机械设计技术手段及金属材料的选择研究

周功新

摘  要：金属材料是机械设计制造行业中的基础原材料，其强度、韧性等性能直接决定其加工性能以及所制造的产品的最终性能等。基于目前的机械行业发展要求，为了满足更高的机械产品性能要求，应科学选择金属材料并通过相应的技术手段加以设计，在经过机械加工之后保证其性能达标。此外，还要在选择金属材料时尽量选择能耗低、环保、性价比高、可以回收利用以及安全的材料类型，满足实际加工流程要求，推动机械设计制造行业的可持续发展

关键词：机械设计技术手段;金属材料;选择

1引言

机械制造业是我国工业发展中的支柱型行业，而机械设计则是机械制造行业的基础性工作内容，在此工作中，合理选择和应用机械设计技术手段，同时要综合考虑所用金属材料的性能和特点，充分发挥不同金属材料的优势来提升所设计的机械产品的性能和使用效果，这是机械设计的最终要求和目的。

2机械设计中金属材料选择的意义

现阶段我国社会经济快速发展形势下对各类机械制造产品的需求量猛增，加之机械设计相关科学技术在不断发展进步，这给机械制造行业带来更多机遇的同时，也带来更大的挑战。为了满足不断增加的市场需求量，需要充分发挥机械制造行业的优势，对金属材料进行合理应用来保障机械制造产品质量和性能，符合工业发展要求。但是针对科学技术飞速发展以及市场经济不断深入发展形势下给机械制造企业带来的问题，表现出机械制造原材料短缺等问题，这也需要对金属材料进行科学选择，实现机械制造产品质量和性能的提升，同时也延长机械制造产品的使用寿命等。

3机械设计中应用的技术手段

3.1渗碳处理

此种热处理工艺就是通过提升金属材料表面碳浓度的方式来提升其塑性和韧性的方式。通过此种渗碳方式可以让无法达到机械设计工作标准要求的金属材料经过处理之后满足加工工艺和使用要求。但是要在渗碳处理时结合其具体的加工工艺要求和机械部件的使用性能、尺寸等情况选择渗碳深度和浓度。而且由于渗碳处理要消耗一定的成本，还应基于经济性考虑来选择渗碳深度与浓度，在满足标准要求之后则需要继续渗碳处理，避免材料浪费水。

3.2淬火处理

淬火是比较简单的金属材料热处理工艺，通过淬火可以提升金属部件的表面耐磨性和劈来强度。但是也要基于设计工作要求，对金属材料的残余拉应力进行考虑，防止在金属部件的齿根位置或轴的过度扁角位置出现残余拉应力现象。针对工件之间相互连接的部位，如果残余拉应力作用降低可能会损坏机械工件，尤其是容易破坏细轴以及薄板类部件。这就需要在机械设计阶段对表面淬火工艺产生的应力平衡问题加以考虑，比如可以将薄板零件设计为双面结构，防止在淬火中出现工件变形问题。

4金属材料选择的基本原则

4.1荷载大小

物体的直接受力表现方式为荷载，也就是在物体表面上直接作用的外部压力。而由于所用材料的不同，其极限荷载存在不同，也就是材料对外部压力的承受能力不同。在机械设计中选择金属材料时，则应针对所要设计和制造产品在使用时所承受荷载的具体情况，确保所选择的材料的荷载能力在外部压力作用以上，防止在使用中出现产品变形或者金属部件的破裂、损坏等问题。此外，在机械设计工作中，对于所用金属材料的延展能力有着较高的要求，避免荷载直接作用在机械零件上，由于此部位存在荷载能力不足的问题而导致零部件的变形问题。但是在零部件承受外部荷载时，零部件会发生变形问题，其内部也会受到相同的反作用力的作用，也就是应力因素。如果选择具有较弱荷载能力的金属材料，就会导致所设计和制造产品的质量较差。因此在机械产品的设计工作中，应尽量少的选择低碳钢和中碳钢等具有较弱承载能力的金属材料，而应积极使用具有更高质量的碳素钢和合金钢。这是由于在钢材的含碳量较高的情况下，虽然硬度较高，但是会降低其延展性和韧性，还需要加入一定量的锰、磷等元素加以改善，应用具有更高性能、耕地成本和具有较强可加工性的碳钢。相反，如果碳钢的硬度降低，也会提升材料的延展性和韧性。但是在碳钢的制造和冶炼过程中，会由于上述因素而导致所生产的碳钢出现裂痕问题。如果将碳钢应用于机械设计过程中，且对于零件的精度要求较低，则可以将一定量的合金材料应用于碳钢中，实现机械部件整体刚性和韧性的提升。但是此种合金钢材料的冶炼工艺难度较大且比较复杂，使得此类金属材料的加工成本较高。

4.2金属材料的工作环境

基于不同金属材料所设计和制造的产品， 由于使用时的外部环境不同，对所用金属材料的性能也有着不同的要求和产生不同的影响。比如，如果机械产品在环境潮湿以及温度较高的环境中使用，如果将金属材料直接暴露在空气中，则会加速金属材料的腐蚀速度。因此，应基于金属材料的工作环境选择具有更强抗腐蚀性能的金属材料类型。

4.3零部件尺寸的选择

机械设计的重点就是零部件的尺寸，尤其是针对目前工业生产中对各类零部件的尺寸要求更加精密的发展特点，甚至要求部分零部件应满足达到纳米精度级别要求。因此，在基于理论角度在机械设计中计算和分析零部件的尺寸大小，然后通过实际的机械制造过程之后，容易由于零部件尺寸选择和控制不当导致最终零部件无法配套镶嵌等问题。这就需要在机械设计时，应基于金属材料的实际工作环境和加工条件来精确计算机械零部件，不应仅仅是从理论上进行计算。还要选择性能相同的金属材料，在此基础上保证金属材料易于被切割加工，便于对金属材料的精度加以严格控制。

5金属材料的选择策略

在机械设计中选择金属材料时，首先应选择具有较小污染且较低耗能的材料。基于现阶段我国提出的可持续发展战略要求，在选择金属材料时应考虑其加工中可能产生的废气和肥料等，或者是在热处理金属材料之后，尽管提升其性能并延长其寿命，但是会出现热处理工艺中对环境造成污染以及消耗过多资源等问题，这就应该选择热处理工艺比较少的材料，减少对环境的污染以及加工过程中的能耗量。

其次应选择可以回收再生的材料。在机械设计中还应尽量使用同类型的材料，减少金属材料种类，在此基础上应保证所选择材料的环境兼容性，选择具有可回收、可再生以及易降解等特点的材料。因此针对机械设计环节中选择的金属材料，在保证其性能优良的同时，减少材料种类，降低回收成本。还要避免将金属与橡胶材料设计在一起的方式，降低零件报废之后的分离难度，实现二次利用率的提升。

最后应选择新型的安全性材料。针对较多的材料在加工时会产生有害物质而危害自然环境的问题，可以应用现代市场中的新型材料，比如具有不然性以及可循环利用的金属泡沫材料，减少對环境的污染。还要对市场进行充分调研，做好对新型材料的科学试验、检测等工作，选择符合机械制造要求的新型安全性材料。

6结语

在目前工业发展形势下对机械设计水平要求不断提高的进程中，也表现出材料紧缺的问题，为此，在选择金属材料时还应考虑经济实用性的要求，便于开展后续的机械制造和生产工作，进而可以提升机械制造企业的经济效益以及市场竞争力水平。

参考文献：

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