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探究機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中機(jī)械材料的選擇和應(yīng)用論文
摘要：材料的選擇與應(yīng)用是機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容, 其關(guān)系著機(jī)械產(chǎn)品的性能及使用壽命, 尤其是部分機(jī)械產(chǎn)品對(duì)材料各項(xiàng)參數(shù)要求較高, 需設(shè)計(jì)人員綜合分析, 保證選擇材料的合理性與科學(xué)性。本文對(duì)機(jī)械材料相關(guān)知識(shí)作簡(jiǎn)單分析, 提出機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中機(jī)械材料選擇與應(yīng)用策略, 以供參考。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì); 機(jī)械材料; 選擇; 應(yīng)用;
近年來(lái), 我國(guó)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展迅速, 一定程度上推動(dòng)我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程。眾所周知, 機(jī)械制造業(yè)涉及諸多環(huán)節(jié), 其中設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)決定著機(jī)械產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及生產(chǎn)質(zhì)量, 尤其機(jī)械材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的重中之重, 受到機(jī)械設(shè)計(jì)業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。
1 機(jī)械設(shè)計(jì)常用材料分析
從大的方面對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中常用材料進(jìn)行劃分, 機(jī)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、復(fù)合材料等。這些材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中之所以廣泛應(yīng)用, 得益于其優(yōu)良的性能。
1.1 金屬材料
鑄鐵的液態(tài)流動(dòng)性、易熔性良好, 并且切削性、耐磨性、減震性符合多數(shù)零件生產(chǎn)要求, 可被用于制造各種復(fù)雜零件。依據(jù)鑄鐵中碳的形態(tài)及存在形式, 鑄鐵分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵, 對(duì)灰口鑄鐵而言, 內(nèi)部的片狀石墨可對(duì)機(jī)體產(chǎn)生分割作用, 而且可引起應(yīng)力集中效應(yīng), 塑性低, 鑄造性良好。應(yīng)用時(shí)常用的熱處理方式有表面淬火、高溫退火、去應(yīng)力退火。球墨鑄鐵較灰口鑄鐵塑性高、強(qiáng)度強(qiáng), 應(yīng)用中常使用淬火+回火、正火、退火等工藝處理。
鋼在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用極為廣泛, 依據(jù)劃化學(xué)成分, 鋼分為碳素鋼、合金鋼。其中碳素鋼的優(yōu)點(diǎn)較多, 價(jià)格低廉、產(chǎn)量大、工藝性能及力學(xué)性能優(yōu)良。依據(jù)含碳量多少, 鋼被分為多種類(lèi)型, 見(jiàn)表1。
機(jī)械設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn), 合金鋼性能除受其化學(xué)成分影響外, 而且取決于采用的熱處理工藝。
銅合金分為軸承、黃銅、青銅合金等, 具有優(yōu)良的液體流動(dòng)性與塑性, 其中青銅合金的抗腐蝕性、減摩性良好, 被廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛, 其中塑料重量輕, 形成復(fù)雜零件的難度較小, 而且不同塑料具有的性能不良, 如摩擦系數(shù)大、絕緣性、耐腐蝕性強(qiáng)等。橡膠富余彈性, 能較好地吸收沖擊能量, 常用于制造減震器、聯(lián)軸器的彈性元件。
陶瓷材料化學(xué)性能穩(wěn)定, 高熱硬性強(qiáng), 被用于制造磨具、刀具、燃燒器噴嘴等耐腐蝕、耐磨、耐熱零件, 具有廣闊的應(yīng)用前景。
復(fù)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(qiáng)。不過(guò)復(fù)合材料價(jià)格昂貴, 多用在武器裝備、船舶、航空等領(lǐng)域中, 在民用工業(yè)中的應(yīng)用有限, 不過(guò)隨著科技發(fā)展, 復(fù)合材料生產(chǎn)成本的下降, 在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景極其廣闊。
2 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇與應(yīng)用策略
在對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)常用材料知識(shí)了解的基礎(chǔ)上, 為保證設(shè)計(jì)的零件滿(mǎn)足要求, 機(jī)械設(shè)計(jì)中還需要設(shè)計(jì)人員做好以下工作:
2.1 明確機(jī)械設(shè)計(jì)要求
為保證機(jī)械設(shè)計(jì)中機(jī)械材料選擇的科學(xué)、合理, 設(shè)計(jì)人員應(yīng)明確機(jī)械設(shè)計(jì)要求, 把握設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn), 保證設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行, 尤其應(yīng)注意以下問(wèn)題:
