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金属材料及机械材料在机械设计中的应用研究论文

发布时间:2023-03-29 11:45:08 文章来源:SCI论文网 我要评论














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  摘要 :中国社会经济技术水平的提高离不开机械制造业的 支撑,而中国制造业则依靠新的生产技术而得到了进一步的发 展。而如今中国人民的生活水平日渐改善, 在生活品质提升的同 时,社会也对机械制造业的发展提出了更高的需求。所以,有关 研发技术人员必须进一步钻研生产与创新在民生领域中较为普 遍的工业制造型机器,以适应现代社会的发展需要。正是基于 此,本文根据机械制造的具体过程,剖析了材料选用的必要性, 并着重探究了机械工程材料的实践运用,以力求给科研人员提 出更有可行性的借鉴意见。

  关键词 :机械设计,机械材料,处理工艺

  随着中国经济社会的快速发展,尤其是机器工业的快速发 展,有力地推动着中国工业化的发展, 对机器工业各个部分的要 求也在不断增加, 机器材料的筛选和使用是最重要的一环。机器 人设计材料的选用决定着机器人设计生产的质量,从而可以实 现中国机器制造业的可持续发展。而机械材料的选取与使用也 一直是中国机器制造业的发展重心,在筛选机械材料时要思考 材料的使用规模与实用性, 并兼顾材料的环保与经济性, 以节约 生产和环境成本,实现中国机器制造业的可持续经济与环保发 展目标, 提高人类的生活品质和生态环境的质量, 为中国绿色经 济的发展作出重要贡献。

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  1 机械设计中材料选择的关键性

  随着国内现代工业化的不断发展,机械制造公司如果想制 造具有较现代化的机械制造的产品,就必须要正确选用机械材 料,金属材料对其制造而言是必不可少的, 相关技术人员需要精 心挑选。在设计阶段提高设备材料的实用价值, 注重材料的环保 性能, 避免对使用环境造成重大危害。综合考虑设备材料的环保 性能, 进一步提高设备材料的产品质量, 促进中国设备工业的可 持续发展, 提高国家的整体能力和百姓的生活质量。

  2 现有材料选择和运用中的问题

  2.1 机械设计材料成本高

  机器人产品由各种机器人部件构成,部件的零件构造比较 繁杂,市场对机器人产品的质量标准很高,不但要求强韧度好, 而且必须符合多的要求, 提高了机器人产品选择的困难, 也使得 机器人产品的选择成本变得很昂贵, 特别是金属材料的筛选。它 不但对机械设计产业的发展有不良影响,也对我国产业的长远发展产生不利作用, 这也是其发展的重点课题所在。

  2.2 机械设计应用不恰当

  机械工程设计所生产的工业产品设计综合性很强,应注意 对机械设计重要问题的把握。当前的各个行业领域内, 对机器人 设计的应用还不全面,基本就是人们对机器设计的应用重点没 有全面把握, 没有充分考虑的问题, 大大降低了机器人设计的运 行效率, 不利于影响企业的资源分配, 也是机器人设计运行的相 对严重问题。机器人设计领域未来的前景广阔, 人们必须做好对 机器人应用重点的掌握。

  3 机械材料的类型与选择原则

  3.1 机械材料的类型

  3.1.1 陶瓷类

  工业瓷器中的氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷,能在较苛刻的工 作环境下部分取代金属和高分子材料, 并有耐化学侵蚀、热密度 低、硬度高特点。在实际使用中,常使用瓷器类材质改装自身组 件,以增强密封性,但由于瓷器类材质硬度差、比较脆性、生产 成本较高等。

  3.1.2 金属类

  机械加工时首先接触到的是各种金属材料的机械设备产 品,国内加工的金属材料类机械设备产品利用率超过了百分之 九十九。金属材料类机械工程建筑材料由于具有了成本小、强韧 度高特性, 对不同加工方法的适应作用也较强。在生产加工中金 属材料类机械工程建筑材料获得了广泛应用,尤其是合金建筑 材料。

