從事機械設(shè)計多年的經(jīng)驗分享

多年來,我在機械非標(biāo)設(shè)計一線跌跌拌拌,主持設(shè)計了幾十種產(chǎn)品的設(shè)計;在這些項目中與帝都知名設(shè)計研究院,著名高校及兄弟單位進(jìn)行過多次合作。深深體會到機械設(shè)計人才良莠不齊,渾水摸魚沽名釣譽之徒太多;大多數(shù)設(shè)計人員畢業(yè)后很少再學(xué)習(xí),甚至平均下來每月還不看一本專業(yè)書籍,所以其水平也不敢恭維。

國人學(xué)習(xí)做事喜歡捷徑找方法,總結(jié)起來有四種方法:模仿別人,學(xué)習(xí)別人的經(jīng)驗消化理解,這是最聰明的方法;經(jīng)過自己深思熟慮實踐,這是最寶貴的方法;總結(jié)自己失敗的經(jīng)驗和教訓(xùn),這是最痛苦的方法。國外的工業(yè)帝國有企業(yè)出書和工程師出書,讀幾本也受益匪淺。但是機械行業(yè)鑒于當(dāng)今知識產(chǎn)權(quán)做的不到位,機械行業(yè)大都互相堤防,不像電子等新興行業(yè),好多工程師把自己的經(jīng)驗發(fā)到論壇上分享。機械行業(yè)大家相互遮遮掩掩,唯恐被別人看破看懂;在此我想記錄下自己設(shè)計過程中的點滴,拋磚引玉,互相交流。

  
古代有三教九流之類的說法“一官、二吏、三僧、四道、五醫(yī)、六工、七匠、八娼、九儒、十丐”,一目了然,咱們做匠人的值得慶幸的是排到了娼前面。按照當(dāng)下國內(nèi)的說法人才分四類:首先是搞藝術(shù),因為中華藝術(shù)是神圣的所以咱們常人無法達(dá)到;然后一流人才做銷售,在中國各種政府采購及規(guī)則,能把銷售做好不亞于搞藝術(shù)。二流的人才做管理,神舟飛天好幾年了貪污腐敗到現(xiàn)在還沒好辦法,可見管理這譚水不是一般的深啊;當(dāng)放棄了夢想,失去了斗志,沒有了勇氣,不要過于悲傷,還可以做三流人才,做技術(shù)吧。

七月又一屆畢業(yè)的人才投入到祖國建設(shè)中;這時候可以驗證一下前面所說的三流人才。首先搞藝術(shù)的用就業(yè)就太俗了,所以就不談就業(yè)了。然后清華,北大,北理等名校的一流人才,大都會選擇出國或者外企,幫助洋人在中國推廣銷售優(yōu)秀產(chǎn)品,開盤穩(wěn)固國內(nèi)市場。二流人才就是各部屬重點院校的二流人才,大都能進(jìn)央企國企國家行政部門,企業(yè)或行政部門依靠背景資質(zhì)等承擔(dān)國家重任,有黨有錢的地方,當(dāng)然管理是首要任務(wù)。然后三流人才就不值一提了,勉強填飽肚子就知足了。

說句驕傲的話:機械的發(fā)明和精巧的設(shè)計僅僅是極少數(shù)天才人物憑知識和才能所掌握的一種技巧,而且在設(shè)計時除了設(shè)計者的直觀能力外,還要對設(shè)計過程的一系列關(guān)鍵過程加以分析,并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)律有計劃地予以實現(xiàn)。過去的幾位天才的工程師,如阿基米德、達(dá)·芬奇、尼古拉斯特拉、他們把設(shè)計思想留給了后人近代的富朗克、漢森、凱塞林、羅登納克、沃格包爾、等天才從事機械設(shè)計研究。但這些搞機械設(shè)計的人才們結(jié)局都不很樂觀,看過電影“太極”身為鐵道部總工程師的方子敬和機械設(shè)計工程師陳栽秧的悲催遭遇,還有發(fā)明家“灰太狼”身為機械設(shè)計的優(yōu)秀人才,卻為每天吃飽肚子發(fā)愁,我不明白為什么鄙視機械的片都這么流行;就好像央視那軍事評論員說美國的航母不環(huán)保一樣,自己做不好的東西就要鄙視。

