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资深工程师解读机械设计过程概述

  1、形成设计构想和完善整体策略


  机械设计的过程往往是从整体到局部细化的过程。所谓整体,就是指一个总的全局观。比如拿到某个课题(设计某样功能的机器),首先要在头脑里形成一个总体的模糊性的设计概念(这时要考虑的是一些全局性因素)。

  比如要考虑客户要加工的料的材质(各项物理性能、硬度、强度、屈服点、耐磨性、韧性、比热、密度等),形状(板材还是型材还是铸件锻件),再比如要考虑你所将设计的机床的大体尺寸,总高,总长,总宽(考虑到实际车辆和道路运输情况再决定该机是散装运输还是整机运输)。




  在考虑这些大致方向性的基础要素的同时也要同时考虑初步的机床功能实现方式。也就是采取何种工艺或方法来成型,就目前的成型方式来说可分不去除材料的方式和去除材料的方式以及增加材料的方式。

  不去除材料的方式有:铸造、锻造、挤压、冷轧、折弯、滚压、卷圆、弯管、旋压。

  去除材料的方式有:车削、铣削、钻削、刨削、磨削、拉削、锯削、插削、冲压、裁剪、激光切割、水切割、火焰切割、等离子切割、火花电蚀。

  增加材料的方式有:焊接、分层轮廓加工(3D打印机)

  在如此多的成型方式里借鉴和确定某一种最合适的成型方式作为所要设计的机床的最基础理论架构。


  2、确定机床初步结构方式


  基于上述内容确定一个初步的机床结构布置性方案。比如客户提供的要由你所设计的机器加工的料是类似工字钢一类的较长型材,此时要综合考虑在机床加工时客户上料以及下料的便捷性、安全性等因素,同时考虑客户是单条加工还是成捆多条同时加工。

  在此状况下我们可能就会倾向于确定大概设计思路是在加工时候采取被加工件固定(静止)而采取刀具以及刀具总成移动的初步策略(类如激光切割机)。




  当然,结合实际情况也可以采取工作台(物料)移动形式(类如龙门铣床)。有了个大致性的初步策略后,再接着就要考虑机床的生产效率和精度要求。

  对于此两项要求肯定是要结合设备造价来确定。例如是否采用多工位结构,是否采用多机头结构,是否需要加快各部位工进或快进的速度,速度高了对于驱动的功率要求就大了。

  又要考虑速度高了机构惯性大了,定位精度下降了,若采用大功率大惯量的电机就直接意味着成本的上升。此时也要兼顾机床整体的刚性以及重心问题或考虑必要的结构共振频率问题。

  同时还要兼顾人体工程学要求,对于操作位或某些需要经常调整和操作的位置要考虑正常人操作时的便利性。


  3、确定各部件或总成的结构形式和功能


  在确定了机床成型方式和整体初步结构后就要对各部位进行初步规划,这时要比较清晰和明了各部位的功能以及确定采用何种机构来实现这些部位的功能。

  做这些规划的前提的前提就是要先考虑这个组件或部件的安装和拆卸问题。

  比如对于易损件或耗材或对于一些需要经常调校的装置和机构就要求考虑合理的拆装和维修时的便利性。比如要更换一条三角皮带,则要对该机进行杀牛剥皮式的拆卸和更换那就不能算是一个好的设计。

  例如当我们确定采用常用的直线进给机构时所要考虑的问题有如下方面:结合实际的效率和精度需求明确某种实现形式,常用的当然有导轨加丝杠这种形式 ,至于是采用滑动摩擦丝杠还是滚动摩擦的丝杠则要根据实际情况确定。

  传动效率、定位精度、动态响应性、负载情况、速度特性、螺纹升角、丝杠所能承受的轴向载荷、导程、造价成本等因素都要综合考虑。

  再比如间歇运动机构,在电机控制技术还没完善前,要实现此类机构那真是花样繁多(槽轮形式,不完全齿轮形式)。




  个人认为做机械设计难的是如何把复杂问题简单化,对于那些挖空心思搞些精妙复杂的机构,例如圆柱、圆盘凸轮机构、诡异莫测的空间机构、变化无穷的四杆机构、以及一些考验加工制造人员的不完全齿轮机构和异形齿轮机构等等。

  对于刻意要弄些让一般人玩不转的,弄不清状况的设计,我不表示赞成 。当然前提条件是我们完全可以采用一维线性运动或二维平面插补或三轴联动来解决的情况。

  采用伺服电机和直线滚动摩擦性质驱动和导向装置能完美解决那些需要间歇的,加速的,行程放大的,特殊运动曲线的功能要求下为何还要去弄那些复杂的,且制造困难的,不通用的,让维修和装配人员眼花缭乱,莫名其妙的且还大都是些滑动摩擦关系的机构呢?

