探究機械設計過程中機械材料的選擇和應用論文

摘要：材料的選擇與應用是機械設計中的重要內容, 其關係着機械產品的性能及使用壽命, 尤其是部分機械產品對材料各項參數要求較高, 需設計人員綜合分析, 保證選擇材料的合理性與科學性。本文對機械材料相關知識作簡單分析, 提出機械設計過程中機械材料選擇與應用策略, 以供參考。

關鍵詞：機械設計; 機械材料; 選擇; 應用;

近年來, 我國機械製造業發展迅速, 一定程度上推動我國工業化進程。眾所周知, 機械製造業涉及諸多環節, 其中設計環節決定着機械產品的整個生產過程及生產質量, 尤其機械材料的選擇是機械設計的重中之重, 受到機械設計業內人士的廣泛關注。

1 機械設計常用材料分析

從大的方面對機械設計中常用材料進行劃分, 機械材料分為金屬材料與非金屬材料, 其中金屬材料又被分為鑄鐵、鋼、銅合金等, 而非金屬分為高分子材料、陶瓷、複合材料等。這些材料在機械設計中之所以廣泛應用, 得益於其優良的性能。

1.1 金屬材料

鑄鐵的液態流動性、易熔性良好, 並且切削性、耐磨性、減震性符合多數零件生產要求, 可被用於製造各種複雜零件。依據鑄鐵中碳的形態及存在形式, 鑄鐵分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵, 對灰口鑄鐵而言, 內部的片狀石墨可對機體產生分割作用, 而且可引起應力集中效應, 塑性低, 鑄造性良好。應用時常用的熱處理方式有表面淬火、高温退火、去應力退火。球墨鑄鐵較灰口鑄鐵塑性高、強度強, 應用中常使用淬火+回火、正火、退火等工藝處理。

鋼在機械設計中應用極為廣泛, 依據劃化學成分, 鋼分為碳素鋼、合金鋼。其中碳素鋼的優點較多, 價格低廉、產量大、工藝性能及力學性能優良。依據含碳量多少, 鋼被分為多種類型, 見表1。

機械設計中為改善高碳鋼的性能, 常向其中加入一些特殊元素, 形成合金鋼。研究發現, 合金鋼性能除受其化學成分影響外, 而且取決於採用的熱處理工藝。

銅合金分為軸承、黃銅、青銅合金等, 具有優良的液體流動性與塑性, 其中青銅合金的抗腐蝕性、減摩性良好, 被廣泛應用在機械設計中。

1.2 非金屬材料

高分子材料中塑料與橡膠是典型代表, 在機械設計中應用廣泛, 其中塑料重量輕, 形成複雜零件的難度較小, 而且不同塑料具有的性能不良, 如摩擦係數大、絕緣性、耐腐蝕性強等。橡膠富餘彈性, 能較好地吸收衝擊能量, 常用於製造減震器、聯軸器的彈性元件。

陶瓷材料化學性能穩定, 高熱硬性強, 被用於製造磨具、刀具、燃燒器噴嘴等耐腐蝕、耐磨、耐熱零件, 具有廣闊的應用前景。

複合材料有效地克服了高分材料、陶瓷材料的不足, 耐磨性、減振性、抗疲勞性強。不過複合材料價格昂貴, 多用在武器裝備、船舶、航空等領域中, 在民用工業中的應用有限, 不過隨着科技發展, 複合材料生產成本的下降, 在機械設計中的應用前景極其廣闊。

2 機械設計中材料的選擇與應用策略

在對機械設計常用材料知識瞭解的基礎上, 為保證設計的零件滿足要求, 機械設計中還需要設計人員做好以下工作:

2.1 明確機械設計要求

為保證機械設計中機械材料選擇的科學、合理, 設計人員應明確機械設計要求, 把握設計工作的重點與難點, 保證設計工作的順利進行, 尤其應注意以下問題:

