機械設(shè)計中材料的選擇與應(yīng)用研究

王云德

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

1 機械設(shè)計與材料選擇的關(guān)系

在機械設(shè)計中，要使用大量的生產(chǎn)材料，如何合理選用材料使機械設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)是關(guān)鍵，如果機械設(shè)計的方案沒有合適的材料完成，那么機械設(shè)計就無法生產(chǎn)，只能成為無效的設(shè)計；如果機械設(shè)計中應(yīng)用合適的材料，它能進一步優(yōu)化機械設(shè)計，使機械設(shè)計的思路進一步拓展。機械設(shè)計與材料之間的關(guān)系從以下3個方面體現(xiàn):

（1）成本的體現(xiàn)。機械設(shè)計的目的是為了將設(shè)計的機械生產(chǎn)出來，如果選用的材料成本過于昂貴，那么機械生產(chǎn)在市場競爭中將沒有價格優(yōu)勢，為了讓機械成本能真正滿足人們的需要，人們在做機械設(shè)計時，首先就要考慮到材料的成本問題。

（2）性能的體現(xiàn)。不同的材料有不同的性能，以常用的機械設(shè)計材料來說，金屬材料性能好、強度高，然而許多金屬材料在潮濕的環(huán)境下易改變性能，因此使用金屬材料要考慮環(huán)境的問題；高分子材料彈性好、耐腐蝕性好，可是它不耐高溫，在高溫環(huán)境中它的性能會發(fā)生變化等。完成機械設(shè)計要考慮到材料的性能問題，它在考慮材料成本的前提下保證材料的性能能達到機械設(shè)計的需求。

（3）質(zhì)量的體現(xiàn)。要完成一個機械產(chǎn)品的設(shè)計，可能同時需要多種材料共同完成。如果機械設(shè)計的材料運用合理，那么機械產(chǎn)品的每個環(huán)節(jié)都能在保證機械產(chǎn)品性能的前提下應(yīng)用其優(yōu)點，回避其缺點，使機械產(chǎn)品的質(zhì)量能達到1+1>2的效果；反之如果對材料應(yīng)用不當(dāng)，機械產(chǎn)品的整體質(zhì)量會降低，機械設(shè)計則達不到設(shè)計的目的。因此如何做好材料的搭配也是機械設(shè)計的關(guān)鍵。

2 在機械設(shè)計中選材要考慮的因素

在機械設(shè)計中，可能有多種材料的性能都能滿足機械生產(chǎn)的要求，然而在許多材料中選用哪種材料完成最終的生產(chǎn)才能使機械生產(chǎn)達到最優(yōu)的目的，這是機械設(shè)計中必須要考慮的環(huán)節(jié)。通過實踐可以了解機械設(shè)計中對材料的選擇大體要考慮以下4個因素，只有對以下4個因素進行綜合考慮，最后才能了解機械設(shè)計時應(yīng)當(dāng)選用哪種材料:

（1）性能的因素。機械設(shè)計需要機械材料來完成，如果機械材料的性能不能保證設(shè)計的需要，那么機械設(shè)計就無法實現(xiàn)，因此，機械設(shè)計選擇材料時，確保材料的性能是第一原則。不同的材料有不同的性能、它們的負荷能力、強度等都不相同，機械設(shè)計師對產(chǎn)品進行設(shè)計時，要非常熟悉材料的性能，只有針對材料的性能進行合理的設(shè)計，機械設(shè)計才具有可實現(xiàn)性。

（2）環(huán)境的因素。該機械產(chǎn)品會在怎樣的環(huán)境中工作，是機械設(shè)計中必須要考慮的，因為環(huán)境因素對材料的影響非常大。比如說金屬材料會有熱脹冷縮的特性，它在高溫環(huán)境與低溫的環(huán)境狀態(tài)不一樣，如果對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，不注意工作環(huán)境，也許材料在惡劣的環(huán)境中工作，它將在短時期內(nèi)失去原有的性能，機械產(chǎn)品也會出現(xiàn)質(zhì)量問題。因此機械產(chǎn)品主要將用于何種環(huán)境，也是機械設(shè)計時必須熟悉的，根據(jù)不同的工作環(huán)境設(shè)計不同的機械產(chǎn)品，產(chǎn)品才能滿足人們的需求。

（3）工藝的因素。從機械設(shè)計到產(chǎn)品完成的過程中，機械產(chǎn)品的材料要走過多種工藝流程。比如它們可能要經(jīng)過切割、拼接、焊接等。如果機械材料不適合進行批量加工，或者加工中容易出現(xiàn)問題，則該材料就不能被輕易采用，反之，如果該材料既容易獲取又容易進行工業(yè)加工，其性能又能夠保證產(chǎn)品的性能，則在對產(chǎn)品進行機械設(shè)計時可以優(yōu)先使用該種材料。因此在對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，不能不考慮工藝生產(chǎn)的因素，它也是選擇使用某種材料時不得不參考的因素。

（4）價格的因素。機械產(chǎn)品要在市場上有足夠的競爭力，就需要做合理的價格定位，只有產(chǎn)品的性價比高，機械產(chǎn)品才能滿足人們的需要。因此價格的因素是機械設(shè)計時必須參考的。決定機械產(chǎn)品的價格取決于很多環(huán)節(jié)，比如材料是否容易獲取、材料是在當(dāng)?shù)孬@取還是需要遠輸、對材料進行加工的成本、加工時造成的損失成本、材料保存的成本等。因此對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，要綜合考慮到對價格產(chǎn)生影響的環(huán)節(jié)，最后在滿足性能的前提下盡量選擇價格低廉的材料控制成本，機械產(chǎn)品在市場中才能保持競爭力。

