機(jī)械設(shè)計中的材料設(shè)計方法研究

1、作者簡介：劉小琴(1962)，女，山西臨猗人，實(shí)驗(yàn)師，本科。收稿日期：20081103；修回日期：200902050引言現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計已經(jīng)由傳統(tǒng)的一般機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展到直接面向市場的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，因此，機(jī)械設(shè)計方法的發(fā)展與工業(yè)設(shè)計方法的發(fā)展是相互包容、相互借鑒和相互促進(jìn)的。在我國，隨著計劃經(jīng)濟(jì)體制向市場經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)的機(jī)械零、部件或一般常用機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的需要，隨之而來的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法已經(jīng)得到

2、了迅速發(fā)展，形成了許多相對比較成熟的分支學(xué)科，如機(jī)械可靠性設(shè)計、防斷裂設(shè)計、抗疲勞設(shè)計、耐磨損設(shè)計、機(jī)械CAD、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計等，這些方法在實(shí)際的一些機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中得到了不同程度的應(yīng)用，取得了可觀的效益。但由于受傳統(tǒng)設(shè)計思想的影響這些方法還沒有被廣大機(jī)械設(shè)計師普遍掌握和應(yīng)用，一些新的設(shè)計思想和方法更有待于探索和發(fā)展[1]。1機(jī)械設(shè)計中的材料設(shè)計問題材料是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)，任何一種產(chǎn)品設(shè)計只有同選用材料的性能特點(diǎn)及其加工工藝性相一致，

3、才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計的目的和要求。隨著人們對工業(yè)產(chǎn)品的使用性能、技術(shù)性能及造型款式的要求愈來愈高，需要設(shè)計人員熟悉產(chǎn)品設(shè)計與材料的關(guān)系，掌握各種材料的性能特點(diǎn)及其加工工藝，了解新型材料，從而運(yùn)用設(shè)計手段，充分利用材料的內(nèi)在功能和表面特征，創(chuàng)造出使用功能好、技術(shù)性能高、款式新穎的工業(yè)產(chǎn)品。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方法中，材料設(shè)計實(shí)際上僅僅是“材料選擇設(shè)計”，而這些材料的選擇設(shè)計過程中，往往也是根據(jù)以往設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)，即設(shè)計手冊中提供的參考資料或數(shù)據(jù)來進(jìn)行的

4、，而這些參考數(shù)據(jù)常常僅是在一定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣的材料設(shè)計方法，有幾個方面的缺點(diǎn)：1)由于使用條件與實(shí)驗(yàn)條件的差異，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)過程本身的不確定性等，根據(jù)參考資料和數(shù)據(jù)選擇材料生產(chǎn)出的機(jī)械產(chǎn)品在使用過程中常常會發(fā)現(xiàn)不合適，某個（些）零（部）件材料或者因?yàn)閮H能很好滿足整機(jī)使用的部分功能而其它功能一般，或者因其某個方面的性能特點(diǎn)產(chǎn)生了對整機(jī)其它方面性能的不良影響而致使整個機(jī)械產(chǎn)品性能達(dá)不到要求，甚至報廢；2)現(xiàn)在工程材料研究發(fā)

5、展很快，特別是一些材料加工方法、工藝的改進(jìn)和發(fā)展，使得原有材料可以達(dá)到更高的性能要求，發(fā)揮更大、更好的作用。但是這些新材料、新方法、新工藝不可能在短期內(nèi)編入設(shè)計手冊，有些內(nèi)容甚至?xí)笫昊驇资?，這與當(dāng)今社會發(fā)展對新產(chǎn)品更新速度的要求顯然是不適應(yīng)的，換言之，按手冊選擇的材料在新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新設(shè)計中往往是落后的，這將直接影響產(chǎn)品的競爭力或生命力[2]。2案例分析2.1輪軌耐磨性設(shè)計在鐵路的多曲路段，機(jī)車輪緣磨損嚴(yán)重，它不僅造成極大的經(jīng)濟(jì)

6、損失，而且會危害行車安全。機(jī)務(wù)部門急迫地需要解決這一問題。從工程摩擦學(xué)角度看，輪軌是一對摩擦副，是一個系統(tǒng)的兩個元素，研究其耐磨性問題，應(yīng)該從整個系統(tǒng)出發(fā)，考慮雙方的材料最佳配對，以達(dá)到使用壽命的最長值，作者基于此研究了一種機(jī)車輪緣中頻局部淬火技術(shù)，經(jīng)理論分析計算、大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和機(jī)車實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，得到了輪—軌硬度匹配最佳值，可以使機(jī)車輪的壽命在不影響鋼軌壽命的情況下，提高2～3倍。這種方法是在不改變現(xiàn)有的路軌和機(jī)車輪材料的前提下，用

