細致講解機械設計全過程，新人老手都值得看！

機械發明愛好者

2022年10月10日 15:56

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1. 形成設計構想和完善整體策略

  機械設計的過程往往是從整體到局部細化的過程。所謂整體，就是指一個總的全局觀。比如拿到某個課題（設計某樣功能的機器），首先要在頭腦里形成一個總體的模糊性的設計概念（這時要考慮的是一些全局性因素）。比如要考慮客戶要加工的料的材質（各項物理性能、硬度、強度、屈服點、耐磨性、韌性、比熱、密度等），形狀（板材還是型材還是鑄件鍛件），再比如要考慮你所將設計的機床的大體尺寸，總高，總長，總寬（考慮到實際車輛和道路運輸情況再決定該機是散裝運輸還是整機運輸）。
 

  在考慮這些大致方向性的基礎要素的同時也要同時考慮初步的機床功能實現方式。也就是采取何種工藝或方法來成型，就目前的成型方式來說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：鑄造、鍛造、擠壓、冷軋、折彎、滾壓、卷圓、彎管、旋壓。
 

  去除材料的方式有：車削、銑削、鉆削、刨削、磨削、拉削、鋸削、插削、沖壓、裁剪、激光切割、水切割、火焰切割、等離子切割、火花電蝕。
 

  增加材料的方式有：焊接、分層輪廓加工（3D打印機）
 

  在如此多的成型方式里借鑒和確定某一種最合適的成型方式作為所要設計 的機床的最基礎理論架構。
 

  2. 確定機床初步結構方式
 

  基于上述內容確定一個初步的機床結構布置性方案。比如客戶提供的要由你所設計的機器加工的料是類似工字鋼一類的較長型材，此時要綜合考慮在機床加工時客戶上料以及下料的便捷性、安全性等因素，同時考慮客戶是單條加工還是成捆多條同時加工。在此狀況下我們可能就會傾向于確定大概設計思路是在加工時候采取被加工件固定（靜止）而采取刀具以及刀具總成移動的初步策略（類如激光切割機）。
 

  當然，結合實際情況也可以采取工作臺（物料）移動形式（類如龍門銑床）。有了個大致性的初步策略后，再接著就要考慮機床的生產效率和精度要求。
 

  對于此兩項要求肯定是要結合設備造價來確定。例如是否采用多工位結構，是否采用多機頭結構，是否需要加快各部位工進或快進的速度，速度高了對于驅動的功率要求就大了，又要考慮速度高了機構慣性大了，定位精度下降了，若采用大功率大慣量的電機就直接意味著成本的上升。此時也要兼顧機床整體的剛性以及重心問題或考慮必要的結構共振頻率問題。同時還要兼顧人體工程學要求，對于操作位或某些需要經常調整和操作的位置要考慮正常人操作時的便利性。
 

  3. 確定各部件或總成的結構形式和功能
 

  在確定了機床成型方式和整體步結構后就要對各部位進行初步規劃，這時要比較清晰和明了各部位的功能以及確定采用何種機構來實現這些部位的功能。做這些規劃的前提的前提就是要先考慮這個組件或部件的安裝和拆卸問題。比如對于易損件或耗材或對于一些需要經常調校的裝置和機構就要求考慮合理的拆裝和維修時的便利性。比如要更換一條三角皮帶，則要對該機進行殺牛剝皮式的拆卸和更換那就不能算是一個好的設計。
 

  例如當我們確定采用常用的直線進給機構時所要考慮的問題有如下方面：結合實際的效率和精度需求明確某種實現形式，常用的當然有導軌加絲杠這種形式 ，至于是采用滑動摩擦絲杠還是滾動摩擦的絲杠則要根據實際情況確定。傳動效率、定位精度、動態響應性、負載情況、速度特性、螺紋升角、絲杠所能承受的軸向載荷、導程、造價成本等因素都要綜合考慮。再比如間歇運動機構，在電機控制技術還沒完善前，要實現此類機構那真是花樣繁多（槽輪形式，不完全齒輪形式）。
 

  個人認為做機械設計難的是如何把復雜問題簡單化，對于那些挖空心思搞些精妙復雜的機構，例如圓柱、圓盤凸輪機構、詭異莫測的空間機構、變化無窮的四桿機構、以及一些考驗加工制造人員的不完全齒輪機構和異形齒輪機構等等。
 

  對于刻意要弄些讓一般人玩不轉的，弄不清狀況的設計，我不表示贊成 。當然前提條件是我們完全可以采用一維線性運動或二維平面插補或三軸聯動來解決的情況。采用伺服電機和直線滾動摩擦性質驅動和導向裝置能完美解決那些需要間歇的，加速的，行程放大的，特殊運動曲線的功能要求下為何還要去弄那些復雜的，且制造困難的，不通用的，讓維修和裝配人員眼花繚亂，莫名其妙的且還大都是些滑動摩擦關系的機構呢？也許有人會說，一組二維平面直線插補的運動平臺抹殺了多少前人留下的那些可以真正稱謂為機械設計精華的機構。
 

