現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法在磨具行業(yè)的應(yīng)用

暴建霞 王慧鋒

摘要：隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子信息技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的前提下，在常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展得更科學(xué)、更完善?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法依據(jù)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)思想與當(dāng)代機(jī)械理論的基本原理，運(yùn)用電子信息技術(shù)工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)工程、管理科學(xué)工程與知識(shí)工程等知識(shí)，融合CAD、CAE、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、數(shù)值分析、可靠性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真、有限元仿真、虛擬設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等先進(jìn)的技術(shù)與方法，從而形成現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法的理論與體系。磨具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要考慮其制造過(guò)程和產(chǎn)品的使用周期，還要考慮在保證使用性能和使用壽命的前提下，最大程度的降低設(shè)計(jì)成本，從而給企業(yè)帶來(lái)好的經(jīng)濟(jì)收益和成長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；優(yōu)化設(shè)計(jì)；磨具設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

前言：“21世紀(jì)是質(zhì)量的世紀(jì)”。全球經(jīng)濟(jì)一體化促使市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格要求的同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的成本也有了一定的要求。磨具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要考慮其制造過(guò)程和產(chǎn)品的使用周期，還要考慮在保證使用性能和使用壽命的前提下，最大程度的降低設(shè)計(jì)成本，從而給企業(yè)帶來(lái)好的經(jīng)濟(jì)收益和成長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與機(jī)械設(shè)計(jì)理論來(lái)設(shè)計(jì)磨具產(chǎn)品，就能很好的滿足上述要求。特別是在設(shè)計(jì)磨具產(chǎn)品的配方中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，具有可觀的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值。

1 磨具行業(yè)背景

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)磨具企業(yè)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外磨具行業(yè)先進(jìn)的新技術(shù)、新工藝與新產(chǎn)品，取得了飛速的發(fā)展。特別是在鋼鐵、數(shù)控、汽車制造和船舶等領(lǐng)域積極進(jìn)行新技術(shù)的引進(jìn)和研發(fā)，大大地提升了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。同時(shí)，“高、精、專、自動(dòng)化”等先進(jìn)加工工藝的應(yīng)用，要求磨具產(chǎn)品有更高的質(zhì)量水準(zhǔn)。當(dāng)然，由于我國(guó)磨具制造產(chǎn)業(yè)起步晚，品種比較少，在產(chǎn)品質(zhì)量和加工工藝水平方面與國(guó)外先進(jìn)磨具企業(yè)相比存在比較大的差距：比如，高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口；低端產(chǎn)品產(chǎn)能過(guò)剩，積壓，從而產(chǎn)生貨款拖欠與價(jià)格戰(zhàn)等問(wèn)題；自主產(chǎn)品和名牌產(chǎn)品較少。因此，磨具制造企業(yè)如何利用先進(jìn)的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法與理論來(lái)解決這些個(gè)問(wèn)題是關(guān)鍵。

2現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法介紹

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概念：現(xiàn)今為工程項(xiàng)目或產(chǎn)品制造完成到實(shí)體化的全過(guò)程而制訂的技術(shù)方案、圖樣與程序。英文為“Modern Design Method”。它運(yùn)用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)手段，交叉地應(yīng)用多種理論、方法和技術(shù)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程成為一種富于電腦化，自動(dòng)化、虛擬化、智能化和最優(yōu)化的創(chuàng)造活動(dòng)，在決策、綜合、迭代與尋優(yōu)中高效率的、低成本的、高質(zhì)量的完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法主要有：

1）發(fā)展比較成熟，普及范圍較廣泛的有有限元設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、最優(yōu)化設(shè)計(jì)等；

2）概念提出較新，正蓬勃發(fā)展的有創(chuàng)新設(shè)計(jì)、生命周期設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)等.

磨具企業(yè)要在市場(chǎng)中立于不敗之地，就需要更多的應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)和方法，來(lái)研發(fā)產(chǎn)品、開拓市場(chǎng)，保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

機(jī)械設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)某一種功能，同時(shí)綜合制造產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、制造可能性等，從而構(gòu)思的一種具有創(chuàng)新性機(jī)械產(chǎn)品過(guò)程。與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)相比，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)有著其自身獨(dú)有的特點(diǎn)，為了使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)代機(jī)械在設(shè)計(jì)時(shí)不僅僅需要對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械工作原理、運(yùn)動(dòng)形式、力量的傳遞方式、零部件結(jié)構(gòu)尺寸、外部阻力、摩擦力、各零部件間的耦合方式等等進(jìn)行考慮，還需要綜合融入多門新的科學(xué)知識(shí)，比如計(jì)算機(jī)學(xué)、機(jī)械電子、控制理論、仿生學(xué)、美術(shù)學(xué)等等，是一種融入多門科學(xué)知識(shí)的綜合性設(shè)計(jì)過(guò)程。隨著社會(huì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，現(xiàn)代機(jī)械的種類越來(lái)越多，機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也是逐年的增加。但是從系統(tǒng)功能角度上來(lái)說(shuō)，機(jī)械系統(tǒng)可以分為動(dòng)力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力傳輸系統(tǒng)等等，如果再進(jìn)行細(xì)分，每個(gè)系統(tǒng)在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上仍可進(jìn)行劃分。

