机械创新设计(第八章)

第八章反求工程与创新设计第一节反求工程概述把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的捷径。称这一过程为反求工程（或逆向工程）。在20世纪中后期，世界各国基于引进技术的为反求工程的应用已非常广泛，总结了许多应用反求工程进行技术创新的经验，其中以日本的技术引进与创新最为突出。在二战结束后，日本在经济上落后二、三十年。为恢复和振兴经济，日本在20世纪60年代提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”于是日本在消化、吸收引进技术的基础上，采用移植、组合、改进等方法开发出许多创新产品，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。美国人发明的晶体管技术原来仅用于军事领域。但日本S0NY公司买回晶体管专利技术后，进行反求研究，移植于民用领域，开发出晶体管收音机，占领国际市场。日本东洋工业公司1961年从西德引进了一种旋转活塞发动机，经过运转实验后，发现活塞表面容易产生振纹失效，于是由此研究发明出理想的润滑耐磨材料、密封材料及非破坏检验法（ＮＤＩ）克服了振纹。此后，日本的旋转活塞发动机质量超过西德，并畅销全球。日本战后的“吸收性战略”获得了巨大的成功，1945~1970年，日本用60亿美元引进先进技术，并投资150亿美元进行消化吸收，取得约26000项技术成果。成功的技术引进使日本节省了约9/10的研究费用，节省了2/3的研究时间。反求工程的基于引进技术的反求工程一般要经历以下过程：（1）引进技术的应用过程学会引进产品或生产设备的技术操作和维修，做到“知其然”。（2）引进技术的消化过程对引进产品或生产设备的设计原理、结构、材料、制造工艺、管理方法等项内容进行深入的分析研究，做到“知其所以然”。大量采用为日本的经济振兴，进而创造和开发各种新产品奠定了很好的基础。（3）引进技术的创新过程在上述基础上，消化、综合引进的技术，采众家之长，进行创新设计，这一过程是反求工程最重要的环节，也是利用反求工程进行创新设计的最后结果阶段。反求设计的过程就是从认识产品到再现产品，进而再创新性的开发产品的过程，反求设计已成为世界各国发展科学技术，开发新产品的重要设计方法之一反求设计中应注意的问题（1）探索原产品的设计思想是产品改进设计的前提。（2）探索原产品的原理方案设计各种产品都是按一定的要求设计的，而满足一定要求的产品，可能有多种不同的形式。所以产品的功能目标是产品设计的核心问题。不同的功能目标可引出不同的原理方案（3）研究产品的结构设计产品中零、部件的具体结构是产品功能目标的保证，对产品的性能、成本、寿命、可靠性有着极大的影响（5）对产品的零件公差与配合公差进行分析公差问题的分析是反求设计中的难点之一。（6）对产品中零件的材料进行分析（7）对产品的工作性能进行分析通过分析产品的运动特性、动力特性及其工作特性，了解产品的设计方法，提出改进措施。（8）对产品的造型进行分析（9）对产品的维护与管理进行分析反求工程与科学技术的发展在当今世界上，只有科学技术才能兴国。由于各国科学技术发展的不平衡，经济发展速度的差距很大。引进发达国家的先进技术为已用，是发展本国经济的最佳途径。我国是一个发展中的国家，科学技术相对落后，投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是安全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。而且涉及到发展经济的科学技术领域非常广泛，我国也缺少巨额资金去进行大面积的科技研究。因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿造或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。反求设计是创新的重要方法一般情况下，有两种创新方式。