試論機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的選擇及應(yīng)用

摘要：在機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)中除科學(xué)加工技術(shù)外，金屬材料的應(yīng)用也十分重要，是整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和機(jī)械行業(yè)的發(fā)展有著重大意義。因此，這就需要在機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)前細(xì)致挑選金屬材料，不僅要保證材料符合設(shè)計(jì)和后期的加工需求，同時(shí)還要保證材料的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性，才能在后期的應(yīng)用中發(fā)揮最大性能。對(duì)此，本文就對(duì)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)中金屬材料的選擇及應(yīng)用做出詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);金屬材料;選擇;應(yīng)用;研究

0 ?引言

科技的發(fā)展帶動(dòng)了工業(yè)化水平的提高，同時(shí)也帶動(dòng)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，使得機(jī)械設(shè)備功能愈加豐富、質(zhì)量也越來越高。在未來的發(fā)展中工業(yè)制造水平會(huì)愈加完善，基于此，對(duì)于機(jī)械材料來說也需要不斷地發(fā)展，才能跟得上制造業(yè)的腳步。但就目前的機(jī)械材料市場(chǎng)來說，仍然有很大的空缺，尤其是一些稀缺材料，多行業(yè)的需求和競(jìng)爭(zhēng)較大，對(duì)機(jī)械行業(yè)產(chǎn)生一定的影響，如機(jī)械設(shè)計(jì)的材料受到很大限制。因此，這就需要在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，科學(xué)選擇原材料，最大程度的發(fā)揮材料的作用。

1 ?機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇材料的意義及重要性

在時(shí)代發(fā)展的帶動(dòng)下，科技、工業(yè)化也在不斷完善，這對(duì)制造業(yè)來說是一次機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，就機(jī)械產(chǎn)品的需求量來說，市場(chǎng)需求越來越高，使機(jī)械制造業(yè)贏得了經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)會(huì)。機(jī)械制造企業(yè)也加大了生產(chǎn)目標(biāo)，這就會(huì)因市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)原材料短缺。因此，面對(duì)這一問題，就必須要提高機(jī)械設(shè)計(jì)材料質(zhì)量，最大程度的發(fā)揮其性能，延長(zhǎng)機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命。

2 ?機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料選擇的基本原則

機(jī)械設(shè)計(jì)金屬材料的選擇中要綜合考慮材料的性能，例如荷載大小、工作環(huán)境、金屬材料與零件尺寸和質(zhì)量是否符合、加工性能及經(jīng)濟(jì)性。以下對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)選擇的基本原則做出闡述。

2.1 載荷的大小和性質(zhì)

荷載大小在機(jī)械設(shè)計(jì)中有著重要意義，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮材料荷載的承受能力，并根據(jù)材料自身的荷載能力進(jìn)行選擇，如此才能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的需求。除此之外，在選擇中還要根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，對(duì)材料的性質(zhì)進(jìn)行綜合分析。

2.2 零件的工作環(huán)境

機(jī)械設(shè)計(jì)的工作環(huán)境對(duì)金屬材料也會(huì)帶來影響，因此，這就需要根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)環(huán)境選擇材料。例如，位于濕熱的環(huán)境中，金屬材料很容易因外部環(huán)境受到腐蝕，因此，在這一環(huán)境的中應(yīng)選擇抗腐蝕性強(qiáng)的金屬材料，這樣才不會(huì)因環(huán)境的影響對(duì)材料造成損害，保護(hù)其性能不受影響。除此之外，還要考慮材料自身的力學(xué)性能。

2.3 零件的尺寸及質(zhì)量

在機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)中，對(duì)零件有著嚴(yán)格的要求，具體體現(xiàn)在零件的尺寸和質(zhì)量上。因此，為了保證零件的制造符合機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)需求，就需要重視材料挑選。此外，一些特殊的金屬材料無法滿足尺寸和質(zhì)量要求，那么就不可使用。

2.4 零件結(jié)構(gòu)及材料的加工性能

機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)中，機(jī)械零件發(fā)揮著重要作用，而機(jī)械零件是由原材料加工而成，直接關(guān)系著機(jī)械零件的整體質(zhì)量，如果所選擇的材料無法通過后期加工中的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，就無法滿足機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)中的零件質(zhì)量。所以在進(jìn)行機(jī)械材料的選擇時(shí)要重視材料的整體結(jié)構(gòu)和加工性能，滿足各個(gè)階段的技術(shù)操作。

2.5 材料的經(jīng)濟(jì)性

材料的經(jīng)濟(jì)性直接影響著經(jīng)濟(jì)效益，因此，在選擇中就需要根據(jù)所需材料性能進(jìn)行細(xì)致分析，對(duì)材料設(shè)計(jì)中的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，此外，還可以適當(dāng)采用組合機(jī)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本。另外，還要對(duì)所需材料的市場(chǎng)進(jìn)行了解，在保證質(zhì)量和需求的基礎(chǔ)上，選擇經(jīng)濟(jì)性較高的金屬材料。

3 ?機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的技術(shù)手段

在機(jī)械設(shè)計(jì)中要根據(jù)相關(guān)工藝和要求進(jìn)行，才能保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，以下對(duì)此做出論述。

