浅析有色金属材料在机械设计中的选择与应用

于 歌 解飞飞

吉林省产品质量监督检验院 吉林 长春 130103

引言

机械设计,是机械制造的基础性工作。随着对机械的需求量逐渐加大,材料短缺的情况在机械加工业中日益明显。在此现状下,更要审慎严谨的选择金属材料,保证所选材料的经济实用性、环境友好性、适用方便性等,实现机械行业的健康发展。

1 机械设计中金属材料选取的基本原则

1.1 材料的经济性 经济效益是每个盈利性企业的目标,在机械制造企业中亦是如此,在材料的选取中,选取性价比较高的材料,对于企业成本的缩减具有重要意义。要充分的材料的供应情况,同时要考虑材料本身的相对价格、材料的加工难度及有用材料转化率,从而为企业节省生产成本。

1.2 考虑零件的工作环境 第一,考虑温度的影响,由于金属热胀冷缩的特性,温度对金属材料会有影响,但是不同材料的膨胀系数是不同的,在温度变化时,材料体积随之变化程度不同,导致材料松动。在选择材料时,必须选择膨胀系数较少的材料,且膨胀系数相差不宜过大。第二,考虑环境湿度和腐蚀性,有些零件必须处于潮湿环境和与腐蚀性介质接触的环境,这时应该选择具有良好的防锈抗腐蚀的金属材料。第三,考虑材料耐磨性,机械作业过程中会发生零件磨损现象,这时应选择硬度大,耐磨性好的金属材料,或者通过堆焊、焊接、热喷涂等提高机械零件的耐磨性。

1.3 考虑工艺性能 工艺性能好是指所选材料能用最简易的方法制造出零件。某些情况下工艺性能就可能成为选材考虑的主要根据。例如：铸铁不能锻打；塑性小的材料不宜冲压；外形复杂的零件往往只能铸造,冲压或模锻方式一般是用在外形简单的大批的小零件生产当中。高分子复合金属材料的制作工艺是较为简单的,切削加工过程以及性能良好,但是该方法有个缺点就是导热性能较差,在切削加工过程当中不易散热,会导致工件的温度急剧升高,从而导致热固性树脂变焦以及热塑性材料变软的情况发生。陶瓷材料在成形之后,几乎不能进行其他方面的加工,但其可以用在碳化硅与金刚石砂轮磨削工艺。金属零件材料的加工工艺是铸件的工艺设计,在进行工艺设计时,要选择塑性比较好的合金材料进行加工,最好是选用共晶成分的合金材料；若进行锻件设计,就要选用相对塑性较好的合金材料；对焊接结构件的设计要选用低碳钢或者是合金钢材料,铜合金与铝合金的焊接效果相对较差一些。金属零件材料切削加工性能的好坏,会直接影响到产品的加工质量、生产成本以及生产效率等,所对钢铁材料进行化学分析,并通过改性处理来改善金相组织和力学性能,使其硬度控制在l70HBS～230HBS之间,以达到改善切削加工性的目的。

2 有色金属材料在机械设计中的选择与应用

2.1 选择可回收再生性材料 机械设计中材料的应用尤为重要,材料的选择应减少产品上所用材料的种类,首选那些可再生、可回收、易降解、无污染无害且于环境兼容性较强的材料。机械的使用过程必定会有磨损、报废,而报废后的资源回收问题也是机械设计中材料应用需要充分考虑的问题。废弃的资源得不到回收,不仅是对资源的极大浪费,而且会污染环境,更为严重的会危害人的身体健康。设计过程中,在保证零件优良性能的基础上,应减少产品中材料元素的种类,这种材料有利于废弃后回收利用,回收成本较低。尽量不要采用如橡胶与金属混合或者粘合类的设计。

2.2 选择加工过程中污染小、能耗低的材料 坚持可持续发展理念,尽量选择在加工过程中产生废料、废气较少的材料,以降低资源浪费和环境污染,1)尽量在加工过程中选用热轧、冷轧状态下就可以达到提高性能和使用寿命的材料,避免污染大,耗能多的弊端,2)选择热处理工序少的材料,由于各种材料的性质不同,所以在加工中所能承受的处理环节也是不同的,如若建工环节较少,则可以减少能源的过度损耗,从而使经济效益与节能环保同步发展。

2.3 机械设计中金属材料应用的经济实用性 在机械设计制造过程中,材料的应用是一项重要的内容,而在材料应用当中,机械设计工程师要明白机械设计的最终产品一定要满足经济实用性的要求,这一点也与材料的使用与材料的加工工艺有莫大的关系。首先,机械设计工程师要在选择加工工艺之前对设计进行综合性的评价,并且,机械设计者还要对市场有一定的了解,要十分熟悉市场上的各种材料的加工工艺、加工面临的问题及解决策略、材料的性能、材料的价格、设计实现的可能性等等各方面的知识储备要求。并能根据这些构造出自己的机械设计蓝图。其次,我们的设计人员应该在加工工艺确定的前提下进行金属材料的选择工作,以求可以使生产设备的实用性得到保证。我们都知道,金属设备的生产一般都会涉及到诸如铸造、生产、装配、焊接等各式各样的加工工艺,并且,每一种加工工艺,对所选材料的要求也不尽相同,因此,我们一旦确定所要使用的机械加工工艺之后,基本上我们在机械设计中的金属材料选择便会受到限制,几乎不会再有更多的可选择性。在现实情况下,金属材料中的碳素钢与合金钢材料具有非常好的加工性能,并且还由于这两种材料在价格与性价比上所具有的其他类金属材料不具有的优点,所以在机械设计中,它们是非常受欢迎的两种金属材料。但是,由于碳素钢具有韧性不足的缺点,所以不能够加工一些中等的型材,在实际操作中,我们往往会在其中加入一些适宜的成分来创造出有更优良的耐腐蚀性、耐磨性、耐高温性的合金钢以求可以提高这种金属材料的实用性能。

结语

合理选用金属材料是机械制造过程中的重要环节。需从多方面考虑。从其机械性能、经济性、适用性、环保性、节能性等方面综合考虑,择优选择。保证机械产品的质量和性能,促进机械制造业的发展。