深深地感覺到機械設(shè)計師——中國三流人才里最悲催的職業(yè)。之所以稱之為悲催就是經(jīng)過痛苦的掙扎和不懈的努力終于從繭里爬了出來卻發(fā)現(xiàn)自己不是蝴蝶。機械設(shè)計有這么難嗎,簡單地說:設(shè)計就是綜合。綜合是創(chuàng)造一套完成某項給定目標(biāo)的計劃或辦法的過程。規(guī)定機器的尺寸、形狀、材料和零件的組合以便使機器順利完成它的預(yù)定工作的過程。說深奧一些:設(shè)計過程的總體卻有一種非常象科學(xué)一樣的藝術(shù)特性,科學(xué)在設(shè)計中的作用僅是為設(shè)計者提供用以實踐他們藝術(shù)的工具。想成為一個優(yōu)秀的設(shè)計師,要經(jīng)歷一下幾個階段:
 

A、嬰兒級。

這個級別就是能掌握設(shè)計所需的工具;熟練操作CAD,ProE,SW,ANSYS、Mathcad等軟件,深刻理解材料力學(xué),工程力學(xué),機械設(shè)計理論,機加工工藝,金屬工藝學(xué)等基礎(chǔ)理論;熟練掌握公差配合,工程材料等基礎(chǔ)知識。當(dāng)然什么叫做熟練操作,經(jīng)常見那些自稱用某種軟件很熟練的小伙子們實際操作軟件的時候是那么生疏,熟練程度不好界定,如果必須量化那么只能給個近視量,如果用某個軟件繪制工程圖不到500張,如果三維模型畫夠上千個就別說自己是熟練。深刻理解力學(xué)理論也一樣,不說對那些要點如數(shù)家珍,最起碼說對一個學(xué)科能系統(tǒng)地從頭到尾穿起來。熟練掌握是更進(jìn)一步的要求,舉個例子,對于公差配合熟練掌握就是對基準(zhǔn)基準(zhǔn)體系、形狀公差、位置度公差、延伸公差帶、等知識熟記于心,對這些公差的應(yīng)用,公差的檢測,以及加工過程中保證這些公差的工藝等有初步了解。達(dá)到了這些要求,具備了機械設(shè)計的基礎(chǔ)知識。

B、幼兒級。

圖紙是工程師的語言,作為幼兒就應(yīng)該學(xué)會說話了;國標(biāo)就是語法,常用的三五十個制圖國標(biāo)應(yīng)該倒背如流,如果有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范會稍多一點,這些倒沒這么難繪制兩三千張工程圖這些標(biāo)準(zhǔn)就會形成一種習(xí)慣;關(guān)于制圖之前也曾說過“現(xiàn)在好多工作多年的機械設(shè)計人員連張像樣的圖紙都畫不出來”學(xué)會工程師的普通話。三維圖也是有語法的,并不是按照尺寸畫出三維圖就行了:是采用自上而下、還是自下而上,如果自下而上從零件時候就必須為下一步裝配,方針,修改做準(zhǔn)備;基準(zhǔn)面怎么選,用什么特征都不是隨便選的;零件圖繪制順序還要結(jié)合零件的加工工藝順序一致,是先拉伸切除還是先旋轉(zhuǎn)切除都要結(jié)合零件的加工工藝;三維圖裝配也一樣,根據(jù)裝配規(guī)范的總成逐級裝配。

  

C、兒童級。

兒童級是最為漫長的一個階段,這個階段可以在師傅的指導(dǎo)下完成簡單的零件設(shè)計。既然是設(shè)計肯定要對這個零件的功能要求力學(xué)性能了如指掌,然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧W(xué)計算;不要依靠分析軟件,因為當(dāng)沒搞明白本質(zhì)之前,靠軟件就是盲目的;在這里需要強調(diào)的就是在機械設(shè)計中任何軟件都是工具,真正寶貴的是設(shè)計者的思想和創(chuàng)意,而并非軟件。分析的目的在于獲得符合要求的工作性能的同時,做到重量輕巧,加工簡單,降低成本,其實歸根結(jié)底就是錢的問題;那么設(shè)計就可以理解為在某事某地某工況下為某以技術(shù)任務(wù)給出一個盡可能好的解決辦法所必須的一切綜合和分析的活動,在兒童級別可以狹義地理解設(shè)計即:確定一個零件部件機器的尺寸結(jié)構(gòu)及材料特性等。