3 傳統(tǒng)機械設(shè)計中材料的應(yīng)用特質(zhì)

（1）應(yīng)用金屬材料。金屬材料是機械設(shè)計中最常用的材料，它是在含有金屬的原石中提煉出金屬，讓金屬成為機械產(chǎn)品設(shè)計中的材料。金屬材料有金、銀、銅、鐵、錫、鋁等，不同的金屬材料價格不同，性能也有很大的差異。從總體來說，金屬材料具有以下優(yōu)點:容易獲取、耐磨損、耐熱性強、導(dǎo)熱性強，部分金屬的硬度和柔韌性都很強。它是機械產(chǎn)品設(shè)計中最常應(yīng)用的材料。

（2）應(yīng)用高分子材料。在機械設(shè)計中最常使用到的高分子材料為橡膠材料、塑料材料、纖維材料等。高分子材料重量輕、價格低廉、容易獲取，在一些特殊的場合使用高分子材料能提高機械產(chǎn)品的性價比。然而高分子材料也有它的弱點。比如橡膠材料不耐腐蝕，如果有化學(xué)物品對它進行侵蝕，它會失去原有的性能；塑料材料不耐高溫，如果遇到高溫環(huán)境它也會失去性能。

（3）應(yīng)用陶瓷材料。陶瓷材料也常常被應(yīng)用于機械設(shè)計中。陶瓷材料硬度高，它的硬度可以與金屬材料相媲美；它能耐腐蝕，化學(xué)材料的侵蝕無法對它產(chǎn)生很大的影響；重量輕，如果同等體積的陶瓷材料與金屬材料相比較，它的重量遠遠輕于金屬材料。然而陶瓷材料的特質(zhì)是硬脆，它抗沖擊的能力比較差，如果遭受強大的沖擊會損壞，同時它的價格也比較昂貴。

（4）應(yīng)用復(fù)合材料。所謂的復(fù)合材料是指將兩種不同性能的材料結(jié)合在一起，讓它們互相取長補短，使其性能比單一的材料更加優(yōu)越。復(fù)合材料的范圍有很多，比如碳纖維、玻璃鋼、鋁不銹鋼等等，不同的復(fù)合材料性能不同，價格也不同。由于復(fù)合材料能夠綜合單一材料的性能優(yōu)點，所以復(fù)合材料在機械產(chǎn)品設(shè)計中經(jīng)常會被使用。未來隨著人們對材料性能的追求，將會開發(fā)出大量的復(fù)合材料。復(fù)合材料也將會越來越多地使用在機械產(chǎn)品設(shè)計中。

4 機械設(shè)計中材料的應(yīng)用分析

現(xiàn)以一輛汽車生產(chǎn)為實例，分析它對材料的應(yīng)用:

圖1 汽車的構(gòu)成方式

如圖1所示，在一輛汽車生產(chǎn)中，不同的部位需要不同的材料，只有選用合適的材料才能滿足汽車的生產(chǎn)。

（1）復(fù)合材料的使用。塑料材料的使用主要應(yīng)用在外飾件、部分內(nèi)飾件與發(fā)動機周圍的零部件。該零部件要求外型美觀，能有極佳的顏色附著性；能統(tǒng)一生產(chǎn)、減少數(shù)值的偏差；要求彈性高、耐沖擊；要求能適合各種氣候和溫度，不能因為溫度改變而使外觀與性能產(chǎn)生改變；可更換性強，可以根據(jù)用戶的需要方便地拆卸以下零部件，更換新的零部件。從以上分析可以看到，使用塑料材料能滿足經(jīng)濟的需求、環(huán)境溫度的需求、質(zhì)輕價廉的需求。在各種材料比較中，它使用塑料材料。

（2）高分子材料的使用。高分子材料的使用主要應(yīng)用在各種飾件中，比如各種儀表板、副儀表板、立柱、門板、座椅輔助部件等。由于該汽車為中低檔車，要求材料價格經(jīng)濟，同時要求這類內(nèi)飾件外觀良好、手感好、耐壓度高、能適應(yīng)一定的溫度環(huán)境，所以使用高分子材料作為汽車的輔助材料。

（3）金屬材料的使用。與汽車發(fā)動機相關(guān)的材料幾乎全部使用金屬材料，這是由于發(fā)動機啟動時溫度高、油污多、外部環(huán)境變化極大、要求材料的復(fù)元性好、滿足經(jīng)濟的需求，通過綜合比較，目前汽車發(fā)動機部位全部使用金屬材料構(gòu)成。

通過以上分析能看到，材料的使用決定機械設(shè)計是否合理，不同的材料有不同的優(yōu)缺點，要對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，要綜合考慮各方面的因素對材料進行選擇。以汽車的零部件生產(chǎn)為例，可以看到機械設(shè)計對材料選用的思路是對材料的各種綜合因素進行比較，選擇最能滿足人們需求的那種材料。

[1]田源.機械設(shè)計中配制配合的應(yīng)用研究[J].農(nóng)家科技，2010，（4）.

[2]王杰.程明遠.李士曉.淺談機械設(shè)計加工中應(yīng)注意的幾個問題[J].科技信息，2011，（11）.