劉興玉 趙朋舉 高 琦

（中國船舶集團有限公司第七二五研究所，洛陽 471000）

精益理念是一種思想，核心可概括為消除一切浪費、創(chuàng)造更多價值，為市場提供質優(yōu)價廉的產(chǎn)品服務[1]。精益思想發(fā)展到今天已不再局限于生產(chǎn)領域，而是已外延到企業(yè)活動的各個方面。合理運用精益思想，組織開展機械設計相關精益工作，能夠有效減少機械制造過程中各個環(huán)節(jié)造成的浪費，管控各個環(huán)節(jié)的成本支出，提升工程項目的整體效益和企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力[2]。

雖然機械設計成本在產(chǎn)品總成本中的占比不高，但它與產(chǎn)品的材料、工藝、制造、裝配、檢驗等各工序息息相關，直接影響后續(xù)工序的制造成本和最終的產(chǎn)品質量。例如，同一個產(chǎn)品分別交付給兩位不同的設計者完成圖紙設計。由于兩位設計者設計經(jīng)驗和能力的差異，導致在材料選用、結構設計、制造精度選擇、技術要求制定等方面有較大不同，最終造成兩位設計者設計的產(chǎn)品在生產(chǎn)周期和制造成本上產(chǎn)生巨大差異。但是，人們往往不能察覺到設計質量對產(chǎn)品成本的內在影響?？梢?，設計浪費有時看起來是潛在的、無形的，可能隱含在設計圖紙或者工藝文件中，不易被人們察覺或重視。鑒于此，人們應該高度重視設計在生產(chǎn)中的作用，從源頭上消除浪費，為企業(yè)創(chuàng)造更大的價值。

目前，運用精益思想提升機械設計質量，對設計工作提出了以下幾方面要求。

1 標準化要求

機械設計標準化是指將零件的類型、結構要素、性能、尺寸、參數(shù)、制圖要求等進行統(tǒng)一規(guī)定并強制執(zhí)行。標準化后的零件簡稱為標準件，如滾動軸承、鍵、銷、螺栓、螺釘、螺母、墊圈以及聯(lián)軸器等。采用標準化設計具有重大意義：一是可簡化設計工作，使設計者將更大的精力投入到非標零件的設計中，縮短設計周期；二是可組織批量生產(chǎn)，保證零件生產(chǎn)的一致性，降級生產(chǎn)成本；三是減少零件種類和備品的庫存，提高零件的通用性和互換性，簡化產(chǎn)品的裝配和維修成本。

設計標準化作為我國現(xiàn)行的重要技術政策，設計人員應在實際工作中認真貫徹執(zhí)行[3]。標準化設計不僅適用于標準零件或產(chǎn)品，也適用于非標零件或產(chǎn)品。積木式設計法是產(chǎn)品進行標準化設計的一種全新設計觀念和方法，是將非標零件或產(chǎn)品看作一個或者若干個標準結構或零件的組合體[4-5]，進而從局部標準化設計擴展到全局標準化設計。例如：設計系列化產(chǎn)品或零件時，產(chǎn)品或零件的主要參數(shù)和尺寸滿足《優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系》（GB/T 321—2005）規(guī)定；對機械零件進行倒圓與倒角設計時，按《零件倒圓與倒角》 （GB/T 6403.4—2008）規(guī)定設計尺寸；設計扳手空間尺寸時，按照《扳手空間》（JB/ZQ 4005—2006）規(guī)定執(zhí)行；設計四方或六方時，尺寸按照《對邊和對角寬度尺寸》（JB/ZQ 4263—2006）規(guī)定執(zhí)行等。運用積木式設計法可有效提高產(chǎn)品的設計標準化率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

2 善于搜集、借鑒和積累

重復設計并繪制已有的完全相同的或者大同小異的圖紙，即通常所說的圖紙的重復性設計和多樣性設計，將意味著重復勞動和工藝文件、制造設備的多樣性，造成不必要的成本支出。設計者應善于利用現(xiàn)有的檢索手段，查詢、搜集、借鑒或采用現(xiàn)有成熟的零部件結構或圖紙，不斷積累設計資料，盡量避免重復性設計和多樣性設計。為了解決設計者存在的上述問題，現(xiàn)代化企業(yè)基本都已推行了產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）信息化系統(tǒng)，整合全企業(yè)的設計和工藝資料，有效減少了設計浪費。

3 選材要求

材料選擇是機械設計中的一個重要環(huán)節(jié)，也是一個復雜的過程[6]。材料選擇對機械產(chǎn)品的質量影響是全方位的，在設計過程中占有絕對重要的地位，必須予以關注。實際上，如果設計者忽視選材的重要性，不僅會降低產(chǎn)品設計質量，更會嚴重影響產(chǎn)品的制造質量和性能。如果僅僅片面地認為選用優(yōu)質材料能保證產(chǎn)品質量，對一些非重要的零件也選用優(yōu)質材料，會造成很大的浪費。因此，如果選材科學合理，不僅能提高產(chǎn)品質量，還能降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品綜合性能[7]。設計選材必須遵循一項原則，即在滿足使用要求的前提下，以最低的成本支出獲取最大的經(jīng)濟效益，為提高產(chǎn)品的市場競爭力奠定基礎。具體而言，設計者在進行材料選擇時應著重考慮以下要求。

3.1 使用要求

滿足使用要求是零件選材最基本的要求，一般包括：①對零件的尺寸和重量方面的限制；②零件的受載情況；③零件所處的介質、溫度、摩擦、磨損等工況環(huán)境；④零件的重要程度；⑤抗磁、絕緣、腐蝕等其他要求。在考慮使用要求時，要抓住主要問題，并兼顧其他方面的需求。

