【摘 要】在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，為了更好滿足企業(yè)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品越來(lái)越先進(jìn)，品種越來(lái)越多。這就要求我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)材料的選擇、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用提高到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，在加工過(guò)程中，減少影響表面層物理力學(xué)性能的因素。努力把我們加工成本降到合理的水平，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文分析了機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的相關(guān)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；機(jī)械制造；材料選擇

1.機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)材料的選擇

1.1基本要求

1.1.1使用性能要求

材料在使用過(guò)程中的表現(xiàn)，即使用性能，是選材時(shí)應(yīng)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(qiáng)度，有的則要求高的耐磨性，有的甚至無(wú)嚴(yán)格的性能要求，僅僅要求有美麗的外觀。因此，在選材時(shí)，首要的任務(wù)就是準(zhǔn)確地判斷零件所要求的主要使用性能。

1.1.2工藝性能要求

材料的工藝性反映的是材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力，即要求所選材料在加工制造時(shí)首先能夠造出成品來(lái)，并且能夠便于制造、同時(shí)必須保證質(zhì)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(shí)的切削速度V60來(lái)表示，V60越高，則金屬的切削性能越好。

1.1.3經(jīng)濟(jì)性能要求

零件材料的選擇要以最小的耗費(fèi)取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，在滿足使用性能的前提下，選用材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本。（1）材料價(jià)格 材料價(jià)格在產(chǎn)品總成本中占較大比重，達(dá)30%～70%。（2）提高材料的利用率 如用精鑄、模鍛、冷拉毛坯，可以減少切削加工面材料的浪費(fèi)。（3）零件的加工和維修費(fèi)用等要盡量低。（4）采用組合結(jié)構(gòu) 如蝸輪齒圈采用減磨性好的貴重金屬，而其他部分采用廉價(jià)的材料。（5）材料的合理代用 對(duì)生產(chǎn)批量大的零件，要考慮我國(guó)資源狀況，材料來(lái)源要豐富，盡量避免采用我國(guó)稀缺而需進(jìn)口的材料；盡量用高強(qiáng)度鑄鐵代替鋼，用熱處理方法等強(qiáng)化的碳鋼代替合金。

1.2選擇方法

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

制造方法的選擇是材料選擇過(guò)程中一個(gè)不可分割的因素，即應(yīng)將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及其可用的加工方法作為一個(gè)有機(jī)的整體看待。選材時(shí)不僅要考慮零件的某單項(xiàng)加工工序的成本，

更重要的是應(yīng)綜合考慮其整個(gè)加工路線所涉及的全部加工工序之總成本。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

機(jī)械零件是機(jī)器的基本組成要素，對(duì)于機(jī)械零件設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)化的作用是很重要的。所謂零件的標(biāo)準(zhǔn)化，就是通過(guò)對(duì)零件的尺寸、結(jié)構(gòu)要素、材料性能、檢驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)方法、制圖要求等，制定出各式各樣的大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)的優(yōu)越性表現(xiàn)在：能以最先進(jìn)的方法在專門化工廠對(duì)那些用途最廣的零件進(jìn)行大量的、集中的制造，以提高質(zhì)量、降低成本。統(tǒng)一材料和零件的性能指標(biāo)，使其能夠進(jìn)行比較并提高零件性能的可靠性。采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)及零、部件，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

搞好設(shè)計(jì)階段的標(biāo)準(zhǔn)化工作是降低產(chǎn)品成本的重要途徑。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)的需求變化，不斷更新產(chǎn)品品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低物資消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。要達(dá)到這些目的，都離不開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化，必須用標(biāo)準(zhǔn)化手段，從嚴(yán)把好產(chǎn)品設(shè)計(jì)這一關(guān)，才能使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得生存和發(fā)展，加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

3.影響機(jī)加工件表面層物理力學(xué)性能的因素

機(jī)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(xué)性能將產(chǎn)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(xiàn)為表面層的金相組織和硬度的變化及表面層出現(xiàn)的殘余應(yīng)力。

