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      現(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造方法與《工程圖學(xué)》中機(jī)械零件構(gòu)形分析

      2021-03-24 09:50:20王玉慧肖立峰于勇劉靜華
      科技風(fēng) 2021年7期
      關(guān)鍵詞:工程圖學(xué)構(gòu)形工程圖

      王玉慧 肖立峰 于勇 劉靜華

      摘要:隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)及加工方法的發(fā)展,機(jī)械零件的構(gòu)形設(shè)計(jì)發(fā)生了很大變化。很多現(xiàn)代產(chǎn)品構(gòu)形設(shè)計(jì)采用了基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,有拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì),使得產(chǎn)品在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下,結(jié)構(gòu)更合理、重量輕,有更好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能;另一方面,先進(jìn)的加工方法使得以往難以加工的零件結(jié)構(gòu)變得易于加工。所以在《工程圖學(xué)》中零件構(gòu)形與表達(dá)相關(guān)內(nèi)容中要適當(dāng)介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)、加工方法相關(guān)的零件構(gòu)形問(wèn)題,使得學(xué)生拓寬視野,將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,構(gòu)形設(shè)計(jì)、工程分析、加工制造等一系列內(nèi)容有機(jī)融合,有利于后續(xù)學(xué)習(xí)和研究,更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。

      關(guān)鍵詞:工程圖學(xué);零件構(gòu)形

      《工程圖學(xué)》是工程大類學(xué)生的基礎(chǔ)課,研究工程設(shè)計(jì)表達(dá)、交流。其中有一個(gè)重要章節(jié)是“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”,介紹機(jī)械零件的合理構(gòu)形與表達(dá)方案。學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械零件表達(dá)的時(shí)候,經(jīng)常提出“零件為什么構(gòu)造成如此形狀”的問(wèn)題。以往講合理構(gòu)形是基于經(jīng)驗(yàn),考慮重量、剛度、密封以及加工等因素,向?qū)W生講解產(chǎn)品構(gòu)形與性能的關(guān)系,讓學(xué)生對(duì)于產(chǎn)品的構(gòu)形原因有所了解?,F(xiàn)代設(shè)計(jì)、制造方法在很大程度上改變了以往零件構(gòu)形的方式和零件的形態(tài),所以在“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”介紹零件的現(xiàn)代構(gòu)形方法,給學(xué)生拓寬視野,提高工程素養(yǎng),為后續(xù)學(xué)習(xí)、研究打基礎(chǔ)。

      一、結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的零件構(gòu)形

      以往的“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”章節(jié),常常以齒輪油泵泵體的構(gòu)形作為案例,先以“內(nèi)定外”原則給出齒輪腔部分的形狀,在滿足產(chǎn)品功能要求前提下,憑經(jīng)驗(yàn)或參考已有產(chǎn)品粗略給出泵體的外部形狀,然后再考慮產(chǎn)品重量、剛度、密封等因素,逐步對(duì)零件的形狀進(jìn)行定性的優(yōu)化,比如進(jìn)行整體減薄、局部加厚以減輕零件的重量,添加加強(qiáng)筋以提高零件的剛度,泵體與泵蓋接合出增加接觸面積以提高密封性能,減少機(jī)加工面積以降低加工成本等,這種構(gòu)形優(yōu)化是定性的,不能夠給出零件較為確切的形狀、尺寸。

      現(xiàn)代設(shè)計(jì)中基于有限元分析進(jìn)行機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是賦予零件合理構(gòu)形的科學(xué)方式,例如文獻(xiàn)[1]—[5]中,采用有限元分析方法,分別進(jìn)行了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)、汽車排氣管吊耳支架、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和汽車轉(zhuǎn)向直拉桿臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      圖1中(1)、(2)分別為文獻(xiàn)[5]中轉(zhuǎn)向直拉桿臂優(yōu)化前和優(yōu)化后的構(gòu)形??梢姡跐M足性能前提下,優(yōu)化后的零件改變了零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了重量減輕。在《工程圖學(xué)》課上講一些這一類的案例,使學(xué)生了解到,現(xiàn)代設(shè)計(jì)中零件結(jié)構(gòu)是通過(guò)科學(xué)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化后確定的。介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)形的影響,能夠讓學(xué)生在大一的學(xué)習(xí)中了解現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)方法,認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品的形狀,是在綜合考慮產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上,基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法,經(jīng)過(guò)科學(xué)計(jì)算得到的優(yōu)化結(jié)果。體現(xiàn)了《工程圖學(xué)》課程的工程性以及以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主線,更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和科學(xué)思維。