  對于此，類舉個很有諷刺意味的笑話：某新兵進行野外生存訓練，餓著肚子搓了好幾個小時的木頭，還是沒能像祖先一樣實現鉆木取火，筋疲力竭之余摸出打火機和香煙，先坐石頭上抽根煙，緩口氣，繼續琢磨這鉆木取火的技巧......當然，對于一些必須的和必要的機構還是無法完全采用現代快餐式的設計文化來填補和實現。比如應用偏心裝置得到振動特性或夾具上的快速鎖緊裝置，或者是要利用超越離合器得到反轉失效等工況。
 

  4. 零件設計
 

  第一，考慮該零件的制造批量。若是大批量制造某個零件時要充分考慮機床夾具所用的定位基準，工藝孔等“多余”的因素。
 

  第二，考慮該零件的成型方式的特點。比如某高速旋轉的盤類零件，當采用鑄造成型時，因不可避免地會存在組織疏松或氣孔等缺陷，而這類工藝特征不進行后期動平衡處理必然會導致在高速運轉狀態下產生過大的離心力，間接地會出現軸承發熱，異響，壽命短等現象。再比如對于中碳鋼或高碳鋼原材料進行氣割下料來獲取零件毛坯時很容易出現切割處“被”淬火現象。
 

  第三，考慮該零件的原材特性。比如一片狀薄板類零件，我們首先想到采用鐵板取料，當然取料的方式可以是激光切割、水切割、火焰切割、甚至線切割、或是沖壓。這就要結合該零件的最佳經濟效益來決定。當然不管是針對板材還是線材，不管是采用鋸切下料還是火焰或激光或水切，都要注意排料問題。（追求材料最大利用率）
 

  第四，考慮該零件的加工夾具。對于單件小批量制造應在設計時盡量避免一些在通用機床上無法加工，必須得用專用夾具來進行生產加工的情況。
 

  第五，考慮制造該零件的刀具。在設計零件時要充分考慮在市場上可購買到的且適合自身機床裝夾和使用的刀具。盡量避免定制非標刀具。這個部分就要求略知一些刀具的國家標準。比如你在零件上設計了一個孔，且這個孔是有比較高的圓柱度和光潔度要求。一般我們對于孔的工藝是鉆孔或車孔—鉸孔或鏜孔—或內圓磨。但你這個孔的直徑值若是選得不接近刀具第一系列或第二系列時，在標準刀具市場買不到對應的鉆頭鉸刀一類刀具情況下就會變得非常麻煩。
 

  第六，考慮加工這個零件的機床的加工范圍。機床都有固定的加工能力范圍參數。比如C6132 表示臥式車床可以實現最大零件回轉直徑是320。M7130*1000代表臥軸矩臺平面磨床可一次裝夾磨削寬度是300,長度是1000的平面。所以，在設計零件時就要結合這些機床參數考慮加工母機的可夾持或可加工性。
 

  第七，考慮量具。零件制造完成了要求能應用通用的檢具，量具來進行測量。比如設計一組圓錐配合，你不選標準莫氏系列或常用的類似7：24錐度或1：50等這些錐度，而非要弄個7：23或1：47等錐度的話，那就在標準量具市場買不到通用的標準錐棒和錐套。當然若是采用二次元投影檢測或三坐標檢測的零件則不在此情況約束范疇內。
 

  第八，考慮熱處理要求。對于一些剛入行的朋友來說，在處理一些需要高耐磨性或需要良好的綜合力學性能的零件時候，其圖紙上往往會出現這樣的技術要求，材料Q235—淬火后硬度達到HRC60，且要保證淬透性和硬度均勻。材料45#鋼—調質后達58HRC。對于此類現象，只能建議您再去多翻翻金屬材料與熱處理的知識。
 

  5. 工程圖紙的相關問題
 

  結合國內眾多的“山寨”小作坊式的工廠的實際情況，設計圖紙的規范化和標準化是個比較矛盾的問題。按正常的，規范的，嚴謹的，科學的方法和方式來說，一個生產機械設備工廠的技術部門，本應當具備專職的繪圖人員，圖紙審核人員，工藝規劃人員，工裝夾具制作人員，以及專職的電氣工程師，液壓氣動工程師或程序員。而在“小農意識”的領導下經過濃縮再壓縮處理后往往會精簡到一兩個人的狀況。且此一兩個人要在完成上述各職位工作的同時可能還要出具設備使用說明書，產品樣本的更新編排，投標文件的編制等等一些技術人員的“活”。
 

