关于机械设计中材料设计的研究

梁发明

【摘 要】随着计划经济体制向市场经济体制转化，设计技术的更新进步，机械设计也产生了很大的变化。本文结合案例分析了机械设计中常见的材料设计问题，提出了机械设计中材料设计新的思想与方法，根据理论分析和多年研究实践的总结，提出了基于系统论思想和功能论思想的机械设计中的材料设计新方法。

【关键词】材料设计；生产技术；产品制造；材料数据库

在我国，随着计划经济体制向市场经济体制转化，传统的机械零、部件或一般常用机械产品的设计方法已经不能适应现代机械工业产品设计的需要，随之而来的现代机械设计方法已经得到了迅速发展，形成了许多相对比较成熟的分支学科，如机械可靠性设计、防断裂设计、抗疲劳设计、耐磨损设计、机械CAD、机械优化设计等，这些方法在实际的一些机械产品设计中得到了不同程度的应用，取得了可观的效益。但由于受传统设计思想的影响这些方法还没有被广大机械设计师普遍掌握和应用，一些新的设计思想和方法更有待于探索和发展。

1.机械设计中常见的材料设计问题

随着人们对工业产品的使用性能、技术性能及造型款式的要求愈来愈高，需要设计人员熟悉产品设计与材料的关系，掌握各种材料的性能特点及其加工工艺，了解新型材料，从而运用设计手段，充分利用材料的内在功能和表面特征，创造出使用功能好、技术性能高、款式新颖的工业产品。传统的机械设计方法中，材料设计实际上仅仅是“材料选择设计”，而这些材料的选择设计过程中，往往也是根据以往设计人员的经验，即设计手册中提供的参考资料或数据来进行的，而这些参考数据常常仅是在一定的标准试验条件下得到的实验数据。这样的材料设计方法，有几个方面的缺点：（1）由于使用条件与实验条件的差异，标准试验过程本身的不确定性等，根据参考资料和数据选择材料生产出的机械产品在使用过程中常常会发现不合适，某些零部件材料或者因为仅能很好满足整机使用的部分功能而其它功能一般，或者因其某个方面的性能特点产生了对整机其它方面性能的不良影响而致使整个机械产品性能达不到要求，甚至报废；（2）现在工程材料研究发展很快，特别是一些材料加工方法、工艺的改进和发展，使得原有材料可以达到更高的性能要求，发挥更大、更好的作用。但是这些新材料、新方法、新工艺不可能在短期内编入设计手册，有些内容甚至会滞后十年或几十年，这与当今社会发展对新产品更新速度的要求显然是不适应的，影响产品的竞争力或生命力。

2.材料设计案例分析

2.1轮-轨耐磨性设计

在铁路的多曲路段，机车轮缘磨损严重，它不仅造成极大的经济损失，而且会危害行车安全。机务部门急迫地需要解决这一问题。从工程摩擦学角度看，轮-轨是一对摩擦副，是一个系统的两个元素，研究其耐磨性问题，应该从整个系统出发，考虑双方的材料最佳配对，以达到使用寿命的最长值。经理论分析计算、大量的实验室试验和机车实际运行试验，得到了轮—轨硬度匹配最佳值，可以使机车轮的寿命在不影响钢轨寿命的情况下，提高2～3倍。这种方法是在不改变现有的路轨和机车轮材料的前提下，用一种常规热处理工艺改变其严重磨损区的局部材质，提高产品的实用性与经济性。

2.2硬质合金钢刀具耐磨损设计

用深冷处理技术延长机械零件的使用寿命是一种很有效的方法。对多个厂家生产的硬质合金刀具进行深冷处理后实际使用，结果表明经深冷处理的刀具寿命延长数倍。但个别个体厂家生产的刀具，实验结果则不稳定，有的好，有的差，有的甚至不能使用。这说明：对同一类产品，用同样的方法改变材料性能，结果可能相差很大，这不能说明该方法本身不行，而是还有一个材料本身的均匀性、稳定性以及如何与不同材料结合的问题，即如何改变工艺参数以适应材料本身的差异问题。

2.3汽车制动衬片设计

我国汽车用制动衬片目前有不少生产厂家，但正规的大汽车厂主要还是用进口产品或中外合资厂生产的产品。国产件在质量稳定性、寿命等方面明显缺乏竞争力，特别是一些个体厂家生产的产品质量根本没有保障，有些产品甚至连最基本的性能指标如摩擦系数都达不到标准，特别是热衰退性能差，制动过程常导致失效。其原因还是大部分厂家缺乏必要的技术力量，只是简单地完成配方材料混合、烧结和压制等工艺过程，至于整个生产过程的各种工艺参数的系统研究，不同车型材料配方的深入研究，特别是摩擦衬片和鼓（盘）的配对问题，则没有进行研究。这些是目前我国汽车用制动衬片质量稳定性问题无法根本解决的主要原因。

