文海鵬

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠材料工藝所，湖北荊州434024)

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淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意的幾個(gè)問(wèn)題

文海鵬

(中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠材料工藝所，湖北荊州434024)

摘要：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)相關(guān)知識(shí)的不了解，會(huì)提高制造成本,降低材料的利用率和零件的使用壽命。鑒于此，對(duì)材料與熱處理之間的關(guān)系、粗糙度對(duì)材料性能的影響；以及各種結(jié)構(gòu)型式對(duì)制造成本、材料使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量的影響進(jìn)行闡述。這對(duì)設(shè)計(jì)者在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選取合適的材料及設(shè)計(jì)出優(yōu)良的結(jié)構(gòu)將有很大的幫助。

關(guān)鍵詞:材料選取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命

設(shè)計(jì)一個(gè)零件時(shí)，首選考慮材料選擇問(wèn)題，根據(jù)零件所處的作用和使用場(chǎng)合，選擇不同的材料并采用不同的熱處理方法，使材料的機(jī)械性能達(dá)到最佳狀態(tài)，有效降低制造成本；合理標(biāo)注粗糙度將會(huì)提高材料的利用率，這樣可以降低設(shè)計(jì)成本，減少不必要的浪費(fèi)和提高經(jīng)濟(jì)效益；好的機(jī)械、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但提高零件的質(zhì)量，而且有助于提高產(chǎn)品的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。

1材料選取對(duì)機(jī)械性能的影響

設(shè)計(jì)一個(gè)零件時(shí)，首選考慮選擇何種材料，根據(jù)該零件在產(chǎn)品中所處的作用來(lái)選擇，一般來(lái)講，零件如果受載荷不大，可選擇普通碳鋼就可以滿足零件的使用要求，如果零件承受較大的載荷，就要求零件有較高的抗拉強(qiáng)度，可選擇優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理來(lái)滿足強(qiáng)度要求，根據(jù)所受力的形式來(lái)確定是否選用淬透性好的材料，如承受拉伸或壓縮載荷，可選擇淬透性好的合金鋼材料，淬透后整個(gè)截面強(qiáng)度的綜合機(jī)械性能是一樣的，如只承受扭矩負(fù)荷，那么只要求從外徑到中心一半淬透就可以滿足性能要求，因?yàn)閺耐鈴降街行氖芘ぞ亓χ饾u減少，中心不受扭矩力，那么選取優(yōu)質(zhì)碳鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理就可以滿足使用要求；如果零件承受摩擦的環(huán)境，零件就需要有好的耐磨性，選擇合金鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后芯部有較好的綜合機(jī)械性能，其表面經(jīng)過(guò)淬火處理就可以提高零件的耐磨性，如果受力不大只承受耐磨的工況，可選擇低碳鋼經(jīng)過(guò)滲碳處理就可以增加表面的耐磨性；零件如承受交變載荷，零件就需要有較高的抗疲勞性能，不需要很高的強(qiáng)度，只需要采取一定的工藝措施來(lái)提高材料的抗疲勞性能，如表面經(jīng)過(guò)滾壓加工、噴丸、高頻淬火或滲碳處理等表面強(qiáng)化方法都會(huì)提高材料的抗疲勞性能，這對(duì)提高材料的使用率和降低設(shè)計(jì)成本有很大的意義。

