摘要：材料的选择与应用是机械设计中的重要内容, 其关系着机械产品的性能及使用寿命, 尤其是部分机械产品对材料各项参数要求较高, 需设计人员综合分析, 保证选择材料的合理性与科学性。本文对机械材料相关知识作简单分析, 提出机械设计过程中机械材料选择与应用策略, 以供参考。
关键词：机械设计; 机械材料; 选择; 应用;
近年来, 我国机械制造业发展迅速, 一定程度上推动我国工业化进程。众所周知, 机械制造业涉及诸多环节, 其中设计环节决定着机械产品的整个生产过程及生产质量, 尤其机械材料的选择是机械设计的重中之重, 受到机械设计业内人士的广泛关注。
1 机械设计常用材料分析
从大的方面对机械设计中常用材料进行划分, 机械材料分为金属材料与非金属材料, 其中金属材料又被分为铸铁、钢、铜合金等, 而非金属分为高分子材料、陶瓷、复合材料等。这些材料在机械设计中之所以广泛应用, 得益于其优良的性能。
1.1 金属材料
铸铁的液态流动性、易熔性良好, 并且切削性、耐磨性、减震性符合多数零件生产要求, 可被用于制造各种复杂零件。依据铸铁中碳的形态及存在形式, 铸铁分为灰口铸铁、球墨铸铁, 对灰口铸铁而言, 内部的片状石墨可对机体产生分割作用, 而且可引起应力集中效应, 塑性低, 铸造性良好。应用时常用的热处理方式有表面淬火、高温退火、去应力退火。球墨铸铁较灰口铸铁塑性高、强度强, 应用中常使用淬火+回火、正火、退火等工艺处理。
钢在机械设计中应用极为广泛, 依据划化学成分, 钢分为碳素钢、合金钢。其中碳素钢的优点较多, 价格低廉、产量大、工艺性能及力学性能优良。依据含碳量多少, 钢被分为多种类型, 见表1。
机械设计中为改善高碳钢的性能, 常向其中加入一些特殊元素, 形成合金钢。研究发现, 合金钢性能除受其化学成分影响外, 而且取决于采用的热处理工艺。
铜合金分为轴承、黄铜、青铜合金等, 具有优良的液体流动性与塑性, 其中青铜合金的抗腐蚀性、减摩性良好, 被广泛应用在机械设计中。
1.2 非金属材料
高分子材料中塑料与橡胶是典型代表, 在机械设计中应用广泛, 其中塑料重量轻, 形成复杂零件的难度较小, 而且不同塑料具有的性能不良, 如摩擦系数大、绝缘性、耐腐蚀性强等。橡胶富余弹性, 能较好地吸收冲击能量, 常用于制造减震器、联轴器的弹性元件。
陶瓷材料化学性能稳定, 高热硬性强, 被用于制造磨具、刀具、燃烧器喷嘴等耐腐蚀、耐磨、耐热零件, 具有广阔的应用前景。
复合材料有效地克服了高分材料、陶瓷材料的不足, 耐磨性、减振性、抗疲劳性强。不过复合材料价格昂贵, 多用在武器装备、船舶、航空等领域中, 在民用工业中的应用有限, 不过随着科技发展, 复合材料生产成本的下降, 在机械设计中的应用前景极其广阔。
2 机械设计中材料的选择与应用策略
在对机械设计常用材料知识了解的基础上, 为保证设计的零件满足要求, 机械设计中还需要设计人员做好以下工作:
2.1 明确机械设计要求
为保证机械设计中机械材料选择的科学、合理, 设计人员应明确机械设计要求, 把握设计工作的重点与难点, 保证设计工作的顺利进行, 尤其应注意以下问题:
一方面, 明确设计零件用途。机械零件用途不同, 对零件性能的要求差别较大, 直接影响材料的选择, 因此, 设计人员应结合零件用途, 分析零件所处的运行环境, 以及运行中的影响因素, 对比分析不同材料的适用性。必要情况下, 对零件所处的运行环境进行仿真模拟, 掌握零件各种受力参数, 选择针对性机械材料。另一方面, 做好材料经济性分析。不同机械材料不仅性能差别较大, 而且价格有较大差异, 因此, 机械设计中应做好成本的控制, 对各待选材料的经济性进行分析, 认真分析零件生产所需工艺, 以及在生产中的人力、财力投入情况, 确定最佳的机械材料应用方案。
