機械設計是機械工程的重要組成部分,是機械生產的第一步,是決定機械性能的最主要的因素。機械設計的努力目標是:在各種限定的條件(如材料、加工能力、理論知識和計算手段等)下設計出最好的機械,即做出優化設計。


優化設計需要綜合地考慮許多要求,一般有:最好工作性能、最低製造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少環境污染。那麼,如何成為一名優秀的機械設計師?應該儲備哪些知識?具備怎樣的素質呢?小編特為您奉上一位資深機械設計師難得的經驗與感悟。

機械設計所要瞭解的周邊知識以及所要具備的觀察視角

1、熟練翻閱機械設計手冊

對於標準件以及常用件的一些技術特征要了熟於心。比如要清楚各類軸承,帶傳動,鏈傳動,齒輪傳動,絲杠傳動,蝸輪蝸桿等的使用場合,使用方式,以及相關的技術特征。對於具體應用時的選型計算則可對照設計手冊的圖表和公式進行具體確定。

2、知道N家常用件供應商並熟練翻閱其產品樣本

現在機械設計趨向於模塊化,對於機械設備製造工廠的整體技術要求更側重於對於一些配件和部件的組裝應用。比如臺灣HIWIN,日本THK,德國FAG,FESTO。對於此,要做到當你在設計某個零件或部件或要完成某個動作或功能的時候必須得知道目前是否有專業的廠商在生產或提供能實現某個部位的功能要求的成熟的零配件。

3、熟悉原材料情況

比如你要知道目前市場上有賣的冷軋或熱軋鐵板以及各類型材的規格尺寸,有經驗的工程師往往都會知道你安排給採購的單子往往到最後是會變得面目全非的。因為在鋼材市場,普遍存在變薄,變窄,變短這些情況,採購買回來的東西往往是和你坐辦公室根據設計手冊里選出來的相關數據存在比較大的折扣。

4、深度瞭解各類常用機床的結構原理和性能特點

所謂萬變不離其宗,機床亦是如此。設計一臺機器的過程可類比是小孩堆積木一般,一個部件一個組件進行堆積,然後把這些具備不同功能的部件或組建遵循某種規律聯繫起來。在這個過程中就需要你熟練掌握一些常用機構或裝置的功能和特性。而我們所常見的車、銑、鑽、刨、磨、鏜。等機床上應用的結構或原理都是經過了數十上百年的考驗,對於其穩定性和可應用性我們無需過多地懷疑。比如車床的刀架結構,卡盤結構,尾座的鎖緊機構,主軸軸承佈置,磨床主軸密封結構,刨床的連桿機構等等。

其實說這麼多,想表述的就兩字,對於這些穩定的常用的結構我們要學會在設計新機床時“借鑒”或者說是“參照”。從另一方面來說瞭解各類常用機床的結構原理和性能特點是出一張零件圖紙的前提基礎。舉個例子來說就是當你完成一張圖紙時最起碼你自己要知道這張圖紙上的這個零件的大體加工過程。這個所謂的大體瞭解樓主個人認為是好比要加工一條常見的軸類零件,當你瞭解車床,銑床,磨床的一些特性後就不會在圖紙上出現沒有了螺紋退刀槽,砂輪越程槽等情況,同時也不會對軸類零件的長度方向尺寸隨意標註個IT6,IT7的公差要求。

5、掌握一定的機床裝配能力

很多人會問,這完全是裝配工的活了,我做為一個設計人員過多地瞭解這方面知識乾什麼?當然,會這麼問的往往都是些剛入行的新手。當你永遠不去瞭解這方面的知識時就永遠理解不了針對一條長軸進行過渡或過盈裝配時因為你那圖紙上的左軸承位和右軸承位相距太大而軸承卻只能從左到右或從右到左裝配時,那兩軸承位之間那麼長一段裝配距離所帶來的痛苦。當然,你也肯定不會想起當這條軸最後要進行軸端螺紋鎖緊時,因為你圖紙上缺少了限制這條軸鎖緊時轉動用的夾持平面而導致無法順利鎖緊。當然,你就更想不到或是理解不了哪個位置哪些孔或哪些銷位是需要裝配時定配的。

6、具備一定的電氣,液壓,氣動等方面的知識

社會分工越來越細,個人工作方向越來越專。當然,這裡強調這些“旁系”學科並不是要求作為一個機械設計人員必須得能夠根據機床功能進行液壓或氣動的集成塊的油路佈置或進行強電線路的規劃或弱電程序的編寫。但至少我們要能看懂人家提供的液壓系統原理圖或電氣原理圖/接線圖等。但能讀懂或編寫通用的PLC程序或一些運動控制器的C程序是更為妥當。瞭解這些交叉科目知識的主要目的是能夠和專業負責液壓,氣動或電氣控制的工程師進行技術溝通和協調。往寬泛了說,當你瞭解透徹了這台機床的液壓和電氣後就能進行合理的“預留”。在你設計初期就在頭腦里把液壓和電氣所要連接的線路和管道進行了交叉排布,在設計時就能充分考慮這些管道和線路的空間位置問題。

