吴峰
中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089
摘要：金属材料是机械设计的,由于机械具备高强度特点,特别适合在机械内部承担连接、转轴、受力等功能。目前机械设计中,90%以上的材料都是金属材料。
关键词：金属材料；机械设计；选择；应用
前言
自改革开放以来,我国的工业规模不断发展,社会和市场对于大型机械和专业机械的需求量与日俱增,机械的大规模量产使得机械制造材料资源紧缺,面对日益扩大的需求市场材料供应问题日渐突出,如何协调有限的资源与总量已不断扩大的社会总需求之间的关系成为了考验材料学工作者的一个重要课题。随着能够用于机械制造的材料储存总量不断减少,材料供需问题成为了影响机械产业发展的一个重要因素,如果在未来不能很好地解决材料供应问题,那么就会造成机械产业发展必须面对压缩材料的局面,过去受限于技术发展水平的限制,我们一直没有找到解决的方案,直到材料学在近几十年的突飞猛进,使我们看到了一个能够扭转材料共性问题的解决方案,那就是通过选择更加适应来替代传统的机械材料,让材料能够帮助机械保持更稳定的工作状态和更长久的使用寿命。
1机械设计材料选择及应用注意事项
1.1 经济性
对于机械生产负责人而言,大批量采购同类型材料就必然要考虑到材料的采购成本,如果对采购成本不加以控制,那么积累庞大的数量之后,其成本控制会成为一个非常大的问题。机械设计者不仅要考虑到机械性能和结构,还要考虑到支撑这些功能实现的材料使用情况,不同的材料采购价格不同,合理的搭配方式,在必要的区域设置和添加足额的相应材料,而在其它区域则选择更加经济合理的方案是控制材料成本的有效手段。
1.2 环保
传统的工业生产机械中大部分机械设备材料在开采和生产过程中都伴随着严重的环境污染问题。随着社会总体对于环境保护概念的重视以及对身边自然环境的关注,材料生产和材料投用必须要考虑到是否会对周围的环境造成负担,会不会造成环境污染问题。新型材料在设计之初考虑到了这方面的顾虑,所以新型材料在环保上具有较强的优势,但是新型材料并不能完全替代传统机械加工材料,那么如何控制传统材料的用量和规模,就成为了考验机械设计者专业能力和总体控制水准的地方。
1.3 机械性能
机械性能的实现要依靠专门的材料才能完成,不同材料会承担着不同机械功能实现的需求,因此在进行机械设计时,必须要挖掘材料潜力,采用最合适的材料,以提升机械性能。
2新型材料在机械设备传动轴的具体应用
目前类似于纤维增强的新型材料，在风力发电叶片导流槽、刹车片以及机舱罩等领域都有广泛的应用。与传统材料相比，新型材料的诞生和应用时间较晚，在传动轴的相关研发中也滞后于其他零部件的应用，由于大功率输出的金属材料的传动轴制造工艺复杂多变，且影响最终成型质量的因素众多，进行新型材料传动轴质量控制一直是一个非常困难的问题。可采用传统材料进行大功率输出基础材料，传动轴未面临质量大、占地空间大、安装费用高的问题，且经一段时间使用之后会出现明显的疲劳状态，这制约了大功率风力发电机组的发展。而反观新型材料的特点，新型材料自身重量较轻，可以有效降低对支撑材料和轴承等结构件的荷载作用，由于减少了荷载，因此在运行过程中磨损情况也能得到很好的减少，其使用的稳定性也延长了整体的使用寿命。根据相关研究人员的对比研究发现，采用纤维增强新型材料，将传动轴和轮毂制造出一个零部件与传统的设计制作方式所得出的两个零部件相互连接，需要使用的大量锚栓连接，所需使用的材料和部件也可以被省去，而由于锚栓连接所派生出的质量问题，也因此得到了减少，整个部件的重量得到了大大的降低，在发电机组的总体质量控制中发挥了非常重要的作用。其直接效果就是降低了基础荷载，同时有效控制了风力发电机组的整体安装流程和安装费用，使发电机组的运行安装和事后的维护保养成本得到了有效控制，为接下来此类大型发电机组的推广和应用提供了良好的技术基础。
汽车工业很早就对新型材料的引入和使用进行了研究和试验，在汽车工业中制约汽车工业发展的一个因素，就是随着汽车功能的增加，就需要不断地增加汽车内部的结构和机械制造，这样一来，车体的重量就会随之提升，但车辆重量的提升又会降低油耗的使用效能。而新型材料传动轴的开发已经经历了多代的变革，早在1985 年美国通用汽车就已经开始研发车用新型材料传动轴。与传统材料制作的传动轴相比，采用新型材料轴体的固有频率会更高，一般能达到金属传动轴的2 倍以上，使整个轴系的抗震能力得到了有效提升；而且根据对比研究数据发现，新型材料传动轴在后驱汽车中的应用具有很大的优势，在使用过程中能有效减少噪声震动，还可以借由新型材料自身自重较轻的特点，降低车辆的自重，提高输出功率。目前，新型材料传动轴与金属传动轴相比，重量上能降低40%，日本众多的汽车生产商为了在车辆的安全性和能源输出效率上达到平衡，都大量使用了新型材料，一方面可以有效提升车辆的抗撞击防护能力，避免了由于金属传动轴在使用一段时间后产生磨损造成的碎片飞溅，另一方面也可以降低金属轴，在使用时间过长后会对车辆产生反作用弹射力。目前在车辆工业中，新型材料所制作的传动轴的应用比例非常高，尤其是轿车领域大量使用了新型材料作为传动轴的主要制作材料。新型材料的制作工艺成熟，使其能以更加特殊的参数和形状进行制作，可以提供较大的扭矩挠度，有利于吸收冲击负载。
结束语
机械设计需要投入大量的材料,而每一种材料在开采和生产的过程中都有不同的工艺,一些材料在开采中会造成环境的污染,而一些材料在使用之后对其进行处理又非常困难。从业人员必须熟练掌握不同材料的使用性能,并对机械结构特点和功能性需求有所了解,在此基础上才能够完成机械设备的设计。
参考文献：
[1]范宝成，赵磊，荆政霖，等．金属材料在机械设计中的选择与应用[J]．硅谷，2013，6(19)：142+114．
[2]张苏星．机械产品设计中金属材料的选择和应用[J]．一重技术，2009(4)：3—6．