淺談不同設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇與應(yīng)用思路

李蘇濛

摘要：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)中，必須全面考量所選材料的應(yīng)用性能、成本造價(jià)、環(huán)保效果等問題。為了進(jìn)一步解析不同設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇與應(yīng)用思路，本文分析了現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備的材料類型選擇維度，并提出了具體的選擇方向與應(yīng)用路徑，以便為相關(guān)研究提供理論參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備 材料選取 設(shè)計(jì)應(yīng)用

一、現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備的材料類型選擇維度

（一）金屬材質(zhì)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，諸多新型材料被應(yīng)用于現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備中，但金屬材料仍然是其中應(yīng)用比例最高的材料之一。自然界中可直接開發(fā)的金屬元素高達(dá)80種，最為常見的鐵、錫、銀、銅、金等，在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果較好。金屬材質(zhì)的最大特點(diǎn)在于穩(wěn)固性較強(qiáng)，因此可適用機(jī)械范圍較廣。諸如冶金機(jī)械、起重機(jī)械、裝卸與工礦車輛、窯爐與水泥設(shè)備、鏟土運(yùn)輸機(jī)械、混凝土機(jī)械等，均需要采用金屬材料，以便保障機(jī)械設(shè)備的堅(jiān)固性。而后期發(fā)展中逐步發(fā)現(xiàn)合金材料所形成的韌性和強(qiáng)度更為突出，也被應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的制造中，諸如特種金屬、合金材料、金屬間化合物材料等，依據(jù)機(jī)械設(shè)備的適應(yīng)性需求選取不同的金屬材質(zhì)成為優(yōu)化機(jī)械性能的主要設(shè)計(jì)方向。

（二）復(fù)合材料

復(fù)合材料可以簡單定義為兩種或兩種以上材質(zhì)在化學(xué)或物理方法之下合成的材料，是完成現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展之后的全新突破。由于材料性質(zhì)不同，其熔點(diǎn)、韌性、耐受度等諸多性能可以相互補(bǔ)充，并達(dá)到機(jī)械設(shè)備的使用需求。因此，復(fù)合型材料在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用頻次也越來越高。復(fù)合材料分金屬與非金屬兩種，常見的復(fù)合金屬材料如鋁合金、鎂合金、鈦合金等，由于其金融性質(zhì)發(fā)生了變化，更加容易被機(jī)械設(shè)備所使用。而非金屬復(fù)合材料中較為常見的陶瓷、橡膠、樹脂、石墨等，可以補(bǔ)充金屬材質(zhì)的性能，從而為機(jī)械設(shè)備提供細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件。除此之外，增強(qiáng)材料中的硼纖維、玻璃纖維、石棉纖維、芳綸纖維等，也是極為重要的機(jī)械設(shè)計(jì)補(bǔ)充元素。復(fù)合材料的穩(wěn)定性更高，比剛度更強(qiáng)，可以作為防熱、導(dǎo)電、屏蔽等機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的重要材料，因此在醫(yī)療、航天、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛。

（三）高分子材質(zhì)

高分子材料也被稱之為聚合物材料，是以高分子化合物為基體配以添加劑構(gòu)成的新型材料。雖然高分子材料并未達(dá)到金屬的機(jī)械強(qiáng)度，但是在實(shí)際應(yīng)用中具備了可循環(huán)性，因此較金屬材料的造價(jià)更低，且作為可再生資源的利用率較高。在金屬資源日漸消耗的過程中，開發(fā)高分子材質(zhì)的機(jī)械設(shè)備原材料，將有助于降低生產(chǎn)造價(jià)和減少資源損耗。因此，高分子材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的可利用價(jià)值更高。例如聚甲醛材料的耐磨性較強(qiáng)，可以應(yīng)用于螺母、軸承、齒輪等機(jī)械設(shè)備輔助零部件中。因此，高分子材質(zhì)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，同時(shí)能夠降低車體重量，達(dá)到節(jié)能減排的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)效果。

