機械設計中金屬材料的選擇及應用

楊 茜

（呂梁職業(yè)技術學院，山西 呂梁 032300）

機械制造業(yè)的發(fā)展影響著我國工業(yè)的發(fā)展，而機械設計作為機械制造業(yè)的基礎性工作，企業(yè)對于材料的選擇關系機械制造過程的效率和質量。在機械設計的過程中，企業(yè)應依據(jù)金屬材料自身的優(yōu)缺點，綜合考量其性能，注重揚長避短，使機械達到最佳使用效果。隨著現(xiàn)代社會對機械制造的需求不斷提高，材料緊缺的問題在機械加工業(yè)市場中尤為凸顯，企業(yè)在選擇金屬材料時要注重其經(jīng)濟實用性，為機械制造與生產(chǎn)提供便利條件，幫助企業(yè)在機械制造中獲得更大的利潤，使企業(yè)在機械加工業(yè)市場中占據(jù)有利的競爭地位[1]。

1 機械設計中金屬材料的選擇原則

1.1 機械性能

機械生產(chǎn)制造中，材料選擇時要考慮金屬材料本身的荷載力大小和荷載性質，尤其是機械設計中的材料荷載力和可塑性，是決定企業(yè)生產(chǎn)機械產(chǎn)品性能的關鍵。設計師要想在后期設計過程中保證機械良好的使用效果，就要盡可能選擇荷載水平較高的金屬材料，否則金屬材料因荷載性能較低而引發(fā)的使用受阻礙或者使用失效等不良反應，都會影響企業(yè)生產(chǎn)材料的效果。企業(yè)的技術人員應認真審核加工材料，檢測材料的性能，評估材料的各項性能參數(shù)；在必要的情況下，還應對材料進行調(diào)質、滲碳、氮化等技術處理。

1.2 尺寸與質量

現(xiàn)代機械制造業(yè)是一個容錯率較低的行業(yè)，所生產(chǎn)的元件會被應用于各種形式的生產(chǎn)過程中，一個小的零件發(fā)生規(guī)格錯誤，都有可能影響實際的生產(chǎn)效果，或是給實際的生產(chǎn)造成嚴重的安全事故，因此機械制造一般要求零容錯率。如果機械制造企業(yè)的選材不當，就可能導致金屬材質部件的質量或者尺寸不合格，輕者會造成資源浪費，重者可能會給企業(yè)的生產(chǎn)造成巨大的損失[2]。由此可見，零件的尺寸與質量也是企業(yè)選擇機械制造金屬材料的一個重要的內(nèi)容。企業(yè)的技術人員在選材時，要全面考慮生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸與質量，選擇與之相符的金屬材料，既可以幫助企業(yè)避免資源浪費的情況，也可以滿足機械制造行業(yè)的零容錯率要求。

1.3 工作環(huán)境

工業(yè)機械制造行業(yè)所生產(chǎn)的軟件多數(shù)會被應用于工業(yè)生產(chǎn)中，而各個機械組成部分所處的工作環(huán)境并不相同，因此選擇不同功能的金屬材料非常重要。對此，機械制造企業(yè)要考慮以下幾點因素。1）溫度方面的因素。金屬材料可能會隨著外界溫度的變化而出現(xiàn)熱脹冷縮的情況，在熱脹冷縮的條件下，金屬材料體積的變化幅度不同，膨脹系數(shù)也有所差異，因此企業(yè)選擇金屬材料時要考慮溫度方面的因素。2）濕度及金屬材料防腐蝕性能方面的因素。機械制造生產(chǎn)中，一些零件可能會在高度腐蝕的環(huán)境中工作，如果環(huán)境的條件較為潮濕，就只適合高防腐蝕能力的金屬材料應用其中，否則金屬材料的防腐蝕性能不強，可能會影響機械設計的效果。3）耐磨性能方面的因素。零件在運行的過程中必然會出現(xiàn)磨損問題，隨著運行時間的延長，零件的磨損程度會越來越高，達到一定程度的時候，就可能會引發(fā)連鎖的生產(chǎn)故障，因此企業(yè)要選擇硬度較大、耐磨性較好的金屬材料，有效地延長機械產(chǎn)品的使用壽命。隨著現(xiàn)代焊接技術、熱噴涂技術的發(fā)展，零件性能的加工技術也更加先進，可以促使零件的壽命得到有限的延長，節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本，有助于企業(yè)獲得更高的經(jīng)濟利益。

