试论机械制造业中设计与工艺的关联

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1、试论机械制造业中设计与工艺的关联试论机械制造业中设计与工艺的关联2010-08-02　清华大学傅水根武静徐伟国　　一、设计实现成图　　从本质来看，机械制造业中所讨论的设计是人们利用所学的数学、力学、工程材料、机械设计、机械原理等专业知识，以及人们所积累的实践经验来完成机械制造工程所需要的图纸，包括装配图和零件图。装配图是反映设备或装置的整体使用功能的，因此有整体的技术要求；零件图则是从完成的装配图中分拆出来的，从分析某零件在装配体中的功能与技术属性来决定其应该具有什么样的技术要求。因此，不同的零件除了图形反映的尺寸和结构外，还附加有材料、尺寸精度、表面

2、粗糙度、形状精度、位置精度，以及在不同阶段的热处理要求等。　　对于现代设计，人们可以通过计算机和相关的高级软件，如CAXA、Pro/E、UG、Mastercam等，以数字化手段实现三维造型，来得到具有创意的设计图纸--装配图与零件图。创新设计主要体现在成图阶段，因为设计思想决定了独创性和新颖性。我所主持完成的数控旋转电加工机床、汽车离合器超速试验机、十二工位数控激光淬火机床、体质智能化测试系统和旋转超声波加工机床等，既有技术集成的内涵，也有自己独创的元素。　　二、工艺实现成形　　在制造业中，只有设计图纸是不行的，还需要将图纸转化为市场所需要的设备或装置

3、。实现转化的手段就是各种制造工艺方法。将图纸转化为毛坯、零件和装配体的工艺手段有很多，采用什么样的工艺要针对具体的设计对象。工艺是制造业中的核心技术。没有这个核心技术，图纸就永远是图纸，决不能转化为市场所需要的产品。不仅不能转化为产品，而且某些关键产品形似神不似的问题就不可能得到解决，制造强国的梦想也就不能实现。　　1．毛坯成形　　毛坯成形主要涉及各种热加工的工艺方法，主要包括铸造、锻造、板料冲压和焊接等。根据制造业发展的需要，每种热加工的工艺方法又发展出若干种。例如铸造，发展出砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、消失模铸造等；例如锻造，发展出自由锻、胎模

4、锻、模锻等；例如板料冲压，发展出普通冲压与数控冲压等；例如焊接，发展出火焰焊、电弧焊、摩擦焊、钨极焊等。所有这一切，都还处于不断发展中。　　2．零件成形　　迄今为止，零件成形主要有两大类方法，这就是常规的切削加工、非常规的特种加工，以及快速原型制造技术。　　（1）常规的切削加工。常规的切削加工指的是采用刀具切削和磨具磨削这两种方法，其基本思路是"以刚克刚"。无论是车床、铣床、刨床、钻床、齿轮加工机床，还是数控车床、数控铣床和加工中心，都是采用高硬度的不同种类的刀具（车刀、铣刀、刨刀、钻头等）对工件进行切削加工，而磨床则是采用砂轮对工件进行更为精密的加工

5、。数控机床的加工仍然属于常规加工，这是因为其先进性主要体现在加工时的控制技术，而这一点并没有改变刀具切削的加工本质。　　（2）非常规的特种加工。非常规加工主要指采用电火花加工、电化学加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工和水射流加工等新型的特种加工方法。从原理上讲，这些加工方法从根本上摆脱了刀具和磨具硬碰硬的加工方式，而转变为"以柔可刚"。这类方法有的是直接接触的加工，如激光加工、超声波加工、水射流加工等；有的在加工过程中则不与工件直接接触，如电火花成形加工。有的加工时有工具，如电加工有工具电极，超声波加工有工具杆；有的加工时根本就没有工具

6、，如激光加工、电子束加工和离子束加工，被称为高能束流加工。这类加工方法，有不少几乎不存在宏观的机械力，因此可以完成机械切削难以加工的工件。　　（3）快速原型制造。无论是常规的刀具切削加工、磨具的磨削加工，还是利用电、声、光等特种加工，主要是通过使工件实现材料由多到少（做减法），尺寸和形状由粗到精成形零件的过程。而快速原型制造技术，无论是立体光刻工艺（SL）、分层实体制造工艺（LOM）、熔融沉积制造工艺（FDM），还是选择性激光烧结工艺（SLS）等则是采用逆向思维，使材料分层累加的方法（做加法）来实现原型或零件的制造。这种逆向思维，实现了制造领域设计思维

7、的突破，对培养学生的创新思维会有所启迪。　　3．装配与调试　　在设计者所完成的图纸都转化为合格的零件之前，就有人开始做装配的准备工作了。这是因为，作为一项产品设计，并非什么东西都要自己设计与制造，相当一部分需要的东西、甚至非常重要的东西，是可以从国内外市场上采购到的。以前我们知道，电机、轴承、密封件等可以从市场上买到。现在可以买到的东西则更多，有的是以功能部件的形式提供，例如计算机、工业控制器、控制软件、数控工作台等，给设计带来很大的方便。但是，作为一项创造性的设计，一定要有自己独创的东西，一定要有自己独立设计的东西，完全靠其他成熟的技术来进行集成，很

8、难有真正的创造，尤其很难出现原创。　　等全部所需要的零件和部件全部配齐，就可以开始装配了。装配