機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)手段及金屬材料的選擇研究

周功新

摘? 要：金屬材料是機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中的基礎(chǔ)原材料，其強(qiáng)度、韌性等性能直接決定其加工性能以及所制造的產(chǎn)品的最終性能等?；谀壳暗臋C(jī)械行業(yè)發(fā)展要求，為了滿(mǎn)足更高的機(jī)械產(chǎn)品性能要求，應(yīng)科學(xué)選擇金屬材料并通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段加以設(shè)計(jì)，在經(jīng)過(guò)機(jī)械加工之后保證其性能達(dá)標(biāo)。此外，還要在選擇金屬材料時(shí)盡量選擇能耗低、環(huán)保、性?xún)r(jià)比高、可以回收利用以及安全的材料類(lèi)型，滿(mǎn)足實(shí)際加工流程要求，推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)手段;金屬材料;選擇

1引言

機(jī)械制造業(yè)是我國(guó)工業(yè)發(fā)展中的支柱型行業(yè)，而機(jī)械設(shè)計(jì)則是機(jī)械制造行業(yè)的基礎(chǔ)性工作內(nèi)容，在此工作中，合理選擇和應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)手段，同時(shí)要綜合考慮所用金屬材料的性能和特點(diǎn)，充分發(fā)揮不同金屬材料的優(yōu)勢(shì)來(lái)提升所設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品的性能和使用效果，這是機(jī)械設(shè)計(jì)的最終要求和目的。

2機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料選擇的意義

現(xiàn)階段我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展形勢(shì)下對(duì)各類(lèi)機(jī)械制造產(chǎn)品的需求量猛增，加之機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展進(jìn)步，這給機(jī)械制造行業(yè)帶來(lái)更多機(jī)遇的同時(shí)，也帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。為了滿(mǎn)足不斷增加的市場(chǎng)需求量，需要充分發(fā)揮機(jī)械制造行業(yè)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)金屬材料進(jìn)行合理應(yīng)用來(lái)保障機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量和性能，符合工業(yè)發(fā)展要求。但是針對(duì)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷深入發(fā)展形勢(shì)下給機(jī)械制造企業(yè)帶來(lái)的問(wèn)題，表現(xiàn)出機(jī)械制造原材料短缺等問(wèn)題，這也需要對(duì)金屬材料進(jìn)行科學(xué)選擇，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造產(chǎn)品質(zhì)量和性能的提升，同時(shí)也延長(zhǎng)機(jī)械制造產(chǎn)品的使用壽命等。

3機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的技術(shù)手段

3.1滲碳處理

此種熱處理工藝就是通過(guò)提升金屬材料表面碳濃度的方式來(lái)提升其塑性和韌性的方式。通過(guò)此種滲碳方式可以讓無(wú)法達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)要求的金屬材料經(jīng)過(guò)處理之后滿(mǎn)足加工工藝和使用要求。但是要在滲碳處理時(shí)結(jié)合其具體的加工工藝要求和機(jī)械部件的使用性能、尺寸等情況選擇滲碳深度和濃度。而且由于滲碳處理要消耗一定的成本，還應(yīng)基于經(jīng)濟(jì)性考慮來(lái)選擇滲碳深度與濃度，在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求之后則需要繼續(xù)滲碳處理，避免材料浪費(fèi)水。

3.2淬火處理

淬火是比較簡(jiǎn)單的金屬材料熱處理工藝，通過(guò)淬火可以提升金屬部件的表面耐磨性和劈來(lái)強(qiáng)度。但是也要基于設(shè)計(jì)工作要求，對(duì)金屬材料的殘余拉應(yīng)力進(jìn)行考慮，防止在金屬部件的齒根位置或軸的過(guò)度扁角位置出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力現(xiàn)象。針對(duì)工件之間相互連接的部位，如果殘余拉應(yīng)力作用降低可能會(huì)損壞機(jī)械工件，尤其是容易破壞細(xì)軸以及薄板類(lèi)部件。這就需要在機(jī)械設(shè)計(jì)階段對(duì)表面淬火工藝產(chǎn)生的應(yīng)力平衡問(wèn)題加以考慮，比如可以將薄板零件設(shè)計(jì)為雙面結(jié)構(gòu)，防止在淬火中出現(xiàn)工件變形問(wèn)題。

4金屬材料選擇的基本原則

4.1荷載大小

物體的直接受力表現(xiàn)方式為荷載，也就是在物體表面上直接作用的外部壓力。而由于所用材料的不同，其極限荷載存在不同，也就是材料對(duì)外部壓力的承受能力不同。在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇金屬材料時(shí)，則應(yīng)針對(duì)所要設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品在使用時(shí)所承受荷載的具體情況，確保所選擇的材料的荷載能力在外部壓力作用以上，防止在使用中出現(xiàn)產(chǎn)品變形或者金屬部件的破裂、損壞等問(wèn)題。此外，在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，對(duì)于所用金屬材料的延展能力有著較高的要求，避免荷載直接作用在機(jī)械零件上，由于此部位存在荷載能力不足的問(wèn)題而導(dǎo)致零部件的變形問(wèn)題。但是在零部件承受外部荷載時(shí)，零部件會(huì)發(fā)生變形問(wèn)題，其內(nèi)部也會(huì)受到相同的反作用力的作用，也就是應(yīng)力因素。如果選擇具有較弱荷載能力的金屬材料，就會(huì)導(dǎo)致所設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品的質(zhì)量較差。因此在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)盡量少的選擇低碳鋼和中碳鋼等具有較弱承載能力的金屬材料，而應(yīng)積極使用具有更高質(zhì)量的碳素鋼和合金鋼。這是由于在鋼材的含碳量較高的情況下，雖然硬度較高，但是會(huì)降低其延展性和韌性，還需要加入一定量的錳、磷等元素加以改善，應(yīng)用具有更高性能、耕地成本和具有較強(qiáng)可加工性的碳鋼。相反，如果碳鋼的硬度降低，也會(huì)提升材料的延展性和韌性。但是在碳鋼的制造和冶煉過(guò)程中，會(huì)由于上述因素而導(dǎo)致所生產(chǎn)的碳鋼出現(xiàn)裂痕問(wèn)題。如果將碳鋼應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，且對(duì)于零件的精度要求較低，則可以將一定量的合金材料應(yīng)用于碳鋼中，實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件整體剛性和韌性的提升。但是此種合金鋼材料的冶煉工藝難度較大且比較復(fù)雜，使得此類(lèi)金屬材料的加工成本較高。

