浅析机械设计在机械设计与制造中的重要性

浅析机械设计在机械设计与制造中的重要性

王永康

扬州顺达重工设备有限公司 江苏仪征 211403

摘要：设计技术与传统的机械设计相比而言，本身就包含了设计方法创新的理念和思路。任何一件事物的创新都离不开思维的创新，机械设计也不例外，创新思维是机械设计不断向前发展的根本。作为机械设计的从业人员，要善于把理论知识和实践经验相结合，并且运用先进的计算机技术，设计出符合大众需求的高品质机械产品。

关键词：机械设计；机械设计与制造；重要性

引言

随着我国科技水平的日益提升，机械制造工艺也得到不断的创新与发展，但是，由于机械设计及工艺制造过程比较复杂，且难度较大，不合理的设计会严重降低产品的质量和使用寿命，并给企业造成严重的经济损失，不利于机械企业经济的长期稳定发展。因此，为了促进机械企业的可持续发展，就需要进行科学合理化的机械设计，提升机械设计及制造水平，严格把控每个环节，不断创新机械设计及工艺制造方式，不断推进我国经济社会水平的发展。

1机械设计在机械设计与制造中的重要性

(1)程序性:从机械设计的过程来看，它更加重视产品从设计到生产再到销售的一体化设计，因此这就需要设计者从产品规划、产品方案的设计、技术设计以及施工总体设计等步骤进行全面的考虑，从而更加体现机械设计方法的程序性。

(2)系统性:从设计系统的角度来分析，机械设计更加注重使用系统工程来进行处理问题，因此在设计的过程中力求将各个部分进行关联，使其成为一个有机的整体，从而使整个系统得到最优化的处理，使系统与外界也能产生相应的联系。

(3)创造性:当前我国经济处在转变经济发展方式，优化经济结构，转化增长动力的攻关期。供给侧创新不足导致很多关键设备，核心技术和高端产品依赖进口，核心技术被“卡脖子”的事情时有发生。解决这一问题的关键在提高科技创新能力，提高供给侧体系质量。因此机械设计要敢于打破常规，突破传统思维，探索新方法，新原理，并且依托先进的设计技术和工具，来开发出高品质的，具有原创性的新产品。

(4)高效性:运用技术设计出的机械产品，在质量检测时可以直接使用计算机直接进行模拟使用，这样设计者可以直接看到自己设计产品的质量水平，同时节约了很多设计时间。除此之外机械设计可以缩短前期准备和细节工作的时间，大大提高了设计人员的工作效率。

(5)优化性:机械设计技术力求通过不断优化相关的理论和技术，达到技术系统的优化，从而使参数、结构、系统整体等都得到最优化的处理，进而使产品具备高性能、低成本的特点。

2机械设计方法分析

2.1系统分析设计方法

在传统的设计方法中，一般都是将要设计的产品分为几个模块，分别进行探讨研究。但在一个公司内各部门之间并不能做到及时交流，这种现象导致各部门设计出的部件产品都是独立存在的，片面不完整的。而系统分析设计方法要求，产品在设计过程中是一个完整的整体，要用系统完整的方法进行设计，在确立好设计方案后还要把产品的制造过程和运行情况都考虑进去。要想设计出一个好产品，就要把系统开发、制造、运行三个方面综合考虑，这样设计生产出的產品才能符合社会需要。

2.2有限元分析方法

随着计算机技术的发展，有限元分析方法迅速发展成为设计计算方法重要组成部分，这种方法的使用原理是将设计产品分成有限的、独立的、相互联结的三个部分，这些被分出的部分大多都是一些比较常见的形状。例如在有限元分析方法中，如果被分析的产品是平面的，就可以把它划分到四边形里面，如果要分析到产品是立体的，就可以把它划分到六面体里面。在划分完产品单元后，设计人员接下来就要确定所分析产品的每个变量，然后将分析出的产品变量应用的单元函数中，并进行求解，最后再将列出的单元方程连立求解。

2.3优化设计方法

传统的设计方法是根据人的经验和想法直接确定方案的设计模式，已经不再符合机械设计。优化设计方法不仅要考虑所设计产品的结构，同时还要把所设计产品的运输和流通等都考虑全面。要完成一个优秀的机械化设计方案，需把优化设计中的数学模型和设计方法都运用到其中。因为优化涉及的方法是以数学模型为基础，以计算机技术为工具，在探究数学模型的过程中找到设计产品的最佳方案，所以机械设计人员在设计产品前首先要建立一个完整的数学模型，这样一个复杂的机械问题就转变为了数学建模问题。设计人员在选出最佳方案后，应用计算机软件将设计的数学模型求出解，然后再将求出的结果应用到机械产品设计中，从而满足产品设计的各种需求。

