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

何劍鋒

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程，全面的開展機(jī)械材料應(yīng)用與研究是必要的，機(jī)械材料的應(yīng)用是提高機(jī)械設(shè)計(jì)水平的重要部分，作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)深入工作實(shí)際，針對(duì)具體機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)容，全面地開展材料應(yīng)用研究，總結(jié)更加高效的應(yīng)用方案，提高機(jī)械材料選擇能力，為機(jī)械設(shè)計(jì)工作開展提供有效建議。

1 材料選擇在機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要性

工業(yè)的發(fā)展促使各部門要不斷完善工作細(xì)則，才能應(yīng)對(duì)不斷變化的市場，使工業(yè)化進(jìn)程更快，提升企業(yè)的綜合實(shí)力。改革開放后，機(jī)械制造成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要部分，機(jī)械設(shè)計(jì)人員根據(jù)制造要求不斷完善工藝流程，使最終的設(shè)計(jì)結(jié)果更優(yōu)質(zhì)，從而保證材料的利用率更高，提升材料創(chuàng)造的價(jià)值。社會(huì)的不斷進(jìn)步，讓人們對(duì)機(jī)械材料的要求日益提高，隨著新型技術(shù)的出現(xiàn)，全新的機(jī)械設(shè)備可以完成材料的高質(zhì)量加工，確保對(duì)材料進(jìn)行更高效地利用。

機(jī)械制造企業(yè)為了完成大規(guī)模的量產(chǎn)，要先認(rèn)真篩選機(jī)械材料。根據(jù)復(fù)雜的工藝要求，選擇更適合加工的機(jī)械材料，能確保大批量生產(chǎn)過程中不會(huì)出現(xiàn)問題。企業(yè)要具有較高的加工工藝，根據(jù)不同材料的加工難度，選擇適合的工藝方法，讓最終完成的產(chǎn)品質(zhì)量更高。同時(shí)，設(shè)計(jì)者要根據(jù)機(jī)械設(shè)備的情況，對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，通過降低設(shè)備損壞幾率的辦法，提高設(shè)備使用壽命，避免對(duì)設(shè)備操作人員造成威脅。企業(yè)也要時(shí)刻考慮成本控制問題，選擇適合的材料。雖然良好的材料可以創(chuàng)造出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，但企業(yè)也要迎合自身發(fā)展情況，選擇更適合企業(yè)使用的材料，避免造成成本浪費(fèi)問題。高品質(zhì)的機(jī)械材料是確保企業(yè)能夠長久發(fā)展的基礎(chǔ)。

按照材料的質(zhì)量和用途進(jìn)行分類，選擇高質(zhì)量材料的同時(shí)，要根據(jù)所制造的產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸?，以提高材料的利用率。篩選機(jī)械設(shè)備的材料關(guān)鍵在于對(duì)技術(shù)的完善，通過現(xiàn)代技術(shù)的革命選擇機(jī)械材料，對(duì)后續(xù)的設(shè)計(jì)成果也有影響。企業(yè)為進(jìn)一步提高制造過程中材料的利用效率，可以根據(jù)環(huán)境的情況選擇更環(huán)保的材料，這些材料既可以避免對(duì)環(huán)境造成污染，提高資源利用效率，又可以將材料的經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性提高，讓材料產(chǎn)生的產(chǎn)品具有更高的環(huán)保價(jià)值。我國機(jī)械制造業(yè)想要維持長久穩(wěn)定的發(fā)展趨勢，要時(shí)刻考慮材料的選擇渠道，并且根據(jù)人們不斷提高的生活要求，提高機(jī)械材料的制造工藝，使最終完成的產(chǎn)品能夠保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，共同打造健康而舒適的生活環(huán)境。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用到的主要材料

機(jī)械設(shè)計(jì)使用的材料含多種類型，其中包括金屬材料和非金屬材料兩大類。金屬材料主要包含鑄鐵、鋼、銅合金，而非金屬材料包括陶瓷和其他復(fù)合材料。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要綜合考慮不同材料的配比，在完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用的同時(shí)，使材料比例適合，以達(dá)到最優(yōu)質(zhì)的效果。不同的材料所展現(xiàn)的性能也存在差異，因此設(shè)計(jì)人員要綜合考慮材料的適用性能和范圍，讓機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

