浅谈结构设计中注意的几个问题

文海鹏

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂材料工艺所，湖北荆州434024)



浅谈结构设计中注意的几个问题

文海鹏

(中石化石油工程机械有限公司第四机械厂材料工艺所，湖北荆州434024)

摘要：结构设计时对相关知识的不了解，会提高制造成本,降低材料的利用率和零件的使用寿命。鉴于此，对材料与热处理之间的关系、粗糙度对材料性能的影响；以及各种结构型式对制造成本、材料使用性能和产品质量的影响进行阐述。这对设计者在机构设计时选取合适的材料及设计出优良的结构将有很大的帮助。

关键词:材料选取结构设计使用寿命

设计一个零件时，首选考虑材料选择问题，根据零件所处的作用和使用场合，选择不同的材料并采用不同的热处理方法，使材料的机械性能达到最佳状态，有效降低制造成本；合理标注粗糙度将会提高材料的利用率，这样可以降低设计成本，减少不必要的浪费和提高经济效益；好的机械、焊接结构设计，不但提高零件的质量，而且有助于提高产品的使用寿命和经济效益。

1材料选取对机械性能的影响

设计一个零件时，首选考虑选择何种材料，根据该零件在产品中所处的作用来选择，一般来讲，零件如果受载荷不大，可选择普通碳钢就可以满足零件的使用要求，如果零件承受较大的载荷，就要求零件有较高的抗拉强度，可选择优质碳钢或合金钢经过调质处理来满足强度要求，根据所受力的形式来确定是否选用淬透性好的材料，如承受拉伸或压缩载荷，可选择淬透性好的合金钢材料，淬透后整个截面强度的综合机械性能是一样的，如只承受扭矩负荷，那么只要求从外径到中心一半淬透就可以满足性能要求，因为从外径到中心受扭矩力逐渐减少，中心不受扭矩力，那么选取优质碳钢经过调质处理就可以满足使用要求；如果零件承受摩擦的环境，零件就需要有好的耐磨性，选择合金钢经过调质后芯部有较好的综合机械性能，其表面经过淬火处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况，可选择低碳钢经过渗碳处理就可以增加表面的耐磨性；零件如承受交变载荷，零件就需要有较高的抗疲劳性能，不需要很高的强度，只需要采取一定的工艺措施来提高材料的抗疲劳性能，如表面经过滚压加工、喷丸、高频淬火或渗碳处理等表面强化方法都会提高材料的抗疲劳性能，这对提高材料的使用率和降低设计成本有很大的意义。

2粗糙度对材料使用性能的影响

我们的设计人员在设计零件时，对粗糙度标注很随便，其实粗糙度标注也要根据零件使用的场合来确定其值大小，粗糙度一般指的是轮廓算术平均偏差Ra如活塞杆或活塞等需要密封的表面，这些表面的光洁度要求高既粗糙度要求低一些，粗糙度在Ra=0.2～0.4左右,才能进行有效的密封,粗糙度太高很快就会磨损使密封失效，如粗糙度太低，接触面无法储藏油膜，也会使零件很快磨损而失效，在装轴承等配合的面粗糙度一般在Ra=0.8左右；一定要注意，有些没有配合又没有其它要求的面，粗糙度要求不要太高，一般在Ra=12.5就满足使用要求，否则造成加工浪费，相应增加制造成本, 而有些高强度钢如合金刚经过调质处理后有较高的机械强度，如在重负荷或交变载荷的工作环境下使用，如果这些零件表面粗糙度太高，而且合金钢对应力集中更为敏感，在这样的工作环境下，这些较高的粗糙度就会产生应力集中形成了裂纹源，零件就会产生裂纹从而使零件报废，甚至造成设备损坏或人员伤亡等重大安全事故。

