機械設計中金屬材料的選擇及應用

楊 茜

（呂梁職業技術學院，山西 呂梁 032300）

機械制造業的發展影響著我國工業的發展，而機械設計作為機械制造業的基礎性工作，企業對于材料的選擇關系機械制造過程的效率和質量。在機械設計的過程中，企業應依據金屬材料自身的優缺點，綜合考量其性能，注重揚長避短，使機械達到最佳使用效果。隨著現代社會對機械制造的需求不斷提高，材料緊缺的問題在機械加工業市場中尤為凸顯，企業在選擇金屬材料時要注重其經濟實用性，為機械制造與生產提供便利條件，幫助企業在機械制造中獲得更大的利潤，使企業在機械加工業市場中占據有利的競爭地位[1]。

1 機械設計中金屬材料的選擇原則

1.1 機械性能

機械生產制造中，材料選擇時要考慮金屬材料本身的荷載力大小和荷載性質，尤其是機械設計中的材料荷載力和可塑性，是決定企業生產機械產品性能的關鍵。設計師要想在后期設計過程中保證機械良好的使用效果，就要盡可能選擇荷載水平較高的金屬材料，否則金屬材料因荷載性能較低而引發的使用受阻礙或者使用失效等不良反應，都會影響企業生產材料的效果。企業的技術人員應認真審核加工材料，檢測材料的性能，評估材料的各項性能參數；在必要的情況下，還應對材料進行調質、滲碳、氮化等技術處理。

1.2 尺寸與質量

現代機械制造業是一個容錯率較低的行業，所生產的元件會被應用于各種形式的生產過程中，一個小的零件發生規格錯誤，都有可能影響實際的生產效果，或是給實際的生產造成嚴重的安全事故，因此機械制造一般要求零容錯率。如果機械制造企業的選材不當，就可能導致金屬材質部件的質量或者尺寸不合格，輕者會造成資源浪費，重者可能會給企業的生產造成巨大的損失[2]。由此可見，零件的尺寸與質量也是企業選擇機械制造金屬材料的一個重要的內容。企業的技術人員在選材時，要全面考慮生產產品的尺寸與質量，選擇與之相符的金屬材料，既可以幫助企業避免資源浪費的情況，也可以滿足機械制造行業的零容錯率要求。

1.3 工作環境

工業機械制造行業所生產的軟件多數會被應用于工業生產中，而各個機械組成部分所處的工作環境并不相同，因此選擇不同功能的金屬材料非常重要。對此，機械制造企業要考慮以下幾點因素。1）溫度方面的因素。金屬材料可能會隨著外界溫度的變化而出現熱脹冷縮的情況，在熱脹冷縮的條件下，金屬材料體積的變化幅度不同，膨脹系數也有所差異，因此企業選擇金屬材料時要考慮溫度方面的因素。2）濕度及金屬材料防腐蝕性能方面的因素。機械制造生產中，一些零件可能會在高度腐蝕的環境中工作，如果環境的條件較為潮濕，就只適合高防腐蝕能力的金屬材料應用其中，否則金屬材料的防腐蝕性能不強，可能會影響機械設計的效果。3）耐磨性能方面的因素。零件在運行的過程中必然會出現磨損問題，隨著運行時間的延長，零件的磨損程度會越來越高，達到一定程度的時候，就可能會引發連鎖的生產故障，因此企業要選擇硬度較大、耐磨性較好的金屬材料，有效地延長機械產品的使用壽命。隨著現代焊接技術、熱噴涂技術的發展，零件性能的加工技術也更加先進，可以促使零件的壽命得到有限的延長，節約企業的生產成本，有助于企業獲得更高的經濟利益。

1.4 加工需求

金屬零部件的生產過程比較煩瑣，各類金屬零部件的結構也相對復雜，因此金屬材料加工時要考慮其材料本身的性能，只有達到與生產需求相符合的條件，才能進一步開展機械設計工作，這也是設計者必須考慮的實際因素。對于一些生產過程較復雜零部件的機械加工過程而言，企業需要進一步采取高端加工技術的方式，如板材沖壓元件焊接等加工流程可以檢驗金屬材料的加工性能，無法通過材料的性質檢測就無法被應用于實際的機械制造中。金屬材料本身只有具備較好的沖壓切削能力或鑄造焊接性能，才能適應更高水平的機械制造，而現代工業的機械制造生產需要綜合性能較優的金屬材料[3]。

1.5 經濟環保性

現代社會追求經濟、綠色環保、可持續發展的理念，良好的生態環境是每一行業必須遵守的生產原則，也是促使行業得到健康發展的基本前提。創造經濟效益是機械制造企業生產與運營的目標，選擇性價比更高的金屬材料有助于企業科學地縮減成本，使企業在生產中獲得更大的利潤空間。另外，企業在市場競爭中獲得的成本資金越多，越利于企業將資金投入其他生產活動中，如提升企業的生產力、引進新型設備等，因此對于金屬材料的選擇，企業要重視其經濟環保性，所選擇的材料應根據加工的難易程度及材料的轉化率來選擇材料價格合理的種類，既要依照科學的選材原則，也要為企業盡可能地降低生產成本。