2.1 金屬材料

金屬材料作為機(jī)械設(shè)計(jì)必不可少的材料，主要涉及鐵、鋼、銅等類別。鑄鐵材料要先考慮其物質(zhì)組成，根據(jù)金屬合金的要求，組成的鑄鐵材料中要包含鐵、硅、碳等物質(zhì)，同時(shí)鑄鐵材料在應(yīng)用期間以其優(yōu)質(zhì)的流動(dòng)性，更好地適應(yīng)不同機(jī)械制造環(huán)境。由于其本身的熔點(diǎn)更低，所以在鑄造的同時(shí)可以更適合進(jìn)行鍛造，同時(shí)可以增強(qiáng)其減震性能和抗壓能力，使最終設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)備擁有更廣泛的應(yīng)用空間。鋼材料和鑄鐵材料一樣，也屬于一種由多種元素組成的合金材料，這種材料中所含有的鋼元素較多，在日常應(yīng)用時(shí)要根據(jù)不同鋼合金的結(jié)構(gòu)選擇適合的作業(yè)場景。碳素鋼是性能較強(qiáng)的材料，在加工制造的同時(shí)能夠以更低的價(jià)格完成產(chǎn)品的制造，因此被廣泛應(yīng)用到諸多機(jī)械制造領(lǐng)域。銅材料與鑄鐵材料相比，其本身的延展性更高，并且可以擁有較高的耐腐蝕性，在綜合多種元素以后，銅材料的化學(xué)組成更為復(fù)雜，比如：在白銅中會(huì)加入鋅、鉛、錫、錳等特殊的元素，使最終形成的青銅合金抗腐蝕性更高，耐磨性更強(qiáng)，因此在加工制造過程中可以作為多種機(jī)械設(shè)備的重要元件，拓寬其適用范圍。鋼元素的機(jī)械制造設(shè)計(jì)復(fù)雜，其中包含化學(xué)成分較多。鋼元素有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：本身的造價(jià)較低，工業(yè)性能較好等，在加工制造時(shí)可以根據(jù)類型需求，選擇適合的鋼元素，在控制好含碳量以后，能夠拓寬鋼元素的應(yīng)用范疇。

機(jī)械設(shè)計(jì)中的鋼元素材料含有更多特殊元素，促使最終形成的合金鋼可以擁有較高的物理特性，在不受外界化學(xué)成分影響的前提下，可以通過熱處理的方式制造出相應(yīng)的產(chǎn)品，進(jìn)而滿足機(jī)械材料的基本要求。

2.2 非金屬材料

非金屬材料主要包含橡膠類、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等，塑料作為機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的材料品種，由于其本身重量較輕，同時(shí)加工難度較低，具有較高的抗腐蝕性和絕緣性，因此在多種場合中都會(huì)應(yīng)用。利用橡膠可以完成減震設(shè)計(jì)。具有較高彈性的橡膠，能夠快速吸收多余的沖擊能量，所以制作減震器時(shí)，也可以利用彈性較好的橡膠材料代替。陶瓷材料穩(wěn)定性較高，具有一定的耐高溫、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，所以在機(jī)械設(shè)備制造期間，可以將其作為模具、刀具等工藝的材料。復(fù)合材料包含高分子材料以及陶瓷材料的綜合體系，在機(jī)械制造過程中會(huì)更多地應(yīng)用于武器和航空領(lǐng)域中。科技的迅猛發(fā)展，讓材料的復(fù)雜性提高，也使材料的適用范圍更廣，最終研發(fā)的材料一定更適合人們使用，并且不會(huì)對(duì)生活造成影響。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇與應(yīng)用策略

