機械產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇及應(yīng)用探討

畢永強

摘要：機械產(chǎn)品制造是中國制造業(yè)經(jīng)濟的重要組成部分，而機械設(shè)計是機械產(chǎn)品制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當今對機械設(shè)計要求越來越高，材料的選擇及應(yīng)用有了更高的要求，逐漸成為機械設(shè)計工作的重點，環(huán)保和節(jié)能成為重點關(guān)注的內(nèi)容。本文從機械產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇原則出發(fā)，對今后機械產(chǎn)品設(shè)計中的實用性、載荷性、低耗無害、可回收性的材料的選擇提出了幾點建議。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計;材料選擇;應(yīng)用

0? 引言

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)的發(fā)展，機械設(shè)計取得了極大的發(fā)展。在機械產(chǎn)品的設(shè)計過程中，不斷采用新技術(shù)，應(yīng)用新材料，對機械產(chǎn)品性能的提高有著非常重要的作用。在機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，材料的選擇及應(yīng)用作為設(shè)計的主要環(huán)節(jié)，直接影響到機械產(chǎn)品的整體質(zhì)量，甚至于影響到機械工業(yè)的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。因此，在新經(jīng)濟新形勢下，制造業(yè)企業(yè)必須提高機械設(shè)計過程中的選材水平，實現(xiàn)機械材料的合理選用和可持續(xù)利用，促進機械產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

1? 機械產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇原則

1.1 綠色環(huán)保節(jié)能原則

隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對大自然的索取和對自然的破壞日益嚴重，環(huán)境保護問題日漸成為社會熱點問題。自然環(huán)境與人類生存息息相關(guān)，如果一個社會想實現(xiàn)更理想的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展，那么這個社會必須以保護環(huán)境為前提。否則，過度的剝削只會造成更大的災(zāi)害。因此，在機械設(shè)計過程中，材料的選擇要特別注意環(huán)保與節(jié)能。另一方面，作為機械設(shè)計師，要堅持走可持續(xù)發(fā)展的道路，選擇綠色環(huán)保節(jié)能材料，盡可能使用低消耗、無公害材料，減少對不可再生資源的依賴。這不僅是現(xiàn)在的經(jīng)濟發(fā)展狀況的必要條件，也是企業(yè)發(fā)展不可避免的選擇。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，同時也造成了嚴重的環(huán)境污染和能源資源枯竭等諸多問題。對于這些問題，生產(chǎn)活動很難繼續(xù)發(fā)展下去?？刂骗h(huán)境污染，防止能源枯竭，是一個重要的研究課題。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我們需要控制生產(chǎn)過程中的資源消耗。在滿足設(shè)計要求的前提下，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，為了節(jié)約不可再生資源，必須盡可能選擇污染少、能源消耗少的材料。

1.2 經(jīng)濟適用高效原則

為了使所選擇的材料在機械設(shè)計過程中發(fā)揮更大的作用，機械設(shè)計師需要選擇適合于機械產(chǎn)品運行條件的高性能材料。機械產(chǎn)品制造中常用到的鑄造工藝應(yīng)具備良好流動性，鍛造工藝使用的材料必須具備良好的延展性、可塑性，而周圍焊接過程中使用的材料必須具備良好的靈敏度和易用性。不同工藝掌握所需的材料不同。另一方面，在材料選擇過程中，機械設(shè)計師要注意把握經(jīng)濟原理，選擇的材料要基于更多的經(jīng)濟利益，才能滿足使用和設(shè)計的需要。材料選擇盡可能降低整個機械設(shè)計過程的成本，提高經(jīng)濟效率。在機械設(shè)計中，需要優(yōu)先考慮材料的經(jīng)濟性和適用性。設(shè)計者應(yīng)充分理解設(shè)計過程，選擇最經(jīng)濟和最適宜的材料與設(shè)計要求相結(jié)合，使材料的性能最大化，滿足設(shè)計要求。不同的材料有不同的特性，可以滿足不同的機械要求。在規(guī)定的技術(shù)條件下，根據(jù)材料性能科學(xué)選擇和應(yīng)用，確保機械制造工程的健康可持續(xù)發(fā)展。

