第12章機(jī)械零件材料及成

1、第第1212章章 機(jī)械零件材料及成形工藝的選用機(jī)械零件材料及成形工藝的選用12.1 工程材料及成形工藝選用的基本原則 在進(jìn)行工程材料及成形工藝的選擇時一般可遵循下列在進(jìn)行工程材料及成形工藝的選擇時一般可遵循下列四條基本原則四條基本原則:1):1)使用性能足夠的原則；使用性能足夠的原則；2)2)工藝性能良好工藝性能良好的原則：的原則：3)3)經(jīng)濟(jì)性合理的原則；經(jīng)濟(jì)性合理的原則；4)4)結(jié)構(gòu)、材料、成形工藝結(jié)構(gòu)、材料、成形工藝相適應(yīng)的原則。相適應(yīng)的原則。12.1.112.1.1使用性能足夠的原則：使用性能足夠的原則： 使用性能主要指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)具有的力學(xué)使用性能主要指零件在使用狀態(tài)下材料

2、應(yīng)具有的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。對于機(jī)器零件和工程構(gòu)件，性能、物理性能和化學(xué)性能。對于機(jī)器零件和工程構(gòu)件，最重要的是力學(xué)性能。最重要的是力學(xué)性能。零件的工作條件，零件受力分析與選材，失效分析與選材12.1.212.1.2工藝性能良好的原則工藝性能良好的原則 在選用材料和確定工藝時，應(yīng)該考慮將原材料加工在選用材料和確定工藝時，應(yīng)該考慮將原材料加工成優(yōu)質(zhì)零件或加工成毛坯的成優(yōu)質(zhì)零件或加工成毛坯的難易程度難易程度，也就是，也就是材料對加材料對加工工藝的適應(yīng)能力工工藝的適應(yīng)能力。所選材料的工藝性能及具體成形工。所選材料的工藝性能及具體成形工藝良好與否，將對零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本有藝良好與

3、否，將對零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本有重要的影響。重要的影響。1.1.金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能：可鍛性： 各種金屬材料，各種金屬材料，按可鍛性能比較，在碳鋼中，低碳鋼最按可鍛性能比較，在碳鋼中，低碳鋼最好，中碳鋼次之，高碳鋼較差。好，中碳鋼次之，高碳鋼較差。低合金鋼低合金鋼的可鍛性近于中碳的可鍛性近于中碳鋼鋼高合金鋼高合金鋼的可鍛性的可鍛性較差較差。形變鋁合金雖可鍛造成各種形。形變鋁合金雖可鍛造成各種形狀的鍛件，但它的塑性較差，因鍛造溫度范圍窄，可鍛性并狀的鍛件，但它的塑性較差，因鍛造溫度范圍窄，可鍛性并不好。銅合金的可鍛性一般較好。不好。銅合金的可鍛性一般較好。焊接性： 在機(jī)械

4、工業(yè)中，在機(jī)械工業(yè)中，焊接的主要對象是鋼材焊接的主要對象是鋼材。低碳鋼和低碳鋼和碳含量低于碳含量低于0.35的合金鋼的焊接性能較好的合金鋼的焊接性能較好。碳含量和。碳含量和合素元素含量越高焊接性能越差。合素元素含量越高焊接性能越差。 銅合金和鋁合金的焊接性能都銅合金和鋁合金的焊接性能都較差較差，灰鑄鐵，灰鑄鐵基本上不基本上不能焊接。能焊接。2.2.高分子材料的工藝性能高分子材料的工藝性能 高分子材料的加工工藝路線比較簡單，成高分子材料的加工工藝路線比較簡單，成形后經(jīng)切削加工或焊接后便可成為零件。形后經(jīng)切削加工或焊接后便可成為零件。12.1.312.1.3經(jīng)濟(jì)性合理的原則經(jīng)濟(jì)性合理的原則 1 1

