藝水平，提高制造效率、精度和質(zhì)量。如今，基于數(shù)控技術(shù)的機(jī)械化加工已經(jīng)出成為中國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的主要加工方式，尤其在高精度加工方面的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

3 現(xiàn)代主要的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)和應(yīng)用分析

3.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計(jì)是目前機(jī)械設(shè)計(jì)中比較常用的技術(shù)，是中國(guó)數(shù)字化背景下至關(guān)重要的設(shè)計(jì)模式之一。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)主要是通過(guò)數(shù)字化建模來(lái)完成初期設(shè)計(jì)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行分析，再逐步調(diào)試達(dá)到最佳設(shè)計(jì)方案。顯然，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是基于機(jī)械系統(tǒng)全生命周期進(jìn)行考慮的，可以進(jìn)一步提升機(jī)械系統(tǒng)整體性和實(shí)用性，并能優(yōu)化資源配置，降低設(shè)計(jì)成本。

3.2 自動(dòng)化和智能化機(jī)械設(shè)計(jì)

自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要是基于對(duì)現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括機(jī)械動(dòng)能、運(yùn)行效率、故障率、局部磨損情況、元件更換率、運(yùn)行成本、運(yùn)行效益等?；诙喾降臄?shù)據(jù)信息的分析，從機(jī)械設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)?；谛畔⒒夹g(shù)的應(yīng)用，整個(gè)數(shù)據(jù)信息收集、分析和落實(shí)到機(jī)械設(shè)計(jì)改良的過(guò)程，智能化設(shè)計(jì)的概念逐步成型。自動(dòng)化和智能化設(shè)計(jì)是未來(lái)中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展方向，也是提高設(shè)計(jì)科學(xué)性和可行性的關(guān)鍵[2]。

3.3 并行化和綜合化設(shè)計(jì)技術(shù)

在機(jī)械化產(chǎn)品應(yīng)用面越來(lái)越廣的大環(huán)境下，人們對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的功能和運(yùn)行品質(zhì)要求更高。為此，機(jī)械設(shè)計(jì)不能進(jìn)行停留在對(duì)單一機(jī)械功能進(jìn)行考慮的狀態(tài)，更多的時(shí)候需要完成多功能綜合機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，并行化設(shè)計(jì)還需要考慮不同類(lèi)型技術(shù)的同步設(shè)計(jì)。因?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)不再單單使用一種動(dòng)力系統(tǒng)或控制模塊，在動(dòng)力方面會(huì)用到電能、燃油、燃?xì)狻⑻?yáng)能等，不同的能源形式涉及到的機(jī)械系統(tǒng)各有不同。而在控制系統(tǒng)方面會(huì)用到數(shù)控系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等，不同的控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化水平不同。為了進(jìn)一步滿(mǎn)足不同領(lǐng)域用戶(hù)的需求，當(dāng)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)需要兼顧多種動(dòng)力類(lèi)型和控制模式，最終完成綜合性的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 現(xiàn)代主要的機(jī)械制造技術(shù)的應(yīng)用分析

4.1 數(shù)控加工技術(shù)

機(jī)械制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在數(shù)控技術(shù)不斷發(fā)展的大環(huán)境下，數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用可以提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。尤其在精度要求較高、零件比較復(fù)雜的機(jī)械元器件生產(chǎn)中，數(shù)控車(chē)床憑借較好的靈活性和通用性，表現(xiàn)出很高的應(yīng)用價(jià)值。如今，小到零部件制造，大到汽車(chē)、工程機(jī)械制造，再到軍事、航天產(chǎn)業(yè)中，數(shù)控加工技術(shù)都是中國(guó)機(jī)械制造中不可或缺的關(guān)鍵性技術(shù)。

4.2 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)是當(dāng)今時(shí)代的主流技術(shù)，改變了人們的思維和發(fā)展模式。在機(jī)械制造領(lǐng)域當(dāng)中，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械制造過(guò)程的控制管理，還能通過(guò)收集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械制造方式進(jìn)行改良。CAD 以及CAM等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用，讓機(jī)械制造的方式更為多元化，同時(shí)其也避免了人工操控和管理存在的誤差風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高了機(jī)械制造水平。

4.3 精密加工技術(shù)

