程建磊

(洛陽北方玻璃技術(shù)股份有限公司,河南 洛陽471000)

機械行業(yè)和我們的生活是密不可分的,二者之間的關(guān)系是相互促進的。機械行業(yè)的發(fā)展推動經(jīng)濟的發(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,科學水平日益進步,從而又推動機械行業(yè)的進步。機械設(shè)計是機械生產(chǎn)的第一步,它直接影響到機械的使用性能。機械設(shè)計是在人力、物力、制造成本等多種限制條件下,做出最佳設(shè)計方案,讓機械能夠處于最佳的運行狀態(tài)。隨著機械行業(yè)的逐漸發(fā)展,對機械材料的要求也越來越高。合理的材料選擇和應用不僅可以提高機械運轉(zhuǎn)性能,還能保證材料的合理使用。本文的以機械設(shè)計中材料的選擇與應用為論述核心,對設(shè)計材料類型、設(shè)計材料應用的要點等進行深入分析。

1 研究目的

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

2 材料選擇的類型

2.1 金屬材料

金屬材料是機械設(shè)計中使用時間最長、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到了近80種,最常見的有金、銀、銅、鐵、錫等。也正是因為如此,才使金屬材料成為機械設(shè)計中最受歡迎的材料。此外,大部分金屬材料都具有一定的韌性與強度,極大的滿足了機械生產(chǎn)對使用材料的要求。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)不僅提高了機械的使用性能,更拓展了金屬材料在機械設(shè)計中的使用范圍。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 復合材料

復合材料,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補短,產(chǎn)生協(xié)同效應,使復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)細粒等。復合材料具有穩(wěn)定性好、強度高、比剛度高等特點,并且很多復合材料具有導電、防熱、屏蔽、吸聲、磁性等性質(zhì),這些特點與性質(zhì)使拓展復合材料的使用范圍,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,金屬是不可再生資源,隨著機械使用量的增加,金屬材料日益減少,高分子材料在很多機械生產(chǎn)可以代替金屬材料,例如聚甲醛材料聚甲醛具有很強的耐磨性質(zhì),可以擁有齒輪、軸承、螺母等機械設(shè)備的生產(chǎn)。因此,在汽車制造業(yè)高分子材料被廣泛運用,在減少汽車自身重量的同時,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燒結(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,很多化學儀器的制造也會采用這種材料。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產(chǎn)生變化,能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機械能,像超聲儀、聲吶、擴音機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)域都運用到了陶瓷材料。

3 材料選擇與應用的要點

3.1 材料負荷性

機械設(shè)計中對于材料荷載水平的選擇是很重要的,這是因為在機械設(shè)計的過程中一些材料由于荷載水平較低的原因可能會導致出現(xiàn)后期抑制失效的情況,使得機械零件不能發(fā)揮出應有的作用,因此在機械設(shè)計過程中應當首先對擬用到的材料進行載荷水平方面的評估,優(yōu)選載荷水平較高的材料,并在有需要的情況下對材料進行后期處理,以使材料的荷載水平得到進一步的提高,例如對低碳鋼進行滲碳以及對中碳鋼調(diào)質(zhì)等。

3.2 材料實用性

機械的種類多種多樣,材料的可選擇性也是如此,在機械材料設(shè)計中材料的選擇不一定要最好的,但是一定要選擇最實用的。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轉(zhuǎn)。冷卻系統(tǒng)的零件大多采用鋁制品,應為鋁制品具有耐腐蝕的特點,在潮濕的環(huán)境下不會生銹,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)濟性

在機械設(shè)計中要注重材料的經(jīng)濟性。在機械設(shè)計當中,使用的材料都要求很高,那么價格上也是會相對昂貴的,所以在材料的選擇上往往會注意材料的經(jīng)濟性,也就是價錢,從經(jīng)濟性方面考慮,就是要求機械設(shè)計過程中要盡量節(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,還要對材料的價格進行控制,不能鋪張浪費,也不能隨意購買,要對材料的性能和價錢多做考慮,選擇適合產(chǎn)品機械設(shè)計的,同時還要選擇價格合理的。

3.4 環(huán)保與可持續(xù)性

機械行業(yè)對經(jīng)濟的發(fā)展起到了推動作用。但是,人們在追求經(jīng)濟發(fā)展的同時,卻忽視了環(huán)境保護以及發(fā)展的可持續(xù)性。金屬是機械設(shè)計中使用最廣泛的材料,在金屬材料冶煉的過程中,會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,導致生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。隨著機械需求量的增加,金屬資源匱乏的情況日益突出。因此,在機械設(shè)計中盡量選擇環(huán)保性的原材料,并且要對報廢的機械進行分解,實現(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。同時在不影響機械性能的情況下,可以采用高分子材料、復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,實現(xiàn)金屬資源的使用的可持續(xù)性。

4 結(jié)束語

隨著機械設(shè)備需求量的不斷增加以及機械設(shè)備使用概率的不斷提升,使得人們對機械設(shè)備質(zhì)量和功能的要求也越來越高,因此做好機械設(shè)計工作對于機械設(shè)備企業(yè)來說具有十分重要的意義。目前,由于經(jīng)濟、技術(shù)等原因,我國機械設(shè)計大多以金屬為主,對于高分子、復合、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。因此,我國應該在提高金屬使用效率的同時,還應該加大新型材料研究的投入力度,要站在科學的制高點,研發(fā)出更具經(jīng)濟性、環(huán)保性、可持續(xù)性的機械設(shè)計材料,這樣也促進社會的和諧發(fā)展。

[1]周一鳴,索春英.淺談自動化技術(shù)在機械設(shè)計中的應用[J].價值工程,2011,(12).

[2]王杰,程明遠,李士曉.淺談機械設(shè)計加工中應注意的幾個問題[J].科技信息,2011,(11).

[3]田源.機械設(shè)計中配制配合的應用研究[J].農(nóng)家科技,2011,(4).

[4]李樂心.我國機械制造業(yè)中低碳模式探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2010,(17).

[5]趙忠國.機械設(shè)計中的材料的選擇和應用[J].科技風,2011,(17).

[6]施衛(wèi).機械設(shè)計中的材料的選擇和應用[J].黑龍江科技信息,2014,(33).