简析机械设计中的材料设计方法

　　在机械设计中的材料设计已经成为一个备受瞩目的问题，因为机械行业正处于随科技的快速发展而不断改进中，同时传统的机械设计方法已经不能满足现代机械工业产品设计的需求，于是新的设计方法应运而生，但这些新设计思想和方法还没有被普遍应用，还有一些设计思想和方式需要进一步研究和探索。
　　1 机械设计中材料设计的意义
　　材料是机械工业产品设计的物质基础，只有符合工业产品设计的性能要求和工艺要求的工业材料才能实现设计的目的。随着人们对高性能和美观外形等要求的机械产品需求越来越多，这就需要相关设计人员对产品和材料的相互关系有比较深入的了解，并熟练掌握各种材料的加工工艺和不同材料的性能特点，不断认识新材料和学习新工艺，从而达到充分运用材料的表面特征和内在功能的目的，创造出功能多样、造型新颖、技术性强的工业产品。
　　2 机械设计中材料设计的问题
　　传统机械设计方法中，材料设计的重点是材料的选择，这需要材料设计人员在参考相关资料和数据的情况下再联系实践操作经验来进行综合考量。这种设计方法由于对材料设计师太过依赖，难以满足更多要求的机械设计需求。这类设计方法的问题表现在以下两点：
　　2.1 机械产品的差异性较大，不合格率较高
　　在现阶段的机械设计过程中，由于客观条件的差异使得标准试验过程中比较容易增加不确定结果发生的概率。在这种基础上，相关材料设计人员根据经验结合参考资料和数据资料而开展的机械生产中，极易出现个别零部件的生产质量问题，从而导致整体机械性能的不合格。
　　2.2 新式材料与新式工艺的传播具有滞后性
　　现阶段机械设计中的材料设计发展迅速，新的加工方法和改良后的生产工艺所产生的理论与实践方法可以达到更高的性能要求，发挥更大更好的作用，但这些理论和实践方法无法及时编入设计参考资料和数据，这其中的效果可能长达数年之久，因此，关于材料设计的竞争力和生命力受到了极大的不利影响。
　　3 机械设计中材料设计的案例分析
　　3.1 轮轨耐磨性设计
　　在铁路的多曲路段，火车轮缘磨损相对于其他路段比较严重，这不仅会对相关部门造成巨大的经济损失，还会对行车安全造成威胁，解决这个问题是机务部门的当务之急。从工程摩擦的角度看，车轮铁路是一对摩擦副，是一个动力系统中相互影响的两个元素，因此要从整个动力系统出发，研究火车轮和铁路轨的耐磨性问题，必须要综合考虑两种材料的最佳组合，以达到使用寿命最大化的目的。为了达到这个目的，相关工作人员研究了一种机车轮缘中频局部淬火技术，经过三个阶段的运行试验，分析相关数据得出轮轨硬度匹配的最佳组合，也就是轮轨在这种硬度比时，可以将机车轮的寿命提高2 3倍，而不影响钢轨的使用寿命。这样可以在不改变现有材料的前提下，用常规的热处理工艺来减少部分材质的磨损问题，这种方法既节省资金，又切实可行。然而我国的现状是机车轮和铁轨分别由不同的政府部门管理，而且在生产时选择的厂家也不一致，导致这种方法实行起来有一定的困难。早期时候，多曲路段的机车轮和钢轨都出现了特别严重的磨损，负责铁路轨道的工务部门对钢轨采取了淬硬轨，这样做的结果虽然能够改善钢轨的磨损情况，但更加重了机车轮缘的磨损问题。由此看来，轮轨耐磨性设计要兼顾双方，才能实现使用寿命的同时延长。
　　3.2 汽车制动衬片设计
