機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法探討

【摘 要】傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)形式的轉(zhuǎn)變，為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)了新的活力，新型科技的不斷產(chǎn)生應(yīng)用促進(jìn)了設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，因此機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域也得到了創(chuàng)造性的進(jìn)步，在這一基礎(chǔ)之上，傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法已經(jīng)逐漸失去了滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)要求的主要地位，本文基于功能與系統(tǒng)的全面要求，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法問(wèn)題進(jìn)行了分析與總結(jié)，并提出了改進(jìn)思路與措施。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；材料設(shè)計(jì)；系統(tǒng)方法

現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)成為直接面對(duì)市場(chǎng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)類型，機(jī)械設(shè)計(jì)的方法與工業(yè)設(shè)計(jì)的方法是相互聯(lián)系的關(guān)系，以前的機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)新的工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，取而代之的具有現(xiàn)代特色的機(jī)械設(shè)計(jì)手段，形成了一系列比較成熟的分支學(xué)科，比如機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、防斷裂設(shè)計(jì)、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)等都在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了一定的應(yīng)用。

1.機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

工業(yè)產(chǎn)業(yè)的建立發(fā)展離不開材料這一物質(zhì)基礎(chǔ)，機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中需要選擇與自身特性以及加工工藝相一致的材料類型，隨著社會(huì)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品要求的越來(lái)越高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要不斷增強(qiáng)自身的專業(yè)素質(zhì)，增加對(duì)材料與機(jī)械產(chǎn)品之間關(guān)系的熟悉程度，對(duì)使用的不同種類的材料的主要性能都需要有一個(gè)全面的掌握，對(duì)材料進(jìn)行充分的利用，從而能夠創(chuàng)造出技術(shù)性更高、款式更加新穎的工業(yè)產(chǎn)品。但是，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)手段，材料設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)只是一個(gè)選擇成品材料的過(guò)程，在材料的設(shè)計(jì)過(guò)程中也只是根據(jù)以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、參考數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，而選擇的參考數(shù)據(jù)并不適用于所有材料的設(shè)計(jì)方式。這種材料設(shè)計(jì)方法使得材料在使用過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)不適合的現(xiàn)象，作為零部件的材料有時(shí)候僅僅能夠滿足機(jī)械某一方面的需求，對(duì)于整體機(jī)器的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不良影響，容易造成機(jī)械的報(bào)廢。工程材料的研究發(fā)展迅速，一些材料的加工方法、工藝的改進(jìn)使原有材料可以達(dá)到更好的性能要求，但是新材料不能立即編入設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)，同步更新比較緩慢，因此按照設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇的材料在新型產(chǎn)品研發(fā)中經(jīng)常是落后的，直接影響著機(jī)械產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料設(shè)計(jì)的實(shí)例探究

2.1輪軌耐磨性設(shè)計(jì)中的材料問(wèn)題

在鐵路的多曲路段，機(jī)車輪緣磨損嚴(yán)重，它不僅造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)危害行車安全，機(jī)務(wù)部門急迫地需要解決這一問(wèn)題[1]。在工程摩擦學(xué)中，輪軌可以看做是一對(duì)摩擦副，二者同屬于一個(gè)運(yùn)作系統(tǒng)，是不同的兩個(gè)構(gòu)成元素，輪軌材料耐磨性的問(wèn)題研究應(yīng)該從整體的機(jī)械體統(tǒng)出發(fā)，對(duì)兩個(gè)元素的材料進(jìn)行最佳搭配，這樣可以有效的延長(zhǎng)使用壽命，在這種研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)新出了一種機(jī)車的輪緣中頻局部淬火技術(shù)，首先需要進(jìn)行理論分析，得出計(jì)算結(jié)果之后需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)機(jī)車在實(shí)際的操作運(yùn)行中的各種現(xiàn)實(shí)狀況，經(jīng)過(guò)這一系列的工作之后才能夠得出輪軌硬度相互搭配的一個(gè)最優(yōu)數(shù)值，它可以使鋼軌使用期限不受影響的情況下，將機(jī)車輪的使用時(shí)間增加2倍以上，當(dāng)然，這種延長(zhǎng)使用壽命的方法是在不改變?cè)新奋壓蜋C(jī)車輪材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，用常規(guī)熱處理工藝對(duì)其原有的磨損嚴(yán)重部分的局部材質(zhì)進(jìn)行處理，是一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便易行的設(shè)計(jì)方式。