  也许有人会说,一组二维平面直线插补的运动平台抹杀了多少前人留下的那些可以真正称谓为机械设计精华的机构。

  对于此,类举个很有讽刺意味的笑话:某新兵进行野外生存训练,饿着肚子搓了好几个小时的木头,还是没能像祖先一样实现钻木取火,筋疲力竭之余摸出打火机和香烟,先坐石头上抽根烟,缓口气,继续琢磨这钻木取火的技巧......

  当然,对于一些必须的和必要的机构还是无法完全采用现代快餐式的设计文化来填补和实现。比如应用偏心装置得到振动特性或夹具上的快速锁紧装置,或者是要利用超越离合器得到反转失效等工况。


  4、零件设计


  第一,考虑该零件的制造批量。

  若是大批量制造某个零件时要充分考虑机床夹具所用的定位基准,工艺孔等“多余”的因素。


  第二,考虑该零件的成型方式的特点。

  比如某高速旋转的盘类零件,当采用铸造成型时,因不可避免地会存在组织疏松或气孔等缺陷。

  而这类工艺特征不进行后期动平衡处理必然会导致在高速运转状态下产生过大的离心力,间接地会出现轴承发热,异响,寿命短等现象。

  再比如对于中碳钢或高碳钢原材料进行气割下料来获取零件毛坯时很容易出现切割处“被”淬火现象。




  第三,考虑该零件的原材特性。

  比如一片状薄板类零件,我们首先想到采用铁板取料,当然取料的方式可以是激光切割、水切割、火焰切割、甚至线切割、或是冲压。

  这就要结合该零件的最佳经济效益来决定。当然不管是针对板材还是线材,不管是采用锯切下料还是火焰或激光或水切,都要注意排料问题。(追求材料最大利用率)


  第四,考虑该零件的加工夹具。

  对于单件小批量制造应在设计时尽量避免一些在通用机床上无法加工,必须得用专用夹具来进行生产加工的情况。


  第五,考虑制造该零件的刀具。

  在设计零件时要充分考虑在市场上可购买到的且适合自身机床装夹和使用的刀具。尽量避免定制非标刀具。

  这个部分就要求略知一些刀具的国家标准。

  比如你在零件上设计了一个孔,且这个孔是有比较高的圆柱度和光洁度要求。 一般我们对于孔的工艺是钻孔或车孔—铰孔或镗孔—或内圆磨。

  但你这个孔的直径值若是选得不接近刀具第一系列或第二系列时,在标准刀具市场买不到对应的钻头铰刀一类刀具情况下就会变得非常麻烦。




  第六,考虑加工这个零件的机床的加工范围。

  机床都有固定的加工能力范围参数。比如C6132 表示卧式车床可以实现最大零件回转直径是320。

  M7130*1000代表卧轴矩台平面磨床可一次装夹磨削宽度是300,长度是1000的平面。

  所以,在设计零件时就要结合这些机床参数考虑加工母机的可夹持或可加工性。


  第七,考虑量具。

  零件制造完成了要求能应用通用的检具,量具来进行测量。

  比如设计一组圆锥配合,你不选标准莫氏系列或常用的类似7:24锥度或1:50等这些锥度,而非要弄个7:23或1:47等锥度的话,那就在标准量具市场买不到通用的标准锥棒和锥套。

  当然若是采用二次元投影检测或三坐标检测的零件则不在此情况约束范畴内。


  第八,考虑热处理要求。

  对于一些刚入行的朋友来说,在处理一些需要高耐磨性或需要良好的综合力学性能的零件时候,其图纸上往往会出现这样的技术要求,材料Q235—淬火后硬度达到HRC60,且要保证淬透性和硬度均匀。

  材料45#钢—调质后达58HRC。对于此类现象,只能建议您再去多翻翻金属材料与热处理的知识。


  5、工程图纸的相关问题


  结合国内众多的“山寨”小作坊式的工厂的实际情况,设计图纸的规范化和标准化是个比较矛盾的问题。

  按正常的,规范的,严谨的,科学的方法和方式来说,一个生产机械设备工厂的技术部门,本应当具备专职的绘图人员,图纸审核人员,工艺规划人员,工装夹具制作人员,以及专职的电气工程师,液压气动工程师或程序员。




  而在“小农意识”的领导下经过浓缩再压缩处理后往往会精简到一两个人的状况。 且此一两个人要在完成上述各职位工作的同时可能还要出具设备使用说明书,产品样本的更新编排,投标文件的编制等等一些技术人员的“活”。

  在此,只讨论基于上述一人多能的状况下的图纸实用性的相关问题。(所述可能不适用在具备明确分工,各司其责的规范化公司做事的朋友。)


