關于機械設計中材料設計的研究

梁發(fā)明

【摘 要】隨著計劃經濟體制向市場經濟體制轉化，設計技術的更新進步，機械設計也產生了很大的變化。本文結合案例分析了機械設計中常見的材料設計問題，提出了機械設計中材料設計新的思想與方法，根據理論分析和多年研究實踐的總結，提出了基于系統論思想和功能論思想的機械設計中的材料設計新方法。

【關鍵詞】材料設計；生產技術；產品制造；材料數據庫

在我國，隨著計劃經濟體制向市場經濟體制轉化，傳統的機械零、部件或一般常用機械產品的設計方法已經不能適應現代機械工業(yè)產品設計的需要，隨之而來的現代機械設計方法已經得到了迅速發(fā)展，形成了許多相對比較成熟的分支學科，如機械可靠性設計、防斷裂設計、抗疲勞設計、耐磨損設計、機械CAD、機械優(yōu)化設計等，這些方法在實際的一些機械產品設計中得到了不同程度的應用，取得了可觀的效益。但由于受傳統設計思想的影響這些方法還沒有被廣大機械設計師普遍掌握和應用，一些新的設計思想和方法更有待于探索和發(fā)展。

1.機械設計中常見的材料設計問題

隨著人們對工業(yè)產品的使用性能、技術性能及造型款式的要求愈來愈高，需要設計人員熟悉產品設計與材料的關系，掌握各種材料的性能特點及其加工工藝，了解新型材料，從而運用設計手段，充分利用材料的內在功能和表面特征，創(chuàng)造出使用功能好、技術性能高、款式新穎的工業(yè)產品。傳統的機械設計方法中，材料設計實際上僅僅是“材料選擇設計”，而這些材料的選擇設計過程中，往往也是根據以往設計人員的經驗，即設計手冊中提供的參考資料或數據來進行的，而這些參考數據常常僅是在一定的標準試驗條件下得到的實驗數據。這樣的材料設計方法，有幾個方面的缺點：（1）由于使用條件與實驗條件的差異，標準試驗過程本身的不確定性等，根據參考資料和數據選擇材料生產出的機械產品在使用過程中常常會發(fā)現不合適，某些零部件材料或者因為僅能很好滿足整機使用的部分功能而其它功能一般，或者因其某個方面的性能特點產生了對整機其它方面性能的不良影響而致使整個機械產品性能達不到要求，甚至報廢；（2）現在工程材料研究發(fā)展很快，特別是一些材料加工方法、工藝的改進和發(fā)展，使得原有材料可以達到更高的性能要求，發(fā)揮更大、更好的作用。但是這些新材料、新方法、新工藝不可能在短期內編入設計手冊，有些內容甚至會滯后十年或幾十年，這與當今社會發(fā)展對新產品更新速度的要求顯然是不適應的，影響產品的競爭力或生命力。

2.材料設計案例分析

2.1輪-軌耐磨性設計

在鐵路的多曲路段，機車輪緣磨損嚴重，它不僅造成極大的經濟損失，而且會危害行車安全。機務部門急迫地需要解決這一問題。從工程摩擦學角度看，輪-軌是一對摩擦副，是一個系統的兩個元素，研究其耐磨性問題，應該從整個系統出發(fā)，考慮雙方的材料最佳配對，以達到使用壽命的最長值。經理論分析計算、大量的實驗室試驗和機車實際運行試驗，得到了輪—軌硬度匹配最佳值，可以使機車輪的壽命在不影響鋼軌壽命的情況下，提高2～3倍。這種方法是在不改變現有的路軌和機車輪材料的前提下，用一種常規(guī)熱處理工藝改變其嚴重磨損區(qū)的局部材質，提高產品的實用性與經濟性。

2.2硬質合金鋼刀具耐磨損設計

用深冷處理技術延長機械零件的使用壽命是一種很有效的方法。對多個廠家生產的硬質合金刀具進行深冷處理后實際使用，結果表明經深冷處理的刀具壽命延長數倍。但個別個體廠家生產的刀具，實驗結果則不穩(wěn)定，有的好，有的差，有的甚至不能使用。這說明：對同一類產品，用同樣的方法改變材料性能，結果可能相差很大，這不能說明該方法本身不行，而是還有一個材料本身的均勻性、穩(wěn)定性以及如何與不同材料結合的問題，即如何改變工藝參數以適應材料本身的差異問題。

2.3汽車制動襯片設計

我國汽車用制動襯片目前有不少生產廠家，但正規(guī)的大汽車廠主要還是用進口產品或中外合資廠生產的產品。國產件在質量穩(wěn)定性、壽命等方面明顯缺乏競爭力，特別是一些個體廠家生產的產品質量根本沒有保障，有些產品甚至連最基本的性能指標如摩擦系數都達不到標準，特別是熱衰退性能差，制動過程常導致失效。其原因還是大部分廠家缺乏必要的技術力量，只是簡單地完成配方材料混合、燒結和壓制等工藝過程，至于整個生產過程的各種工藝參數的系統研究，不同車型材料配方的深入研究，特別是摩擦襯片和鼓（盤）的配對問題，則沒有進行研究。這些是目前我國汽車用制動襯片質量穩(wěn)定性問題無法根本解決的主要原因。

