机械设计中新型材料的选择及应用

机械设计中新型材料的选择及应用

王玉海

天津荣程联合钢铁集团有限公司 天津市 津南区 300352

摘要：在机械设计过程，全面的开展机械材料应用与研究是必要的，机械材料的应用是提高机械设计水平的重要部分，作为设计人员，应深入工作实际，针对具体机械设计内容，全面地开展材料应用研究，总结更加高效的应用方案，提高机械材料选择能力，为机械设计工作开展提供有效建议。

关键词：机械设计 新型材料

引言

随着机械制造强国战略的实施，新材料在机械制造领域得到了广泛应用。基于人工智能、数字化技术的发展，应用新材料成为实现机械轻量化的主要手段。实践证明，轻量化新材料的应用不仅可以提升机械的力学性能，而且可以提升生产效率。

1新型金属材料在机械制造中运用的基本要求

1.1安全性高

传统金属材料在加工制造中可能出现有害物质，严重危害自然环境，在机械制造中要尽量少用。 如果条件允许，可用新型金属材料直接取代传统材料。 例如常见金属泡沫材料就是无毒无害材料，安全性高，污染环境的程度较低。 而且金属材料市场有很多不被重视的新型材料，在机械制造中要充分调查市场情况， 做好新型金属材料的实验检测工作，得到性能数据，考虑性价比适合机械制造运用与否。 所以优先运用安全性高的新型金属材料也是企业在机械制造中需要重点满足的要求。

1.2回收再生

运用合适的金属材料对于机械制造而言至关重要，应减少材料类型，尽量运用易降解的、能够回收和再生的新型金属材料，提高环境兼容性。 机械设备在使用环节必然存在材料磨损问题，严重磨损的金属材料应报废，后续的回收则是重要因素， 若废弃金属材料不能被大比例回收，浪费资源的问题会日益严重。 一些金属材料涉及到有害物质，如果不能回收，会对人的身体健康造成危害，在制造机械元件时就应保证金属零部件材料性能优良。 同时减少材料元素类型， 让新型金属材料被废弃回收之后能够二次利用。 如果是金属和橡胶的混合制造，报废后的回收就难以将金属物质分离出来，降低二次利用率。

2机械设计过程中应用到的主要材料

2.1金属材料金属材料

作为机械设计必不可少的材料，主要涉及铁、钢、铜等类别。铸铁材料要先考虑其物质组成，根据金属合金的要求，组成的铸铁材料中要包含铁、硅、碳等物质，同时铸铁材料在应用期间以其优质的流动性，更好地适应不同机械制造环境。由于其本身的熔点更低，所以在铸造的同时可以更适合进行锻造，同时可以增强其减震性能和抗压能力，使最终设计的机械设备拥有更广泛的应用空间。钢材料和铸铁材料一样，也属于一种由多种元素组成的合金材料，这种材料中所含有的钢元素较多，在日常应用时要根据不同钢合金的结构选择适合的作业场景。碳素钢是性能较强的材料，在加工制造的同时能够以更低的价格完成产品的制造，因此被广泛应用到诸多机械制造领域。铜材料与铸铁材料相比，其本身的延展性更高，并且可以拥有较高的耐腐蚀性，在综合多种元素以后，铜材料的化学组成更为复杂，比如 ：在白铜中会加入锌、铅、锡、锰等特殊的元素，使最终形成的青铜合金抗腐蚀性更高，耐磨性更强，因此在加工制造过程中可以作为多种机械设备的重要元件，拓宽其适用范围。钢元素的机械制造设计复杂，其中包含化学成分较多。钢元素有许多优点，比如 ：本身的造价较低，工业性能较好等，在加工制造时可以根据类型需求，选择适合的钢元素，在控制好含碳量以后，能够拓宽钢元素的应用范畴。机械设计中的钢元素材料含有更多特殊元素，促使最终形成的合金钢可以拥有较高的物理特性，在不受外界化学成分影响的前提下，可以通过热处理的方式制造出相应的产品，进而满足机械材料的基本要求。

