機械設計技術手段及金屬材料的選擇研究

周功新

摘? 要：金屬材料是機械設計制造行業中的基礎原材料，其強度、韌性等性能直接決定其加工性能以及所制造的產品的最終性能等。基于目前的機械行業發展要求，為了滿足更高的機械產品性能要求，應科學選擇金屬材料并通過相應的技術手段加以設計，在經過機械加工之后保證其性能達標。此外，還要在選擇金屬材料時盡量選擇能耗低、環保、性價比高、可以回收利用以及安全的材料類型，滿足實際加工流程要求，推動機械設計制造行業的可持續發展

關鍵詞：機械設計技術手段;金屬材料;選擇

1引言

機械制造業是我國工業發展中的支柱型行業，而機械設計則是機械制造行業的基礎性工作內容，在此工作中，合理選擇和應用機械設計技術手段，同時要綜合考慮所用金屬材料的性能和特點，充分發揮不同金屬材料的優勢來提升所設計的機械產品的性能和使用效果，這是機械設計的最終要求和目的。

2機械設計中金屬材料選擇的意義

現階段我國社會經濟快速發展形勢下對各類機械制造產品的需求量猛增，加之機械設計相關科學技術在不斷發展進步，這給機械制造行業帶來更多機遇的同時，也帶來更大的挑戰。為了滿足不斷增加的市場需求量，需要充分發揮機械制造行業的優勢，對金屬材料進行合理應用來保障機械制造產品質量和性能，符合工業發展要求。但是針對科學技術飛速發展以及市場經濟不斷深入發展形勢下給機械制造企業帶來的問題，表現出機械制造原材料短缺等問題，這也需要對金屬材料進行科學選擇，實現機械制造產品質量和性能的提升，同時也延長機械制造產品的使用壽命等。

3機械設計中應用的技術手段

3.1滲碳處理

此種熱處理工藝就是通過提升金屬材料表面碳濃度的方式來提升其塑性和韌性的方式。通過此種滲碳方式可以讓無法達到機械設計工作標準要求的金屬材料經過處理之后滿足加工工藝和使用要求。但是要在滲碳處理時結合其具體的加工工藝要求和機械部件的使用性能、尺寸等情況選擇滲碳深度和濃度。而且由于滲碳處理要消耗一定的成本，還應基于經濟性考慮來選擇滲碳深度與濃度，在滿足標準要求之后則需要繼續滲碳處理，避免材料浪費水。

3.2淬火處理

淬火是比較簡單的金屬材料熱處理工藝，通過淬火可以提升金屬部件的表面耐磨性和劈來強度。但是也要基于設計工作要求，對金屬材料的殘余拉應力進行考慮，防止在金屬部件的齒根位置或軸的過度扁角位置出現殘余拉應力現象。針對工件之間相互連接的部位，如果殘余拉應力作用降低可能會損壞機械工件，尤其是容易破壞細軸以及薄板類部件。這就需要在機械設計階段對表面淬火工藝產生的應力平衡問題加以考慮，比如可以將薄板零件設計為雙面結構，防止在淬火中出現工件變形問題。

