在市场经济中,企业要在竞争中处于不败之地,靠的就是高质量、低成本的产品.机械设计工作的重要性,不仅在于它是生产技术准备工作的第一步,而且还在于它将严重影响产品的质量和成本,虽然影响产品成本的因素很多,但主要与设计、制造和原料有关.
1 机械设计中对材料的选择
在机械零件的设计与制造过程中,材料选择是否得当,直接影响到零件的使用性能、使用寿命及制造成本.当碰到零件的材料选择问题时,一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案,选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）。
当无先例可循,同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时,他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据,信手选定一种较万能的材料.而在实际工作中许多机械工程师,常常把零件的材料选择看成一种简单而不太重要的任务.
1.1机械零件材料的选择应满足基本要求
1.1.1使用性能要求材料在使用过程中的表现,即使用性能,是选材时应考虑满足的根本要求.不同零件所要求的使用性能是很不一样的,有的零件主要要求高强度,有的则要求高的耐磨性,有的甚至无严格的性能要求,仅仅要求有美丽的外观.因此,在选材时,首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能.
1.1.2工艺性能要求材料的工艺性反映的是材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力,即要求所选材料在加工制造时首先能够造出成品来,并且能够便于制造、同时必须保证质量.
1）热加工工艺性能 热加工工艺性能主要指铸造性能、锻造性能、焊接性能和热处理性能.
2）切削加工性能 金属的切削加工性能一般用刀具耐用度为60min时的切削速度V60来表示,V60越高,则金属的切削性能越好.
1.1.3经济性能要求零件材料的选择要以最小的耗费取得最大的经济效益.同时,在满足使用性能的前提下,选用材料还应注意尽量降低零件的总成本.
1）材料价格 材料价格在产品总成本中占较大比重,达30%~70%.
2）提高材料的利用率 如用精铸、模锻、冷拉毛坯,可以减少切削加工面材料的浪费.
3）零件的加工和维修费用等要尽量低.
4）采用组合结构 如蜗轮齿圈采用减磨性好的贵重金属,而其他部分采用廉价的材料.
5）材料的合理代用 对生产批量大的零件,要考虑我国资源状况,材料来源要丰富,尽量避免采用我国稀缺而需进口的材料;尽量用高强度铸铁代替钢,用热处理方法等强化的碳钢代替合金.
1.2机械零件材料选择的方法
1.2.1选材对产品寿命周期成本的影响 显然,材料的选用极大地影响了产品寿命周期成本的各个组成部分.工程实践中,在保证产品合理功能（或性能）的前提下,虽然一般是选用价格便宜的材料,可降低产品的寿命周期成本;但同时我们更应注意的是,有时若选用成本虽高但性能更优的材料,由于产品的自重减轻、使用寿命延长、维修费用减少、能源费用降低等多方面的有利因素,从产品寿命周期成本角度考虑,反而是经济的.
1.2.2制造方法的选择是材料选择过程中一个不可分割的因素,即应将结构设计、材料选择及其可用的加工方法作为一个有机的整体看待.选材时不仅要考虑零件的某单项加工工序的成本,更重要的是应综合考虑其整个加工路线所涉及的全部加工工序之总成本.
2 机械设计标准化是提高产品质量降低成本的主要途径
2.1机械零件是机器的基本组成要素,对于机械零件设计工作来说,标准化的作用是很重要的.所谓零件的标准化,就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等,制定出各式各样的大家共同遵守的标准.标准化带来的优越性表现在:
2.1.1能以最先进的方法在专门化工厂对那些用途最广的零件进行大量的、集中的制造,以提高质量、降低成本.
2.1.2统一材料和零件的性能指标,使其能够进行比较,并提高零件性能的可靠性.
2.1.3采用标准结构及零、部件,可以简化设计工作,缩短设计周期,提高设计质量.
2.2搞好设计阶段的标准化工作是降低产品成本的重要途径在市场经济体制下,生产厂家应根据市场的需求变化,不断更新产品品种,提高产品质量,降低物资消耗,提高经济效益.要达到这些目的,都离不开标准化,必须用标准化手段,从严把好产品设计这一关,才能使企业在市场竞争中求得生存和发展,加快新产品开发.