1.3 可持續(xù)利用原則

機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，材料的選擇在滿足最基本的機械設(shè)計要求的同時要堅持可持續(xù)利用的原則?；诂F(xiàn)實情況，從實際設(shè)計需求出發(fā)，充分挖掘所選材料的可行性和應(yīng)用效果，結(jié)合材料特性，啟動機械設(shè)計的目標應(yīng)用程序。機械制造的工序中使用的材料是金屬并在機械制造工程中大量使用時，這種資源會逐漸減少。如果找不到可替代的材料，就會影響機械制造企業(yè)的發(fā)展。鋼是一般的材料，在機械制造中，回收比較困難。為了進一步減少環(huán)境污染和資源損失，需要選擇可回收材料。從目前來看，中國的機械設(shè)計材料的再利用系統(tǒng)變得困難。因此，在機械材料的選擇過程中，有必要考慮材料的再利用。這樣不僅可以降低成本，還能減輕環(huán)境損害以及對資源和環(huán)境的壓力，對資源的可持續(xù)利用有著重要意義。

2? 機械產(chǎn)品設(shè)計中材料應(yīng)用案例分析

2.1 汽車生產(chǎn)設(shè)計中的材料選擇和應(yīng)用

塑料材料通常使用在發(fā)動機附近的零件以及發(fā)動機的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的配件。該零件均勻的制造可以有效的降低數(shù)值偏差。同時，它具備高彈性和耐沖擊性，能適應(yīng)所有的氣候和溫度，在溫度變化下它的外觀和性能不會發(fā)生變化。塑料材料比較便宜，與所有的材料相比較，是最佳的塑料材料。聚合物材料適用的機械設(shè)計過程中，聚合物材料是被用于所有的儀表板、車門面板、座椅的維修配件，具有良好的耐熱性，所以汽車相關(guān)的副材料作為高分子材料被使用。金屬材料作為汽車發(fā)動機相關(guān)材料的使用，在實行過程中發(fā)動機的溫度比較高，油污染比較大，外部環(huán)境的變化比較大，因此，綜合比較來看，目前汽車發(fā)動機的相關(guān)配件大都使用金屬材料。

2.2 電梯設(shè)計中的材料選擇

在電梯的設(shè)計中，電梯箱底部的負荷性能是主要的考慮事項。負荷性能不高的情況下，電梯整體的功能會受到影響，不能滿足正常工作的要求。在電梯的設(shè)計中，要充分考慮電梯的工作特性。如果對箱子的底面施加很強的壓力的話，有部件變形的情況。這個彎曲變形恢復(fù)，一部分的變形不能復(fù)原。這種情況下，如果電梯發(fā)生了特定的損失，就不能繼續(xù)操作了。為了減少電梯底部變形的可能性，相關(guān)設(shè)計人員要確認電梯部件有很強的變形阻力，選擇相對堅硬的材料，保持電梯應(yīng)力的平衡，進而保證電梯正常運行。

3? 未來機械產(chǎn)品設(shè)計中材料的選擇及應(yīng)用建議

3.1 實用型機械設(shè)計材料的選擇及應(yīng)用

機械設(shè)計過程中，材料的選擇及應(yīng)用通常需要根據(jù)工藝指標在一定程度上執(zhí)行鑄造、處理和其他工藝操作，這些特殊的處理技術(shù)本身對材料的選擇就非常嚴格。不同的工藝必然選擇不同的材料，在確保生產(chǎn)的前提下，使材料的選擇更加符合設(shè)計要求。

例如，在零部件的處理中，所選擇的材料必須具有足夠的強度和耐磨性。鋁塑料面板是一種新型的建筑裝飾材料，廣泛使用在外墻、幕墻面板、材料照明、室內(nèi)墻壁、天花板的裝飾、廣告顯示板、展示柜中。其結(jié)構(gòu)由多層材料構(gòu)成，上層和下層是高純度鋁合金板，中央是聚乙烯芯板，正面也貼有保護膜。在實際生產(chǎn)中，鋁塑料面板按規(guī)格切割后，會產(chǎn)生殘留的材料。為了再利用，可以剝下鋁條和塑料條。

3.2 載荷性機械設(shè)計材料的選擇及應(yīng)用

在機械設(shè)計和加工的過程中，機械材料發(fā)生故障的可能性很高，但是在機械部件的使用和機器操作的過程中，這種情況會在一定程度上得到抑制。為了正常使用機械設(shè)計，需要嚴格控制材料。根據(jù)設(shè)計要求和組合的耐負荷估計，選擇更高的性價比和更合理的原材料。在機械設(shè)計的過程中，機械材料的外部負荷在機械組件的正常操作中起著決定性的作用。如果想要防止和解決機器故障，就必須有效地使用機器部件的性能來解決問題。

