現代設計、制造方法與《工程圖學》中機械零件構形分析

王玉慧 肖立峰 于勇 劉靜華

摘要：隨著現代設計及加工方法的發展，機械零件的構形設計發生了很大變化。很多現代產品構形設計采用了基于有限元分析的優化設計方法，有拓撲優化、結構輕量化設計，使得產品在滿足強度、剛度要求的前提下，結構更合理、重量輕，有更好的運動學和動力學性能;另一方面，先進的加工方法使得以往難以加工的零件結構變得易于加工。所以在《工程圖學》中零件構形與表達相關內容中要適當介紹現代設計、加工方法相關的零件構形問題，使得學生拓寬視野，將產品的設計中，構形設計、工程分析、加工制造等一系列內容有機融合，有利于后續學習和研究，更好地培養學生的工程素養。

關鍵詞：工程圖學;零件構形

《工程圖學》是工程大類學生的基礎課，研究工程設計表達、交流。其中有一個重要章節是“機械零件的構形與表達”，介紹機械零件的合理構形與表達方案。學生在學習機械零件表達的時候，經常提出“零件為什么構造成如此形狀”的問題。以往講合理構形是基于經驗，考慮重量、剛度、密封以及加工等因素，向學生講解產品構形與性能的關系，讓學生對于產品的構形原因有所了解。現代設計、制造方法在很大程度上改變了以往零件構形的方式和零件的形態，所以在“機械零件的構形與表達”介紹零件的現代構形方法，給學生拓寬視野，提高工程素養，為后續學習、研究打基礎。

一、結合現代設計方法的零件構形

以往的“機械零件的構形與表達”章節，常常以齒輪油泵泵體的構形作為案例，先以“內定外”原則給出齒輪腔部分的形狀，在滿足產品功能要求前提下，憑經驗或參考已有產品粗略給出泵體的外部形狀，然后再考慮產品重量、剛度、密封等因素，逐步對零件的形狀進行定性的優化，比如進行整體減薄、局部加厚以減輕零件的重量，添加加強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，減少機加工面積以降低加工成本等，這種構形優化是定性的，不能夠給出零件較為確切的形狀、尺寸。

現代設計中基于有限元分析進行機械零件的結構優化是賦予零件合理構形的科學方式，例如文獻[1]—[5]中，采用有限元分析方法，分別進行了汽車轉向節、汽車排氣管吊耳支架、發動機曲軸、汽車轉向節和汽車轉向直拉桿臂的結構優化設計。

圖1中（1）、（2）分別為文獻[5]中轉向直拉桿臂優化前和優化后的構形。可見，在滿足性能前提下，優化后的零件改變了零件的拓撲結構，實現了重量減輕。在《工程圖學》課上講一些這一類的案例，使學生了解到，現代設計中零件結構是通過科學計算進行優化后確定的。介紹現代設計方法對產品設計構形的影響，能夠讓學生在大一的學習中了解現代產品設計過程、設計方法，認識到產品的形狀，是在綜合考慮產品功能的基礎上，基于現代設計理論和方法，經過科學計算得到的優化結果。體現了《工程圖學》課程的工程性以及以產品設計為主線，更好地培養學生的工程素養和科學思維。

（1）優化前

（2）優化后

講完設計案例，同時向學生介紹，后續的理論力學、材料力學、等課程給研究結構優化奠定基礎，使學生對于后續學習有所了解，激發了學生的學習興趣。

二、結合現代制造方法的零件構形

在《工程圖學》的“機械零件的構形與表達”章節里，還要向學生講解機械零件的結構工藝性，讓學生了解產品的可加工性，以往是基于傳統的加工方法介紹這部分內容的。碧如零件構形考慮鑄造圓角、減少鑄造中的分箱面、添加工藝結構、鉆孔時考慮鉆頭垂直于零件表面等因素。

現代加工方法使得很多以往用普通機床難以加工的結構變得易于加工，碧如數控機床可以方便地加工帶有自由曲面的零件，不再像傳統的機床難以加工自由曲面;考慮數控加工加工成本盡量讓零件不帶有負角而能采用用三軸加工，數控機床還可以加工形狀復雜的零件，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[6]研究了整體葉輪的加工技術。

以往采用數控機床也無法加工的復雜的鏤空結構，采用3D打印易于成型，如圖3中3D打印的巴黎鐵塔模型。

所以在介紹機械零件構形時，介紹現代加工方法如：數控加工、生物加工、3D打印、激光切割等，以及加工方法對于零件構形的影響。讓學生建立起零件構形與加工方法密切相關這個概念，有利于學生日后進行設計時密切結合工程實際，考慮零件的可加工性。

三、結語

大學生學習是一個漸進過程，在《工程圖學》這門基礎課中雖不能將產品設計的理論講深、講透，但是可以通過工程案例教學給學生建立一個縱向的全局觀念，將“設計—分析—制造”有機串聯，引發學生的學習興趣，培養工程素養和科學思維，為后續課程的學習及研究打下基礎，為培養綜合型、創新型人才做出貢獻。

參考文獻：

[1]趙超塵，吳迪，王海森，孫志遠，劉蘊博，尤廣毅，程振青，吳景錸.一種汽車轉向節的輕量化設計[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撲優化設計[J].汽車實用技術，2020（02）：122-124.

[3]趙軍.發動機曲軸減重優化設計與可靠性分析[D].重慶大學，2017，5.

[4]曾文豪.汽車鋁合金轉向節結構拓撲優化與有限元分析[D].華南理工大學，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撲優化及3D打印應用研究[J].冶金管理，2019（15）：34-35+37.

[6]董佑浩.整體葉輪側銑加工變形研究[D].山東大學，2020.