机械设计中材料的选择与应用研究

王云德

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

1 机械设计与材料选择的关系

在机械设计中，要使用大量的生产材料，如何合理选用材料使机械设计能够实现是关键，如果机械设计的方案没有合适的材料完成，那么机械设计就无法生产，只能成为无效的设计；如果机械设计中应用合适的材料，它能进一步优化机械设计，使机械设计的思路进一步拓展。机械设计与材料之间的关系从以下3个方面体现:

（1）成本的体现。机械设计的目的是为了将设计的机械生产出来，如果选用的材料成本过于昂贵，那么机械生产在市场竞争中将没有价格优势，为了让机械成本能真正满足人们的需要，人们在做机械设计时，首先就要考虑到材料的成本问题。

（2）性能的体现。不同的材料有不同的性能，以常用的机械设计材料来说，金属材料性能好、强度高，然而许多金属材料在潮湿的环境下易改变性能，因此使用金属材料要考虑环境的问题；高分子材料弹性好、耐腐蚀性好，可是它不耐高温，在高温环境中它的性能会发生变化等。完成机械设计要考虑到材料的性能问题，它在考虑材料成本的前提下保证材料的性能能达到机械设计的需求。

（3）质量的体现。要完成一个机械产品的设计，可能同时需要多种材料共同完成。如果机械设计的材料运用合理，那么机械产品的每个环节都能在保证机械产品性能的前提下应用其优点，回避其缺点，使机械产品的质量能达到1+1>2的效果；反之如果对材料应用不当，机械产品的整体质量会降低，机械设计则达不到设计的目的。因此如何做好材料的搭配也是机械设计的关键。

2 在机械设计中选材要考虑的因素

在机械设计中，可能有多种材料的性能都能满足机械生产的要求，然而在许多材料中选用哪种材料完成最终的生产才能使机械生产达到最优的目的，这是机械设计中必须要考虑的环节。通过实践可以了解机械设计中对材料的选择大体要考虑以下4个因素，只有对以下4个因素进行综合考虑，最后才能了解机械设计时应当选用哪种材料:

（1）性能的因素。机械设计需要机械材料来完成，如果机械材料的性能不能保证设计的需要，那么机械设计就无法实现，因此，机械设计选择材料时，确保材料的性能是第一原则。不同的材料有不同的性能、它们的负荷能力、强度等都不相同，机械设计师对产品进行设计时，要非常熟悉材料的性能，只有针对材料的性能进行合理的设计，机械设计才具有可实现性。

（2）环境的因素。该机械产品会在怎样的环境中工作，是机械设计中必须要考虑的，因为环境因素对材料的影响非常大。比如说金属材料会有热胀冷缩的特性，它在高温环境与低温的环境状态不一样，如果对机械产品进行设计时，不注意工作环境，也许材料在恶劣的环境中工作，它将在短时期内失去原有的性能，机械产品也会出现质量问题。因此机械产品主要将用于何种环境，也是机械设计时必须熟悉的，根据不同的工作环境设计不同的机械产品，产品才能满足人们的需求。

（3）工艺的因素。从机械设计到产品完成的过程中，机械产品的材料要走过多种工艺流程。比如它们可能要经过切割、拼接、焊接等。如果机械材料不适合进行批量加工，或者加工中容易出现问题，则该材料就不能被轻易采用，反之，如果该材料既容易获取又容易进行工业加工，其性能又能够保证产品的性能，则在对产品进行机械设计时可以优先使用该种材料。因此在对机械产品进行设计时，不能不考虑工艺生产的因素，它也是选择使用某种材料时不得不参考的因素。

（4）价格的因素。机械产品要在市场上有足够的竞争力，就需要做合理的价格定位，只有产品的性价比高，机械产品才能满足人们的需要。因此价格的因素是机械设计时必须参考的。决定机械产品的价格取决于很多环节，比如材料是否容易获取、材料是在当地获取还是需要远输、对材料进行加工的成本、加工时造成的损失成本、材料保存的成本等。因此对机械产品进行设计时，要综合考虑到对价格产生影响的环节，最后在满足性能的前提下尽量选择价格低廉的材料控制成本，机械产品在市场中才能保持竞争力。