7、一種常規(guī)熱處理工藝改變其嚴(yán)重磨損區(qū)的局部材質(zhì)，它是經(jīng)濟(jì)、易行的。2.2硬質(zhì)合金鋼刀具耐磨損設(shè)計用深冷處理技術(shù)延長機(jī)械零件的使用壽命是一種很有效的方法。對多個廠家生產(chǎn)的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行深冷處理后實(shí)際使用，結(jié)果表明經(jīng)深冷處理的刀具壽命延長數(shù)倍。但個別個體廠家生產(chǎn)的刀具，實(shí)驗(yàn)結(jié)果則不穩(wěn)定，有的好，有的差，有的甚至不能使用。這說明：對同一類產(chǎn)品，用同樣的方法改變材料性能，結(jié)果可能相差很大，這不能說明該方法本身不行，而是還有一個材料本身的均勻性、

8、穩(wěn)定性以及如何與不同材料結(jié)合的問題，即如何改變工藝參數(shù)以適應(yīng)材料本身的差異問題[3]。2.3汽車制動襯片設(shè)計我國汽車用制動襯片目前有不少生產(chǎn)廠家，但正規(guī)的大汽車廠主要還是用進(jìn)口產(chǎn)品或中外合資廠生產(chǎn)的產(chǎn)品。國產(chǎn)件在質(zhì)量穩(wěn)定性、壽命等方面明顯缺乏競爭力，特別是一些個體廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量根本沒有保障，有些產(chǎn)品甚至連最基本的性能指標(biāo)如摩擦系數(shù)都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，特別是熱衰退性能差，制動過程常導(dǎo)致失效，。其原因還是大部分廠家缺乏必要的技術(shù)力量，機(jī)械設(shè)計

9、中的材料設(shè)計方法研究劉小琴，續(xù)海峰(山西運(yùn)城學(xué)院機(jī)電工程系，山西運(yùn)城044000)【摘要】傳統(tǒng)的材料設(shè)計方法已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的要求，根據(jù)理論分析和多年研究實(shí)踐的總結(jié)，提出了基于系統(tǒng)論思想和功能論思想的機(jī)械設(shè)計中的材料設(shè)計新方法?！娟P(guān)鍵詞】材料設(shè)計；系統(tǒng)論；功能論；材料數(shù)據(jù)庫【中圖分類號】TH122【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1003773X（2009）03003202第24卷第3期(總第108期)機(jī)械管理開發(fā)2009年6

10、月Vol.24No3(SUMNo108)MECHANICALMANAGEMENTDEVELOPMENTJun200932第24卷第3期(總第108期)機(jī)械管理開發(fā)2009年6月劉小琴，等：機(jī)械設(shè)計中的材料設(shè)計方法研究應(yīng)用ResearchonMaterialdesignofMechanicalDesignLIUXiaoqinXUHaifeng(DepartmentofMechanicalElectronicEngineeringYunch

11、engUniversityYuncheng044000China)〔Abstract〕Thetraditionalmethodofmaterialsdesigncannotbewelladaptedtomodernmechanicaldesignrequirements.Accdingtotheeticalanalysismanyyearresearchpracticesummarythenewmaterialsdesignmethod

12、sbasedonsystemTheyFunctiontheyhasbeendiscussed.〔Keywds〕MaterialDesignSystemTheyFunctionTheyMaterialsDatabase只是簡單地完成配方材料混合、燒結(jié)和壓制等工藝過程，至于整個生產(chǎn)過程的各種工藝參數(shù)的系統(tǒng)研究，不同車型材料配方的深入研究，特別是摩擦襯片和鼓（盤）的配對問題，則沒有進(jìn)行研究。這些是目前我國汽車用制動襯片質(zhì)量穩(wěn)定性問題無法根本解

13、決的主要原因。2.4自動裝料裝置的七連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計自動裝料裝置的設(shè)計，可采用七連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)整個懸掛于機(jī)架上，在原理方案（運(yùn)動分析）正確的情況下，連桿材料的設(shè)計成為關(guān)鍵問題，因?yàn)檫B桿的鉸鏈?zhǔn)钦麄€部件材料最薄弱的部分，既要有足夠的強(qiáng)度，還應(yīng)有良好的耐磨性和抗沖擊性能，進(jìn)口設(shè)備中該部分材料是采用高性能塑料，銷孔用鋼套。由于當(dāng)時很難買到這種進(jìn)口材料，而且較貴，就考慮用鑄鋁件替代，加大鉸鏈處的尺寸以保證強(qiáng)度。這樣設(shè)計的鑄鋁連桿，加工時出現(xiàn)了問題

14、，由于連桿形狀較復(fù)雜，鑄件材質(zhì)嚴(yán)重不均，加工鉸鏈孔時有時發(fā)生折斷現(xiàn)象。加工完成后，裝機(jī)試用，又出現(xiàn)了問題：1)由于鑄鋁件的重量比塑料件大得多，運(yùn)動速度較快時，起、停慣性大，對整個機(jī)架造成較大的沖擊振動；2)試用一段時間后有些連桿的鉸鏈發(fā)生斷裂現(xiàn)象，這除了因?yàn)樗旧頉_擊振動外，還因?yàn)殍T鋁件的彈塑性遠(yuǎn)不如塑料件。后來，購買了進(jìn)口高性能塑料，制造成的連桿，上述問題全部解決了。盡管進(jìn)口塑料單位價格稍貴些，但重量輕、用量少，總費(fèi)用并不很大。以上情

