蘇文婷 吳凡 王震 王大號(hào) 曲格

[摘? ? 要]行業(yè)的崛起發(fā)展有力的加快了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展步伐。材料是機(jī)械設(shè)計(jì)中最基本、最重要的部分。因此，材料的質(zhì)量將直接影響到設(shè)計(jì)的整體效果。目前，企業(yè)越來(lái)越重視材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和選擇。因此，為了有效地選擇合適的材料，主要總結(jié)了與材料有關(guān)的原則、常用材料、材料的重要性以及材料選擇中的注意事項(xiàng)。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械設(shè)計(jì);材料選擇;應(yīng)用

[中圖分類(lèi)號(hào)]TH122 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）04–00–03

Analysis of Material Selection in Mechanical Design and Processing

Su Wen-ting，Wu Fan，Wang Zhen，Wang Da-hao，Qu Ge

[Abstract]The rise and development of the industry has effectively accelerated the pace of development of the machinery industry. Material is the most basic and important part of mechanical design. Therefore， the quality of the material will directly affect the overall design effect. At present， companies are paying more and more attention to the application and selection of materials in mechanical design. Therefore， in order to effectively select suitable materials， this article mainly summarizes the principles related to materials， commonly used materials， the importance of materials， and the precautions in material selection.

[Keywords]mechanical design;material selection;application

我國(guó)工業(yè)化得到了快速有效的發(fā)展，這也給機(jī)械行業(yè)帶來(lái)了更多的發(fā)展機(jī)遇。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，材料是基礎(chǔ)。因此，如何應(yīng)用和選擇材料是業(yè)界需要關(guān)注和思考的問(wèn)題。受我國(guó)節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展理念的影響，材料不僅要有很強(qiáng)的實(shí)用性能，還要有一定的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，合適的材料可以有效地保證機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，優(yōu)良的品質(zhì)和綜合的功能是機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)，相關(guān)設(shè)計(jì)師不斷更新和探索機(jī)械材料的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械材料是決定機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和功能的關(guān)鍵，材料的適用性直接關(guān)系到設(shè)備的安全運(yùn)行。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，原材料供應(yīng)一直處于“緊急狀態(tài)”。因此，綠色環(huán)保節(jié)能也是選材的關(guān)鍵。在原材料供應(yīng)有限的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全有效運(yùn)行，對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，因此，相關(guān)人員在選材時(shí)要遵循一定的原則，使選材發(fā)揮最大的效果，發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的最大價(jià)值。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)加工材料選擇的重要性

在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力逐步增強(qiáng)的今天，機(jī)械發(fā)展是國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃，就機(jī)械而言，增強(qiáng)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是增強(qiáng)綜合國(guó)力的重要途徑。經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展離不開(kāi)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)是這一過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。加大對(duì)材料的審查、篩選和合理應(yīng)用，將使機(jī)械工業(yè)得到快速發(fā)展。機(jī)械設(shè)計(jì)方案通過(guò)材料的應(yīng)用使圖紙成為產(chǎn)品，材料的選擇非常重要。設(shè)計(jì)人員在選材時(shí)：①要明確機(jī)械設(shè)備的使用要求和質(zhì)量要求，充分考慮材料規(guī)格和材料性能。②必須仔細(xì)分析材料的用量，避免材料使用過(guò)程中不必要的損失。切實(shí)改善現(xiàn)狀，綜合利用物資。材料應(yīng)用后，需要對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，以確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的可行性。在一些測(cè)試任務(wù)中，測(cè)試內(nèi)容主要包括材料匹配、機(jī)械磨損和機(jī)械安全性。