5、材料的價格；材料的價格；2 2加工費(fèi)用；加工費(fèi)用；3 3材料代用；材料代用；4 4在淬透性滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用碳素鋼；在淬透性滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用碳素鋼；5 5成組選材，減少品種便于管理。成組選材，減少品種便于管理。熱處理改性熱處理改性以鐵代鋼以鐵代鋼12.1.4 12.1.4 結(jié)構(gòu)、材料、成形工藝相適應(yīng)的原則結(jié)構(gòu)、材料、成形工藝相適應(yīng)的原則 上述材料與成形工藝選擇的三個原則是互相上述材料與成形工藝選擇的三個原則是互相滲透，有機(jī)相連的。實(shí)際上對于不同零件，材料滲透，有機(jī)相連的。實(shí)際上對于不同零件，材料與工藝的選用與工藝的選用是否合理是否合理是使用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)是使用性、工藝性

6、和經(jīng)濟(jì)性綜合平衡的結(jié)果性綜合平衡的結(jié)果。在保證使用性能的前提下，兼顧其他因素。12.2 12.2 具體成形方法及改性工藝的選用具體成形方法及改性工藝的選用小的螺?？梢孕〉穆菪？梢岳溏吚溏叺姆椒ǎ舐菟ㄒ缘姆椒?，大螺栓以熱鍛法熱鍛法，使，使螺拴頭螺拴頭成形。成形。 生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量對于材料及其成形工藝的選擇極為重對于材料及其成形工藝的選擇極為重要，特別是對于后者。一般的規(guī)律是，在要，特別是對于后者。一般的規(guī)律是，在單件、小單件、小批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)情況下鑄件選用情況下鑄件選用手工砂型鑄造手工砂型鑄造成形，鍛成形，鍛件采用件采用自由鍛或胎模鍛自由鍛或胎模鍛成形方法，焊接件則以成形方法，焊接件則以手工

7、手工或半自動的焊接或半自動的焊接方法為主，薄板零件則采用板金、方法為主，薄板零件則采用板金、鉗工成形的方法。在鉗工成形的方法。在大批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)的條件下，則分別的條件下，則分別采用采用機(jī)器造型、模鍛、埋弧自動焊及板料沖壓等成機(jī)器造型、模鍛、埋弧自動焊及板料沖壓等成形方法形方法。生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量 合理確定材料合理確定材料預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理及及最終熱處理最終熱處理工藝工藝方法及其在工藝流程中的方法及其在工藝流程中的位置位置12.3 12.3 典型零件的材料及成形工藝選擇典型零件的材料及成形工藝選擇12.3.1 12.3.1 軸類零件軸類零件 1. 1.軸類零件工作條件及對性能的一般要求軸類零

8、件工作條件及對性能的一般要求 軸的失效的主要形式有軸的失效的主要形式有疲勞斷裂、疲勞斷裂、脆性斷裂、磨損及變形失效。脆性斷裂、磨損及變形失效。 根據(jù)工作條件和失效形式，可以對軸用材料提根據(jù)工作條件和失效形式，可以對軸用材料提出如下性能要求：出如下性能要求：應(yīng)具有應(yīng)具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，即要求有高的強(qiáng)度和韌性，以防變形和斷裂。即要求有高的強(qiáng)度和韌性，以防變形和斷裂。應(yīng)應(yīng)具有具有高的疲勞強(qiáng)度高的疲勞強(qiáng)度，防止疲勞斷裂。，防止疲勞斷裂。應(yīng)具有應(yīng)具有良好良好的耐磨性的耐磨性。2.2.選材選材 軸類零件軸類零件一般采用一般采用球墨鑄鐵球墨鑄鐵、中碳鋼中碳鋼或或中碳合中碳合金鋼金鋼制造

9、，常用材料有：制造，常用材料有：QT9002QT9002、4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB、30CrMnSi30CrMnSi、35CrMo35CrMo和和40CrNiMo40CrNiMo等。具體鋼等。具體鋼種的選用應(yīng)根據(jù)載荷的類型和淬透性的大小來決定。種的選用應(yīng)根據(jù)載荷的類型和淬透性的大小來決定。 選擇材料時，必須同時考慮熱處理工藝軸類零選擇材料時，必須同時考慮熱處理工藝軸類零件通常需經(jīng)件通常需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理，獲得，獲得回火索氏體組織回火索氏體組織具有高具有高強(qiáng)度的同時，還有較高的韌性。為了提高軸頸處的強(qiáng)度的同時，還有較高的韌性。為了提高軸頸處的耐磨性。調(diào)質(zhì)后還需進(jìn)行耐磨性