7、養成在生活中捕捉,發現,簡化,總結,借鑒的能力

對於一個搞機械設計的人員,在日常生活中應當更擅長去發現“動”的事物和現象。我們舉些簡單的例子,比如冰箱,就算你不知道它的製冷原理,但我們可以去觀察學習冰箱的門的密封結構,再如榨汁機,它是利用刀盤的旋轉進行物料的切削,同樣是利用刀盤的旋轉產生的離心力進行過濾和分離。再比如汽車後輪差速器,去琢磨當汽車轉彎時候左右輪為什麼出現速度差。這些都是要求我們在日常生活當中去捕捉去發現並去琢磨然後再進行提煉最後都是可以在設計中進行借鑒的。

當然,最好的學習和領悟的機會是在機床展會上,相信很多有經驗的設計工程師對此深有體會。機械設備會展既是銷售人員的一個良好的拓展舞臺和機會,同時也是機械設計人員學習別人優秀設計經驗和認知當前機械設備發展概況的良好機會。所以,樓主希望廣大同行應當多多去參加相關展會,並不辭勞苦在展會上多走,多看,多拍照。

8、略知鈑金知識

一個好的設計作品,應當是讓外行人來觀看時,能讓他們在頭腦里第一印象做出“美觀”,“先進”,“牢固”,“穩定”等判斷。很多機械設計工程師往往側重於機床功能,效率,精度等一些技術性層面的東西。往往對於機床鈑金設計,液壓管道和電氣線路佈局採取忽略,忽視的姿態。舉個簡單的例子,要是把奧拓車的外圍鈑金套弄到奧迪車上,我相信很大比例的客戶無法認同和接受。蘋果手機之所以賣得差不多人手一機,除了它的完善功能以及運算速度的優異,當然其“美感”的產品外觀設計也是很大一部分原因。

說了這麼多,無非是突出在機械設計中要求註重機床的外圍鈑金設計以及線路管道佈局或油漆色彩的協調。當你不熟悉不瞭解各類鈑金加工設備情況時,往往會出現在能進行折彎的地方採用鐵板焊接處理,能進行彎管的部位採取直線管道拼接,能進行裁剪的地方出現彎彎扭扭的氣割痕跡。略窺機械設計的宗旨,那就是如何把複雜的問題用簡單的設計來實現,以及如何做到讓外行的人看到這個設計作品是持肯定和褒獎態度。

9、略知金屬材料與熱處理知識

對於事物或技能的掌握程度我們可分為認知—略知—掌握—熟練這麼些階段。我們作為機械設計工程師,因為我們從事的這個行業交叉性的學科比較多。所謂業精於專,當然我們的前提是做好自己設計範疇內的事情,而這裡所要求知曉的金屬材料與熱處理知識並不是要求你能熟記鐵碳合金相圖以及各類金屬在不同溫度不同熱處理工藝下的金相組織形態。但一些基礎性的知識還是需要瞭解或掌握的。比如低碳鋼,中碳鋼,高碳鋼,常見合金鋼一些常見的特性,通用性材料的屈服點,抗拉強度,熱處理前後硬度特性。

舉個簡單的例子車間的師傅請你幫他弄一條剛性好些的車床用的深孔鏜桿,你一聽是要弄一條又粗又壯的高剛性的東西,結果在圖紙的材料欄里寫了個40Gr,等採購買回來,加工,熱處理後,一焊接,發現YG6的刀粒銅焊怎麼都焊不到那條又粗又壯的刀桿上去。

10、設計軟件只是工具,而非使用它就是目的

樓主曾面試過好多一些學校剛畢業的熱血小伙,簡歷上很多都有這樣那樣的等級證書,尤其常見AUTOCAD,PRO/E。一類中級製圖員,高級製圖員等等頭銜。樓主也加了好些像SOLIDWORKS應用群一類的QQ群。發現一個現象,很多人往往都沉浸和陶醉在討論或研究採用何種建模方法,採用怎樣的渲染或動畫技巧一類的問題。

當然,並不是說你去研究和深挖某個軟件的各項功能是錯誤的,只是覺得一個人的學習能力和學習方嚮應該正確把握。我們做機械設計的要明白軟件只不過是替代了傳統的圖板和丁字尺的一個工具而已。應當把主要的精力和時間花在純粹的設計構想當中,而不是讓自己被這些功能龐大的軟件給捆綁。


機械設計過程概述

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(提醒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。),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。也就是採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/捲圓/彎管/旋壓。