2.2 做好材料性能分析
机械材料性能对机械零件性能及使用寿命造成的影响最为直接, 因此, 设计过程中应将材料性能分析作为重点工作加以落实, 具体可从以下内容入手:
首先, 做好物理性能分析。机械材料的物理性能较多, 包括导热性、导电性、熔点和密度等, 要求设计人员结合零件所处环境, 对比各机械材料的物理性能, 尤其应分析制造工艺复杂性情况, 确定最佳的机械材料。例如, 当机械零件的重量有限制时, 可考虑使用铝、镁等轻金属材料。其次, 做好化学性能分析。机械材料的化学性能包括化学稳定性、抗氧化性、耐腐蚀性等。例如, 部分零件在高温条件下运行, 为延长其使用寿命应考虑使用耐高温、抗氧化性强的机械材料。最后, 做好工艺性能分析。机械材料的工艺性能有:焊接性能、切削性能、锻造性能等, 这些性能决定着零件生产的难易程度, 因此, 需要设计人员通过试验确定所用材料, 而后组织专家对各材料的可行性进行分析, 确定最佳的机械材料选择方案。
2.3 选优合理处理工艺
机械零件生产时, 为提高零件综合性能往往采用相关工艺进行处理, 促进机械生产工作的顺利进行, 设计人员应分析不同机械材料所用处理工艺的复杂度, 确定最佳的处理方案。接下来以钢材料的热处理为例进行分析。
钢热处理分为普通热处理、表面热处理, 其中普通热处理包括退火、正火、淬火等, 表面热处理有渗碳、渗氮、高频淬火等。如机械材料硬度较大, 不利于切削、生产时, 需要进行退火处理, 以降低材料硬度。与之相反, 如想提高机械材料硬度, 可对钢进行正火处理。另外, 经退火或正火处理, 机械材料硬度、强度应无法满足设计要求时, 此时应考虑使用淬火与回火进行处理, 以获得优异的力学性能, 及脆、硬的马氏体。如需要机械零件表面至心部具有不同的性能时, 则需对其进行表面热处理。例如, 为提高零件表面的耐腐蚀性、热硬性、硬度时, 可对其进行氮化处理。如需获得表面的高碳回火马氏体, 而信不为低碳回火马氏体, 则需进行钢的`渗碳处理。如需表面层为淬火组织, 而内部为淬火前组织时, 可考虑采用高频淬火进行处理, 其中电流频率越高获得的淬透层越薄。总之, 不同的处理工艺, 实施流程及复杂度有所不同, 要求设计人员设计过程中做好充分的考虑。
3 结论
机械设计是机械制造的关键环节, 专业性强, 对设计人员的综合水平要求较高, 为保证设计方案科学、合理, 方便后期的零件生产, 设计人员应做好机械材料选择与应用研究。本文通过研究得出以下结论:
(1) 机械设计常用材料类型较多, 从大的方面分为金属材料、非金属材料, 不同类型的材料物理、化学、工艺性能存在较大差别, 要求设计人员熟练掌握不同材料性能, 为机械设计工作的顺利实施做好铺垫。
(2) 机械设计中, 为保证机械材料选择的合理性, 要求设计人员做好设计工作分析工作, 明确设计工作要求, 详细了解机械零件所处的运行环境。同时, 做好经济性分析, 严格控制生产成本。另外, 还应做好机械零件的性能及处理工艺分析, 确定最佳机械材料的同时, 选择合理的处理工艺, 以改善机械零件性能, 保证零件生产质量。
参考文献
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