10、。調(diào)質(zhì)后還需進(jìn)行高頻表面淬火高頻表面淬火或或滲氮處理滲氮處理，以便提高表面硬度。以便提高表面硬度。 3 3成形工藝選擇成形工藝選擇 對于主要考慮剛度的軸以及主要承受靜載荷的軸，對于主要考慮剛度的軸以及主要承受靜載荷的軸，如如曲軸、凸輪軸曲軸、凸輪軸等，可采用鑄造成形的等，可采用鑄造成形的球墨鑄鐵球墨鑄鐵來制造。來制造。 以球墨鑄鐵鑄造成形的軸的熱處理主要采用正火以球墨鑄鐵鑄造成形的軸的熱處理主要采用正火處理。為提高軸的力學(xué)性能也可采用調(diào)質(zhì)或正火后的處理。為提高軸的力學(xué)性能也可采用調(diào)質(zhì)或正火后的進(jìn)行表面淬火、貝氏體等溫淬火等工藝。進(jìn)行表面淬火、貝氏體等溫淬火等工藝。 對于以強(qiáng)度要求為主的獨(dú)特別是

11、在運(yùn)轉(zhuǎn)中伴隨有對于以強(qiáng)度要求為主的獨(dú)特別是在運(yùn)轉(zhuǎn)中伴隨有一定的沖擊載荷的軸，大多采用一定的沖擊載荷的軸，大多采用鍛造成形鍛造成形。鍛造成形。鍛造成形的軸常用材料為的軸常用材料為中碳鋼或中碳合金調(diào)質(zhì)鋼中碳鋼或中碳合金調(diào)質(zhì)鋼。這類材料。這類材料的鍛造性能較好。的鍛造性能較好。4 4軸類零件舉例軸類零件舉例以以C620C620車床主軸為例，分析材料與工藝的選用車床主軸為例，分析材料與工藝的選用中碳鋼或中碳合金鋼中碳鋼或中碳合金鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理有良好的綜合力學(xué)性能，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理有良好的綜合力學(xué)性能材料選用：材料選用：4545鋼鋼 成形選擇：本例中的軸徑變化較大，可采用成形選擇：本例中的軸徑變化較大，可

12、采用鍛造成形鍛造成形，通過減徑拔長，通過減徑拔長，鍛成階梯狀毛坯。鍛成階梯狀毛坯。原材料原材料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 淬火淬火 高溫回火高溫回火 精加工精加工 大端局部高頻感應(yīng)淬火大端局部高頻感應(yīng)淬火 低溫回火低溫回火 精密精密加工。加工。加工工藝路線加工工藝路線：12.3.2 12.3.2 齒輪類零件齒輪類零件 大多數(shù)重要齒輪的受力共同特點(diǎn)是：大多數(shù)重要齒輪的受力共同特點(diǎn)是：1 1）由于）由于傳遞扭矩齒輪根部承受較大的傳遞扭矩齒輪根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力交變彎曲應(yīng)力；2 2）齒的表面承受較大的齒的表面承受較大的接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力，在工作過程中相，在工作過程中相互滾動和滑動，表面受