如今的機(jī)械化工業(yè)制造行業(yè)更注重精細(xì)化加工，高精度零件、儀器的制造，代表著一個(gè)國(guó)家的尖端工業(yè)科技水平。因此，當(dāng)下中國(guó)的機(jī)械制造技術(shù)逐漸在向精密加工方向發(fā)展，涵蓋了材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)、航空航天等技術(shù)領(lǐng)域。尤其是綜合了自動(dòng)控制技術(shù)的機(jī)械加工系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)0.01μm 亞納米級(jí)別的精密加工。無(wú)論從推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的角度，還是提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的角度來(lái)看，精密機(jī)械加工技術(shù)，都是中國(guó)未來(lái)需要努力的方向[3]。

4.4 高速切削和高速磨削技術(shù)

在機(jī)械制造過(guò)程中，切削和磨削工藝十分常見(jiàn)，而切削、磨削速度則與加工質(zhì)量息息相關(guān)。如今，中國(guó)相關(guān)機(jī)械制造加工產(chǎn)業(yè)開(kāi)始采用新型切削刀具和磨削材料，結(jié)合精度和速度極高的切削和磨削工藝，可以提升加工精度和材料去除率。從另一個(gè)角度來(lái)講，高速切削和磨削技術(shù)的應(yīng)用，可以降低材料形變量，進(jìn)而對(duì)材料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，并且加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量相對(duì)較少，具有制造精度高、成本低等特點(diǎn)。

4.5 新興機(jī)械制造技術(shù)

在中國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，技術(shù)人員正在積極研發(fā)新的技術(shù)，或是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行改良。這些新的技術(shù)構(gòu)想和研究方向，對(duì)進(jìn)一步提高機(jī)械加工效率、精度、質(zhì)量和效益，都有重要的價(jià)值。下面主要分享三個(gè)有代表性的新興機(jī)械制造技術(shù)。

第一，虛擬軸機(jī)床。這是一種以智能機(jī)器人為核心的自動(dòng)化機(jī)械制造技術(shù)，和傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床不同的是，該技術(shù)充分發(fā)揮了智能化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)和邏輯模塊，讓計(jì)算機(jī)中樞能夠?qū)︿浫氲募庸ひ筮M(jìn)行分析，選擇更優(yōu)的加工方式。同時(shí)，在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)評(píng)估各項(xiàng)數(shù)據(jù)，提高加工準(zhǔn)確率。

第二，輕量化制造技術(shù)。傳統(tǒng)的機(jī)械制造車(chē)間需要用到大量的夾具，這是傳統(tǒng)生產(chǎn)加工模式所決定的。但是，夾具的存在不僅會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工成本增加，還會(huì)影響加工系統(tǒng)運(yùn)行效率和精準(zhǔn)度，更會(huì)影響產(chǎn)品柔性和質(zhì)量。中國(guó)目前一些機(jī)械制造的頭部企業(yè)正在研究一種不用家具或減少夾具使用量的加工技術(shù)，這種輕量化的制造加工技術(shù)需要從加工機(jī)床自身的構(gòu)造和控制系統(tǒng)入手，打造具備綜合性的制造加工系統(tǒng)。

第三，納米技術(shù)。納米技術(shù)一直都是中國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)中經(jīng)常被提及的技術(shù)概念，目前中國(guó)精密制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)達(dá)到亞納米級(jí)別，正在像納米級(jí)技術(shù)方向努力。納米級(jí)制造技術(shù)，對(duì)任何機(jī)械制造品而言，不僅可以大幅度雖小機(jī)械系統(tǒng)體積，還可以節(jié)省大量材料成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和技術(shù)價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，是現(xiàn)代人類(lèi)文明生產(chǎn)力發(fā)展的象征。在全新的歷史時(shí)期當(dāng)中，中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)受到傳統(tǒng)思維和應(yīng)用環(huán)境的影響，存在著一些不足和亟待改進(jìn)的地方。這要求相關(guān)技術(shù)企業(yè)積極創(chuàng)新思維，秉承科學(xué)性、實(shí)用性和創(chuàng)新性的原則，完成更有價(jià)值的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，在機(jī)械制造領(lǐng)域中要對(duì)數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息化技術(shù)等進(jìn)行綜合性研究，構(gòu)建更高效、更精準(zhǔn)、更智能化的機(jī)械制造體系。只有這樣，才能不斷提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平，推動(dòng)中國(guó)社會(huì)生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展。