按照機(jī)械設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)者要了解材料的使用范圍和能力，通過不斷完善設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，拓寬材料的使用渠道：首先，機(jī)械設(shè)計(jì)要符合實(shí)用性理念，確保最終的設(shè)計(jì)更有意義；其次，機(jī)械設(shè)計(jì)要對(duì)細(xì)節(jié)環(huán)節(jié)進(jìn)行妥善觀察，避免設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。還有，材料本身要更好地迎合環(huán)境的變化，在污染程度較低且成本要求較高的區(qū)域，選擇能耗低、保質(zhì)保量的材料用作機(jī)械設(shè)計(jì)，可以更好地構(gòu)建穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)架構(gòu)。材料本身的類型較多，不同的產(chǎn)品要根據(jù)要求選擇適合的材料，才能提升其基本性能。

機(jī)械材料的選擇和應(yīng)用十分廣泛，設(shè)計(jì)人員要考慮零件的基本要求，所以，在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)流程中，工作人員要對(duì)工作內(nèi)容進(jìn)行記錄、存檔，方便進(jìn)行后續(xù)的工作布置。完成基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作以后，機(jī)械設(shè)計(jì)人員要做好以下工作安排。

3.1 明確機(jī)械設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)人員要從科學(xué)的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，確保選擇的設(shè)計(jì)理念符合基本設(shè)計(jì)要求，并有效掌握設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程可以有效執(zhí)行。依據(jù)設(shè)計(jì)方案執(zhí)行工藝的過程中，要注意以下問題：

明確設(shè)計(jì)零件用途。設(shè)計(jì)師根據(jù)不同零件的使用規(guī)格和方向，選擇合適的零件材料以及設(shè)計(jì)方案，在確定使用環(huán)境以后，可以根據(jù)零件的性能選擇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)，對(duì)比零件的磨損程度，利用電腦完成仿真模擬使用過程，了解零件在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)是否達(dá)標(biāo)。做好材料經(jīng)濟(jì)性分析，由于零件具有一定的損耗特性，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)中要以成本控制為基礎(chǔ)，選擇的機(jī)械零件應(yīng)該具有良好的質(zhì)量，在使用的過程中確保采取的設(shè)計(jì)工藝不會(huì)對(duì)零件基本參數(shù)造成影響，讓零件擁有更持久地使用特性。設(shè)計(jì)師也要分析不同零件的材料性質(zhì)，然后按照現(xiàn)有設(shè)計(jì)工藝完善設(shè)計(jì)流程，確保最終采取的設(shè)計(jì)方案可以更高效的應(yīng)用材料，延長零部件的使用壽命。

3.2 做好材料性能分析

材料性能的完整數(shù)據(jù)是判別機(jī)械零件使用壽命的依據(jù)，所以，設(shè)計(jì)人員要在開展相關(guān)理念設(shè)計(jì)之前，先了解材料的基本特性，之后按照需求展開設(shè)計(jì)任務(wù)，具體過程分以下幾部分：

首先，進(jìn)行物理性能分析。機(jī)械材料的物理特性包含導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熔點(diǎn)、密度等，在特定環(huán)境中，材料本身的物理特性直接決定其使用年限和使用環(huán)境。根據(jù)特定材料的情況進(jìn)行工藝調(diào)整，能夠使零件的磨損程度降低，比如：某些機(jī)械零件重量有限，為了避免因質(zhì)量造成影響，可以使用比較輕薄的鋁、鎂等輕金屬材料；其次，了解其化學(xué)特性。在特定環(huán)境下受外部化學(xué)因素影響，機(jī)械材料零部件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磨損，其中包含化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性、耐腐蝕性等。零件在特定環(huán)境中使用，要根據(jù)其本身的化學(xué)特性進(jìn)行選擇，選擇抗氧化性較高的材料，可以延長使用壽命；最后，進(jìn)行工藝性能分析。機(jī)械材料的加工制作工藝十分復(fù)雜，包含焊接、切削、鍛造等流程，所以零部件本身的性能要十分穩(wěn)定，才能在加工以后滿足不同環(huán)境的使用需求。在確定最終設(shè)計(jì)方案前，要經(jīng)過專家討論，明確用途和方向后，最終選擇適合的方案。