這個階段應(yīng)該很清楚設(shè)計的每一個零件是怎么加工出來的,用到什么機床,采用什么樣的表面處理工藝,每個公差存在的意義,只有這樣才能保證你設(shè)計的零件在當(dāng)今的加工條件下能制造出來。然后就是裝配問題,心中應(yīng)該比較明確自己設(shè)計的部件,機器,是怎么安裝的,采用什么工具安裝,需不需要吊裝孔,要不要定位。然后維修,使用,易損件更換是否方便。這個階段應(yīng)該深刻認(rèn)識到對加工工藝了解遠(yuǎn)比理論更有意義,這個階段你會慢慢感覺到那些每天炫耀三維軟件制作三維動畫和生成紅黃綠網(wǎng)格的最多只能算是個制圖員。

當(dāng)終于把這個階段走完的時候,發(fā)現(xiàn)作為設(shè)計師終于可以自己設(shè)計一些簡單的結(jié)構(gòu)了。這時候也慢慢發(fā)現(xiàn)有人在罵你,或者說有機會挨罵了。因為生產(chǎn)、采購、使用、維修、運輸、所有的錯誤都可以歸結(jié)為設(shè)計的錯誤,的確如此,因為設(shè)計的時候都可以避免的。

首先車間的工人會罵你,理由如下。你設(shè)計的一個零件某個工序會讓他們更換20把刀具;因為你設(shè)計的零件某個公差要求導(dǎo)致加工合格率只有50%;因為你設(shè)計的零件加工時候需要翻來覆去折騰好幾次,甚至不得不為了加工一個零件而做了一堆工裝,因為你設(shè)計的一個零件質(zhì)檢人員檢測時必須用三坐標(biāo)才能檢驗。當(dāng)然也會有一些科研單位不在乎,實現(xiàn)同樣的功能難度越大越能證明研究所的技術(shù)水平高,甚至成為炫耀的資本,可以吹牛我這個零件必須用電火花,必須采用激光,必須采用特種復(fù)合材料噴涂。簡單就是科學(xué)是設(shè)計的通用思想,據(jù)說國外設(shè)計師完成一個零件設(shè)計后都要問自己兩句話公差精度可不可以再低一些,結(jié)構(gòu)可不可以再簡單一些;但是在國內(nèi)一切皆有可能,以后我把某研設(shè)計院特聘專家們讓人作嘔的設(shè)計跟同行們作為反面教材分享一下,因為這是我迄今為止見過犯錯誤犯的最全面的設(shè)計。

其次就是產(chǎn)品使用者會罵,理由更多。設(shè)計出的設(shè)備難以操作,或者你寫的使用說明書密密麻麻50頁,讓操作者難以掌握,操作者是反應(yīng)問題最多的,所以你的設(shè)計必須把使用產(chǎn)品的人想的足夠笨。然后就是誤操作,不要懷疑,誤操作也是設(shè)計者的設(shè)計失誤造成的,如果你把兩個按鈕設(shè)計的一樣,操作者肯定會不小心按錯啊。然后就是舒適度,如果你了解操作者手操作的最佳高度是1~1.2米,一般人手操作50N左右的時候最舒適,低于20N的操作件要考慮誤操作的可能性,大于130N的操作件人會感覺費力。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕y(tǒng)計計算可以解決這個問題:一個操作手柄在多高的位置需要多大的力量可以扳動這個是可以計算的,一個普通工人在指定工況下所能輕松扳動的力量也是可以統(tǒng)計的,人在什么高度下操作最舒適也是可以統(tǒng)計的,手握手柄的時候當(dāng)手柄做成什么形狀什么尺寸最舒服,所有的這些問題都要想到。

