机械工程材料选用研究论文

时间:2018-11-07 08:15:34 材料毕业论文 我要投稿

机械工程材料选用研究论文

  摘要:机械行业的发展为社会经济起着保障性的作用。机械工程中材料的合理选用有着相当重要的作用。文章从选材的意义、原则、步骤、方法等方面,结合实际,步步深入地进行了探讨。希望能够对相关工作起到一定的借鉴意义。

机械工程材料选用研究论文

  关键词机械设计;材料;性能;选材

  1选材的意义

  现代化的工业进程对机械设计行业提出了新的要求。机械设计中,材料的选择是非常重要的。合理选用机械工程材料对充分发挥工程材料本身的性能潜力,保证材料具有良好的加工工艺性能,获得理想的使用性能,提高产品零件的质量,节省工程材料,降低生产成本等方面起着重大影响。实际工作中,往往由于选材不当,使机械零件的使用性能达不到规定的技术要求.从而导致机械零件在使用过程中发生早期损坏如产生变形、断裂或磨损等等,给生产生活造成了损失。可见材料的选择是机械设计中的重点问题,材料选择合理与否直接影响到机械设计的质量和功能。因此,必须加强机械设计中材料选择的工作力度。下面就如何合理选用机械工程材料的问题谈谈我个人的看法,提出来与各位同仁商讨。

  2选材的原则

  我们知道,选材的一般原则是:由工作条件确定使用性能的要求,这是材料选用的基本出发点。其次是要考虑材料的加工工艺性。第三是要考虑材料的经济性。力争使各项花费的总和达到最低值。最终做到:“材料的使用性能足够、工艺性能良好、供应上能保证、经济性应合理”[1]。

  2.1选材的一般使用原则

  材料的使用原则在于用所选材料制造出的机械零件能否保证其使用性能。材料的使用性能是指机械零件在正常工作情况下材料应具备的性能。包括力学性能和物理、化学性能等。零件的使用性能是保证其工作安全可靠、经久耐用的必要条件。是选材时考虑的最主要的依据。不同零件所要求材料的使用性能是不一样的,有的要求强度高,有的要求硬度高,有的要求耐磨性高,有的无严格的性能要求,只需保证一定形式的外表即可。在大多数情况下应首先考虑零件的使用性能,对一般机械零件来说,则要考虑其力学性能[2]。对非金属材料制成的零件还应注意其工作环境,因为非金属材料对温度、光、水、油等的敏感程度比金属材料大的多。

  2.2选材的工艺性原则

  工艺性原则是指所选用的材料能否保证顺利地加工制造成零件。例如某些材料仅从零件的使用要求来看是完全合适的,但无法加工制造或加工制造很困难,成本很高,这些都属于工艺性不好。因此,材料工艺性能的好坏,在决定零件加工的难易程度、生产效率、生产成本等方面起着十分重要的作用,是选材时必须同时考虑的另一个重要因素。

  2.3选材的经济性原则

  经济性原则是指所选用的材料加工成零件后能否做到成本低廉,价格便宜。从选材的经济性原则考虑,应尽可能选用货源充足、价格低廉、加工方便、总成本低的材料。一般来讲在满足零件使用性能的前提下,尽量优先选用廉价的材料,能用碳素钢的,不用合金钢;能用低合金钢的不用高合金钢;能用钢的就不用有色金属。此外,考虑经济性要从长远观点出发,不能仅看眼前利益。一些暂时看起来成本费用高的材料,由于其使用寿命长、维护保养费用少,从长远观点来看,经济效益还是好的。如高速柴油机曲柄、连杆等零件,其质量好坏会直接影响整台机器的寿命,一旦该零件失效,将造成整台机器的损坏事故,因此为了提高这类零件的使用寿命,即使材料价格和制造成本较高,而综合来看,其经济性仍然是合理的[3]。还须注意,在选用高分子材料时,除考虑上述三项原则外,还应着重考虑在使用条件下,周围环境(如温度、水、氧、光、油等)对其性能的影响。

  3选材的步骤

  机械工程材料的`选择是一项十分重要又复杂繁琐的工作。其基本步骤如下。

  (1)分析零件对所选材料的性能要求及失效分析,包括分析零件的工作条件,零件的强度、刚度、稳定性计算等。

  (2)对可供选择的材料进行筛选,现代工程材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。把所有的工程材料都当作选择对象,根据材料的性能要求进行筛选。

