機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用

程建磊

(洛陽北方玻璃技術(shù)股份有限公司,河南 洛陽471000)

機(jī)械行業(yè)和我們的生活是密不可分的,二者之間的關(guān)系是相互促進(jìn)的。機(jī)械行業(yè)的發(fā)展推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,使人們的生活更加現(xiàn)代化,而在現(xiàn)代化的生活背景下,科學(xué)水平日益進(jìn)步,從而又推動(dòng)機(jī)械行業(yè)的進(jìn)步。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械生產(chǎn)的第一步,它直接影響到機(jī)械的使用性能。機(jī)械設(shè)計(jì)是在人力、物力、制造成本等多種限制條件下,做出最佳設(shè)計(jì)方案,讓機(jī)械能夠處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。隨著機(jī)械行業(yè)的逐漸發(fā)展,對(duì)機(jī)械材料的要求也越來越高。合理的材料選擇和應(yīng)用不僅可以提高機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能,還能保證材料的合理使用。本文的以機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇與應(yīng)用為論述核心,對(duì)設(shè)計(jì)材料類型、設(shè)計(jì)材料應(yīng)用的要點(diǎn)等進(jìn)行深入分析。

1 研究目的

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中,很多機(jī)械設(shè)計(jì)軟件通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上逐漸開發(fā)出來。但是設(shè)計(jì)方法的提升并不是影響機(jī)械生產(chǎn)的唯一因素。因?yàn)?經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使機(jī)械需求量日益增加,導(dǎo)致設(shè)計(jì)材料出現(xiàn)短缺的情況,機(jī)械設(shè)計(jì)方法的提升不能解決材料匱乏的問題。材料是構(gòu)成機(jī)械原件的主體,機(jī)械生產(chǎn)材料供應(yīng)不上,會(huì)影響機(jī)械生產(chǎn)的速度、數(shù)量、質(zhì)量。最終也無法滿足人們對(duì)生活的需求。在材料選擇方面不能只注重它的使用效果,還應(yīng)該考慮機(jī)械設(shè)計(jì)材料的使用成本。所以在機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇與應(yīng)用方面,在注重機(jī)械高效性能的同時(shí),也要結(jié)合使用材料的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。只要這樣才能保證機(jī)械行業(yè)的健康發(fā)展。

2 材料選擇的類型

2.1 金屬材料

金屬材料是機(jī)械設(shè)計(jì)中使用時(shí)間最長(zhǎng)、使用頻率最多的材料。通常情況下,以金屬元素或者以金屬元素為主組成的具有金屬性質(zhì)的材料都可以稱為金屬材料。目前,自然界中金屬材料的種類達(dá)到了近80種,最常見的有金、銀、銅、鐵、錫等。也正是因?yàn)槿绱?才使金屬材料成為機(jī)械設(shè)計(jì)中最受歡迎的材料。此外,大部分金屬材料都具有一定的韌性與強(qiáng)度,極大的滿足了機(jī)械生產(chǎn)對(duì)使用材料的要求。金屬材料類型也不是單一的,金屬材料又分成純金屬材料、合金材料、特種金屬材料以及金屬間化合物材料,金屬合金材料的出現(xiàn)不僅提高了機(jī)械的使用性能,更拓展了金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的使用范圍。尤其是特種金屬與金屬間化合物材料,在科技核心領(lǐng)域被廣泛使用。

2.2 復(fù)合材料

復(fù)合材料,是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料,通過物理或化學(xué)的方法,在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短,產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。復(fù)合材料具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、比剛度高等特點(diǎn),并且很多復(fù)合材料具有導(dǎo)電、防熱、屏蔽、吸聲、磁性等性質(zhì),這些特點(diǎn)與性質(zhì)使拓展復(fù)合材料的使用范圍,像航空航天、醫(yī)療器材、建筑設(shè)施都用復(fù)合材料的身影。

2.3 高分子材料

高分子材料是指以化合物為基體,根據(jù)使用要求向化合物基體中加入與之匹配的添加劑或者助劑,因此高分子材料又稱為聚合物材料。生產(chǎn)高分子材料的原料十分豐富,這使高分子材料更加便于獲取,像生活中常見的合成纖維以及塑料就是高分子材料的代表。高分子材料可以從自然界中提取,具有可再生與可循環(huán)的特性。它和金屬材料相比具有很大的優(yōu)勢(shì),金屬是不可再生資源,隨著機(jī)械使用量的增加,金屬材料日益減少,高分子材料在很多機(jī)械生產(chǎn)可以代替金屬材料,例如聚甲醛材料聚甲醛具有很強(qiáng)的耐磨性質(zhì),可以擁有齒輪、軸承、螺母等機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)。因此,在汽車制造業(yè)高分子材料被廣泛運(yùn)用,在減少汽車自身重量的同時(shí),也減少了能源的消耗。

