译文-机械设计理论

机械设计理论机械设计是一门通过设计新产品或者改进老产品来满足人类需求的应用技术科学。它涉及工程技术的各个领域，主要研究产品的尺寸、形状和详细结构的基本构思，还要研究产品在制造、销售和使用等方面的问题。进行各种机械设计工作的人员通常被称为设计人员或者机械设计工程师。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。如前所述，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科技知识本身并不一定能给人类带来好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。另一方面，应该认真精确的进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方法不适用时，就使用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求摒弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调的是，如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不受各种约束。即使产生了许多不切实际的想法，也会在设计的早期，即绘制图纸之前被改正掉。只有这样，才不致于堵塞创新的思路。通常，要提出几套设计方案，然后加以比较。很有可能在最后选定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程。另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。为了进行有效的交流，需要解决下列问题（1）所设计的这个产品是否真正为人们所需要（2）此产品与其他公司的现有同类产品相比有无竞争能力（3）生产这种产品是否经济（4）产品的维修是否方便（5）产品有无销路是否可以盈利只有时间能对上述问题给出正确答案。但是，产品的设计、制造和销售只能在对上述问题的初步肯定答案的基础上进行。设计工程师还应该通过零件图和装配图，与制造部门一起对最终设计方案进行磋商。通常，在制造过程中会出现某个问题。可能会要求对某个零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生产变得容易。但是，工程上的更改必须要经过设计人员批准，以保证不会损伤产品的功能。有时，在产品的装配时或者装箱外运前的试验中才发现设计中的某种缺陷。这些事例恰好说明了设计是一个动态过程。总是存在着更好的方法来完成设计工作，设计人员应该不断努力，寻找这些更好的方法。近些年来，工程材料的选择已经显得重要。此外，选择过程应该是一个对材料的连续不断的重新评价过程。新材料不断出现，而一些原有的材料的能够获得的数量可能会减少。环境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面经常会对材料选择附加新的限制条件。为了减轻重量或者节约能源，可能会要求使用不同的材料。来自国内和国际竞争、对产品维修保养方便性要求的提高和顾客的反馈等方面的压力，都会促使人们对材料进行重新评价。由于材料选用不当造成的产品责任诉讼，已经产生了深刻的影响。此外，材料与材料加工之间的相互依赖关系已经被人们认识得更清楚。因此，为了能在合理的成本和确保质量的前提下获得满意的结果，设计工程师的制造工程师都必须认真仔细地选择、确定和使用材料。制造任何产品的第一步工作都是设计。设计通常可以分为几个明确的阶段（A）初步设计；（B）功能设计；（C）生产设计。在初步设计阶段，设计者着重考虑产品应该具有的功能。通常要设想和考虑几个方案，然后决定这种思想是否可行；如果可行，则应该对其中一个或几个方案作进一步的改进。在此阶段，关于材料选择唯一要考虑的问题是是否有性能符合要求的材料可供选择；如果没有的话，是否有较大的把握在成本和时间都允许的限度内研制出一种新材料。在功能设计和工程设计阶段，要做出一个切实可行的设计。在这个阶段要绘制出相当完整的图纸，选择并确定各种零件的材料。