牛人给你详解机械设计全过程

牛人给你详解机械设计全过程

刚入行的设计师或许会觉得自己能熟练掌握专业知识足矣，但在机械老手看来，这只是基本功，只有详细了解机械设计的全过程并把专业知识充分融入到这过程中，个人的技艺才能达到炉火纯青的地步。本文作者从业十年，对于机械设计的流程再熟悉不过，今天就让他来告诉你机械设计的全过程！

我从业十年来当过小工、总工。造过锯床，3轴数控铣床，3D打印机，多线切割机，锯片磨齿机；也曾扯虎皮，造大旗，占山为王。置场地，买机器，修机器，改机器，做夹具，做模具，搞生产，搞装配，接油管又接电线。近来得空，拼凑一文，与诸位分享。

机械设计全过程

1. 形成设计构想和完善整体策略

机械设计的过程往往是从整体到局部细化的过程。所谓整体，就是指一个总的全局观。比如拿到某个课题（设计某样功能的机器），首先要在头脑里形成一个总体的模糊性的设计概念（这时要考虑的是一些全局性因素）。比如要考虑客户要加工的料的材质（各项物理性能、硬度、强度、屈服点、耐磨性、韧性、比热、密度等），形状（板材还是型材还是铸件锻件），再比如要考虑你所将设计的机床的大体尺寸，总高，总长，总宽（考虑到实际车辆和道路运输情况再决定该机是散装运输还是整机运输）。

在考虑这些大致方向性的基础要素的同时也要同时考虑初步的机床功能实现方式。也就是采取何种工艺或方法来成型，就目前的成型方式来说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：铸造、锻造、挤压、冷轧、折弯、滚压、卷圆、弯管、旋压。

去除材料的方式有：车削、铣削、钻削、刨削、磨削、拉削、锯削、插削、冲压、裁剪、激光切割、水切割、火焰切割、等离子切割、火花电蚀。

增加材料的方式有：焊接、分层轮廓加工（3D打印机）

在如此多的成型方式里借鉴和确定某一种最合适的成型方式作为所要设计的机床的最基础理论架构。

2. 确定机床初步结构方式

基于上述内容确定一个初步的机床结构布置性方案。比如客户提供的要由你所设计的机器加工的料是类似工字钢一类的较长型材，此时要综合考虑在机床加工时客户上料以及下料的便捷性、安全性等因素，同时考虑客户是单条加工还是成捆多条同时加工。在此状况下我们可能就会倾向于确定大概设计思路是在加工时候采取被加工件固定（静止）而采取刀具以及刀具总成移动的初步策略（类如激光切割机）。

当然，结合实际情况也可以采取工作台（物料）移动形式（类如龙门铣床）。有了个大致性的初步策略后，再接着就要考虑机床的生产效率和精度要求。

对于此两项要求肯定是要结合设备造价来确定。例如是否采用多工位结构，是否采用多机头结构，是否需要加快各部位工进或快进的速度，速度高了对于驱动的功率要求就大了，又要考虑速度高了机构惯性大了，定位精度下降了，若采用大功率大惯量的电机就直接意味着成本的上升。此时也要兼顾机床整体的刚性以及重心问题或考虑必要的结构共振频率问题。同时还要兼顾人体工程学要求，对于操作位或某些需要经常调整和操作的位置要考虑正常人操作时的便利性。

3. 确定各部件或总成的结构形式和功能

在确定了机床成型方式和整体初步结构后就要对各部位进行初步规划，这时要比较清晰和明了各部位的功能以及确定采用何种机构来实现这些部位的功能。做这些规划的前提的前提就是要先考虑这个组件或部件的安装和拆卸问题。比如对于易损件或耗材或对于一些需要经常调校的装置和机构就要求考虑合理的拆装和维修时的便利性。比如要更换一条三角皮带，则要对该机进行杀牛剥皮式的拆卸和更换那就不能算是一个好的设计。

例如当我们确定采用常用的直线进给机构时所要考虑的问题有如下方面：结合实际的效率和精度需求明确某种实现形式，常用的当然有导轨加丝杠这种形式，至于是采用滑动摩擦丝杠还是滚动摩擦的丝杠则要根据实际情况确定。传动效率、定位精度、动态响应性、负载情况、速度特性、螺纹升角、丝杠所能承受的轴向载荷、导程、造价成本等因素都要综合考虑。再比如间歇运动机构，在电机控制技术还没完善前，要实现此类机构那真是花样繁多（槽轮形式，不完全齿轮形式）。

个人认为做机械设计难的是如何把复杂问题简单化，对于那些挖空心思搞些精妙复杂的机构，例如圆柱、圆盘凸轮机构、诡异莫测的空间机构、变化无穷的四杆机构、以及一些考验加工制造人员的不完全齿轮机构和异形齿轮机构等等。