1.6 循環實用性

在機械制造與生產過程中，制造企業通常需要將多種金屬材料混合制作成合金來達到預期的效果，合金的制作方法可以提升金屬的綜合性能，但金屬材料的合金制作過程比較煩瑣，需要企業具備一定水平的技術生產能力。如果機械設備報廢，合金的回收成本也會高于金屬材料，而且合金的回收難度也要高于金屬材料，就容易造成大量的資源浪費，要想增強機械制造與生產的環保性和合理性，就要考慮金屬材料的循環使用。組成元素越少的合金越能提升其材料的回收率，這也是機械制造企業需要考慮的重要內容。

1.7 材料無害化

金屬材料中有一些特殊的金屬元素會對人體的健康造成危害，如常見的鉛、鉻。在工業制造生產過程中，這些金屬材料所產生的廢棄物排放不當，會造成環境污染。工業機械制造是為了造福人類，對社會生產起到推動作用，但如果機械制造企業使用存在較多污染物的金屬材料，就會影響人類社會的穩定，對人們的身心健康會造成不良影響，甚至會威脅自然環境的和諧發展。因此，機械制造企業在選擇生產所需要的金屬材料時，要考慮金屬材料的無害化，對于這些具有嚴重危害性的金屬材料，要最大限度地減少使用次數，必要時可以考慮是否存在可替代材料，如果沒有可以替代的材料，企業就要有效控制該材料的應用程度，使其處于可控的范圍內，而不會對外界造成過多的影響[4]。

2 機械設計中金屬材料的環保性選擇與應用

2.1 選擇污染小與耗能低的材料

企業在機械制造與生產中要認真貫徹落實現代可持續發展的理念，金屬材料的選擇應盡可能避免在加工過程中產生大量的廢氣和廢料，有效減少機械生產對環境的污染和資源的浪費。有些金屬材料在經過熱工藝處理后，其性能會得到提升，使用壽命也會得到延長，但是熱工藝處理過程中存在污染環境的現象也會消耗大量的能源，因此制造企業應盡可能避免使用需要大量熱處理的材料。如果一些金屬材料無法避免要進行熱處理，企業也要盡可能選擇處理工序較少的材料，以有效降低能耗和環境污染的程度。

2.2 選擇可回收再生的加工材料

選擇合適的加工材料在機械設計中非常重要，減少產品材料的種類，盡可能選擇可回收、可再生、易降解的材料，提升基礎材料對環境的兼容性。機械使用過程中必然會出現材料磨損的情況，磨損嚴重的材料就要報廢；而報廢之后的金屬資源回收問題也是設計中需要考慮到的因素，如果廢棄的資源無法得到大比例的回收，社會資源的浪費問題將會越來越嚴重。有些金屬材料中存在有害物質，若無法回收就會危害人們的身體健康，設計師在設計機械元件時，既要保證零件的優良性能，更要減少產品中材料元素的種類，使金屬材料在廢棄回收后還可以進行二次利用，而且回收的成本比較低。若是橡膠與金屬的混合設計，其報廢以后的回收過程中則很難分離出金屬物質，二次利用的效率也會大大降低[5]。

2.3 優先選擇新型的安全性材料

傳統的物質材料在加工時可能會產生有害物質，對自然環境造成非常嚴重的危害，設計師要盡可能減少使用這類物質材料，在條件允許的情況下，可以大膽嘗試用新型材料替代傳統的基礎材料。比如，現代市場中常見的金屬泡沫材料由于不能被燃燒，可以提高循環使用的效率，而且金屬泡沫對環境的污染程度非常低，屬于無毒無害材料的范疇。除此之外，金屬材料市場中還有許多新型的材料未得到重視，企業的設計師在進行機械設計時，應充分調查相關市場情況，對市場中的新型材料進行實驗檢測，得出相關的性能數據以后，再考慮其性價比是否適合企業的生產加工應用。因此，優先選擇新型的安全性材料，也是企業需要在機械設計中需要特別注意的[6]。

3 結束語

在現代社會的發展過程中，機械設計行業起著促進國民經濟增長、推動工業現代化發展的重要作用，合理地選擇基礎材料，不僅可以優化機械設計的環節，還可以為企業的發展提供助力。企業對材料的選擇要滿足實際加工流程的要求，提升其經濟適用性和環保利用性，只有堅持走可持續發展的道路，機械制造企業才能在現代經濟市場中得到更廣闊的發展空間。