3机械设计优化措施

3.1材料选择

3.1.1选择实用型、功能型的材料

在机械设计材料选择中，应当将材料的实用性和功能性放在第一位，尽量选择功能性、实用性都较强的材料，并且还需要具有环保的特性。从设计内容来看，机械设计与艺术设计是完全不同的两个概念，机械设计更多地是强调实用性特点，是不以美感作为主要的评判依据的，机械设计的设计目标应当贯穿于整个设计工作之中。举个例子来说，在机械设计的过程中，要根据材料的特点来进行延展性的设计，这一点在锻造和热切中体现尤其突出，而这些加工的工序对材料的性质有着较高的要求，质量优越上乘的材料非常容易被加工，而且残次品率大大下降。

3.1.2重视材料荷载问题

就目前设计现状来看，很多设计人员仅仅注意到了不同材料的使用环境，却对材料的荷载问题欠缺必要的考虑，很多材料因为存在外在的负荷偏差，导致了该材料的不当使用，甚至发生安全事故，造成了大量资源的浪费。在进行机械设计的最初阶段，工作人员就需要全面地考虑机械材料的荷载问题，避免在后续的设计与实验过程中因为某些零部件的荷载较差，从而使得整个机械工程停止工作，影响到了整个机械的正常运转。所以，在设计工作开始之前，就应当对可能用到的材料进行荷载方面的综合评估，并且筛选出符合条件的材料。此外，设计人员也应当加强自身的学习，不断地积累设计经验，能够从实际情况出发，综合地、科学地选择材料，从而使得机械设计更加符合常理，更加具有实用性。

3.1.3简化材料构造，使其易于回收

从目前机械设计所需要的主要材料类型来看，金属材料往往占据的数量比较多，而且可供的选择非常之多，来源也非常广泛。举个例子来说，机械设计中仅仅是钢材就有上百种材料，材料与材料之间的差异是比较微小的，这些钢材为机械的设计提供了非常丰富的选择，但是在回收利用方面却存在着较大的差别，一些材料虽然使用起来比较便捷，不利于材料的回收利用，不利于贯彻可持续发展的观念。随着绿色环保观念深入人心，机械设计中机械材料的回收问题受到了学者们的关注，一般而言，在进行机械设计的时候，要尽可能地避免材料的混搭，但是需要保证机械设计中的材料能够满足设计的主题，在这样的条件下尽量地减少材料的使用样数。除此之外，还需要保证材料具备可循环回收利用的性能，形成一个良好的设计—建造—回收的过程，能够使得材料能够节约使用，贯彻绿色环保的发展观念。

3.2设计中以加工精度为前提

机械制造工艺在实践过程中会受到人为因素、设备因素、技术水平的影响，使工艺实践中产生误差。机械设计人员应与机械制造操作人员共同研究，分析产生误差的因素，从而针对因素制定有效的措施，实现降低误差发生率、提高加工精度的目标。经过研究，加工过程的热变形因素、材料内容存在的内应力等因素是引起误差产生的两个重要原因。机械设计人员要与操作人员重点分析两项因素，明确具体产生的过程，从而总结出如何有效避免的预处理措施。根据两项影响因素，应用均化原始误差法、分化原始误差法具有较好的效果。机械设计人员通过与操作人员共同研究、总结，获取了更多的机械制造知识，在实际设计中能将注重事项、解决措施标注在制造要求内，包括产生误差的因素、解决措施；维护检测制造设备、工装夹具、量具等，从而使设备能高性能运转，尽可能将误差控制在最小值，达到产品精度的要求。另外，误差的影响因素还有其他方面，需要工作人员站在实际情况的角度、综合考虑的角度分析影响因素，从而使每一影响因素有效解决，使加工精度与质量不断提升。

3.3注重产品表面质量工艺设计

在机械设计中，要注重产品表面质量的制造过程，因为产品表面质量决定着产品的质量、使用寿命。在衡量产品表面质量时，粗糙度是重要衡量标准，金属加工表面质量会影响产品耐磨性能、疲劳强度、耐蚀性、配合质量。所以，机械设计中应加强产品表面的工艺设计。在制造过程中，选择的刀具、金属材料、加工工艺是影响金属加工表面质量的重要因素，应选择合适的刀具与金属材料，加工切削条件加强完善，加工工艺应用正确的方式，在加工时要实施高质量控制过程，从而使金属表面的粗糙度有效降低，达到表面质量提高的要求。

3.4应用计算机辅助设计技术

3.4.1三维造型

计算机辅助设计技术在机械设计中的应用可以通过三维造型设计来实现，通过计算机辅助程序立体直接地展示出机械产品的三维信息，给设计人员的设计思路和设计过程提供有效帮助。在计算机辅助设计技术的应用背景之下，设计人员可以直观和快速地进行设计方案的修改与调整，保证设计质量和设计效果。另外，计算机辅助设计软件还可以分析整合原有的产品的版本，为后续产品的优化和升级提供科学的意见，在辅助设计技术应用的过程中加强三维造型效果的优化，能够显著提升计算机辅助技术的应用效率和质量，使得三维造型设计活动能够更加快速准确地完成。