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的背景下，大量的設(shè)備和工具被應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)和加工行業(yè)。在某些方面，工業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益得到了提高和發(fā)展。同時(shí)，材料的應(yīng)用和有效選擇也得到了重視。不僅要從尺寸、性能等因素對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的考慮，還要在加工材料時(shí)做好配合加工，才能使其設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率達(dá)到更高的水平。我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，在所有產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)生產(chǎn)的比重是任何一個(gè)產(chǎn)業(yè)都無(wú)法替代的。但伴隨著環(huán)境污染和嚴(yán)重的能源消耗問(wèn)題，如何在機(jī)械設(shè)計(jì)服務(wù)中使用節(jié)能高效的加工材料，是現(xiàn)在需要重點(diǎn)思考的問(wèn)題。科學(xué)合理地選擇和應(yīng)用材料，不僅可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，而且直接影響市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有效地降低生產(chǎn)成本，從而獲得更高、最大的經(jīng)濟(jì)效益。一般來(lái)說(shuō)，材料的有效選擇可以使我國(guó)工業(yè)保持穩(wěn)定和長(zhǎng)期的發(fā)展。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的材料

2.1 金屬材料

在設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用金屬材料，特別是鋼和鐵。它不僅具有很強(qiáng)的強(qiáng)度和韌性，而且來(lái)源廣泛，成本低廉，因此常被用于機(jī)械零件的設(shè)計(jì)。

2.2 高分子材料

隨著科技的發(fā)展，高分子材料應(yīng)運(yùn)而生。目前，機(jī)械設(shè)計(jì)中使用了大量的高分子材料，如塑料、合成纖維等。這些材料不僅具有很強(qiáng)的延展性，而且不會(huì)造成能源的過(guò)度消耗。因此，人們對(duì)這種材料有著獨(dú)特的偏好。然而，由于長(zhǎng)期使用和近年來(lái)白色污染的不利影響，有必要對(duì)這種材料進(jìn)行環(huán)保研究。

2.3 復(fù)合材料

在物理和化學(xué)方法的幫助下，不同的材料有效地融合形成復(fù)合材料。比如合金、樹(shù)脂就是這種材料的具體體現(xiàn)。這種材料完全滿足了機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，在金屬和非金屬?gòu)?fù)合材料的應(yīng)用下，可以為機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)造更多的價(jià)值。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇與應(yīng)用的基本原則

不同的機(jī)器有不同的設(shè)計(jì)要求和所需的零件。因此，只有選擇合適的材料，才能完成相關(guān)設(shè)計(jì)，保證質(zhì)量和數(shù)量。因此，需要參考以下基本原則。

3.1 材料的荷載水平

如果負(fù)載水平過(guò)高或過(guò)低，將對(duì)機(jī)械零件產(chǎn)生非常不利的影響。如果后期機(jī)械設(shè)計(jì)失敗，則是由于低負(fù)荷水平造成的。因此，為了有效防止各種可能的情況，需要評(píng)估材料的承載能力。如果不符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步加工材料。

3.2 低消耗環(huán)保材料的選擇

在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中，綠色節(jié)能已成為整個(gè)社會(huì)發(fā)展的主要趨勢(shì)。因此，機(jī)械行業(yè)需要低消耗、環(huán)保的材料設(shè)計(jì)和加工工藝，所以必須選擇能滿足低能耗、低污染要求的原材料，同時(shí)，有效消除和避免工藝過(guò)程中可能產(chǎn)生污染的環(huán)節(jié)。

3.3 綠色無(wú)害材料的選擇

機(jī)械設(shè)計(jì)材料中會(huì)存在有毒物質(zhì)，這必然影響人們的健康，對(duì)人體造成不同程度的危害。在加工過(guò)程中，很難保證在有效保護(hù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的有害廢物不會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成不同程度的危害。因此，在相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，必須選擇綠色無(wú)害材料，以減少材料對(duì)人體和環(huán)境的二次污染。