3.1 調(diào)制工藝以及有關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

傳統(tǒng)的機(jī)械材料的加工處理方式無法改變后期零件的重量和截面，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的體積和重量較大。而通過熱處理方式可以優(yōu)化這一點(diǎn)，例如較為常用的調(diào)質(zhì)技術(shù)（熱處理方式），提高材料的拉伸強(qiáng)度和屈服度，增強(qiáng)材料的可塑性，有助于增強(qiáng)零件的整體性能。與此同時(shí)，經(jīng)過這種處理方式后，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)化零件的截面使得機(jī)械產(chǎn)品的重量有所減少。但在實(shí)際的應(yīng)用中還需要特別注意以下幾點(diǎn)：①注明調(diào)質(zhì)：在進(jìn)行機(jī)械材料的熱處理時(shí)，如果單純的只是進(jìn)行熱處理，則可以使用這種方式。例如，進(jìn)行調(diào)質(zhì)技術(shù)，通過正回火工藝可以大大提高材料硬度，但還需注意的是，正回火技術(shù)會(huì)降低材料的沖擊強(qiáng)度，增加材料的斷裂率。②注明調(diào)質(zhì)硬度范圍：在進(jìn)行調(diào)質(zhì)工作時(shí)要表明材料的硬度范圍，將其標(biāo)注后便于后期的生產(chǎn)，以免在生產(chǎn)中超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，與生產(chǎn)條件不符合。③材料要求要適應(yīng)：使用調(diào)質(zhì)技術(shù)時(shí)，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，材料、操作要求都要符合規(guī)范。

3.2 表面硬化技術(shù)以及選材

機(jī)械設(shè)計(jì)材料后期需要進(jìn)行加工處理，如表面硬化技術(shù)處理，從而提高零件的耐磨性和抗蝕性。在實(shí)際中較常使用的表面硬化處理技術(shù)主要分為兩種：滲碳技術(shù)、氮化技術(shù)。兩種技術(shù)的處理方式和特點(diǎn)也大不相同。具體來說，處理方式主要依托滲碳爐，在操作中將材料放置滲碳爐，增加鋼材材料的碳含量，然后再進(jìn)行淬火處理，提高材料的硬度，最后通過低溫回火技術(shù)消除應(yīng)力，提高穩(wěn)定性。在使用該技術(shù)中由于主要使用滲碳鋼，對(duì)此，就需要在前期設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)材料設(shè)計(jì)的具體要求，如確定零部件的尺寸、芯部強(qiáng)度來選擇適用的深度，要注意不應(yīng)過度使用材料，否則會(huì)增加生產(chǎn)成本。一般來說，有效的截面面積小于50毫米的話，就可以選擇20Cr;截面面積在50-150平米并且重量小于50千克的話，就可以選擇20Crmnti。對(duì)于滲碳層度的深度來說要根據(jù)具體的實(shí)際需求來確定，這樣一來可以有效節(jié)約成本，增加層深就意味著要延長(zhǎng)滲碳的時(shí)間;氮化處理技術(shù)的處理方式實(shí)適用性較廣，可用于任何鋼制材料，是較為常見的處理技術(shù)，可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和機(jī)械材料的穩(wěn)定性。在進(jìn)行氮化處理時(shí)，最常用的氮化處理技術(shù)是45型號(hào)，在氮化爐中進(jìn)行，用這種技術(shù)的處理優(yōu)勢(shì)可以減少變形率。另外，使用氮化處理技術(shù)后可以省去后期的加工環(huán)節(jié)。但經(jīng)過氮化處理技術(shù)的材料硬度并不會(huì)都得到提高，具體還需要根據(jù)材料質(zhì)量完成。另外，通過氮化處理技術(shù)，可以提高加工處理質(zhì)量，省去有可能再次處理的時(shí)間、資源。此外，進(jìn)行該技術(shù)時(shí)，為了避免材料受到傷害，可對(duì)材料的局部進(jìn)行保護(hù)，待加工完成后再去除保護(hù)層，通過這種方式可以提高材料的硬化層，若再結(jié)合調(diào)制技術(shù)使用，則可以大大提高技術(shù)的強(qiáng)度和耐磨性。

3.3 機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料應(yīng)用的適用性與經(jīng)濟(jì)性

