机械零件制造结构设计的探究

李文涛

摘 要：现代化的机械零件结构设计涉及到多方面的因素，设计方法也不断创新发展，理论设计、经验设计、模型实验设计成为最主要的三种设计方式，并且三者之间存在着不可分割的联系。科学合理的机械零件结构设计能有效地保证零件的工艺性和实用性，同时也能极大程度地提高零件的强度，增强零件使用寿命。对零件的结构设计必须遵循一定的原则，文章试图从机械零件结构设计的方法、优势和需遵循的原则出发进行深入探讨。

关键词：机械零件；结构设计；方法；工艺性

中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）26-0001-02

机械制造业的不断发展，随之而来的是对机械零件结构设计要求的不断提高，因此，对于机械零件的设计需要在满足机械设计原则的基础上不断创新，改变原来的设计方法，根据机械产品的功能充分发挥创造力，综合运用先进的技术，借鉴优秀的研究成果，在全新的设计理念和基本设计原则的指导下，创造出更具有价值的机械零件。

1 机械零件结构设计方法

应用正确的基本原理和已有的实践经验来创造发展新事物或改造旧事物，这就是设计的基本概念，对于机械零件的结构设计同样也符合这一概念，零件设计的方法有以下几种。

1.1 理论设计

理论设计主要以人们已掌握的合乎规律的理论和实践知识为基础，结合理论力学、材料力学、机械原理、金属学等理论知识进行机械零件的结构设计。根据零件的整体载荷情况，运用理论计算公式确定零件的几何尺寸。零件的尺寸计算必须满足载荷情况、材料性能、零件工作情况和应力分布规律等方面的条件。运用计算公式初步确定机械零件的尺寸及形状后，再利用校核计算对零件危险剖面的安全系数计算值进行校核。这个过程多用于应力分布规律复杂，但又能用材料力学公式表示出来的零件设计，同时也适用于应力分布规律简单但必须已知零件尺寸的情况，如轴和弹簧的设计。在进行机械零件的结构设计时，一些具有足够实践经验的设计工作者也常为了简化计算过程，在粗略的估算和相关资料的基础上直接进行结构设计，然后采用校核计算。

理论设计的基础是熟知机械零件的材料性能和应力分布规律，是经过大量感性知识而总结出来的设计规律，因此是一种具有一定科学性和先进性的设计方法，值得广泛采用。但是任何一种理论都存在不完善的地方，所以不应把理论设计当作完美的机械零件机构设计方法。

1.2 经验设计

根据零件已有的设计和使用经验或设计者自身的设计经验，采用类比的方法进行的设计就叫经验设计。经验设计相比于理论设计，没有足够理论化的科学分析作为设计基础，但是根据经验形成的公式本身就已具备一定的科学统计性，所以经得起实践的考验，具有很大的实用价值。

经验设计通常用于外形复杂、载荷情况不明且无法用理论分析的机械零件设计中，如机架、变速箱体的设计，也多用于对价值不高的零件的设计。经验设计往往运用在理论设计薄弱的地方，从某种意义上来说，经验设计和理论设计存在一定的互补关系。

1.3 模型实验设计

模型实验设计主要针对一些尚无法运用理论知识进行详细分析的大型的、结构复杂且具有一定重要性的机械零件进行结构设计。具体来说，就是对零件作出初步设计，形成模型，对模型进行反复试验，再根据实验结果加以修改。这种设计方法同样也是对理论不足的一种弥补，同时也有效地避免了经验设计中缺乏科学性的成分。模型实验设计决定了大型复杂零件中的工作应力分布情况和零件的极限承受能力，是将经验设计转化为理论设计的途径之一。

2 合理的结构设计体现的优势

2.1 保证了工艺性和实用性

对机械零件合理化的结构设计能体现出很大的优势。机械零件设计中，设计计算所占的工作量只是一部分，剩下的一部分就是对于机械零件的结构设计。结构设计需要考虑到机械零件的形状、尺寸、尺寸之间的配合以及零件制造精度，从工艺、使用、检修、维护等方面的要求出发，保证设计出的零件在用料、成本、制造装配难度等方面都实现最优化目标。因此，对机械零件的结构设计是保证零件良好工艺性及实用性的决定性阶段。