3.4 注意零件的可用性

選擇設(shè)計(jì)材料的最終目的是創(chuàng)造具有一定性能的零件。因此，材料選擇的第一步是了解設(shè)計(jì)零件的最終使用。只有了解零件的設(shè)計(jì)要求，才能使用最合適的材料。例如，延性、高硬度、耐磨性等是零件設(shè)計(jì)的基本要求。因此，根據(jù)零件的最終不同性能，需要對(duì)材料進(jìn)行具體分析和有效選擇。

3.5 可回收材料的選擇

金屬材料在材料選擇中經(jīng)常使用，因?yàn)榻饘俨牧系牧慵Ч麅?yōu)于其他材料。但是，一旦這種材料制成的零件不能有效使用，零件將直接報(bào)廢，同時(shí)不能有效回收。因此，使用這種材料，不僅提高成本，而且造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，在材料選擇時(shí)，可回收性是一個(gè)必須考慮的因素。資源浪費(fèi)與我國(guó)倡導(dǎo)的循環(huán)利用發(fā)展理念不符。同時(shí)，也需要把經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則應(yīng)用到材料的選擇上。

4 機(jī)械設(shè)計(jì)材料應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 實(shí)用機(jī)械材料的應(yīng)用

工業(yè)是經(jīng)濟(jì)的支柱。在工業(yè)中，金屬機(jī)械材料的應(yīng)用非常廣泛，其中鋼是應(yīng)用最廣泛的材料之一。鋼材是我國(guó)傳統(tǒng)的實(shí)用機(jī)械材料之一，其來(lái)源廣，價(jià)格適中，用途廣泛。鋼鐵材料以其自身的優(yōu)良性能被廣泛應(yīng)用于船舶、汽車(chē)、生產(chǎn)加工等行業(yè)。鋁金屬也是機(jī)械設(shè)計(jì)材料選用中常用的基本材料之一，具有設(shè)計(jì)靈活、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，通常用于加工機(jī)械設(shè)備的小零件。鋁是唯一可以在自然狀態(tài)下保存而無(wú)需表面保護(hù)的金屬。當(dāng)鋁表面暴露在大氣中時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成保護(hù)性氧化層。這一層的存在意味著金屬的結(jié)構(gòu)完整性不受大氣的影響，能夠適應(yīng)多種環(huán)境。

4.2 環(huán)保節(jié)能材料應(yīng)用領(lǐng)域

中國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)是可持續(xù)發(fā)展，這是各行各業(yè)必須遵循的。在選材和應(yīng)用上，要滿足低能耗、無(wú)污染的特點(diǎn)。一些非金屬材料用于機(jī)械設(shè)計(jì)。以碳纖維為例進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)，一般的機(jī)械設(shè)計(jì)原理認(rèn)為，減重可以減小慣性，提高作業(yè)速度，增加剛度可以減少變形，增加阻尼可以縮短穩(wěn)定時(shí)間。改善這些特性可以提高機(jī)械手的控制精度。碳纖維機(jī)械旨在滿足碳纖維材料的幾何尺寸和性能要求，并能滿足機(jī)械設(shè)備的要求。

4.3 高性能復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域

為了滿足航空航天對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料綜合性能的要求，復(fù)合樹(shù)脂基體不斷發(fā)展，形成了一系列具有不同韌性和使用溫度的高性能樹(shù)脂基體。環(huán)氧樹(shù)脂是復(fù)合材料中最常見(jiàn)的樹(shù)脂基體，具有組成好、耐腐蝕、力學(xué)性能高、韌性好等特點(diǎn)。對(duì)于不需要高耐熱性的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，基本上使用環(huán)氧基復(fù)合材料。對(duì)于需要耐熱性的飛機(jī)和導(dǎo)彈，其主要承重結(jié)構(gòu)主要由樹(shù)脂基復(fù)合材料組成。