  (3)对可供选择的材料进行评价。

  (4)最佳材料的决定。

  (5)零件所选材料的实际验证。

  4选材的方法

  4.1综合分析性能指标,全面考虑选材原则

  机械工程实践中,大多数零件是在多种应力条件下工作的,而每个零件的受力情况又因零件的工作条件不同而不一样。因此,在选材时应根据零件最主要的性能要求,作为选材的主要依据。综合考虑零件的强度、刚度、磨损、温度和耐腐蚀性等这几项指标。比如,强度应当考虑受载状态和应力种类。对于一般齿轮,由于其表面受接触应力较大,所以应选择可以进行局部强化处理的材料。如调质钢、渗碳钢、氮化钢等,以保证齿轮所要求的表面性能。另外,我们从蜗杆传动工作中可以看出,由于点面间存在相当大的滑动,容易导致齿面磨损或胶合。为减小摩擦和磨损,以提高传动承载能力和效率,一方面要有良好的润滑,另一方面对蜗轮副提出耐磨、减振和抗胶合的综合性能要求。采用钢质蜗杆时,要求采用青铜蜗轮轮圈。由于锡是稀有金属,而青铜储量又日渐稀少,价格昂贵。所以从这个角度上讲,采用青铜蜗轮轮圈是不经济的。但是,如果为了减小磨损,从齿形齿面改变接触线形状,使得齿面间更容易形成润滑油膜,往往伴随着加工工艺的复杂化。因此,不能侧重某一方面,忽略另一方面。要尽可能地全面考虑材料的选用原则,在满足力学性能的前提下还应充分考虑材料的工艺性和经济性。

  4.2结合实际典型零件,类比分析选材方法

  机械制造中零件的种类较多,性能要求不一,而满足这些零件性能要求的材料也多。每种材料都有各自的特点,比较看来,金属材料具有优良的综合力学性能,因此常被广泛使用。下面通过对几种典型零件的浅析来进一步说明合理选材的方法。

  (1)机床齿轮。作为机床齿轮,主要要求疲劳强度,尤其是弯曲疲劳强度,要求有较高的耐磨性,足够的冲击韧性,以及良好的切削加工性。如果采用中碳钢表面淬火到低温回火,可以满足要求;采用低碳钢经渗碳后淬火到低温回火,也能满足性能要求。当然若采用38CrMoAl经氮化处理,制作机床齿轮,往往也足以满足使用要求。比较以上三种选材和加工工艺方式,考虑其经济性。采用高频表面淬火工艺是最便宜的,其次采用渗碳工艺,而氮化工艺是最贵的。

  (2)轴类零件。轴类零件在机械工程中应用也很广泛。对于轴的材料要满足刚度、强度、耐磨性及耐腐蚀性等方面的使用要求,轴的材料最常采用的是碳素钢和合金钢。而碳素钢比合金钢价格低,对应力集中敏感性较低,同时还可以通过热处理方法提高其耐磨性和抗疲劳强度,具有较高的综合力学性能。合金钢比碳素钢具有更高的力学性能和淬透性好,但价格较贵,对应力集中较敏感。通过比较,一般轴的材料选用45钢,不重要或受力较小的轴,采用Q235、Q255等普通碳素钢。对于传递大动力,并要求重量轻、尺寸小耐磨性高或一些特殊条件下使用的轴,可选用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢。

  (3)机体类零件。机体类零件是机器的基础件,机器上许多零部件都是装在机体上的,有的部件还在机体的导轨上运动。因此机体是整台机器的装配和调整基准,机器各部件的相互位置精度,以及一些部件的运动精度,都和机体本身的精度有直接的关系[4]。各种机体零件由于功用不同,结构形状往往差别较大,但结构上仍有一些共同特点,例如轮廓尺寸较大、重量较大、结构形状复杂及刚性较差。主要加工表面为一些固定连接各部件的平面,精度要求较高的孔和作为有些部件运动基准的导轨面等。综合考虑,机体最常用的材料为灰铸铁,其优点是容易制造形状复杂的机体,成本较低,抗振性及切削性能均好。例如,铣床的床身,刨床、镗床的立柱以及多种拖拉机、柴油机的汽缸体均采用这种材料制成。有时为了满足制造周期短的要求,也有用钢板焊接而成的机体。

  (4)箱体类零件。常见的箱体类零件结构比较复杂,加工的表面多,要求高,机械加工的工作量大。箱体的结构和材料的选择,对提高产品质量、降低成本和提高劳动生产率都有重要意义[5]。由于铸铁容易成形、切削性能好、价格低廉、吸振性和耐磨性也较好。因此,箱体零件材料大都采用铸铁。在某些特定的条件下,也有采用其它材料的如飞机发动机箱体为了减轻重量,常用铝镁合金制造。

  5结束语

  综上所述,在机械工程材料的选用过程中,不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作要求,使零件经久耐用,而且要求选材有较好的加工工艺性和经济性。以提高零件的质量,降低成本,减少消耗,真正做到机械工程材料的合理选用。

  参考文献

  [1]文九巴.机械工程材料[M].北京:机械工程出版社.

  [2]凌爱林.金属工艺学[M].北京:机械工业出版社.

  [3]郑明新.工程材料[M].北京:清华大学出版社.

  [4]陈蕴博.机械工程材料优选方法的研究现状[J].机械工程学报.

  [5]张景栋.工程材料的选用[J].科技信息.

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