現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造方法與《工程圖學(xué)》中機(jī)械零件構(gòu)形分析

王玉慧 肖立峰 于勇 劉靜華

摘要：隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)及加工方法的發(fā)展，機(jī)械零件的構(gòu)形設(shè)計(jì)發(fā)生了很大變化。很多現(xiàn)代產(chǎn)品構(gòu)形設(shè)計(jì)采用了基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下，結(jié)構(gòu)更合理、重量輕，有更好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能;另一方面，先進(jìn)的加工方法使得以往難以加工的零件結(jié)構(gòu)變得易于加工。所以在《工程圖學(xué)》中零件構(gòu)形與表達(dá)相關(guān)內(nèi)容中要適當(dāng)介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)、加工方法相關(guān)的零件構(gòu)形問(wèn)題，使得學(xué)生拓寬視野，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，構(gòu)形設(shè)計(jì)、工程分析、加工制造等一系列內(nèi)容有機(jī)融合，有利于后續(xù)學(xué)習(xí)和研究，更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：工程圖學(xué);零件構(gòu)形

《工程圖學(xué)》是工程大類學(xué)生的基礎(chǔ)課，研究工程設(shè)計(jì)表達(dá)、交流。其中有一個(gè)重要章節(jié)是“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”，介紹機(jī)械零件的合理構(gòu)形與表達(dá)方案。學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械零件表達(dá)的時(shí)候，經(jīng)常提出“零件為什么構(gòu)造成如此形狀”的問(wèn)題。以往講合理構(gòu)形是基于經(jīng)驗(yàn)，考慮重量、剛度、密封以及加工等因素，向?qū)W生講解產(chǎn)品構(gòu)形與性能的關(guān)系，讓學(xué)生對(duì)于產(chǎn)品的構(gòu)形原因有所了解?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造方法在很大程度上改變了以往零件構(gòu)形的方式和零件的形態(tài)，所以在“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”介紹零件的現(xiàn)代構(gòu)形方法，給學(xué)生拓寬視野，提高工程素養(yǎng)，為后續(xù)學(xué)習(xí)、研究打基礎(chǔ)。

一、結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的零件構(gòu)形

以往的“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”章節(jié)，常常以齒輪油泵泵體的構(gòu)形作為案例，先以“內(nèi)定外”原則給出齒輪腔部分的形狀，在滿足產(chǎn)品功能要求前提下，憑經(jīng)驗(yàn)或參考已有產(chǎn)品粗略給出泵體的外部形狀，然后再考慮產(chǎn)品重量、剛度、密封等因素，逐步對(duì)零件的形狀進(jìn)行定性的優(yōu)化，比如進(jìn)行整體減薄、局部加厚以減輕零件的重量，添加加強(qiáng)筋以提高零件的剛度，泵體與泵蓋接合出增加接觸面積以提高密封性能，減少機(jī)加工面積以降低加工成本等，這種構(gòu)形優(yōu)化是定性的，不能夠給出零件較為確切的形狀、尺寸。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)中基于有限元分析進(jìn)行機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是賦予零件合理構(gòu)形的科學(xué)方式，例如文獻(xiàn)[1]—[5]中，采用有限元分析方法，分別進(jìn)行了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)、汽車排氣管吊耳支架、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和汽車轉(zhuǎn)向直拉桿臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1中（1）、（2）分別為文獻(xiàn)[5]中轉(zhuǎn)向直拉桿臂優(yōu)化前和優(yōu)化后的構(gòu)形?？梢姡跐M足性能前提下，優(yōu)化后的零件改變了零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了重量減輕。在《工程圖學(xué)》課上講一些這一類的案例，使學(xué)生了解到，現(xiàn)代設(shè)計(jì)中零件結(jié)構(gòu)是通過(guò)科學(xué)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化后確定的。介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)形的影響，能夠讓學(xué)生在大一的學(xué)習(xí)中了解現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)方法，認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品的形狀，是在綜合考慮產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，經(jīng)過(guò)科學(xué)計(jì)算得到的優(yōu)化結(jié)果。體現(xiàn)了《工程圖學(xué)》課程的工程性以及以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主線，更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和科學(xué)思維。

（1）優(yōu)化前

（2）優(yōu)化后

講完設(shè)計(jì)案例，同時(shí)向?qū)W生介紹，后續(xù)的理論力學(xué)、材料力學(xué)、等課程給研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，使學(xué)生對(duì)于后續(xù)學(xué)習(xí)有所了解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、結(jié)合現(xiàn)代制造方法的零件構(gòu)形

在《工程圖學(xué)》的“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”章節(jié)里，還要向?qū)W生講解機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性，讓學(xué)生了解產(chǎn)品的可加工性，以往是基于傳統(tǒng)的加工方法介紹這部分內(nèi)容的。碧如零件構(gòu)形考慮鑄造圓角、減少鑄造中的分箱面、添加工藝結(jié)構(gòu)、鉆孔時(shí)考慮鉆頭垂直于零件表面等因素。

現(xiàn)代加工方法使得很多以往用普通機(jī)床難以加工的結(jié)構(gòu)變得易于加工，碧如數(shù)控機(jī)床可以方便地加工帶有自由曲面的零件，不再像傳統(tǒng)的機(jī)床難以加工自由曲面;考慮數(shù)控加工加工成本盡量讓零件不帶有負(fù)角而能采用用三軸加工，數(shù)控機(jī)床還可以加工形狀復(fù)雜的零件，碧如可加工圖2所示的整體葉輪，所以葉輪不再必須用焊接的方法焊上葉片，文獻(xiàn)[6]研究了整體葉輪的加工技術(shù)。

以往采用數(shù)控機(jī)床也無(wú)法加工的復(fù)雜的鏤空結(jié)構(gòu)，采用3D打印易于成型，如圖3中3D打印的巴黎鐵塔模型。

所以在介紹機(jī)械零件構(gòu)形時(shí)，介紹現(xiàn)代加工方法如：數(shù)控加工、生物加工、3D打印、激光切割等，以及加工方法對(duì)于零件構(gòu)形的影響。讓學(xué)生建立起零件構(gòu)形與加工方法密切相關(guān)這個(gè)概念，有利于學(xué)生日后進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)密切結(jié)合工程實(shí)際，考慮零件的可加工性。

三、結(jié)語(yǔ)

大學(xué)生學(xué)習(xí)是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，在《工程圖學(xué)》這門基礎(chǔ)課中雖不能將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理論講深、講透，但是可以通過(guò)工程案例教學(xué)給學(xué)生建立一個(gè)縱向的全局觀念，將“設(shè)計(jì)—分析—制造”有機(jī)串聯(lián)，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)工程素養(yǎng)和科學(xué)思維，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及研究打下基礎(chǔ)，為培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王魯斌，何府林.某汽車排氣管吊耳支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（02）：122-124.

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