聶曉渝

四川國鑫機(jī)械制造有限公司 四川攀枝花 617000

為制造出質(zhì)量更加過硬、功能更加全面的機(jī)械設(shè)備，相關(guān)研究人員不斷對其設(shè)計方式進(jìn)行深入分析。在不斷的探索中，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)：機(jī)械材料的應(yīng)用，在一定程度上對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量安全控制具有重要影響。然而，當(dāng)代社會稀有材料不足，不能滿足其發(fā)展需求。對此，相關(guān)研究人員應(yīng)該對現(xiàn)有材料進(jìn)行合理選擇，使其在實(shí)際設(shè)計工作中發(fā)揮更大的效果[1]。

1 金屬材料在機(jī)械設(shè)計中選擇的基本原則

1.1 荷載大小

荷載是一種力的表現(xiàn)形式，是指作用于物品之上，使物體的結(jié)構(gòu)和表面產(chǎn)生變形的一種外力。不同的材料，其都具有一定荷載，這展現(xiàn)出材料本身對外力的承受能力。如金屬材料選擇不當(dāng)，在其荷載小于外力的情況下，就會使金屬材料在使用的過程中產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響到其使用性能。因此，在機(jī)械設(shè)計之初的材料選擇過程中就需要考慮到材料荷載的大小，并加以計算，從而選擇最為適用的材料。對待原材料的荷載要高要求，因?yàn)楹奢d是直接作用于零件上的，若是某些部位的荷載能力不達(dá)標(biāo)會導(dǎo)致零件無法使用。所以針對外部荷載能力而言，零件通過外力發(fā)生變形，零件內(nèi)部也會產(chǎn)生同等的反作用力，這些作用力統(tǒng)稱為實(shí)際應(yīng)力，承載力弱，材料質(zhì)量就越低，反之亦然。為了增強(qiáng)材料的承載力，需要把低碳鋼和中碳鋼滲透到材料中，要選用質(zhì)量好的碳素鋼和合金鋼進(jìn)行加工，碳素鋼的含量要低于2．2% 的碳鋼，其中要含有錳、磷元素。含碳量高時，碳鋼在硬度方面會有所加強(qiáng)，但是延展性和韌性會降低，反之亦然。并且，碳鋼的成本低、性能高、可加工性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。同時，若是碳鋼在硬度方面降低，延展性和韌性會增高，那么韌性高和強(qiáng)度低兩者結(jié)合，就會導(dǎo)致制造和冶煉中出現(xiàn)裂痕。而且，使用碳鋼時，有一些零件對于精度的要求低，那么碳鋼就會混入一些合金，這也就是合金鋼的由來。兩者相比較，合金鋼的強(qiáng)度、硬度高于碳鋼，本身也有很好的韌性和滲透性。但它的冶煉工序復(fù)雜，加工工藝?yán)щy，所以在使用時成本會較高。因此，碳鋼和合金鋼需要進(jìn)行合理的選擇，大范圍的截面制造時可以用合金鋼，但是如果碳素鋼也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，那么盡量用碳素鋼，以降低制造成本。

1.2 避免周圍環(huán)境對材料造成影響

金屬材料在空氣中容易受到影響，并產(chǎn)生相關(guān)的物理或化學(xué)變化。因此在選擇金屬材料時，相關(guān)工作人員需要考慮其實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。比如大部分金屬在濕氣較重、空氣悶熱的情況下，都會產(chǎn)生一定的腐蝕現(xiàn)象。對此，工作人員在實(shí)際選擇中就應(yīng)該避免這一問題，改為使用抗腐蝕的材料。

1.3 零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和加工性能

機(jī)械零件在機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)過程中，是至關(guān)重要的，機(jī)械零件主要是由原材料加工而成的，對機(jī)械零件的整體質(zhì)量都會產(chǎn)生影響，不同的材料包含的參數(shù)都不相同，若選擇的材料不能滿足后期加工的需要，則會影響零件的質(zhì)量。同一種類的金屬材料，生產(chǎn)不同的金屬零件，其加工難度也不相同，也會因此，在機(jī)械設(shè)計中，要考慮金屬零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和加工性能。對于較復(fù)雜的零件，可以使用技術(shù)加工的方法，如焊接等。在金屬材料的加工性能方面，主要針對金屬材料本身的沖壓切削能力、鑄造焊接性能等進(jìn)行考驗(yàn)。