通常要制造出样机或者实物模型，并对其进行试验，评价产品的功能、可靠性、外观和维修保养性等。虽然这种试验可能会表明，在产品进入到生产阶段之前，应该更换某些材料，但是，绝对不能将这一点作为不认真选择材料的借口。应该结合产品的功能，认真仔细地考虑产品的外观、成本和可靠性。一个很有成就的公司在制造所有的样机时，所选用的材料应该和其生产中使用的材料相同，并尽可能使用同样的制造技术。这样对公司是很有好处的。功能完备的样机如果不能根据预期的销售量经济地制造出来，或者是样机与正式生产的装置在质量和可靠性方面有很大不同，则这种样机就没有多大的价值。设计工程师最好能在这一阶段完全完成材料的分析、选择和确定工作，而不是将其留到生产设计阶段去做。因为，在生产设计阶段材料的更换是由其他人进行的，这些人对产品的所有功能的了解不如设计工程师。在生产设计阶段中，与材料有关的主要问题是应该把材料完全确定下来，使它们与现有的设备相适应，能够利用现有设备经济地进行加工，而且材料的数量能够比较容易保证供应。在制造过程中，不可避免地会出现对使用中的材料做一些更改的情况。经验表明，可采用某些便宜材料作为替代品。然而，在大多数情况下，在进行生产以后改换材料要比在开始生产前改换材料所花费的代价要高。在设计阶段做好材料选择工作，可以避免多数这样的情况。在生产制造开始后出现了可供使用的新材料是更换材料的最常见的原因。当然，这些新材料可能降低成本、改进产品的性能。但是，必须对新材料进行认真的评价，以确保其所有性能都满足要求。应当记住，新材料的性能和可靠性很少像现有材料那样为人们所了解。大部分的产品失效和产品责任事故案件是由于在选用新材料作为替代材料之前，没有真正了解它们的长期使用性能而引起的。产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。在材料过程中，五个最常见的问题为（A）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料；B未能预见和考虑擦黑年品可能的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）；C所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其长期性能数据是如此的时候；D质量控制方法不适当和未经验证；E由一些完全不称职的人员选择材料。通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由存在的结论。对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现指明方向。尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术文明的进步做出了重大贡献传统机械方面，我国在很长一段时期内都领先于世界。到了近代由于特别是从18世纪初到19世纪40年代，由于经济社会等诸多原因，我国的机械行业发展停滞不前，在这100多年的时间里正是西方资产阶级政治革命和产业革命时期，机械科学技术飞速发展，远远超过了中国的水平。这样，中国机械的发展水平与西方的差距急剧拉大，到十九世纪中期已经落后西方一百多年。新中国建立后特别是近三十年来，我国的机械科学技术发展速度很快。向机械产品大型化，精密化、自动化和成套化的趋势发展。在有些方面已经达到或超过了世界先进水平。总的来说，就目前而言中国机械科学技术的成就是巨大的，发展速度之快，水平之高也是前所未有的。这一时期还没有结束，我国的机械科学技术还将向更高的水平发展。只要我们能够采取正确的方针、政策、用好科技发展规律并勇于创新，我国的机械工业和机械科技一定能够振兴，重新引领世界机械工业发展潮流。就小型夯实机械而言上世纪60年代以前，我国小型夯实机械非常缺乏，很多小型场地的夯实基本上采用人工夯实。长沙建设机械研究所与北京建筑工程学院等单位合作，在群众性技术革新成果的基础上总结发明了具有中国特色的蛙式夯实机，1962年获国家科技发明奖。蛙式夯实机结构简单，维修、使用方便，很快成为我国60年代夯实机械的主导产品。