李彬+王紅

摘要： 按照應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，畢業(yè)設(shè)計(jì)過程是大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)教育，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)，進(jìn)行工程基本訓(xùn)練和提高工程實(shí)踐能力的重要培養(yǎng)階段。本文結(jié)合“基于仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)”這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，提出前期調(diào)研實(shí)習(xí)階段、創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段和總結(jié)與答辯階段，并對(duì)相關(guān)創(chuàng)新提出自己的看法。

Abstract： According to the applied talents training target， the process of graduation design is the science education for college students， which can strengthen the awareness of innovation and engineering consciousness， improve the basic training ability and engineering practice. Based on the graduation design of "Design and development of drill structure based on bionic self repair"， the research internship stage， innovation design stage， and summary and defense stage are put forward， at the same time some views on innovation are suggested.

關(guān)鍵詞： 畢業(yè)設(shè)計(jì)；培養(yǎng)目標(biāo)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

Key words： graduation design；training target；innovation design

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）08-0239-02

0 引言

畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)過程是大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)教育，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)，進(jìn)行工程基本訓(xùn)練和提高工程實(shí)踐能力的重要培養(yǎng)階段；是對(duì)大學(xué)生進(jìn)行綜合素質(zhì)教育，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度、優(yōu)良的思維品質(zhì)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)的重要途徑。大多數(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)為工程設(shè)計(jì)。工程設(shè)計(jì)是將技術(shù)原理轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的橋梁，是實(shí)現(xiàn)科研成果設(shè)計(jì)價(jià)值的創(chuàng)新活動(dòng)。下畢業(yè)設(shè)計(jì)從大的進(jìn)程來(lái)看，通常分為三個(gè)階段，包括：前期調(diào)研實(shí)習(xí)階段、創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段和總結(jié)與答辯階段。下面以“基于仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)”這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的三個(gè)階段為例，介紹下機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題與指導(dǎo)策略。

1 前期調(diào)研實(shí)習(xí)階段

畢業(yè)設(shè)計(jì)前期調(diào)研實(shí)習(xí)階段的主要任務(wù)是通過調(diào)查實(shí)習(xí)，查閱中英文文獻(xiàn)、收集資料和現(xiàn)場(chǎng)考察，了解國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況。有條件的學(xué)習(xí)可以通過工廠的現(xiàn)場(chǎng)參觀實(shí)踐，以便使畢業(yè)設(shè)計(jì)更好地接近工程運(yùn)用領(lǐng)域。這個(gè)階段要確定好畢業(yè)設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)要求、畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書和指導(dǎo)書，并收集好相關(guān)資料。

“基于仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)”畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容：

①仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)方案的總體設(shè)計(jì)；

②仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)的建立及相關(guān)參數(shù)確定；

③仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的創(chuàng)新性優(yōu)化；

④基于三維軟件的仿生自修復(fù)鉆頭結(jié)構(gòu)模型的生成與二維圖紙出圖。

畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及數(shù)量：

①分析題目和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，查閱20篇以上的相關(guān)文獻(xiàn)資料；

②說(shuō)明書字?jǐn)?shù)不少于2萬(wàn)字，圖紙總量不少于3張A0；

③英文翻譯一篇（0.3-0.4萬(wàn)字）、畢業(yè)論文一本（2-3萬(wàn)字）、開題報(bào)告一份。

畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度計(jì)劃：

第1-2周：借閱相關(guān)資料、文章，完成開題報(bào)告；

第3-6周：熟悉運(yùn)動(dòng)仿真的相關(guān)軟件，達(dá)到靈活運(yùn)用的程度；

第7周：基于仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)；

第8-12周：仿生自修復(fù)的鉆頭結(jié)構(gòu)的建立及相關(guān)參數(shù)確定及優(yōu)化；

第13-14周：編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書做答辯前的準(zhǔn)備。

前期調(diào)研實(shí)習(xí)階段的畢業(yè)論文簡(jiǎn)介：

科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，由于超硬材料在物理力學(xué)方面有著良好的表現(xiàn)，超硬材料也在不斷地?cái)U(kuò)大它的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在地質(zhì)的勘探和在石油鉆井等方面有著重要的作用。而在二十世紀(jì)的七十年代，在海外就已經(jīng)開始把眼光放在了聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）上，將這種材料作為了一種切削工具，而他們所研發(fā)的這種聚晶金剛石鉆頭在某些地層有著顯著的效果。聚晶金剛石鉆頭的工作層在工作的時(shí)候會(huì)逐步磨損，工作層與巖石的接觸面會(huì)變?yōu)槠矫婊蛘呤且粋€(gè)弧面，這在鉆壓不發(fā)生改變的前提下，巖石上受到的壓強(qiáng)會(huì)變?nèi)?，這樣就會(huì)使得整個(gè)鉆頭的工作效率降低，這在石油鉆探的過程中會(huì)使得整個(gè)鉆探的成本增加施工的周期也會(huì)延長(zhǎng)。聚晶金剛石鉆頭在堅(jiān)硬復(fù)雜的地層進(jìn)行破碎的時(shí)候，PDC齒由于受到較大的沖擊就會(huì)使得鉆頭的金剛石層發(fā)生破裂、脫層等不正常的磨損現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象的產(chǎn)生就會(huì)大幅度的降低鉆頭的工作效率和使用壽命。