2粗糙度對(duì)材料使用性能的影響

我們的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)零件時(shí)，對(duì)粗糙度標(biāo)注很隨便，其實(shí)粗糙度標(biāo)注也要根據(jù)零件使用的場(chǎng)合來(lái)確定其值大小，粗糙度一般指的是輪廓算術(shù)平均偏差Ra如活塞桿或活塞等需要密封的表面，這些表面的光潔度要求高既粗糙度要求低一些，粗糙度在Ra=0.2～0.4左右,才能進(jìn)行有效的密封,粗糙度太高很快就會(huì)磨損使密封失效，如粗糙度太低，接觸面無(wú)法儲(chǔ)藏油膜，也會(huì)使零件很快磨損而失效，在裝軸承等配合的面粗糙度一般在Ra=0.8左右；一定要注意，有些沒(méi)有配合又沒(méi)有其它要求的面，粗糙度要求不要太高，一般在Ra=12.5就滿足使用要求，否則造成加工浪費(fèi)，相應(yīng)增加制造成本, 而有些高強(qiáng)度鋼如合金剛經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后有較高的機(jī)械強(qiáng)度，如在重負(fù)荷或交變載荷的工作環(huán)境下使用，如果這些零件表面粗糙度太高，而且合金鋼對(duì)應(yīng)力集中更為敏感，在這樣的工作環(huán)境下，這些較高的粗糙度就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中形成了裂紋源，零件就會(huì)產(chǎn)生裂紋從而使零件報(bào)廢，甚至造成設(shè)備損壞或人員傷亡等重大安全事故。

3機(jī)械結(jié)構(gòu)型式對(duì)制造成本和材料使用性能的影響

3.1提高生產(chǎn)效率和降低制造成本的結(jié)構(gòu)

1)有配合的表面一般都需要精加工,設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少配合面的長(zhǎng)度，如果需要配合件的穩(wěn)定性，可將中間孔加大減少配合面或改進(jìn)結(jié)構(gòu)型式，這樣中間孔或整個(gè)面不需要精加工，可使加工面長(zhǎng)度減少或只進(jìn)行粗加工即可，這樣提高了工作效率和產(chǎn)品的使用質(zhì)量。某油缸上的一個(gè)零件導(dǎo)向套(圖1)，它的外圓與缸體內(nèi)圓有配合關(guān)系，外圓表面光潔度要求較高Ra為1.6,其作用是活塞桿上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起扶正活塞桿作用，外圓整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)都需要精加工后達(dá)到光潔度Ra=1.6的要求,這樣的結(jié)構(gòu)一是與缸體配合面較長(zhǎng)需要外圓尺寸精度較高，光潔度要求較低，因此先經(jīng)過(guò)粗加工，然后進(jìn)行精加工，二是精加工的面加長(zhǎng)增加了工時(shí),也消耗了不必要的功率和增加了加工成本,為此,我們對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)(圖2)，在外圓上加工幾個(gè)凹槽，在凹槽內(nèi)裝上扶正環(huán),扶正環(huán)與缸體配合進(jìn)行扶正，外圓不再是配合面，也不與缸體進(jìn)行配合，其外圓和缸體內(nèi)圓之間有1.5 mm的間隙，所以外圓不需要精加工，只進(jìn)行粗加工使光潔度達(dá)到Ra=12.5就可以,只對(duì)這幾個(gè)凹槽進(jìn)行精加工達(dá)到Ra=1.6就可滿足產(chǎn)品的功能,這樣減少了工時(shí)、縮短了制造時(shí)間;而且扶正環(huán)材質(zhì)為聚四氟乙烯，損壞后可以進(jìn)行更換， 這樣不但提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，也降低了制造成本。

圖2　改進(jìn)后的導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)示意圖

2)螺紋深度的選擇。 在螺紋設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者在標(biāo)注螺紋深度時(shí)很隨意，螺紋設(shè)計(jì)都很深,這樣增加工時(shí)造成的加工浪費(fèi)，會(huì)使刀具磨損加劇，降低刀具的使用壽命，所以在標(biāo)注螺紋深度時(shí)一般來(lái)講螺紋深度為螺紋公稱直徑再加上2個(gè)螺距長(zhǎng)度即可，如M24螺紋，螺距為3,則加工螺紋深度為24+2×3=30 mm即可。