4.4 綠色復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域

綠色復(fù)合材料是指由天然纖維和其他可生物降解的纖維合成樹(shù)脂制成的新型復(fù)合材料。天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有環(huán)保、重量輕、價(jià)格低、可回收利用的特點(diǎn)，并通過(guò)使用天然纖維增強(qiáng)可降解樹(shù)脂的新型復(fù)合材料代替現(xiàn)有的樹(shù)脂復(fù)合材料來(lái)減少污染。隨著能源危機(jī)和資源緊缺的迫近，天然纖維及其復(fù)合材料正成為高級(jí)復(fù)合材料的重要研究方向。

5 材料選擇與應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

5.1 經(jīng)濟(jì)和實(shí)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的原則必須貫穿始終，因此可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)：

首先，對(duì)于材料的加工必須有效地遵守和結(jié)合加工標(biāo)準(zhǔn)，不同的材料所使用的工藝也應(yīng)該是不同的。比如常用的加工工藝就是切割、焊接工藝等。不同的工藝對(duì)應(yīng)不同的材料，所以在加工時(shí)要特別注意;同樣的材料有同樣的效果，但價(jià)格不同時(shí)，要根據(jù)經(jīng)濟(jì)原則選擇同樣效果的低成本材料。同時(shí)，需要對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督，避免過(guò)程的不利影響。

5.2 節(jié)能和環(huán)保

節(jié)能環(huán)保在機(jī)械設(shè)計(jì)和材料中的應(yīng)用，可以使生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)得到更好的發(fā)展。材料的選用必須貫徹環(huán)保的原則，在設(shè)計(jì)中使用環(huán)保材料。綠色低能耗設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)成本的降低和環(huán)保材料的使用。受全球化和工業(yè)化進(jìn)程的影響，它不僅有效地?cái)U(kuò)大了機(jī)械規(guī)模，而且促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用。機(jī)械的設(shè)計(jì)離不開(kāi)材料，最終的設(shè)計(jì)結(jié)果也取決于材料。但在當(dāng)前的發(fā)展中，面臨著資源短缺的問(wèn)題。隨著人們將新的思想、新的觀點(diǎn)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，資源的開(kāi)發(fā)和利用也將變得更加科學(xué)。相信在不久的將來(lái)，材料的選擇和機(jī)械的設(shè)計(jì)會(huì)更加環(huán)保和低耗。材料的選擇和應(yīng)用必須嚴(yán)格遵守選擇，注重使用事項(xiàng)，使機(jī)械設(shè)計(jì)走上一條新的發(fā)展道路。

5.3 選材的可持續(xù)性發(fā)展

不僅要將發(fā)展的可持續(xù)性貫徹在材料的選擇中，更應(yīng)當(dāng)將其運(yùn)用在機(jī)械設(shè)計(jì)方面。結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求，對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)及應(yīng)用必須有效融合材料的特性，以挖掘材料的巨大潛力。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和發(fā)展。隨著我國(guó)工業(yè)化、機(jī)械化的發(fā)展，也面臨著物質(zhì)浪費(fèi)、環(huán)境污染等挑戰(zhàn)。為了促進(jìn)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，應(yīng)該在發(fā)展各行各業(yè)的同時(shí)，運(yùn)用合理的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)解決材料浪費(fèi)問(wèn)題，設(shè)計(jì)中時(shí)刻牢記避免環(huán)境污染。有效減排已成為我國(guó)可利用資源的發(fā)展現(xiàn)狀。資源的短缺和減少嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展。生產(chǎn)離不開(kāi)資源。如果沒(méi)有資源，就不能再獨(dú)立生產(chǎn)。機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)離不開(kāi)材料，所以在今天的發(fā)展中，需要考慮如何有效節(jié)約使用材料。因此，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)來(lái)說(shuō)，有必要綜合考慮材料，選用的材料必須具有能耗低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，才能充分體現(xiàn)材料本身的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 周明宇.機(jī)械設(shè)計(jì)加工中的材料選擇問(wèn)題分析[J].現(xiàn)在鹽化工，2018（2）：83-84.

[2] 王永強(qiáng)，陶亞楠，劉青.機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用探析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（20）：74.