  3.1.3 高分子复合材料

  高分子复合物是指利用两种或更多各种材料的物理或化学 融合而得到的产物, 不同的复合物也产生了不同的优异特性。在 材料加工中,根据加工条件的差异,可选用不同的复合物,复合 物的品种很多、特性也不同。为了适应不同机械加工方法和结构 的需要, 合金材料其实只是复合物中的一种, 而高分子材料则理 论实质上类似于合成纤维材质。由于高分子机械材料有许多起 源,研究应用领域广阔, 而制造高分子材料的过程中并没有消耗 过多的能源, 这就使得该材质普遍地应用于机械设计中。

  3.2 机械设计中材料选择和应用的重要原则

  3.2.1 实用性

  人们在进行机械设计与生产中,必须充分考虑产品设计与生产过程中材料的重要性, 一旦承载功能无法满足生产需求, 很 可能会对后续制造过程形成不良影响,最后造成制造模式的各 阶段无法顺利进行,或者发生不可逆的风险。所以,在选用机器 人设计材料时, 必须把最大承载功能考虑进来, 把这种情况视为 材料选择的关键标准。如果一个材料承载功能难以达到需求, 那 么当其负荷比较大时会很可能出现扭曲或者破裂,这不但会对 制造公司造成巨大的风险,而且也可能引发难以预测的风险事 件。为避免这些情况的发生,在选用机械设计材料的同时,还必 须注意金属材料的耐久性和牢固度,同时还可以通过在机械产 品应用中开展的变形性能测试,从而保证机械零部件在实际应 用过程中没有发生弯曲和变形的现象。也因此, 在机械产品加工 时,通过应用机械材料能够在制造方法上加以革新, 而这也可以 更加保证各个零部件达到了最初的技术预期和实际应用要求。

  3.2.2 经济性

  公司必须进一步适应日益强烈的竞争发展条件,只有取得 了竞争有利的才可以取得进一步的发展。机器人设计产业是市 场经济的主要部分, 提高效益也是该产业发展的基础, 该产业的 开发中也离不开建筑材料的支撑,选用合理的建筑材料能够协 助公司降低生产成本, 大大提高了经济效益, 而且也能够减小机 器制造流程中可能发生的风险。所以, 机器人设计产业的开发过 程中必须坚持合理原则, 正确选用建筑材料。

  3.2.3 环保性

  近年来,人类对环保这一社会问题的关心程度也愈来愈大, 这主要是因为环境关乎人类未来的发展趋势。另外, 当前企业在 经济上创造利润的同时, 还面临着历史遗留的环境污染现象, 如 企业排放废气和企业垃圾等,这就可以反映出产业经济的双重 特征,同时这也是近年来中国产业发展更重视生态环保的根源。 目前环保工作已成为企业以及各大行业亟待解决的难题,所以 企业发展的过程中就要重视在企业的各个环节注重生态环境保 护,唯有如此才可以推动企业的稳步健康发展。

  4 材料选择及其在机械设计中的应用

  4.1 负载型材料的筛选

  在有机加工技术的设计流程中,最后根本无法使用很多种 类的机器组成部分及物料,原因就是物料或组成部分不具备很 强的机器承受能力,从而根本无法提高组件以及物料的优越性。 所以, 在机械加工设计阶段甄选金属材料及零部件时, 就必须要 根据设计载荷进行甄选。最常选用的低合金钢材料渗碳, 及中碳 钢淬火、回火。

  4.2 选择低能耗低污染的材料

  无论筛选哪种形式的物料,都必须低能源和低环境污染,而 且不适合于要预先加热的物料。因为加热材料会污染空气, 尤其 是加热场地的环境。所以, 在柔佛苏丹的机械材料必须能够在热 轧状态和冷拔状态下产生较良好的机械特性。但如若不可避免,则必须过滤金属材料, 使用尽可能少的加热材料, 以过滤有较低 加热过程的金属材料。较普遍的方式, 是使用低硬度钢来铸造机 械零件, 并使机械材料在铸造后表面产生硬化层。

  4.3 选择实用材料

  为了甄选对机械加工有作用的金属材料,就必须要在提前 分析机器人产品设计的材质条件,并选定在机器人产品设计中 应用的金属材料, 促进材质的科学合理运用和科学合理应用, 而 不产生无谓的资源耗费。因此, 有些加工环节必须要具备更高硬 度的金属材料及组件,但是也有些环节必须要筛选具备较好外 形的金属材料。所以,实际金属材料的选用受不相同操作环节、 条件的影响。

