試論機械設(shè)計中金屬材料的選擇及應用

摘要：在機械產(chǎn)品的生產(chǎn)中除科學加工技術(shù)外，金屬材料的應用也十分重要，是整個機械設(shè)計環(huán)節(jié)的重點，對產(chǎn)品的質(zhì)量和機械行業(yè)的發(fā)展有著重大意義。因此，這就需要在機械產(chǎn)品生產(chǎn)前細致挑選金屬材料，不僅要保證材料符合設(shè)計和后期的加工需求，同時還要保證材料的實用性、經(jīng)濟性、節(jié)能性，才能在后期的應用中發(fā)揮最大性能。對此，本文就對機械設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計中金屬材料的選擇及應用做出詳細論述。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;金屬材料;選擇;應用;研究

0 ?引言

科技的發(fā)展帶動了工業(yè)化水平的提高，同時也帶動了機械制造業(yè)的發(fā)展，使得機械設(shè)備功能愈加豐富、質(zhì)量也越來越高。在未來的發(fā)展中工業(yè)制造水平會愈加完善，基于此，對于機械材料來說也需要不斷地發(fā)展，才能跟得上制造業(yè)的腳步。但就目前的機械材料市場來說，仍然有很大的空缺，尤其是一些稀缺材料，多行業(yè)的需求和競爭較大，對機械行業(yè)產(chǎn)生一定的影響，如機械設(shè)計的材料受到很大限制。因此，這就需要在進行機械設(shè)計時，科學選擇原材料，最大程度的發(fā)揮材料的作用。

1 ?機械設(shè)計中選擇材料的意義及重要性

在時代發(fā)展的帶動下，科技、工業(yè)化也在不斷完善，這對制造業(yè)來說是一次機遇也是挑戰(zhàn)，就機械產(chǎn)品的需求量來說，市場需求越來越高，使機械制造業(yè)贏得了經(jīng)濟發(fā)展機會。機械制造企業(yè)也加大了生產(chǎn)目標，這就會因市場競爭出現(xiàn)原材料短缺。因此，面對這一問題，就必須要提高機械設(shè)計材料質(zhì)量，最大程度的發(fā)揮其性能，延長機械產(chǎn)品的使用壽命。

2 ?機械設(shè)計中金屬材料選擇的基本原則

機械設(shè)計金屬材料的選擇中要綜合考慮材料的性能，例如荷載大小、工作環(huán)境、金屬材料與零件尺寸和質(zhì)量是否符合、加工性能及經(jīng)濟性。以下對機械設(shè)計選擇的基本原則做出闡述。

2.1 載荷的大小和性質(zhì)

荷載大小在機械設(shè)計中有著重要意義，在進行設(shè)計時，要充分考慮材料荷載的承受能力，并根據(jù)材料自身的荷載能力進行選擇，如此才能滿足機械設(shè)計的需求。除此之外，在選擇中還要根據(jù)機械設(shè)計的實際需要，對材料的性質(zhì)進行綜合分析。

2.2 零件的工作環(huán)境

機械設(shè)計的工作環(huán)境對金屬材料也會帶來影響，因此，這就需要根據(jù)實際的設(shè)計環(huán)境選擇材料。例如，位于濕熱的環(huán)境中，金屬材料很容易因外部環(huán)境受到腐蝕，因此，在這一環(huán)境的中應選擇抗腐蝕性強的金屬材料，這樣才不會因環(huán)境的影響對材料造成損害，保護其性能不受影響。除此之外，還要考慮材料自身的力學性能。

2.3 零件的尺寸及質(zhì)量

在機械設(shè)備的生產(chǎn)中，對零件有著嚴格的要求，具體體現(xiàn)在零件的尺寸和質(zhì)量上。因此，為了保證零件的制造符合機械設(shè)備的生產(chǎn)需求，就需要重視材料挑選。此外，一些特殊的金屬材料無法滿足尺寸和質(zhì)量要求，那么就不可使用。

2.4 零件結(jié)構(gòu)及材料的加工性能

機械設(shè)備的生產(chǎn)中，機械零件發(fā)揮著重要作用，而機械零件是由原材料加工而成，直接關(guān)系著機械零件的整體質(zhì)量，如果所選擇的材料無法通過后期加工中的各個技術(shù)環(huán)節(jié)，就無法滿足機械設(shè)備生產(chǎn)中的零件質(zhì)量。所以在進行機械材料的選擇時要重視材料的整體結(jié)構(gòu)和加工性能，滿足各個階段的技術(shù)操作。

2.5 材料的經(jīng)濟性

材料的經(jīng)濟性直接影響著經(jīng)濟效益，因此，在選擇中就需要根據(jù)所需材料性能進行細致分析，對材料設(shè)計中的所有環(huán)節(jié)進行計算，此外，還可以適當采用組合機構(gòu)，降低生產(chǎn)成本。另外，還要對所需材料的市場進行了解，在保證質(zhì)量和需求的基礎(chǔ)上，選擇經(jīng)濟性較高的金屬材料。

