机械设计过程中零件结构合理性的问题研究

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-05-11 09:19 热度：

　　摘要：现代机械加工和设计要求越来越高，对机械零件结构设计的合理性要求也越来越高，因此研究机械设计过程中零件结构的合理性非常重要。本文简单介绍了机械零件结构合理性设计原则，着重从毛坯选择、零件结构简化、零件结构设计经济性提升、零件设计精度提升、零件强度改善、零件加工经济性和环保性等方面分析机械设计过程中零件结构合理性设计的具体方法，促进零件结构设计的合理性和经济性，提高零件的精度和强度。

　　关键词：机械设计;零件结构;设计合理性

　　0 引言

　　机械设计是为了满足某机械使用功能而进行的设计过程。机械设计的水平决定着机械设备的质量，也关系到机械制造企业的经济效益。随着我国机械制造业的不断发展，机械设计技术也不断发展，各类大型机械设备和精密型机械设备成为主流机械设备，但是无论多大规模和多精密的机械设备都是由零件组合而成，这就对机械设备零件提出更高要求。机械制造企业为了提高原材料的使用效率，节约机械设计和生产的成本，提高机械设备整体的强度和性能，从机械零件结构设计入手，优化零件结构设计，提高零件结构合理性和经济性，使机械零件具有更高的强度和性能。只有这样才能确保机械设备的质量和性能，提高机械制造企业的经济效益。

　　1 机械零件结构合理性设计原则

　　1.1 机械零件结构与零件材料相适应原则

　　不同的机械零件原材料具有不同的性能，例如力学性能、物理性能和化学性能等等，因此在机械零件结构设计时要根据零件原材料进行结构合理性设计，确保机械零件原材料和结构设计相符。因此在机械设计过程中要先确定机械零件的材料，然后确定该材料的生产工艺和性能，最后确定机械零件的结构设计。例如选用铸铁为机械零件的原材料，因为铸铁具有良好的铸造性能，因此在生产工艺选择上以铸造工艺为主，这就是生产加工工艺与原材料的匹配性。再根据铸铁零件的结构性能，选择薄壁结构设计，避免采用实心操作。再例如在制造凸轮轴时选择 45 钢为原材料，则生产加工工艺以锻造成型为主，该凸轮轴的结构设计以实心为主。只有机械零件的结构设计和原材料相适应，才能降低机械设计和生产加工成本，符合机械零件设计的合理性原则。

　　1.2 机械零件结构与毛坯成型方法相适应原则

　　毛坯结构形状不同，其成型工艺也不相同，主要是毛坯成型工艺对毛坯结构有一定影响。在采用铸造成型工艺时，可以选择结构形状复杂的机械零件进行生产加工，铸造成型工艺尤其适合生产加工芯子这种结构形状多变的零件，以便于制造复杂内腔。也可以采用空中结构来增加机械零件的刚性，降低机械零件用料。在生产加工结构复杂的箱体时，可以利用焊接工艺加工生产，但是焊接工艺不适用于内腔结构复杂的箱体，因为会增加焊接工艺难度，也会影响焊接质量，降低了机械零件结构设计的合理性。在曲轴这种机械零件生产加工时，需要采用有成型性的铸造工艺，可以降低曲轴加工余量，提高原材料利用率，降低曲轴的设计加工成本。因此曲轴结构设计可以复杂，但必须要与铸造工艺相适应，确保曲轴为对称结构。

　　2 机械零件结构设计方法

　　2.1 经验法

　　利用经验法来进行机械零件结构设计需要以全面归纳总结经验和设计原理为基础，通过对比分析来选择合适的机械零件结构设计方法。因此机械零件设计人员应该具有丰富的机械零件结构设计经验，只有这样才能准确选择合适的设计方法。虽然经验法对于机械零件结构设计而言具有一定可行性，但是主观性太强，经验并非科学理论依据缺乏一定的科学性，存在一定的设计风险。因此在机械零件结构设计时要慎用经验法，还是应该以模型法和理论设计法为主。

　　2.2 模型法

　　一些机械零件的规格、尺寸和质量比较大，还有一些机械零件内部结构比较复杂，这些机械零件在结构设计时宜采用模型法。所谓的模型法就是在利用大量实验数据建造的设计模型来对机械零件进行结构设计和生产加工。在使用模型法进行机械零件结构设计时需要将机械零件设计方法和机械零件生产加工相融合，如果模型与实际的机械零件的规格、尺寸和质量相差较大，就不宜采用模型法进行结构设计。

