精益理念下的機(jī)械設(shè)計(jì)要求

劉興玉 趙朋舉 高 琦

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所，洛陽 471000）

精益理念是一種思想，核心可概括為消除一切浪費(fèi)、創(chuàng)造更多價(jià)值，為市場(chǎng)提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的產(chǎn)品服務(wù)[1]。精益思想發(fā)展到今天已不再局限于生產(chǎn)領(lǐng)域，而是已外延到企業(yè)活動(dòng)的各個(gè)方面。合理運(yùn)用精益思想，組織開展機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)精益工作，能夠有效減少機(jī)械制造過程中各個(gè)環(huán)節(jié)造成的浪費(fèi)，管控各個(gè)環(huán)節(jié)的成本支出，提升工程項(xiàng)目的整體效益和企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[2]。

雖然機(jī)械設(shè)計(jì)成本在產(chǎn)品總成本中的占比不高，但它與產(chǎn)品的材料、工藝、制造、裝配、檢驗(yàn)等各工序息息相關(guān)，直接影響后續(xù)工序的制造成本和最終的產(chǎn)品質(zhì)量。例如，同一個(gè)產(chǎn)品分別交付給兩位不同的設(shè)計(jì)者完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。由于兩位設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和能力的差異，導(dǎo)致在材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造精度選擇、技術(shù)要求制定等方面有較大不同，最終造成兩位設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在生產(chǎn)周期和制造成本上產(chǎn)生巨大差異。但是，人們往往不能察覺到設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品成本的內(nèi)在影響。可見，設(shè)計(jì)浪費(fèi)有時(shí)看起來是潛在的、無形的，可能隱含在設(shè)計(jì)圖紙或者工藝文件中，不易被人們察覺或重視。鑒于此，人們應(yīng)該高度重視設(shè)計(jì)在生產(chǎn)中的作用，從源頭上消除浪費(fèi)，為企業(yè)創(chuàng)造更大的價(jià)值。

目前，運(yùn)用精益思想提升機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)設(shè)計(jì)工作提出了以下幾方面要求。

1 標(biāo)準(zhǔn)化要求

機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化是指將零件的類型、結(jié)構(gòu)要素、性能、尺寸、參數(shù)、制圖要求等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定并強(qiáng)制執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)化后的零件簡(jiǎn)稱為標(biāo)準(zhǔn)件，如滾動(dòng)軸承、鍵、銷、螺栓、螺釘、螺母、墊圈以及聯(lián)軸器等。采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)具有重大意義：一是可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，使設(shè)計(jì)者將更大的精力投入到非標(biāo)零件的設(shè)計(jì)中，縮短設(shè)計(jì)周期；二是可組織批量生產(chǎn)，保證零件生產(chǎn)的一致性，降級(jí)生產(chǎn)成本；三是減少零件種類和備品的庫存，提高零件的通用性和互換性，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的裝配和維修成本。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化作為我國(guó)現(xiàn)行的重要技術(shù)政策，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在實(shí)際工作中認(rèn)真貫徹執(zhí)行[3]。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)零件或產(chǎn)品，也適用于非標(biāo)零件或產(chǎn)品。積木式設(shè)計(jì)法是產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的一種全新設(shè)計(jì)觀念和方法，是將非標(biāo)零件或產(chǎn)品看作一個(gè)或者若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或零件的組合體[4-5]，進(jìn)而從局部標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)擴(kuò)展到全局標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。例如：設(shè)計(jì)系列化產(chǎn)品或零件時(shí)，產(chǎn)品或零件的主要參數(shù)和尺寸滿足《優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系》（GB/T 321—2005）規(guī)定；對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行倒圓與倒角設(shè)計(jì)時(shí)，按《零件倒圓與倒角》 （GB/T 6403.4—2008）規(guī)定設(shè)計(jì)尺寸；設(shè)計(jì)扳手空間尺寸時(shí)，按照《扳手空間》（JB/ZQ 4005—2006）規(guī)定執(zhí)行；設(shè)計(jì)四方或六方時(shí)，尺寸按照《對(duì)邊和對(duì)角寬度尺寸》（JB/ZQ 4263—2006）規(guī)定執(zhí)行等。運(yùn)用積木式設(shè)計(jì)法可有效提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