3 ?機械設(shè)計中應用的技術(shù)手段

在機械設(shè)計中要根據(jù)相關(guān)工藝和要求進行，才能保證設(shè)計質(zhì)量，以下對此做出論述。

3.1 調(diào)制工藝以及有關(guān)設(shè)計應用分析

傳統(tǒng)的機械材料的加工處理方式無法改變后期零件的重量和截面，可能會導致機械設(shè)備的體積和重量較大。而通過熱處理方式可以優(yōu)化這一點，例如較為常用的調(diào)質(zhì)技術(shù)（熱處理方式），提高材料的拉伸強度和屈服度，增強材料的可塑性，有助于增強零件的整體性能。與此同時，經(jīng)過這種處理方式后，在進行設(shè)計時可優(yōu)化零件的截面使得機械產(chǎn)品的重量有所減少。但在實際的應用中還需要特別注意以下幾點：①注明調(diào)質(zhì)：在進行機械材料的熱處理時，如果單純的只是進行熱處理，則可以使用這種方式。例如，進行調(diào)質(zhì)技術(shù)，通過正回火工藝可以大大提高材料硬度，但還需注意的是，正回火技術(shù)會降低材料的沖擊強度，增加材料的斷裂率。②注明調(diào)質(zhì)硬度范圍：在進行調(diào)質(zhì)工作時要表明材料的硬度范圍，將其標注后便于后期的生產(chǎn)，以免在生產(chǎn)中超出標準范圍，與生產(chǎn)條件不符合。③材料要求要適應：使用調(diào)質(zhì)技術(shù)時，要嚴格按照標準規(guī)范進行，材料、操作要求都要符合規(guī)范。

3.2 表面硬化技術(shù)以及選材

機械設(shè)計材料后期需要進行加工處理，如表面硬化技術(shù)處理，從而提高零件的耐磨性和抗蝕性。在實際中較常使用的表面硬化處理技術(shù)主要分為兩種：滲碳技術(shù)、氮化技術(shù)。兩種技術(shù)的處理方式和特點也大不相同。具體來說，處理方式主要依托滲碳爐，在操作中將材料放置滲碳爐，增加鋼材材料的碳含量，然后再進行淬火處理，提高材料的硬度，最后通過低溫回火技術(shù)消除應力，提高穩(wěn)定性。在使用該技術(shù)中由于主要使用滲碳鋼，對此，就需要在前期設(shè)計時根據(jù)材料設(shè)計的具體要求，如確定零部件的尺寸、芯部強度來選擇適用的深度，要注意不應過度使用材料，否則會增加生產(chǎn)成本。一般來說，有效的截面面積小于50毫米的話，就可以選擇20Cr;截面面積在50-150平米并且重量小于50千克的話，就可以選擇20Crmnti。對于滲碳層度的深度來說要根據(jù)具體的實際需求來確定，這樣一來可以有效節(jié)約成本，增加層深就意味著要延長滲碳的時間;氮化處理技術(shù)的處理方式實適用性較廣，可用于任何鋼制材料，是較為常見的處理技術(shù)，可提高設(shè)計質(zhì)量和機械材料的穩(wěn)定性。在進行氮化處理時，最常用的氮化處理技術(shù)是45型號，在氮化爐中進行，用這種技術(shù)的處理優(yōu)勢可以減少變形率。另外，使用氮化處理技術(shù)后可以省去后期的加工環(huán)節(jié)。但經(jīng)過氮化處理技術(shù)的材料硬度并不會都得到提高，具體還需要根據(jù)材料質(zhì)量完成。另外，通過氮化處理技術(shù)，可以提高加工處理質(zhì)量，省去有可能再次處理的時間、資源。此外，進行該技術(shù)時，為了避免材料受到傷害，可對材料的局部進行保護，待加工完成后再去除保護層，通過這種方式可以提高材料的硬化層，若再結(jié)合調(diào)制技術(shù)使用，則可以大大提高技術(shù)的強度和耐磨性。