　　目前我国汽车用制动衬片大多为进口产品或中外合资厂生产的产品，虽然国产制动衬片的厂家也有不少，但正规的大汽车厂还是多采用前者。国产制动衬片在产品质量和使用年限等方面比进口衬片缺少相当多的竞争力，甚至个别国产厂家生产的机械制动衬片连最基本的性能指标都达不到，而且国产制动衬片热衰退性差，不能在制动过程中有效发挥应有的性能。造成这种现象的原因还有部分厂家缺少先进的机械设计方面的技术力量，没有系统地对材料设计的过程进行研究，只是简单地完成相关工艺过程，就算完成了汽车制动衬片的制造任务。除此之外，一些厂家没有根据不同的车型材料配方对整个生产过程中的各种参数设置进行深入研究，这也造成国产汽车制动衬片存在相当多的不足。
　　3.3 某装置的七连杆机构设计
　　该装置为自动装料装置，连杆采用的是七连杆，整个悬挂在机架上，在正确的运动分析情况下，最关键的问题就是连杆材料的设计，因为整个部件中材料最薄弱的部分就是连杆的铰链，既要求铰链的强度大，还要求铰链有良好的耐磨性和抗冲击性。进口设备的这一部分材料采用的是高性能塑料，但由于该类材料难以买到，而且价格昂贵，因此在制作时考虑用加大铰链尺寸的铸铝件来替代这种塑料。铸铝连杆相对于进口高性能塑料加工时更易出现问题，而形状复杂的连杆再加上材质不均匀的铸件，在进行铰链的加工时就容易发生折断现象。完成连杆的加工后装机试用，又有可能会出现其他问题：一是铸铝件可能会对整个机架造成比较大的冲击振动;二是试用一段时间后，由于连杆本身的冲击振动和弹塑性不如塑料件，容易出现铰链断裂的现象。若购买进口的塑料件来制造连杆，以上的问题全都可以得到解决，尽管进口塑料花费较高，但用到的数量少、质量又轻，总的成本并不很大。这个案例可以说明，机械产品的设计中，零部件材料的性能不仅会影响本身的性能，还可能对整个系统的功能造成其他不良影响。
　　4 机械设计中材料设计的新思路
　　以上三个案例分析足以说明，传统的材料设计方法必须要改进才能适应现代机械工业产品的高质量需求。基于工业设计方法的不断改进，在机械产品设计的过程中，机械产品中每一个零部件的材料设计不仅要考虑到零部件性能对整体的影响，还要考虑到对系统中其他零部件的影响。在对材料设计的功能进行分析时，应当包含以下三个方面的内容：第一，保证技术上的功能达标;第二，在能实现同一功能的多种设计方案中找出低成本、多功能的材料设计方案;第三，分析可靠性，并在分析后制定相对优化的材料设计方案，为整个产品设计过程奠定基础。现代材料设计的发展有以下三个方向：
　　4.1 树立系统观和功能观的设计思想
　　在进行机械设计中的材料设计时，应该明确没有绝对好或绝对不好的材料，更不能依靠某一种性能来判定优劣，材料设计要考虑分析的是最合适的材料。设计时不仅要考虑材料的种类是否适合做零部件，还要注意考虑是否适应整个机器。
　　4.2 改进重要机械部件的生产方法
　　在进行材料设计中，应该把重要的关键部分作为一个完整的子系统来进行设计，尤其要注意摩擦学系统部件的设计。现在高速、重载的零部件会产生许多功能副作用，对其进行改进就可以避免这些问题的出现。
　　4.3 建立基于因特网的机械设计材料库
　　传统的查手册设计法在现代材料设计中有诸多的不足，因此应尽快建立不仅包含机械零部件常用材料，还包括用户材料的网上机械工程材料库，同时还应包括国内外最新研制的新机械工程材料的有关资料。
　　5 结语
　　本文分析了材料设计中目前存在的相关问题，根据实例研究和实践总结，提出材料设计的新思路，建议能够成立基于网络的科学机械设计材料库。但新的相关理论和方法还在不断探究中，希望广大的机械设计师能合理完成机械设计材料设计的新方法发展的目标。