2.4 陶瓷材料

陶瓷材料是指用天然或者合成化合物用高溫?zé)Y(jié)而形成的一種非金屬材料。目前,陶瓷材料主要分為:氮化硅與碳化硅兩種類型。陶瓷材料的硬度很高,通常被用來制作密封零件,并且陶瓷材料具有耐磨、耐腐蝕的特點(diǎn),很多化學(xué)儀器的制造也會(huì)采用這種材料。此外,由于陶瓷材料的電特性,通常用來制造電容器,這種電容器在鐵電陶瓷的作用下形狀會(huì)產(chǎn)生變化,能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能,像超聲儀、聲吶、擴(kuò)音機(jī)都是利用陶瓷材料的這種性能。此外,隨著納米陶瓷技術(shù)的出現(xiàn),像航空航天、衛(wèi)星通訊等高精領(lǐng)域都運(yùn)用到了陶瓷材料。

3 材料選擇與應(yīng)用的要點(diǎn)

3.1 材料負(fù)荷性

機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)于材料荷載水平的選擇是很重要的,這是因?yàn)樵跈C(jī)械設(shè)計(jì)的過程中一些材料由于荷載水平較低的原因可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)后期抑制失效的情況,使得機(jī)械零件不能發(fā)揮出應(yīng)有的作用,因此在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)首先對(duì)擬用到的材料進(jìn)行載荷水平方面的評(píng)估,優(yōu)選載荷水平較高的材料,并在有需要的情況下對(duì)材料進(jìn)行后期處理,以使材料的荷載水平得到進(jìn)一步的提高,例如對(duì)低碳鋼進(jìn)行滲碳以及對(duì)中碳鋼調(diào)質(zhì)等。

3.2 材料實(shí)用性

機(jī)械的種類多種多樣,材料的可選擇性也是如此,在機(jī)械材料設(shè)計(jì)中材料的選擇不一定要最好的,但是一定要選擇最實(shí)用的。例如在汽車制造種,變速箱可以說是磨損度最大的部位,因此變速箱中的零件大多采用鍛鋼、鑄鐵等堅(jiān)固、耐磨性材料;汽車的散熱器(水箱)作為引擎的冷卻系統(tǒng),可以讓引擎始終在正常溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)。冷卻系統(tǒng)的零件大多采用鋁制品,應(yīng)為鋁制品具有耐腐蝕的特點(diǎn),在潮濕的環(huán)境下不會(huì)生銹,此外和其他材料相比鋁的質(zhì)量很輕,可以減少汽車重量。

3.3 材料經(jīng)濟(jì)性

在機(jī)械設(shè)計(jì)中要注重材料的經(jīng)濟(jì)性。在機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中,使用的材料都要求很高,那么價(jià)格上也是會(huì)相對(duì)昂貴的,所以在材料的選擇上往往會(huì)注意材料的經(jīng)濟(jì)性,也就是價(jià)錢,從經(jīng)濟(jì)性方面考慮,就是要求機(jī)械設(shè)計(jì)過程中要盡量節(jié)約材料成本和加工過程中產(chǎn)生的成本。我們不僅僅要選擇質(zhì)量好的材料,還要對(duì)材料的價(jià)格進(jìn)行控制,不能鋪張浪費(fèi),也不能隨意購買,要對(duì)材料的性能和價(jià)錢多做考慮,選擇適合產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)的,同時(shí)還要選擇價(jià)格合理的。

3.4 環(huán)保與可持續(xù)性

機(jī)械行業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。但是,人們?cè)谧非蠼?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),卻忽視了環(huán)境保護(hù)以及發(fā)展的可持續(xù)性。金屬是機(jī)械設(shè)計(jì)中使用最廣泛的材料,在金屬材料冶煉的過程中,會(huì)投入大量的人力物力,使用成本過大。此外,由于冶煉技術(shù)、工序等問題,容易造成重金屬污染,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。隨著機(jī)械需求量的增加,金屬資源匱乏的情況日益突出。因此,在機(jī)械設(shè)計(jì)中盡量選擇環(huán)保性的原材料,并且要對(duì)報(bào)廢的機(jī)械進(jìn)行分解,實(shí)現(xiàn)資源的可循環(huán)利用,盡量使用組合較少的合金,這樣可以減少提取材料的成本。同時(shí)在不影響機(jī)械性能的情況下,可以采用高分子材料、復(fù)合材料以及陶瓷材料代替,這些材料都是可以從自然界中直接提取,具有可再生性。通過替代金屬材料的方式,來減少金屬的使用量,實(shí)現(xiàn)金屬資源的使用的可持續(xù)性。

4 結(jié)束語

隨著機(jī)械設(shè)備需求量的不斷增加以及機(jī)械設(shè)備使用概率的不斷提升,使得人們對(duì)機(jī)械設(shè)備質(zhì)量和功能的要求也越來越高,因此做好機(jī)械設(shè)計(jì)工作對(duì)于機(jī)械設(shè)備企業(yè)來說具有十分重要的意義。目前,由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等原因,我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大多以金屬為主,對(duì)于高分子、復(fù)合、陶瓷等新型材料的研究還處于起步階段。這不僅造成金屬資源匱乏,也破壞的生態(tài)環(huán)境,加之缺乏完善的金屬開采技術(shù),造成了大量金屬資源的浪費(fèi)。因此,我國(guó)應(yīng)該在提高金屬使用效率的同時(shí),還應(yīng)該加大新型材料研究的投入力度,要站在科學(xué)的制高點(diǎn),研發(fā)出更具經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、可持續(xù)性的機(jī)械設(shè)計(jì)材料,這樣也促進(jìn)社會(huì)的和諧發(fā)展。

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