2.4自動裝料裝置的七連桿機構設計

自動裝料裝置的設計，可采用七連桿機構，該機構整個懸掛于機架上，在原理方案正確的情況下，連桿材料的設計成為關鍵問題，因為連桿的鉸鏈是整個部件材料最薄弱的部分，既要有足夠的強度，還應有良好的耐磨性和抗沖擊性能，進口設備中該部分材料是采用高性能塑料，銷孔用鋼套。由于當時很難買到這種進口材料，而且較貴，就考慮用鑄鋁件替代，加大鉸鏈處的尺寸以保證強度。這樣設計的鑄鋁連桿，加工時出現了問題，由于連桿形狀較復雜，鑄件材質嚴重不均，加工鉸鏈孔時有時發(fā)生折斷現象。加工完成后，裝機試用，又出現了問題：（1）由于鑄鋁件的重量比塑料件大得多，運動速度較快時，起、停慣性大，對整個機架造成較大的沖擊振動；（2）試用一段時間后有些連桿的鉸鏈發(fā)生斷裂現象，這除了因為它本身沖擊振動外，還因為鑄鋁件的彈塑性遠不如塑料件。后來，購買了進口高性能塑料，制造成的連桿，上述問題全部解決了。盡管進口塑料單位價格稍貴些，但重量輕、用量少，總費用并不很大。以上情況說明機械零、部件材料的性能不僅影響其本身的功能，而且對機器整體功能有時會造成嚴重影響。

3.機械設計中新的材料設計理念與方法

以上案例分析進一步說明，機械設計中材料設計問題已經愈顯突出，傳統的材料設計方法亟待改進。在機械產品設計過程中，機械零部件的材料設計應從系統論思想和功能論思想出發(fā)，不僅要考慮滿足各零、部件的性能要求即滿足整機的各分功能要求，還應考慮各零、部件對整機性能或者其它零件分功能的影響。

3.1進行材料設計功能分析時應包括的內容

進行材料設計功能分析時，應包括三個方面的內容：（1）確定技術上的功能應達到的程度，它用產品技術性能參數來表示；（2）對功能成本作出分析，以便在實現同一功能的各種途徑中找出成本低、功能好的材料設計方案；（3）進行可靠性定量及定性的分析，在對產品功能的定性和定量的綜合分析之后，就可能制定出相對優(yōu)化的材料設計方案，為整個產品設計工作打下堅實的基礎。

3.2現代機械設計的改進措施

從傳統的機械設計材料設計方法向現代機械設計材料設計方法發(fā)展有以下幾個方面：

3.2.1設計思想上應樹立系統觀和功能觀

工程上沒有絕對好或絕對不好的材料，亦即不能以某種材料的某種性能或幾種性能來評定它是絕對好或差的材料，材料設計時只能是尋求最適合的材料。全面考慮機械零、部件材料的子系統功能和整體系統功能，也就是說，設計時不僅要考慮某種材料是否適合做某種零件，還應考慮它在整臺機器中是否合適，對其價格的評估也是如此。案例2.4節(jié)說明了這一點。

3.2.2應改進現有的一些重要的或關鍵的機械部件的研制和生產方法

即應把該部件作為一個子系統來進行設計和研究，尤其是摩擦學系統部件。案例2.1節(jié)和2.2節(jié)是典型實例。傳統方法，把系統的元素作為獨立零部件各自進行設計研究，無法滿足或保證整個子系統的系統功能，特別是高速、重載的零、部件會產生許多功能（下轉第198頁）（上接第56頁）附作用，如高溫引起的機械性能變化，高速引起的附加動載荷等。

3.2.3建立基于INTERNET的機械設計材料庫

鑒于前文2提出的傳統的材料設計方法即“查手冊設計法”的不足，作者認為，應盡快建立基于INTERNET的動態(tài)的機械工程材料庫。換言之，在INTERNET上建立獨立的《機械工程材料庫》網頁及數據庫，該數據庫內容不僅涵蓋傳統機械零部件常用材料，而且包括用戶材料庫，即由機械工程材料有關生產廠家或有關經營部門直接訪問網站，隨時添加國內外最新研制的新機械工程材料的有關資料數據。項目包括材料的機械性能和物理化學性能（如強度、硬度、韌性、比重、導熱性、耐腐蝕性等）、價格、廠家、供貨途徑等。這樣的材料庫不僅可以滿足現代機械設計高效、快速、合理、經濟的要求，而且可以與CAD/CAM/CAE、并行設計、即時技術等現代先進制造技術相適應。

4.結語

傳統的材料設計方法已不能很好地適應現代機械產品設計的要求，要得到更大進步必須進行改革，在實踐中不斷總結，把機械設計中全新可行的材料設計理念與方法應用在實際的生產工作中，靈活運用現代科技技術手段，創(chuàng)造出更多性能高、質量好的工業(yè)產品。