典型零件的選材及加工工藝路線分析

1、l選材的一般原則與方法選材的一般原則與方法l典型零件典型零件( (齒輪類、軸類、彈簧類、葉片類）的選齒輪類、軸類、彈簧類、葉片類）的選材材一、選材的一般原則一、選材的一般原則1 1對(duì)材料力學(xué)性能的考慮對(duì)材料力學(xué)性能的考慮 從零件工作條件中找出對(duì)材料力學(xué)性能的要求。從零件工作條件中找出對(duì)材料力學(xué)性能的要求。u將零件的工作條件分為受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境將零件的工作條件分為受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等幾個(gè)方面。介質(zhì)等幾個(gè)方面。n 受力狀態(tài)有拉、壓、彎、扭等；載荷性質(zhì)有靜載、沖擊、交變受力狀態(tài)有拉、壓、彎、扭等；載荷性質(zhì)有靜載、沖擊、交變等；等；n 工作溫度可分為低溫、室溫、高

2、溫、交變溫度；工作溫度可分為低溫、室溫、高溫、交變溫度；n 環(huán)境介質(zhì)為與零件接觸的介質(zhì)，如潤(rùn)滑劑、海水、酸、堿、鹽環(huán)境介質(zhì)為與零件接觸的介質(zhì)，如潤(rùn)滑劑、海水、酸、堿、鹽等。等。 必須研究零件的失效方式，找出對(duì)零件失效起主導(dǎo)作用的力學(xué)必須研究零件的失效方式，找出對(duì)零件失效起主導(dǎo)作用的力學(xué)性能指標(biāo)。性能指標(biāo)。2 2對(duì)材料工藝性能的考慮對(duì)材料工藝性能的考慮 材料本身工藝性能的好壞將直接影確零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成材料本身工藝性能的好壞將直接影確零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。本。 工藝性能中最突出的是可切削性和熱處理工藝性工藝性能中最突出的是可切削性和熱處理工藝性( (包括淬透性、包括淬透性、變形規(guī)律、

3、氧化脫碳傾向等變形規(guī)律、氧化脫碳傾向等) )。l 在大量生產(chǎn)時(shí)，工藝周期的長(zhǎng)短和加工費(fèi)用的高低，常常是生產(chǎn)在大量生產(chǎn)時(shí)，工藝周期的長(zhǎng)短和加工費(fèi)用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。的關(guān)鍵。3 3對(duì)材料經(jīng)濟(jì)性的考慮對(duì)材料經(jīng)濟(jì)性的考慮 經(jīng)濟(jì)性涉及到材料成本的高低，供應(yīng)是否充分，加工工藝過(guò)程是經(jīng)濟(jì)性涉及到材料成本的高低，供應(yīng)是否充分，加工工藝過(guò)程是否復(fù)雜、成品率的高低以及同一產(chǎn)品中使用金屬或鋼材型號(hào)的多否復(fù)雜、成品率的高低以及同一產(chǎn)品中使用金屬或鋼材型號(hào)的多少等。少等。 n 選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不選用合金鋼。選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不選用合金鋼。n 對(duì)只要求表面性能高的零件，可選用廉價(jià)

4、鋼種，然后進(jìn)行表面強(qiáng)對(duì)只要求表面性能高的零件，可選用廉價(jià)鋼種，然后進(jìn)行表面強(qiáng)化處理?；幚?。l 另外，應(yīng)當(dāng)以綜合效益來(lái)評(píng)價(jià)材料的經(jīng)濟(jì)性高低。另外，應(yīng)當(dāng)以綜合效益來(lái)評(píng)價(jià)材料的經(jīng)濟(jì)性高低。4 4對(duì)產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品“輕型化、高壽命輕型化、高壽命”的考慮的考慮 從商品的銷售和用戶的愿望考慮，產(chǎn)品還應(yīng)當(dāng)具有重量輕、美從商品的銷售和用戶的愿望考慮，產(chǎn)品還應(yīng)當(dāng)具有重量輕、美觀、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)。觀、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)。n 盡量采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成果，做到在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有創(chuàng)新，有盡量采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成果，做到在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有創(chuàng)新，有特色。特色。n 在材料制造工藝和強(qiáng)化工藝上有改革、有先進(jìn)性。在材料制造工藝和強(qiáng)化工藝上有改革