4金屬材料選擇的基本原則

4.1荷載大小

物體的直接受力表現方式為荷載，也就是在物體表面上直接作用的外部壓力。而由于所用材料的不同，其極限荷載存在不同，也就是材料對外部壓力的承受能力不同。在機械設計中選擇金屬材料時，則應針對所要設計和制造產品在使用時所承受荷載的具體情況，確保所選擇的材料的荷載能力在外部壓力作用以上，防止在使用中出現產品變形或者金屬部件的破裂、損壞等問題。此外，在機械設計工作中，對于所用金屬材料的延展能力有著較高的要求，避免荷載直接作用在機械零件上，由于此部位存在荷載能力不足的問題而導致零部件的變形問題。但是在零部件承受外部荷載時，零部件會發生變形問題，其內部也會受到相同的反作用力的作用，也就是應力因素。如果選擇具有較弱荷載能力的金屬材料，就會導致所設計和制造產品的質量較差。因此在機械產品的設計工作中，應盡量少的選擇低碳鋼和中碳鋼等具有較弱承載能力的金屬材料，而應積極使用具有更高質量的碳素鋼和合金鋼。這是由于在鋼材的含碳量較高的情況下，雖然硬度較高，但是會降低其延展性和韌性，還需要加入一定量的錳、磷等元素加以改善，應用具有更高性能、耕地成本和具有較強可加工性的碳鋼。相反，如果碳鋼的硬度降低，也會提升材料的延展性和韌性。但是在碳鋼的制造和冶煉過程中，會由于上述因素而導致所生產的碳鋼出現裂痕問題。如果將碳鋼應用于機械設計過程中，且對于零件的精度要求較低，則可以將一定量的合金材料應用于碳鋼中，實現機械部件整體剛性和韌性的提升。但是此種合金鋼材料的冶煉工藝難度較大且比較復雜，使得此類金屬材料的加工成本較高。

4.2金屬材料的工作環境

基于不同金屬材料所設計和制造的產品， 由于使用時的外部環境不同，對所用金屬材料的性能也有著不同的要求和產生不同的影響。比如，如果機械產品在環境潮濕以及溫度較高的環境中使用，如果將金屬材料直接暴露在空氣中，則會加速金屬材料的腐蝕速度。因此，應基于金屬材料的工作環境選擇具有更強抗腐蝕性能的金屬材料類型。

4.3零部件尺寸的選擇

機械設計的重點就是零部件的尺寸，尤其是針對目前工業生產中對各類零部件的尺寸要求更加精密的發展特點，甚至要求部分零部件應滿足達到納米精度級別要求。因此，在基于理論角度在機械設計中計算和分析零部件的尺寸大小，然后通過實際的機械制造過程之后，容易由于零部件尺寸選擇和控制不當導致最終零部件無法配套鑲嵌等問題。這就需要在機械設計時，應基于金屬材料的實際工作環境和加工條件來精確計算機械零部件，不應僅僅是從理論上進行計算。還要選擇性能相同的金屬材料，在此基礎上保證金屬材料易于被切割加工，便于對金屬材料的精度加以嚴格控制。

5金屬材料的選擇策略

在機械設計中選擇金屬材料時，首先應選擇具有較小污染且較低耗能的材料。基于現階段我國提出的可持續發展戰略要求，在選擇金屬材料時應考慮其加工中可能產生的廢氣和肥料等，或者是在熱處理金屬材料之后，盡管提升其性能并延長其壽命，但是會出現熱處理工藝中對環境造成污染以及消耗過多資源等問題，這就應該選擇熱處理工藝比較少的材料，減少對環境的污染以及加工過程中的能耗量。

其次應選擇可以回收再生的材料。在機械設計中還應盡量使用同類型的材料，減少金屬材料種類，在此基礎上應保證所選擇材料的環境兼容性，選擇具有可回收、可再生以及易降解等特點的材料。因此針對機械設計環節中選擇的金屬材料，在保證其性能優良的同時，減少材料種類，降低回收成本。還要避免將金屬與橡膠材料設計在一起的方式，降低零件報廢之后的分離難度，實現二次利用率的提升。

最后應選擇新型的安全性材料。針對較多的材料在加工時會產生有害物質而危害自然環境的問題，可以應用現代市場中的新型材料，比如具有不然性以及可循環利用的金屬泡沫材料，減少對環境的污染。還要對市場進行充分調研，做好對新型材料的科學試驗、檢測等工作，選擇符合機械制造要求的新型安全性材料。

6結語

在目前工業發展形勢下對機械設計水平要求不斷提高的進程中，也表現出材料緊缺的問題，為此，在選擇金屬材料時還應考慮經濟實用性的要求，便于開展后續的機械制造和生產工作，進而可以提升機械制造企業的經濟效益以及市場競爭力水平。

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