  4.4 采用回收再利用的策略

  由于各种金属材质已经普遍运用机械工程设计中,而且由 于金属材质品种较多, 所以钢材品种也很多, 特别是在机械工程 工程设计和实际运用经过之时,往往需要把不同各种金属材质 互相混用, 从而很大的减少了各种金属材质的使用率。要提高废 物的回收率,必须先对各种形式的废物加以筛选,尤其要对废 物的无毒无害特性进行研究。一般来说, 物料的基本成分数量越 小,构成因素越小平均回收率越高。

  4.5 选择经济的材料

  经济成本同样是挑选机器人设计素材时的关键问题。在机 器人产品设计经过中,机器人设计师一定要研究产品设计流程 中的特定流程, 并针对各个流程的产品设计特性, 选取最具成本 费用经济效益的设备资源, 将资源的应用价值最优化, 并在最后 确定了其机器人产品设计的基本要求。不相同的机器人产品设 计资料具有不相同的性能特征,因此有必要仔细了解资料的运 用特性, 以便于选取最具成本费用社会效益和最经济的资源, 以 达到机器人产品设计的特定标准,从而掌握筛选资料的基本内 容。另外, 也有必要根据机器人产品设计工程项目的总预算选用 最经济的建筑材料,这基于以下二条准则 :①符合机器人产品 设计的基本工艺规范,任何建筑材料都应该物美价廉 ;②应当 是最具生产成本效果和最经济的机械工程建筑材料。特别是应 当首先选用可收回的机械工程建筑材料, 以降低能量消耗, 有效 控制机器人设计阶段的生产成本,从而进一步提高了机器人工 程项目的经济效益。

  4.6 适合国家的可持续发展原则

  本质上是为了实现社会经济资源的可循环使用,通过深入 研究工业机器人产品设计的基本标准,熟练掌握机械设备工程 材料的基本隐藏内容,深入研究机械设备工程材料的基本特征, 合理利用, 尽可能地展现最大功能的机械工程材料特性, 完成低 能耗、低污染的机械工程。保护大自然,环境保护与节约是现代 社会的重要经济发展理念,更是国家可继续经济发展的关键政 策。由于中国市场经济的迅速蓬勃发展, 人类已经对周围的生存 环境有了较高的标准,因此机械设备工程材料一定要把能源和环境资源相结合, 以控制机械设备工程材料的消耗量, 从而进一 步提高机械材料效率, 减轻污染物, 并以可持续发展的原则指导 人们选用环保型节能机械设备工程材料,以尽可能地减轻建筑 材料对周围环境的污染物,从而促进可回收资源在各个领域中 的有效利用。

  5 机械设计中材料的选择与应用策略

  在对机械设备的使用材料基本知识掌握的基础上,为了使 产品设计的机械零件满足一定要求,在机械设计中还要求产品 的设计员必须进行下列操作。

  5.1 明确机械设计要求

  为了确保机械设计中机械材质选用的科学、合理,设计人员 应当明确机械设计要求, 抓住设计工作的重点和难点, 以确定设 计工作的顺利进行, 特别应当重视如下问题 :一方面, 首先确定 设计零部件应用。由于机械零件应用不同, 对零部件机械性能的 要求差异很大,直接影响金属材料的选用,所以,设计人员应当 根据零部件应用, 综合剖析零部件所在地区的工作环境, 及其对 工作中的环境影响因素,并比较分析对各种金属材料的适应性。 在必要情况下,可以对零部件所在地区的工作环境进行仿真建 模,了解零部件的各种机械设备受力参数, 并选用针对性的机械 工程建筑材料。一方面,首先进行金属材料经济性分析。各种机 械工程材料不但特性差异很大, 而且经济价值也有很大差别, 所 以,在机械设计中应进行成本的有效控制, 对各种待选物料的经 济效益加以分析, 并仔细分析零件制造时所需要工艺, 及其在制 造中的人力、财力与投资状况, 以制定最优化的机械工程材料使 用方法。