第一种是从无到有，完全凭借基本知识、思维、灵感与丰富的经验。第二种是从有到新。借助已有的产品、图样、音像等已存在的可感观的实物，创新出更先进、更完美的产品。反求设计就属于第二种创新方式。由于已存在真实的东西，人的设计方式是从形象思维开始的，用抽象思维去思考。这种思维方式符合大部分人所习惯的形象—抽象—形象的思维方式。由于对实物有了进一步的了解，并以此为参考，发扬其优点，克服其缺点，再凭借基本知识、思维、洞察力、灵感与丰富的经验，为创新设计提供了良好的环境。反求设计与知识产权在从事反求设计时，一定要懂知识产权，不要侵害别人的专利权、著作仅、商标权等受保护的知识产权。同时也要注意保护自己所创新部分的知识产权。一定要处理好引入技术与反求设计的知识产权关系。第二节已知机械设备的反求与创新设计因存在具体的机器实物，又称实物的反求设计。硬件的反求设计，是反求工程中最常用的设计方法。一、机械设备反求设计的种类与特点1．机械设备反求设计的种类（1）整机的反求如一台发动机、一台机车（2）部件反求如机床中的主轴箱、后桥、液力变矩器飞机的起落架等，一般是关键部件（3）零件反求如凸轮轴、后桥中的圆锥齿轮2．机械设备反求设计的特点（1）具有形象直观的实物，有利于形象思维。（2）可对产品或设备的性能、材料等项内容直接进行测试与分析，以获得详细的设计资料。（3）可对产品或设备的尺寸直接进行测试与分析，以获得重要的尺寸设计资料。（4）目的是反求仿制时，缩短了设计周期，提高了产品的生产起点与速度。（5）仿制产品与引进产品有可比性，有利于提高产品的质量。（6）在仿制的基础上加以改进和创新，为开发新产品提供了有利条件。二、机械设备反求设计的过程反求设计分为两个阶段：反求阶段再设计阶段反求阶段：通过对原有产品的剖析，知其所以然。吸取其技术精华、关键技术，达到为我所用。分析原有产品的技术矛盾，为改进或创新提出方向。再设计阶段：进行二次设计，开发出同类型的创新产品机械设备反求设计一般要经历如图所示的流程。三、零、部件的测绘与分析在进行测绘之前，应备齐、读懂有关资料，为反求设计作前期准备工作。曲柄摇杆机构—完成驴头的往复摆动，实现抽油的目的。减速箱实现减速的目的带传动起减速和过载保护的作用。驴头做成圆弧状，是保证井绳的直线运动在进行零、部件的测绘之前，首先要明确待反求设备中各零、部件的功能。如图所示的抽油机进行反求设计。1．机械设备的分解原则1）遵循“能恢复原机”的原则进行拆机。2）分解的零、部件按机器的组成进行编号，并有专人保管。3）拆后不易复位的零件（如游标、度盘等部件）、过盈配合的零件或有些特殊的组件可不进行分解。4）分解过程中要有分解记录，尤其是那些难拆的和有装拆技巧的零件的分解过程要记下。2．测绘的一般方法被测零件的形状千差万别，但按其在机械中所起的作用可分为联接、紧固零件、传动零件、密封件和箱壳类零件等。在测绘时要标明是否为标准件。测绘之前，要对样机进行分解，以便测量测绘时要基本按比例画出零件草图，然后标注测量尺寸。在进行尺寸测量时要注意以下问题：1）选择测量基准。机械零件有两种尺寸。表示零件基本形体相对位置的定位尺寸表示零件基本形体大小的形状尺寸定位尺寸确定后才能确定形体尺寸。尺寸基准一般为底面端面中心线轴线对称面2）关键零件的尺寸要进行多次测量，取其平均值为测量尺寸。3）对配合尺寸、定位尺寸等功能性尺寸要测量到小数点后三位数字，没有公差的非功能性尺寸，仅测量到小数点后一位数字即可。4）测量具有复杂形面的零件时（如汽轮机叶片、凸轮廓线等），要边测量、边画放大图，以检查测量中出现的问题，及时修正测量结果。5）有些不能直接测量到的尺寸，要根据产品性能、技术要求、工作范围等条件，通过分析计算求出来。从实测尺寸推论出原设计尺寸：设所测零件尺寸均为合格尺寸实测值一定是图样上规定的公差范围内的某一数值，即实测值=基本尺寸±制造误差±测量误差又根据概率统计原理，零件尺寸的制造误差与测量误差的概率分布服从正态分布规律，尺寸误差位于公差中值的概率最大。3．实测尺寸数据的处理制造误差与测量误差之和应小于或等于给定的公差，实测值应在最大极限尺寸和最小极限尺寸之间。