1.4 關(guān)注材料的實(shí)際使用情況

當(dāng)前機(jī)械產(chǎn)品制造工作中，零件的使用與質(zhì)量對其質(zhì)量安全控制具有重要影響。金屬材料、零件以及機(jī)械產(chǎn)品三者之間互相影響。金屬材料是其零件制造的重要組成部分，在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)工作人員應(yīng)該細(xì)致地觀察其自身性質(zhì)。這有助于確保其性能不受其他制造環(huán)節(jié)影響，保證其質(zhì)量[2]。

2 機(jī)械設(shè)計中金屬材料的具體應(yīng)用

2.1 滲碳處理

滲碳處理是一種化學(xué)熱處理工藝手段，其目的是為了提高金屬材料表面的碳濃度，從而提高金屬材料的塑性和韌性。在機(jī)械設(shè)計中，往往很多金屬材料本身的性質(zhì)是不能夠達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的，因此滲碳處理的作用就體現(xiàn)了出來。一般而言，人們都會選用滲碳鋼來完成滲碳的一個過程，如20CrMnTi、17Cr2Ni2Mo、20Cr 等。在具體的設(shè)計過程中，要結(jié)合實(shí)際工藝展開的需求和零件本身的性質(zhì)和尺寸來合理選擇滲碳需要的濃度及深度。比如，對于一些截面尺寸小于50mm 的工件，可選用20Cr 材料進(jìn)行滲碳處理；對于一些截面尺寸在50mm-150mm 之間的工件，可選用20CrMnTi 材料進(jìn)行滲碳處理。而滲碳處理并不是一個碳濃度越高則越好的過程。因?yàn)闈B碳處理本身就會提高生產(chǎn)成本，如零件的塑形和韌性已經(jīng)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，那么則無需進(jìn)行滲碳處理。

2.2 氮化處理

氮化處理也是一種化學(xué)熱處理方式，是通過在工件表面加入氮原子來提高工件耐磨性、耐腐蝕性和耐疲勞性的一個過程。氮化處理常采用的氮化鋼有45、38CrMoAl、40Cr 等，這是一個在氮化爐中處理的過程，對工件的形態(tài)影響較小，即在工件進(jìn)行氮化處理之后就可投入使用，無需再次測算工件因氮化處理而改變的尺寸。在機(jī)械設(shè)計過程中，氮化處理往往要結(jié)合工件進(jìn)行一次性處理，要精密計算出需要進(jìn)行氮化處理的面積部分。比如，一些無需氮化處理的部分，在處理前就需要做好保護(hù)工作，避免處理過后再次加工，反而增加了氮化處理的成本費(fèi)用和復(fù)雜性。

2.3 表面淬火

淬火是最常用、最簡單也是成本費(fèi)用最低的一種熱處理方式，具有工藝簡單靈活、能夠進(jìn)行局部處理的優(yōu)勢，有利于提高工件的耐磨性。經(jīng)過表面淬火的工件，其疲勞強(qiáng)度將會更大。但如果表淬區(qū)域的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)處于殘余拉應(yīng)力的狀態(tài)下，也會降低工件表面的疲勞強(qiáng)度。因此，淬火也要遵循一定的技術(shù)要求。在實(shí)際設(shè)計中，要考慮到殘余拉應(yīng)力對工件的影響，避免殘余拉應(yīng)力停留在齒根處和軸的過渡圓角處，以及工件的一些相互連接的關(guān)鍵部位，如此降低殘余拉應(yīng)力的集中對工件的損壞。對于一些容易損壞的細(xì)軸和薄板類零件，其本身就容易受到處理方式的影響而產(chǎn)生變形，因此在設(shè)計時也需要考慮到表淬應(yīng)力的平衡問題?？梢栽诖慊鹎?，將薄板類工件設(shè)計成雙面，能夠有效解決因淬火而給工件帶來的變形問題。

