機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料的選擇及應(yīng)用探討

畢永強(qiáng)

摘要：機(jī)械產(chǎn)品制造是中國制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，而機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)今對機(jī)械設(shè)計(jì)要求越來越高，材料的選擇及應(yīng)用有了更高的要求，逐漸成為機(jī)械設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，環(huán)保和節(jié)能成為重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。本文從機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料的選擇原則出發(fā)，對今后機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)用性、載荷性、低耗無害、可回收性的材料的選擇提出了幾點(diǎn)建議。

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

0? 引言

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)取得了極大的發(fā)展。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，不斷采用新技術(shù)，應(yīng)用新材料，對機(jī)械產(chǎn)品性能的提高有著非常重要的作用。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，材料的選擇及應(yīng)用作為設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)，直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的整體質(zhì)量，甚至于影響到機(jī)械工業(yè)的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。因此，在新經(jīng)濟(jì)新形勢下，制造業(yè)企業(yè)必須提高機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的選材水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)械材料的合理選用和可持續(xù)利用，促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1? 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料的選擇原則

1.1 綠色環(huán)保節(jié)能原則

隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對大自然的索取和對自然的破壞日益嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)問題日漸成為社會熱點(diǎn)問題。自然環(huán)境與人類生存息息相關(guān)，如果一個社會想實(shí)現(xiàn)更理想的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展，那么這個社會必須以保護(hù)環(huán)境為前提。否則，過度的剝削只會造成更大的災(zāi)害。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，材料的選擇要特別注意環(huán)保與節(jié)能。另一方面，作為機(jī)械設(shè)計(jì)師，要堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展的道路，選擇綠色環(huán)保節(jié)能材料，盡可能使用低消耗、無公害材料，減少對不可再生資源的依賴。這不僅是現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的必要條件，也是企業(yè)發(fā)展不可避免的選擇。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，同時也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源資源枯竭等諸多問題。對于這些問題，生產(chǎn)活動很難繼續(xù)發(fā)展下去。控制環(huán)境污染，防止能源枯竭，是一個重要的研究課題。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我們需要控制生產(chǎn)過程中的資源消耗。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，為了節(jié)約不可再生資源，必須盡可能選擇污染少、能源消耗少的材料。

1.2 經(jīng)濟(jì)適用高效原則

為了使所選擇的材料在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮更大的作用，機(jī)械設(shè)計(jì)師需要選擇適合于機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)行條件的高性能材料。機(jī)械產(chǎn)品制造中常用到的鑄造工藝應(yīng)具備良好流動性，鍛造工藝使用的材料必須具備良好的延展性、可塑性，而周圍焊接過程中使用的材料必須具備良好的靈敏度和易用性。不同工藝掌握所需的材料不同。另一方面，在材料選擇過程中，機(jī)械設(shè)計(jì)師要注意把握經(jīng)濟(jì)原理，選擇的材料要基于更多的經(jīng)濟(jì)利益，才能滿足使用和設(shè)計(jì)的需要。材料選擇盡可能降低整個機(jī)械設(shè)計(jì)過程的成本，提高經(jīng)濟(jì)效率。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，需要優(yōu)先考慮材料的經(jīng)濟(jì)性和適用性。設(shè)計(jì)者應(yīng)充分理解設(shè)計(jì)過程，選擇最經(jīng)濟(jì)和最適宜的材料與設(shè)計(jì)要求相結(jié)合，使材料的性能最大化，滿足設(shè)計(jì)要求。不同的材料有不同的特性，可以滿足不同的機(jī)械要求。在規(guī)定的技術(shù)條件下，根據(jù)材料性能科學(xué)選擇和應(yīng)用，確保機(jī)械制造工程的健康可持續(xù)發(fā)展。

1.3 可持續(xù)利用原則

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，材料的選擇在滿足最基本的機(jī)械設(shè)計(jì)要求的同時要堅(jiān)持可持續(xù)利用的原則。基于現(xiàn)實(shí)情況，從實(shí)際設(shè)計(jì)需求出發(fā)，充分挖掘所選材料的可行性和應(yīng)用效果，結(jié)合材料特性，啟動機(jī)械設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)用程序。機(jī)械制造的工序中使用的材料是金屬并在機(jī)械制造工程中大量使用時，這種資源會逐漸減少。如果找不到可替代的材料，就會影響機(jī)械制造企業(yè)的發(fā)展。鋼是一般的材料，在機(jī)械制造中，回收比較困難。為了進(jìn)一步減少環(huán)境污染和資源損失，需要選擇可回收材料。從目前來看，中國的機(jī)械設(shè)計(jì)材料的再利用系統(tǒng)變得困難。因此，在機(jī)械材料的選擇過程中，有必要考慮材料的再利用。這樣不僅可以降低成本，還能減輕環(huán)境損害以及對資源和環(huán)境的壓力，對資源的可持續(xù)利用有著重要意義。