3.3 機械設(shè)計中金屬材料應用的適用性與經(jīng)濟性

在金屬材料的選擇中要符合實用性和經(jīng)濟性，才能保證金屬材料的功能得到最大發(fā)揮，包括材料的特性等。如碳素鋼材料。具體來說，碳素鋼金屬材料在機械零件加工中有著很強的優(yōu)勢性，因此，在機械設(shè)備零件的設(shè)計中碳素鋼材料較為常見。但值得注意的是，碳素鋼材料的強度、韌性存在欠缺，在進行淬火加工時易斷、變形。因此，為了彌補這一點，可以通過處理來優(yōu)化這一點，例如在碳素鋼的加工中加入合金元素，使其變成合金鋼。如此一來，可以優(yōu)化碳鋼素的強度和韌性，提高材料性能，還能增加材料的力學性能。此外，在材料的應用中還需要特別注意，要根據(jù)材料性能選擇適合的制造工藝，包括機械設(shè)計加工生產(chǎn)中對材料的處理方式。整體性能較好的金屬材料的加工中可以選擇鑄造技術(shù)完成，包括收縮性、吸氣性等材料。對沖壓性、冷鐓性較好的材料的應用中可選擇焊接技術(shù)，符合淬透性標準、熱敏感、氧化脫碳等相關(guān)性能要求的可以采用熱處理加工工藝。在加工中，所選材料必須要符合切削作業(yè)的可操作性，除此之外，在選擇中要選擇性能較好、成本較低的材料，提高材料的銷售率，為企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟效益。

4 ?機械設(shè)計中材料應用的環(huán)保性和節(jié)能性

4.1 選擇低能耗的材料

在機械設(shè)計材料的選擇中除性能標準外，還要符合綠色發(fā)展觀，挑選污染較低、能耗較低的材料，減少加工中產(chǎn)生的廢氣和廢物，有效保護環(huán)境和資源，實現(xiàn)綠色制造。此外，為了符合綠色發(fā)展需求，可選擇只需通過熱軋、冷軋就能進行加工處理的材料，如冷處理工藝具有節(jié)約環(huán)保的優(yōu)勢，同時在加工處理時問題的出現(xiàn)率較小。在選擇熱處理時，由于部分金屬材料會存在差異，在實際的施工中處理方式也會出現(xiàn)差異，而結(jié)構(gòu)較為復雜的金屬材料在加工中對環(huán)境的污染較大，能源消耗也較高，對此，為了降低能源消耗和環(huán)境污染，應選擇加工工序較少的材料，降低對環(huán)境的污染和能源消耗，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境保護。

4.2 選擇環(huán)保型材料

一些材質(zhì)的材料可回收，具有再生功能，實現(xiàn)材料的循環(huán)使用，有助于能源保護。因此，在材料選擇中盡量挑選環(huán)保型材料，這樣一來，不僅可以實現(xiàn)經(jīng)濟上的節(jié)約，還有助于保護環(huán)境。此外，應在保證材料性能的基礎(chǔ)上，對材料的選則應避免過于復雜，因為材料種類過多時，會增加廢棄回收利用的難度，造成材料浪費。除此之外，橡膠與金屬混合或黏合的材料污染率較高，要盡量避免使用此類材料。

4.3 選擇新型安全材料

隨著科技的發(fā)展，越來越多的新型材料出現(xiàn)，其安全性高于傳統(tǒng)材料，同時有助于環(huán)境的綠色發(fā)展。具體來說，傳統(tǒng)的金屬材料自身具有很強的危害性，后期在進行加工處理時，會出現(xiàn)化學變化，產(chǎn)生有害氣體，對接觸者和環(huán)境帶來很大的傷害。對此，在機械材料的選擇中，應在滿足機械設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，使用新型材料進行機械零件制造，避免因傳統(tǒng)金屬材料中的有害物質(zhì)，對人體和環(huán)境帶來傷害。除此之外，還應重視對材料物質(zhì)的檢測，了解材料的毒副作用，對一些危害性較強的材料在加工時做好防護和處理工作。例如，金屬泡沫材料，是一種較為安全的材料，不但對人體和環(huán)境無副作用，同時還能循環(huán)利用，且適用性較強，如可用于重量輕、堅硬的夾層板的芯板、同時也可用于高功率的機械電子設(shè)備，起到冷卻作用。因此，在材料的選擇中盡量使用新型材料，保護環(huán)境的發(fā)展。

5 ?結(jié)論

上述對機械設(shè)計中材料的選擇和應用做出了分析和論述，通過以上得知，在我國經(jīng)濟的發(fā)展帶動下，我國制造業(yè)的水平也得到了顯著提高，對機械設(shè)備的需求量和要求也在逐漸增加，這也表明，機械產(chǎn)品的質(zhì)量、性能必須要滿足人們的需求。而機械產(chǎn)品的生產(chǎn)中零件是重要的組成部分，對機械產(chǎn)品的整體質(zhì)量有著直接聯(lián)系，對此就需要重視機械產(chǎn)品中零件的材料選擇及應用，不僅要保證材料滿足設(shè)計加工需求，還符合適用性、經(jīng)濟性、環(huán)境性、節(jié)能性的特點，為企業(yè)謀求更大的經(jīng)濟效益，同時還符合我國綠色發(fā)展的理念。

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作者簡介：方偉濤（1982-），男，浙江安吉人，本科（在職研究生），工程師，從事壓縮機產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，研究方向為金屬和非金屬材料選型加工驗證、摩擦潤滑特性分析、結(jié)構(gòu)仿真分析、產(chǎn)品噪聲和性能水平改進提升等。