15、況說明機(jī)械零、部件材料的性能不僅影響其本身的功能，而且對機(jī)器整體功能有時會造成嚴(yán)重影響。3機(jī)械設(shè)計中材料設(shè)計新的思想與方法以上案例分析進(jìn)一步說明，機(jī)械設(shè)計中材料設(shè)計問題已經(jīng)愈顯突出，傳統(tǒng)的材料設(shè)計方法亟待改進(jìn)。鑒于工業(yè)設(shè)計方法的新進(jìn)展，作者認(rèn)為在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程中，機(jī)械零部件的材料設(shè)計應(yīng)從系統(tǒng)論思想和功能論思想出發(fā)，不僅要考慮滿足各零、部件的性能要求即滿足整機(jī)的各分功能要求，還應(yīng)考慮各零、部件對整機(jī)性能或者其它零（部）件分功能的影響；進(jìn)

16、行材料設(shè)計功能分析時，應(yīng)包括三個方面的內(nèi)容：1)確定技術(shù)上的功能應(yīng)達(dá)到的程度，它用產(chǎn)品技術(shù)性能參數(shù)來表示；2)對功能成本作出分析，以便在實(shí)現(xiàn)同一功能的各種途徑（方案）中找出成本低、功能好的材料設(shè)計方案；3)進(jìn)行可靠性定量及定性的分析，在對產(chǎn)品功能的定性和定量的綜合分析之后，就可能制定出相對優(yōu)化的材料設(shè)計方案，為整個產(chǎn)品設(shè)計工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。這就是作者提出的機(jī)械設(shè)計中材料設(shè)計新的思想方法。具體，從傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計材料設(shè)計方法向現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計

17、材料設(shè)計方法發(fā)展有以下幾個方面：(1)設(shè)計思想上應(yīng)樹立系統(tǒng)觀和功能觀。工程上沒有絕對好或絕對不好的材料，亦即不能以某種材料的某種性能或幾種性能來評定它是絕對好或差的材料，材料設(shè)計時只能是尋求最適合的材料。全面考慮機(jī)械零、部件材料的子系統(tǒng)功能和整體系統(tǒng)功能，也就是說，設(shè)計時不僅要考慮某種材料是否適合做某種零件，還應(yīng)考慮它在整臺機(jī)器中是否合適，對其價格的評估也是如此。案例2.4節(jié)說明了這一點(diǎn)；(2)應(yīng)改進(jìn)現(xiàn)有的一些重要的或關(guān)鍵的機(jī)械部件的研

18、制和生產(chǎn)方法，即應(yīng)把該部件作為一個子系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計和研究，尤其是摩擦學(xué)系統(tǒng)部件。案例2.1節(jié)和2.2節(jié)是典型實(shí)例。傳統(tǒng)方法，把系統(tǒng)的元素作為獨(dú)立零部件各自進(jìn)行設(shè)計研究，無法滿足或保證整個子系統(tǒng)（整個部件）的系統(tǒng)功能，特別是高速、重載的零、部件會產(chǎn)生許多功能附作用，如高溫引起的機(jī)械性能變化，高速引起的附加動載荷等；(3)建立基于INTER的機(jī)械設(shè)計材料庫。鑒于前文2提出的傳統(tǒng)的材料設(shè)計方法即“查手冊設(shè)計法”的不足，作者認(rèn)為，應(yīng)盡快建立基于

19、INTER的動態(tài)的機(jī)械工程材料庫。換言之，在INTER上建立獨(dú)立的《機(jī)械工程材料庫》網(wǎng)頁及數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫內(nèi)容不僅涵蓋傳統(tǒng)機(jī)械零部件常用材料，而且包括用戶材料庫，即由機(jī)械工程材料有關(guān)生產(chǎn)廠家或有關(guān)經(jīng)營部門直接訪問網(wǎng)站，隨時添加國內(nèi)外最新研制的新機(jī)械工程材料的有關(guān)資料數(shù)據(jù)。項(xiàng)目包括材料的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能（如強(qiáng)度、硬度、韌性、比重、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性等）、價格、廠家、供貨途徑等。這樣的材料庫不僅可以滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計高效、快速、合理、經(jīng)濟(jì)

20、的要求，而且可以與CAD／CAM／CAE、并行設(shè)計、即時技術(shù)等現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)相適應(yīng)[4]。4結(jié)束語傳統(tǒng)的材料設(shè)計方法已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的要求。根據(jù)多年研究和實(shí)踐的總結(jié)，提出基于系統(tǒng)論思想和功能論思想的機(jī)械設(shè)計中的材料設(shè)計新方法，并建議建立基于INTER的機(jī)械設(shè)計材料數(shù)據(jù)庫運(yùn)用新的設(shè)計手段，充分利用材料的內(nèi)在功能和表面特征，創(chuàng)造出使用功能好、技術(shù)性能高、款式新穎的工業(yè)產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)[1]朱文堅.機(jī)械設(shè)計[M].北京：高等教