3 传统机械设计中材料的应用特质

（1）应用金属材料。金属材料是机械设计中最常用的材料，它是在含有金属的原石中提炼出金属，让金属成为机械产品设计中的材料。金属材料有金、银、铜、铁、锡、铝等，不同的金属材料价格不同，性能也有很大的差异。从总体来说，金属材料具有以下优点:容易获取、耐磨损、耐热性强、导热性强，部分金属的硬度和柔韧性都很强。它是机械产品设计中最常应用的材料。

（2）应用高分子材料。在机械设计中最常使用到的高分子材料为橡胶材料、塑料材料、纤维材料等。高分子材料重量轻、价格低廉、容易获取，在一些特殊的场合使用高分子材料能提高机械产品的性价比。然而高分子材料也有它的弱点。比如橡胶材料不耐腐蚀，如果有化学物品对它进行侵蚀，它会失去原有的性能；塑料材料不耐高温，如果遇到高温环境它也会失去性能。

（3）应用陶瓷材料。陶瓷材料也常常被应用于机械设计中。陶瓷材料硬度高，它的硬度可以与金属材料相媲美；它能耐腐蚀，化学材料的侵蚀无法对它产生很大的影响；重量轻，如果同等体积的陶瓷材料与金属材料相比较，它的重量远远轻于金属材料。然而陶瓷材料的特质是硬脆，它抗冲击的能力比较差，如果遭受强大的冲击会损坏，同时它的价格也比较昂贵。

（4）应用复合材料。所谓的复合材料是指将两种不同性能的材料结合在一起，让它们互相取长补短，使其性能比单一的材料更加优越。复合材料的范围有很多，比如碳纤维、玻璃钢、铝不锈钢等等，不同的复合材料性能不同，价格也不同。由于复合材料能够综合单一材料的性能优点，所以复合材料在机械产品设计中经常会被使用。未来随着人们对材料性能的追求，将会开发出大量的复合材料。复合材料也将会越来越多地使用在机械产品设计中。

4 机械设计中材料的应用分析

现以一辆汽车生产为实例，分析它对材料的应用:

图1 汽车的构成方式

如图1所示，在一辆汽车生产中，不同的部位需要不同的材料，只有选用合适的材料才能满足汽车的生产。

（1）复合材料的使用。塑料材料的使用主要应用在外饰件、部分内饰件与发动机周围的零部件。该零部件要求外型美观，能有极佳的颜色附着性；能统一生产、减少数值的偏差；要求弹性高、耐冲击；要求能适合各种气候和温度，不能因为温度改变而使外观与性能产生改变；可更换性强，可以根据用户的需要方便地拆卸以下零部件，更换新的零部件。从以上分析可以看到，使用塑料材料能满足经济的需求、环境温度的需求、质轻价廉的需求。在各种材料比较中，它使用塑料材料。

（2）高分子材料的使用。高分子材料的使用主要应用在各种饰件中，比如各种仪表板、副仪表板、立柱、门板、座椅辅助部件等。由于该汽车为中低档车，要求材料价格经济，同时要求这类内饰件外观良好、手感好、耐压度高、能适应一定的温度环境，所以使用高分子材料作为汽车的辅助材料。

（3）金属材料的使用。与汽车发动机相关的材料几乎全部使用金属材料，这是由于发动机启动时温度高、油污多、外部环境变化极大、要求材料的复元性好、满足经济的需求，通过综合比较，目前汽车发动机部位全部使用金属材料构成。

通过以上分析能看到，材料的使用决定机械设计是否合理，不同的材料有不同的优缺点，要对机械产品进行设计时，要综合考虑各方面的因素对材料进行选择。以汽车的零部件生产为例，可以看到机械设计对材料选用的思路是对材料的各种综合因素进行比较，选择最能满足人们需求的那种材料。

[1]田源.机械设计中配制配合的应用研究[J].农家科技，2010，（4）.

[2]王杰.程明远.李士晓.浅谈机械设计加工中应注意的几个问题[J].科技信息，2011，（11）.