機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法探討

宋佳珍

摘 要：機(jī)械設(shè)計(jì)現(xiàn)已成為市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展中的重要設(shè)計(jì)類型，機(jī)械設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)兩者之間關(guān)系密切，隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展以及高新材料的應(yīng)用，材料設(shè)計(jì)的重要性日益凸顯。鑒于此，本文將探究機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法，旨在為一線設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；材料設(shè)計(jì)；方法

在全球制造業(yè)迅猛發(fā)展的環(huán)境中，我國機(jī)械行業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。在市場導(dǎo)向原則的引領(lǐng)下，越來越多的設(shè)計(jì)人員開始關(guān)注機(jī)械性能、壽命、經(jīng)濟(jì)等因素。隨著眾多新機(jī)械材料的引入，人們對(duì)于材料設(shè)計(jì)的關(guān)注力度空前高漲。

一、材料設(shè)計(jì)概述

與傳統(tǒng)機(jī)械性能設(shè)計(jì)不同，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一項(xiàng)綜合性的設(shè)計(jì)學(xué)科，其包含環(huán)境學(xué)、材料學(xué)以及美學(xué)等眾多因素。機(jī)械設(shè)計(jì)中的美學(xué)就是產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，在上個(gè)世紀(jì)初期，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的美觀要求不高，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的美觀程度關(guān)注度不高；隨著時(shí)代的發(fā)展以及人們生活質(zhì)量的提升，人們開始關(guān)注機(jī)械設(shè)計(jì)的美觀度，在購買機(jī)械產(chǎn)品時(shí)也將外觀因素納入其中，美學(xué)設(shè)計(jì)的重要性日益凸顯；環(huán)境學(xué)的引入是在全球資源短缺、環(huán)境污染加劇的背景下引入的，人們?cè)谫徺I機(jī)械產(chǎn)品時(shí)會(huì)考慮機(jī)械對(duì)環(huán)境的影響及對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展的影響；隨著材料科學(xué)的發(fā)展，材料學(xué)被引入到機(jī)械設(shè)計(jì)中來，因材料性能不同，其對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能也會(huì)產(chǎn)生較大影響。這些方法的引入一方面增加了機(jī)械設(shè)計(jì)的選擇性，一方面也增加了機(jī)械設(shè)計(jì)的難度。在上述引入中，材料學(xué)一直備受社會(huì)各界關(guān)注，尤其是在材料類型越來越多的今天，材料設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)的重中之重。在具體機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員必須按照自己的設(shè)計(jì)需求選擇性能相符的材料，才能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。為了更好的滿足機(jī)械產(chǎn)品性能和外觀需求，設(shè)計(jì)人員必須熟悉機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料性能并動(dòng)態(tài)關(guān)注新材料的發(fā)展及應(yīng)用，只有這樣才能科學(xué)合理的選擇材料。不同材料的性能直接影響著產(chǎn)品機(jī)械壽命，故而，設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，可結(jié)合客戶實(shí)際需求，進(jìn)行材料壽命核對(duì)，在滿足產(chǎn)品預(yù)期要求的基礎(chǔ)上，節(jié)約材料使用。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法

1.關(guān)注材料的使用性能

眾多機(jī)械設(shè)計(jì)專家均明確指出，在機(jī)械設(shè)計(jì)及應(yīng)用過程中，設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注材料的使用性能，一方面需要關(guān)注不同零件之間的合理搭配，一方面還需要關(guān)注零件材料的合理性。在機(jī)械運(yùn)行過程中，材料會(huì)直接影響機(jī)械使用性能，材料的韌性、強(qiáng)度、硬度等特性均能反應(yīng)機(jī)械使用中的材料特性。例如，在某個(gè)零件的設(shè)計(jì)過程中，若不合理的選擇了材料、材料應(yīng)用不準(zhǔn)確，則勢必?zé)o法滿足零件特性要求，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械使用過程中出現(xiàn)故障。對(duì)于客戶來說，即使出現(xiàn)很小的故障，也會(huì)影響到客戶機(jī)械使用的壽命及整體性能，從而使客戶滿意度降低。故而，要想做好材料設(shè)計(jì)工作，必須要關(guān)注材料使用性能，合理選擇材料使其更好的滿足機(jī)械運(yùn)行中的各種化學(xué)、機(jī)械等性能要求?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，我們可以通過有限元軟件來分析材料的使用性能，綜合分析零件的受力狀況，或者在電腦中輸入工作條件，計(jì)算出材料內(nèi)部的應(yīng)力情況，進(jìn)而指導(dǎo)我們發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)。然后按照傳統(tǒng)方式校對(duì)機(jī)械危險(xiǎn)點(diǎn)，合理選擇其他可防范危險(xiǎn)點(diǎn)的類型材料。

