機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法研究

1、作者簡(jiǎn)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(jì)已經(jīng)由傳統(tǒng)的一般機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到直接面向市場(chǎng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展與工業(yè)設(shè)計(jì)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(guó)，隨著計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制向市場(chǎng)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(jì)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(jì)的需要，隨之而來(lái)的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法已經(jīng)得到

2、了迅速發(fā)展，形成了許多相對(duì)比較成熟的分支學(xué)科，如機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、防斷裂設(shè)計(jì)、抗疲勞設(shè)計(jì)、耐磨損設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)等，這些方法在實(shí)際的一些機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)思想的影響這些方法還沒(méi)有被廣大機(jī)械設(shè)計(jì)師普遍掌握和應(yīng)用，一些新的設(shè)計(jì)思想和方法更有待于探索和發(fā)展[1]。1機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)問(wèn)題材料是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，任何一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)的目的和要求。隨著人們對(duì)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(lái)愈高，需要設(shè)計(jì)人員熟悉產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)方法中，材料設(shè)計(jì)實(shí)際上僅僅是“材料選擇設(shè)計(jì)”，而這些材料的選擇設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往也是根據(jù)以往設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，即設(shè)計(jì)手冊(cè)中提供的參考資料或數(shù)據(jù)來(lái)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(jì)方法，有幾個(gè)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(guò)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(guò)程中常常會(huì)發(fā)現(xiàn)不合適，某個(gè)（些）零（部）件材料或者因?yàn)閮H能很好滿(mǎn)足整機(jī)使用的部分功能而其它功能一般，或者因其某個(gè)方面的性能特點(diǎn)產(chǎn)生了對(duì)整機(jī)其它方面性能的不良影響而致使整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品性能達(dá)不到要求，甚至報(bào)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(jì)手冊(cè)，有些內(nèi)容甚至?xí)笫昊驇资辏@與當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)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(cè)選擇的材料在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中往往是落后的，這將直接影響產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力或生命力[2]。2案例分析2.1輪軌耐磨性設(shè)計(jì)在鐵路的多曲路段，機(jī)車(chē)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(huì)危害行車(chē)安全。機(jī)務(wù)部門(mén)急迫地需要解決這一問(wèn)題。從工程摩擦學(xué)角度看，輪軌是一對(duì)摩擦副，是一個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)元素，研究其耐磨性問(wèn)題，應(yīng)該從整個(gè)系統(tǒng)出發(fā)，考慮雙方的材料最佳配對(duì)，以達(dá)到使用壽命的最長(zhǎng)值，作者基于此研究了一種機(jī)車(chē)輪緣中頻局部淬火技術(shù)，經(jīng)理論分析計(jì)算、大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和機(jī)車(chē)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(chē)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(chē)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(jì)用深冷處理技術(shù)延長(zhǎng)機(jī)械零件的使用壽命是一種很有效的方法。對(duì)多個(gè)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(zhǎng)數(shù)倍。但個(gè)別個(gè)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(shuō)明：對(duì)同一類(lèi)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(shuō)明該方法本身不行，而是還有一個(gè)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(wèn)題，即如何改變工藝參數(shù)以適應(yīng)材料本身的差異問(wèn)題[3]。2.3汽車(chē)制動(dòng)襯片設(shè)計(jì)我國(guó)汽車(chē)用制動(dòng)襯片目前有不少生產(chǎn)廠家，但正規(guī)的大汽車(chē)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(guó)產(chǎn)件在質(zhì)量穩(wěn)定性、壽命等方面明顯缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，特別是一些個(gè)體廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量根本沒(méi)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(dòng)過(guò)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(jì)

9、中的材料設(shè)計(jì)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(jì)方法已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)中的材料設(shè)計(jì)新方法?！娟P(guān)鍵詞】材料設(shè)計(jì)；系統(tǒng)論；功能論；材料數(shù)據(jù)庫(kù)【中圖分類(lèi)號(hào)】TH122【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1003773X（2009）03003202第24卷第3期(總第108期)機(jī)械管理開(kāi)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(kāi)發(fā)2009年6月劉小琴，等：機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料設(shè)計(jì)方法研究應(yīng)用ResearchonMaterialdesignofMechanicalDesignLIUXiaoqinXUHaifeng(DepartmentofMechanicalElectronicEngineeringYunch

11、engUniversityYuncheng044000China)〔Abstract〕Thetraditionalmethodofmaterialsdesigncannotbewelladaptedtomodernmechanicaldesignrequirements.Accdingtotheeticalanalysismanyyearresearchpracticesummarythenewmaterialsdesignmethod

