機械設計中的材料設計方法探討

【摘 要】傳統經濟形式的轉變，為市場經濟的發展帶來了新的活力，新型科技的不斷產生應用促進了設計技術的發展，因此機械設計領域也得到了創造性的進步，在這一基礎之上，傳統的材料設計方法已經逐漸失去了滿足現代機械設計要求的主要地位，本文基于功能與系統的全面要求，對機械設計中的材料設計方法問題進行了分析與總結，并提出了改進思路與措施。

【關鍵詞】機械設計；材料設計；系統方法

現代的機械設計已經成為直接面對市場的工業產品設計類型，機械設計的方法與工業設計的方法是相互聯系的關系，以前的機械零部件的設計方法已經不能適應新的工業產品的設計要求，取而代之的具有現代特色的機械設計手段，形成了一系列比較成熟的分支學科，比如機械可靠性設計、防斷裂設計、機械優化設計等都在機械設計中得到了一定的應用。

1.機械設計中的材料設計存在的問題

工業產業的建立發展離不開材料這一物質基礎，機械設計過程中需要選擇與自身特性以及加工工藝相一致的材料類型，隨著社會對工業產品要求的越來越高，產品設計人員需要不斷增強自身的專業素質，增加對材料與機械產品之間關系的熟悉程度，對使用的不同種類的材料的主要性能都需要有一個全面的掌握，對材料進行充分的利用，從而能夠創造出技術性更高、款式更加新穎的工業產品。但是，傳統的機械設計手段，材料設計環節只是一個選擇成品材料的過程，在材料的設計過程中也只是根據以前的設計經驗、參考數據來進行的設計生產，而選擇的參考數據并不適用于所有材料的設計方式。這種材料設計方法使得材料在使用過程中常常會出現不適合的現象，作為零部件的材料有時候僅僅能夠滿足機械某一方面的需求，對于整體機器的運行會產生不良影響，容易造成機械的報廢。工程材料的研究發展迅速，一些材料的加工方法、工藝的改進使原有材料可以達到更好的性能要求，但是新材料不能立即編入設計指導手冊，同步更新比較緩慢，因此按照設計手冊選擇的材料在新型產品研發中經常是落后的，直接影響著機械產品的競爭力。

2.機械設計中材料設計的實例探究

2.1輪軌耐磨性設計中的材料問題

在鐵路的多曲路段，機車輪緣磨損嚴重，它不僅造成極大的經濟損失，而且會危害行車安全，機務部門急迫地需要解決這一問題[1]。在工程摩擦學中，輪軌可以看做是一對摩擦副，二者同屬于一個運作系統，是不同的兩個構成元素，輪軌材料耐磨性的問題研究應該從整體的機械體統出發，對兩個元素的材料進行最佳搭配，這樣可以有效的延長使用壽命，在這種研究的基礎上創新出了一種機車的輪緣中頻局部淬火技術，首先需要進行理論分析，得出計算結果之后需要進行大量的實驗，檢測機車在實際的操作運行中的各種現實狀況，經過這一系列的工作之后才能夠得出輪軌硬度相互搭配的一個最優數值，它可以使鋼軌使用期限不受影響的情況下，將機車輪的使用時間增加2倍以上，當然，這種延長使用壽命的方法是在不改變原有路軌和機車輪材料的基礎上進行的，用常規熱處理工藝對其原有的磨損嚴重部分的局部材質進行處理，是一種經濟、簡便易行的設計方式。

