淺析機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇問(wèn)題

黃棉

(廈門(mén)華天涉外職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén)3 61102)

材料在機(jī)械設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中是最為重要的元素，能否使材料在其中得到科學(xué)而合理的使用，是機(jī)械設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。所以，機(jī)械設(shè)計(jì)工作一定要強(qiáng)化對(duì)材料的選擇。選材不但要充分考慮材料的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，還要保證所使用的材料的合理性。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)與材料選擇的關(guān)系

每一個(gè)零部件，都要使用一定的材料來(lái)制作。若我們選擇好了一套機(jī)械設(shè)計(jì)方案，而無(wú)法選擇出合適的材料，那么機(jī)械設(shè)計(jì)再完美，也沒(méi)有辦法保證生產(chǎn)以后，能夠達(dá)到良好的效果。機(jī)械設(shè)計(jì)與材料的使用間主要存在以下幾類關(guān)系:

1．1 材料決定成本

機(jī)械設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是要把機(jī)械產(chǎn)品(可能是零部件，也可能是一套設(shè)備)在最初的設(shè)計(jì)要求下設(shè)計(jì)出來(lái)，并投入于實(shí)際的使用中。我們知道，有時(shí)，一種機(jī)械設(shè)備有很多種材料都能滿足設(shè)計(jì)要求，但材料不同，其生產(chǎn)成本會(huì)存在一定的差異。若在具體的設(shè)計(jì)中，選擇使用價(jià)格較高的材料，則會(huì)由于其成本過(guò)高，而使得生產(chǎn)的機(jī)械無(wú)法在市場(chǎng)中取得價(jià)格優(yōu)勢(shì)。成本不止是機(jī)械產(chǎn)品在市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，同時(shí)也是企業(yè)引進(jìn)設(shè)備時(shí)的主要考慮因素。所以，為了使機(jī)械設(shè)備可以讓更多的企業(yè)認(rèn)可，機(jī)械設(shè)計(jì)首先就要把成本問(wèn)題考慮進(jìn)去。作為成本的重要組成部分——材料是必須優(yōu)先考慮的因素。

1．2 材料決定性能

一般情況下，材料的特性不同，會(huì)表現(xiàn)出不同的性能;但不同材料在一定條件下往往也能表現(xiàn)出同樣的性能。這就為材料的選擇提供了多種思路。拿我們常見(jiàn)的機(jī)械設(shè)計(jì)材料來(lái)說(shuō)，金屬材料的特性在于有良好的性能且有較高的強(qiáng)度，但是有不少金屬材料會(huì)在潮濕環(huán)境下改變其使用性能;高分子材料往往有較強(qiáng)的彈性以及耐腐蝕性，但是在高溫條件下很容易出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)致性能發(fā)生變化。所以我們?cè)谶x擇相應(yīng)的材料時(shí)，一定要考慮其未來(lái)的工作環(huán)境。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)要以合理的成本為前提，同時(shí)還要把材料的性能考慮進(jìn)去，以使得材料可以滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的根本要求。只有滿足使用性能要求，才能夠從質(zhì)量上保證產(chǎn)品能經(jīng)得起市場(chǎng)的檢驗(yàn)。

1．3 材料決定質(zhì)量

對(duì)于機(jī)械行業(yè)而言，往往是一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)由多種材料來(lái)制成的，尤其是一套設(shè)備。若機(jī)械設(shè)計(jì)中使用了合理的材料，機(jī)械產(chǎn)品中的一切環(huán)節(jié)，就可以在機(jī)械產(chǎn)品的使用性能得以確保的情況下，把其優(yōu)點(diǎn)全部體現(xiàn)出來(lái)，并盡可能地減少其中的缺點(diǎn)，使機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量真正收到1 +1 ＞2 的效果;相反，機(jī)械產(chǎn)品任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致整體質(zhì)量下降，機(jī)械設(shè)備無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的效果。所以，質(zhì)量也是企業(yè)引入機(jī)械產(chǎn)品時(shí)考慮的另一重要因素。只有質(zhì)量過(guò)得硬，才能夠在企業(yè)中獲得較好的口碑，才真正地能立足于市場(chǎng)。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的應(yīng)用特質(zhì)

2．1 金屬材料

金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中是一種非常常見(jiàn)的材料。通常來(lái)說(shuō)，金屬材料主要有鐵、錫、鋁、金、銀、銅等，材料不同，產(chǎn)品的價(jià)格也會(huì)有所不同，同時(shí)性能也會(huì)有較大的區(qū)別。但是，總的來(lái)看，金屬材料的優(yōu)勢(shì)就在于:容易得到、耐磨損、耐熱性和導(dǎo)熱性強(qiáng)，還有一些金屬有較強(qiáng)的硬度和柔韌性。

2．2 陶瓷材料

陶瓷材料也是機(jī)械設(shè)計(jì)中一種常用的材料。陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)在于有較高的硬度，其硬度基本上與金屬材料差不多;它也可以承受一定的腐蝕，尤其是對(duì)于化學(xué)材料的侵蝕不敏感，所以不會(huì)有太大的影響;重量不是太重，和同體積金屬材料相比，其重量遠(yuǎn)低于金屬。然而，陶瓷材料不僅較硬，且抗沖擊能力較差，一旦受到?jīng)_擊，就很有可能再無(wú)法使用;同時(shí)陶瓷材料的價(jià)格也偏高。

