试论机械制造业中设计与工艺的关联试论机械制造业中设计与工艺的关联试论机械制造业中设计与工艺的关联2010-08-02 清华大学 傅水根 武 静 徐伟国一、设计实现成图从本质来看，机械制造业中所讨论的设计是人们利用所学的数学、力学、工程材料、机械设计、机械原理等专业知识，以及人们所积累的实践经验来完成机械制造工程所需要的图纸，包括装配图和零件图装配图是反映设备或装置的整体使用功能的，因此有整体的技术要求；零件图则是从完成的装配图中分拆出来的，从分析某零件在装配体中的功能与技术属性来决定其应该具有什么样的技术要求因此，不同的零件除了图形反映的尺寸和结构外，还附加有材料、尺寸精度、表面粗糙度、形状精度、位置精度，以及在不同阶段的热处理要求等对于现代设计，人们可以通过计算机和相关的高级软件，如CAXA、Pro/E、UG、Mastercam 等，以数字化手段实现三维造型，来得到具有创意的设计图纸--装配图与零件图创新设计主要体现在成图阶段，因为设计思想决定了独创性和新颖性我所主持完成的数控旋转电加工机床、汽车离合器超速试验机、十二工位数控激光淬火机床、体质智能化测试系统和旋转超声波加工机床等，既有技术集成的内涵，也有自己独创的元素。
二、工艺实现成形在制造业中，只有设计图纸是不行的，还需要将图纸转化为市场所需要的设备或装置实现转化的手段就是各种制造工艺方法将图纸转化为毛坯、零件和装配体的工艺手段有很多，采用什么样的工艺要针对具体的设计对象工艺是制造业中的核心技术没有这个核心技术，图纸就永远是图纸，决不能转化为市场所需要的产品不仅不能转化为产品，而且某些关键产品形似神不似的问题就不可能得到解决，制造强国的梦想也就不能实现1．毛坯成形 毛坯成形主要涉及各种热加工的工艺方法，主要包括铸造、锻造、板料冲压和焊接等根据制造业发展的需要，每种热加工的工艺方法又发展出若干种例如铸造，发展出砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、消失模铸造等；例如锻造，发展出自由锻、胎模锻、模锻等；例如板料冲压，发展出普通冲压与数控冲压等；例如焊接，发展出火焰焊、电弧焊、摩擦焊、钨极焊等所有这一切，都还处于不断发展中2．零件成形 迄今为止，零件成形主要有两大类方法，这就是常规的切削加工、非常规的特种加工，以及快速原型制造技术1）常规的切削加工常规的切削加工指的是采用刀具切削和磨具磨削这两种方法，其基本思路是“以刚克刚“无论是车床、铣床、刨床、钻床、齿轮加工机床，还是数控车床、数控铣床和加工中心，都是采用高硬度的不同种类的刀具（车刀、铣刀、刨刀、钻头等）对工件进行切削加工，而磨床则是采用砂轮对工件进行更为精密的加工。
数控机床的加工仍然属于常规加工，这是因为其先进性主要体现在加工时的控制技术，而这一点并没有改变刀具切削的加工本质2）非常规的特种加工非常规加工主要指采用电火花加工、电化学加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工和水射流加工等新型的特种加工方法从原理上讲，这些加工方法从根本上摆脱了刀具和磨具硬碰硬的加工方式，而转变为“以柔可刚“这类方法有的是直接接触的加工，如激光加工、超声波加工、水射流加工等；有的在加工过程中则不与工件直接接触，如电火花成形加工有的加工时有工具，如电加工有工具电极，超声波加工有工具杆；有的加工时根本就没有工具，如激光加工、电子束加工和离子束加工，被称为高能束流加工这类加工方法，有不少几乎不存在宏观的机械力，因此可以完成机械切削难以加工的工件3）快速原型制造无论是常规的刀具切削加工、磨具的磨削加工，还是利用电、声、光等特种加工，主要是通过使工件实现材料由多到少（做减法） ，尺寸和形状由粗到精成形零件的过程而快速原型制造技术，无论是立体光刻工艺（SL） 、分层实体制造工艺（LOM） 、熔融沉积制造工艺（FDM） ，还是选择性激光烧结工艺（SLS）等则是采用逆向思维，使材料分层累加的方法（做加法）来实现原型或零件的制造。