4 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在磨具行業(yè)的應(yīng)用

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用：中原工學(xué)院的梁寶巖，楊本勇，為了改善樹脂磨具的強(qiáng)度、硬度和耐磨等性能，用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)向酚醛樹脂中添加價(jià)格低廉的玻璃纖維來(lái)代替高價(jià)格且不易工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的氧化物填料，改善了樹脂磨具的力學(xué)性能和使用壽命的同時(shí)，也降低了成本。

2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用：廣東小太陽(yáng)砂磨材料有限公司的梁文聰，利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)明了涂附磨具的防靜電涂層配方，用5個(gè)實(shí)施例來(lái)說(shuō)明此發(fā)明具備材料成本低、制作簡(jiǎn)便、能有效的杜絕涂附磨具在磨削過(guò)程中的靜電效應(yīng)，提高了磨削質(zhì)量和效率[2]。

3）有限元設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用：為了解決加工深窄槽磨具的難題，太原理工的宮曉琴，呂明，王典國(guó)等人用有限元模態(tài)分析，用得到的磨具的振動(dòng)頻率，研究出一種新的加工方法。磨具在這個(gè)頻率下工作時(shí)，振動(dòng)和變形量最小，磨具不易損壞，延長(zhǎng)了壽命。南京航空航天大學(xué)的左敦穩(wěn)、盧文壯、趙宇飛、孫玉利等人借助ANSYS 軟件仿真了熱傳導(dǎo)的過(guò)程，得出冰凍磨具在工作時(shí)融化的原因不是磨削熱，而是空氣的熱對(duì)流的結(jié)論。

4）其他方法的應(yīng)用：華勇、李亞平等人采用CAD與數(shù)學(xué)模型，得到了陶瓷磨具配方的經(jīng)驗(yàn)公式；河南工業(yè)大學(xué)的宋冬冬，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超強(qiáng)的處理非線性函數(shù)能力，通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，得到了結(jié)合劑、濕潤(rùn)劑、粘結(jié)劑含量和硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 應(yīng)用前景

磨具企業(yè)要適應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)形式，縮短磨具配方的開發(fā)時(shí)間，必須很好的應(yīng)用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法。

1）磨具粒度的檢驗(yàn)一直以來(lái)存在人為的因素而影響結(jié)果準(zhǔn)確性。利用二次開發(fā)的CAD軟件，設(shè)計(jì)了磨具粒度檢測(cè)和處理數(shù)據(jù)一體化系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)的記錄與處理更穩(wěn)定、更方便。

2）粘合劑的配比直接影響磨具的性能和使用壽命，利用計(jì)算機(jī)來(lái)建立繁多的結(jié)合劑配方數(shù)據(jù)庫(kù)，可以很方便的進(jìn)行配方運(yùn)算，提高了生產(chǎn)效率。

3）利用數(shù)學(xué)模型，通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以精確合理的選擇磨具參數(shù)特性，改善磨削效果。

4）磨具產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用有限元分析方法，經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)方法被取代，較靈活地解決了復(fù)雜的工程計(jì)算分析問(wèn)題。

5）利用虛擬設(shè)計(jì)方法，模擬磨具磨削的過(guò)程，直觀的了解復(fù)雜的磨削規(guī)律，有效的分析磨削是對(duì)表面產(chǎn)生的多因素影響。

6 結(jié)論

現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的進(jìn)步，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活水平的提高與磨具行業(yè)的發(fā)展有著絲絲縷縷的聯(lián)系?！艾F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”作為一種新的技術(shù)領(lǐng)域和一門新的學(xué)科，應(yīng)用那是相當(dāng)?shù)膹V泛。在磨具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程中，有效的利用上述現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法，可以很好的降低成本，同時(shí)具備優(yōu)越的性能與使用壽命，使產(chǎn)品更具市場(chǎng)優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)也就獲得更好的經(jīng)濟(jì)利益。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論在磨具行業(yè)配方的應(yīng)用中，前景遠(yuǎn)大。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁繼斌，封士彩.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007

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[3]王典國(guó)，等.電鍍CBN磨具的基體設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2008，3

[4]左敦穩(wěn)、盧文壯、趙宇飛、孫玉利 基于有限元法的硅片冰凍固結(jié)磨料拋光溫度場(chǎng)分析 金剛石與磨料磨具工程 2009.2