一方面, 明確設計零件用途。機械零件用途不同, 對零件性能的要求差別較大, 直接影響材料的選擇, 因此, 設計人員應結合零件用途, 分析零件所處的運行環境, 以及運行中的影響因素, 對比分析不同材料的適用性。必要情況下, 對零件所處的運行環境進行仿真模擬, 掌握零件各種受力參數, 選擇針對性機械材料。另一方面, 做好材料經濟性分析。不同機械材料不僅性能差別較大, 而且價格有較大差異, 因此, 機械設計中應做好成本的控制, 對各待選材料的經濟性進行分析, 認真分析零件生產所需工藝, 以及在生產中的人力、財力投入情況, 確定最佳的機械材料應用方案。

2.2 做好材料性能分析

機械材料性能對機械零件性能及使用壽命造成的影響最為直接, 因此, 設計過程中應將材料性能分析作為重點工作加以落實, 具體可從以下內容入手:

首先, 做好物理性能分析。機械材料的物理性能較多, 包括導熱性、導電性、熔點和密度等, 要求設計人員結合零件所處環境, 對比各機械材料的物理性能, 尤其應分析製造工藝複雜性情況, 確定最佳的機械材料。例如, 當機械零件的重量有限制時, 可考慮使用鋁、鎂等輕金屬材料。其次, 做好化學性能分析。機械材料的化學性能包括化學穩定性、抗氧化性、耐腐蝕性等。例如, 部分零件在高温條件下運行, 為延長其使用壽命應考慮使用耐高温、抗氧化性強的機械材料。最後, 做好工藝性能分析。機械材料的工藝性能有:焊接性能、切削性能、鍛造性能等, 這些性能決定着零件生產的難易程度, 因此, 需要設計人員通過試驗確定所用材料, 而後組織專家對各材料的可行性進行分析, 確定最佳的機械材料選擇方案。

2.3 選優合理處理工藝

機械零件生產時, 為提高零件綜合性能往往採用相關工藝進行處理, 促進機械生產工作的順利進行, 設計人員應分析不同機械材料所用處理工藝的複雜度, 確定最佳的處理方案。接下來以鋼材料的熱處理為例進行分析。

鋼熱處理分為普通熱處理、表面熱處理, 其中普通熱處理包括退火、正火、淬火等, 表面熱處理有滲碳、滲氮、高頻淬火等。如機械材料硬度較大, 不利於切削、生產時, 需要進行退火處理, 以降低材料硬度。與之相反, 如想提高機械材料硬度, 可對鋼進行正火處理。另外, 經退火或正火處理, 機械材料硬度、強度應無法滿足設計要求時, 此時應考慮使用淬火與回火進行處理, 以獲得優異的力學性能, 及脆、硬的馬氏體。如需要機械零件表面至心部具有不同的性能時, 則需對其進行表面熱處理。例如, 為提高零件表面的耐腐蝕性、熱硬性、硬度時, 可對其進行氮化處理。如需獲得表面的高碳回火馬氏體, 而信不為低碳回火馬氏體, 則需進行鋼的`滲碳處理。如需表面層為淬火組織, 而內部為淬火前組織時, 可考慮採用高頻淬火進行處理, 其中電流頻率越高獲得的淬透層越薄。總之, 不同的處理工藝, 實施流程及複雜度有所不同, 要求設計人員設計過程中做好充分的考慮。

3 結論

機械設計是機械製造的關鍵環節, 專業性強, 對設計人員的綜合水平要求較高, 為保證設計方案科學、合理, 方便後期的零件生產, 設計人員應做好機械材料選擇與應用研究。本文通過研究得出以下結論:

(1) 機械設計常用材料類型較多, 從大的方面分為金屬材料、非金屬材料, 不同類型的材料物理、化學、工藝性能存在較大差別, 要求設計人員熟練掌握不同材料性能, 為機械設計工作的順利實施做好鋪墊。

(2) 機械設計中, 為保證機械材料選擇的合理性, 要求設計人員做好設計工作分析工作, 明確設計工作要求, 詳細瞭解機械零件所處的運行環境。同時, 做好經濟性分析, 嚴格控制生產成本。另外, 還應做好機械零件的性能及處理工藝分析, 確定最佳機械材料的同時, 選擇合理的處理工藝, 以改善機械零件性能, 保證零件生產質量。

參考文獻

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