第7章機械零件材料及成型方法選擇

1、第7章 機械零件材料及成型方法選用 7.1選材的一般原則 7.2典型零件的選材及改性方法示例 7.3毛坯成型方法選用原則 7.4典型機械零件毛坯成型方法選用示例(軸桿類、盤套類、箱體類)7.1選材的一般原則 7.1.1 零件失效的類型、原因及分析方法 7.1.2材料的選用 7.1.3選材的一般程序7.1.1 零件失效的類型、原因及分析方法 1. 零件失效的類型、原因 各種機械零件都具有一定的功能，當它不能按要求的效率完成預(yù)定的功能時，則稱該零件已失效。零件失效具體表現(xiàn)為：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；嚴重損傷不能再安全工作；雖仍能安全工作，但不能完成規(guī)定的功能。 根據(jù)零件損壞的特點、所受載荷的類

2、型及外在條件，零件的失效可歸納為下列三種類型：變形失效；斷裂失效；表面損傷失效。 引起失效的具體原因大體可以分為設(shè)計；材料；加工；安裝使用 2.零件失效分析方法 應(yīng)盡可能仔細地收集失效零件的殘體，拍照留據(jù)，確定重點分析的對象和部位。并在零件失效的發(fā)源部位切取樣品。 應(yīng)詳細整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計資料、加工工藝文件及使用記錄等。 將所選樣品進行宏觀及微觀的斷口分析，以及必要的金相剖面分析，確定失效的發(fā)源地及失效的方式。 測定樣品的必要數(shù)據(jù)，包括設(shè)計所依據(jù)的性能指標及與失效有關(guān)的性能數(shù)據(jù)，材料的組織及化學成分是否符合要求，分析在失效零件上收集到的腐蝕產(chǎn)物的成分、磨屑的成分等。必要時還要進行無

3、損探傷、斷裂力學分析等，考查有無裂紋或其他缺陷。7.1.2材料的選用 1. 使用性能與選材 2.工藝性能與選材 3.經(jīng)濟性與選材一些零件的工作條件、主要損壞形式及主要機械性能指標 7.1.3選材的一般程序 1.分析零件工作條件 2.材料預(yù)選擇 3.材料終選擇 4.驗證選材的可靠性7.2典型零件的選材及改性方法示例 7.2.1.齒輪類零件的選材及改性方法 7.2.2軸類零件的選材及改性方法7.2.1.齒輪類零件的選材及改性方法 1.齒輪的工作條件及性能要求 2.齒輪零件的選材 3.典型齒輪選材舉例1.齒輪的工作條件及性能要求齒輪是機械工業(yè)、汽車、拖拉機中應(yīng)用最廣的零件之一，主要用于功率的傳遞和速

4、度的調(diào)節(jié)，其工作時的受力狀況如下：由于傳遞扭矩，齒根承受較大的交變彎曲應(yīng)力；齒面相互滑動和滾動，承受較大的接觸應(yīng)力，并發(fā)生強烈的摩擦；由于換檔、啟動或嚙合不良，齒部承受一定的沖擊。根據(jù)齒輪的工作特點，其主要失效形式有以下幾種：輪齒折斷 有兩類斷裂形式，一類為疲勞斷裂：主要發(fā)生在齒根，常常一齒斷裂引起數(shù)齒、甚至更多的齒斷裂；另一類是過載斷裂：主要是沖擊載荷過大造成的斷齒；齒面磨損 由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小，齒隙增大；齒面的剝落 在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋并逐漸發(fā)展，引起點狀剝落。據(jù)此，要求齒輪用材應(yīng)具有如下性能：高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度；高的硬度和耐磨性；輪齒心部要有足夠的

5、強度和韌性；2.齒輪零件的選材3.典型齒輪選材舉例C6132車床傳動齒輪 JN150汽車變速齒輪 7.2.2軸類零件的選材及改性方法 1.機床主軸 2. 汽車半軸 3. 內(nèi)燃機曲軸1.機床主軸在選用機床主軸的材料和熱處理工藝時，必須考慮以下幾點：受力的大小。軸承類型。主軸的形狀及其可能引起的熱處理缺陷。 機床主軸的工作條件和性能要求C6140車床主軸的工作條件： 承受交變的彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，有時受到?jīng)_擊載荷的作用； 主軸大端內(nèi)錐孔和錐度外圓，經(jīng)常與卡盤、頂針有相對摩擦； 花鍵部分經(jīng)常有磕碰或相對滑動。熱處理技術(shù)條件：整體調(diào)質(zhì)硬度達200230HBS；內(nèi)錐孔和外圓錐面處硬度為4550 HRC；