在金屬材料的選擇中要符合實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，才能保證金屬材料的功能得到最大發(fā)揮，包括材料的特性等。如碳素鋼材料。具體來說，碳素鋼金屬材料在機(jī)械零件加工中有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)性，因此，在機(jī)械設(shè)備零件的設(shè)計(jì)中碳素鋼材料較為常見。但值得注意的是，碳素鋼材料的強(qiáng)度、韌性存在欠缺，在進(jìn)行淬火加工時(shí)易斷、變形。因此，為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，可以通過處理來優(yōu)化這一點(diǎn)，例如在碳素鋼的加工中加入合金元素，使其變成合金鋼。如此一來，可以優(yōu)化碳鋼素的強(qiáng)度和韌性，提高材料性能，還能增加材料的力學(xué)性能。此外，在材料的應(yīng)用中還需要特別注意，要根據(jù)材料性能選擇適合的制造工藝，包括機(jī)械設(shè)計(jì)加工生產(chǎn)中對(duì)材料的處理方式。整體性能較好的金屬材料的加工中可以選擇鑄造技術(shù)完成，包括收縮性、吸氣性等材料。對(duì)沖壓性、冷鐓性較好的材料的應(yīng)用中可選擇焊接技術(shù)，符合淬透性標(biāo)準(zhǔn)、熱敏感、氧化脫碳等相關(guān)性能要求的可以采用熱處理加工工藝。在加工中，所選材料必須要符合切削作業(yè)的可操作性，除此之外，在選擇中要選擇性能較好、成本較低的材料，提高材料的銷售率，為企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 ?機(jī)械設(shè)計(jì)中材料應(yīng)用的環(huán)保性和節(jié)能性

4.1 選擇低能耗的材料

在機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇中除性能標(biāo)準(zhǔn)外，還要符合綠色發(fā)展觀，挑選污染較低、能耗較低的材料，減少加工中產(chǎn)生的廢氣和廢物，有效保護(hù)環(huán)境和資源，實(shí)現(xiàn)綠色制造。此外，為了符合綠色發(fā)展需求，可選擇只需通過熱軋、冷軋就能進(jìn)行加工處理的材料，如冷處理工藝具有節(jié)約環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在加工處理時(shí)問題的出現(xiàn)率較小。在選擇熱處理時(shí)，由于部分金屬材料會(huì)存在差異，在實(shí)際的施工中處理方式也會(huì)出現(xiàn)差異，而結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的金屬材料在加工中對(duì)環(huán)境的污染較大，能源消耗也較高，對(duì)此，為了降低能源消耗和環(huán)境污染，應(yīng)選擇加工工序較少的材料，降低對(duì)環(huán)境的污染和能源消耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)。

4.2 選擇環(huán)保型材料

一些材質(zhì)的材料可回收，具有再生功能，實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)使用，有助于能源保護(hù)。因此，在材料選擇中盡量挑選環(huán)保型材料，這樣一來，不僅可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的節(jié)約，還有助于保護(hù)環(huán)境。此外，應(yīng)在保證材料性能的基礎(chǔ)上，對(duì)材料的選則應(yīng)避免過于復(fù)雜，因?yàn)椴牧戏N類過多時(shí)，會(huì)增加廢棄回收利用的難度，造成材料浪費(fèi)。除此之外，橡膠與金屬混合或黏合的材料污染率較高，要盡量避免使用此類材料。

4.3 選擇新型安全材料

隨著科技的發(fā)展，越來越多的新型材料出現(xiàn)，其安全性高于傳統(tǒng)材料，同時(shí)有助于環(huán)境的綠色發(fā)展。具體來說，傳統(tǒng)的金屬材料自身具有很強(qiáng)的危害性，后期在進(jìn)行加工處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)化學(xué)變化，產(chǎn)生有害氣體，對(duì)接觸者和環(huán)境帶來很大的傷害。對(duì)此，在機(jī)械材料的選擇中，應(yīng)在滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，使用新型材料進(jìn)行機(jī)械零件制造，避免因傳統(tǒng)金屬材料中的有害物質(zhì)，對(duì)人體和環(huán)境帶來傷害。除此之外，還應(yīng)重視對(duì)材料物質(zhì)的檢測(cè)，了解材料的毒副作用，對(duì)一些危害性較強(qiáng)的材料在加工時(shí)做好防護(hù)和處理工作。例如，金屬泡沫材料，是一種較為安全的材料，不但對(duì)人體和環(huán)境無副作用，同時(shí)還能循環(huán)利用，且適用性較強(qiáng)，如可用于重量輕、堅(jiān)硬的夾層板的芯板、同時(shí)也可用于高功率的機(jī)械電子設(shè)備，起到冷卻作用。因此，在材料的選擇中盡量使用新型材料，保護(hù)環(huán)境的發(fā)展。

5 ?結(jié)論

上述對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用做出了分析和論述，通過以上得知，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動(dòng)下，我國(guó)制造業(yè)的水平也得到了顯著提高，對(duì)機(jī)械設(shè)備的需求量和要求也在逐漸增加，這也表明，機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、性能必須要滿足人們的需求。而機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)中零件是重要的組成部分，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的整體質(zhì)量有著直接聯(lián)系，對(duì)此就需要重視機(jī)械產(chǎn)品中零件的材料選擇及應(yīng)用，不僅要保證材料滿足設(shè)計(jì)加工需求，還符合適用性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性、節(jié)能性的特點(diǎn)，為企業(yè)謀求更大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還符合我國(guó)綠色發(fā)展的理念。

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作者簡(jiǎn)介：方偉濤（1982-），男，浙江安吉人，本科（在職研究生），工程師，從事壓縮機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，研究方向?yàn)榻饘俸头墙饘俨牧线x型加工驗(yàn)證、摩擦潤(rùn)滑特性分析、結(jié)構(gòu)仿真分析、產(chǎn)品噪聲和性能水平改進(jìn)提升等。