3.2減少應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)注意減少應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，如在結(jié)構(gòu)形狀和尺寸突變的地方最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此盡量避免結(jié)構(gòu)形狀和尺寸突變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果有盡可能平滑和均勻過(guò)渡，盡可能增大過(guò)渡處的圓角半徑，同一零件相鄰剖面處的剛性變化盡可能的小，這樣可大大降低應(yīng)力集中；兩個(gè)零件配合邊緣處也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)采取增大配合處的直徑或在軸上開(kāi)減載槽等結(jié)構(gòu)來(lái)減少此處的應(yīng)力集中；還有零件的表面粗糙度對(duì)零件的疲勞強(qiáng)度影響最大[1]，因?yàn)槠诹鸭y常發(fā)生在表面粗糙的部位,特別是合金鋼影響最大，因?yàn)楹辖痄搶?duì)應(yīng)力集中更為敏感，降低表面粗糙度顯得更為重要，所以當(dāng)選用材料為合金鋼時(shí)，其表面粗糙度應(yīng)該比較小，否則沒(méi)有起到好材料的使用價(jià)值。還有一些熱處理零件如軸類，在進(jìn)行熱處理過(guò)程中，如果有尖角或較小的倒角就會(huì)在熱應(yīng)力作用下而產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致零件材料損壞。

3.3提高抗彎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)零件承受彎矩時(shí)就要考慮哪種截面抗彎能力強(qiáng)，抗彎能力的大小用截面矩量W來(lái)衡量，截面矩量W是表明材料正應(yīng)力強(qiáng)度的一個(gè)數(shù)量，數(shù)量大則抗彎能力強(qiáng)，而截面矩量與截面形狀有關(guān)系,截面形狀的不同其抗彎能力也不一樣，這就使得對(duì)材料截面形狀的正確選取顯得尤為重要，要正確選擇合適的截面形狀必須對(duì)各種截面的截面矩量的大小有所了解和掌握；如果兩個(gè)截面形狀不同而面積相等，則截面矩量大的截面就比較經(jīng)濟(jì)合理，可用截面矩量W與截面面積F之比來(lái)衡量，即W/F=K比值來(lái)衡量材料的經(jīng)濟(jì)程度，比值越大其使用經(jīng)濟(jì)越好，圓形截面K=0.125，矩形截面K=0.17，工字鋼截面K=0.29-0.31，槽鋼截面K=0.27-0.31，從K值就可以看出在這幾個(gè)截面形狀中選擇工字鋼抗彎能力最強(qiáng)，翼緣部分正應(yīng)力值很大，可承擔(dān)絕大部分的彎矩，而腹板部分剪應(yīng)力值很大，承擔(dān)了絕大部分的剪力，這兩部分都發(fā)揮了最好的作用，即選擇工字鋼截面使材料的使用經(jīng)濟(jì)比較好；從圓鋼正應(yīng)力的變化規(guī)律來(lái)看，離中性軸越遠(yuǎn)處正應(yīng)力越大而面積卻越小，而中性處材料越多，中性軸處的材料沒(méi)有充分發(fā)揮作用；所以圓形截面其經(jīng)濟(jì)性最差，其次較好的是槽鋼、矩形鋼。

4焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

在設(shè)計(jì)中遇到許多焊接結(jié)構(gòu)，如果焊接結(jié)構(gòu)不合理，輕者對(duì)焊縫質(zhì)量有直接影響，重者會(huì)引起安全事故，在考慮焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下幾個(gè)方面。

4.1減少焊接變形的結(jié)構(gòu)

1)設(shè)計(jì)焊縫時(shí)，焊縫與焊縫之間盡量互相錯(cuò)開(kāi)，不能相距太近，如相互交叉則焊縫互相影響，使焊接產(chǎn)生過(guò)熱組織，也會(huì)加大熱影響區(qū)，導(dǎo)致焊接變形增大，過(guò)大的變形不但影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且也會(huì)影響焊縫質(zhì)量，焊縫與焊縫之間的距離我們一般要求大于3倍鋼板的厚度且應(yīng)不小于100 mm比較合適。

2)設(shè)計(jì)焊縫的位置盡量對(duì)稱布置，如果焊縫位置布置不對(duì)稱，焊縫布置偏向一側(cè)，由于焊縫的收縮，就會(huì)產(chǎn)生較大的變形,影響產(chǎn)品的質(zhì)量；當(dāng)焊縫對(duì)稱布置時(shí)，兩邊的焊縫產(chǎn)生的變形能互相抵消，使焊接變形變小[2]。

4.2減少焊接受力不好的結(jié)構(gòu)

