产品设计的原则和技巧

HEATS

　　制造成本最低是产品设计的最终目的。本文介绍了工程机械产品设计过程中应遵循的原则以及产品设计技巧，为工程技术人员设计出色、合理的产品，提供了可参考的手段和方法。

0 X* N7 @, _3 L6 K

　　1产品设计原则

　　合理的设计应该在保证产品必备功能的前提下，使制造成本最低，这也正是本文所要探索的课题。

" B2 I X4 L- \+ b5 E * p; w6 x9 O. Y

　　(l)必须满足客户对产品功能和服务的要求。工程机械提供给客户的不仅是产品的功能，还包括支持这些功能的售后服务。因此设计过程中既要针对产品的不同功能特点，又要使产品具有良好的维修方便性。

5 ~! D: U* t" O- s. _: L0 A

　　(2)符合国家的产业发展政策和有关的法令、法规。

　　(3)坚持标准化、通用化、系列化的“三化”原则。

　　(4)符合社会对环境保护的要求。

e8 l+ J" a$ L8 c, u# F! R

　　(5)符合技术创新的规律，重视对知识产权的保护。

% P. D ` U9 c

　　(6)从企业的实际工艺水平和生产能力出发，强调设计与工艺、生产相结合。产品设计不单单是图样设计，还包括工艺设计和生产设计。生产设计应主要从以下几个方面进行研究：

+ c7 D5 ]2 y( n

　　①简化零件的功能或形状；

7 ~# a1 ]3 `" J6 Y6 A! I , G& }9 [' X9 R% B9 Q1 p/ W

　　②最大限度地实现产品的标准化、通用化、系列化；

& F2 N, P2 i3 ?$ r4 N" \7 p. R9 G * F" V, e$ c# F" v

　　③尽可能使设计图纸中所规定的材料牌号、品种、规格与现有材料的使用情况一致；

: v& X/ @" B6 ]) _& q# m 4 i4 s8 d. o* R0 r

　　④将毛坯工艺与加工工艺更有效地结合起来考虑；

! f/ Q. M8 n1 |# C

　　⑤根据企业当前正常生产所采用的加工工艺、操作规则及相关信息来判断工艺设计的合理性；

: J1 J. ~! r2 q& n4 _

　　⑥选择成熟加工工艺能保障的尺寸公差和表面粗糙度；

3 C9 V6 }" c+ P0 |8 v! \ . h* y# h. u& T! M, `- v c8 F

　　⑦综合分析与生产过程相关的信息，对主要零部件进行必要的价值工程分析。

: `' S& J% A$ _

　　2产品设计技巧

, o$ x' \- y+ s" t9 c' } 5 K h# u% r8 n2 k

　　2.1采用“三化”原则

) ?( Q* c; @' v& c( S8 K# c ^ Y5 S' ^% v8 ^

　　(l)零件尽量选用标准件或用标准件改制或外购件。

. P! `) ?; @" H W

　　(2)设计花键、螺纹时，应使之便于采用标准刀具、量具进行加工和检测，特别应优先考虑企业现有的刀具、量具。

! k. Q0 q5 x, t1 f! C9 i8 V

　　(3)大型结构件、铸钢件的设计，尽量采用不必攻丝的紧固件，如用焊接螺母板代替螺孔。设计大型工件时，应考虑利用已镇成的孔作为基准来焊接螺母板。

; H, @6 @ L8 J0 ]) B7 _" u

　　(4)尽量选用现有的成熟的零部件，或成熟的结构和工艺方法，使产品系列化、通用化。用这种“搭积木”的方法，可以加快设计速度、缩短新产品样机试制周期，尽早占领市场。

* u, v/ D% g- E: ~8 T& }

　　(5)建立企业自己的“标准件库”，加快设计试制进度。笔者所在的企业现已建立并逐步完善了“厂标准件”制度和“厂标准件库”，将凡是在三个以上主要产品中使用的相同或相似的零件选定为厂标准件。