据不完全统计蛙式夯实机累计产量达到50000多台，在我国经济建设中发挥了重要作用。70年代以后，蛙式夯实机逐渐被性能更先进的振动冲击夯和振动平板夯所替代，目前蛙式夯实机已经很少，基本被淘汰。1964年，长沙建设机械研究所开发了HB120型内燃式夯实机，开始由上海工程机械厂生产，后来主要由津市洞庭工程机械厂生产，年产量200台左右。80年代，内燃式夯实机产品质量有较大提高，曾出口东南亚和非洲地区。90年代以后，内燃式夯实机产销售量也在逐渐减少，目前只有少数小型民营企业生产。1977年，长沙建设机械研究所和柳州市建筑机械厂开发了我国第一台HZR250型和HZR70型振动平板夯，这两种产品分别于1979年和1982年通过了由建设部组织的鉴定。随后义乌建筑机械厂、四平建筑机械厂、安阳振动器厂、津市洞庭工程机械厂等多家企业都开始生产振动平板夯。1986年长沙建设机械研究所又开发了较大的HZR450型振动平板夯。上世纪90年代以后，振动平板夯在我国有了较快的发展，产品品种、规格和生产企业增多，国外的振动平板夯陆续进入中国市场。1983年，长沙建设机械研究所和湖北振动器厂联合开发了我国第一台HZR70型振动冲击夯，1984年通过了由建设部组织的鉴定，1985年获建设部科技进步三等奖。由于振动冲击夯具有压实效果好、生产率高、体积和重量小、轻便灵活等突出特点，深受用户欢迎，得到了迅速的推广使用，并很快发展到资江机器厂、新乡第三机床厂和津市洞庭工程机械厂等几十家企业生产。振动冲击夯虽然比振动平板夯开发晚，但发展速度、产销量和使用广泛性比振动平板夯大得多，目前已成为我国夯实机械中产销量最大的主导产品。上世纪90年代以后，国外的振动平板夯陆续进入中国市场。振动冲击夯和振动平板夯在我国的成功开发，不仅为我国建设施工部门提供了性能先进的夯实机械，取得了良好的经济效益和社会效益，而且使我国夯实机械技术向前跨进了一大步，缩短了与世界先进水平的差距，促进了我国压实机械的发展。就机械加工而言据考古发现，在北京平谷、昌平、房山等处曾出土了公元前16世纪商代的青铜礼器。明永乐年间14031424年，北京制造出享誉世界的明永乐大铜钟465吨和钟楼大铜钟63吨及铁钟25吨，采用分炉熔化、地坑造型和陶范法铸造。20世纪50年代以前，北京在铸造上采用粘土砂手工造型。1955年，北京第一机床厂开始采用漏模造型、双面模型型板及铁型板和标准砂箱造型。1965年，开始采用塑料模型。1980年，北京市机电研究院与北京玛钢厂研制成功工频无芯塞杆底注式保温浇注电炉。1982年，该院与北京机床铸造二厂研究成功冲天炉风口吹氧技术。19851988年，北京机床研究所试验成功浮动端面密封环的压力铸造工艺。1959年，北京第二通用机械厂后改名北京重型机器厂建成2500吨水压机。1971年，该厂制造出6000吨水压机，这是当时北京最大的锻压设备。19681979年，北京起重机器厂先后采用300吨油压机和2000吨油压机制造出起重机吊臂和大型覆盖件。80年代，北京市机电研究院和北京市模具中心研制出一系列高精度多工位冲裁模具，接近或达到进口模具水平，改变了北京精密冲裁模具依赖进口的局面。1949年前，北京已采用电炉、盐溶炉、热电偶等手段进行零件退火、回火、淬火、正火、调质、渗碳等热处理。1956年，北京第一机床厂开始采用高频感应淬火。1961年，北京第二机床厂开始采用气体氮化淬火。1969年，北京量具刃具厂开始采用光亮淬火。1978年，北京机床研究所研究完成机床导轨表面接触淬火工艺及设备、淬火质量检查技术条件的研究。1979年，铁道科学研究院和中国科学院力学研究所等合作完成大功率柴油机缸套表面的激光改性处理的研究。1979年，北京市机电研究院研制成功千瓦级二氧化碳激光器，并于80年代初分别应用于汽缸套和邮票印刷设备的激光热处理。其中，清华大学、北京市机电研究院、北京邮票厂共同完成邮票厂七色机打孔器表面激光强化研究。19841990年，北京市热处理研究所研究成功真空热处理、气体渗碳微机控制技术与北京航空航天大学合作、稀土软氮化、粉末冶金制品表面强化、煤油加甲醇小滴量法微机可控渗碳、固体渗硼、渗碳过程微机辅助工艺设计及跟踪控制系统等热处理新技术，并应用于生产。焊接与切割1949年，北京已有气焊、电弧焊及氧乙炔火焰切割