2.2 有效地提高零件强度

强度是所有机械零件和机器必须具备的基本条件，机器运行时，零件将承受一定程度的载荷，在这样的工作条件下，机械零件不能发生任何形式的断裂，也不能出现超出容许范围的变形。所以，除了对高强度材料的选择外，还可以从结构设计上提高机械零件的强度。通过结构设计降低力对零件的作用，同时也可以降低由于零件形状而引起的应力集中因素，达到提高零件强度的目的。

3 机械零件工艺性结构设计的基本原则

机械零件是组成机器的基本要素，通常对机械零件的结构设计需体现一定的工艺性。所谓零件结构工艺性，是指设计出来的零件在满足使用要求的前提下，实现零件最大的使用价值和最高的经济效益。结构工艺性好的零件，不仅能减少生产过程的阻碍，而且零件在质量上具有优势，成本低，市场竞争力强。机械零件的结构设计是一个涉及多方面因素的综合性问题，为体现零件的工艺性，在零件的材料、毛坯成形方法、质量技术指标、生产条件及生产批量方面都需要遵循一定的基本原则。

3.1 与所选材料相适应

不同的零件材料在受力程度、工艺性、物理化学性能方面具有不同的效果，因此，针对产品材料进行零件的结构设计时，所选材料的工艺性能是需要首先考虑的条件。从某种意义上说，材料的工艺性能就决定了零件结构设计的基本形式。若某产品选用铸铁作为零件材料，由于铸铁在铸造方面的性能较好，所以该零件一般采用铸造生产，零件结构设计应符合铸造工艺的要求，采用薄壁结构形式。同一种材料，采用不同的结构设计所形成的成本和加工费用也不一样，所以为了最大程度上体现经济性，机械零件的结构工艺性必须与所选材料一致。

3.2 与毛坯成形方法相适应

毛坯的成形工艺与毛坯的结构形状相适应，同时也对机械零件的结构具有至关重要的作用。一般来说，对零件的造型设计，形式多样，变化灵活，因此，零件的结构设计往往具有一定复杂性，特别是多变的芯子制造，更大程度地保证了零件的复杂性。采用铸造方法成形的零件，可以根据工作和使用条件将零件的结构设计得相对复杂一点，通过中空结构的设计来达到提高零件刚性、减少材料用量的目的。合适的毛坯成形方法可以有效控制生产成本，同时也能提高零件结构的工艺性。

3.3 与生产批量相适应

不同生产批量采用的生产工艺不同，对于机械零件机构设计的工艺性要求也不一样，为了实现生产的最高效率和经济效益的最大化，对机械零件的结构设计必须与生产批量相适应。

3.4 与质量技术指标相适应

由于机械零件是机器产品的基本组成要素，因此对零件质量的要求十分严格，但质量技术指标越高，用在零件设计和制造上的成本和时间也越多，当质量技术指标达到要求时，再添加其它的要求势必会导致工时和成本急剧增加，生产效率明显下降。在这样的条件下，生产出来的零件将无法实现最理想的经济效益。因此，在对机械零件的结构进行设计时，零件的结构工艺性必须在满足使用条件的前提下与质量技术指标相适应，实现机械零件最高的实用性和最大的经济效益。

3.5 具体生与产条件相适应

机械零件的生产具有一定的条件，因此，零件的结构设计随着生产条件的变化也必须做出相应的改变。

4 结 语

机械零件的结构设计是一个涉及诸多因素的综合性问题，无论从设计方法还是设计原则上都需要设计工作者具有非常丰富的经验，才能保证设计出的零件产品能最大限度地实现实用价值和经济效益。因此，随着机械制造业的不断发展，对于机械零件的结构设计的研究仍然具有很大的空间。

参考文献：

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[2] 张磊.小议机械零件结构设计的方法及重要性[J].城市建设理论研究，2012，（12）.

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