二、不同設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)中對于材料選擇的應(yīng)用思路

（一）負(fù)荷性

荷載水平是機(jī)械設(shè)備選擇材料時(shí)不可忽視的重要因素，當(dāng)荷載水平較低時(shí)部分機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用性能相對較弱。例如吊車作業(yè)時(shí)所承擔(dān)的荷載量較高，懸臂吊車、懸掛吊車、橋式吊車等機(jī)械設(shè)備，在選取基礎(chǔ)材料時(shí)必須考量其對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型的支撐力，因此選擇金屬材質(zhì)或合金材質(zhì)仍然必須是極為穩(wěn)定的應(yīng)用材料。在其應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備時(shí)，除考量重力、壓強(qiáng)、拉力之外，也需要考慮材料的基本耐受度，例如溫度承受的上限與下限，也是保障機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)負(fù)荷水平的條件之一。例如冷卻系統(tǒng)中對于零部件的負(fù)荷水平要求較高，因此更多的選擇了鋁制品材料，其耐腐蝕性也支持了冷卻系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)性能。因此，在不同設(shè)備機(jī)械的設(shè)計(jì)維度中，全面衡量不同材料的負(fù)荷性是較為關(guān)鍵的選擇與應(yīng)用思路。

（二）實(shí)用性

機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)必須全面考量所選材料的實(shí)用性，這種實(shí)用性是針對機(jī)械設(shè)備功能而定的應(yīng)用思路。例如在汽車制造業(yè)的相關(guān)設(shè)備中，變速箱、減速器、離合器、剎車片、差速器盤角齒等磨損度相對較高。選擇鑄鐵或鍛鋼材質(zhì)的應(yīng)用比例較高，基于其材質(zhì)本身的堅(jiān)固性，及韌性的應(yīng)用思路是選擇同類型材料的基礎(chǔ)要素和評估條件。而車體框架對于自身總量的要求較高，為了降低其車體重量，同時(shí)保持較高的堅(jiān)固性，輕型材質(zhì)中大量引用了鋁、銅、鑲、錳、絡(luò)、鐵、鎳、鋅等合金元素。諸如纖維增強(qiáng)材料的應(yīng)用日漸普遍，樹脂材料中PP、PA6、PA66、PBT等的纖維含量分別達(dá)到了10%、15%、20%、30%。而MD礦物復(fù)合填充材料在汽車前段模板、托盤、護(hù)板、支架等位置的應(yīng)用頻次也相對較高，可以保持機(jī)械設(shè)備的成型穩(wěn)定性，以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這實(shí)質(zhì)上是以塑代鋼的應(yīng)用思路。

（三）經(jīng)濟(jì)性

以材料本身的成本造價(jià)為評估條件，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中不得不考量的現(xiàn)實(shí)問題與應(yīng)用思路。由于諸多材料在應(yīng)用效果上能夠達(dá)到相同的作用，因此以保障機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)性能，選擇最為廉價(jià)的材料，也是加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)用路徑。以鈦合金和鋁合金兩種材料的對比為例，鋁制品的平均造價(jià)僅為鈦合金的十分之一左右，且應(yīng)用于工程設(shè)備上的屬性基本相似。因此，在考量機(jī)械設(shè)備的成本造價(jià)時(shí)，設(shè)計(jì)方向也更多的傾向于鋁合金材料。諸如包裝機(jī)械、儀器儀表、環(huán)保機(jī)械等，需要保持其機(jī)械設(shè)備經(jīng)濟(jì)性時(shí)，更多的傾向于選擇和應(yīng)用同屬性廉價(jià)材料。

（四）環(huán)保性

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備之所以能夠創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其本質(zhì)在于環(huán)保材質(zhì)的大量應(yīng)用。如果在機(jī)械設(shè)計(jì)中選取了過多的金屬材料，實(shí)質(zhì)上對于生態(tài)資源的開發(fā)程度也會(huì)相對較高，這種無形成本是亟待消解的機(jī)械設(shè)備制造問題。而新型材料中所具備的環(huán)保性能，也是開發(fā)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的應(yīng)用方向。例如在汽車內(nèi)飾部件中有機(jī)化合物的揮發(fā)性較高，是影響車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素。當(dāng)氣溫較高時(shí)，揮發(fā)氣體甚至?xí)霈F(xiàn)霧翳并凝結(jié)在玻璃上，造成駕駛視線模糊的問題。因此，基于環(huán)保性需求，低VOC材料在高純度、高熱氧穩(wěn)定的添加劑選擇中主要以降低聚合物降解為主，使用真空、添加劑吸附等技術(shù)手段的高分子材質(zhì)將有助于改善機(jī)械設(shè)備的環(huán)保性，是選擇設(shè)計(jì)材料時(shí)需要全面衡量的應(yīng)用思路之一。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：鄭州外國語學(xué)校）