6、花鍵部分的硬度為4853 HRC。 （2）主軸用鋼及熱處理改性 C6140車床屬于中速、中負荷、在滾動軸承中工作的機床，因此選用45鋼。整體調(diào)質(zhì)以獲得高的綜合機械性能和疲勞強度；內(nèi)錐孔和外圓錐面處采用鹽浴局部淬火和回火，以便耐磨和保證裝配精度；花鍵部分高頻淬火、低溫回火，以確保強度硬度要求。機床主軸工藝路線如下： 鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工表面淬火及低溫回火磨削加工。 若這類機床主軸承受載荷較大時，可用40Cr鋼制造。當承受較大的沖擊載荷和疲勞載荷時，則可采用合金滲碳鋼制造，其熱處理工藝也發(fā)生相應(yīng)的變化。 C6140車床主軸圖 2. 汽車半軸汽車半軸是驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的直接驅(qū)動件。半軸材料與其工作條

7、件有關(guān)，中型載重汽車目前選用40Cr鋼，而重型載重汽車則選用性能更高的40CrMnMo鋼。（1）汽車半軸的工作條件和性能要求 圖9-2-4所示為躍進-130型載重汽車(載重量為2500kg)的半軸簡圖。半軸在工作時承受沖擊、反復(fù)彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，要求材料有足夠的抗彎強度、疲勞強度和較好的韌性。熱處理技術(shù)條件：硬 度：桿部3744 HRC；盤部外圓：2434 HRC。材料選用及熱處理改性根據(jù)技術(shù)條件要求，可選用40Cr鋼。熱處理為：正火，消除鍛造應(yīng)力，改善切削加工性；調(diào)質(zhì)，使半軸具有高的綜合機械性能。其制造工藝路線如下： 下料鍛造正火切削加工調(diào)質(zhì)鉆孔磨削汽車半軸 3. 內(nèi)燃機曲軸（1）工

8、作條件及性能要求曲軸是內(nèi)燃機形狀復(fù)雜而又重要的零件之一。它在工作時受到內(nèi)燃機周期性變化著的氣體壓力、曲柄連桿機構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力以及沖擊力等的作用。在高速內(nèi)燃機中曲軸還受到扭轉(zhuǎn)振動的影響，會造成很大的應(yīng)力。 因此，對曲軸的性能要求為：高強度，一定的沖擊韌性和彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強度，軸頸處要求有高的硬度和耐磨性。（2）內(nèi)燃機曲軸用料的選擇 一般以靜力強度和沖擊韌性作為曲軸的設(shè)計指標，并考慮疲勞強度。 內(nèi)燃機曲軸材料的選擇主要決定于內(nèi)燃機的使用情況、功率大小、轉(zhuǎn)速高低以及軸瓦材料等因素。一般選材規(guī)律如下：低速內(nèi)燃機曲軸采用正火狀態(tài)的碳素鋼或球墨鑄鐵；中速內(nèi)燃機曲軸采用調(diào)質(zhì)狀態(tài)的碳素鋼或合金鋼如

9、45、40Cr、45Mn2、50Mn2等，或球墨鑄鐵；高速內(nèi)燃機曲軸采用高強度的合金鋼如35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA等。7.3毛坯成型方法選用原則 7.3.1毛坯的種類 7.3.2 毛坯選擇的原則 7.3.3選擇毛坯的依據(jù)7.3.1毛坯的種類 1.型材 2.鑄件 3.鍛件 4.沖壓件 5.焊接件1.型材 型材具有流線(或纖維)組織，使其力學性能具有方向性，即順著流線方向的抗拉強度、塑性好；而垂直于流線方向的抗拉強度、塑性低，但抗剪強度高。型材是大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，可直接從市場上購得，價格便宜，可簡化制造工藝和降低制造成本，盡管尺寸精度與表面質(zhì)量稍差，在不影響零件性能的情況下，一

10、般優(yōu)先選用型材。 型材的斷面形狀和尺寸有多種，常見的型材有型鋼、鋼板、鋼管、鋼絲、鋼帶等。2.鑄件 用鑄造方法獲得的零件毛坯稱為鑄件。幾乎所有的金屬材料都可進行鑄造，其中鑄鐵應(yīng)用最廣，而且鑄鐵也只能用鑄造的方法來生產(chǎn)毛坯；常用于鑄造的碳鋼為低、中碳鋼。在一般情況下鑄件的生產(chǎn)成本較低，是優(yōu)先選用的毛坯。 但是鑄件的組織較粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生氣孔、縮松、偏析等缺陷，這些都影響鑄件的力學性能，使鑄件的力學性能比相同材料的鍛件低，特別是沖擊韌性差，所以一些重要零件和承受沖擊載荷的零件不宜用鑄件作零件的毛坯。3.鍛件 鍛件是固態(tài)金屬材料在外力作用下通過塑性變形而獲得的。由于塑性變形的結(jié)果，使鍛件內(nèi)部的組織較

