論現代化機械設計要點問題優化

【摘要】本文主要針對機械設計制造中的材料選擇，標準化運用以及影響機加工件表面層物理力學性能的因素等主要問題進行了論述。

【關鍵詞】機械設計；材料；標準化

一、機械設計中對材料的選擇

1、機械零件材料的選擇應滿足基本要求

1.1使用性能要求。材料在使用過程中的表現，即使用性能，是選材時應考慮滿足的根本要求。不同零件所要求的使用性能是很不一樣的，有的零件主要要求高強度，有的則要求高的耐磨性，有的甚至無嚴格的性能要求，僅僅要求有美麗的外觀。因此，在選材時，首要的任務就是準確地判斷零件所要求的主要使用性能。

1.2工藝性能要求。材料的工藝性反映的是材料本身能夠適應各種加工工藝要求的能力，即要求所選材料在加工制造時首先能夠造出成品來，并且能夠便于制造、同時必須保證質量。1）熱加工工藝性能熱加工工藝性能主要指鑄造性能、鍛造性能、焊接性能和熱處理性能。2）切削加工性能金屬的切削加工性能一般用刀具耐用度為60min時的切削速度V60來表示，V60越高，則金屬的切削性能越好。

2、機械零件材料選擇的方法

2.1選材對產品壽命周期成本的影響。顯然，材料的選用極大地影響了產品壽命周期成本的各個組成部分。工程實踐中，在保證產品合理功能（或性能）的前提下，雖然一般是選用價格便宜的材料，可降低產品的壽命周期成本；但同時我們更應注意的是，有時若選用成本雖高但性能更優的材料，由于產品的自重減輕、使用壽命延長、維修費用減少、能源費用降低等多方面的有利因素，從產品壽命周期成本角度考慮，反而是經濟的。

2.2制造方法的選擇是材料選擇過程中一個不可分割的因素，即應將結構設計、材料選擇及其可用的加工方法作為一個有機的整體看待。選材時不僅要考慮零件的某單項加工工序的成本，更重要的是應綜合考慮其整個加工路線所涉及的全部加工工序之總成本。

二、機械設計標準化

1、機械零件是機器的基本組成要素，對于機械零件設計工作來說，標準化的作用是很重要的。所謂零件的標準化，就是通過對零件的尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、制圖要求等，制定出各式各樣的大家共同遵守的標準。

能以最先進的方法在專門化工廠對那些用途最廣的零件進行大量的、集中的制造，以提高質量、降低成本。統一材料和零件的性能指標，使其能夠進行比較，并提高零件性能的可靠性。采用標準結構及零、部件，可以簡化設計工作，縮短設計周期，提高設計質量。

2、搞好設計階段的標準化工作是降低產品成本的重要途徑。在市場經濟體制下，生產廠家應根據市場的需求變化，不斷更新產品品種，提高產品質量，降低物資消耗，提高經濟效益。要達到這些目的，都離不開標準化，必須用標準化手段，從嚴把好產品設計這一關，才能使企業在市場競爭中求得生存和發展，加快新產品開發。

三、影響機加工件表面層物理力學性能的因素

機械加工中工件由于受到切削力和切削熱的作用，其表面層的物理力學性能將產生很大的變化，造成與基體材料性能的差異，這些變化主要表現為表面層的金相組織和硬度的變化及表面層出現的殘余應力。

1、表面層金相組織的變化

影響磨削燒傷的因素有：砂輪材料對于硬度太高的砂輪，鈍化磨料顆粒不易脫落，砂輪容易被切削堵塞。因此，一般用軟砂輪好。磨削用量當磨削深度增大時，工件表面及表面下不同深度的溫度都將提高，容易造成燒傷；當工件縱向進給量增大時，磨削區溫度增高，但熱源作用時間減小，因而可減輕燒傷。但提高工件速度會導致其表面粗糙度值增大。提高砂輪速度可彌補此不足。實踐證明，同時提高工件速度和砂輪速度可減輕工件表面燒傷。冷卻方式采用切削液帶走磨削區熱量可避免燒傷。但由于旋轉的砂輪表面上產生強大的氣流層，切削液不易附著，以致沒有多少切削液能進入磨削區。因此，可采用高壓大流量的冷卻方式，一方面可增加冷卻效果，另一方面可以對砂輪表面進行沖洗，使切屑不致堵塞砂輪。

2、加工表面的冷作硬化

加工過程中表面層金屬產生塑性變形，使晶體間產生剪切滑移，晶格嚴重扭曲，并產生晶粒的拉長、破碎和纖維化，引起材料的強化，其強度和硬度均有所提高，這種變化的結果稱為冷作硬化。加工表面層冷作硬化指標以硬化層深度、表面層的顯微硬度及硬化程度表示。一般硬化程度越大，硬化層的深度也越大。

影響冷作硬化的主要因素：切削用量切削速度增大，刀具與工件接觸擠壓時間短，塑性變形小。速度大時溫度也會增高，有助于冷硬的恢復，冷硬較弱。進給量增大時切削力增加，塑性變形也增加，硬化加強。但當進給量較小時，由于刀具刃口圓角在加工表面單位長度上的擠壓次數增多，硬化程度也會增大。刀具刀具刃口圓弧半徑增加，對表層擠壓作用大，使冷硬增加；刀具副后刀面磨損增加，對已加工表面摩擦增大，使冷硬增加；刀具前角加大可減小塑性變形，使冷硬減小。工件材料工件材料的硬度越低，塑性變形越大，切削后冷作硬化現象越嚴重。

3、表面層的殘余應力

切削過程中金屬材料的表層組織發生形狀和組織變化時，在表層金屬與基體材料交界處將會產生相互平衡的彈性應力，該應力就是表面殘余應力。表面層的殘余應力的產生，主要有以下三種原因。

3.1冷態塑性變形引起的殘余應力在切削力作用下，已加工表面發生強烈的塑性變形，表面層金屬體積發生變化，此時基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態。切削力去除后，基體金屬趨向恢復，但受到已產生塑性變形的表面層的限制，恢復不到原狀，因而在表面層產生殘余應力。

3.2熱態塑性變形引起的殘余應力工件被加工表面在切削熱的作用下產生熱膨脹，此時基體金屬溫度較低，因此表層產生熱壓應力。當切削過程結束時，表面溫度下降，由于表層已產生熱塑性變形并受到基體的限制，因而產生殘余拉應力。

3.3金相組織變化引起的殘余應力切削時產生高溫會引起表面層金相組織變化。由于不同的金相組織有不同的密度，表面層金相組織變化引起體積變化，當表面層體積膨脹時，因受到基體的限制，產生了壓應力。表面層體積縮小，則產生拉應力。

總之，在市場經濟中，為了更好滿足企業的發展，機械產品越來越先進，品種越來越多。這就要求我們在機械設計當中，對材料的選擇、標準化的應用提高到一個新的認識，在加工過程中，減少影響表面層物理力學性能的因素以及潤滑劑的合理運用。努力把我們加工成本降到合理的水平，從而提高企業的經濟效益。

參考文獻

[1] 曾凡嬌，高展. 機械表面質量的影響因素探討[J]. 黑龍江科技信息. 2011（09）

[2] 范麗娜. 淺談現代機械設計方法[J]. 科技傳播. 2011（06）