　　2.3 理论设计法

　　与经验法和模型法相比，理论设计法依据现有的机械零件结构设计理论进行机械零件结构设计，具有很高科学性和科学性。机械零件结构设计涉及到材料力学、机械力学和材料学等方面的理论知识和技术，在利用理论设计法对机械零件进行结构设计时要明确机械零件所要承受的各类荷载，然后确定机械零件的尺寸和规格。例如在计算直杆零件的尺寸时，要确定直杆零件所受的剪切力和拉力，然后根据外力大小确定直杆零件的尺寸。因此利用理论设计法可以精准计算出机械零件的尺寸和体积，使得机械零件结构设计更加精准化和科学化。

　　3 机械设计过程中零件结构合理性设计方法

　　3.1 合理选择毛坯类型

　　首先要确定毛坯的形状。为了促进机械零件的高效加工，在选择毛坯形状是要确定毛坯形状和尺寸符合机械零件结构设计。因为选择的毛坯形状与机械零件结构设计相似，可以降低毛坯质量问题，提高机械零件加工效率。为了进一步提高机械零件的加工效率和质量，可以选择先进的毛坯加工技术。其次是确定毛坯结构。根据机械零件结构确定毛坯结构，这样也可以节省大量的加工时间。为了确定毛坯结构与机械零件结构的相似性，可以选择合并和分解法进行对比分析。所谓的合并和分解法是指在毛坯结构加工时，可以将简单的毛坯组合成为一个新的略大的毛坯，也可以将一个较大的毛坯分解成为多个小毛坯，将这些组合或分解后的毛坯与设计的零件结构进行对比，查看是否相符，如果分解或重组后的毛坯结构与机械零件结构相符则可以直接来加工，可以大幅提高加工效率，节省加工成本。例如在车床丝杠螺母合口瓦和活塞环加工过程中，可以对长套筒和毛坯进行加工，然后将合口瓦分成两部分，查看机械零件是否与这两部分的结构相符，如果相符就对分解后的毛坯进行加工，加工成为符合设计要求的活塞环。

　　3.2 合理简化零件结构

　　在机械零件结构设计过程中，为了节省原材料，提高设计和加工效率，可以简化机械零件的加工面设计，使其成为圆面、方面等简单的几何平面，顺便简化机械零件结构，为之后的机械零件加工提供方便。为了简化机械零件结构，还可以根据机械零件结构特点将机械零件结构分为合体式和分体式两种结构类型。合体结构零件的优势是降低机械零件连接时的工作量，提高机械零件组装效率。有些机械零件在加工时难以进行合体加工，此时就需要使用分体式结构进行加工。可以将机械零件分解为套筒和球形地面垫块两个部分，这样可以简化加工程序，提高机械零件加工效率。当套筒和球形底面垫块都加工完毕后，只需将球形底面垫块加入到套筒中即可，使两个分体式结构组合成为合体式结构，化复杂为简单，满足预期的零件结构设计要求。

　　3.3 减少零件加工面

　　为了减少机械零件加工量，就应该减少加工面数量，所以在机械零件结构设计中要尽量减少零件加工面面积和数量。随着我国机械零件加工技术的不断进步以及机械生产制造对精密机械零件的大量需求，在机械零件结构设计时要确保机械零件具有很高的精度，确保加工过程中也能有很高的精度，并确保机械零件成品满足精度设计要求。机械零件精度设计要求越高，机械零件加工量和加工难度也就越高。因此在对机械零件加工前，需要对机械零件结构进行优化调整，将机械零件定位到一个端面中，通过与端面的对比，确保机械零件加工前后具有很高的加工精准度。为了减少机械零件加工面，在机械零件实际加工过程中，还需要注意很多地方。例如不能在封胶的内表面进行机械加工作业。因为在机械零件内部进行加工作业难度很大，如果其内部表面处于半封闭或全封闭状态，就难以进行机械加工作业，所以在机械零件加工过程中，要避免出现内部表面为半封闭和全封闭的情况。

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　　3.4 提高零件设计精度

　　在机械零件加工前要确保加工车床的加工参数和设计参数相一致，确保加工出来的机械零件具有和机械零件结构设计相同的精度并能够与机械设备相匹配。如果机械零件结构设计精度或者机械零件加工精度不符合机械设备匹配性要求，就无法应用于机械设备成为废品。由此可见，机械零件结构设计精度与机械零件加工质量息息相关。在机械零件加工过程中，其精度受到诸多因素影响。例如在加工空腔型机械零件时容易受外力影响，导致整个机械零件变形。为了避免机械零件加工时变形，需要空腔型机械零件结构设计时将其结构改为盒形，将原来的开口端设计为闭口端，这样的结构设计能够提高空腔型机械零件薄弱区的强度，避免出现零件变形问题。