11、細且致密，沒有鑄造組織中的缺陷，所以鍛件比相同材料鑄件的力學性能高。尤其塑性變形后使型材中纖維組織重新分布，符合零件受力的要求，更能發(fā)揮材料的潛力。鍛件常用于強度高、耐沖擊、抗疲勞等重要零件的毛坯。 與鑄造相比，鍛造方法難于獲得形狀較復(fù)雜(特別內(nèi)腔)的毛坯，且鍛件成本一般比鑄件要貴，金屬材料的利用率亦較低。 自由鍛造適用于單件、小批生產(chǎn)、形狀簡單和大型零件的毛坯，其缺點是精度不高、表面不光潔、加工余量大、消耗金屬多。模鍛件的形狀可比自由鍛件復(fù)雜，且尺寸較準確，表面較光潔，可減少切削加工成本，但模鍛錘和鍛模價格高，所以模鍛適用于中小件的成批或大量生產(chǎn)。4.沖壓件 沖壓可制造形狀復(fù)雜的薄壁零件，沖

12、壓件的表面質(zhì)量好，形狀和尺寸精度高(決定于沖模質(zhì)量)，一般可滿足互換性的要求，故一般不必再經(jīng)切削加工便可直接使用。沖壓生產(chǎn)易于實現(xiàn)機械化與自動化，所以生產(chǎn)率較高，產(chǎn)品的合格率和材料利用率高，故沖壓件的制造成本低。但沖壓件只適用大批量生產(chǎn)，因為模具制造的工藝復(fù)雜、成本高、周期較長，只有在大批量生產(chǎn)中才能顯示其優(yōu)越性。5.焊接件 焊接件是借助于金屬原子間的擴散和結(jié)合的作用，把分離的金屬制成永久性的結(jié)構(gòu)件。焊接件的尺寸、形狀一般不受限制，可以小拼大，結(jié)構(gòu)輕便，材料利用率高，生產(chǎn)周期短，主要用于制造各種金屬結(jié)構(gòu)件，也用于制造零件的毛坯和修復(fù)零件，特別適用于制造單件、大型、形狀復(fù)雜的零件或毛坯，不需要重

13、型與專用設(shè)備，產(chǎn)品改型方便。焊接件接頭的力學性能與母材基本接近。焊接件可以采用鋼板或型鋼焊接，或采用鑄焊、鍛焊或沖焊聯(lián)合工藝制成。但是焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程，焊接構(gòu)件內(nèi)容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形，接頭的熱影響區(qū)力學性能有所下降。7.3.2 毛坯選擇的原則 1.適用性原則 2.經(jīng)濟性原則 3.毛坯選擇時應(yīng)考慮的其它因素 (1)材料的工藝性對毛坯選擇的影響 (2)零件的結(jié)構(gòu)、形狀與尺寸大小對毛坯生產(chǎn)方法選擇的影響 (3)零件性能的可靠性對毛坯選擇的影響 (4)零件生產(chǎn)的批量對毛坯選擇的影響 7.3.3選擇毛坯的依據(jù) 1.零件的類別、用途和工作條件及其形狀、尺寸和設(shè)計技術(shù)要求 2零件的生產(chǎn)批

14、量 3.生產(chǎn)條件7.4典型機械零件毛坯成型方法選用示例(軸桿類、盤套類、箱體類) 7.4.1軸桿類零件 7.4.2 盤套類零件 7.4.3 箱體類零件7.4.1軸桿類零件 焊接的汽車排氣閥 鑄焊結(jié)構(gòu)的水壓機毛坯 7.4.2 盤套類零件盤套類零件一般是軸向尺寸小于徑向尺寸，或者兩個方向尺寸相差不大。屬于這類零件的有齒輪、飛輪、帶輪、法蘭盤、聯(lián)軸器、手輪、刀架等。由于這些零件在機械設(shè)備中的作用、要求和工作條件差異很大，因零件用材不相同，故毛坯的生產(chǎn)方法也各異。 對帶輪、飛輪、手輪、墊塊等一類受力不大(且主要承受壓力)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，常選用灰鑄鐵制造，故用鑄造方法生產(chǎn)的鑄鐵件作為毛坯；對單件大型零

15、件亦可用低碳鋼焊接而成。對法蘭盤、套環(huán)、墊圈等零件，根據(jù)受力大小、形狀和尺寸，可選用鑄鐵、鋼、有色合金等制造，分別用鑄件、鍛件或型材下料后作毛坯。 齒輪是典型的輪盤類零件，其材料的選用前面已分析過。齒輪毛坯的選擇應(yīng)根據(jù)其受力的性質(zhì)與大小、材料種類、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、生產(chǎn)批量等不同而異。一般中小型傳力齒輪常用鍛件為毛坯；當生產(chǎn)批量較大時用熱軋或精密模鍛件作毛坯，以提高性能、減少切削加工；直徑較小的齒輪也可直接用圓鋼作毛坯；結(jié)構(gòu)復(fù)雜尺寸較大的齒輪亦可采用鑄鋼件或球墨鑄鐵件；對單件大型齒輪可用焊接件作毛坯；尺寸較小、厚度薄、產(chǎn)量大的傳動齒輪可用沖壓方法直接生產(chǎn)零件；對一般非傳力的低速齒輪，可用灰口鑄鐵件作毛坯。 7.4.3 箱體類零件 箱