2．3 復(fù)合材料

復(fù)合材料主要指的是兩種不同性能的材料的組合，從而達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。這比單一性能的材料的優(yōu)勢(shì)更加明顯。復(fù)合材料主要有鋁不銹鋼、玻璃鋼、碳纖維等，不同的復(fù)合材料往往價(jià)格差異較大?？紤]到復(fù)合材料可以把單一材料的性能優(yōu)點(diǎn)全部綜合在一起，所以復(fù)合材料在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)被經(jīng)常使用。在不久的將來(lái)，隨著人們不斷地對(duì)材料的性能提出越來(lái)越多的要求，會(huì)有大量的新型復(fù)合材料出現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品中，復(fù)合材料也會(huì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中被越來(lái)越多地選用。

2．4 高分子材料

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，高分子材料雖然使用的頻率不高，但是其在一些重要的機(jī)械產(chǎn)品中也有使用。主要的高分子材料有纖維材料、塑料材料、橡膠材料等。高分子材料最大的優(yōu)勢(shì)在于重量不重，且性價(jià)比高，所以有不少的企業(yè)喜歡使用。在一些較為特殊的情況下，高分子材料可以使機(jī)械產(chǎn)品提升性價(jià)比。但高分子材料本身也有自己的不足，例如橡膠材料的耐腐蝕性差，如果有化學(xué)物品出現(xiàn)侵蝕，就會(huì)使其原有性能失去;塑料材料耐高溫性差，若是碰到了高溫環(huán)境，就會(huì)進(jìn)一步降低其使用性能。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇與應(yīng)用要關(guān)注的因素

3．1 性能因素

機(jī)械的設(shè)計(jì)對(duì)材料的要求主要體現(xiàn)在對(duì)材料性能的要求上。材料的性能符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品才能保證其質(zhì)量;當(dāng)材料無(wú)法滿足設(shè)計(jì)諸多方面的要求時(shí)，意味著設(shè)計(jì)就無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。比如，有些產(chǎn)品在強(qiáng)度和載荷等方面有嚴(yán)格的要求，這就要求選擇的材料必須滿足產(chǎn)品生產(chǎn)所需的性能，如果在設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)忽視了產(chǎn)品的性能要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品將會(huì)受到材料的制約無(wú)法生產(chǎn)，或者即便能夠生產(chǎn)，也達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，考慮生產(chǎn)產(chǎn)品的材料性能是非常重要的。

3．2 工藝因素

產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成品還要經(jīng)歷一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是產(chǎn)品的加工。而產(chǎn)品的加工，不僅會(huì)受到設(shè)計(jì)理念的影響，還會(huì)因?yàn)榧庸すに嚨牟町悓?dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降、性能降低等問(wèn)題。因?yàn)楫a(chǎn)品的加工是復(fù)雜的環(huán)節(jié)，包括了多種工藝流程，每一個(gè)流程中的細(xì)小疏漏和差異都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生一定的影響。比如說(shuō)在焊接產(chǎn)品的過(guò)程中，焊接強(qiáng)度的不同，工人焊接技術(shù)的差異，都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。所以在考慮材料性能的同時(shí)還應(yīng)該考慮加工工藝對(duì)材料的使用產(chǎn)生的影響。

3．3 環(huán)境因素

產(chǎn)品的加工對(duì)環(huán)境也有一定的要求。比如說(shuō)金屬材料在一定的溫度條件下，受其熱脹冷縮的特征影響，會(huì)出現(xiàn)變形或者其他難以預(yù)測(cè)的情況，所以在對(duì)原材料進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該考慮生產(chǎn)場(chǎng)地的溫度、濕度等環(huán)境因素，當(dāng)金屬原材料在特殊環(huán)境中進(jìn)行加工生產(chǎn)時(shí)，會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的不同導(dǎo)致產(chǎn)品的性能降低，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量出現(xiàn)無(wú)法彌補(bǔ)的問(wèn)題，給企業(yè)帶來(lái)?yè)p失。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品前，應(yīng)該充分分析生產(chǎn)環(huán)境會(huì)對(duì)產(chǎn)品加工帶來(lái)哪些影響，適當(dāng)調(diào)整產(chǎn)品加工的時(shí)間，確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

3．4 價(jià)格因素

產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，除了依靠質(zhì)量求生存而外，更要考慮產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。一款好的機(jī)械產(chǎn)品除了性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠外，更應(yīng)該考慮其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。這樣才能保證產(chǎn)品的銷(xiāo)路和信譽(yù)。當(dāng)然產(chǎn)品的價(jià)格主要是受成品所使用的材料和加工成本影響的，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)該考慮原材料的成本價(jià)格，以及加工中所需的成本，制定合理的產(chǎn)品價(jià)格，既要滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的可持續(xù)需求，又要保證產(chǎn)品在保障成本的前提下，贏得更大的利潤(rùn)空間。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，在具體選擇材料時(shí)，往往要把科學(xué)性的應(yīng)用以及優(yōu)化型的材料擺在突出的位置，使得適用性、經(jīng)濟(jì)性、可行性等各類特性都在設(shè)計(jì)中有所體現(xiàn)，以便更好地幫助行業(yè)提高工作效率，增加經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展，并最終為實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、健康、快速發(fā)展增添活力。

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