  第一,做为设计人员,在保持谦虚好学的同时更要具备自我主见和独立判断能力。

  这情况相信很多朋友都有深刻体会,老板是这么说,车间主任那样说,生产经理又有个另外的想法,客户还会提个“合理”的要求。

  处理不好这些纷至沓来的意见或建议时,图纸文件包名字将会从设计1版逐渐变到设计11版......对于此,咱们设计人员若是处理不好,往往会形成思维惯性和依赖性。

  久而久之我们就会进入一个永远挣扎不出的死循环里。老板,车间主任,生产经理总觉得你这人纯粹就是腰上别只死耗子—冒充打猎的。

  而你更觉得没了设计自由,觉得和这些泥腿子扯淡完全是夏虫不可语冰,被约束,被束缚太多,完全被禁锢在指指戳戳和无数的马后炮中。


  第二,对于图纸要素要做到知其然亦知其所以然。

  很多新手出具的图纸往往都“干干净净”异常“整洁”,没有粗糙度标记,没有形状和位置公差要求,没有备注的技术要求,所有的线条粗细都是一致,尺寸缺失,尺寸多余,尺寸链封闭,图纸上体现不出加工和测量的基准,N多虚线图素等等状况。

  入行一段时间后,略有体会了,结果可能又出现图纸所标注的尺寸公差以及形状和位置公差要求让人一看就半身不遂,再一看直接瘫痪的状况。

  举个简单的例子,当你设计一条轴时(轴承中间布置的情况),我们要明白这条轴在最后磨削处理时的加工基准是两轴端的中心孔,而我们装配后用百分表检测其某段轴段的跳动情况时的测量基准却是基于中间的轴承位A和轴承位B之间的中心轴线,所以,你觉得在图纸上标注其任意轴段跳动公差时的测量基准是能任意标注么?

  再例如当你设计的类似法兰连接的两个零件不能实现理想的对接时,请不要第一时间去质问加工或工艺安排人员的过失。

  你应该拿起你出具的图纸仔细看一看,是不是没有了装配止口了?是不是缺失了“配作”这样的技术要求了?是不是缺失了螺孔位置度要求了?


  6、设计的灵魂—计算、校核


  我认为咱机械设计所包含的计算可以大致分为如下几类:

  (1)支持PLC或数控系统或运动控制卡等这一类东西所需要的程序逻辑算法。

  举个简单的例子就是比如解决一只N轴联动的机械手的算法问题。需要考虑当臂关节平面移动,臂关节转动,肘关节平面移动,肘关节转动,腕关节转动,指关节摆动。

  等一切运动所遵循的运动轨迹方程。(这类计算可归类是纯数学计算的性质,物理性东西不牵涉。)




  (2)紧密联系物理现象的计算。比如静力学、材料力学、弹性力学、流体力学。

  当设计某个零件时,首先要考虑这个零件所要承担或完成什么任务,再结合这些任务去确定这个零件的形状。

  确定形状和所需要满足的运动关系尺寸后再去针对这个零件的受力状态和受力性质以及材质同时考虑转速/热变形/以及设计寿命等等诸多因素后到最后才能下手去确定各个部位的形状和位置尺寸。


  (3)对于零件或部件加工或组装时候的工时以及各项工艺参数的计算。

  就比如制造某款设备,铁板下料部分需要进行铁板排料的计算。 金加工部分对于不同的加工性质有不同的加工参数的计算以及不同的加工方法排列的计算,以及在这样的工艺参数下各个步骤所需要的加工时间的计算。

  我最近在弄的一款设备(数控全自动锯片磨齿机)的计算书,光是解决锯片的转角/转速和砂轮的位移量及变化率的函数关系推导部分就有十几页A4纸内容(这个就属于第一类的计算性质) 。

  之前弄过的像某型设备工作台不同载荷性质下的承载能力的计算和某弹性体共振频率的确定等都属第二类性质的计算。当然第三类性质计算严格说可以归纳为工艺范畴。

  好比是练武一般,如果没有内功的修习,就算是外家招式练得再刚猛,也永远达不到宗师级的境界。 所以一个所谓的真正的机械设计师肯定是内外兼修的。

  那咱们那些缺少逻辑思维的机械设计同行怎么办呢? 对,逆向!就是从后往前看。现在的软件技术以及传感技术这么发达,很多时候我们可以避开那类繁杂的计算和验算的步骤。

  举个简单例子,比如想知道不同转速下某条输出轴的输出扭距情况。直接拿个测扭仪连接在该输出轴上针对各个转速读取就行。

  那什么电机的功率因素,传动部件间的摩擦,不同传动部件间由于不同的质量和速度引起的加速度啥的咱都给考虑完整了,这样读取的数值将会比从前往后看模式下进行计算而得到的数据更为精确,有效。

  当然,前提条件是那些基本的物性概念咱是要知道和明了的。关于CAE分析问题,我也曾有尝试和接触。

  因为总感觉CAE分析对于材料物性数据的准确性以及网格划分和建模的规范性甚是敏感,更主要的是约束和载荷布置的合理性等等影响最终计算结果的不确定性因素太多,且又无法去进行理论和实践的有效验证,又限于工作节奏和自身领悟能力等原因一直未能对此深究,故不做论述。


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