5、、有先進(jìn)性。5 5對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)組織可能性的考慮對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)組織可能性的考慮 一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)零件的制造，是采用手工操作還是機(jī)器操作；一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)零件的制造，是采用手工操作還是機(jī)器操作；是采用單件生產(chǎn)還是采用機(jī)械化自動(dòng)流水作業(yè)，對(duì)產(chǎn)品的成本是采用單件生產(chǎn)還是采用機(jī)械化自動(dòng)流水作業(yè)，對(duì)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量也起著重要作用。和質(zhì)量也起著重要作用。 在選材時(shí)，應(yīng)考慮到所選材料能滿足實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的可能性。在選材時(shí)，應(yīng)考慮到所選材料能滿足實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的可能性。對(duì)零件的工作特性和使用條件進(jìn)行周密的分析，找出主要損壞對(duì)零件的工作特性和使用條件進(jìn)行周密的分析，找出主要損壞形式，從而恰當(dāng)?shù)靥岢鲋饕沽χ笜?biāo)。形式

6、，從而恰當(dāng)?shù)靥岢鲋饕沽χ笜?biāo)。根據(jù)工作條件需要和分析，對(duì)該零件的設(shè)計(jì)制造提出必要的技根據(jù)工作條件需要和分析，對(duì)該零件的設(shè)計(jì)制造提出必要的技術(shù)條件。術(shù)條件。材料的預(yù)選擇材料的預(yù)選擇n根據(jù)所提出的技術(shù)條件要求和工藝性、經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，對(duì)根據(jù)所提出的技術(shù)條件要求和工藝性、經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，對(duì)材料進(jìn)行預(yù)選擇。材料進(jìn)行預(yù)選擇。可以通過(guò)與相類似機(jī)器零件的比較和已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的判斷，可以通過(guò)與相類似機(jī)器零件的比較和已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的判斷，或者通過(guò)各種材料選用手冊(cè)來(lái)進(jìn)行選擇?；蛘咄ㄟ^(guò)各種材料選用手冊(cè)來(lái)進(jìn)行選擇。對(duì)預(yù)選方案材料進(jìn)行計(jì)算，以確定是否能滿足上述工作條件要對(duì)預(yù)選方案材料進(jìn)行計(jì)算，以確定是否能滿足上述工

7、作條件要求。求。材料的二次材料的二次( (或最終或最終) )選擇，可以是若干種方案。選擇，可以是若干種方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)最終確定合理選材通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)最終確定合理選材方案。方案。最后在中、小批量生產(chǎn)基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)選材的合理性。最后在中、小批量生產(chǎn)基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)選材的合理性。零件名稱工作條件主要損壞形式主要抗力指標(biāo)重要螺栓拉應(yīng)力或交變應(yīng)力沖擊載荷拉斷（過(guò)量塑性變形）；疲勞斷裂0.2，-1P，HB重要傳動(dòng)齒輪交變彎曲應(yīng)力；交變接觸應(yīng)力；沖擊載荷；齒表面摩擦與磨損齒的折斷；過(guò)渡磨損；疲勞麻點(diǎn)-1，bb，HRC，接觸疲勞強(qiáng)度曲軸、軸類交變彎曲應(yīng)力；扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

8、；沖擊負(fù)荷；磨損疲勞破壞造成斷裂；過(guò)渡磨損0.2，-1，HRC滾動(dòng)軸承點(diǎn)或線接觸下的交變應(yīng)力磨損過(guò)渡磨損破壞；疲勞破壞造成的斷裂e，bc，-1，HRC彈簧交變應(yīng)力沖擊、振動(dòng)彈力喪失；疲勞破壞引起斷裂e,s/b,-1p-1P抗壓或?qū)ΨQ拉伸疲勞強(qiáng)度；-1光滑試樣對(duì)稱歪曲疲勞強(qiáng)度；bb抗彎強(qiáng)度；bc抗壓強(qiáng)度；0.2條件屈服強(qiáng)度；e彈性極限；s屈服強(qiáng)度；b抗拉強(qiáng)度l一、齒輪一、齒輪l一）齒輪的工作條件、失效方式及性能要求一）齒輪的工作條件、失效方式及性能要求l1 1、工作條件和失效方式、工作條件和失效方式l主要起傳遞扭矩、變速或改變傳力方向的作用。工作條件：主要起傳遞扭矩、變速或改變傳力方向的作用。工