2.4自动装料装置的七连杆机构设计

自动装料装置的设计，可采用七连杆机构，该机构整个悬挂于机架上，在原理方案正确的情况下，连杆材料的设计成为关键问题，因为连杆的铰链是整个部件材料最薄弱的部分，既要有足够的强度，还应有良好的耐磨性和抗冲击性能，进口设备中该部分材料是采用高性能塑料，销孔用钢套。由于当时很难买到这种进口材料，而且较贵，就考虑用铸铝件替代，加大铰链处的尺寸以保证强度。这样设计的铸铝连杆，加工时出现了问题，由于连杆形状较复杂，铸件材质严重不均，加工铰链孔时有时发生折断现象。加工完成后，装机试用，又出现了问题：（1）由于铸铝件的重量比塑料件大得多，运动速度较快时，起、停惯性大，对整个机架造成较大的冲击振动；（2）试用一段时间后有些连杆的铰链发生断裂现象，这除了因为它本身冲击振动外，还因为铸铝件的弹塑性远不如塑料件。后来，购买了进口高性能塑料，制造成的连杆，上述问题全部解决了。尽管进口塑料单位价格稍贵些，但重量轻、用量少，总费用并不很大。以上情况说明机械零、部件材料的性能不仅影响其本身的功能，而且对机器整体功能有时会造成严重影响。

3.机械设计中新的材料设计理念与方法

以上案例分析进一步说明，机械设计中材料设计问题已经愈显突出，传统的材料设计方法亟待改进。在机械产品设计过程中，机械零部件的材料设计应从系统论思想和功能论思想出发，不仅要考虑满足各零、部件的性能要求即满足整机的各分功能要求，还应考虑各零、部件对整机性能或者其它零件分功能的影响。

3.1进行材料设计功能分析时应包括的内容

进行材料设计功能分析时，应包括三个方面的内容：（1）确定技术上的功能应达到的程度，它用产品技术性能参数来表示；（2）对功能成本作出分析，以便在实现同一功能的各种途径中找出成本低、功能好的材料设计方案；（3）进行可靠性定量及定性的分析，在对产品功能的定性和定量的综合分析之后，就可能制定出相对优化的材料设计方案，为整个产品设计工作打下坚实的基础。

3.2现代机械设计的改进措施

从传统的机械设计材料设计方法向现代机械设计材料设计方法发展有以下几个方面：

3.2.1设计思想上应树立系统观和功能观

工程上没有绝对好或绝对不好的材料，亦即不能以某种材料的某种性能或几种性能来评定它是绝对好或差的材料，材料设计时只能是寻求最适合的材料。全面考虑机械零、部件材料的子系统功能和整体系统功能，也就是说，设计时不仅要考虑某种材料是否适合做某种零件，还应考虑它在整台机器中是否合适，对其价格的评估也是如此。案例2.4节说明了这一点。

3.2.2应改进现有的一些重要的或关键的机械部件的研制和生产方法

即应把该部件作为一个子系统来进行设计和研究，尤其是摩擦学系统部件。案例2.1节和2.2节是典型实例。传统方法，把系统的元素作为独立零部件各自进行设计研究，无法满足或保证整个子系统的系统功能，特别是高速、重载的零、部件会产生许多功能（下转第198页）（上接第56页）附作用，如高温引起的机械性能变化，高速引起的附加动载荷等。

3.2.3建立基于INTERNET的机械设计材料库

鉴于前文2提出的传统的材料设计方法即“查手册设计法”的不足，作者认为，应尽快建立基于INTERNET的动态的机械工程材料库。换言之，在INTERNET上建立独立的《机械工程材料库》网页及数据库，该数据库内容不仅涵盖传统机械零部件常用材料，而且包括用户材料库，即由机械工程材料有关生产厂家或有关经营部门直接访问网站，随时添加国内外最新研制的新机械工程材料的有关资料数据。项目包括材料的机械性能和物理化学性能（如强度、硬度、韧性、比重、导热性、耐腐蚀性等）、价格、厂家、供货途径等。这样的材料库不仅可以满足现代机械设计高效、快速、合理、经济的要求，而且可以与CAD/CAM/CAE、并行设计、即时技术等现代先进制造技术相适应。

4.结语

传统的材料设计方法已不能很好地适应现代机械产品设计的要求，要得到更大进步必须进行改革，在实践中不断总结，把机械设计中全新可行的材料设计理念与方法应用在实际的生产工作中，灵活运用现代科技技术手段，创造出更多性能高、质量好的工业产品。