3机械结构型式对制造成本和材料使用性能的影响

3.1提高生产效率和降低制造成本的结构

1)有配合的表面一般都需要精加工,设计时尽量减少配合面的长度，如果需要配合件的稳定性，可将中间孔加大减少配合面或改进结构型式，这样中间孔或整个面不需要精加工，可使加工面长度减少或只进行粗加工即可，这样提高了工作效率和产品的使用质量。某油缸上的一个零件导向套(图1)，它的外圆与缸体内圆有配合关系，外圆表面光洁度要求较高Ra为1.6,其作用是活塞杆上下运动过程中起扶正活塞杆作用，外圆整个长度范围内都需要精加工后达到光洁度Ra=1.6的要求,这样的结构一是与缸体配合面较长需要外圆尺寸精度较高，光洁度要求较低，因此先经过粗加工，然后进行精加工，二是精加工的面加长增加了工时,也消耗了不必要的功率和增加了加工成本,为此,我们对其结构进行了改进(图2)，在外圆上加工几个凹槽，在凹槽内装上扶正环,扶正环与缸体配合进行扶正，外圆不再是配合面，也不与缸体进行配合，其外圆和缸体内圆之间有1.5 mm的间隙，所以外圆不需要精加工，只进行粗加工使光洁度达到Ra=12.5就可以,只对这几个凹槽进行精加工达到Ra=1.6就可满足产品的功能,这样减少了工时、缩短了制造时间;而且扶正环材质为聚四氟乙烯，损坏后可以进行更换， 这样不但提高了产品的质量，也降低了制造成本。

图2　改进后的导向套结构示意图

2)螺纹深度的选择。 在螺纹设计时，设计者在标注螺纹深度时很随意，螺纹设计都很深,这样增加工时造成的加工浪费，会使刀具磨损加剧，降低刀具的使用寿命，所以在标注螺纹深度时一般来讲螺纹深度为螺纹公称直径再加上2个螺距长度即可，如M24螺纹，螺距为3,则加工螺纹深度为24+2×3=30 mm即可。

3.2减少应力集中的结构

结构设计时注意减少应力集中的结构，如在结构形状和尺寸突变的地方最容易产生应力集中，因此尽量避免结构形状和尺寸突变的结构设计，如果有尽可能平滑和均匀过渡，尽可能增大过渡处的圆角半径，同一零件相邻剖面处的刚性变化尽可能的小，这样可大大降低应力集中；两个零件配合边缘处也会产生应力集中，应采取增大配合处的直径或在轴上开减载槽等结构来减少此处的应力集中；还有零件的表面粗糙度对零件的疲劳强度影响最大[1]，因为疲劳裂纹常发生在表面粗糙的部位,特别是合金钢影响最大，因为合金钢对应力集中更为敏感，降低表面粗糙度显得更为重要，所以当选用材料为合金钢时，其表面粗糙度应该比较小，否则没有起到好材料的使用价值。还有一些热处理零件如轴类，在进行热处理过程中，如果有尖角或较小的倒角就会在热应力作用下而产生裂纹，导致零件材料损坏。

3.3提高抗弯结构的设计

当零件承受弯矩时就要考虑哪种截面抗弯能力强，抗弯能力的大小用截面矩量W来衡量，截面矩量W是表明材料正应力强度的一个数量，数量大则抗弯能力强，而截面矩量与截面形状有关系,截面形状的不同其抗弯能力也不一样，这就使得对材料截面形状的正确选取显得尤为重要，要正确选择合适的截面形状必须对各种截面的截面矩量的大小有所了解和掌握；如果两个截面形状不同而面积相等，则截面矩量大的截面就比较经济合理，可用截面矩量W与截面面积F之比来衡量，即W/F=K比值来衡量材料的经济程度，比值越大其使用经济越好，圆形截面K=0.125，矩形截面K=0.17，工字钢截面K=0.29-0.31，槽钢截面K=0.27-0.31，从K值就可以看出在这几个截面形状中选择工字钢抗弯能力最强，翼缘部分正应力值很大，可承担绝大部分的弯矩，而腹板部分剪应力值很大，承担了绝大部分的剪力，这两部分都发挥了最好的作用，即选择工字钢截面使材料的使用经济比较好；从圆钢正应力的变化规律来看，离中性轴越远处正应力越大而面积却越小，而中性处材料越多，中性轴处的材料没有充分发挥作用；所以圆形截面其经济性最差，其次较好的是槽钢、矩形钢。