9、作條件：1)1)傳傳遞扭矩時(shí)齒根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力；遞扭矩時(shí)齒根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力；2)2)齒嚙合時(shí)齒面承受齒嚙合時(shí)齒面承受較大接觸應(yīng)力并受強(qiáng)烈摩擦和磨損；較大接觸應(yīng)力并受強(qiáng)烈摩擦和磨損；3)3)換檔、啟動(dòng)、制動(dòng)或嚙合換檔、啟動(dòng)、制動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)承受一定沖擊力。不均勻時(shí)承受一定沖擊力。l失效方式：齒的折斷失效方式：齒的折斷( (包括疲勞斷裂和沖擊過(guò)載斷裂包括疲勞斷裂和沖擊過(guò)載斷裂) )和齒面損傷和齒面損傷( (包括接觸疲勞麻點(diǎn)剝落和過(guò)度磨損包括接觸疲勞麻點(diǎn)剝落和過(guò)度磨損) )。l2 2、性能要求、性能要求l1)1)高彎曲疲勞強(qiáng)度，防止輪齒疲勞斷裂；高彎曲疲勞強(qiáng)度，防止輪齒疲勞斷裂

10、；2)2)足夠高的齒心強(qiáng)度和足夠高的齒心強(qiáng)度和韌性，防止輪齒過(guò)載斷裂；韌性，防止輪齒過(guò)載斷裂；3)3)足夠高的齒面接觸疲勞強(qiáng)度和高硬足夠高的齒面接觸疲勞強(qiáng)度和高硬度及耐磨性，防止齒面損傷；度及耐磨性，防止齒面損傷；4)4)較好工藝性能，如切削加工性好，較好工藝性能，如切削加工性好，熱處理變形小或變形有一定規(guī)律，過(guò)熱傾向小，有一定淬透性等。熱處理變形小或變形有一定規(guī)律，過(guò)熱傾向小，有一定淬透性等。l二）選材及熱處理二）選材及熱處理l1 1、機(jī)床齒輪、機(jī)床齒輪l工作平穩(wěn)無(wú)強(qiáng)烈沖擊，負(fù)荷不大，轉(zhuǎn)速中等，對(duì)齒輪心部強(qiáng)度和工作平穩(wěn)無(wú)強(qiáng)烈沖擊，負(fù)荷不大，轉(zhuǎn)速中等，對(duì)齒輪心部強(qiáng)度和韌性要求不高，一般選用韌性

11、要求不高，一般選用4040或或4545鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后再進(jìn)鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后再進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱表面淬火，齒面硬度達(dá)行高頻感應(yīng)加熱表面淬火，齒面硬度達(dá)52HRC52HRC左右，齒心硬度左右，齒心硬度為為220250HBS220250HBS。對(duì)于一部分性能要求較高的齒輪，可用中碳。對(duì)于一部分性能要求較高的齒輪，可用中碳低合金鋼低合金鋼( (如如40Cr40Cr、40MnB40MnB、45Mn245Mn2等等) )。l2 2、汽車(chē)、拖拉機(jī)齒輪、汽車(chē)、拖拉機(jī)齒輪l工作條件比機(jī)床齒輪惡劣，受力較大，超載與啟動(dòng)、制動(dòng)和變速工作條件比機(jī)床齒輪惡劣，受力較大，超載與啟動(dòng)、制動(dòng)和變速時(shí)受沖擊頻繁，對(duì)耐

12、磨性、彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、心部時(shí)受沖擊頻繁，對(duì)耐磨性、彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和韌性等性能要求較高，選用合金滲碳鋼強(qiáng)度和韌性等性能要求較高，選用合金滲碳鋼(20CrMnTi(20CrMnTi、20CrMnMo20CrMnMo、20MnVB)20MnVB)較為適宜。經(jīng)正火處理后再進(jìn)行滲碳、較為適宜。經(jīng)正火處理后再進(jìn)行滲碳、淬火淬火+ +低溫回火，表面硬度達(dá)低溫回火，表面硬度達(dá)5862HRC5862HRC，心部硬度為，心部硬度為3545HRC 3545HRC 。l二、軸二、軸l一）軸的工作條件、失效方式及性能要求一）軸的工作條件、失效方式及性能要求l1 1、工作條件和失效方式、