　　3.5 改善零件形状提高强度

　　3.5.1 改善零件形状减少荷载

　　通过改善机械零件形状和结构设计，能够减少零件荷载，提高机械零件的使用寿命。如图 1 所示，将输入轮 1 的位置改放到输出轮 2 和 3 之间(如图 2 所示)，轴上的转矩则由(T2+T3+T4)降低到(T3+T4)，这样就起到了减少轴上转矩的目的。机械零件的形状和结构各不相同，因此机械零件所受的荷载也不相同，减少机械零件荷载的方法要因地制宜，根据机械零件的实际形状和结构对机械零件进行优化设计，减少机械零件所受的荷载。

　　3.5.2 改善零件形状均匀荷载分布

　　机械零件在应用过程中会产生点、线、面三种类型的接触，其中以点接触产生的集中荷载最大，对机械零件的破坏性最强，因此要将点接触的集中荷载转变为线接触和面接触的均匀荷载，降低集中荷载对机械零件结果的破坏，这就需要在对机械零件结构设计时改变其原有的形状，进而降低集中荷载，使荷载均匀分布在接触面上。大部分的集中荷载主要是由于机械零件加工和安装时的误差和接触偏向造成的，建议将机械零件的结构设计为鼓形，增加零件之间的接触面积，就可以将集中荷载变为均匀荷载。对于轴承类零件，可以将普通滑动轴承改为自动调心滑动轴承，就可以将集中荷载转变为均匀荷载。

　　3.5.3 改善零件形状分散应力

　　在机械零件结构设计时，要充分分析零件所受的内部应力大小与分布，根据零件应力大小与分布设计零件结构，确保机械零件能够承受得住工作状态下的机械应力。因此在对梁状零件进行结构设计时需要将其截面设计为工字型或 T 字型，轴零件的截面要设计成圆形或空心圆形。为了减少集中应力，要将机械零件的交接部分的截面尺寸差适当减少，增加机械零件过度曲线上的曲率半径，通过卸载结构来减少集中应力。

　　3.6 确保零件结构设计的技术经济性

　　机械零件结构合理性设计也包括其技术经济性。技术经济性分为技术性和经济性两部分内容。技术经济性是衡量机械零件结构设计的重要指标。通过优化机械零件结构设计可以改善机械零件结构的技术经济性。如图 3 所示，x 代表机械零件的经济性，即设计和生产加工机械零件的成本，用 y 代表机械零件的技术性，即机械零件结构设计各项性能指标。用 S3 曲线代表最优机械零件结构设计方案。用 S1 和 S2 分别代表两种不同的机械零件结构设计方案。通过图 3 可以看出，S1 方案具有较高的经济性和较低的技术性;S2 方案具有较高的技术性和较低的经济性。只有机械零件结构设计方案曲线愈来愈趋近于 S3 才能兼顾技术性和经济性，成为最优设计方案。

　　3.7 合理设计安全数据

　　机械零件结构设计首先要确保的就是机械零件的安全性，这就涉及到标准化设计安全数据，该数据是设计人员根据用户对机械零件的要求和设计原理制定的设计方案，包括了机械零件结构设计，不仅能够节省原材料，提高机械零件的生产加工效率，还可以提高机械零件的安全性。在现代机械零件结构设计中，传统的机械零件设计技术和加工设备已经落后，很多标准化设计安全数据已经不再适用于现在的机械零件结构设计，因此要优化改进安全数据，提高机械零件的使用寿命，制定新的符合当前机械零件结构设计的标准化设计安全数据，确保机械零件结构设计、机械加工和使用过程中的安全性。

　　3.8 注重零件结构设计的环保性

　　由于机械加工行业对环境污染比较严重，为了降低机械零件加工的污染性需要在机械零件结构设计环节就遵循绿色环保理念。在机械零件结构设计中除了要注重经济性、安全性、效率性等内容，环保性也属于合理性范畴。因此在选择机械零件原材料、加工工艺和使用环境时都要注重机械零件的环保性，可以在机械零件加工过程中设置某些环保装置来降低机械零件加工造成的环境污染，例如将机械零件加工作业环境封闭起来，降低噪声污染和光污染等。还要创新机械零件加工工艺，创新使用绿色环保材料，提高机械零件设计、加工和使用全过程的环保性。

　　4 结论

　　合理性是衡量机械零件结构设计经济性、环保性和耐用性的重要指标，关系到机械零件的外观和性能是否符合客户要求，是否能够批量生产应用于机械设备上。机械零件结构设计不仅要符合客户和机械设备应用要求，还要考虑机械加工企业的经济效益，要通过机械零件结构设计减少原材料消耗和工时，提高机械零件加工效率和质量，进而提高机械制造企业的经济效益。在机械零件结构设计过程中，要合理选择原材料类型和毛坯成型方法，进行稳健设计和试验设计，并合理选择经验法、模型法和理论设计法等机械零件结构设计方法，确保机械零件的外观和性能符合要求，并提高机械零件的经济性、环保性和耐用性。——论文作者：王俊 WANG Jun

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文章名称：机械设计过程中零件结构合理性的问题研究

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