3.3 選優(yōu)合理處理工藝

機(jī)械零件的生產(chǎn)加工工藝要做到與時(shí)俱進(jìn)，才能在生產(chǎn)加工的同時(shí)保持工藝流程的優(yōu)化，讓最終完成的機(jī)械零件可以被更好的應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員要了解先進(jìn)的工藝方法，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的工藝流程要懂得進(jìn)行優(yōu)化，使用先進(jìn)的材料和步驟，對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行加工。處理鋼材料的同時(shí)也要做到流程精進(jìn)，提高材料的應(yīng)用效率，此處以鋼材料熱處理為例：

鋼材料通過淬火、正火、回火、退火等流程，可以使其物理特性發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于某些機(jī)械材料本身硬度較大，無法滿足零件加工需求，所以在加工前可以進(jìn)行退火處理，使其硬度降低，進(jìn)而完成零部件的加工與制作。在某些環(huán)境下還要提高機(jī)械材料的硬度，通過正火的方式提高硬度是比較常用的方法，某些零部件在加工處理過程中進(jìn)行退火和正火處理，也可以將無法滿足要求的零部件的硬度和強(qiáng)度進(jìn)行改變，使其符合特定環(huán)境的應(yīng)用特性。對(duì)機(jī)械零件的基本性能進(jìn)行了解后，要按照環(huán)境需求，分析零件本身的性能改變參數(shù)，比如：要確保零件具有更高的耐腐性、熱硬性，要進(jìn)行相應(yīng)的氧化處理，使用物理、化學(xué)的處理方式，既可以提高鋼的滲碳效果，又可以讓鋼在特定環(huán)境下?lián)碛胁煌男再|(zhì)，使其更好的應(yīng)用到相應(yīng)的加工場所中完成零部件制作。不同的設(shè)計(jì)工藝和流程，要根據(jù)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行更改和完善，設(shè)計(jì)人員也要優(yōu)先了解鋼處理的正確方法，在避免對(duì)零件本身質(zhì)量造成影響的前提下，選擇適合的加工工藝，最終獲得想要的零部件產(chǎn)品。

4 材料的選擇與應(yīng)用注意事項(xiàng)分析

4.1 選擇實(shí)用型、功能型的材料

機(jī)械設(shè)計(jì)的整體工藝流程要提前明細(xì)化，才能通過嚴(yán)謹(jǐn)而周密的計(jì)劃保證工藝質(zhì)量。材料選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，適合且實(shí)用的材料能夠?yàn)楹罄m(xù)的加工工藝提供便利。按照設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)師要確保整體的設(shè)計(jì)理念既可以滿足機(jī)械要求，又可以達(dá)到一定的藝術(shù)水準(zhǔn)，使機(jī)械設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品具有更好的美感，同時(shí)提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。按照不同的目標(biāo)對(duì)相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，可以先參考材料的基本特點(diǎn)，然后按照鍛造要求完善工藝流程，突出展現(xiàn)材料性質(zhì)的同時(shí)，利用更加優(yōu)化的工藝，使材料的強(qiáng)化性能得以展示，進(jìn)而獲得質(zhì)量更優(yōu)的產(chǎn)品，使殘次品率有效降低。

4.2 充分考慮運(yùn)行環(huán)境

機(jī)械設(shè)計(jì)加工過程要先對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，按照其強(qiáng)度和質(zhì)量選擇適合的加工方法，然后進(jìn)行材料加工時(shí)，要考慮環(huán)境對(duì)材料變化產(chǎn)生的影響，以免影響機(jī)械工程的整體質(zhì)量。參照設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)機(jī)械工程的環(huán)境因素，對(duì)整體的工藝流程進(jìn)行完善，比如：在酸性環(huán)境中某些金屬材料的耐腐蝕性較弱，因此要采取相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)，以提高材料本身的抗腐蝕性能。在潮濕的環(huán)境中，很多機(jī)械材料容易出現(xiàn)問題，當(dāng)產(chǎn)生生銹開裂情況時(shí)，設(shè)計(jì)師要先考慮這些零件的使用環(huán)境，通過在其表層涂抹一層防銹漆的方式，使零件內(nèi)部成分更加穩(wěn)定，從而提高零件本身的質(zhì)量，延長使用壽命的同時(shí)，也可以有效降低事故發(fā)生概率。

