機(jī)械設(shè)計(jì)過程中機(jī)械材料的選擇和應(yīng)用

趙 琳

（山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030009）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速成長，特別是機(jī)械制造業(yè)的迅速成長，有力地促進(jìn)了我國工業(yè)化的成長，對機(jī)械制造業(yè)各個(gè)部分的需求也在持續(xù)提高，機(jī)械材料的篩選以及運(yùn)用是最關(guān)鍵的一環(huán)。機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇決定了機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的品質(zhì)，能夠達(dá)到機(jī)械制造的可持續(xù)成長。機(jī)械材料的選擇和運(yùn)用始終是機(jī)械制造業(yè)的重點(diǎn)，篩選材料時(shí)要思考材料的運(yùn)用規(guī)模和實(shí)用性，考慮材料的環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)利益，以節(jié)省生產(chǎn)與環(huán)保成本，達(dá)到我國機(jī)械工業(yè)的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成長，改善人們的生活品質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的品質(zhì)，給我國綠色經(jīng)濟(jì)的成長做出貢獻(xiàn)。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇的關(guān)鍵性

伴隨國內(nèi)現(xiàn)代工業(yè)化的持續(xù)成長，機(jī)械制造企業(yè)若要生產(chǎn)具有更現(xiàn)代化的機(jī)械制造產(chǎn)品，就一定要合理選擇機(jī)械材料，材料對于機(jī)械設(shè)計(jì)來說是至關(guān)重要的，有關(guān)人員必須仔細(xì)選擇。在設(shè)計(jì)階段保證機(jī)械材料的實(shí)用性，注意材料的環(huán)境保護(hù)性質(zhì)，以免對生活環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。全面考慮機(jī)械材料的環(huán)境保護(hù)性質(zhì)，大力提高機(jī)械材料的質(zhì)量，推動(dòng)我國機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提升我國的綜合實(shí)力以及人民的生活水平。

2 現(xiàn)有材料選擇和運(yùn)用中的問題

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)材料成本高

機(jī)械產(chǎn)品由不同機(jī)械部件組成，部件的零件組成更為復(fù)雜，行業(yè)對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高，不僅需要硬度高，還需要滿足多類指標(biāo)，增加了機(jī)械設(shè)計(jì)選材的困難度，也讓機(jī)械設(shè)計(jì)的材料成本變的極高，尤其是金屬材料的篩選。這不僅對機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的成長產(chǎn)生不良影響，而且對我國工業(yè)的長久發(fā)展有不利影響，這也是機(jī)械設(shè)計(jì)的主要問題之一。

2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用不恰當(dāng)

機(jī)械設(shè)計(jì)所制造的工業(yè)產(chǎn)品專業(yè)性較強(qiáng)，要關(guān)注對機(jī)械設(shè)計(jì)重要點(diǎn)的掌控。我國的大部分工業(yè)行業(yè)中，對機(jī)械設(shè)計(jì)的運(yùn)用還不夠完整，基本是因?yàn)楣ぷ魅藛T對機(jī)械設(shè)計(jì)的運(yùn)用關(guān)鍵點(diǎn)不能充分掌控，不能全面考慮設(shè)計(jì)隱患，降低了機(jī)械設(shè)計(jì)的工作效益，不利于改善行業(yè)的資源分配，這是機(jī)械設(shè)計(jì)工作中相對嚴(yán)重缺陷。機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)未來的發(fā)展前景遠(yuǎn)大，工作人員要加強(qiáng)對機(jī)械設(shè)計(jì)重點(diǎn)的了解。

3 機(jī)械材料的不同類型

3.1 陶瓷類

工業(yè)陶瓷中的氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷可在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下部分替代金屬材料和高分子材料，其具有耐化學(xué)腐蝕、密度低、硬度高等特征。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用中，常利用陶瓷類材料改造原有組件，以提高密封性，但是陶瓷類材料強(qiáng)度差、較脆弱、成本高。

3.2 金屬類

機(jī)械加工首先接觸到的是各類金屬類材料，國內(nèi)機(jī)械加工的金屬類機(jī)械材料使用率高達(dá)99%。金屬類機(jī)械材料具有成本低、硬度高等特征，對各種機(jī)械加工工藝的適用性很強(qiáng)。在制造過程中金屬類機(jī)械材料獲得了普遍運(yùn)用，特別是合金材料。

3.3 高分子復(fù)合類材料

高分子復(fù)合材料是通過兩種或更多種材料的物理或化學(xué)融合獲得的產(chǎn)品，不同的復(fù)合材料也具有不同的優(yōu)異性能。在機(jī)械加工中，按照工藝要求的不同，可以選擇不同的復(fù)合材料，復(fù)合材料的種類繁多、性能不同。為滿足各種機(jī)械加工和構(gòu)造的要求，合金材料其實(shí)是復(fù)合材料中的一部分，而聚合物材料實(shí)質(zhì)上類似于合成纖維材料。聚合物機(jī)械材料有很多來源，涉及領(lǐng)域廣泛，生產(chǎn)聚合物材料的過程也不會(huì)損耗過多的能量，這讓該材料廣泛用于機(jī)械設(shè)計(jì)中。

