现代设计、制造方法与《工程图学》中机械零件构形分析

    王玉慧 肖立峰 于勇 刘静华

    

    

    

    摘要：随着现代设计及加工方法的发展，机械零件的构形设计发生了很大变化。很多现代产品构形设计采用了基于有限元分析的优化设计方法，有拓扑优化、结构轻量化设计，使得产品在满足强度、刚度要求的前提下，结构更合理、重量轻，有更好的运动学和动力学性能;另一方面，先进的加工方法使得以往难以加工的零件结构变得易于加工。所以在《工程图学》中零件构形与表达相关内容中要适当介绍现代设计、加工方法相关的零件构形问题，使得学生拓宽视野，将产品的设计中，构形设计、工程分析、加工制造等一系列内容有机融合，有利于后续学习和研究，更好地培养学生的工程素养。

    关键词：工程图学;零件构形

    《工程图学》是工程大类学生的基础课，研究工程设计表达、交流。其中有一个重要章节是“机械零件的构形与表达”，介绍机械零件的合理构形与表达方案。学生在学习机械零件表达的时候，经常提出“零件为什么构造成如此形状”的问题。以往讲合理构形是基于经验，考虑重量、刚度、密封以及加工等因素，向学生讲解产品构形与性能的关系，让学生对于产品的构形原因有所了解。现代设计、制造方法在很大程度上改变了以往零件构形的方式和零件的形态，所以在“机械零件的构形与表达”介绍零件的现代构形方法，给学生拓宽视野，提高工程素养，为后续学习、研究打基础。

    一、结合现代设计方法的零件构形

    以往的“机械零件的构形与表达”章节，常常以齿轮油泵泵体的构形作为案例，先以“内定外”原则给出齿轮腔部分的形状，在满足产品功能要求前提下，凭经验或参考已有产品粗略给出泵体的外部形状，然后再考虑产品重量、刚度、密封等因素，逐步对零件的形状进行定性的优化，比如进行整体减薄、局部加厚以减轻零件的重量，添加加强筋以提高零件的刚度，泵体与泵盖接合出增加接触面积以提高密封性能，减少机加工面积以降低加工成本等，这种构形优化是定性的，不能够给出零件较为确切的形状、尺寸。

    现代设计中基于有限元分析进行机械零件的结构优化是赋予零件合理构形的科学方式，例如文献[1]—[5]中，采用有限元分析方法，分别进行了汽车转向节、汽车排气管吊耳支架、发动机曲轴、汽车转向节和汽车转向直拉杆臂的结构优化设计。

    图1中（1）、（2）分别为文献[5]中转向直拉杆臂优化前和优化后的构形。可见，在满足性能前提下，优化后的零件改变了零件的拓扑结构，实现了重量减轻。在《工程图学》课上讲一些这一类的案例，使学生了解到，现代设计中零件结构是通过科学计算进行优化后确定的。介绍现代设计方法对产品设计构形的影响，能够让学生在大一的学习中了解现代产品设计过程、设计方法，认识到产品的形状，是在综合考虑产品功能的基础上，基于现代设计理论和方法，经过科学计算得到的优化结果。体现了《工程图学》课程的工程性以及以产品设计为主线，更好地培养学生的工程素养和科学思维。

    （1）优化前

    （2）優化后

    讲完设计案例，同时向学生介绍，后续的理论力学、材料力学、等课程给研究结构优化奠定基础，使学生对于后续学习有所了解，激发了学生的学习兴趣。

    二、结合现代制造方法的零件构形

    在《工程图学》的“机械零件的构形与表达”章节里，还要向学生讲解机械零件的结构工艺性，让学生了解产品的可加工性，以往是基于传统的加工方法介绍这部分内容的。碧如零件构形考虑铸造圆角、减少铸造中的分箱面、添加工艺结构、钻孔时考虑钻头垂直于零件表面等因素。

    现代加工方法使得很多以往用普通机床难以加工的结构变得易于加工，碧如数控机床可以方便地加工带有自由曲面的零件，不再像传统的机床难以加工自由曲面;考虑数控加工加工成本尽量让零件不带有负角而能采用用三轴加工，数控机床还可以加工形状复杂的零件，碧如可加工图2所示的整体叶轮，所以叶轮不再必须用焊接的方法焊上叶片，文献[6]研究了整体叶轮的加工技术。

    以往采用数控机床也无法加工的复杂的镂空结构，采用3D打印易于成型，如图3中3D打印的巴黎铁塔模型。

    所以在介绍机械零件构形时，介绍现代加工方法如：数控加工、生物加工、3D打印、激光切割等，以及加工方法对于零件构形的影响。让学生建立起零件构形与加工方法密切相关这个概念，有利于学生日后进行设计时密切结合工程实际，考虑零件的可加工性。

    三、结语

    大学生学习是一个渐进过程，在《工程图学》这门基础课中虽不能将产品设计的理论讲深、讲透，但是可以通过工程案例教学给学生建立一个纵向的全局观念，将“设计—分析—制造”有机串联，引发学生的学习兴趣，培养工程素养和科学思维，为后续课程的学习及研究打下基础，为培养综合型、创新型人才做出贡献。

    参考文献：

    [1]赵超尘，吴迪，王海森，孙志远，刘蕴博，尤广毅，程振青，吴景铼.一种汽车转向节的轻量化设计[J].汽车零部件，2020（04）：1-6.

    [2]王鲁斌，何府林.某汽车排气管吊耳支架拓扑优化设计[J].汽车实用技术，2020（02）：122-124.

    [3]赵军.发动机曲轴减重优化设计与可靠性分析[D].重庆大学，2017，5.

    [4]曾文豪.汽车铝合金转向节结构拓扑优化与有限元分析[D].华南理工大学，2018.

    [5]孙雪梅，张庆，孙成通，王永杰.基于逆向工程的汽车零部件拓扑优化及3D打印应用研究[J].冶金管理，2019（15）：34-35+37.

    [6]董佑浩.整体叶轮侧铣加工变形研究[D].山东大学，2020.