对于一些重要的配合尺寸，还要把实测尺寸分解为基本尺寸和公差值。在确定基本尺寸时，首先判别是基孔制配合还是基轴制配合，基孔制配合的孔的上偏差为正值。下偏差为零，基轴制配合的轴的上偏差为零。下偏差为负值。假如实测尺寸为基本尺寸与公差中值之和，则孔或轴的基本尺寸应满足下面不等式：在处理基本尺寸小数点后面两位的尾数时，可按国际数字修约规则“四舍六入五单双”的原则处理尾数。逢四则舍，逢六则进，遇五以保证偶数的原则决定舍进。例有一实测尺寸为73.52mm，采用基孔制。问：基本尺寸为多少？基孔制：孔的基本尺寸孔的实测尺寸轴的基本尺寸孔的实测尺寸孔的实测值-基本尺寸≤1/2孔公差（IT11级）基轴制：轴的基本尺寸轴的实测尺寸孔的基本尺寸轴的实测尺寸基本尺寸-轴的实测值≤1/2轴公差（IT11级）根据“四舍六入五单双”的原则，取基本尺寸为73.5mm。由不等式，可有73.573.5273.52-73.5=0.021/2孔公差（IT11的孔公差为0.11mm）1/2孔公差=1/2×0.11=0.055这说明将其圆整到73.5是正确的。四、公差的反求设计与创新反求设计中，因为零件的公差是不可能测量的。尺寸公差只能通过反求设计来解决。1．配合公差的反求设计实测值是知道的，基本尺寸可以计算出来，由二者的差值查阅公差表。选择配合精度，按二者差值小于或等于所对应公差的一半的原则，最后决定出公差的精度等级和对应的公差值。基孔制：孔的实测值-基本尺寸≤1/2孔公差（IT11级）基轴制：基本尺寸-轴的实测值≤1/2轴公差（IT11级）对样机的实测结果选择形位公差时，要注意以下原则：1）确定同一要素上的形位公差时，形状公差值应小于位置公差值。要分清二者的关系。如要求两平面平行时，其平面度公差值要小于平行度公差值。2）圆柱类零件的形状公差值在一般情况下应小于其尺寸公差值。3）形位公差值与尺寸公差值相适应。4）形位公差值与表面粗糙度相适应。粗糙度很大，一般无形位公差要求。5）选择形位公差时，要考虑到加工方法。2．形位公差的反求设计3．表面粗糙度的确定机械零件的表面粗糙度可用粗糙度仪较准确地测量出来，再根据零件的功能、实测值、加工方法，参照国家标准，选择出合理的表面粗糙度。五、机械零件材料的反求设计与创新1．材料的成分分析1）火花鉴别法2）音质判别法3）原子发射光谱分析法4）红外光谱分析法该方法多用于橡胶、塑料等非金属材料的成分分析。5）化学成分分析法该方法是金属材料的常用定量分析法。6）微探针分析法利用电子探针、离子探针等仪器对材料的表面进行定性分析或定量分析。2．材料的组织结构分析材料的组织结构分析是指材料的宏观组织结构和微观组织结构。宏观组织结构分析时，可用放大镜观察材料的晶粒大小、淬火硬层的分布、缩孔的缺陷等情况。利用显微镜可观察材料的微观组织结构。3．材料的工艺分析材料的工艺分析是指材料的成形方法。铸造、锻压、挤压、烧结、焊接、机加工以及热处理等是最常见的工艺。反求时，可酌情处理。4．材料的硬度分析可通过硬度计测定材料的表面硬度，并根据硬度或表面处理的厚度判别材料的表面处理方法。硬化层约为0.15~0.3mm。高频淬火。硬化层约为0.2~1.5mm。渗碳淬火硬化层约为0.8~1.5mm。碳氮共渗硬化层约为0.5~0.8mm。详细情况可查阅有关手册。通过对材料的分析，结合我国国产材料的具体性能，选择合适的代用品。例：对进口汽车发动机活塞销的材料与工艺进行反求图8-5a所示的活塞销材料为20Cr。其内外孔表面均进行了渗碳淬火，外表面的渗碳层厚为0.8mm，硬度为60HRC。内表面的渗碳层厚为0.3mm。活塞销的内表面无机加工痕迹，说明该活塞销是冷挤压成形的。活塞销的内表面中部有环状痕迹，说明是由上下两个冲头同时挤压成形的。图8-5b所示为挤压加工活塞销示意图。该活塞的加工艺过程如下：冷挤压成型—渗碳—淬火—低温回火—磨削加工—成品六、关键零件的反求设计与创新任何机器中都会有一些关键零件，是生产商要控制的技术。这些零件是反求的重点，也是难点、高速机械中的轴承、重型减速器中的齿轮等都是反求设计中的关键零件。七