2 善于搜集、借鑒和積累

重復(fù)設(shè)計(jì)并繪制已有的完全相同的或者大同小異的圖紙，即通常所說的圖紙的重復(fù)性設(shè)計(jì)和多樣性設(shè)計(jì)，將意味著重復(fù)勞動(dòng)和工藝文件、制造設(shè)備的多樣性，造成不必要的成本支出。設(shè)計(jì)者應(yīng)善于利用現(xiàn)有的檢索手段，查詢、搜集、借鑒或采用現(xiàn)有成熟的零部件結(jié)構(gòu)或圖紙，不斷積累設(shè)計(jì)資料，盡量避免重復(fù)性設(shè)計(jì)和多樣性設(shè)計(jì)。為了解決設(shè)計(jì)者存在的上述問題，現(xiàn)代化企業(yè)基本都已推行了產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）信息化系統(tǒng)，整合全企業(yè)的設(shè)計(jì)和工藝資料，有效減少了設(shè)計(jì)浪費(fèi)。

3 選材要求

材料選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是一個(gè)復(fù)雜的過程[6]。材料選擇對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量影響是全方位的，在設(shè)計(jì)過程中占有絕對(duì)重要的地位，必須予以關(guān)注。實(shí)際上，如果設(shè)計(jì)者忽視選材的重要性，不僅會(huì)降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，更會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的制造質(zhì)量和性能。如果僅僅片面地認(rèn)為選用優(yōu)質(zhì)材料能保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)一些非重要的零件也選用優(yōu)質(zhì)材料，會(huì)造成很大的浪費(fèi)。因此，如果選材科學(xué)合理，不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量，還能降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品綜合性能[7]。設(shè)計(jì)選材必須遵循一項(xiàng)原則，即在滿足使用要求的前提下，以最低的成本支出獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，為提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定基礎(chǔ)。具體而言，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行材料選擇時(shí)應(yīng)著重考慮以下要求。

3.1 使用要求

滿足使用要求是零件選材最基本的要求，一般包括：①對(duì)零件的尺寸和重量方面的限制；②零件的受載情況；③零件所處的介質(zhì)、溫度、摩擦、磨損等工況環(huán)境；④零件的重要程度；⑤抗磁、絕緣、腐蝕等其他要求。在考慮使用要求時(shí)，要抓住主要問題，并兼顧其他方面的需求。

3.2 工藝要求

為了便于加工制造，選材時(shí)應(yīng)考慮零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、尺寸大小和毛坯類型。對(duì)于外形復(fù)雜、尺寸較大的零件，可考慮采用鑄造成型或焊接成型。若采用鑄件，則應(yīng)優(yōu)選鑄造性能好的材料；若采用焊接結(jié)構(gòu)，則應(yīng)選擇焊接性能好的材料。對(duì)于外形簡(jiǎn)單、尺寸小、批量大的零件，適合沖壓和模鍛，應(yīng)選用塑性較好的材料。對(duì)于需要熱處理的零件，材料除應(yīng)具有良好的熱處理性能外，還應(yīng)考慮材料熱處理后的易加工性。

3.3 經(jīng)濟(jì)性要求

材料的經(jīng)濟(jì)性不僅指材料本身的價(jià)格，還包括其加工制造費(fèi)用、使用維護(hù)費(fèi)用等。提高材料的經(jīng)濟(jì)性可從以下幾個(gè)方面考慮[8]。

（1）原材料本身的價(jià)格。在滿足功能要求和工藝要求的情況下，應(yīng)優(yōu)選價(jià)格低廉的材料，這在進(jìn)行大批量零件或產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)尤為重要。

（2）采用熱處理或者表面強(qiáng)化（如淬火、噴丸、碾壓等）工藝，應(yīng)充分發(fā)揮和利用材料潛在的力學(xué)性能。

（3）合理采用表面鍍層（鍍鉻、鍍銅、噴塑、發(fā)黑、發(fā)藍(lán)等）方法，以減輕腐蝕或者磨損的程度，延長(zhǎng)零部件的使用壽命。

（4）改善工藝方法，提高材料利用率，減少制造費(fèi)用。例如，采用無切削、少切削制造工藝（如冷鐓、碾壓、精鑄、模鍛、冷拉工藝等），不僅可以減少材料浪費(fèi)和制造工時(shí)，還可以使零件內(nèi)部金屬流線型連續(xù)，提高材料強(qiáng)度性能。