2.2合金鋼刀具以及汽車制動(dòng)襯片設(shè)計(jì)方法

用深冷處理技術(shù)延長(zhǎng)機(jī)械零件的使用壽命是一種很有效的方法，對(duì)多個(gè)廠家生產(chǎn)的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行深冷處理后實(shí)際使用，結(jié)果表明經(jīng)深冷處理的刀具壽命延長(zhǎng)數(shù)倍[2]。個(gè)別的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的刀具仍然存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定的情況，有的性狀良好有的品質(zhì)則很差甚至不能使用，這種狀況說(shuō)明了一個(gè)道理，同種類型的機(jī)械產(chǎn)品即使材料設(shè)計(jì)的方式相同，成品的功能也會(huì)存在很大的差距，缺乏統(tǒng)一性，但是這并不是說(shuō)生產(chǎn)方式存在問(wèn)題，材料本身的穩(wěn)定性和平衡性是主要的問(wèn)題所在，不同材料之間的磨合也存在不同程度的問(wèn)題，如何改變工藝參數(shù)以適應(yīng)材料本身的差異是方法改進(jìn)的一個(gè)有效途徑。另一方面，汽車中使用的制動(dòng)襯片在比較大型正規(guī)的汽車工廠都不是使用的純粹的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，進(jìn)口產(chǎn)品或者中外合資生產(chǎn)的產(chǎn)品仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)產(chǎn)的制動(dòng)襯片在市場(chǎng)上缺乏足夠的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，一些規(guī)模比較小的生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量上的問(wèn)題比較嚴(yán)重，比如產(chǎn)品性能指標(biāo)或者摩擦系數(shù)不標(biāo)準(zhǔn)等等，特別是摩擦襯片和鼓（盤）的配對(duì)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)企業(yè)還缺乏相關(guān)的研究。

2.3填料裝置的七連桿設(shè)計(jì)方法問(wèn)題

自動(dòng)填料裝置的設(shè)計(jì)，可采用七連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)整個(gè)懸掛于機(jī)架上，在原理方案（運(yùn)動(dòng)分析）正確的情況下，連桿材料的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)檫B桿的鉸鏈?zhǔn)钦麄€(gè)部件材料最薄弱的部分[3]。這一部分需要具備足夠的強(qiáng)度，其次耐磨性以及抗沖擊性也需要不斷提高，在進(jìn)口產(chǎn)品中這一裝置的材料類型屬于高性能的塑料結(jié)構(gòu)，銷孔使用的是鋼套，但是由于這種材料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的缺乏以及物價(jià)較高的問(wèn)題，選擇使用鑄鋁件材料作為替代，同時(shí)將鉸鏈連接處的強(qiáng)度增大。這種結(jié)構(gòu)的連桿裝置在實(shí)際的運(yùn)行中出現(xiàn)了問(wèn)題，鑄件材料存在分布不均勻的情況，容易造成鉸鏈孔的折斷。在裝機(jī)使用中又有新問(wèn)題不斷出現(xiàn)，比如因?yàn)殍T鋁件的重量要比塑料材料大，在裝置運(yùn)行速度較快時(shí)，起、停之間的慣性就會(huì)變大，會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)架造成很大的沖擊振動(dòng)。再比如，鉸鏈在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，這種情況一方面源于鉸鏈自身的震蕩，另一方面源于鑄鋁件的彈塑性較弱的原因，在更換了進(jìn)口塑料材料之后，這些問(wèn)題就都解決了，雖然進(jìn)口材料單價(jià)較高但是使用時(shí)間長(zhǎng)、重量輕，總體來(lái)說(shuō)性價(jià)比較高。這種情況說(shuō)明機(jī)械零部件材料的性能不僅影響其本身的功能，而且還會(huì)對(duì)機(jī)器整體功能造成影響。

3.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料設(shè)計(jì)的新思路

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料設(shè)計(jì)問(wèn)題已經(jīng)愈顯突出，傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法亟待改進(jìn)，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械零部件的材料設(shè)計(jì)應(yīng)從系統(tǒng)論和功能論思想出發(fā)，不僅要考慮滿足各零、部件的性能要求，還應(yīng)考慮各零、部件對(duì)整機(jī)性能或其它零件分功能的影響[4]。在進(jìn)行材料設(shè)計(jì)方法研究時(shí)，具體的材料設(shè)計(jì)方法首先應(yīng)該進(jìn)行合理性的考察，按照具體的要求準(zhǔn)備設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的工作，在選擇時(shí)應(yīng)該特別注意材料的自身優(yōu)劣，設(shè)計(jì)師需要進(jìn)行綜合的考量子系統(tǒng)的具體功能，建立應(yīng)尾材料專屬的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行材料系統(tǒng)分析之后選取其中較為適合的材料進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)。另外，機(jī)械設(shè)計(jì)人員需要借助信息技術(shù)來(lái)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，充分利用互聯(lián)網(wǎng)模式構(gòu)建完備的機(jī)械工程數(shù)據(jù)體系，從設(shè)計(jì)層面完成與CAO等軟件的無(wú)縫對(duì)接，比如造型款式與設(shè)計(jì)樣本、銷售渠道與行業(yè)信息等。

4.結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展推進(jìn)了社會(huì)對(duì)基礎(chǔ)機(jī)械產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)，由此產(chǎn)生了機(jī)械材料的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)相脫節(jié)的情況，通過(guò)對(duì)當(dāng)前材料設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題和具體的案例進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)按照系統(tǒng)論與功能論的工作要求，建立基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合探究整體系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的關(guān)系，選擇合適的結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)出更加優(yōu)良的新型產(chǎn)品。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉小琴，續(xù)海峰.機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2009，03：32-33.

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[3]趙忠國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2011，17：58.

[4]湯煥驊.機(jī)械設(shè)計(jì)中材料設(shè)計(jì)方法研究[J].科技風(fēng)，2014，12：32.