机械设计材料【电子机械设计中材料的选择与若干问题】

电子机械设计中材料的选择与若干问题

1.机械设计中对材料的选择 1.1 机械零件材料的选择应满足基本要求 1）使用性能要求。机械设计加工中，材料的使用性能是有一定要求的， 也就是该材料对于机械设计加工的要求能否满足，而且材料的使用性能根据设计 的产品不同而不同，根据设计加工的产品不同，材料的使用性能也有不同的要求， 比如，有些零件需要高强度的材料，有些零件需要高韧性的材料，还有些零件需 要耐高温的材料。所以，在机械设计加工时要严格要求材料的使用性能。

2）工艺性能要求。设计加工材料除了对使用性能的要求较高，对工艺性 能也有一定的要求，先进的技术水平让加工工艺逐渐脱离了原始的简单工艺方式， 多样的加工工艺对材料也有了工艺性能的要求。

①热加工工艺性能。对于电子机械设计而言，需要完全考虑到热加工工艺 的主要性能要求，对于热加工工艺的性能要求而言，它主要包含了铸造、锻造、 焊接和热处理等方面的性能。

②切削加工性能。对于一些工件而言，它的材质特性有可能比较特殊，一 般的刀具耐用度可能无法满足，这就需要设计中充分考虑这一点要求，从而加强 对于切削加工性能的考虑。

3）经济性能要求。企业要想获得利益，就必须既要保证质量，又要保证 低成本，所以，在机械设计加工中，选择材料要以保证质量过关的基础上最大程 度的降低成本，这样才能获得最大的经济效益。

材料价格应该占相当大的比例，最起码应该占总生产成本的30%~70%。

提高铸造、锻造，如冷拉伸毛坯材料的利用率，降低切削表面材料的浪费。加工和修理费用的部分要尽可能低。

蜗轮齿圈是可以由贵金属减摩复合结构，而其他部分使用廉价的材料。

用于零件的大批量生产，寻找合理的替代材料，实际考虑中国的资源状况， 料源来源要丰富，尽量避免使用我国稀缺和进口的材料；
尽量采用高强度铸铁代 替钢，通过热处理强化代替合金钢。

1.2 机械零件材料选择方法 机械设计加工过程中，材料的选择是至关重要的，因为，这不仅仅影响的 是零件的质量，也同样影响产品是否经济，这个就需要仔细衡量了，在选择材料 时，既要满足优质产品的质量要求，还能够减少经济成本，其实这个平衡并不容 易，也就是说，如果选择了高价格的材料，就能够保证产品的质量，而且也能够 减少后续的维护成本，但是这也要把握好一个度，如果成本过高就很难活的利润。

另外，如果成本较低，但是质量上不能保证就显得得不偿失了。

2.影响机加工件表面层物理力学性能的因素 在对材料进行机械加工过程中，材料本身会受到物力影响，材料本身的物 力性能会产生变化，导致和原本的材料参数出现偏差，这样的变化是不可避免的， 就需要在设计时要将这些因素考虑全面，比如表明层金相组织和硬度的变化。

2.1 表面层金相组织的变化 机械加工过程中，加工区加工所消耗的热量是最多的，而且大部分的热量 都是通过表面处理而产生的。当温度上升到临界点以上的时候，会使得微观结构 出现变化，表面层的微观组织产生变化。切削所产生切削热被大部分的切屑多带 走，所以影响不大。但对磨削而言，切削热的产生比单位面积切割方法所产生的 热量大几十倍，使得高温消融区的金属表面产生相变层。磨削烧伤的影响因素如 下。

1）砂轮材料。实际的机械部件中，砂轮部分通常都是采用高硬度的材料 制作而成，这种的材料会使得在进行磨料过程中，使得一些颗粒容易堵塞砂轮， 从而中断砂轮的工作，所以，需要尽可能的采用软砂轮材料。

2）磨削用量。当磨削深度增加的时候，在表面和表面以下的温度也在不同深度的增加，可能会造成烫伤；
当工件的纵向进给量增加的时候，磨削区的温 度会上升，从而使得热反应时间减少，从而减轻烧伤。

2.2 加工表面的冷作硬化 在地工件进行加工处理的过程中，工件表面金属层会因为加工而产生塑性 变形，并且通过晶体直接的来回滑动式的晶格产生扭曲，从而出现晶粒、纤维等， 从而造成材料硬化，使得材料的整体硬度和强度都提高了，而这种加工之后所产 生的硬化，我们称之为冷作硬化。而造成加工过程中工件表面出现冷作硬化的主 要因素包括以下几个。