一般來說，零件故障的理由是因為有沖突，在部件性能和部件外部負載之間選擇機械材料時，選擇的材料必須符合負載性能，負載類型的材料必須符合標準。在機械材料的選擇上，負載性能可以分為兩個方面。一是組件在外部受力下被扭轉(zhuǎn)，應(yīng)力通常集中在材料表面。也就是說，材料的表面性能在控制中起決定性作用。因此，在機械設(shè)計材料的選擇上，選擇中碳鋼或低碳鋼的浸煤作為原材料比較好。用這個原材料制作的機械零件，可以有效地承受特定的負荷?？梢杂行У乇ＷC零件的質(zhì)量。二是，在實際操作中，一些部件需要一定的壓縮力和拉伸力。為了有效地完成選擇材料的任務(wù)，需要有選擇地均等地分配材料。

3.3 低耗無害機械設(shè)計材料的選擇及應(yīng)用

可持續(xù)發(fā)展的概念，適用于所有行業(yè)。在機械制造中，可持續(xù)發(fā)展意味著材料的選擇必須低成本、無公害。因此，在設(shè)計的初期階段，材料的選擇有必要檢驗其耐用年限和性能的熱處理，減少引起的環(huán)境污染。在實際設(shè)計過程中，應(yīng)盡量避免熱處理的加工工藝，盡可能選擇能夠在冷間和熱間壓延中發(fā)揮非常突出作用的材料。如果無法避免，需要選擇最簡單的材料來減少熱消耗和污染。在機械設(shè)計的過程中，會選擇很多具有特定危險因素的材料，這種物質(zhì)不僅會對環(huán)境造成危害，但會對人體造成永久性的傷害。因此，在選擇物質(zhì)的過程中，必須特別注意對物質(zhì)的檢測，以免對有害物質(zhì)造成傷害?？紤]經(jīng)濟成本是選擇機械設(shè)計材料的重要要求。機械設(shè)計過程中，設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計的特定的階段有必要分析過程，材料的使用性能，詳細理解各工藝的設(shè)計特點和組合，具有最高性價比的機械材料選擇、材料的使用價值的最大化。

此外，還需要考慮整體的預(yù)算和階段?；跈C械設(shè)計預(yù)算、詳細分析、滿足標準的機械設(shè)計標準。選擇的材料性價比最高，盡可能降低材料成本。特別是可循環(huán)利用的機械材料，可以從根本上降低了能源消耗，有效控制了機械設(shè)計過程中的成本，提高了機械項目的整體經(jīng)濟效益。

3.4 可回收性機械設(shè)計材料的選擇及應(yīng)用

參與機械設(shè)計過程的部件中有相當一部分是金屬材料，但實際上，金屬的輸出是有限的。隨著時間的推移和機械制造的快速發(fā)展，金屬材料的蘊藏量也越來越少?？紤]到這一點，設(shè)計師可以加強對可回收材料的選擇，不僅是為了節(jié)約，也是為了環(huán)保。機械設(shè)計有很多種類的材料，其中很多都可以循環(huán)利用。有很多種類的金屬材料，有低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼、各種合金鋼等，有很多種類的鋼。每個金屬材料的回收難度不同。有容易恢復(fù)的，也有難以恢復(fù)的。在機械設(shè)計中，在相同的條件下，有必要選擇容易回收利用的材料。通過回收利用，不僅節(jié)約了成本，避免了浪費，而且提高了資源利用率，促進了機械領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

4? 結(jié)語

在機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，相關(guān)材料的選擇及應(yīng)用必須綜合考慮，不僅要保證所選擇的材料能夠切實滿足設(shè)計和生產(chǎn)的要求，還要確保優(yōu)良的綠色環(huán)保性能和經(jīng)濟性，盡量選擇機械設(shè)計產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定的發(fā)展可回收材料。只有這樣，才能在機械設(shè)計過程中，讓再利用的材料發(fā)揮其作用，可以減輕環(huán)境污染，大大提高了資源利用率，對機械制造業(yè)企業(yè)效益的提高和對機械領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。正確的對機械設(shè)計材料的選擇和應(yīng)用還可以響應(yīng)國家綠色、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，切實貫徹保護環(huán)境的基本國策。

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