3 影响机加工件表面层物理力学性能的因素
机械加工中工件由于受到切削力和切削热的作用,其表面层的物理力学性能将产生很大的变化,造成与基体材料性能的差异,这些变化主要表现为表面层的金相组织和硬度的变化及表面层出现的残余应力.
3.1表面层金相组织的变化
机械加工过程中,在加工区由于加工时所消耗的热量绝大部分转化为热能使加工表面出现温度的升高.当温度升高到超过金相组织变化的临界点时,表面层金相组织就会发生变化.一般的切削加工,切削热大部分被切屑带走,因此影响也较小.但对磨削加工来说,由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法大几十倍,切削区的高温将引起表面层金属的相变.影响磨削烧伤的因素有:
3.1.1砂轮材料 对于硬度太高的砂轮,钝化磨料颗粒不易脱落,砂轮容易被切削堵塞.因此,一般用软砂轮好.
3.1.2磨削用量 当磨削深度增大时,工件表面及表面下不同深度的温度都将提高,容易造成烧伤;当工件纵向进给量增大时,磨削区温度增高,但热源作用时间减小,因而可减轻烧伤.但提高工件速度会导致其表面粗糙度值增大.提高砂轮速度可弥补此不足.实践证明,同时提高工件速度和砂轮速度可减轻工件表面烧伤.
3.1.3冷却方式 采用切削液带走磨削区热量可避免烧伤.但由于旋转的砂轮表面上产生强大的气流层,切削液不易附着,以致没有多少切削液能进入磨削区.因此,可采用高压大流量的冷却方式,一方面可增加冷却效果,另一方面可以对砂轮表面进行冲洗,使切屑不致堵塞砂轮.
3.2加工表面的冷作硬化
加工过程中表面层金属产生塑性变形,使晶体间产生剪切滑移,晶格严重扭曲,并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化,引起材料的强化,其强度和硬度均有所提高,这种变化的结果称为冷作硬化.加工表面层冷作硬化指标以硬化层深度、表面层的显微硬度及硬化程度表示.一般硬化程度越大,硬化层的深度也越大.影响冷作硬化的主要因素:
3.2.1切削用量 切削速度增大,刀具与工件接触挤压时间短,塑性变形小.速度大时温度也会增高,有助于冷硬的恢复,冷硬较弱.进给量增大时切削力增加,塑性变形也增加,硬化加强.但当进给量较小时,由于刀具刃口圆角在加工表面单位长度上的挤压次数增多,硬化程度也会增大.
3.2.2刀具 刀具刃口圆弧半径增加,对表层挤压作用大,使冷硬增加;刀具副后刀面磨损增加,对已加工表面摩擦增大,使冷硬增加;刀具前角加大可减小塑性变形,使冷硬减小.
3.2.3工件材料 工件材料的硬度越低,塑性变形越大,切削后冷作硬化现象越严重.
3.3表面层的残余应力
切削过程中金属材料的表层组织发生形状和组织变化时,在表层金属与基体材料交界处将会产生相互平衡的弹性应力,该应力就是表面残余应力.表面层的残余应力的产生,主要有以下三种原因:
3.3.1冷态塑性变形引起的残余应力
在切削力作用下,已加工表面发生强烈的塑性变形,表面层金属体积发生变化,此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态.切削力去除后,基体金属趋向恢复,但受到已产生塑性变形的表面层的限制,恢复不到原状,因而在表面层产生残余应力.
3.3.2热态塑性变形引起的残余应力
工件被加工表面在切削热的作用下产生热膨胀,此时基体金属温度较低,因此表层产生热压应力.当切削过程结束时,表面温度下降,由于表层已产生热塑性变形并受到基体的限制,因而产生残余拉应力.
3.3.3金相组织变化引起的残余应力
切削时产生高温会引起表面层金相组织变化.由于不同的金相组织有不同的密度,表面层金相组织变化引起体积变化,当表面层体积膨胀时,因受到基体的限制,产生了压应力.表面层体积缩小,则产生拉应力.