3.1表面層金相組織的變化

機(jī)械加工過(guò)程中，在加工區(qū)由于加工時(shí)所消耗的熱量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱能使加工表面出現(xiàn)溫度的升高。當(dāng)溫度升高到超過(guò)金相組織變化的臨界點(diǎn)時(shí)，表面層金相組織就會(huì)發(fā)生變化。一般的切削加工，切削熱大部分被切屑帶走，因此影響也較小。但對(duì)磨削加工來(lái)說(shuō)，由于單位面積上產(chǎn)生的切削熱比一般切削方法大幾十倍，切削區(qū)的高溫將引起表面層金屬的相變。影響磨削燒傷的因素有：

3.1.1砂輪材料

對(duì)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。

3.1.2磨削用量

當(dāng)磨削深度增大時(shí)，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(dāng)工件縱向進(jìn)給量增大時(shí)，磨削區(qū)溫度增高，但熱源作用時(shí)間減小，因而可減輕燒傷。但提高工件速度會(huì)導(dǎo)致其表面粗糙度值增大。提高砂輪速度可彌補(bǔ)此不足。實(shí)踐證明，同時(shí)提高工件速度和砂輪速度可減輕工件表面燒傷。

3.1.3冷卻方式

采用切削液帶走磨削區(qū)熱量可避免燒傷。但由于旋轉(zhuǎn)的砂輪表面上產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流層，切削液不易附著，以致沒(méi)有多少切削液能進(jìn)入磨削區(qū)。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(duì)砂輪表面進(jìn)行沖洗，使切屑不致堵塞砂輪。

3.2加工表面的冷作硬化

加工過(guò)程中表面層金屬產(chǎn)生塑性變形，使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲，并產(chǎn)生晶粒的拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，引起材料的強(qiáng)化，其強(qiáng)度和硬度均有所提高，這種變化的結(jié)果稱為冷作硬化。加工表面層冷作硬化指標(biāo)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：

3.2.1切削用量

切削速度增大，刀具與工件接觸擠壓時(shí)間短，塑性變形小。速度大時(shí)溫度也會(huì)增高，有助于冷硬的恢復(fù)，冷硬較弱。進(jìn)給量增大時(shí)切削力增加，塑性變形也增加，硬化加強(qiáng)。但當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，由于刀具刃口圓角在加工表面單位長(zhǎng)度上的擠壓次數(shù)增多，硬化程度也會(huì)增大。

3.2.2刀具

刀具刃口圓弧半徑增加，對(duì)表層擠壓作用大，使冷硬增加；刀具副后刀面磨損增加，對(duì)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。

3.2.3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(xiàn)象越嚴(yán)重。

3.3表面層的殘余應(yīng)力

切削過(guò)程中金屬材料的表層組織發(fā)生形狀和組織變化時(shí)，在表層金屬與基體材料交界處將會(huì)產(chǎn)生相互平衡的彈性應(yīng)力，該應(yīng)力就是表面殘余應(yīng)力。表面層的殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，主要有以下三種原因：

3.3.1冷態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力

在切削力作用下，已加工表面發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，表面層金屬體積發(fā)生變化，此時(shí)基體金屬受到影響而處于彈性變形狀態(tài)。切削力去除后，基體金屬趨向恢復(fù)，但受到已產(chǎn)生塑性變形的表面層的限制，恢復(fù)不到原狀，因而在表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

3.3.2熱態(tài)塑性變形引起的殘余應(yīng)力

工件被加工表面在切削熱的作用下產(chǎn)生熱膨脹，此時(shí)基體金屬溫度較低，因此表層產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。當(dāng)切削過(guò)程結(jié)束時(shí)，表面溫度下降，由于表層已產(chǎn)生熱塑性變形并受到基體的限制，因而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。

3.3.3金相組織變化引起的殘余應(yīng)力

切削時(shí)產(chǎn)生高溫會(huì)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(dāng)表面層體積膨脹時(shí)，因受到基體的限制，產(chǎn)生了壓應(yīng)力。表面層體積縮小，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱龍英主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.