对于刻意要弄些让一般人玩不转的，弄不清状况的设计，我不表示赞成。当然前提条件是我们完全可以采用一维线性运动或二维平面插补或三轴联动来解决的情况。采用伺服电机和直线滚动摩擦性质驱动和导向装置能完美解决那些需要间歇的，加速的，行程放大的，特殊运动曲线的功能要求下为何还要去弄那些复杂的，且制造困难的，不通用的，让维修和装配人员眼花缭乱，莫名其妙的且还大都是些滑动摩擦关系的机构呢？也许有人会说，一组二维平面直线插补的运动平台抹杀了多少前人留下的那些可以真正称谓为机械设计精华的机构。

对于此，类举个很有讽刺意味的笑话：某新兵进行野外生存训练，饿着肚子搓了好几个小时的木头，还是没能像祖先一样实现钻木取火，筋疲力竭之余摸出打火机和香烟，先坐石头上抽根烟，缓口气，继续琢磨这钻木取火的技巧......当然，对于一些必须的和必要的机构还是无法完全采用现代快餐式的设计文化来填补和实现。比如应用偏心装置得到振动特性或夹具上的快速锁紧装置，或者是要利用超越离合器得到反转失效等工况。

4. 零件设计

第一，考虑该零件的制造批量。若是大批量制造某个零件时要充分考虑机床夹具所用的定位基准，工艺孔等“多余”的因素。

第二，考虑该零件的成型方式的特点。比如某高速旋转的盘类零件，当采用铸造成型时，因不可避免地会存在组织疏松或气孔等缺陷，而这类工艺特征不进行后期动平衡处理必然会导致在高速运转状态下产生过大的离心力，间接地会出现轴承发热，异响，寿命短等现象。再比如对于中碳钢或高碳钢原材料进行气割下料来获取零件毛坯时很容易出现切割处“被”淬火现象。

第三，考虑该零件的原材特性。比如一片状薄板类零件，我们首先想到采用铁板取料，当然取料的方式可以是激光切割、水切割、火焰切割、甚至线切割、或是冲压。这就要结合该零件的最佳经济效益来决定。当然不管是针对板材还是线材，不管是采用锯切下料还是火焰或激光或水切，都要注意排料问题。（追求材料最大利用率）

第四，考虑该零件的加工夹具。对于单件小批量制造应在设计时尽量避免一些在通用机床上无法加工，必须得用专用夹具来进行生产加工的情况。

第五，考虑制造该零件的刀具。在设计零件时要充分考虑在市场上可购买到的且适合自身机床装夹和使用的刀具。尽量避免定制非标刀具。这个部分就要求略知一些刀具的国家标准。比如你在零件上设计了一个孔，且这个孔是有比较高的圆柱度和光洁度要求。一般我们对于孔的工艺是钻孔或车孔—铰孔或镗孔—或内圆磨。但你这个孔的直径值若是选得不接近刀具第一系列或第二系列时，在标准刀具市场买不到对应的钻头铰刀一类刀具情况下就会变得非常麻烦。

第六，考虑加工这个零件的机床的加工范围。机床都有固定的加工能力范围参数。比如C6132 表示卧式车床可以实现最大零件回转直径是320。M7130*1000代表卧轴矩台平面磨床可一次装夹磨削宽度是300,长度是1000的平面。所以，在设计零件时就要结合这些机床参数考虑加工母机的可夹持或可加工性。

第七，考虑量具。零件制造完成了要求能应用通用的检具，量具来进行测量。比如设计一组圆锥配合，你不选标准莫氏系列或常用的类似7：24锥度或1：50等这些锥度，而非要弄个7：23或1：47等锥度的话，那就在标准量具市场买不到通用的标准锥棒和锥套。当然若是采用二次元投影检测或三坐标检测的零件则不在此情况约束范畴内。

第八，考虑热处理要求。对于一些刚入行的朋友来说，在处理一些需要高耐磨性或需要良好的综合力学性能的零件时候，其图纸上往往会出现这样的技术要求，材料Q235—淬火后硬度达到HRC60，且要保证淬透性和硬度均匀。材料45#钢—调质后达58HRC。对于此类现象，只能建议您再去多翻翻金属材料与热处理的知识。

5. 工程图纸的相关问题

结合国内众多的“山寨”小作坊式的工厂的实际情况，设计图纸的规范化和标准化是个比较矛盾的问题。按正常的，规范的，严谨的，科学的方法和方式来说，一个生产机械设备工厂的技术部门，本应当具备专职的绘图人员，图纸审核人员，工艺规划人员，工装夹具制作人员，以及专职的电气工程师，液压气动工程师或程序员。而在“小农意识”的领导下经过浓缩再压