浅谈机械制造工艺中的合理化机械设计

引言

机械制造工艺是机械产品从设计理念转化为实体的核心环节，而机械设计作为前置环节，其合理性直接决定制造工艺的效率、成本与产品质量。在此背景下，探讨机械制造工艺中的合理化机械设计，对推动设计与制造协同、提升企业竞争力具有重要现实意义。本文从传统设计局限、合理化设计原则与应用、落地优化策略三个维度展开，为机械制造企业提供理论与实践参考。

一、传统机械设计在机械制造工艺中的局限

1.1 设计与制造工艺脱节，加工难度大

部分传统机械设计未充分结合制造工艺特点，导致设计方案难以落地或加工成本过高。设计复杂曲面零件时，未考虑企业现有加工设备的精度与加工范围，需额外采购专用设备或委托外部加工，增加制造周期与成本；设计零件结构时，过度追求功能集成，设置过多深孔、薄壁结构，导致加工中易出现变形、振动等问题，需反复调整工艺参数，降低生产效率。设计未考虑工序衔接需求如零件装配孔位与加工基准不统一，导致制造中需多次调整定位，增加工序冗余，影响产品精度一致性。

1.2 忽视成本与效率平衡，经济性不足

传统机械设计常忽视制造过程的成本与效率优化，导致产品性价比偏低。在材料选择上，盲目选用高强度、高成本材料，未结合零件实际受力情况与使用场景如非关键受力零件选用合金材料，造成材料成本浪费；在结构设计上，存在冗余设计如过度加厚零件壁厚，增加材料消耗与加工工时；在工艺适配性上，设计方案未考虑批量生产需求如零件需逐件手工打磨而非自动化加工，导致批量生产时效率低下，单位产品制造成本居高不下。

1.3 缺乏绿色制造理念，可持续性差

传统机械设计多未融入绿色制造理念，导致制造过程能耗高、污染大，不符合行业可持续发展需求。设计零件时未考虑材料回收利用如采用难以拆解的一体化结构，产品报废后材料难以回收；设计加工工艺适配性差，导致制造中产生大量切削废料如零件毛坯余量过大，资源利用率低；未考虑设备能耗优化如零件结构导致加工时设备负载过高，增加制造过程中的能源消耗，不符合当前绿色制造发展趋势。

二、机械制造工艺中合理化机械设计的核心原则与适配应用

2.1 合理化机械设计的核心原则

合理化机械设计需遵循三大核心原则，确保与制造工艺适配：一是工艺适配原则，设计需充分考量企业现有加工设备能力、工序流程与技术水平，优先选择成熟、高效的制造工艺，避免设计方案超出工艺承载范围；二是成本优化原则，在满足产品功能与质量的前提下，通过材料合理选择、结构简化、工时缩短等方式，控制制造总成本，实现 “功能 - 成本” 平衡；三是绿色高效原则，设计需融入绿色制造理念，减少材料浪费、降低能耗、便于回收，同时提升制造效率，适配批量生产需求，实现 “效率 - 环保” 协同。

2.2 合理化机械设计在制造工艺中的适配应用

在结构设计与加工工艺适配方面，合理化设计通过简化结构、统一基准，降低加工难度。设计复杂零件时，将一体化结构拆分为模块化组件，各组件可通过常规设备加工后组装，减少专用设备依赖；统一零件加工基准与装配基准，避免工序间定位调整，提升加工精度与效率；对深孔、薄壁等难加工结构，优化尺寸参数如增大深孔孔径、增加薄壁结构支撑，降低加工变形风险，适配现有加工工艺。

在材料选择与成本优化方面，合理化设计结合零件功能需求与制造经济性，选择适配材料。在绿色设计与高效制造适配方面，合理化设计通过减少废料、降低能耗，提升可持续性。优化零件毛坯尺寸，减少切削余量，降低废料产生；设计可拆解结构，便于产品报废后材料回收；对加工工艺进行适配设计如零件结构适配自动化生产线加工，提升生产效率，减少设备空载能耗；避免设计需使用有毒有害加工助剂的结构，降低制造过程污染。

三、推动机械制造工艺中合理化机械设计落地的优化策略

3.1 建立设计与工艺协同机制

企业需打破设计部门与制造部门的壁垒，建立协同工作机制。在设计初期，邀请制造工艺人员参与方案评审，从工艺可行性、经济性角度提出修改建议如调整零件结构以适配现有设备；设计过程中，通过定期沟通会议，同步设计进展与工艺需求，避免设计后期大幅修改；制造阶段，设计人员跟踪现场加工情况，收集工艺反馈，用于后续设计优化。可建立跨部门项目组，针对复杂产品开展 “设计 -工艺” 一体化攻关，确保设计方案与制造工艺深度适配。

3.2 引入数字化设计工具提升设计精度

借助数字化设计工具，提升合理化机械设计的精准性与效率。采用计算机辅助设计（CAD）软件构建三维模型，模拟零件加工过程，提前发现设计与工艺冲突如结构干涉、加工可达性差；利用计算机辅助工艺规划（CAPP）软件，根据设计模型自动生成加工工艺路线，评估工艺可行性与成本，辅助设计方案优化；引入数字孪生技术，构建 “设计 - 制造” 虚拟映射，模拟不同设计方案的制造过程，对比效率、成本差异，选择最优方案。数字化工具可减少设计盲目性，提升设计与工艺的适配度。

3.3 完善合理化设计评价体系

建立多维度设计评价体系，从工艺适配性、成本控制、绿色高效三个维度设置评价指标，确保设计方案符合合理化要求。工艺适配性指标包括设备适配度、工序简化程度；成本控制指标包括材料利用率、加工工时；绿色高效指标包括废料产生率、能耗水平。设计方案完成后，组织设计、工艺、成本部门共同开展评价，对不满足指标的部分进行修改；产品制造完成后，跟踪实际制造数据如实际成本、加工效率，对比评价结果与实际效果，持续优化评价指标与权重，形成 “设计 - 评价 - 优化”闭环，提升后续设计的合理性。

结语

合理化机械设计是连接机械设计与制造工艺的关键纽带，其核心在于通过工艺适配、成本优化、绿色高效的设计原则，实现设计与制造的深度协同，突破传统设计局限。本文通过分析传统机械设计的局限，阐述合理化设计的原则与应用，提出协同机制、数字化工具、评价体系的优化策略，得出以下结论：合理化机械设计可显著降低制造难度、控制成本、提升效率，是机械制造企业提升竞争力的重要路径；完善的协同与评价机制，是确保合理化设计落地的关键保障。未来，随着智能制造技术的发展，合理化机械设计将进一步与人工智能、大数据结合，实现设计方案的智能化优化与动态调整，为机械制造行业高质量发展提供更强支撑。本文研究成果可为机械制造企业提供实操参考，助力推动设计与制造协同升级。

参考文献

[1] 赵 飞 . 浅 谈 机 械 制 造 工 艺 中 的 合 理 化 机 械 设 计 [J]. 模 具 制造,2025,25(09):189-191.DOI:10.13596/j.cnki.44-1542/th.2025.09.063.

[2]谢伟东,李运强,浦兰娟,等.基于机械制造工艺的合理化机械设计[J].现代制造技术与装备,2025,61(02):10-12.DOI:10.16107/j.cnki.mmte.2025.0077.