12、sbasedonsystemTheyFunctiontheyhasbeendiscussed.〔Keywds〕MaterialDesignSystemTheyFunctionTheyMaterialsDatabase只是簡(jiǎn)單地完成配方材料混合、燒結(jié)和壓制等工藝過(guò)程，至于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的各種工藝參數(shù)的系統(tǒng)研究，不同車(chē)型材料配方的深入研究，特別是摩擦襯片和鼓（盤(pán)）的配對(duì)問(wèn)題，則沒(méi)有進(jìn)行研究。這些是目前我國(guó)汽車(chē)用制動(dòng)襯片質(zhì)量穩(wěn)定性問(wèn)題無(wú)法根本解

13、決的主要原因。2.4自動(dòng)裝料裝置的七連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)裝料裝置的設(shè)計(jì)，可采用七連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)整個(gè)懸掛于機(jī)架上，在原理方案（運(yùn)動(dòng)分析）正確的情況下，連桿材料的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)檫B桿的鉸鏈?zhǔn)钦麄€(gè)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(xiāo)孔用鋼套。由于當(dāng)時(shí)很難買(mǎi)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(jì)的鑄鋁連桿，加工時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)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(shí)有時(shí)發(fā)生折斷現(xiàn)象。加工完成后，裝機(jī)試用，又出現(xiàn)了問(wèn)題：1)由于鑄鋁件的重量比塑料件大得多，運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，起、停慣性大，對(duì)整個(gè)機(jī)架造成較大的沖擊振動(dòng)；2)試用一段時(shí)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(dòng)外，還因?yàn)殍T鋁件的彈塑性遠(yuǎn)不如塑料件。后來(lái)，購(gòu)買(mǎi)了進(jìn)口高性能塑料，制造成的連桿，上述問(wèn)題全部解決了。盡管進(jìn)口塑料單位價(jià)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(shuō)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(duì)機(jī)器整體功能有時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重影響。3機(jī)械設(shè)計(jì)中材料設(shè)計(jì)新的思想與方法以上案例分析進(jìn)一步說(shuō)明，機(jī)械設(shè)計(jì)中材料設(shè)計(jì)問(wèn)題已經(jīng)愈顯突出，傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法亟待改進(jìn)。鑒于工業(yè)設(shè)計(jì)方法的新進(jìn)展，作者認(rèn)為在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械零部件的材料設(shè)計(jì)應(yīng)從系統(tǒng)論思想和功能論思想出發(fā)，不僅要考慮滿(mǎn)足各零、部件的性能要求即滿(mǎn)足整機(jī)的各分功能要求，還應(yīng)考慮各零、部件對(duì)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(jì)功能分析時(shí)，應(yīng)包括三個(gè)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(lái)表示；2)對(duì)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(jì)方案；3)進(jìn)行可靠性定量及定性的分析，在對(duì)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(duì)優(yōu)化的材料設(shè)計(jì)方案，為整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這就是作者提出的機(jī)械設(shè)計(jì)中材料設(shè)計(jì)新的思想方法。具體，從傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)方法向現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)

17、材料設(shè)計(jì)方法發(fā)展有以下幾個(gè)方面：(1)設(shè)計(jì)思想上應(yīng)樹(shù)立系統(tǒng)觀和功能觀。工程上沒(méi)有絕對(duì)好或絕對(duì)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(lái)評(píng)定它是絕對(duì)好或差的材料，材料設(shè)計(jì)時(shí)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(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)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(tái)機(jī)器中是否合適，對(duì)其價(jià)格的評(píng)估也是如此。案例2.4節(jié)說(shuō)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(gè)子系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)研究，無(wú)法滿(mǎn)足或保證整個(gè)子系統(tǒng)（整個(gè)部件）的系統(tǒng)功能，特別是高速、重載的零、部件會(huì)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(dòng)載荷等；(3)建立基于INTER的機(jī)械設(shè)計(jì)材料庫(kù)。鑒于前文2提出的傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法即“查手冊(cè)設(shè)計(jì)法”的不足，作者認(rèn)為，應(yīng)盡快建立基于

19、INTER的動(dòng)態(tài)的機(jī)械工程材料庫(kù)。換言之，在INTER上建立獨(dú)立的《機(jī)械工程材料庫(kù)》網(wǎng)頁(yè)及數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)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(hù)材料庫(kù)，即由機(jī)械工程材料有關(guān)生產(chǎn)廠家或有關(guān)經(jīng)營(yíng)部門(mén)直接訪問(wèn)網(wǎng)站，隨時(shí)添加國(guó)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(jià)格、廠家、供貨途徑等。這樣的材料庫(kù)不僅可以滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)、即時(shí)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(yǔ)傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)方法已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)中的材料設(shè)計(jì)新方法，并建議建立基于INTER的機(jī)械設(shè)計(jì)材料數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)用新的設(shè)計(jì)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(jiān).機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教