3.4.2计算机辅助设计技术

在实际机械设计过程中，需要充分利用CAD程序和软件系统的3大功能进行模型的构建与完善，严格按照相关规定和设计原理进行各零部件之间的顺序排列。借助布尔运算进行最合理的部件布局，实现零部件最佳的分布状态。在实际工作的过程中，难免会遇到三维实体模型中一些不符合条件的零件，这些连接的零件磨合度比较差，可以应用计算机辅助设计技术对零件状态进行改变，满足实际工程项目的建设要求。构建机械产品零部件的实体模型，并做好后续加工和完善工作，设计人员要利用计算机辅助设计技术进行模型操作，对零件模型进行重新装配，确保机械装配图的完整性和科学性。

3.4.3工程分析与结构优化调试

在机械设计的过程中，需要结合机械产品的功能要求，科学调整机械产品的力学结构以及力学性能。通过动力学建模分析以及有限元分析，做好CAD程序工程分析工作以及结构调整工作。从当前我国工程项目和机械设计情况开展来看，我国很多CAD程序都提供了有限元分析软件相互匹配的接口，可以利用软件系统将机械产品的三维实体模型直接在有限元分析程序之中导入，依照结构实施改进和优化，保证三维模型的设计效率。其次，还可以应用机械设计程序对这些设计的碰撞问题动态特征、结构合理状态、运动状态以及材料强度进行妥善优化和细致认证。

3.5应用对称美学思想

3.5.1单主体复合对称形态

在机械设计中，通过应用对称美学思想充分展现产品的实用价值，不仅要满足大众的审美观念，还要满足使用者对产品的设计需求。机械产品的实用功能主要包括：信息存储，能量传输，物料混合、传递、准备、制造、提纯等，此外，根据信息调控、检测、处理的要求，改变能量传输的方向、内部组元的大小，均属于机械产品对称美学思想应具备的实用价值。以六角螺母为例，此类型物体或形态通常分为内表面与外表面，外表面整体呈现旋镜射多维复合对称形态，内表面则属于旋移复合对称形态，此类型物体可以实现差异化载体的集成性与功能性，通过其与螺杆的紧固与配合，可以连接、锁紧单主体联接件，六角螺母如图1所示。

图1六角螺母

3.5.2单主体多层次复合对称形态

此类型机械产品反映出的对称美学思想，主要体现在结构层次的功能性及实用性方面。此类型产品更注重机械设计的满足性及约束性，注重产品实用价值在零部件外形、重量、尺寸等方面的体现，以及其与整体之间在结构、层次等方面产生的共振与呼应。以平衡轴支撑座为例，此产品属于不可拆卸型、整体支撑结构部件，整个部件的上层结构可将YZ或XY作为对称轴，使部件整体呈现二维镜射对称形态；部件的下层结构主是轴承，可将O1或O2作为对称轴，形成中轴旋转对称形态。将对称美学思想应用到此类型机械产品，应注意结合物理学有关变形协调、力的平衡及并联复合分置等应用原理，使具备实用价值的同类型机械产品，充分发挥出传力与均衡受力，平行轴支撑座如图2所示。

图2平行轴支撑座

3.5.3多主体复合对称形态

此类型机械产品反映出的对称美学思想，主要体现在产品的工作效率方面。以整体结构矩形花键拉刀为例，该产品的前导部、过渡锥部、头部及颈部均可设置成对称主体，将Y轴作为对称轴，形成旋转对称形态，充分体现出该产品的连接功能、传力功能及导向功能。将产品中段切削部设置成对称主体，将Y轴作为对称轴，形成标度平移对称形态，充分体现出该产品切削物料的连续性及功能性；通过XZ形成多维镜射对称形态，通过Y轴形成旋转对称形态，进一步满足零部件在加工过程中对多维镜射、平移、旋转等对称形态造成的约束。将对称美学思想应用到此类型机械产品，应注意结合载体的串联分置功能及复合对称形态，在确保产品一次成型的前提下，尽量提高工作效率，整体结构矩形花键拉刀简图如图3所示。

1-头部；2-颈部；3-过渡锥部；4-前导部；5-切削部；6-后导部。

图3整体结构矩形花键拉刀

结语

总之，机械设计方法是在传统机械设计方法的基础上进行的完善和发展，这个系统的主动性比较强，设计需要的时间短，消耗低的优点。除了这些，机械设计方法在产品的制造、报废、回收等方面都比传统机械设计方法要好。同时这种设计方法在设计过程中可以吸取很多领域和学科知识，并将这些优秀的资源应用到自己的产品设计中，机械设计方法的优点不仅体现在独特的创造性，它还会将不同的优秀科学技术完美的融合在一个设计产品里。因此，机械化设计如果想持续发展，就一定要与先进科学技术结合，只有这样才能使自身价值不断提高。

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