3 金屬材料在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用措施

3.1 調(diào)質(zhì)技術(shù)和有關(guān)設(shè)計應(yīng)用分析

傳統(tǒng)金屬材料的加工處理方式不能改變零件的重量和截面，使機(jī)械設(shè)備的體積與重量較大?，F(xiàn)階段，可以使用熱處理的方法改變零件的重量和截面，例如，調(diào)質(zhì)技術(shù)能夠增強(qiáng)金屬材料的拉伸強(qiáng)度、屈服度以及可塑性，可以提高零件的整體性能，減少零件的重量和改變零件的截面。只有金屬材料需要進(jìn)行熱處理時，可以使用調(diào)質(zhì)技術(shù)。金屬零件切削加工功能的好壞，會對產(chǎn)品加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等方面產(chǎn)生影響，對金屬材料進(jìn)行綜合分析，使用調(diào)質(zhì)技術(shù)改善金屬材料的質(zhì)量，使其硬度保持在170-230HBS，可以對切削加工功能進(jìn)行改善。例如，在金屬零件材料的加工過程中進(jìn)行鍛件設(shè)計時，要選擇共晶成分等可塑性較強(qiáng)的合金材料。若在進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要選擇低碳鋼或合金鋼材料。

3.2 選擇污染小能耗低的材料

環(huán)保節(jié)能是未來主流的發(fā)展理念，在機(jī)械制造過程中也需要遵循可持續(xù)發(fā)展觀的理念，盡可能的選擇一些污染小、能耗低的金屬材料，才能降低其對環(huán)境的污染。比如，可以選擇一些材料，它們僅需要熱軋和冷軋的加工狀態(tài)下就達(dá)到性能提高和使用壽命增強(qiáng)的效果，這有利于降低加工復(fù)雜性和耗能的減少。還可以選擇一些材料，它們需要進(jìn)行的熱處理工藝較少。熱處理雖然能夠提高工件的性能，但針對不同的金屬材料，也會產(chǎn)生一定的性能影響，有利有弊。因此，較少的熱處理工藝，也能降低能源的損耗，同時提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 選擇危害小的新型材料

過去，由于受到加工技術(shù)的影響，在金屬材料加工過程中，往往會產(chǎn)生一些有毒的物質(zhì)，這些物質(zhì)不僅會影響到現(xiàn)場加工人員的身體健康，更會在產(chǎn)品出廠后給產(chǎn)品的使用者帶來一定的危害。在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，一些新型的金屬材料被廣的應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)。它們危害小，甚至無危害，提高了材料加工和使用的安全程度。因此，在機(jī)械設(shè)計過程中，要盡可能的選用一些新型材料，如利用金屬泡沫材料替換傳統(tǒng)材料。這種材料不僅不會燃燒，更能進(jìn)行回收使用，是真正意義上的無危害、可持續(xù)利用的有效金屬材料。與此同時，要盡可能選擇綠色可持續(xù)發(fā)展的材料。機(jī)械設(shè)計師要在選擇質(zhì)量高的原材料同時，保證環(huán)保的特性。操作者要對實(shí)際情況進(jìn)行把握，在考慮高質(zhì)量的基礎(chǔ)上選擇無污染的核心材料，用可回收的材料進(jìn)行施工。車間加工應(yīng)以車床為中心，逐步進(jìn)行加工，最后達(dá)到評核線，所以，原材料的使用必須要求能通過物理化學(xué)模式的變形從而達(dá)到評核線。而且鑄造工藝對材料的流動性、偏折性都有較高要求，熱處理工藝對原材料有氧化。