1.4 加工需求

金屬零部件的生產(chǎn)過程比較煩瑣，各類金屬零部件的結構也相對復雜，因此金屬材料加工時要考慮其材料本身的性能，只有達到與生產(chǎn)需求相符合的條件，才能進一步開展機械設計工作，這也是設計者必須考慮的實際因素。對于一些生產(chǎn)過程較復雜零部件的機械加工過程而言，企業(yè)需要進一步采取高端加工技術的方式，如板材沖壓元件焊接等加工流程可以檢驗金屬材料的加工性能，無法通過材料的性質檢測就無法被應用于實際的機械制造中。金屬材料本身只有具備較好的沖壓切削能力或鑄造焊接性能，才能適應更高水平的機械制造，而現(xiàn)代工業(yè)的機械制造生產(chǎn)需要綜合性能較優(yōu)的金屬材料[3]。

1.5 經(jīng)濟環(huán)保性

現(xiàn)代社會追求經(jīng)濟、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念，良好的生態(tài)環(huán)境是每一行業(yè)必須遵守的生產(chǎn)原則，也是促使行業(yè)得到健康發(fā)展的基本前提。創(chuàng)造經(jīng)濟效益是機械制造企業(yè)生產(chǎn)與運營的目標，選擇性價比更高的金屬材料有助于企業(yè)科學地縮減成本，使企業(yè)在生產(chǎn)中獲得更大的利潤空間。另外，企業(yè)在市場競爭中獲得的成本資金越多，越利于企業(yè)將資金投入其他生產(chǎn)活動中，如提升企業(yè)的生產(chǎn)力、引進新型設備等，因此對于金屬材料的選擇，企業(yè)要重視其經(jīng)濟環(huán)保性，所選擇的材料應根據(jù)加工的難易程度及材料的轉化率來選擇材料價格合理的種類，既要依照科學的選材原則，也要為企業(yè)盡可能地降低生產(chǎn)成本。

1.6 循環(huán)實用性

在機械制造與生產(chǎn)過程中，制造企業(yè)通常需要將多種金屬材料混合制作成合金來達到預期的效果，合金的制作方法可以提升金屬的綜合性能，但金屬材料的合金制作過程比較煩瑣，需要企業(yè)具備一定水平的技術生產(chǎn)能力。如果機械設備報廢，合金的回收成本也會高于金屬材料，而且合金的回收難度也要高于金屬材料，就容易造成大量的資源浪費，要想增強機械制造與生產(chǎn)的環(huán)保性和合理性，就要考慮金屬材料的循環(huán)使用。組成元素越少的合金越能提升其材料的回收率，這也是機械制造企業(yè)需要考慮的重要內(nèi)容。

1.7 材料無害化

金屬材料中有一些特殊的金屬元素會對人體的健康造成危害，如常見的鉛、鉻。在工業(yè)制造生產(chǎn)過程中，這些金屬材料所產(chǎn)生的廢棄物排放不當，會造成環(huán)境污染。工業(yè)機械制造是為了造福人類，對社會生產(chǎn)起到推動作用，但如果機械制造企業(yè)使用存在較多污染物的金屬材料，就會影響人類社會的穩(wěn)定，對人們的身心健康會造成不良影響，甚至會威脅自然環(huán)境的和諧發(fā)展。因此，機械制造企業(yè)在選擇生產(chǎn)所需要的金屬材料時，要考慮金屬材料的無害化，對于這些具有嚴重危害性的金屬材料，要最大限度地減少使用次數(shù)，必要時可以考慮是否存在可替代材料，如果沒有可以替代的材料，企業(yè)就要有效控制該材料的應用程度，使其處于可控的范圍內(nèi)，而不會對外界造成過多的影響[4]。