4 润滑剂的特性及应用
为了使工件得到所期望的几何形状、尺寸精度和表面质量,需要对工件进行切削、研磨、冲压、轧制和拉拔等,金属加工润滑剂是金属在加工工艺过程中所使用的润滑冷却材料.
4.1润滑剂的作用和技术要求
我们使用的金属切屑润滑剂的主要目的是:（1）延长刀具的使用寿命;（2）保证和提高工件的加工尺寸精度;（3）改善工件表面的光洁度;（4）及时排除金属屑,确保切削过程顺利进行;（5）及时带走切屑热,迅速均匀冷却刀具和工件等;（6）防止机床和工件产生腐蚀和锈蚀;（7）提高切削加工效率,降低成本.为实现上述目的,要求金属切屑润滑剂必须具备以下几方面主要性能:
4.1.1冷却性能
在金属切削加工过程中,所消耗的能量,绝大部分（90%以上）都转变成切削热,它不但使刀具容易磨损,而且使工件容易产生局部烧伤或发暗,影响工件表面的加工精度及加工质量.因此,要求金属切削润滑剂能够首先通过减轻摩擦来减少热量的产生.二是通过切削液的热传导、对流和汽化进行散热.
4.1.2润滑性能
刀具在切削工件的瞬间,通常承受着极大的切削力作用,金属切削润滑剂良好的润滑性可以减小刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间或砂轮与材料间的摩擦与磨损,降低摩擦系数,防止刀具与切屑或工件间的粘着.减少功率消耗,延长刀具的使用寿命,从而使工件获得良好的表面光洁度;更重要的是减少切削过程中产生积屑瘤（即刀瘤）的机会.
4.1.3清洗性能
金属在切削（或磨削）过程中,油污、细小的切屑、金属粉末和砂轮砂粒等互相粘结,并粘附在工件、刀具和机床上,影响工件的加工质量,降低刀具和砂轮的使用寿命,影响机床的精度.因此,金属切削润滑剂应具有良好的清洗作用,减少细小的切屑及金属粉末等的粘结以利清洗,同时迅速将细小的切屑及金属粉末等及时冲走.
4.1.4防锈性能
水基型金属切削润滑剂在使用过程中大部分是水（约占80%-98%），为锈蚀的产生提供了有利的环境,其中的极压剂和某些表面活性剂往往会加剧金属的锈蚀;所以要求水基型金属切削润滑剂必须具备一定的防锈性能,使工件在加工过程中和加工后的短时间内不产生锈蚀.
4.2金属切削润滑剂的选择选择金属切削润滑剂,首先要根据切削加工的工艺条件及要求,初步判断选取纯油性或水溶性切削润滑剂.通常我们可以根据机床供应商的推荐来选择;其次,还可以根据常规经验进行选取,如使用高速钢刀具进行低速切削时,通常采用纯油性,使用硬质合金刀具进行高速切削时,通常可以采用水溶性;对于供液困难或切削液不易达到切削区时采用纯油性金属切削液（如攻丝、内孔拉削等），其他情况下通常可采用水溶性金属切削液等.其次,1,还要根据被加工件材质及对工件的加工精度和粗糙度的要求等,初步选取切削液的品种.然后根据不同材质的不同特性选取不同的切削液产品,由于机械设备在运行过程中,受载荷以及零件加工精度等方面的影响,摩擦和磨损是不可避免的.随着机械设备的工作条件日益苛刻,或工作强度的提高,对润滑剂性能的要求也越来越高,同时,往往要求一种润滑剂要具有多种功能.实践表明,润滑剂在减小机械磨损,延长机械使用寿命方面起着十分关键的作用.
总之,在市场经济中,为了更好满足企业的发展,1先进,品种越来越多.这就要求我们在机械设计当中,对材料的选择、标准化的应用提高到一个新的认识,在加工过程中,减少影响表面层物理力学性能的因素以及润滑剂的合理运用.努力把我们加工成本降到合理的水平,从而提高企业的经济效益.
【参考文献】
[1]梁耀能.机械工程材料[M].南理工大学出版社,2002,2.
[2]胡家秀.机械设计基础[M].机械工业出版社,2001,6.
[3]李占周.金属切削用润滑剂的使用及发展趋势.东方电机,2009,1.