4焊接结构设计对产品质量的影响

在设计中遇到许多焊接结构，如果焊接结构不合理，轻者对焊缝质量有直接影响，重者会引起安全事故，在考虑焊接结构时，要注意以下几个方面。

4.1减少焊接变形的结构

1)设计焊缝时，焊缝与焊缝之间尽量互相错开，不能相距太近，如相互交叉则焊缝互相影响，使焊接产生过热组织，也会加大热影响区，导致焊接变形增大，过大的变形不但影响产品的质量，而且也会影响焊缝质量，焊缝与焊缝之间的距离我们一般要求大于3倍钢板的厚度且应不小于100 mm比较合适。

2)设计焊缝的位置尽量对称布置，如果焊缝位置布置不对称，焊缝布置偏向一侧，由于焊缝的收缩，就会产生较大的变形,影响产品的质量；当焊缝对称布置时，两边的焊缝产生的变形能互相抵消，使焊接变形变小[2]。

4.2减少焊接受力不好的结构

在最大应力及应力集中的部位不要布置焊缝，如两节梁焊接而成，梁中间受集中载荷，这时焊缝不应布置在中间部位，应该避开这个载荷，可采用三节梁焊接而成，即多增加一道焊缝来实现避开最大应力处布置焊缝，也不应该在构件截面有急剧变化的位置或尖角部位布置焊缝，因这些部位易产生应力集中,容易使焊缝产生裂纹，影响焊缝质量。

4.3焊接坡口对产品质量的影响

图3　低压容器焊接坡口图

当焊接两块板厚度一般大于6 mm以上时，为使电弧伸到接头根部而保证焊透，焊透后焊缝成型较好，而且容易清理焊缝，其次是保证焊缝强度也比较高,就要对焊接板开焊接坡口,坡口型式有很多型式，有V型、U型、X型和双面U型等，V型和U型坡口属于单面焊接，焊接变形较大，而且焊条消耗量也大；X型和双面U型坡口属于两面施焊，受热比较均匀,焊接变形也较小,产生的内应力也较小，其焊缝金属中母材所占比例也较小，即融合比较小，而且焊条消耗量也较小,缺点是易受结构形状限制，不能采用两面施焊,其次U型或双U型坡口形状比较复杂，要用机械加工来加工坡口，增加了制造成本，所以一般在重要的受动载荷的部位或大厚度钢板中采用这类坡口。有一个低压容器焊接坡口型式见图3，由于管与封头之间为V型坡口，如果开X型坡口里面焊缝无法施焊，因此开V型坡口比较合理，但由于开的V型坡口钝边设计为5 mm比较厚，因此无法焊透，所以会在管与封头之间的缝隙中留存有焊渣无法清理而产生焊接缺陷，而且没有焊透的焊缝其强度也较低，因此尽量避免这种无法焊透的坡口，把V型坡口钝边改为1 mm~2 mm左右，两个零件的焊接间隙取1 mm，这样就属于焊透性坡口，焊透后的焊缝避免了焊接缺陷并提高了材料的强度，这样的坡口型式才是最好的。

因此设计者要想设计出优良的结构,必须了解材料性能与热处理、表面粗糙度之间的关系；这对提高材料利用率和材料性能有很大的帮助，以及掌握结构型式对制造成本和零件寿命的影响，将很好的减低制造成本和提高产品的质量；通过掌握这些相关知识,将有助于提升产品寿命和使用性能，更好的提高产品的经济效益。

参考文献

[1]孟少农.机械加工工艺手册(第1卷)[M].机械工业出版社，1991.

[2]陈祝年. 焊接工程师手册[M].机械工业出版社，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

作者简介：文海鹏(1971-) ，男 ,籍贯:湖南省永州市,职称:高级工程师,主要从事机械制造工艺研究,已发表论文13篇。

中图分类号：TH131.3；TH131.2

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0079-04