機械設計中的材料設計方法探討

宋佳珍

摘 要：機械設計現(xiàn)已成為市場經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展中的重要設計類型，機械設計與工業(yè)設計兩者之間關(guān)系密切，隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展以及高新材料的應用，材料設計的重要性日益凸顯。鑒于此，本文將探究機械設計中的材料設計方法，旨在為一線設計提供理論指導。

關(guān)鍵詞：機械設計；材料設計；方法

在全球制造業(yè)迅猛發(fā)展的環(huán)境中，我國機械行業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。在市場導向原則的引領(lǐng)下，越來越多的設計人員開始關(guān)注機械性能、壽命、經(jīng)濟等因素。隨著眾多新機械材料的引入，人們對于材料設計的關(guān)注力度空前高漲。

一、材料設計概述

與傳統(tǒng)機械性能設計不同，現(xiàn)代機械設計已經(jīng)成為了一項綜合性的設計學科，其包含環(huán)境學、材料學以及美學等眾多因素。機械設計中的美學就是產(chǎn)品外觀設計，在上個世紀初期，人們對機械產(chǎn)品的美觀要求不高，對機械設計的美觀程度關(guān)注度不高；隨著時代的發(fā)展以及人們生活質(zhì)量的提升，人們開始關(guān)注機械設計的美觀度，在購買機械產(chǎn)品時也將外觀因素納入其中，美學設計的重要性日益凸顯；環(huán)境學的引入是在全球資源短缺、環(huán)境污染加劇的背景下引入的，人們在購買機械產(chǎn)品時會考慮機械對環(huán)境的影響及對人類可持續(xù)發(fā)展的影響；隨著材料科學的發(fā)展，材料學被引入到機械設計中來，因材料性能不同，其對機械產(chǎn)品的性能也會產(chǎn)生較大影響。這些方法的引入一方面增加了機械設計的選擇性，一方面也增加了機械設計的難度。在上述引入中，材料學一直備受社會各界關(guān)注，尤其是在材料類型越來越多的今天，材料設計已經(jīng)成為機械設計的重中之重。在具體機械設計過程中，設計人員必須按照自己的設計需求選擇性能相符的材料，才能達到預期設計效果。為了更好的滿足機械產(chǎn)品性能和外觀需求，設計人員必須熟悉機械設計中的材料性能并動態(tài)關(guān)注新材料的發(fā)展及應用，只有這樣才能科學合理的選擇材料。不同材料的性能直接影響著產(chǎn)品機械壽命，故而，設計人員在機械設計過程中，可結(jié)合客戶實際需求，進行材料壽命核對，在滿足產(chǎn)品預期要求的基礎(chǔ)上，節(jié)約材料使用。

二、機械設計中的材料設計方法

1.關(guān)注材料的使用性能

眾多機械設計專家均明確指出，在機械設計及應用過程中，設計人員必須關(guān)注材料的使用性能，一方面需要關(guān)注不同零件之間的合理搭配，一方面還需要關(guān)注零件材料的合理性。在機械運行過程中，材料會直接影響機械使用性能，材料的韌性、強度、硬度等特性均能反應機械使用中的材料特性。例如，在某個零件的設計過程中，若不合理的選擇了材料、材料應用不準確，則勢必無法滿足零件特性要求，進而導致機械使用過程中出現(xiàn)故障。對于客戶來說，即使出現(xiàn)很小的故障，也會影響到客戶機械使用的壽命及整體性能，從而使客戶滿意度降低。故而，要想做好材料設計工作，必須要關(guān)注材料使用性能，合理選擇材料使其更好的滿足機械運行中的各種化學、機械等性能要求。現(xiàn)代機械設計過程中，我們可以通過有限元軟件來分析材料的使用性能，綜合分析零件的受力狀況，或者在電腦中輸入工作條件，計算出材料內(nèi)部的應力情況，進而指導我們發(fā)現(xiàn)危險點。然后按照傳統(tǒng)方式校對機械危險點，合理選擇其他可防范危險點的類型材料。

2.關(guān)注材料的工藝性能

機械材料的工藝性指的是材料自身能適應不同加工工藝要求的能力，尤其是對于加工工藝較特殊或較為復雜的零部件來說，必須選擇特殊的材料，才能滿足這種加工工藝的要求。故而，這就需要設計人員在機械設計過程中多關(guān)注材料工藝性能。現(xiàn)階段，人們對機械產(chǎn)品的要求趨向于美觀、小巧，并要求功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊。現(xiàn)在的機械連接也摒棄了傳統(tǒng)不可拆連接、螺紋連接為主的局面，轉(zhuǎn)向依靠各個零件的結(jié)構(gòu)型鎖進行連接，這些都加劇了材料設計的難度。在現(xiàn)在的材料市場當中，碳素鋼應用非常廣泛，其因成本價格、操作性能以及加工性能等優(yōu)勢備受關(guān)注。但是，機械設計人員不難發(fā)現(xiàn)碳素鋼會存在韌性低、強度低等缺陷，中等形狀以上的零件無法熱處理，這就導致了碳素鋼在具體應用中受到限制的問題。大量實驗證實，含有某金屬的合金鋼其機械加工性能大大提升，與單純碳素鋼相比，其工藝上更能滿足機械加工需求。例如，若一零件對于表面硬度要求標準較高，如果使用碳素鋼并對碳素鋼進行提升表面硬度的處理，那么碳素鋼很容易出現(xiàn)裂紋等損壞的問題，而加入某項金屬元素，就能有效避免裂紋等問題，進而滿足了機械結(jié)構(gòu)設計要求。這就需要設計人員不僅應關(guān)注機械設計本身，還需要全面了解材料工藝性能，合理選擇材料。