3.4 表面硬化技術(shù)和選材機(jī)械設(shè)計材料

在后期都需要進(jìn)行表面硬化等加工處理，增強(qiáng)零件的耐磨性與抗腐蝕性。一般，在實(shí)際工作中經(jīng)常使用滲碳技術(shù)、氮化技術(shù)等兩種表面硬化處理技術(shù)，這兩種技術(shù)的處理方式與特征都存在較大的差異性，但都依靠滲碳爐完成。將金屬材料放進(jìn)滲碳爐，可以增加金屬材料中的碳含量，再進(jìn)行淬火處理，增加金屬材料的硬度，最后使用低溫回火技術(shù)清除應(yīng)力，增強(qiáng)穩(wěn)定性。在設(shè)計時要嚴(yán)格根據(jù)材料設(shè)計在零件尺寸、芯部強(qiáng)度等方面的具體要求，使資源能夠得到有效利用。通常來說，有效的截面面積不超過50mm，可以選擇20Cr；若截面面積在50-150m2，重量不超過50kg，可以選擇20Crmnti。要按照具體需求確定滲碳層度的深度，能夠降低成本，若滲碳層越深，則滲碳的時間越長。氮化處理技術(shù)適用于任何鋼制材料，是目前較常見的一種技術(shù)，可以提升設(shè)計的質(zhì)量，增強(qiáng)機(jī)械材料的穩(wěn)定性。在進(jìn)行氮化處理時，經(jīng)常使用45 型號氮化處理技術(shù)，可以降低變形率，但是材料的硬度不會增加。除此之外，使用氮化技術(shù)能夠提高加工處理的質(zhì)量，減少處理的時間，減少資源浪費(fèi)，并且為防止材料受到損害，可以將其部分位置進(jìn)行保護(hù)，加工完成后可以去除保護(hù)層，能夠增加材料的硬化層，提高耐磨性[3]。

3.5 經(jīng)濟(jì)實(shí)用性

金屬材料的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性是指材料的性價比較高，并且能夠?qū)⑵渥陨淼墓δ艹浞职l(fā)揮。例如，在機(jī)械設(shè)計中，碳素鋼是一種極常見的生產(chǎn)原料，并且碳素鋼的價格極低，但是，碳素鋼的韌性較差，強(qiáng)度較低，在制造中等形狀的過程中使用碳素鋼，不能將其完全萃透，導(dǎo)致碳素鋼受到影響。因此，在碳素鋼中增加一定的合金元素，可以增強(qiáng)其硬度和韌性，提高了材料的抗高溫性、耐腐蝕性、耐磨損性，并且不同材料的加工技術(shù)都各不相同，例如，流動性好、收縮吸氣強(qiáng)的材料可以使用鑄造生產(chǎn)技術(shù)，沖壓性好的材料可以使用焊接生產(chǎn)技術(shù)。選擇材料時，要優(yōu)先選擇成本低、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)材料。為保證機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量，在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計過程中，設(shè)計人員要提高對材料選擇和其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的認(rèn)識，才能使機(jī)械設(shè)備順利生產(chǎn)。設(shè)計人員在選擇金屬材料時，要充分考慮使用者的具體需要，使其能夠滿足用戶的不同需求。在機(jī)械生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，保證材料可以高效使用，減少成本。

4 結(jié)語

綜上所述，機(jī)械行業(yè)是推動我國工業(yè)革命發(fā)展的關(guān)鍵因素，從機(jī)械設(shè)計行業(yè)著手促進(jìn)我國工業(yè)化技術(shù)的提升是一條可行之路。機(jī)械設(shè)計中的原材料必須秉持綠色發(fā)展、低成本高運(yùn)行的宗旨，這對于整個機(jī)械發(fā)展都是有著良好的影響。當(dāng)前，我國機(jī)械行業(yè)已經(jīng)取得了令人驕傲的成就，但也有一些問題亟待解決。機(jī)械設(shè)計作為產(chǎn)品加工的第一步，要從材料的選擇著手，遵循材料選擇的原則，并選擇一些污染小、可再生和新型的金屬材料，以助推我國機(jī)械行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。