      (1)優(yōu)化前

      (2)優(yōu)化后

      講完設(shè)計(jì)案例,同時(shí)向?qū)W生介紹,后續(xù)的理論力學(xué)、材料力學(xué)、等課程給研究結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ),使學(xué)生對(duì)于后續(xù)學(xué)習(xí)有所了解,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

      二、結(jié)合現(xiàn)代制造方法的零件構(gòu)形

      在《工程圖學(xué)》的“機(jī)械零件的構(gòu)形與表達(dá)”章節(jié)里,還要向?qū)W生講解機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性,讓學(xué)生了解產(chǎn)品的可加工性,以往是基于傳統(tǒng)的加工方法介紹這部分內(nèi)容的。碧如零件構(gòu)形考慮鑄造圓角、減少鑄造中的分箱面、添加工藝結(jié)構(gòu)、鉆孔時(shí)考慮鉆頭垂直于零件表面等因素。

      現(xiàn)代加工方法使得很多以往用普通機(jī)床難以加工的結(jié)構(gòu)變得易于加工,碧如數(shù)控機(jī)床可以方便地加工帶有自由曲面的零件,不再像傳統(tǒng)的機(jī)床難以加工自由曲面;考慮數(shù)控加工加工成本盡量讓零件不帶有負(fù)角而能采用用三軸加工,數(shù)控機(jī)床還可以加工形狀復(fù)雜的零件,碧如可加工圖2所示的整體葉輪,所以葉輪不再必須用焊接的方法焊上葉片,文獻(xiàn)[6]研究了整體葉輪的加工技術(shù)。

      以往采用數(shù)控機(jī)床也無(wú)法加工的復(fù)雜的鏤空結(jié)構(gòu),采用3D打印易于成型,如圖3中3D打印的巴黎鐵塔模型。

      所以在介紹機(jī)械零件構(gòu)形時(shí),介紹現(xiàn)代加工方法如:數(shù)控加工、生物加工、3D打印、激光切割等,以及加工方法對(duì)于零件構(gòu)形的影響。讓學(xué)生建立起零件構(gòu)形與加工方法密切相關(guān)這個(gè)概念,有利于學(xué)生日后進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)密切結(jié)合工程實(shí)際,考慮零件的可加工性。

      三、結(jié)語(yǔ)

      大學(xué)生學(xué)習(xí)是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程,在《工程圖學(xué)》這門基礎(chǔ)課中雖不能將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理論講深、講透,但是可以通過(guò)工程案例教學(xué)給學(xué)生建立一個(gè)縱向的全局觀念,將“設(shè)計(jì)—分析—制造”有機(jī)串聯(lián),引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)工程素養(yǎng)和科學(xué)思維,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及研究打下基礎(chǔ),為培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才做出貢獻(xiàn)。

      參考文獻(xiàn):

      [1]趙超塵,吳迪,王海森,孫志遠(yuǎn),劉蘊(yùn)博,尤廣毅,程振青,吳景錸.一種汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車零部件,2020(04):1-6.

      [2]王魯斌,何府林.某汽車排氣管吊耳支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020(02):122-124.

      [3]趙軍.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸減重優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性分析[D].重慶大學(xué),2017,5.

      [4]曾文豪.汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與有限元分析[D].華南理工大學(xué),2018.

      [5]孫雪梅,張慶,孫成通,王永杰.基于逆向工程的汽車零部件拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印應(yīng)用研究[J].冶金管理,2019(15):34-35+37.

      [6]董佑浩.整體葉輪側(cè)銑加工變形研究[D].山東大學(xué),2020.

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