4.2金屬材料的工作環(huán)境

基于不同金屬材料所設(shè)計(jì)和制造的產(chǎn)品， 由于使用時(shí)的外部環(huán)境不同，對(duì)所用金屬材料的性能也有著不同的要求和產(chǎn)生不同的影響。比如，如果機(jī)械產(chǎn)品在環(huán)境潮濕以及溫度較高的環(huán)境中使用，如果將金屬材料直接暴露在空氣中，則會(huì)加速金屬材料的腐蝕速度。因此，應(yīng)基于金屬材料的工作環(huán)境選擇具有更強(qiáng)抗腐蝕性能的金屬材料類(lèi)型。

4.3零部件尺寸的選擇

機(jī)械設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是零部件的尺寸，尤其是針對(duì)目前工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)各類(lèi)零部件的尺寸要求更加精密的發(fā)展特點(diǎn)，甚至要求部分零部件應(yīng)滿(mǎn)足達(dá)到納米精度級(jí)別要求。因此，在基于理論角度在機(jī)械設(shè)計(jì)中計(jì)算和分析零部件的尺寸大小，然后通過(guò)實(shí)際的機(jī)械制造過(guò)程之后，容易由于零部件尺寸選擇和控制不當(dāng)導(dǎo)致最終零部件無(wú)法配套鑲嵌等問(wèn)題。這就需要在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)基于金屬材料的實(shí)際工作環(huán)境和加工條件來(lái)精確計(jì)算機(jī)械零部件，不應(yīng)僅僅是從理論上進(jìn)行計(jì)算。還要選擇性能相同的金屬材料，在此基礎(chǔ)上保證金屬材料易于被切割加工，便于對(duì)金屬材料的精度加以嚴(yán)格控制。

5金屬材料的選擇策略

在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇金屬材料時(shí)，首先應(yīng)選擇具有較小污染且較低耗能的材料?；诂F(xiàn)階段我國(guó)提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，在選擇金屬材料時(shí)應(yīng)考慮其加工中可能產(chǎn)生的廢氣和肥料等，或者是在熱處理金屬材料之后，盡管提升其性能并延長(zhǎng)其壽命，但是會(huì)出現(xiàn)熱處理工藝中對(duì)環(huán)境造成污染以及消耗過(guò)多資源等問(wèn)題，這就應(yīng)該選擇熱處理工藝比較少的材料，減少對(duì)環(huán)境的污染以及加工過(guò)程中的能耗量。

其次應(yīng)選擇可以回收再生的材料。在機(jī)械設(shè)計(jì)中還應(yīng)盡量使用同類(lèi)型的材料，減少金屬材料種類(lèi)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)保證所選擇材料的環(huán)境兼容性，選擇具有可回收、可再生以及易降解等特點(diǎn)的材料。因此針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中選擇的金屬材料，在保證其性能優(yōu)良的同時(shí)，減少材料種類(lèi)，降低回收成本。還要避免將金屬與橡膠材料設(shè)計(jì)在一起的方式，降低零件報(bào)廢之后的分離難度，實(shí)現(xiàn)二次利用率的提升。

最后應(yīng)選擇新型的安全性材料。針對(duì)較多的材料在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)而危害自然環(huán)境的問(wèn)題，可以應(yīng)用現(xiàn)代市場(chǎng)中的新型材料，比如具有不然性以及可循環(huán)利用的金屬泡沫材料，減少對(duì)環(huán)境的污染。還要對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行充分調(diào)研，做好對(duì)新型材料的科學(xué)試驗(yàn)、檢測(cè)等工作，選擇符合機(jī)械制造要求的新型安全性材料。

6結(jié)語(yǔ)

在目前工業(yè)發(fā)展形勢(shì)下對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)水平要求不斷提高的進(jìn)程中，也表現(xiàn)出材料緊缺的問(wèn)題，為此，在選擇金屬材料時(shí)還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的要求，便于開(kāi)展后續(xù)的機(jī)械制造和生產(chǎn)工作，進(jìn)而可以提升機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 方偉濤. 試論機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的選擇及應(yīng)用[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件， 2020， 000（006）：P.224-225.

[2] 林偉宏. 金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用初探[J]. 中國(guó)金屬通報(bào)， 2020， 000（003）：57，59.

[3] 卜范德， 孫中付， 楊貴東. 金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用分析[J]. 中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)， 2019， 000（026）：63.

[4] 劉亦晴. 分析機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇及應(yīng)用[J]. 科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)， 2019.