　　(6)尽可能选择统一的锥度、一致的板厚尺寸和牌号统一的铸钢件材料。

　　2.2从形状和结构上改进设计

: M4 s7 q+ @. e! k; p) s) v

　　(1)尽量减少零件。把几个零件合并成一个零件，例如把焊接件改为冲压件，以此减少零件的数里。

, J' y4 o, E9 d2 D5 S4 _

　　(2)将零件设计成对称的结构形式。

7 a1 n0 ?1 b, v# C2 M- [ ! r6 c' S `; \- P

　　(3)把几个产品申使用的形状相似的零部件，设计成能够通用的零部件。

$ X1 H3 v5 ~) e6 W/ [. X4 d : m6 N5 {- N. {

　　(4)简化每个零件的形状，改进零件外形，减少弯曲的形状，有时还可以把压形时难以保证尺寸精度的零件改为焊接件。

# V; ^ i3 I9 _, _& M ; V c; W6 V( w6 c% B3 H

　　2.3改进工艺方案

　　(l)避免没有必要的切削加工，特别是没必要的装夹基准面的切削加工。

　　焊接件准备用自动化程度较高的焊接机器人进行焊接时，应考虑组成零件的焊前加工，保证焊接件各组成零件之间的相互位置尺寸，否则误差太大，机器人将无法自动跟踪焊接。

　　(2)在保证零部件可靠、合理使用的前提下，降低尺寸公差、表面粗糙度、形位公差等加工精度等级要求。

( [" }5 R8 i1 C3 l9 m

　　(3)减少零件的弯曲形状和复杂程度，降低废品率和生产制造成本。

# I8 I: Y8 K, B! x9 _: n

　　(4)型钢在进行长度下料时，尽量把火焰切割改为型钢剪切下料；一般板料的火焰切割改为用剪板机剪切下料；长方形条状工件从四边剪切改为用条钢，仅仅是长度上的剪切下料。

0 i. i& y2 [* t$ X) w

　　2.4采用节省资源、减少污染的工艺技术

; M, F3 _9 ~3 K$ a

　　(l)铸钢件改为焊接件。

w+ `) `* J* q/ ^

　　铸造行业很难彻底地解决环境污染问题，并且容易产生铸造缺陷，而采用焊接技术和焊接件就可以比较容易地解决这些问题。

; l# H7 ?% r8 t4 t

　　(2)在保证零件强度，优化板厚尺寸的前提下，尽量减轻零件重量。结构焊接件的设计，一定要使筋板受力，避免焊缝受力。在结构焊接件的构成中使用厚板往往并不是强度的需要，而是刚度的需要，即焊接时厚板的变形小，或焊接件承载时变形小。一些单独的厚板往往是可以用薄一些的板加上适当的筋板来代替，这样不仅减轻了总重，承载能力也会增加。

: F, \! a1 t" }/ {4 U

　　(3)选择合理的焊缝长度和焊角大小等参数。有相当一部分设计人员常常将“强度焊缝”与“联接焊缝”相互混淆，设计时往往出现要求焊接件中的焊缝一律焊透、焊角越大越好的倾向。其实选择焊透还是不必焊透，是设计人员应慎重考虑决定的。应仔细研究焊接件的受力状态，再决定所要采用的焊角尺寸和焊缝长度。能用断续焊缝的决不要求在全长方向上满焊，这样一则可以节省焊接加工成本，二则也可减少焊接变形；能用角焊缝的，尽量不在零件上开坡口后再焊接，以减少一道开坡口的工序。

2 {/ D. ]# l( c* h5 e3 ~* k

　　(4)采用少切削或无切削加工的工艺方法，以提高工件强度，降低制造成本。对于齿轮加工，汽车行业中早已大量采用整体滚锻、精锻成齿的方法来减少甚至取消齿形的加工量。工程机械的驱动桥差速器齿轮现也已开始采用精锻齿轮。精锻使得金属纤维沿齿形成形方向包络，不象一般齿轮切削齿形时把金属纤维切断，精锻齿轮大大提高了齿轮的承载强度，减少了切削量，甚至可以不必再进行齿形加工，降低了制造成本。

* H. y9 w- Z% s$ [ ' h7 n7 r' n0 A* @$ c- G

　　(5)尽可能用焊接件代替一些自由锻的锻件。

" \4 Y& v' m0 P( X4 N9 \

　　(6)统一零件的热处理技术要求和工艺规范，以便可以在同一炉中对不同零件同时进行热处理，提高电炉利用率；节约电力消耗。

1 K c0 [9 {1 V' g9 W

　　(7)充分利用锻件余热，在锻后继续加热，直接进行锻后正火等热处理。

' X) g4 d+ E' Y$ ]/ |* y3 Z

　　(8)根据零件的具体情况，制定合理的热处理技术要求。

　　中碳钢或合金中碳钢零件采用调质处理，可有效提高和充分发挥材料的机械强度等性能。但是对于轴径比较粗大的轴类零件，调质时淬火的有效层只有几毫米，经调质、机械加工后所剩无几，而心部状态实际上并没有得到很好的改善。所以根据笔者的经验，φ70以上的实心轴类零件，可以考虑采用正火十机械加工或正火十淬火十磨削外圆的工艺流程。因为轴类零件往往采用高频或中频淬火，加热只发生在外圆表层，心部织实际不可能被淬透。若用盐浴炉加热，心部可以被加热，但材料的淬透性有限，调质时的淬火实际在心部还是淬不透的。而正火可以有效改善零件的整体组织状态，细化心部金相组织，这对有些零件来说已经足够了。

# y a% \; e3 x9 ^

　　(9)液压系统设计时，应充分考虑机器的整体布局，液压油箱的容积以足够用为原则，使液压油用量为最少；管路走向简单紧凑，长度尽可能最短。同理，在设计电器系统和制动管路系统时，都应使电缆或制动管路走向合理，长度为最短。

% P2 H; Z2 E' |1 Y/ \% C

　　3结论

9 v. o" F# n) P9 x" s0 N0 \

　　产品设计是个综合信息处理的复杂过程，它最终的结果是把线条、符号、数字绘制成合理的设计图样，设计人员应从以下几个方面综合考虑；

, j) M# F8 m) S, O2 E3 o : o Y1 @0 T, N1 ~" n! E$ F* K* a

　　(l)简化每个零件的形状，使机器结构简单；

6 a) O# s$ m2 W+ b' k, Z+ y6 c

　　(2)合并零件的功能，减少零件的种类或数量；

+ G4 T' A9 ^5 }4 f4 i3 L5 G

　　(3)应用新结构、新工艺、新材料、新原理来简化产品结构，提高产品的可靠性；

^, [& W% c0 o& F [ " N6 r+ ?& w6 G ]$ X$ c& H. Z

　　(4)分解部件，研究其装配、组装的最简单的结构；

3 W( ?# [% T0 [8 M$ l8 h2 T% V, Q- z - H0 H9 _; b' ^

　　(5)对相似零件进行分组；

& u& ^5 V( E; l. m8 P4 z) ~ . K. @% E! a. i2 r

　　(6)对相似产品按标准数序列进行产品系列化分析；

　　(7)实现产品零件的通用化和标准化。

! X! {7 c: n4 k( e# M1 S

　　产品设计人员提高设计质量的关键在于自觉、主动地学习与生产加工过程和加工工艺方面有关的知识，熟练掌握设计技巧。

2 R3 w# W8 r* D' t* ~/ R! G " r! j! g2 w' ?9 A9 b7 C