论文题目：一异形炉架的制造复杂性研究
摘要:以一异形炉架制造为例，不断改进设计，以适应有限的制造条件，逐步实现制造目的;通过探讨各阶段制成品的制造方法、失效原因和试制失败的原因，总结研制经验。试制的结果表明:可通过不断改进设计来克服生产条件简陋所带来的困难，设计与制造是相互影响的，要将两者很好的融合，需要积累很多知识。
关键词:异形炉架;机械制造;复杂性分析;工艺性分析
1、问题的提出
一家用炉架如图1所示，它是一铸铁件，因为使用过程中经常接触高温和水等腐蚀介质，锈蚀速度很快，两年就锈成图示状态，各支撑脚部位都快锈断，给继续使用带来安全隐患，必须想办法解决。
图1 家用炉架的实物照片
联系原制造厂家，但厂家已经倒闭，没有继续生产;市场上购买吧，它又是异形炉架，底座是椭圆形，市场上只有底座是正圆的标准炉架，如图2所示;整体更换新炉灶吧，成本太高，七八百元的炉灶，仅仅只使用两年就因炉架不能使用就更换，炉身完整无缺，未免太浪费了。权衡再三，决定自己制造。本文试图还原制作过程中所经历的反复，再现在极其有限的机械制造条件下，如何逐步解决该异形炉架制造问题过程，以此为例，探索设计与制造的关系，总结经验，为类似制造提供参考。
图2 标准炉架的实物照片
2、原异形炉架制造方法及锈蚀成因探索
原异形炉架自身不存在设计困难，其主体造形已经确定，且结构简单，没有太多的改变空间;它不像文章［1］中所述的解决机械创新样机实现中的有无问题，那种情况下可改变的空间很大;但是对于一个并非专门从事机械生产，生产条件缺乏，以教学为主的单位而言，这样一个简单的零件制造起来却困难重重。
从原异形炉架的成品材质来分析，它是用铸造方法制造而成，又因上面部分存在弯钩状、不便于起模来判断，它采用实型铸造，即用泡沫塑料代替木模或金属模进行造型，造型后模样不取出，铸型呈实体，浇入液态金属后，模样燃烧气化消失，金属液充填模样的位置，冷却凝固成铸件［2］。
实型铸造由于没有型腔和分型面，不必起模和修型，与普通铸造相比工序简单、生产周期短、效率高、铸件尺寸精度高，可采用无粘结剂型砂，劳动强度低，而且零件设计自由度大，因而实用范围广［2］。由表面的粗糙状况分析，原铸件采用底面的浇注口;从锈蚀情况来分析，在立柱与底座的四个联接部位锈蚀程度最为严重，这是由于该部位壁厚不均匀，铸造冷却成型时速度不一致，导致存在缩孔、缩松等缺陷，加速锈蚀［2］。如果按原厂家生产方法制造，需要砂型、实物模型、熔化金属液的钳锅等设备，砂型和实物模型好制造，但关键设备钳锅却没有，导致无法生产金属液，因而排除铸造方法。
3、首次制造方案及失败原因分析
首次制造方案如图2，先准备一块长方形原材料(a)，然后利用已有的数控铣床，铣销出图2(b)所示的椭圆形，利用椭圆形的外形作模具，将钢筋绕着椭圆外形弯成标准椭圆形状即可。实际制造过程中因受锯弓的限制，准备原材料(a)非常困难，每个边有中间部分材料不好直接截断。当费尽心思准备好材料后，放到数控铣床上时，发现因夹具所夹范围的限制，数控铣床的夹具无法夹持图2(b)所示方形部位，无法夹持就意味着椭圆无法铣出，故此制造方案是失败的。
图3 首次制造方案
4、第二次制造方案及失败原因分析
无法制造椭圆模具，故不能采用方案一来制造，必须另想办法!第二次制造方案如图4所示，采用固定钳台加上套筒来加工底面椭圆，具体方法是:在钳台上夹持钢筋，将钢筋插入套筒内，通过套筒形成的力臂逐渐弯曲钢筋，一边弯曲一边和椭圆模板比对，并对不符合模板的部分微调，使其和模板一致。
图4 第二次制造方案
与方案一相比，方案二省去了制造椭圆模具的烦恼，充分利用套筒作力臂，并利用其中心孔与钢筋的配合来解决施力问题，首次制成品如图5所示，基本上实现了原炉架的结构。设计过程中为了减少焊接点，四个立脚采用“7”字弯曲形式，使用效果对比如图6所示。
图5 首次制造方案
图6 首次制成品与原成品比较
试验发现存在两个问题:第一是锅放不稳，因为上述弯曲方法为手工弯曲，比对“7”字形立脚时，因钢筋较粗，回弹角不好控制［3］，弯曲角度或多或少存在差异，即使没有差异，但固定在图7(a)所示的辅助支架焊接时，也会存在两对侧立脚倾斜角度不一致，直接导致锅放不稳;第二是锅放得太高，离火焰距离过远，导致火焰再怎么大，锅内一点热气也没有。再用套筒调整立脚的角度的话，很难保证对侧立脚倾斜角度一致，也可能导致它不在同一平面内，直接导致锅仍放不稳;当然也可以用乙炔焰加热软化立脚，用锤子像铁匠加工工件时那样调整立脚，但现实中没有加热工具。
