淺談不同設備機械設計的材料選擇與應用思路

李蘇濛

摘要：現代機械設備的設計中，必須全面考量所選材料的應用性能、成本造價、環保效果等問題。為了進一步解析不同設備機械設計的材料選擇與應用思路，本文分析了現代化機械設備的材料類型選擇維度，并提出了具體的選擇方向與應用路徑，以便為相關研究提供理論參考。

關鍵詞：機械設備 材料選取 設計應用

一、現代化機械設備的材料類型選擇維度

（一）金屬材質

隨著現代制造業的發展，諸多新型材料被應用于現代化機械設備中，但金屬材料仍然是其中應用比例最高的材料之一。自然界中可直接開發的金屬元素高達80種，最為常見的鐵、錫、銀、銅、金等，在機械設備設計中的應用效果較好。金屬材質的最大特點在于穩固性較強，因此可適用機械范圍較廣。諸如冶金機械、起重機械、裝卸與工礦車輛、窯爐與水泥設備、鏟土運輸機械、混凝土機械等，均需要采用金屬材料，以便保障機械設備的堅固性。而后期發展中逐步發現合金材料所形成的韌性和強度更為突出，也被應用于機械設備的制造中，諸如特種金屬、合金材料、金屬間化合物材料等，依據機械設備的適應性需求選取不同的金屬材質成為優化機械性能的主要設計方向。

（二）復合材料

復合材料可以簡單定義為兩種或兩種以上材質在化學或物理方法之下合成的材料，是完成現代工業發展之后的全新突破。由于材料性質不同，其熔點、韌性、耐受度等諸多性能可以相互補充，并達到機械設備的使用需求。因此，復合型材料在現代機械設備中的應用頻次也越來越高。復合材料分金屬與非金屬兩種，常見的復合金屬材料如鋁合金、鎂合金、鈦合金等，由于其金融性質發生了變化，更加容易被機械設備所使用。而非金屬復合材料中較為常見的陶瓷、橡膠、樹脂、石墨等，可以補充金屬材質的性能，從而為機械設備提供細節設計的基礎條件。除此之外，增強材料中的硼纖維、玻璃纖維、石棉纖維、芳綸纖維等，也是極為重要的機械設計補充元素。復合材料的穩定性更高，比剛度更強，可以作為防熱、導電、屏蔽等機械設備設計的重要材料，因此在醫療、航天、建筑等領域的應用更為廣泛。

（三）高分子材質

高分子材料也被稱之為聚合物材料，是以高分子化合物為基體配以添加劑構成的新型材料。雖然高分子材料并未達到金屬的機械強度，但是在實際應用中具備了可循環性，因此較金屬材料的造價更低，且作為可再生資源的利用率較高。在金屬資源日漸消耗的過程中，開發高分子材質的機械設備原材料，將有助于降低生產造價和減少資源損耗。因此，高分子材料在機械設計中的可利用價值更高。例如聚甲醛材料的耐磨性較強，可以應用于螺母、軸承、齒輪等機械設備輔助零部件中。因此，高分子材質在汽車制造業的應用較為廣泛，同時能夠降低車體重量，達到節能減排的機械設備設計效果。

二、不同設備機械設計中對于材料選擇的應用思路

（一）負荷性

荷載水平是機械設備選擇材料時不可忽視的重要因素，當荷載水平較低時部分機械設備的應用性能相對較弱。例如吊車作業時所承擔的荷載量較高，懸臂吊車、懸掛吊車、橋式吊車等機械設備，在選取基礎材料時必須考量其對于結構構件類型的支撐力，因此選擇金屬材質或合金材質仍然必須是極為穩定的應用材料。在其應用于機械設備時，除考量重力、壓強、拉力之外，也需要考慮材料的基本耐受度，例如溫度承受的上限與下限，也是保障機械設備基礎負荷水平的條件之一。例如冷卻系統中對于零部件的負荷水平要求較高，因此更多的選擇了鋁制品材料，其耐腐蝕性也支持了冷卻系統設備的基礎性能。因此，在不同設備機械的設計維度中，全面衡量不同材料的負荷性是較為關鍵的選擇與應用思路。

（二）實用性

機械設備設計必須全面考量所選材料的實用性，這種實用性是針對機械設備功能而定的應用思路。例如在汽車制造業的相關設備中，變速箱、減速器、離合器、剎車片、差速器盤角齒等磨損度相對較高。選擇鑄鐵或鍛鋼材質的應用比例較高，基于其材質本身的堅固性，及韌性的應用思路是選擇同類型材料的基礎要素和評估條件。而車體框架對于自身總量的要求較高，為了降低其車體重量，同時保持較高的堅固性，輕型材質中大量引用了鋁、銅、鑲、錳、絡、鐵、鎳、鋅等合金元素。諸如纖維增強材料的應用日漸普遍，樹脂材料中PP、PA6、PA66、PBT等的纖維含量分別達到了10%、15%、20%、30%。而MD礦物復合填充材料在汽車前段模板、托盤、護板、支架等位置的應用頻次也相對較高，可以保持機械設備的成型穩定性，以及結構強度，這實質上是以塑代鋼的應用思路。

（三）經濟性

以材料本身的成本造價為評估條件，是現代機械設備在設計過程中不得不考量的現實問題與應用思路。由于諸多材料在應用效果上能夠達到相同的作用，因此以保障機械設備的基礎性能，選擇最為廉價的材料，也是加強機械設備經濟性的應用路徑。以鈦合金和鋁合金兩種材料的對比為例，鋁制品的平均造價僅為鈦合金的十分之一左右，且應用于工程設備上的屬性基本相似。因此，在考量機械設備的成本造價時，設計方向也更多的傾向于鋁合金材料。諸如包裝機械、儀器儀表、環保機械等，需要保持其機械設備經濟性時，更多的傾向于選擇和應用同屬性廉價材料。

（四）環保性

現代機械設備之所以能夠創造出更高的經濟價值，其本質在于環保材質的大量應用。如果在機械設計中選取了過多的金屬材料，實質上對于生態資源的開發程度也會相對較高，這種無形成本是亟待消解的機械設備制造問題。而新型材料中所具備的環保性能，也是開發設計中最為關鍵的應用方向。例如在汽車內飾部件中有機化合物的揮發性較高，是影響車內空氣質量的主要因素。當氣溫較高時，揮發氣體甚至會出現霧翳并凝結在玻璃上，造成駕駛視線模糊的問題。因此，基于環保性需求，低VOC材料在高純度、高熱氧穩定的添加劑選擇中主要以降低聚合物降解為主，使用真空、添加劑吸附等技術手段的高分子材質將有助于改善機械設備的環保性，是選擇設計材料時需要全面衡量的應用思路之一。

參考文獻：

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[2]鄭云鵬，張宏偉.機械設計中材料選擇與應用的意義與要點[J].南方農機，2017，（24）：98.

（作者單位：鄭州外國語學校）