3.2 工藝要求

為了便于加工制造，選材時應考慮零件結構的復雜程度、尺寸大小和毛坯類型。對于外形復雜、尺寸較大的零件，可考慮采用鑄造成型或焊接成型。若采用鑄件，則應優(yōu)選鑄造性能好的材料；若采用焊接結構，則應選擇焊接性能好的材料。對于外形簡單、尺寸小、批量大的零件，適合沖壓和模鍛，應選用塑性較好的材料。對于需要熱處理的零件，材料除應具有良好的熱處理性能外，還應考慮材料熱處理后的易加工性。

3.3 經(jīng)濟性要求

材料的經(jīng)濟性不僅指材料本身的價格，還包括其加工制造費用、使用維護費用等。提高材料的經(jīng)濟性可從以下幾個方面考慮[8]。

（1）原材料本身的價格。在滿足功能要求和工藝要求的情況下，應優(yōu)選價格低廉的材料，這在進行大批量零件或產(chǎn)品生產(chǎn)時尤為重要。

（2）采用熱處理或者表面強化（如淬火、噴丸、碾壓等）工藝，應充分發(fā)揮和利用材料潛在的力學性能。

（3）合理采用表面鍍層（鍍鉻、鍍銅、噴塑、發(fā)黑、發(fā)藍等）方法，以減輕腐蝕或者磨損的程度，延長零部件的使用壽命。

（4）改善工藝方法，提高材料利用率，減少制造費用。例如，采用無切削、少切削制造工藝（如冷鐓、碾壓、精鑄、模鍛、冷拉工藝等），不僅可以減少材料浪費和制造工時，還可以使零件內部金屬流線型連續(xù)，提高材料強度性能。

（5）節(jié)約稀有貴金屬材料。例如，采用我國資源較豐富的錳硼系合金鋼替代資源稀少的鉻鎳系合金鋼，采用鋁青銅材料代替錫青銅材料等。

（6）采用組合式結構設計，節(jié)約貴金屬材料。例如，采用組合結構的蝸輪設計，冠齒圈采用減摩性較好而價格較貴的錫青銅材料，輪芯采用價格低廉的鑄鐵或者鑄鋼材料。

（7）結合企業(yè)自身情況，應盡可能選擇本地現(xiàn)有且便于供應的材料，以減少采購、運輸及存儲的費用。

此外，應盡可能減少材料的種類和規(guī)格，簡化供應和管理，并在加工和熱處理工序中掌握合理的操作方法，提高產(chǎn)品制造質量，減少廢品的產(chǎn)生，提高勞動生產(chǎn)效率。

4 工藝性要求

產(chǎn)品成本主要取決于材料和制造費用。工藝性與經(jīng)濟性是密切相關的。如果產(chǎn)品設計的工藝性較差，將給產(chǎn)品的加工、檢驗、裝配、試驗、使用、檢修等各方面帶來困難，增加產(chǎn)品壽命周期成本。

4.1 零件形狀簡單合理

一般來講，零件的結構和形狀越復雜，產(chǎn)品的制造、裝配和檢修就越困難，成本也越高。在滿足使用要求的條件下，產(chǎn)品的幾何形狀應盡量簡單，如最好采用平面或者圓柱面。設計零件結構往往需要經(jīng)歷一個從簡單到復雜、再由復雜到高級簡單的過程。結合實際情況，化繁為簡，體現(xiàn)精煉，降低成本，方便使用，一直是設計者追求的目標。

4.2 毛坯選擇合理

零件毛坯可由鍛造、沖壓、鍛造、鑄造、焊接、型材等方式獲取，而獲取方式不同也直接影響零件的質量和成本。選擇毛坯時，應綜合考慮毛坯原材料價格、毛坯成型費用和毛坯加工費用。

4.3 采用良好的制造工藝

在結構設計中，應力求使設計的零件滿足制造加工方便、材料損耗少、效率高、符合質量要求、生產(chǎn)成本低等要求，以確保零件具有良好的制造工藝性。

4.4 便于拆裝、維護和檢修

零件經(jīng)過裝配才能成為完整的產(chǎn)品。因此，產(chǎn)品的拆裝和維修工藝性是設計中必須考慮的重要方面。良好的拆裝、維護和檢修工藝性要求所設計的產(chǎn)品具有可達性、易于調整、便于更換和修理等特點。

5 差異化設計要求

差異化設計要求即針對產(chǎn)品或零件的技術要求、重要程度、使用工況、壽命等不同情況，提供科學合理的結構設計、選材設計、精度設計、壽命設計等。比如，在某些工況條件下，與其投入巨大精力和成本將某產(chǎn)品各零部件設計成等壽命或全壽命，不如適時地把次要零件設計成易損件在綜合成本上顯得更經(jīng)濟實用。因此，設計者在設計中未充分考慮產(chǎn)品零部件間的使用工況差異，提出了遠高于產(chǎn)品或零件使用性能的要求，或者無謂放大設計裕度或制造裕度，均會造成產(chǎn)品生產(chǎn)成本的增加。

6 結語

機械設計是決定機械產(chǎn)品性能和生產(chǎn)成本的關鍵因素。在當下的市場經(jīng)濟體制下，企業(yè)和個人都必須基于精益理念，重視設計并從源頭上把好產(chǎn)品設計關，不斷提高成本管控水平，減少因設計問題造成的一系列浪費，提高產(chǎn)品市場競爭力，使得企業(yè)在激烈的市場競爭中求得更廣闊的生存和發(fā)展空間。