在最大應(yīng)力及應(yīng)力集中的部位不要布置焊縫，如兩節(jié)梁焊接而成，梁中間受集中載荷，這時(shí)焊縫不應(yīng)布置在中間部位，應(yīng)該避開(kāi)這個(gè)載荷，可采用三節(jié)梁焊接而成，即多增加一道焊縫來(lái)實(shí)現(xiàn)避開(kāi)最大應(yīng)力處布置焊縫，也不應(yīng)該在構(gòu)件截面有急劇變化的位置或尖角部位布置焊縫，因這些部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中,容易使焊縫產(chǎn)生裂紋，影響焊縫質(zhì)量。

4.3焊接坡口對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

圖3　低壓容器焊接坡口圖

當(dāng)焊接兩塊板厚度一般大于6 mm以上時(shí)，為使電弧伸到接頭根部而保證焊透，焊透后焊縫成型較好，而且容易清理焊縫，其次是保證焊縫強(qiáng)度也比較高,就要對(duì)焊接板開(kāi)焊接坡口,坡口型式有很多型式，有V型、U型、X型和雙面U型等，V型和U型坡口屬于單面焊接，焊接變形較大，而且焊條消耗量也大；X型和雙面U型坡口屬于兩面施焊，受熱比較均勻,焊接變形也較小,產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力也較小，其焊縫金屬中母材所占比例也較小，即融合比較小，而且焊條消耗量也較小,缺點(diǎn)是易受結(jié)構(gòu)形狀限制，不能采用兩面施焊,其次U型或雙U型坡口形狀比較復(fù)雜，要用機(jī)械加工來(lái)加工坡口，增加了制造成本，所以一般在重要的受動(dòng)載荷的部位或大厚度鋼板中采用這類坡口。有一個(gè)低壓容器焊接坡口型式見(jiàn)圖3，由于管與封頭之間為V型坡口，如果開(kāi)X型坡口里面焊縫無(wú)法施焊，因此開(kāi)V型坡口比較合理，但由于開(kāi)的V型坡口鈍邊設(shè)計(jì)為5 mm比較厚，因此無(wú)法焊透，所以會(huì)在管與封頭之間的縫隙中留存有焊渣無(wú)法清理而產(chǎn)生焊接缺陷，而且沒(méi)有焊透的焊縫其強(qiáng)度也較低，因此盡量避免這種無(wú)法焊透的坡口，把V型坡口鈍邊改為1 mm~2 mm左右，兩個(gè)零件的焊接間隙取1 mm，這樣就屬于焊透性坡口，焊透后的焊縫避免了焊接缺陷并提高了材料的強(qiáng)度，這樣的坡口型式才是最好的。

因此設(shè)計(jì)者要想設(shè)計(jì)出優(yōu)良的結(jié)構(gòu),必須了解材料性能與熱處理、表面粗糙度之間的關(guān)系；這對(duì)提高材料利用率和材料性能有很大的幫助，以及掌握結(jié)構(gòu)型式對(duì)制造成本和零件壽命的影響，將很好的減低制造成本和提高產(chǎn)品的質(zhì)量；通過(guò)掌握這些相關(guān)知識(shí),將有助于提升產(chǎn)品壽命和使用性能，更好的提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊(cè)(第1卷)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2]陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

Brief discussion of a few important issues in structure design

WEN Haipeng

Abstract:In the field of structure design, lack of relevant knowledge in the part of the designer will result in higher manufacturing cost，lower material utilization and shorter service life of parts. To address the issue, this paper tries to expound the relation between material and heat treatment, the influence of roughness upon material properties, as well as the influence of various structure patterns upon the manufacturing cost, material usage, and product quality. This would provide reference for suitable material selection and good structure design.

Keywords:material selection；structure design；service life

收稿日期：2015-07-16

作者簡(jiǎn)介：文海鵬(1971-) ，男 ,籍貫:湖南省永州市,職稱:高級(jí)工程師,主要從事機(jī)械制造工藝研究,已發(fā)表論文13篇。

中圖分類號(hào)：TH131.3；TH131.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)01-0079-04