2? 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料應(yīng)用案例分析

2.1 汽車生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的材料選擇和應(yīng)用

塑料材料通常使用在發(fā)動機(jī)附近的零件以及發(fā)動機(jī)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的配件。該零件均勻的制造可以有效的降低數(shù)值偏差。同時，它具備高彈性和耐沖擊性，能適應(yīng)所有的氣候和溫度，在溫度變化下它的外觀和性能不會發(fā)生變化。塑料材料比較便宜，與所有的材料相比較，是最佳的塑料材料。聚合物材料適用的機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，聚合物材料是被用于所有的儀表板、車門面板、座椅的維修配件，具有良好的耐熱性，所以汽車相關(guān)的副材料作為高分子材料被使用。金屬材料作為汽車發(fā)動機(jī)相關(guān)材料的使用，在實(shí)行過程中發(fā)動機(jī)的溫度比較高，油污染比較大，外部環(huán)境的變化比較大，因此，綜合比較來看，目前汽車發(fā)動機(jī)的相關(guān)配件大都使用金屬材料。

2.2 電梯設(shè)計(jì)中的材料選擇

在電梯的設(shè)計(jì)中，電梯箱底部的負(fù)荷性能是主要的考慮事項(xiàng)。負(fù)荷性能不高的情況下，電梯整體的功能會受到影響，不能滿足正常工作的要求。在電梯的設(shè)計(jì)中，要充分考慮電梯的工作特性。如果對箱子的底面施加很強(qiáng)的壓力的話，有部件變形的情況。這個彎曲變形恢復(fù)，一部分的變形不能復(fù)原。這種情況下，如果電梯發(fā)生了特定的損失，就不能繼續(xù)操作了。為了減少電梯底部變形的可能性，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要確認(rèn)電梯部件有很強(qiáng)的變形阻力，選擇相對堅(jiān)硬的材料，保持電梯應(yīng)力的平衡，進(jìn)而保證電梯正常運(yùn)行。

3? 未來機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中材料的選擇及應(yīng)用建議

3.1 實(shí)用型機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇及應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，材料的選擇及應(yīng)用通常需要根據(jù)工藝指標(biāo)在一定程度上執(zhí)行鑄造、處理和其他工藝操作，這些特殊的處理技術(shù)本身對材料的選擇就非常嚴(yán)格。不同的工藝必然選擇不同的材料，在確保生產(chǎn)的前提下，使材料的選擇更加符合設(shè)計(jì)要求。

例如，在零部件的處理中，所選擇的材料必須具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。鋁塑料面板是一種新型的建筑裝飾材料，廣泛使用在外墻、幕墻面板、材料照明、室內(nèi)墻壁、天花板的裝飾、廣告顯示板、展示柜中。其結(jié)構(gòu)由多層材料構(gòu)成，上層和下層是高純度鋁合金板，中央是聚乙烯芯板，正面也貼有保護(hù)膜。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁塑料面板按規(guī)格切割后，會產(chǎn)生殘留的材料。為了再利用，可以剝下鋁條和塑料條。

3.2 載荷性機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇及應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)和加工的過程中，機(jī)械材料發(fā)生故障的可能性很高，但是在機(jī)械部件的使用和機(jī)器操作的過程中，這種情況會在一定程度上得到抑制。為了正常使用機(jī)械設(shè)計(jì)，需要嚴(yán)格控制材料。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和組合的耐負(fù)荷估計(jì)，選擇更高的性價比和更合理的原材料。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，機(jī)械材料的外部負(fù)荷在機(jī)械組件的正常操作中起著決定性的作用。如果想要防止和解決機(jī)器故障，就必須有效地使用機(jī)器部件的性能來解決問題。