13、工作條件和失效方式l主要起支承傳動(dòng)零件并傳遞扭矩的作用。主要起支承傳動(dòng)零件并傳遞扭矩的作用。l工作條件：工作條件：1)1)承受交變扭轉(zhuǎn)載荷、交變彎曲載荷或拉承受交變扭轉(zhuǎn)載荷、交變彎曲載荷或拉- -壓載荷；壓載荷；2)2)局部局部( (軸頸、花鍵等處軸頸、花鍵等處) )承受摩擦和磨損；承受摩擦和磨損；3)3)特殊條件下受溫度或特殊條件下受溫度或介質(zhì)作用。介質(zhì)作用。l失效方式主要是疲勞斷裂和軸頸處磨損，有時(shí)也發(fā)生沖擊過(guò)載斷失效方式主要是疲勞斷裂和軸頸處磨損，有時(shí)也發(fā)生沖擊過(guò)載斷裂，個(gè)別情況下發(fā)生塑性變形或腐蝕失效。裂，個(gè)別情況下發(fā)生塑性變形或腐蝕失效。l2 2、性能要求、性能要求l1 1）高疲勞強(qiáng)

14、度，防止軸疲勞斷裂；）高疲勞強(qiáng)度，防止軸疲勞斷裂；2 2）優(yōu)良綜合力學(xué)性能，即）優(yōu)良綜合力學(xué)性能，即較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、較高的韌性，防止塑性變形及過(guò)載較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、較高的韌性，防止塑性變形及過(guò)載或沖擊載荷作用下的折斷和扭轉(zhuǎn)；或沖擊載荷作用下的折斷和扭轉(zhuǎn)；3 3）局部承受摩擦的部位具有）局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨損失效；高硬度和耐磨性，防止磨損失效；4 4）在特殊條件下工作的軸的）在特殊條件下工作的軸的材料應(yīng)具有特殊性能，如蠕變抗力、耐腐蝕性等。材料應(yīng)具有特殊性能，如蠕變抗力、耐腐蝕性等。l二）軸的選材二）軸的選材l1 1、機(jī)床主軸、機(jī)床主軸l承受中等扭轉(zhuǎn)承受

15、中等扭轉(zhuǎn)- -彎曲復(fù)合載荷，轉(zhuǎn)速中等并承受一定沖擊載荷。彎曲復(fù)合載荷，轉(zhuǎn)速中等并承受一定沖擊載荷。大多選用大多選用4545鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后軸頸及錐孔處再進(jìn)行表面淬火。鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后軸頸及錐孔處再進(jìn)行表面淬火。載荷較大時(shí)選用載荷較大時(shí)選用40Cr40Cr鋼制造。鋼制造。l歸于有些機(jī)床主軸如萬(wàn)能銑床主軸，也可用球墨鑄鐵代替歸于有些機(jī)床主軸如萬(wàn)能銑床主軸，也可用球墨鑄鐵代替4545鋼鋼來(lái)制造。對(duì)于要求高精度、高尺寸穩(wěn)定性及耐磨性的主軸如鏜床來(lái)制造。對(duì)于要求高精度、高尺寸穩(wěn)定性及耐磨性的主軸如鏜床主軸，往往用主軸，往往用38CrMoAlA38CrMoAlA鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后再進(jìn)行滲碳處理。鋼制造，經(jīng)調(diào)

16、質(zhì)后再進(jìn)行滲碳處理。l2 2、內(nèi)燃機(jī)主軸、內(nèi)燃機(jī)主軸l受汽缸中周期性變化的氣體壓力、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)受汽缸中周期性變化的氣體壓力、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和沖擊力作用。通常低速內(nèi)燃機(jī)曲柄選用和彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和沖擊力作用。通常低速內(nèi)燃機(jī)曲柄選用正火態(tài)正火態(tài)4545鋼或球墨鑄鐵；中速內(nèi)燃機(jī)曲柄選用調(diào)質(zhì)態(tài)鋼或球墨鑄鐵；中速內(nèi)燃機(jī)曲柄選用調(diào)質(zhì)態(tài)4545鋼或球鋼或球墨鑄鐵、調(diào)質(zhì)態(tài)中碳低合金鋼墨鑄鐵、調(diào)質(zhì)態(tài)中碳低合金鋼40Cr40Cr、45Mn245Mn2、50Mn250Mn2等；高等；高速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用高強(qiáng)度合金鋼速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用高強(qiáng)度合金鋼35CrMo35CrMo、