4 材料選擇及其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 負(fù)載型材料的篩選

在機(jī)加工的設(shè)計(jì)過程中，最終無法應(yīng)用許多類型的組件或材料，根本原因是材料及組件不具有很強(qiáng)的承載能力，并且無法改進(jìn)組件或材料的優(yōu)勢。所以，在機(jī)械加工設(shè)計(jì)階段篩選材料或零件時(shí)，一定要按照設(shè)計(jì)載荷實(shí)行篩選。最常選擇低碳鋼滲碳或中碳鋼淬火、回火。

4.2 選擇低能耗低污染的材料

不管篩選哪種類型的材料，都需要低能耗及低污染，但是不適用在要預(yù)先預(yù)熱的材料。加熱材料會(huì)污染空氣，特別是加工場所的周圍環(huán)境。因此，最合適的機(jī)械材料可以在熱軋狀態(tài)與冷拔狀態(tài)下呈現(xiàn)出最好的性能。如果不可避免，則需要篩選材料，使用盡可能少的預(yù)熱材料，以及篩選具有較少預(yù)熱步驟的材料。較常見的方法是運(yùn)用低硬度鋼來鍛造機(jī)械零件，以使機(jī)械材料在鍛造后形成硬化層。

4.3 選擇實(shí)用材料

要篩選對機(jī)械加工有用處的材料，一定要在提前分析機(jī)械設(shè)計(jì)的材料要求，選擇機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)用的材料，有利于材料的恰當(dāng)使用與科學(xué)應(yīng)用，而不會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。例如，某些機(jī)械加工環(huán)節(jié)一定要具有更高硬度的材料或組件，只是某些環(huán)節(jié)一定要篩選具備較好外觀的材料。因此，實(shí)際材料的選擇受到不一樣環(huán)節(jié)、要求的限制。

4.4 采用回收再利用的策略

因?yàn)榻饘俨牧蠌V泛用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，而且材料類型較多，因此鋼材種類繁多，尤其是在機(jī)械設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)過中，必須將各種金屬材料相互混合，極大地降低了金屬材料的利用率。為了加強(qiáng)廢料的回收率，一定要對不同類型的廢料進(jìn)行篩選，特別是對廢料的可回收性實(shí)行深化探究。一般而言，材料的基本元素種類較少，構(gòu)成元素越少回收率越高。

4.5 選擇經(jīng)濟(jì)的材料

經(jīng)濟(jì)成本同樣是選擇機(jī)械設(shè)計(jì)材料的關(guān)鍵。在機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)過中，設(shè)計(jì)師一定要分析設(shè)計(jì)過程中的特定步驟，根據(jù)每個(gè)過程的設(shè)計(jì)特征，選取最具成本效益的機(jī)械材料，使材料的使用價(jià)值最大化，并最終決定其機(jī)械設(shè)計(jì)的根本需求。不一樣的機(jī)械設(shè)計(jì)材料具備不一樣的性能特點(diǎn)，有必要詳細(xì)掌握材料的運(yùn)用性能，以選擇最具成本效益和最經(jīng)濟(jì)的材料，以滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的特定標(biāo)準(zhǔn)，并把握篩選材料的基礎(chǔ)內(nèi)容。此外，有必要按照機(jī)械設(shè)計(jì)項(xiàng)目的總體預(yù)算選擇經(jīng)濟(jì)的材料，這基于兩個(gè)原則：①滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的工程標(biāo)準(zhǔn)，所有材料都必須低價(jià)；②是最具成本效益和最經(jīng)濟(jì)的材料。尤其是應(yīng)首先選擇可回收的機(jī)械材料，以減少能源損耗，高效控制機(jī)械設(shè)計(jì)過程的成本，并提高機(jī)械項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效率。

4.6 適合國家的可持續(xù)發(fā)展原則

本質(zhì)是達(dá)到經(jīng)濟(jì)資源的可循環(huán)利用，深化研究機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，熟練把握機(jī)械材料的隱藏內(nèi)容，深化探究機(jī)械材料的基本特征，合理運(yùn)用，最大限度地展現(xiàn)最大作用的機(jī)械材料性能，實(shí)現(xiàn)低能耗、低污染的機(jī)械工程。維護(hù)自然環(huán)境，環(huán)境保護(hù)和節(jié)能是現(xiàn)代社會(huì)的關(guān)鍵發(fā)展理念，也是我國可持續(xù)發(fā)展的重要政策。伴隨我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對周圍的生活環(huán)境有了較高的標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械工程一定要將能耗與環(huán)境污染相結(jié)合，高效控制機(jī)械材料的能耗，加強(qiáng)材料利用率，減少環(huán)境污染，以可持續(xù)發(fā)展為指導(dǎo)選擇環(huán)保節(jié)能機(jī)械材料，以較大限度地降低對環(huán)境的污染，促進(jìn)可回收資源在不同領(lǐng)域的運(yùn)用。

5 結(jié)束語

隨著我國現(xiàn)代社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，我國機(jī)械設(shè)計(jì)工業(yè)獲得了關(guān)鍵成就。機(jī)械材料的篩選與運(yùn)用，對機(jī)械行業(yè)的健全成長具有重要意義，在篩選機(jī)械材料時(shí)一定要選擇節(jié)能型、環(huán)保型的材料，不僅需要材料適應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，還需要達(dá)到國家可持續(xù)發(fā)展目的，對我國機(jī)械加工行業(yè)起到積極作用。