4.3 簡化材料構(gòu)造，使其易于回收

零部件的生產(chǎn)和加工工藝要經(jīng)過不斷優(yōu)化，其目的是更好地完成材料的生產(chǎn)制作，并且可以對(duì)材料進(jìn)行最優(yōu)化的分配，以免出現(xiàn)材料剩余問題。某些金屬材料在使用期間剩余量較多，此時(shí)可以根據(jù)材料本身特性進(jìn)行回收。機(jī)械設(shè)計(jì)中所使用的鋼材有上百種材料，材料本身的差異性較小，所以在使用期間要根據(jù)環(huán)境需求選擇適合的材料，同時(shí)要明確被使用材料的類型，將殘余的材料分類存儲(chǔ)，以便進(jìn)行回收。受傳統(tǒng)觀念影響，某些機(jī)械材料回收過程已經(jīng)系統(tǒng)化，所以在回收相應(yīng)產(chǎn)品時(shí)，要避免出現(xiàn)材料混搭情況。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理念，提高材料利用率，讓最終的設(shè)計(jì)方案更好的避免材料浪費(fèi)問題。針對(duì)某些可循環(huán)使用的材料，設(shè)計(jì)人員要提前進(jìn)行構(gòu)思，通過完善設(shè)計(jì)工藝，建造回收的良性循環(huán)體系，讓材料可以被及時(shí)循環(huán)利用，更加迎合環(huán)保建造的理念。

機(jī)械設(shè)計(jì)以保護(hù)環(huán)境為基礎(chǔ)，合理利用材料的同時(shí)，避免對(duì)環(huán)境造成破壞。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計(jì)理念也發(fā)生了巨大的變化，在不斷優(yōu)化的同時(shí)，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的流程提前完善相關(guān)工藝，并對(duì)執(zhí)行人員進(jìn)行安全培訓(xùn)教育，使其擁有更強(qiáng)烈的安全意識(shí)和環(huán)保意識(shí)，避免對(duì)內(nèi)部材料損耗過高，消除污染的同時(shí)，讓材料優(yōu)化成為維持機(jī)械設(shè)計(jì)理念穩(wěn)定的方式。

4.4 重視材料的荷載問題

機(jī)械設(shè)計(jì)使用材料種類較多，在使用期間要了解每種材料的荷載能力，才能按照環(huán)境需求選擇適合的材料，如選擇的材料出現(xiàn)誤差，則很容易產(chǎn)生不同程度的安全事故，進(jìn)而出現(xiàn)資源浪費(fèi)情況。機(jī)械設(shè)計(jì)初期，工作人員要具有良好的責(zé)任意識(shí)，對(duì)不同材料的荷載能力進(jìn)行記錄和分析，在了解設(shè)計(jì)方案以后，根據(jù)不同區(qū)域材料的使用狀況，對(duì)材料本身的荷載性能進(jìn)行判定。不適合的機(jī)械材料會(huì)導(dǎo)致機(jī)械工程停止，其造成的損失難以計(jì)算，設(shè)計(jì)前期就要由專人對(duì)材料購買的過程進(jìn)行監(jiān)督和管理，同時(shí)詳細(xì)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)資料。設(shè)計(jì)人員也要積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的生產(chǎn)方法和經(jīng)營理念，選擇適合的類型材料，讓最終設(shè)計(jì)的方案更加貼合實(shí)際情況，從而更有利于篩選適合的材料，促使機(jī)械設(shè)計(jì)過程更加完整和優(yōu)質(zhì)，增強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

5 結(jié)語

總之，隨著人們生活水平的提高、生活質(zhì)量的不斷提升，對(duì)各種工業(yè)的要求也是越來越高。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程有效地選擇材料是必要的，在材料的選擇與應(yīng)用過程，設(shè)計(jì)人員要提高認(rèn)識(shí)，針對(duì)性地選擇最佳材料，從而全面提高機(jī)械設(shè)計(jì)水平，為機(jī)械制造行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。