17、42CrMo42CrMo、18CrNi4WA18CrNi4WA等。等。l3 3、汽輪機(jī)主軸、汽輪機(jī)主軸l尺寸大，工作負(fù)荷大，受彎矩、扭矩及離心力和溫度的聯(lián)合作用，尺寸大，工作負(fù)荷大，受彎矩、扭矩及離心力和溫度的聯(lián)合作用，工作條件惡劣。失效方式主要是蠕變變形和由內(nèi)部缺陷引起的低工作條件惡劣。失效方式主要是蠕變變形和由內(nèi)部缺陷引起的低應(yīng)力脆斷和應(yīng)力腐蝕斷裂。除要求材料有較高強(qiáng)度及足夠塑性和應(yīng)力脆斷和應(yīng)力腐蝕斷裂。除要求材料有較高強(qiáng)度及足夠塑性和韌性外，還要求鍛件中不出現(xiàn)較大夾雜物、白點(diǎn)及焊接裂紋；對(duì)韌性外，還要求鍛件中不出現(xiàn)較大夾雜物、白點(diǎn)及焊接裂紋；對(duì)于在于在500500以上工作的主軸還要求一定

18、高溫強(qiáng)度。對(duì)于以上工作的主軸還要求一定高溫強(qiáng)度。對(duì)于450450以以下工作的主軸，若汽輪機(jī)功率小下工作的主軸，若汽輪機(jī)功率小(12000kW)(12000kW)(12000kW)，主軸尺寸較大，主軸尺寸較大，可選用可選用35CrMo35CrMo鋼，以提高淬透性。對(duì)于鋼，以提高淬透性。對(duì)于500500以上工作的主軸，以上工作的主軸，選用合金結(jié)構(gòu)鋼，一般高中壓主軸選用選用合金結(jié)構(gòu)鋼，一般高中壓主軸選用25CrMoVA25CrMoVA或或27Cr2MoVA27Cr2MoVA鋼，低壓主軸選用鋼，低壓主軸選用15CrMoV15CrMoV或或17CrMoV17CrMoV鋼。對(duì)于鋼。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)主軸，要求材

19、料有更高的高溫強(qiáng)度，一般選用合金結(jié)構(gòu)燃?xì)廨啓C(jī)主軸，要求材料有更高的高溫強(qiáng)度，一般選用合金結(jié)構(gòu)鋼鋼20Cr3MoWV(540)20Cr3MoWV(540)、鐵基高溫合金、鐵基高溫合金Cr14Ni26MoTi(GH2132)(650)Cr14Ni26MoTi(GH2132)(650)和和Cr14Ni35MoWTiAl(GH2135)(680)Cr14Ni35MoWTiAl(GH2135)(680)。l三、汽輪機(jī)葉片三、汽輪機(jī)葉片l一）工作條件、失效方式及性能要求一）工作條件、失效方式及性能要求l1 1、工作條件和失效方式、工作條件和失效方式l葉片是汽輪機(jī)的葉片是汽輪機(jī)的“心臟心臟”，直接起著將蒸汽

20、或燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)?，直接起著將蒸汽或燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的作用。工作條件：機(jī)械能的作用。工作條件：1 1）受蒸汽和燃?xì)鈴澗氐淖饔?；）受蒸汽和燃?xì)鈴澗氐淖饔茫? 2）受中、高壓過(guò)熱蒸汽的沖刷或濕蒸汽的電化學(xué)腐蝕或高溫燃?xì)獾氖苤小⒏邏哼^(guò)熱蒸汽的沖刷或濕蒸汽的電化學(xué)腐蝕或高溫燃?xì)獾难趸透g；氧化和腐蝕；3 3）受濕蒸汽中的水滴或燃?xì)庵须s質(zhì)的磨損；）受濕蒸汽中的水滴或燃?xì)庵须s質(zhì)的磨損；4 4）由于外界干擾力的頻率和葉片的自振頻率相等而產(chǎn)生的共振力作由于外界干擾力的頻率和葉片的自振頻率相等而產(chǎn)生的共振力作用。用。l失效方式：蠕變變形、斷裂失效方式：蠕變變形、斷裂( (包括振動(dòng)疲勞、應(yīng)力腐蝕、蠕變疲包括振動(dòng)疲勞、應(yīng)力腐蝕、蠕變