2.2合金鋼刀具以及汽車制動襯片設計方法

用深冷處理技術延長機械零件的使用壽命是一種很有效的方法，對多個廠家生產的硬質合金刀具進行深冷處理后實際使用，結果表明經深冷處理的刀具壽命延長數倍[2]。個別的生產廠家生產的刀具仍然存在實驗結果不穩定的情況，有的性狀良好有的品質則很差甚至不能使用，這種狀況說明了一個道理，同種類型的機械產品即使材料設計的方式相同，成品的功能也會存在很大的差距，缺乏統一性，但是這并不是說生產方式存在問題，材料本身的穩定性和平衡性是主要的問題所在，不同材料之間的磨合也存在不同程度的問題，如何改變工藝參數以適應材料本身的差異是方法改進的一個有效途徑。另一方面，汽車中使用的制動襯片在比較大型正規的汽車工廠都不是使用的純粹的國產產品，進口產品或者中外合資生產的產品仍然占據主導地位，國產的制動襯片在市場上缺乏足夠的競爭實力，一些規模比較小的生產企業質量上的問題比較嚴重，比如產品性能指標或者摩擦系數不標準等等，特別是摩擦襯片和鼓（盤）的配對問題，國內企業還缺乏相關的研究。

2.3填料裝置的七連桿設計方法問題

自動填料裝置的設計，可采用七連桿機構，該機構整個懸掛于機架上，在原理方案（運動分析）正確的情況下，連桿材料的設計成為關鍵問題，因為連桿的鉸鏈是整個部件材料最薄弱的部分[3]。這一部分需要具備足夠的強度，其次耐磨性以及抗沖擊性也需要不斷提高，在進口產品中這一裝置的材料類型屬于高性能的塑料結構，銷孔使用的是鋼套，但是由于這種材料在國內市場的缺乏以及物價較高的問題，選擇使用鑄鋁件材料作為替代，同時將鉸鏈連接處的強度增大。這種結構的連桿裝置在實際的運行中出現了問題，鑄件材料存在分布不均勻的情況，容易造成鉸鏈孔的折斷。在裝機使用中又有新問題不斷出現，比如因為鑄鋁件的重量要比塑料材料大，在裝置運行速度較快時，起、停之間的慣性就會變大，會對整個機架造成很大的沖擊振動。再比如，鉸鏈在運行一段時間后發生的斷裂現象，這種情況一方面源于鉸鏈自身的震蕩，另一方面源于鑄鋁件的彈塑性較弱的原因，在更換了進口塑料材料之后，這些問題就都解決了，雖然進口材料單價較高但是使用時間長、重量輕，總體來說性價比較高。這種情況說明機械零部件材料的性能不僅影響其本身的功能，而且還會對機器整體功能造成影響。

3.機械設計中材料設計的新思路

機械設計中材料設計問題已經愈顯突出，傳統的材料設計方法亟待改進，在機械產品設計過程中，機械零部件的材料設計應從系統論和功能論思想出發，不僅要考慮滿足各零、部件的性能要求，還應考慮各零、部件對整機性能或其它零件分功能的影響[4]。在進行材料設計方法研究時，具體的材料設計方法首先應該進行合理性的考察，按照具體的要求準備設計環節的工作，在選擇時應該特別注意材料的自身優劣，設計師需要進行綜合的考量子系統的具體功能，建立應尾材料專屬的數據庫，進行材料系統分析之后選取其中較為適合的材料進行產品的設計研發。另外，機械設計人員需要借助信息技術來進行材料設計，充分利用互聯網模式構建完備的機械工程數據體系，從設計層面完成與CAO等軟件的無縫對接，比如造型款式與設計樣本、銷售渠道與行業信息等。

4.結束語

現代化經濟的快速發展推進了社會對基礎機械產品需求的增長，由此產生了機械材料的設計與生產相脫節的情況，通過對當前材料設計存在的問題和具體的案例進行分析，設計人員應當按照系統論與功能論的工作要求，建立基于互聯網架構的機械產品設計數據庫，綜合探究整體系統與子系統之間的關系，選擇合適的結構材料設計出更加優良的新型產品。

【參考文獻】

[1]劉小琴，續海峰.機械設計中的材料設計方法研究[J].機械管理開發，2009，03：32-33.

[2]袁永明.機械設計中的材料設計[J].機械制造，2004，05：23-24.

[3]趙忠國.機械設計中的材料的選擇和應用[J].科技風，2011，17：58.

[4]湯煥驊.機械設計中材料設計方法研究[J].科技風，2014，12：32.