综上所述，无法准确保证四个立脚的倾角一致，因而方案二的制成品仍是失败的，必须继续改进。
5、再次制造方案及实用效果
认识到利用套筒手工弯曲只能加工大致角度精度，而不能获得准确角度精度［3］，是改进制造方案关键。对于椭圆底座而言，不需要很高的椭圆形状精度，只要保证底面平直就可以了，这可用固定钳台不断夹紧来调整校对，故其制造方案仍采用方案二;而对于立脚而言，不仅要求弯曲的精度高，而且焊接夹持时的精度要求高，才能保证锅放置其上平稳。改进后制造过程如图7所示，它在方案二的基础上，只对立脚的制造进行改进。
图7 再次制造过程与制成品
改进后每个立脚均由两小段直钢筋焊接而成，两小段钢筋直线度可在固定钳台上不断周向转动夹紧来保证，它虽然增加了一个焊点，但容易保证每段长度和夹持的方位。
具体制造方法是:先在软纸上确定一个立脚的固定方位，对折即可确定另外一个立脚的固定方位(图7(a))，将这两个立脚的固定方位标注在辅助制造支架上，再将小段钢筋按标识方位固定在辅助制造支架上。固定的方式有两种，一个是在辅助支架上穿孔，用细铁丝通过孔将立脚缚住;另一个是用活动弹簧夹子夹住。最后用弹簧夹子将辅助制造支架和底座椭圆固定在一起(如图7(b))，便可直接用电焊焊接了。
需要注意的是，辅助制造支架是必不可少的，它需要自制，确保对侧两立脚在同一平面内且轴对称;由于焊接过程中产生高温，立脚钢筋会传导热量，不用辅助制造支架的话，易发生烫伤事故，用辅助制造支架可避免。虽然制造方案二也用到了该辅助制造支架，但是“7”形立脚的弧度难以完全一致，固定起来也无法确保两边完全对称。
充分吸取方案二失败经验，本次制成品如图8所示，使用效果如图9所示。
图8 制成品
图9 第二次制成品与使用效果
试验结果表明，第二次制成品完全能实现原炉架的功能，锅放在其上非常平稳，炉架的高度合适，火焰的温度能迅速传递到锅上，较好地实现了各项功能要求。
6、结语
异形炉架自身结构并不复杂，但是制造起来因条件限制，却要考虑很多问题，不断改进设计，以适应简陋的生产条件。通过复现异形炉架制造过程，可得出如下研制经验:
(1)原异形炉架在设计时，为了考虑美观、标新立异，底座采用椭圆形，但这给后期维护埋下了隐患。初期设计时应尽量采用市场上的标准圆形造形，这样在损坏时可方便客户更换，这需要设计人员具有足够的设计经验。
(2)在考虑机械零件制造时，要知己知彼，才能百战不殆，知已就是要弄清楚具有什么样的设备，能加工什么;知彼就是要搞清待加工零件需要什么样的设备来加工，没有相应设备，工艺设计得再好，也只能空中楼阁，无法实现。要从夹具、量具、卡具等诸多方面，要从制造的全过程进行相互对照，越全面，越能避免做无用功，例如本零件的首次制造方案就因对照不全面而失败。
(3)制造一个机械零件的方法有很多，它与所拥有的机械加工设备密切相关，不同的制造方法对应着不同的制造设备。设计并非一成不变，它受制造方法影响，必须随具有的加工设备情况进行调整，也必须随制造过程中出现的新情况、新问题而调整。
(4)对于非标准件的制造，不可能存在制造所需的全部装备，必须充分考虑制造过程中存在的问题，优先保证采用自行无法制造的装备的使用，并采取相应的制造方法;提前制造能自行解决的相应的工具。例如本次制造过程中的辅助夹具，必须自己制造，它不可能是标配，既能保证对侧立脚的对称一致，又不致于在焊接过程中发生烫伤事故。
(5)意识到弯曲过程中因为回弹的影响，不可能通过手工弯曲保证角度精度［3］，这可以避免在难以实现的制造方案二上继续想办法调整而少走弯路，及时改进设计。机械制造它需要设计者、制造者具有生产制造的经验，而这些知识在书本上往往难以找到。本文为非标准件的研制提供了一个范例，对设计者如何思考、如何改进设计以适应生产条件提供一种参考。
参考文献:
［1］陶表达．一种速降装置手动调速机构多种设计方案的制造复杂性研究［J］．机械，2015，11(42):37－41．
［2］林江．机械制造基础［M］．北京:机械工业出版社，2012．
［3］成虹．冲压工艺与模具设计［M］．北京:高等教育出版社，2006．