如果這些都滿足了,也許客戶依然會感覺你的設(shè)計不太舒服,或許操作者自己也說不出是哪設(shè)計的不合理;這些設(shè)計者依然可以避免,《機械設(shè)計心理學(xué)》和《設(shè)計美學(xué)》這是設(shè)計者的必修課。例如你在一個儀表盤上的數(shù)據(jù)顯示了8位數(shù)字,但是一般人的記憶的最佳長度是不大于7位;例如你某個結(jié)果設(shè)計的足夠堅固,可以別人看起來總感覺你這結(jié)構(gòu)弱不禁風(fēng);例如本來一個具有親和力的產(chǎn)品,經(jīng)過你設(shè)計后卻讓人感覺不敢觸摸,等等這些問題,你都可以在心理和美中找出答案解決。
 
接下來就說說包裝運輸及維修,這些因素也應(yīng)該是設(shè)計者需要考慮的。產(chǎn)品采用什么樣的包裝方式,怎么運輸,采用公路運輸時候長寬高的限制,如果需要出口產(chǎn)品還要考慮集裝箱因素,等等一系列問題。維修更是一門學(xué)問,還是那句話“簡單就是科學(xué)”;同樣的產(chǎn)品別的設(shè)計師設(shè)計的需要取得麻省理工學(xué)士學(xué)位的才能維修,你設(shè)計的只需要一個農(nóng)民工便可維修,這就是設(shè)計的境界;同樣別家的產(chǎn)品維修售后人員帶兩把扳手兩種配件就搞定了,而你設(shè)計的產(chǎn)品需要帶一套呆扳手一套套筒扳手一套內(nèi)六角扳手,外加20種規(guī)格配件,這肯定是你設(shè)計的失敗。
 
所以要做一個少挨罵的設(shè)計師,還要樹立終身學(xué)習(xí)的決心。設(shè)計是一份充滿挑戰(zhàn)的工作,所以不要抱怨有多少人罵你,也不要想原來我的設(shè)計水平是這么爛。
 

D、少年級。

最漫長的兒童級終于熬過去了接下來就是少年級。所謂年少輕狂,這時候感覺自己水平面面俱到,設(shè)計也比較輕浮、狂妄,不會深思熟慮,感覺自己經(jīng)驗豐富,總是想當(dāng)然。

到了這個階段可以用愛去形容,深深地愛著自己的每一個產(chǎn)品,深深地愛著自己的行業(yè)。每一個產(chǎn)品都是設(shè)計師的孩子;引用一句名言“付出才會愛”,那么付出太多才會愛的癡狂。因為為機械設(shè)計付出過那么多辛勤的汗水;為了設(shè)計某個產(chǎn)品而徹夜難眠,甚至為設(shè)計中的一個失誤而在夢中驚醒;注重每個細(xì)節(jié)甚至為了某個螺栓的取舍而費盡心思;為了攻讀某個學(xué)科而熬過的無數(shù)個夜晚;為了未知領(lǐng)域自己一個人與枯燥的專業(yè)書為伴;最好的年華獻(xiàn)給了機械,所以輕狂一些可以理解因為你已經(jīng)具備了一些可以輕狂的基礎(chǔ)。

工藝方面。這個階段不但清楚地知道每一個零件是怎么加工出來的,而且知道這個零件有多少種加工方法,每道工序在機床上裝卡幾次,需要什么樣的機床附件,需要用到什么規(guī)格的刀具等;拿螺紋為例:車削內(nèi)外螺紋各需要什么的車刀,常見螺紋刀有多少種,螺紋刀進(jìn)刀方式有多少種,梯形螺紋鋸齒形螺紋矩形螺紋各怎么加工。

總之,一切錯誤都是設(shè)計者的錯,機械設(shè)計者是可憐的。設(shè)計出好的產(chǎn)品并非是件容易的事情。廠商希望盡量降低成本,銷售商希望產(chǎn)品能吸引客戶。客戶在采購時候領(lǐng)導(dǎo)會注重產(chǎn)品的價格、外觀和品牌;一線使用人員更在乎產(chǎn)品的功能和操作。售后維修人員所關(guān)心的則是產(chǎn)品拆裝、檢查和維修的難易度。與產(chǎn)品相關(guān)的各方面有不同的需求,而且這需求還經(jīng)常相互沖突。即便如此,一個優(yōu)秀的設(shè)計師依然能夠設(shè)計出讓各方面都能接受或都能滿意的產(chǎn)品