一方面, 明確設(shè)計(jì)零件用途。機(jī)械零件用途不同, 對(duì)零件性能的要求差別較大, 直接影響材料的選擇, 因此, 設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合零件用途, 分析零件所處的運(yùn)行環(huán)境, 以及運(yùn)行中的影響因素, 對(duì)比分析不同材料的適用性。必要情況下, 對(duì)零件所處的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行仿真模擬, 掌握零件各種受力參數(shù), 選擇針對(duì)性機(jī)械材料。另一方面, 做好材料經(jīng)濟(jì)性分析。不同機(jī)械材料不僅性能差別較大, 而且價(jià)格有較大差異, 因此, 機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)做好成本的控制, 對(duì)各待選材料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析, 認(rèn)真分析零件生產(chǎn)所需工藝, 以及在生產(chǎn)中的人力、財(cái)力投入情況, 確定最佳的機(jī)械材料應(yīng)用方案。
2.2 做好材料性能分析
機(jī)械材料性能對(duì)機(jī)械零件性能及使用壽命造成的影響最為直接, 因此, 設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)將材料性能分析作為重點(diǎn)工作加以落實(shí), 具體可從以下內(nèi)容入手:
首先, 做好物理性能分析。機(jī)械材料的物理性能較多, 包括導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熔點(diǎn)和密度等, 要求設(shè)計(jì)人員結(jié)合零件所處環(huán)境, 對(duì)比各機(jī)械材料的物理性能, 尤其應(yīng)分析制造工藝復(fù)雜性情況, 確定最佳的機(jī)械材料。例如, 當(dāng)機(jī)械零件的重量有限制時(shí), 可考慮使用鋁、鎂等輕金屬材料。其次, 做好化學(xué)性能分析。機(jī)械材料的化學(xué)性能包括化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性、耐腐蝕性等。例如, 部分零件在高溫條件下運(yùn)行, 為延長(zhǎng)其使用壽命應(yīng)考慮使用耐高溫、抗氧化性強(qiáng)的機(jī)械材料。最后, 做好工藝性能分析。機(jī)械材料的工藝性能有:焊接性能、切削性能、鍛造性能等, 這些性能決定著零件生產(chǎn)的難易程度, 因此, 需要設(shè)計(jì)人員通過(guò)試驗(yàn)確定所用材料, 而后組織專(zhuān)家對(duì)各材料的可行性進(jìn)行分析, 確定最佳的機(jī)械材料選擇方案。
2.3 選優(yōu)合理處理工藝
機(jī)械零件生產(chǎn)時(shí), 為提高零件綜合性能往往采用相關(guān)工藝進(jìn)行處理, 促進(jìn)機(jī)械生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行, 設(shè)計(jì)人員應(yīng)分析不同機(jī)械材料所用處理工藝的復(fù)雜度, 確定最佳的處理方案。接下來(lái)以鋼材料的熱處理為例進(jìn)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(jī)械材料硬度較大, 不利于切削、生產(chǎn)時(shí), 需要進(jìn)行退火處理, 以降低材料硬度。與之相反, 如想提高機(jī)械材料硬度, 可對(duì)鋼進(jìn)行正火處理。另外, 經(jīng)退火或正火處理, 機(jī)械材料硬度、強(qiáng)度應(yīng)無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí), 此時(shí)應(yīng)考慮使用淬火與回火進(jìn)行處理, 以獲得優(yōu)異的力學(xué)性能, 及脆、硬的馬氏體。如需要機(jī)械零件表面至心部具有不同的性能時(shí), 則需對(duì)其進(jìn)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(shí), 可對(duì)其進(jìn)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(jìn)行鋼的滲碳處理。如需表面層為淬火組織, 而內(nèi)部為淬火前組織時(shí), 可考慮采用高頻淬火進(jìn)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(shí)施流程及復(fù)雜度有所不同, 要求設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)過(guò)程中做好充分的考慮。
3 結(jié)論
機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 專(zhuān)業(yè)性強(qiáng), 對(duì)設(shè)計(jì)人員的綜合水平要求較高, 為保證設(shè)計(jì)方案科學(xué)、合理, 方便后期的零件生產(chǎn), 設(shè)計(jì)人員應(yīng)做好機(jī)械材料選擇與應(yīng)用研究。本文通過(guò)研究得出以下結(jié)論:
(1) 機(jī)械設(shè)計(jì)常用材料類(lèi)型較多, 從大的方面分為金屬材料、非金屬材料, 不同類(lèi)型的材料物理、化學(xué)、工藝性能存在較大差別, 要求設(shè)計(jì)人員熟練掌握不同材料性能, 為機(jī)械設(shè)計(jì)工作的順利實(shí)施做好鋪墊。
(2) 機(jī)械設(shè)計(jì)中, 為保證機(jī)械材料選擇的合理性, 要求設(shè)計(jì)人員做好設(shè)計(jì)工作分析工作, 明確設(shè)計(jì)工作要求, 詳細(xì)了解機(jī)械零件所處的運(yùn)行環(huán)境。同時(shí), 做好經(jīng)濟(jì)性分析, 嚴(yán)格控制生產(chǎn)成本。另外, 還應(yīng)做好機(jī)械零件的性能及處理工藝分析, 確定最佳機(jī)械材料的同時(shí), 選擇合理的處理工藝, 以改善機(jī)械零件性能, 保證零件生產(chǎn)質(zhì)量。
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