机械制造工艺中的合理化机械设计探讨

引言

随着全球制造业的快速发展和市场竞争的日益激烈，机械制造企业对产品质量、生产效率和成本控制的要求不断提高。机械制造工艺作为产品生产的核心环节，其先进性和合理性直接影响着产品的综合竞争力，而合理化机械设计作为机械制造工艺的前提和基础，在提升产品性能、保障生产顺利进行、降低生产成本等方面发挥着不可替代的作用。

一、合理化机械设计的内涵与重要性

合理化机械设计是以满足产品功能为核心，综合权衡制造工艺、成本、性能及环保等因素，通过科学流程实现设计方案最优的过程。它强调设计与实用的平衡，既确保产品功能稳定可靠，又能适配制造工艺，在降低成本的同时，保障产品全生命周期效益。其重要性体现在多方面：优化产品结构与部件配合，提升运行效率、稳定性和寿命；减少生产环节与废品率，缩短周期，提高效率。

二、机械制造工艺中机械设计存在的问题

2.1 设计与制作工艺脱节

少数设计师只从理论功能和创新出发，而不考虑生产实际情况，设计出来的方案仅仅是图纸合理，却没有考虑生产班组的车间设备及加工能力等，如结构复杂，超出车间设备的加工精度要求或需要大量投资对设备进行改造，难于生产加工。则会使生产班组不断修改工艺，影响效率和出错率；设计要返工，影响开发时间、增加费用；还可能会造成生产加工出质量差的产品。

2.2 设计方案不完善

设计师缺乏对用户要求、使用条件等调查而进行设计，方案与需求差距较大，例如，不合理考虑环境因素对产品的影响。设计方案缺乏规划，没有明确的流程和控制产品节点规划，没有做好相关零件、部件等选择方案规划，例如，没有具体地计算出传动部分受力，导致传动部分等损坏等，这都会影响产品的质量和稳定度，提高生产及售后成本。

2.3 设计标准化程度低

设计中未遵循统一标准，不同设计人员按习惯设计，导致零部件规格等差异大。生产时，需要根据不同规格零部件进行不同的工具和工艺配置，加大生产成本和复杂程度，难以开展大量生产；库存管理方面，造成积压或缺乏库存；还有碍维修的升级和行业的交流互动，不利于企业的竞争。

2.4 加工精度控制不足

加工精度要求不考虑设计本身或者在设计同时不按工艺制订合理的精度要求。设计者缺乏对机种、设备等加工工艺的了解，制造精度要求过高而设备达不到、要求温度等误差因素和补偿过程等。

2.5 加工表面质量重视不够

设计更关注尺寸与形状精度，忽视表面质量，未明确相关要求与措施。

表面粗糙度不合格问题会造成磨损、腐蚀、寿命短，比如轴承滑动部位表面粗糙度达不到标准影响轴承的寿命等，影响配合度，造成生产过程中的表面质量没有根据去控制，增加维修的成本，降低客户满意度。

2.6 绿色制造理念缺乏

没有从环保、节材设计角度考虑产品的设计，材料的选择只注重材料的性能、价格，不考虑材料本身的环保性和可再生性，使用难分解材料污染环境；未考虑产品的能源消耗，运行能耗高；生产设计没有考虑废弃物和资源的浪费，如生产的大量难以再利用的边角料、或选用污染工艺但没有环保措施，不符合可持续发展原则，增加企业环保投入成本、环保风险，给市场准入带来门槛。

三、实现机械制造工艺中合理化机械设计的策略

3.1 加强设计与制作工艺的融合

针对设计人员不接地气的问题，设计人员深入到生产一线，了解生产中遇到的设备、工艺等情况，通过参与生产中的会议，直接获取信息并反馈到设计中，可以定期安排设计人员到车间进行轮岗制度，到车间多了解零件的加工过程，熟悉各类机床的加工范围、刀具性能、工序连接逻辑，并将这些经验作为设计细节优化的依据。设计初始阶段请生产人员参加评审，从工艺的角度提出建议，解决潜在的问题矛盾；建立信息反馈通道，以便及时调整优化设计，使之更符合工艺的需要。

3.2 完善设计方案

调研设计要求，掌握用户及市场的需求，明确目标及要求。实地走访及问卷调查掌握用户对产品性能、维护需求等方面的明确要求，掌握行业展会、技术期刊等新材料、新技术的应用趋势，通过这些转化为明确的设计要求，比如设备的噪音在 80dBA 以内等量化指标。系统性设计，阶段区分、任务目标和阶段评审，如概念设计阶段的任务目标是方案的筛选，详细设计阶段的评审目标是设计的合理性，详细设计完成后的全面评审；加强组织内外部协同，解决矛盾和问题，应对市场的需求。

3.3 提高设计标准化水平

企业结合国家、行业标准，对零部件多方面制定了内部标准，参照 GB/T、ISO 等通用车间标准，对企业的主打产品重点部件制定零件材料牌号、几何公差、热处理等零件内部标准，规定企业统一采用的轴承座为灰铸铁 HT250，安装孔公差等级为 IT7。加强设计人员的标准化培训，积极应用标准化零部件，制定标准化评审制度，将标准化率作为评审考核指标，要求设计满足要求。

3.4 提升加工精度控制能力

精度要求的设计定值要结合工艺制定精度要求，选好加工方法及精度定级，防止加工过程中盲目追求加工精度。根据零件工作定出零件的精度等级，如导向轴的圆柱度要求为 0.005mm ，但如一些非关键部位的加工尺寸公差可以放宽到 IT12；采用成熟的加工工艺，如平面加工尽量采用铣削而非磨削，在确保精度的同时考虑控制成本。分析加工误差的影响因素，设计补偿结构或补偿系统；选择适当的测量工具及方法，设计质量检测系统来管控加工精度。

3.5 重视加工表面质量的提升

设计中明确表面质量指标与等级，如摩擦表面选低粗糙度；根据材料与质量要求选加工方法，优化工艺参数；对特殊零件规定表面处理工艺，改善性能。明确滑动导轨表面粗糙度 Ra≤1.6μm ，齿轮齿面 Ra≤0.8μm ；针对高强度钢零件，采用磨削代替车削以降低表面粗糙度，并优化磨削速度、进给量等参数。

3.6 融入绿色制造理念

优先选用环保、可回收材料，优化结构提高利用率；优化产品结构与性能降低能耗，设计可拆卸可回收结构；选择环保节能加工工艺与设备，减少废弃物与能耗。优先选用再生塑料制作防护罩、铝合金替代铸铁减轻重量。

结语

合理化机械设计是机械制造工艺的核心，影响产品及企业与行业发展。当前存在的设计与工艺脱节等问题制约行业发展，通过加强融合、完善方案等策略可实现设计合理化，这需要各方共同努力。未来，企业需关注行业趋势，引入先进理念技术，推动机械制造工艺向高效、环保、优质方向发展，助力制造业转型升级。

参考文献

[1] 何启利 . 机械制造工艺中的合理化机械设计探讨 [J]. 模具制造,2025,25(02):208-210.