1）切削用量。切割速度的增加，使得刀具和工件接触的时间很短，产生 的塑性变形较小。速度和温度会更高大，以帮助冷硬恢复，使得冷硬较弱。切削 力的增加是因为进给量的增加，从而增加塑性变形，硬化加强。然而，当进给量 为小的情况下，由于工作表面的刀具刃口圆角挤出单元长度频率的增加，会使得 硬化程度增加。

2）刀具。刀具刃口半径的增加，使得表面不断压缩，导致冷却增加；
刀 具的后刀面磨损增加，使得加工表面的摩擦增大，所以冷冻增加；
对于刀具前角 的增加，可以降低塑性变形，减少冷冻效果。

3）工件材料。切割后的工件材料硬度越低，就会出现更大的塑性变形， 冷作硬化现象也就更为严重。

2.3 表面层的残余应力 1）冷态塑性变形引起的残余应力。工件材料在切削力的作用情况下，已 加工表面会出现强塑性变形，表面层的金属量会出现变化，从而基质金属由于受 到影响而处于弹性变形的状态。当切削力被移除之后，基体金属倾向于恢复，但 已经塑性变形的表面层受到限制，不能恢复其原来的状态，因此，在表面层中会 出现残余应力。

2）热态塑性变形引起的残余应力。一般情况下，工件在切割时产生热量 的影响下会产生热膨胀，而且这个时候的基体金属温度比较低，被处理工件的表 面产生热压应力。当切割过程结束时，表面温度下降，由于表层产生的塑性变形 受到了基体限制，也就产生了残余拉应力。3.对机械设计加工过程中应该注意的问题 3.1 机械零件材料要保证满足设计要求 对于电子机械设计而言，选择必要、合适的零部件和材料是非常重要的， 选择的这些材料是需要符合当初设计时所满足经济及工艺性能的基本要求。而且 对于电子机械的使用性能方法，我们需要根据选择的零部件材料、强度和耐心指 数进行研究，从而来确定什么材料能够符合设计的要求；
而在工艺性能角度上， 我们还需要结合电子机械的加工要求，所加工的材料需要符合锻造的要求和处理 性能。在经济性能方面，要尽可能在保障质量的基础上降低采购成本，发挥可利 用率高的材料作用，以普通、性能相似的材料取代稀缺或者进口材料，提高生产 经济性。

3.2 机械零件材料选择的主要方法 机械零件的材料选择时十分重要的，要想保证产品的优秀质量和企业的经 济效益，就一定要在机械零件材料的选择上做好工作，这不仅仅关系到产品自身 的问题，也关系到产品的生产过程中的各个问题。材料和质量和成本要做好平衡， 在保证质量的同时降低成本，成本过高或过低都不是有利于产品的生产。所以， 在选择机械零件材料时要全方面考虑，包括产品的使用周期，产品的维护成本， 产品的质量等等，都是需要考虑的问题，只有综合性的考虑，才能选择出最优的 机械零件材料。

3.3 了解润滑剂使用的作用与性能 机械设计加工过程中，不可或缺的就是润滑剂的使用，材料在加工过程中 会出现高温、粗糙、磨损、腐蚀等一系列的情况，而润滑剂的使用可以有效的防 止这些问题的产生，让材料加工更加容易，也最大程度的减少磨损的情况，提供 材料的使用效率，减少不必要的损失，这样在加工过程中就能提高材料的使用效 率，从侧面降低材料的成本。所以，润滑剂在材料加工过程中有着巨大的作用， 在润滑剂的选择上也要多加注意，要具备冷却、润滑、清洗和防腐蚀的作用。这 样就能解决不少问题，在材料加工中，除了减少材料和机器之间的摩擦，还能够 有效的较低温度，防止材料出现由温度而引起的参数变化，降低材料加工的损耗， 尤其是零件的使用寿命也会大大增加，对于产品的整体是有着巨大作用的。润滑 剂的性能一定要有针对性，对于不同的材料，不同的零件，所需要的性能也是不 相同的，有的要求硬度，有的要求耐磨程度，有的要求韧性，所以，在润滑剂的使用上还要综合分析，运用得当。

作者：高硕（北京空间机电研究所，北京 100190）