2.關(guān)注材料的工藝性能

機(jī)械材料的工藝性指的是材料自身能適應(yīng)不同加工工藝要求的能力，尤其是對(duì)于加工工藝較特殊或較為復(fù)雜的零部件來說，必須選擇特殊的材料，才能滿足這種加工工藝的要求。故而，這就需要設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中多關(guān)注材料工藝性能?，F(xiàn)階段，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的要求趨向于美觀、小巧，并要求功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊?，F(xiàn)在的機(jī)械連接也摒棄了傳統(tǒng)不可拆連接、螺紋連接為主的局面，轉(zhuǎn)向依靠各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)型鎖進(jìn)行連接，這些都加劇了材料設(shè)計(jì)的難度。在現(xiàn)在的材料市場當(dāng)中，碳素鋼應(yīng)用非常廣泛，其因成本價(jià)格、操作性能以及加工性能等優(yōu)勢備受關(guān)注。但是，機(jī)械設(shè)計(jì)人員不難發(fā)現(xiàn)碳素鋼會(huì)存在韌性低、強(qiáng)度低等缺陷，中等形狀以上的零件無法熱處理，這就導(dǎo)致了碳素鋼在具體應(yīng)用中受到限制的問題。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，含有某金屬的合金鋼其機(jī)械加工性能大大提升，與單純碳素鋼相比，其工藝上更能滿足機(jī)械加工需求。例如，若一零件對(duì)于表面硬度要求標(biāo)準(zhǔn)較高，如果使用碳素鋼并對(duì)碳素鋼進(jìn)行提升表面硬度的處理，那么碳素鋼很容易出現(xiàn)裂紋等損壞的問題，而加入某項(xiàng)金屬元素，就能有效避免裂紋等問題，進(jìn)而滿足了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。這就需要設(shè)計(jì)人員不僅應(yīng)關(guān)注機(jī)械設(shè)計(jì)本身，還需要全面了解材料工藝性能，合理選擇材料。

3.關(guān)注材料的經(jīng)濟(jì)性能與環(huán)境性能

設(shè)計(jì)出的機(jī)械產(chǎn)品在滿足工藝性與使用性能的基礎(chǔ)上，還需要滿足經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。不同的材料其自身價(jià)格也有所不同，機(jī)械設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性要求，力求成本低、周期短，且使用效率高、燃料消耗少、使用范圍廣、維護(hù)費(fèi)用低。這就要求設(shè)計(jì)人員選擇標(biāo)準(zhǔn)、通用的零部件來保證質(zhì)量、簡化設(shè)計(jì)，并積極選擇改進(jìn)性能、使用提高質(zhì)量的新材料與新結(jié)構(gòu)，及時(shí)引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)工藝與生產(chǎn)裝配工藝，減少零部件結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)動(dòng)鏈種類。

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中，我們還需要積極考慮材料的環(huán)境性能。在設(shè)計(jì)過程中盡可能避免選擇儲(chǔ)量較少的材料，例如，盡量找到鎢的替代品并進(jìn)行性能優(yōu)化，在滿足機(jī)械性能基礎(chǔ)上降低使用成本。另外，還需要降低同一機(jī)械產(chǎn)品中的材料種類，積極選擇可回收、可再生的資源，這樣有利于機(jī)械報(bào)廢后的資源再回收。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)新方向

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)存在的問題越來越凸顯，傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)方法急需優(yōu)化，站在工業(yè)設(shè)計(jì)方法角度分析，筆者認(rèn)為材料設(shè)計(jì)需要從系統(tǒng)功能與理論角度出發(fā)，充分考慮不同零部件的性能，還需要考慮不同零部件之間的功能影響。在分析材料功能時(shí)，需要考慮三方面內(nèi)容：①技術(shù)功能需要被明確要求，用技術(shù)性能參數(shù)表示。②分析功能成本，從而找到功能好、成本低的設(shè)計(jì)方案。③定性與定量分析。在綜合分析產(chǎn)品定性與定量之后，找到優(yōu)化的材料設(shè)計(jì)方案，為接下來的設(shè)計(jì)工作做好準(zhǔn)備。在向現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變的過程中，我們需要做好如下幾點(diǎn)：①樹立全新的功能觀與系統(tǒng)觀。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，沒有絕對(duì)的好壞材料，不能以某種性能定義某種材料的特性，只能選擇最合適的材料。選擇材料需要考慮功能與成本的平衡點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，不能僅考慮該種材料做某種零件是否合適，還需要看這種材料、這種零件在整個(gè)機(jī)械運(yùn)行中是否合適。②建立基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的材料設(shè)計(jì)庫。傳統(tǒng)查手冊(cè)設(shè)計(jì)法已經(jīng)無法更好的滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)需求，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)中，應(yīng)積極建立基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中不僅包含傳統(tǒng)常用材料，還需要包含用戶材料庫，也就是有關(guān)經(jīng)營部門或生產(chǎn)廠家直接訪問該網(wǎng)站，及時(shí)納入國內(nèi)外的最新材料數(shù)據(jù)信息。全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫一方面能滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的高效要求，還可以與即時(shí)技術(shù)、CAD/CAE等技術(shù)相適應(yīng)。

結(jié)語：

綜上所述，本文以材料設(shè)計(jì)概述為切入點(diǎn)，從關(guān)注材料的使用性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性能與環(huán)境性能等角度，詳細(xì)論述了機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法，并探究了材料設(shè)計(jì)新方向，多方面入手，旨在為材料設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，設(shè)計(jì)出性能高、功能良的新產(chǎn)品。

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