一般來說，零件故障的理由是因?yàn)橛袥_突，在部件性能和部件外部負(fù)載之間選擇機(jī)械材料時，選擇的材料必須符合負(fù)載性能，負(fù)載類型的材料必須符合標(biāo)準(zhǔn)。在機(jī)械材料的選擇上，負(fù)載性能可以分為兩個方面。一是組件在外部受力下被扭轉(zhuǎn)，應(yīng)力通常集中在材料表面。也就是說，材料的表面性能在控制中起決定性作用。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇上，選擇中碳鋼或低碳鋼的浸煤作為原材料比較好。用這個原材料制作的機(jī)械零件，可以有效地承受特定的負(fù)荷。可以有效地保證零件的質(zhì)量。二是，在實(shí)際操作中，一些部件需要一定的壓縮力和拉伸力。為了有效地完成選擇材料的任務(wù)，需要有選擇地均等地分配材料。

3.3 低耗無害機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇及應(yīng)用

可持續(xù)發(fā)展的概念，適用于所有行業(yè)。在機(jī)械制造中，可持續(xù)發(fā)展意味著材料的選擇必須低成本、無公害。因此，在設(shè)計(jì)的初期階段，材料的選擇有必要檢驗(yàn)其耐用年限和性能的熱處理，減少引起的環(huán)境污染。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量避免熱處理的加工工藝，盡可能選擇能夠在冷間和熱間壓延中發(fā)揮非常突出作用的材料。如果無法避免，需要選擇最簡單的材料來減少熱消耗和污染。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，會選擇很多具有特定危險(xiǎn)因素的材料，這種物質(zhì)不僅會對環(huán)境造成危害，但會對人體造成永久性的傷害。因此，在選擇物質(zhì)的過程中，必須特別注意對物質(zhì)的檢測，以免對有害物質(zhì)造成傷害。考慮經(jīng)濟(jì)成本是選擇機(jī)械設(shè)計(jì)材料的重要要求。機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)的特定的階段有必要分析過程，材料的使用性能，詳細(xì)理解各工藝的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和組合，具有最高性價比的機(jī)械材料選擇、材料的使用價值的最大化。

此外，還需要考慮整體的預(yù)算和階段。基于機(jī)械設(shè)計(jì)預(yù)算、詳細(xì)分析、滿足標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。選擇的材料性價比最高，盡可能降低材料成本。特別是可循環(huán)利用的機(jī)械材料，可以從根本上降低了能源消耗，有效控制了機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的成本，提高了機(jī)械項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 可回收性機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇及應(yīng)用

參與機(jī)械設(shè)計(jì)過程的部件中有相當(dāng)一部分是金屬材料，但實(shí)際上，金屬的輸出是有限的。隨著時間的推移和機(jī)械制造的快速發(fā)展，金屬材料的蘊(yùn)藏量也越來越少。考慮到這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)師可以加強(qiáng)對可回收材料的選擇，不僅是為了節(jié)約，也是為了環(huán)保。機(jī)械設(shè)計(jì)有很多種類的材料，其中很多都可以循環(huán)利用。有很多種類的金屬材料，有低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、各種合金鋼等，有很多種類的鋼。每個金屬材料的回收難度不同。有容易恢復(fù)的，也有難以恢復(fù)的。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，在相同的條件下，有必要選擇容易回收利用的材料。通過回收利用，不僅節(jié)約了成本，避免了浪費(fèi)，而且提高了資源利用率，促進(jìn)了機(jī)械領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

4? 結(jié)語

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)材料的選擇及應(yīng)用必須綜合考慮，不僅要保證所選擇的材料能夠切實(shí)滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的要求，還要確保優(yōu)良的綠色環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性，盡量選擇機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定的發(fā)展可回收材料。只有這樣，才能在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，讓再利用的材料發(fā)揮其作用，可以減輕環(huán)境污染，大大提高了資源利用率，對機(jī)械制造業(yè)企業(yè)效益的提高和對機(jī)械領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。正確的對機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇和應(yīng)用還可以響應(yīng)國家綠色、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，切實(shí)貫徹保護(hù)環(huán)境的基本國策。

參考文獻(xiàn)：

[1]高陽，毛林林.機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用分析[J].信息周刊，2019（13）：0033.

[2]張建巧，孫旋，羅兆偉.探究機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用[J].民營科技，2018（7）：15.

[3]劉剛.淺談機(jī)械設(shè)計(jì)中對材料的選擇與應(yīng)用[J].名城繪，2019（8）：0030.

[4]梁矗軍.計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造自動化中的應(yīng)用分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（23）：232-233.