淺析有色金屬材料在機械設計中的選擇與應用

于 歌 解飛飛

吉林省產品質量監督檢驗院 吉林 長春 130103

引言

機械設計,是機械制造的基礎性工作。隨著對機械的需求量逐漸加大,材料短缺的情況在機械加工業中日益明顯。在此現狀下,更要審慎嚴謹的選擇金屬材料,保證所選材料的經濟實用性、環境友好性、適用方便性等,實現機械行業的健康發展。

1 機械設計中金屬材料選取的基本原則

1.1 材料的經濟性 經濟效益是每個盈利性企業的目標,在機械制造企業中亦是如此,在材料的選取中,選取性價比較高的材料,對于企業成本的縮減具有重要意義。要充分的材料的供應情況,同時要考慮材料本身的相對價格、材料的加工難度及有用材料轉化率,從而為企業節省生產成本。

1.2 考慮零件的工作環境 第一,考慮溫度的影響,由于金屬熱脹冷縮的特性,溫度對金屬材料會有影響,但是不同材料的膨脹系數是不同的,在溫度變化時,材料體積隨之變化程度不同,導致材料松動。在選擇材料時,必須選擇膨脹系數較少的材料,且膨脹系數相差不宜過大。第二,考慮環境濕度和腐蝕性,有些零件必須處于潮濕環境和與腐蝕性介質接觸的環境,這時應該選擇具有良好的防銹抗腐蝕的金屬材料。第三,考慮材料耐磨性,機械作業過程中會發生零件磨損現象,這時應選擇硬度大,耐磨性好的金屬材料,或者通過堆焊、焊接、熱噴涂等提高機械零件的耐磨性。

1.3 考慮工藝性能 工藝性能好是指所選材料能用最簡易的方法制造出零件。某些情況下工藝性能就可能成為選材考慮的主要根據。例如：鑄鐵不能鍛打；塑性小的材料不宜沖壓；外形復雜的零件往往只能鑄造,沖壓或模鍛方式一般是用在外形簡單的大批的小零件生產當中。高分子復合金屬材料的制作工藝是較為簡單的,切削加工過程以及性能良好,但是該方法有個缺點就是導熱性能較差,在切削加工過程當中不易散熱,會導致工件的溫度急劇升高,從而導致熱固性樹脂變焦以及熱塑性材料變軟的情況發生。陶瓷材料在成形之后,幾乎不能進行其他方面的加工,但其可以用在碳化硅與金剛石砂輪磨削工藝。金屬零件材料的加工工藝是鑄件的工藝設計,在進行工藝設計時,要選擇塑性比較好的合金材料進行加工,最好是選用共晶成分的合金材料；若進行鍛件設計,就要選用相對塑性較好的合金材料；對焊接結構件的設計要選用低碳鋼或者是合金鋼材料,銅合金與鋁合金的焊接效果相對較差一些。金屬零件材料切削加工性能的好壞,會直接影響到產品的加工質量、生產成本以及生產效率等,所對鋼鐵材料進行化學分析,并通過改性處理來改善金相組織和力學性能,使其硬度控制在l70HBS～230HBS之間,以達到改善切削加工性的目的。

2 有色金屬材料在機械設計中的選擇與應用

2.1 選擇可回收再生性材料 機械設計中材料的應用尤為重要,材料的選擇應減少產品上所用材料的種類,首選那些可再生、可回收、易降解、無污染無害且于環境兼容性較強的材料。機械的使用過程必定會有磨損、報廢,而報廢后的資源回收問題也是機械設計中材料應用需要充分考慮的問題。廢棄的資源得不到回收,不僅是對資源的極大浪費,而且會污染環境,更為嚴重的會危害人的身體健康。設計過程中,在保證零件優良性能的基礎上,應減少產品中材料元素的種類,這種材料有利于廢棄后回收利用,回收成本較低。盡量不要采用如橡膠與金屬混合或者粘合類的設計。

2.2 選擇加工過程中污染小、能耗低的材料 堅持可持續發展理念,盡量選擇在加工過程中產生廢料、廢氣較少的材料,以降低資源浪費和環境污染,1)盡量在加工過程中選用熱軋、冷軋狀態下就可以達到提高性能和使用壽命的材料,避免污染大,耗能多的弊端,2)選擇熱處理工序少的材料,由于各種材料的性質不同,所以在加工中所能承受的處理環節也是不同的,如若建工環節較少,則可以減少能源的過度損耗,從而使經濟效益與節能環保同步發展。

2.3 機械設計中金屬材料應用的經濟實用性 在機械設計制造過程中,材料的應用是一項重要的內容,而在材料應用當中,機械設計工程師要明白機械設計的最終產品一定要滿足經濟實用性的要求,這一點也與材料的使用與材料的加工工藝有莫大的關系。首先,機械設計工程師要在選擇加工工藝之前對設計進行綜合性的評價,并且,機械設計者還要對市場有一定的了解,要十分熟悉市場上的各種材料的加工工藝、加工面臨的問題及解決策略、材料的性能、材料的價格、設計實現的可能性等等各方面的知識儲備要求。并能根據這些構造出自己的機械設計藍圖。其次,我們的設計人員應該在加工工藝確定的前提下進行金屬材料的選擇工作,以求可以使生產設備的實用性得到保證。我們都知道,金屬設備的生產一般都會涉及到諸如鑄造、生產、裝配、焊接等各式各樣的加工工藝,并且,每一種加工工藝,對所選材料的要求也不盡相同,因此,我們一旦確定所要使用的機械加工工藝之后,基本上我們在機械設計中的金屬材料選擇便會受到限制,幾乎不會再有更多的可選擇性。在現實情況下,金屬材料中的碳素鋼與合金鋼材料具有非常好的加工性能,并且還由于這兩種材料在價格與性價比上所具有的其他類金屬材料不具有的優點,所以在機械設計中,它們是非常受歡迎的兩種金屬材料。但是,由于碳素鋼具有韌性不足的缺點,所以不能夠加工一些中等的型材,在實際操作中,我們往往會在其中加入一些適宜的成分來創造出有更優良的耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫性的合金鋼以求可以提高這種金屬材料的實用性能。

結語

合理選用金屬材料是機械制造過程中的重要環節。需從多方面考慮。從其機械性能、經濟性、適用性、環保性、節能性等方面綜合考慮,擇優選擇。保證機械產品的質量和性能,促進機械制造業的發展。