因此，本設(shè)計(jì)目的是為了解決聚晶金剛石鉆頭在堅(jiān)硬復(fù)雜的地層磨損比較大工作效率比較低的現(xiàn)象。通過引入仿生學(xué)的理論使得所設(shè)計(jì)出來(lái)的仿生聚晶金剛石鉆頭能夠根據(jù)地層硬度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)合適的工作角度從而減少了鉆頭的磨損、延伸鉆頭的工作壽命以及增加鉆頭的出產(chǎn)效率。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段

機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)的本質(zhì)是創(chuàng)造和革新?，F(xiàn)代機(jī)械零件設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，要求在設(shè)計(jì)中更充分地發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用最新科技成果，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)出更具有生命力的產(chǎn)品。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段的畢業(yè)論文簡(jiǎn)介：如圖1所示這就是設(shè)計(jì)出來(lái)的仿生自適應(yīng)鉆頭結(jié)構(gòu)三維模型。當(dāng)聚晶金剛石復(fù)合片進(jìn)入巖石的時(shí)候，它會(huì)受到來(lái)自巖體反作用力，鉆頭基體與切削齒柱體之間有圓柱銷進(jìn)行連接，使得切削齒柱體能夠在一定范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，切削齒柱體之間裝有兩個(gè)彈性體，分別是第一彈性體和第二彈性體，兩者都有一定的預(yù)緊力。當(dāng)鉆頭遇到比較堅(jiān)硬的巖石的時(shí)候，巖石作用在切削齒柱體上的作用力大于第一彈性體的預(yù)緊力時(shí)，切削齒將會(huì)自動(dòng)向后轉(zhuǎn)動(dòng)，擠壓第一彈性體，使后傾角增大，降低在鉆頭工作過程中受到來(lái)自巖層的沖擊力，降低了PDC切削齒的磨損，增進(jìn)了使用生命，降低工作成本。當(dāng)遇到較軟的巖石時(shí)，巖石的反作用力將會(huì)驅(qū)使切削齒柱體向前轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮第二彈性體，減小了鉆頭的后傾角大小，能夠讓鉆頭更加容易進(jìn)行破碎，提高了工作效率。

3 總結(jié)與答辯階段

總結(jié)階段的畢業(yè)論文簡(jiǎn)介：

通過對(duì)自然界各種生物的研究，初步選擇了老虎爪趾，鼴鼠爪趾以及兔爪作為仿生原型。最終選擇了老虎爪趾作為仿生原型。結(jié)合了仿生自適應(yīng)理論，將老虎爪趾的結(jié)構(gòu)運(yùn)用在了常規(guī)PDC鉆頭上，制造出了仿生自適應(yīng)PDC鉆頭。這種鉆頭能夠適應(yīng)復(fù)雜地層的鉆進(jìn)。這種鉆頭可以根據(jù)鉆頭收到的來(lái)自巖石的反作用力，自動(dòng)調(diào)節(jié)后傾角的大小，當(dāng)遇到硬度較大的巖層的時(shí)候，它會(huì)增大后傾角，減小PDC齒受到的打擊力，降低它的磨損，提高PDC鉆頭的壽命。遇到硬度較低的巖層的時(shí)候能夠降低后傾角大小，從而使鉆頭更加容易破碎巖石，提高了工作效率，降低生產(chǎn)成本。歸功于上述的這種結(jié)構(gòu)功能，使得這種PDC鉆頭的適用范圍相較于常規(guī)的鉆頭更加廣泛。

答辯階段的畢業(yè)論文簡(jiǎn)介：

①鉆頭的結(jié)構(gòu)分為幾部分？

答：鉆頭基體、切削齒、鉆頭刀翼等部分組成。

②鉆頭刀片部位如何進(jìn)行設(shè)計(jì)，用什么材料？

答：我們需要預(yù)測(cè)接觸區(qū)的形狀，以及它們的尺寸如何隨載荷的增加而增加通過分析接觸區(qū)接觸應(yīng)力的大小和分布來(lái)計(jì)算變形分量和應(yīng)力分量。材料采用的是聚晶金剛石復(fù)合片、硬質(zhì)合金齒。

③刀片結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如何定？

答：通過SolidWorks中的Stimulation進(jìn)行分析從而了解刀片的幾何參數(shù)。

4 小結(jié)

機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)集學(xué)習(xí)、實(shí)踐、探索和創(chuàng)新相結(jié)合的綜合教學(xué)環(huán)節(jié)，這不僅是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和工程實(shí)踐能力的重要載體，也是離校前對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的一次全面檢驗(yàn)、總結(jié)和提高。高等院校已經(jīng)成為科技創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的骨干力量，所以畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題與指導(dǎo)一定要注意教育功能和社會(huì)功能相結(jié)合，既能使教學(xué)質(zhì)量得以提高，又能使學(xué)生在設(shè)計(jì)中得到全面鍛煉。

參考文獻(xiàn)：

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