去除材料的方式有:車削/銑削/鑽削/刨削/磨削/拉削/鋸削/插削/衝壓/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印表機)。

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

基於上述內容確定一個初步的機床結構佈置性方案。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於確定大概設計思路是在加工時候採取被加工件固定(靜止)而採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採取工作台(物料)移動形式(類如龍門銑床)。有了個大致性的初步策略後,再接著就要考慮機床的生產效率和精度要求。對於此兩項要求肯定是要結合設備造價來確定。例如是否採用多工位結構,是否採用多機頭結構,是否需要加快各部位工進或快進的速度(速度高了對於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,若採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。(對於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初步結構後就要對各部位進行初步規劃,這時要比較清晰和明瞭各部位的功能以及確定採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。比如對於易損件或耗材或對於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。

例如當我們確定採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,至於是採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。)樓主個人認為做機械設計難的是如何把複雜問題簡單化,對於那些挖空心思搞些精妙複雜的機構,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,以及一些考驗加工製造人員的不完全齒輪機構和異形齒輪機構等等。

對於刻意要弄些讓一般人玩不轉的,弄不清狀況的設計,樓主不表示贊成。當然前提條件是我們完全可以採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。採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複雜的,且製造困難的,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係的機構呢?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。

對於此,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鑽木取火。筋疲力竭之餘摸出打火機和香煙,先坐石頭上抽根煙,緩口氣,繼續琢磨這鑽木取火的技巧。)當然,對於一些必須的和必要的機構還是無法完全採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,考慮該零件的製造批量

若是大批量製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“多餘”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,當採用鑄造成型時,因不可避免地會存在組織疏鬆或氣孔等缺陷,而這類工藝特征不進行後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。再比如對於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,我們首先想到採用鐵板取料,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/或是衝壓。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,不管是採用鋸切下料還是火焰或激光或水切。都要註意排料問題。(追求材料最大利用率)

第四,考慮該零件的加工夾具

對於單件小批量製造應在設計時儘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,考慮製造該零件的刀具

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。儘量避免定製非標刀具。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。一般我們對於孔的工藝是鑽孔或車孔—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鑽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範圍

機床都有固定的加工能力範圍參數。比如C6132表示卧式車床可以實現最大零件迴轉直徑是320。M7130*1000代表卧軸矩台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

零件製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。當然若是採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範疇內。

第八,考慮熱處理要求

對於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—淬火後硬度達到HRC60,且要保證淬透性和硬度均勻。材料45#鋼—調質後達58HRC。對於此類現象,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,設計圖紙的規範化和標準化是個比較矛盾的問題。按正常的,規範的,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,工裝夾具製作人員,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後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,投標文件的編製等等一些技術人員的“活”。

在此,只討論基於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,各司其責的規範化公司做事的朋友。)

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,老闆是這麼說,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。對於此,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。老闆,車間主任,生產經理總覺得你這人純粹就是腰上別隻死耗子—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後炮中。

第二,對於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“乾乾凈凈”異常“整潔”,沒有粗糙度標記,沒有形狀和位置公差要求,沒有備註的技術要求,所有的線條粗細都是一致,尺寸缺失,尺寸多餘,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。入行一段時間後,略有體會了,結果可能又出現圖紙所標註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(軸承中間佈置的情況),我們要明白這條軸在最後磨削處理時的加工基準是兩軸端的中心孔,而我們裝配後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於中間的軸承位A和軸承位B之間的中心軸線,所以,你覺得在圖紙上標註其任意軸段跳動公差時的測量基準是能任意標註麽?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

咱機械設計所包含的計算可以大致分為如下幾類:

A、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隻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。)

B、緊密聯繫物理現象的計算。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麼任務,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係尺寸後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後到最後才能下手去確定各個部位的形狀和位置尺寸。

C、對於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。就比如製造某款設備,鐵板下料部分需要進行鐵板排料的計算。金加工部分對於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。

最近在弄的一款設備(數控全自動鋸片磨齒機)的計算書,光是解決鋸片的轉角/轉速和砂輪的位移量及變化率的函數關係推導部分就有十幾頁A4紙內容。(這個就屬於第一類的計算性質)之前弄過的像某型設備工作台不同載荷性質下的承載能力的計算和某彈性體共振頻率的確定等都屬第二類性質的計算。當然第三類性質計算嚴格說可以歸納為工藝範疇。

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麼辦呢?對,逆向!就是從後往前看。現在的軟件技術以及傳感技術這麼發達。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。那什麼電機的功率因素,傳動部件間的摩擦,不同傳動部件間由於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後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瞭的。關於CAE分析問題,樓主也曾有嘗試和接觸。因為總感覺CAE分析對於材料物性數據的準確性以及網格劃分和建模的規範性甚是敏感,更主要的是約束和載荷佈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,又限於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。

來源:隨恩潤滑油

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