这种逆向思维，实现了制造领域设计思维的突破，对培养学生的创新思维会有所启迪3．装配与调试 在设计者所完成的图纸都转化为合格的零件之前，就有人开始做装配的准备工作了这是因为，作为一项产品设计，并非什么东西都要自己设计与制造，相当一部分需要的东西、甚至非常重要的东西，是可以从国内外市场上采购到的以前我们知道，电机、轴承、密封件等可以从市场上买到现在可以买到的东西则更多，有的是以功能部件的形式提供，例如计算机、工业控制器、控制软件、数控工作台等，给设计带来很大的方便但是，作为一项创造性的设计，一定要有自己独创的东西，一定要有自己独立设计的东西，完全靠其他成熟的技术来进行集成，很难有真正的创造，尤其很难出现原创等全部所需要的零件和部件全部配齐，就可以开始装配了装配有手工装配和自动化装配到目前位置，自动化装配还只适用于例如汽车、彩电、冰箱、洗衣机和集成电路等一些特定的产品在一种新产品的试制阶段，几乎全部靠手工装配调试是产品装配中的核心环节调试是以装配图所规定的产品功能要求为目标所进行的技术活动一个产品的好坏，调试起着决定性的作用因此，在产品的装配与调试阶段，都是请经验丰富的工程师或技师在现场工作。
三、设计与工艺的相互关联如前所述，设计体现创新思维因此，设计过程非常重要它不仅决定着这项产品是否符合社会或市场需求，而且决定着这项产品能否吸引广大顾客设计包括产品的功能设计和产品的外观设计两部分当今的市场，不仅需要产品的各项功能要符合顾客的需求，而且外观也要符合顾客的人机工程与审美需求无论多么好的设计，都要靠制造来实现懂得制造工艺的设计者，会将制造的工艺原则体现在设计中，使其完成的设计相对容易制造，这样就会提高效率、减少成本，也更容易获得成功而不懂得制造工艺的设计者，则只会从满足功能要求上下工夫，等到制造开始，才会发现其设计中存在的工艺问题更加为难的是，有的结构很难实现、甚至无法实现我们看到很多失败的设计，并非设计原理出了什么问题，而是工艺细节或结构细节没有考虑周到如果从设计的角度要实现某种功能，确实需要复杂的结构或形体，那么，设计者就不能迁就现有的工艺方法高明的工艺人员就需要创造新的工艺方法来适应所需要的结构，工艺创新就在这种时候出现工艺创新经常也需要设计，这是因为工艺方法要靠工艺装备来实现这样，工艺人员就要懂得设计，懂得设计出怎样的工艺装备才能满足制造特定的结构需要因此，设计创新与工艺创新就紧密地联系在一起。
我们主持研制的数控旋转电加工磨床，就是为加工聚晶金刚石刀具、特别是小直径聚晶金刚石钻头而设计的加工聚晶金刚石钻头的关键是加工其上的螺旋槽为此，我们又专门设计了螺旋伺服进给装置，采用数控的方法，可以得到不同螺距或导程的螺纹不只是聚晶金刚石钻头，将病人脑中的血和血肿块抽出来的医疗器材--颅内血肿排空器中的关键零件（超细长不锈钢功能螺杆）也是用这种新型的工艺技术加工出来的在设计与工艺的发展历史上，经常出现相互促进、相互影响的情况如果工艺技术跟不上，就可能制约创新设计思想的实现目前，我国工艺技术跟不上设计技术的发展一些关键设备虽然设计出来了，但由于缺乏核心工艺技术，制造出来后却难以达到设计水平因此，如果不掌握核心的工艺技术，我们国家很难成为制造强国四、设计与工艺的发展方向随着科学技术的发展，设计技术获得了空前的发展由早期采用铅笔、丁字尺、绘图版、量角器、计算尺进行设计，逐步发展到利用计算机，采用 CAD 二维软件进行设计，再发展到当今采用CAXA、Pro/E、UG、Mastercam 等高级软件进行三维设计这种设计，不是简单的图面设计，而是包括数据库和专家系统在内、涉及产品质量的理论计算，甚至包括行之有效的仿真实验。
这就使得设计质量大大地向前跨进了一步在工艺技术领域，也取得了飞速的发展由常规的铸、压、焊技术发展到先进的热加工技术，由常规的车、铣、刨、磨、钳，发展到先进的数控加工，再发展到特种加工，还有一些针对性很强的如深细的小孔加工、五个自由度的叶片加工等而计算机辅助工艺规划（CAPP）技术的发展，与三维设计与仿真实验结合起来，就实现了高速、高效的数字化设计与制造另外，就是向着节料、节能、减排、精密和进一步满足专业化需求的方向发展这就是当今机械制造领域设计与制造工艺发展的主流总体来说，设计与工艺是制造业发展的双翼，二者彼此依赖，相互制约、相互促进只有这两个方面同时得到协调、快速的发展，才能使我国的制造业处于国际先进水平与此同时，我们还应该认识到，目前我国的工艺水平落后于设计水平，如果不迎头赶上，我国制造业的总体发展必然受其制约。