自己一番牢騷寫了這么多字,毛爺爺說過“牢騷太盛防腸斷,風(fēng)物長宜放眼量”。看來我的廢話是有點多了,言歸正傳。錢學(xué)森臨死之前給教育部長寫信說:”為什么我們的學(xué)校就培養(yǎng)不出杰出人才呢“,著名的錢學(xué)森之問。民國時期培養(yǎng)的知名科學(xué)家:鄧稼先、侯德榜、梁思成、吳有訓(xùn)、陳建功等,建國后就再也沒出過國際公認(rèn)的什么家了。

機械領(lǐng)域也是一樣,1949年建國,經(jīng)過9年義務(wù)教育8年高等教育,1949+9+8=1966年新人才開始寫書,事實也正是如此,1966年以后出版的機械書籍中很難找到一本好書,大都是為了職稱積分等拼湊的專業(yè)書。1985年教育改革開始,隨著電腦的推廣,掃描及復(fù)制粘貼水平迅速提高,專業(yè)書籍的數(shù)量與日俱增,這時候就會想,同樣是復(fù)制黏貼為什么還會有錯的呢,難道是蓋茨的程序錯咯。

如果不湊書,不拼對教材;其實復(fù)制黏貼的水平高低對于機械設(shè)計來說并不重要 。機械設(shè)計的重點在于以下幾個方面:
 

1、繪圖是一個設(shè)計師的臉面,面子工程。

由一張圖紙可以看出一個工程師的基本素質(zhì),一張圖紙可以看出設(shè)計師的嚴(yán)謹(jǐn)程度和對國標(biāo)的掌握情況,一張圖紙也可以看出設(shè)計師對加工工藝的熟悉程度。繪圖的境界就是嚴(yán)謹(jǐn)與藝術(shù)的結(jié)合,所有的標(biāo)準(zhǔn)、知識、分析都是為了一個字“美”,這是對繪圖的較高層次的要求。作為設(shè)計師的基本功,所謂功到自然成,“繪制過18K張圖紙,才會看到超越機械的美”。

2、螺紋的設(shè)計應(yīng)用可以看出設(shè)計師的基礎(chǔ)。

看一個設(shè)計師水平高低就要看他設(shè)計的螺紋,基礎(chǔ)是硬工夫裝不出來的。螺紋就像是數(shù)學(xué)中的“0”,最簡單卻又最復(fù)雜,隨處可見但又千變?nèi)f化。從日不落帝國發(fā)明了英制螺紋,然后山姆大叔推行聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)并衍伸到公制(米制)螺紋,公制螺紋在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜斩褡逋茝V至歐洲大陸然后漂洋過海來到了中國,螺紋在漫長的演變中應(yīng)用到各種各樣的工況。常見的米制普通螺紋,美制統(tǒng)一螺紋,英制惠氏螺紋,小螺紋,航空航天螺紋。用于傳動的米制梯形螺紋,愛克母螺紋,米制鋸齒螺紋,美制鋸齒形螺紋,英制鋸齒形螺紋。用于密封的英制密封管螺紋,英制非密封管螺紋,日韓舊英制管螺紋,美制密封管螺紋,美制干密封管螺紋,美制非密封管螺紋米制管螺紋。另外還有行業(yè)專用螺紋等。螺紋作為復(fù)制的空間曲面力學(xué)分析更為復(fù)雜。

3、公差是一門哲學(xué),是一種思想。

公差配合是機械的精髓所在。公差之所以稱為精髓,因為公差是影響產(chǎn)品性能,成本的重要因素;公差可以解決降低成本和保證性能的矛盾;對公差的理解也可以看出設(shè)計師空間想象能力,抽象事物理解能力,邏輯思維能力。在我所接觸過的機械設(shè)計行業(yè)中,能搞明白公差的人少之又少,說白了就是沒有;在我看過有關(guān)公差的書籍里,能寫明白公差的人寥寥無幾,大都一知半解就粘貼上去了。我曾去圖書館查閱關(guān)于公差的書籍,這類的書籍在書架上應(yīng)該有上百本,但是從深度上沒有找到一本滿意的,不禁想國圖首圖這些人們采購書的時候。。。。。