13、到強(qiáng)烈的互滾動和滑動，表面受到強(qiáng)烈的摩擦和磨損摩擦和磨損；3 3）由于換檔、啟動或嚙合不良，輪齒會受到由于換檔、啟動或嚙合不良，輪齒會受到?jīng)_擊沖擊。 齒輪的材料應(yīng)具有以下齒輪的材料應(yīng)具有以下主要性能主要性能：1 1）高高的彎曲的彎曲疲勞強(qiáng)度和高的接觸疲勞強(qiáng)度和高的接觸疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度；2 2）齒面有）齒面有高的硬高的硬度和耐磨性度和耐磨性；3 3）輪齒）輪齒心部心部要有要有足夠的強(qiáng)度和韌性足夠的強(qiáng)度和韌性。 陶瓷是不合適的，因?yàn)槠浯嘈源蟆Ｌ沾墒遣缓线m的，因?yàn)槠浯嘈源蟆｝X輪用材料齒輪用材料工程塑料工程塑料( (如尼龍、聚碳酸脂如尼龍、聚碳酸脂) )：在一些受力不大或無潤：在一些受力不大或無潤滑條

14、件下工作的齒輪，可選用來制造。滑條件下工作的齒輪，可選用來制造。鑄鐵鑄鐵: :一些低應(yīng)力、低沖擊載荷條件下工作的齒輪，可用一些低應(yīng)力、低沖擊載荷條件下工作的齒輪，可用HT250HT250、HT350HT350、QT6003QT6003、QT7002QT7002等材料來制造。例等材料來制造。例如汽車發(fā)動機(jī)上的凸輪、齒輪，材料可選灰鑄鐵如汽車發(fā)動機(jī)上的凸輪、齒輪，材料可選灰鑄鐵HT200HT200。鋼鋼: :對于較為重要的齒輪，一般都用鋼制造。對于較為重要的齒輪，一般都用鋼制造。傳遞功率傳遞功率大大、接觸應(yīng)力大、運(yùn)轉(zhuǎn)速度高而又受較大沖擊載荷的齒、接觸應(yīng)力大、運(yùn)轉(zhuǎn)速度高而又受較大沖擊載荷的齒輪，通常

15、選擇輪，通常選擇低碳鋼或低碳合金鋼，如低碳鋼或低碳合金鋼，如20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等制造，并經(jīng)滲碳及滲碳后熱處理，最終表面硬度要求等制造，并經(jīng)滲碳及滲碳后熱處理，最終表面硬度要求為為565662HRC62HRC，心部硬度，心部硬度303045HRC,45HRC,滲碳層深度可在滲碳層深度可在0.90.91.22mm1.22mm間選擇。屬于這類齒輪的一般有精密機(jī)床間選擇。屬于這類齒輪的一般有精密機(jī)床的的主軸傳動齒輪主軸傳動齒輪、走刀齒輪和變速箱的、走刀齒輪和變速箱的高速齒輪高速齒輪。 對于對于小功率齒輪小功率齒輪，通常選擇，通常選擇中碳鋼中碳鋼，并經(jīng)，并經(jīng)表面淬火和低溫

16、回火表面淬火和低溫回火最終最終表面硬度表面硬度要求為要求為525258HRC58HRC或或454550HRC50HRC。心部硬度心部硬度282835HRc35HRc。屬于這類齒輪的，通常是機(jī)床的變速齒輪。屬于這類齒輪的，通常是機(jī)床的變速齒輪。 12.3.3 12.3.3 機(jī)架、箱體類零件機(jī)架、箱體類零件 各種機(jī)械的機(jī)身、底座、支架、橫梁、工作臺以各種機(jī)械的機(jī)身、底座、支架、橫梁、工作臺以及齒輪箱、軸承座、閥體、內(nèi)燃機(jī)的缸體等都可視為及齒輪箱、軸承座、閥體、內(nèi)燃機(jī)的缸體等都可視為機(jī)架、箱體類零件。機(jī)架、箱體類零件。 機(jī)架、箱體類零件的機(jī)架、箱體類零件的特點(diǎn)是特點(diǎn)是：形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)：形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)比較比較復(fù)雜并帶有內(nèi)腔復(fù)雜并帶有內(nèi)腔，重量從幾干克至數(shù)十噸，工作，重量從幾干克至數(shù)十噸，工作條件也相差很大。條件也相差很大。 零件一般受力不大，但要求有良好的剛度和密封零件一般受力不大，但要求有良好的剛度和密封性，在多數(shù)情況選用灰