（5）節(jié)約稀有貴金屬材料。例如，采用我國(guó)資源較豐富的錳硼系合金鋼替代資源稀少的鉻鎳系合金鋼，采用鋁青銅材料代替錫青銅材料等。

（6）采用組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)約貴金屬材料。例如，采用組合結(jié)構(gòu)的蝸輪設(shè)計(jì)，冠齒圈采用減摩性較好而價(jià)格較貴的錫青銅材料，輪芯采用價(jià)格低廉的鑄鐵或者鑄鋼材料。

（7）結(jié)合企業(yè)自身情況，應(yīng)盡可能選擇本地現(xiàn)有且便于供應(yīng)的材料，以減少采購、運(yùn)輸及存儲(chǔ)的費(fèi)用。

此外，應(yīng)盡可能減少材料的種類和規(guī)格，簡(jiǎn)化供應(yīng)和管理，并在加工和熱處理工序中掌握合理的操作方法，提高產(chǎn)品制造質(zhì)量，減少廢品的產(chǎn)生，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。

4 工藝性要求

產(chǎn)品成本主要取決于材料和制造費(fèi)用。工藝性與經(jīng)濟(jì)性是密切相關(guān)的。如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝性較差，將給產(chǎn)品的加工、檢驗(yàn)、裝配、試驗(yàn)、使用、檢修等各方面帶來困難，增加產(chǎn)品壽命周期成本。

4.1 零件形狀簡(jiǎn)單合理

一般來講，零件的結(jié)構(gòu)和形狀越復(fù)雜，產(chǎn)品的制造、裝配和檢修就越困難，成本也越高。在滿足使用要求的條件下，產(chǎn)品的幾何形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，如最好采用平面或者圓柱面。設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)往往需要經(jīng)歷一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、再由復(fù)雜到高級(jí)簡(jiǎn)單的過程。結(jié)合實(shí)際情況，化繁為簡(jiǎn)，體現(xiàn)精煉，降低成本，方便使用，一直是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。

4.2 毛坯選擇合理

零件毛坯可由鍛造、沖壓、鍛造、鑄造、焊接、型材等方式獲取，而獲取方式不同也直接影響零件的質(zhì)量和成本。選擇毛坯時(shí)，應(yīng)綜合考慮毛坯原材料價(jià)格、毛坯成型費(fèi)用和毛坯加工費(fèi)用。

4.3 采用良好的制造工藝

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求使設(shè)計(jì)的零件滿足制造加工方便、材料損耗少、效率高、符合質(zhì)量要求、生產(chǎn)成本低等要求，以確保零件具有良好的制造工藝性。

4.4 便于拆裝、維護(hù)和檢修

零件經(jīng)過裝配才能成為完整的產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品的拆裝和維修工藝性是設(shè)計(jì)中必須考慮的重要方面。良好的拆裝、維護(hù)和檢修工藝性要求所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有可達(dá)性、易于調(diào)整、便于更換和修理等特點(diǎn)。

5 差異化設(shè)計(jì)要求

差異化設(shè)計(jì)要求即針對(duì)產(chǎn)品或零件的技術(shù)要求、重要程度、使用工況、壽命等不同情況，提供科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材設(shè)計(jì)、精度設(shè)計(jì)、壽命設(shè)計(jì)等。比如，在某些工況條件下，與其投入巨大精力和成本將某產(chǎn)品各零部件設(shè)計(jì)成等壽命或全壽命，不如適時(shí)地把次要零件設(shè)計(jì)成易損件在綜合成本上顯得更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中未充分考慮產(chǎn)品零部件間的使用工況差異，提出了遠(yuǎn)高于產(chǎn)品或零件使用性能的要求，或者無謂放大設(shè)計(jì)裕度或制造裕度，均會(huì)造成產(chǎn)品生產(chǎn)成本的增加。

6 結(jié)語

機(jī)械設(shè)計(jì)是決定機(jī)械產(chǎn)品性能和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。在當(dāng)下的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，企業(yè)和個(gè)人都必須基于精益理念，重視設(shè)計(jì)并從源頭上把好產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)，不斷提高成本管控水平，減少因設(shè)計(jì)問題造成的一系列浪費(fèi)，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使得企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得更廣闊的生存和發(fā)展空間。