2 機械設計中金屬材料的環(huán)保性選擇與應用

2.1 選擇污染小與耗能低的材料

企業(yè)在機械制造與生產(chǎn)中要認真貫徹落實現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展的理念，金屬材料的選擇應盡可能避免在加工過程中產(chǎn)生大量的廢氣和廢料，有效減少機械生產(chǎn)對環(huán)境的污染和資源的浪費。有些金屬材料在經(jīng)過熱工藝處理后，其性能會得到提升，使用壽命也會得到延長，但是熱工藝處理過程中存在污染環(huán)境的現(xiàn)象也會消耗大量的能源，因此制造企業(yè)應盡可能避免使用需要大量熱處理的材料。如果一些金屬材料無法避免要進行熱處理，企業(yè)也要盡可能選擇處理工序較少的材料，以有效降低能耗和環(huán)境污染的程度。

2.2 選擇可回收再生的加工材料

選擇合適的加工材料在機械設計中非常重要，減少產(chǎn)品材料的種類，盡可能選擇可回收、可再生、易降解的材料，提升基礎材料對環(huán)境的兼容性。機械使用過程中必然會出現(xiàn)材料磨損的情況，磨損嚴重的材料就要報廢；而報廢之后的金屬資源回收問題也是設計中需要考慮到的因素，如果廢棄的資源無法得到大比例的回收，社會資源的浪費問題將會越來越嚴重。有些金屬材料中存在有害物質，若無法回收就會危害人們的身體健康，設計師在設計機械元件時，既要保證零件的優(yōu)良性能，更要減少產(chǎn)品中材料元素的種類，使金屬材料在廢棄回收后還可以進行二次利用，而且回收的成本比較低。若是橡膠與金屬的混合設計，其報廢以后的回收過程中則很難分離出金屬物質，二次利用的效率也會大大降低[5]。

2.3 優(yōu)先選擇新型的安全性材料

傳統(tǒng)的物質材料在加工時可能會產(chǎn)生有害物質，對自然環(huán)境造成非常嚴重的危害，設計師要盡可能減少使用這類物質材料，在條件允許的情況下，可以大膽嘗試用新型材料替代傳統(tǒng)的基礎材料。比如，現(xiàn)代市場中常見的金屬泡沫材料由于不能被燃燒，可以提高循環(huán)使用的效率，而且金屬泡沫對環(huán)境的污染程度非常低，屬于無毒無害材料的范疇。除此之外，金屬材料市場中還有許多新型的材料未得到重視，企業(yè)的設計師在進行機械設計時，應充分調(diào)查相關市場情況，對市場中的新型材料進行實驗檢測，得出相關的性能數(shù)據(jù)以后，再考慮其性價比是否適合企業(yè)的生產(chǎn)加工應用。因此，優(yōu)先選擇新型的安全性材料，也是企業(yè)需要在機械設計中需要特別注意的[6]。

3 結束語

在現(xiàn)代社會的發(fā)展過程中，機械設計行業(yè)起著促進國民經(jīng)濟增長、推動工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要作用，合理地選擇基礎材料，不僅可以優(yōu)化機械設計的環(huán)節(jié)，還可以為企業(yè)的發(fā)展提供助力。企業(yè)對材料的選擇要滿足實際加工流程的要求，提升其經(jīng)濟適用性和環(huán)保利用性，只有堅持走可持續(xù)發(fā)展的道路，機械制造企業(yè)才能在現(xiàn)代經(jīng)濟市場中得到更廣闊的發(fā)展空間。