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  5.2 做好材料性能分析

  机械工程材料特性对机械零部件特性和寿命所造成的影响 较为直观, 所以, 在产品设计过程中应该把机械工程材料特性分 析作为关键性工作进行实施, 具体可从以下方面着手 :首先, 进 行物理和化学性质分析。由于机械工程材质的物理和化学性质 较多,主要涉及导热性、导电、熔点和密度等,因此需要产品设 计人员根据机械零部件所处环境,比较各种机械工程材质的物 理和化学性质, 并特别应分析生产工序复杂性状况, 以选择质量 最好的机械工程材质。因此, 在对机械工程零部件的整体载荷质 量有影响时,可选择采用铝、镁等轻金属材质。其次,进行化学 特性分析。由于机械工程材质的物理化学特性主要涉及化学稳 定性、抗氧化功能、耐腐蚀性等。因此,当有些零件在高温条件 下正常工作, 为了增长其寿命应当选择采用耐热、抗氧化性较强 的机械工程材质。最后,进行工艺特性分析。一般机械工程材料 的主要工艺性能有 :焊接性能、切削性能、铸造特性等,而这些 特性又决定了零部件制造的困难程度, 所以, 通常要求工程设计 技术人员先经过实验决定各种金属材料,而后组织工程专家对各种金属材料的可行性加以分析,从而制定最优化的机械工程 材料选用方法。

  5.3 选优合理处理工艺

  机械零件制造时,为了改善零部件综合性能往往通过各工 序加以解决, 促进机械制造工作的顺利完成, 产品设计人员将分 析各种机械工程材料所用处理工艺的复杂性,制定最优化的解 决方法。下面将以钢管等金属材料的热处理过程为例,展开剖 析。钢材热处理过程大致分成一般热处理过程、表面热处理,当 中一般热处理过程分成退火、正火、淬火等,而表面热处理则有 渗碳、渗氮、高频淬火等。当机器材质硬度变化很大,不利于切 割、加工时,就必须采用退火处理,以减少机器材质硬度。与此 相反,若要改善机械工程的坚硬,则应对材料通过正火处理。此 外,若通过退火及正火处理,则机械设备的坚硬、稳定性均不能 达到要求的, 此时则可考虑通过淬火及回火方式加以解决, 以得 到良好的空气动力学性能,以及脆、坚硬的马氏体。如果要求对 机械零件外表或中心部有变化的加工特性时,则必须对其实行 外表热处理试验。因此,在为改善零部件表层的耐腐蚀性、热硬 性、硬度等时,可对其采用渗氮处理。若需取得表层的高碳回火 马氏体, 或信不得低碳回火马氏体时, 则须采用对钢的渗碳处理 过程。若需表面层主要为淬火组织,而内层则是淬前组织时,也 可选择通过高频淬火加以加工,而且电压频度越高得到的淬透 层就愈薄。综上所述,由于不同的材料处理工艺,施工过程以及 复杂度不同, 因此需要在工程设计技术人员设计过程中, 予以更 全面的考察。

  6 结论

  机器产品设计过程是机械设备生产的关键,专业化较强,对 技术人员的整体综合应用技术水平需求也较高,为了确保总体 设计方案科学、合理,并便于后期的机械零件制造,技术人员还 应当进行机械设备物料选型和使用情况调研工作。本章经过深 入研究,得到了如下结果 :①机器产品设计使用物料种类较多, 从大的领域方面分为各种金属建筑材料、非金属建筑材料, 各个 种类的建筑材料物理性质、化工过程、工艺技术特性具有较大差 异,需要技术人员熟练地把握各种建筑材料特性, 为机器产品设 计过程的成功实现做好铺垫。②在机器人产品设计中,为了确 保机械材料选型的科学合理,需要技术人员认真进行产品设计 工作分析工作, 明确了产品设计工作条件, 并详细把握了机械零 件所在区域的实际工作环境。同时,进行经济效益分析,以严格 控制成本。此外, 还应进行对机器零部件的材质特性和加工处理 工艺分析, 在选择最好机械材料的同时, 选用合适的加工处理工 艺, 以提高机械零件的机械性能, 提高零部件制造品质。
 
 
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