2.2非金属材料

非金属材料主要包含橡胶类、高分子材料、陶瓷材料、复合材料等，塑料作为机械设计中应用较多的材料品种，由于其本身重量较轻，同时加工难度较低，具有较高的抗腐蚀性和绝缘性，因此在多种场合中都会应用。利用橡胶可以完成减震设计。具有较高弹性的橡胶，能够快速吸收多余的冲击能量，所以制作减震器时，也可以利用弹性较好的橡胶材料代替。陶瓷材料稳定性较高，具有一定的耐高温、耐腐蚀性等优点，所以在机械设备制造期间，可以将其作为模具、刀具等工艺的材料。复合材料包含高分子材料以及陶瓷材料的综合体系，在机械制造过程中会更多地应用于武器和航空领域中。科技的迅猛发展，让材料的复杂性提高，也使材料的适用范围更广，最终研发的材料一定更适合人们使用，并且不会对生活造成影响。

3机械设计中材料的选择与应用策略

3.1做好材料性能分析

材料性能的完整数据是判别机械零件使用寿命的依据，所以，设计人员要在开展相关理念设计之前，先了解材料的基本特性，之后按照需求展开设计任务，具体过程分以下几部分 ：首先，进行物理性能分析。机械材料的物理特性包含导热性、导电性、熔点、密度等，在特定环境中，材料本身的物理特性直接决定其使用年限和使用环境。根据特定材料的情况进行工艺调整，能够使零件的磨损程度降低，比如 ：某些机械零件重量有限，为了避免因质量造成影响，可以使用比较轻薄的铝、镁等轻金属材料 ；其次，了解其化学特性。在特定环境下受外部化学因素影响，机械材料零部件会产生相应的磨损，其中包含化学稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性等。零件在特定环境中使用，要根据其本身的化学特性进行选择，选择抗氧化性较高的材料，可以延长使用寿命 ；最后，进行工艺性能分析。机械材料的加工制作工艺十分复杂，包含焊接、切削、锻造等流程，所以零部件本身的性能要十分稳定，才能在加工以后满足不同环境的使用需求。在确定最终设计方案前，要经过专家讨论，明确用途和方向后，最终选择适合的方案

[1]。

   3.2钛合金在农业机械轻量化设计中的应用

钛合金是农业机械轻量化设计的首选材料，且其减震效果明显优于钢材、铝合金。同时，钛合金具有可回收性好、屈服强度高、质量轻等特点，所以其在农业机械各零件设计中应用价值较高，具体应用表现如下。一是通过减轻农业机械组成部件的质量以及增强车架相关结构零件的负载能力，提高发动机性能，有效降低农业机械作业时的车身震动，提高作业效率。例如，在水田轮式拖拉机设计中，由于拖拉机自身过重会破坏稻田土壤结构，影响后续插秧和收获机械入场，因而减轻车身自重成为农业机械设计制造的关键。水田轮式拖拉机各零部件种类较多，零件自重较大，而将水田轮式拖拉机零件材质改为钛合金材质，会有效降低水田轮式拖拉机的自重，从而提升发动机的性能。二是利用钛合金改进农业机械排气系统，能节约燃料费用。利用钛合金制造的排气系统比传统的钢材料轻，可以有效提高农业机械尾气的排放效率，提升燃油效果，降低能源消耗［5］。当然，钛合金材料价格比较昂贵，各零件加工成本较高，同时受限于焊接技术的影响，导致钛合金在农业机械轻量化设计中的应用率不高。因此，今后相关研究人员需要优化钛合金加工方法，降低钛合金材料价格，以促进钛合金在农业机械轻量化设计中的应用[2]。

结束语

总之，随着人们生活水平的提高、生活质量的不断提升，对各种工业的要求也是越来越高。在机械设计过程有效地选择材料是必要的，在材料的选择与应用过程，设计人员要提高认识，针对性地选择最佳材料，从而全面提高机械设计水平，为机械制造行业稳定发展奠定良好基础[3]。

参考文献：

[1]郭子杨,唐茂,曾健,陈禹臻,吴柏强.新材料在农业机械轻量化设计中的应用[J].乡村科技,2022,13(08):130-132.DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2022.08.029.

[2]梁先盛.机械设计中对材料的选择与应用分析[J].中国设备工程,2022(08):83-84.

[3]何剑锋.机械设计过程中机械材料的选择和应用[J].中国金属通报,2022(04):102-104.