  在此，只討論基于上述一人多能的狀況下的圖紙實用性的相關問題。
 

  （所述可能不適用在具備明確分工，各司其責的規范化公司做事的朋友。）
 

  第一，做為設計人員，在保持謙虛好學的同時更要具備自我主見和獨立判斷能力。這情況相信很多朋友都有深刻體會，老板是這么說，車間主任那樣說，生產經理又有個另外的想法，客戶還會提個“合理”的要求。處理不好這些紛至沓來的意見或建議時，圖紙文件包名字將會從設計1版逐漸變到設計11版......對于此，咱們設計人員若是處理不好，往往會形成思維慣性和依賴性。久而久之我們就會進入一個永遠掙扎不出的死循環里。老板，車間主任，生產經理總覺得你這人純粹就是腰上別只死耗子—冒充打獵的。而你更覺得沒了設計自由，覺得和這些泥腿子扯淡完全是夏蟲不可語冰，被約束，被束縛太多，完全被禁錮在指指戳戳和無數的馬后炮中。
 

  第二，對于圖紙要素要做到知其然亦知其所以然。很多新手出具的圖紙往往都“干干凈凈”異常“整潔”，沒有粗糙度標記，沒有形狀和位置公差要求，沒有備注的技術要求，所有的線條粗細都是一致，尺寸缺失，尺寸多余，尺寸鏈封閉，圖紙上體現不出加工和測量的基準，N多虛線圖素等等狀況。入行一段時間后，略有體會了，結果可能又出現圖紙所標注的尺寸公差以及形狀和位置公差要求讓人一看就半身不遂，再一看直接癱瘓的狀況。
 

  舉個簡單的例子，當你設計一條軸時（軸承中間布置的情況），我們要明白這條軸在最后磨削處理時的加工基準是兩軸端的中心孔，而我們裝配后用百分表檢測其某段軸段的跳動情況時的測量基準卻是基于中間的軸承位A和軸承位B之間的中心軸線，所以，你覺得在圖紙上標注其任意軸段跳動公差時的測量基準是能任意標注么？再例如當你設計的類似法蘭連接的兩個零件不能實現理想的對接時，請不要第一時間去質問加工或工藝安排人員的過失。你應該拿起你出具的圖紙仔細看一看，是不是沒有了裝配止口了？是不是缺失了“配作”這樣的技術要求了？是不是缺失了螺孔位置度要求了？
 

  6. 設計的靈魂----計算、校核
 

  （1）支持PLC或數控系統或運動控制卡等這一類東西所需要的程序邏輯算法。舉個簡單的例子就是比如解決一只N軸聯動的機械手的算法問題。需要考慮當臂關節平面移動，臂關節轉動，肘關節平面移動，肘關節轉動，腕關節轉動，指關節擺動。等一切運動所遵循的運動軌跡方程。（這類計算可歸類是純數學計算的性質，物理性東西不牽涉。）
 

  （2）緊密聯系物理現象的計算。比如靜力學、材料力學、彈性力學、流體力學。
 

  當設計某個零件時，首先要考慮這個零件所要承擔或完成什么任務，再結合這些任務去確定這個零件的形狀，確定形狀和所需要滿足的運動關系尺寸后再去針對這個零件的受力狀態和受力性質以及材質同時考慮轉速/熱變形/以及設計壽命等等諸多因素后到最后才能下手去確定各個部位的形狀和位置尺寸。
 

  （3）對于零件或部件加工或組裝時候的工時以及各項工藝參數的計算。就比如制造某款設備，鐵板下料部分需要進行鐵板排料的計算。金加工部分對于不同的加工性質有不同的加工參數的計算以及不同的加工方法排列的計算，以及在這樣的工藝參數下各個步驟所需要的加工時間的計算。
 

  好比是練武一般，如果沒有內功的修習，就算是外家招式練得再剛猛，也永遠達不到宗師級的境界。所以一個所謂的真正的機械設計師肯定是內外兼修的。 那咱們那些缺少邏輯思維的機械設計同行怎么辦呢？
 

  對，逆向！就是從后往前看。現在的軟件技術以及傳感技術這么發達，很多時候我們可以避開那類繁雜的計算和驗算的步驟。舉個簡單例子，比如想知道不同轉速下某條輸出軸的輸出扭距情況。直接拿個測扭儀連接在該輸出軸上針對各個轉速讀取就行。那什么電機的功率因素，傳動部件間的摩擦，不同傳動部件間由于不同的質量和速度引起的加速度啥的咱都給考慮完整了，這樣讀取的數值將會比從前往后看模式下進行計算而得到的數據更為精確，有效。
 

  當然，前提條件是那些基本的物性概念咱是要知道和明了的。關于CAE分析問題，我也曾有嘗試和接觸。因為總感覺CAE分析對于材料物性數據的準確性以及網格劃分和建模的規范性甚是敏感，更主要的是約束和載荷布置的合理性等等影響最終計算結果的不確定性因素太多，且又無法去進行理論和實踐的有效驗證，又限于工作節奏和自身領悟能力等原因一直未能對此深究，故不做論述。
 

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