3.關(guān)注材料的經(jīng)濟性能與環(huán)境性能

設計出的機械產(chǎn)品在滿足工藝性與使用性能的基礎(chǔ)上，還需要滿足經(jīng)濟性能指標。不同的材料其自身價格也有所不同，機械設計人員所設計的產(chǎn)品應滿足經(jīng)濟性要求，力求成本低、周期短，且使用效率高、燃料消耗少、使用范圍廣、維護費用低。這就要求設計人員選擇標準、通用的零部件來保證質(zhì)量、簡化設計，并積極選擇改進性能、使用提高質(zhì)量的新材料與新結(jié)構(gòu)，及時引入先進的設計工藝與生產(chǎn)裝配工藝，減少零部件結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)動鏈種類。

在現(xiàn)代設計過程中，我們還需要積極考慮材料的環(huán)境性能。在設計過程中盡可能避免選擇儲量較少的材料，例如，盡量找到鎢的替代品并進行性能優(yōu)化，在滿足機械性能基礎(chǔ)上降低使用成本。另外，還需要降低同一機械產(chǎn)品中的材料種類，積極選擇可回收、可再生的資源，這樣有利于機械報廢后的資源再回收。

三、機械設計中的材料設計新方向

隨著社會的不斷進步，傳統(tǒng)材料設計存在的問題越來越凸顯，傳統(tǒng)材料設計方法急需優(yōu)化，站在工業(yè)設計方法角度分析，筆者認為材料設計需要從系統(tǒng)功能與理論角度出發(fā)，充分考慮不同零部件的性能，還需要考慮不同零部件之間的功能影響。在分析材料功能時，需要考慮三方面內(nèi)容：①技術(shù)功能需要被明確要求，用技術(shù)性能參數(shù)表示。②分析功能成本，從而找到功能好、成本低的設計方案。③定性與定量分析。在綜合分析產(chǎn)品定性與定量之后，找到優(yōu)化的材料設計方案，為接下來的設計工作做好準備。在向現(xiàn)代材料設計轉(zhuǎn)變的過程中，我們需要做好如下幾點：①樹立全新的功能觀與系統(tǒng)觀。在機械設計過程中，沒有絕對的好壞材料，不能以某種性能定義某種材料的特性，只能選擇最合適的材料。選擇材料需要考慮功能與成本的平衡點。在設計過程中，不能僅考慮該種材料做某種零件是否合適，還需要看這種材料、這種零件在整個機械運行中是否合適。②建立基于互聯(lián)網(wǎng)平臺的材料設計庫。傳統(tǒng)查手冊設計法已經(jīng)無法更好的滿足現(xiàn)代設計需求，在知識經(jīng)濟中，應積極建立基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中不僅包含傳統(tǒng)常用材料，還需要包含用戶材料庫，也就是有關(guān)經(jīng)營部門或生產(chǎn)廠家直接訪問該網(wǎng)站，及時納入國內(nèi)外的最新材料數(shù)據(jù)信息。全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫一方面能滿足現(xiàn)代機械設計的高效要求，還可以與即時技術(shù)、CAD/CAE等技術(shù)相適應。

結(jié)語：

綜上所述，本文以材料設計概述為切入點，從關(guān)注材料的使用性能、工藝性能、經(jīng)濟性能與環(huán)境性能等角度，詳細論述了機械設計中的材料設計方法，并探究了材料設計新方向，多方面入手，旨在為材料設計提供理論指導，設計出性能高、功能良的新產(chǎn)品。

參考文獻：

[1]張曉娟，高紀明.機械設計中的材料設計方法探討[J].科技致富向?qū)В?015（11）

[2]于秀云.曳引式電梯輪槽磨損及其檢驗檢測探析[J].中國化工貿(mào)易，2015（33）

[3]刁榮飛.淺談機械工程及自動化技術(shù)的發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（35）.

[4]張帆.機械工程自動化技術(shù)存在的問題及解決措施[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（33）

[5]唐樺林.淺談自動化技術(shù)在機械工程中的應用[J].科技致富向?qū)В?014（3）