工程材料與熱加工技術(shù)第12章零件材料與毛坯的選擇

1、第12章 零件材料與毛坯的選擇 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.1 機(jī)械零件的失效機(jī)械零件的失效 12.2 零件的選材原則與步驟零件的選材原則與步驟 12.3 典型零件的選材典型零件的選材 12.4 零件毛坯的選擇零件毛坯的選擇 知識(shí)窗知識(shí)窗材料與熱加工的發(fā)展材料與熱加工的發(fā)展學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo) 自測(cè)習(xí)題自測(cè)習(xí)題 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.1 機(jī)械零件的失效機(jī)械零件的失效 1. 失效一般機(jī)械零件或構(gòu)件的失效包括以下幾種情況：(1) 完全破壞，不能繼續(xù)工作，如軸的斷裂、葉片斷裂、鍋爐等壓力容器爆炸等。(2) 雖然能繼續(xù)安全工作，但不能完成設(shè)計(jì)的功能，如模具磨損過(guò)大導(dǎo)致加工尺寸精度

2、下降，換熱器污垢堵塞使傳熱系數(shù)下降等。(3) 嚴(yán)重?fù)p傷導(dǎo)致不能安全使用，如安全閥失靈、剎車失靈等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2. 失效的形式及原因1) 失效的形式按失效的性質(zhì)可將失效分為變形失效、斷裂失效、磨損失效和腐蝕失效。零件或構(gòu)件的失效可以是單一過(guò)程現(xiàn)象，也可以是組合過(guò)程現(xiàn)象。圖12-1列舉了熱鍛模和冷鐓模常出現(xiàn)的失效形式及部位。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-1 模具失效形式及部位 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (1) 變形失效：包括彈性變形失效、塑性變形失效、蠕變變形失效等。(2) 斷裂失效：包括韌性斷裂失效、脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效等。(3) 磨

3、損失效：包括粘著磨損失效、磨料磨損失效、接觸疲勞磨損、沖擊磨損失效、微動(dòng)磨損失效、氣蝕失效等。(4) 腐蝕失效：包括均勻腐蝕和局部腐蝕失效(點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等)。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2) 失效的原因零件或構(gòu)件失效的原因是多方面的，從整個(gè)過(guò)程上可概括成以下四個(gè)方面：(1) 設(shè)計(jì)不合理。由于設(shè)計(jì)不周密或認(rèn)識(shí)水平的局限性，使設(shè)計(jì)不合理引起失效。如設(shè)計(jì)中零件的結(jié)構(gòu)或形狀不合理導(dǎo)致零件高應(yīng)力處明顯存在應(yīng)力集中源，對(duì)零件的工作條件估計(jì)不足出現(xiàn)過(guò)載，零件工作的主要力學(xué)性能考慮不周等可導(dǎo)致失效。例如，以沖擊和耐磨為主選用鋼材制造的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸使用壽命短，失效分析發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)

4、機(jī)曲軸的主要性能為疲勞強(qiáng)度。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (2) 選材不當(dāng)及材料缺陷。選材不當(dāng)是導(dǎo)致失效的主要原因，對(duì)可以預(yù)見的失效形式要足夠重視，要根據(jù)零件的使用性能要求合理地選擇材料。一般金屬材料的生產(chǎn)要經(jīng)過(guò)冶煉、鑄造、鍛壓等幾個(gè)階段，這些工藝工程中出現(xiàn)的缺陷往往會(huì)造成零件或構(gòu)件的早期失效，因此，對(duì)原材料加強(qiáng)檢驗(yàn)是很重要的步驟。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (3) 制造過(guò)程中工藝不合理。如金屬切削加工中的刀痕、粗糙度過(guò)高、磨削裂紋等；鑄造縮孔、夾雜、偏析、應(yīng)力等；鍛造過(guò)程中的裂紋、夾雜等；焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋、氣孔、夾雜、熱影響區(qū)組織脆化等；熱處理中的過(guò)熱、脫碳、淬火裂紋、回火脆性、滲

5、碳層不合適等；裝配過(guò)程中錯(cuò)位、不同心度、強(qiáng)行裝配等引起的應(yīng)力等。這些缺陷超過(guò)一定界限就可能導(dǎo)致零件或構(gòu)件的失效。(4) 使用操作和維修不當(dāng)。如違章操作，超載、超速、超溫，判斷錯(cuò)誤，主觀臆斷、責(zé)任心不強(qiáng)，不進(jìn)行定期維護(hù)、檢修，管理混亂等引起的失效。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3. 零件的工作條件和失效分析1) 分析零件的工作條件 首先應(yīng)判斷零件在工作中所受載荷的性質(zhì)和大小，計(jì)算載荷引起的應(yīng)力分布。載荷的性質(zhì)是決定材料使用性能的主要依據(jù)之一，計(jì)算應(yīng)力是確定材料使用性能的數(shù)量依據(jù)。其次，考慮零件的工作環(huán)境。環(huán)境因素會(huì)與零件的力學(xué)狀態(tài)綜合作用，提出更為復(fù)雜的性能要求。最后還應(yīng)充分考慮材料的某些特

6、殊要求。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (1) 受力狀況：分析零件的受力類型(如靜載、動(dòng)載、沖擊或循環(huán)載荷等)，零件所受載荷的作用形式(如拉伸、壓縮、彎曲或扭轉(zhuǎn)等)，載荷的大小以及分布特點(diǎn)(如均布載荷或集中載荷)。實(shí)際零件所受的應(yīng)力往往不是單一的，應(yīng)力的形式、大小及分布也可能變化。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (2) 環(huán)境狀況：溫度(如低溫、高溫、常溫或變溫)及介質(zhì)情況(如有無(wú)腐蝕或摩擦作用)等。例如，熱作模具有溫度的交替變化；工業(yè)鍋爐材料在高溫下工作；一些管道經(jīng)常腐蝕，機(jī)器零件也有程度不同的腐蝕。由于零件工作的環(huán)境不同，對(duì)材料的性能要求有很大差別，因此選材環(huán)節(jié)應(yīng)特別注意。(3) 特殊功

7、能：導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀、色澤等，這些特殊功能有的時(shí)候很重要，但這里不多考慮。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2) 失效分析失效分析的目的是尋找失效的原因，找出關(guān)鍵的因素以便合理選擇材料或?qū)で筇岣卟牧闲阅艿耐緩?。失效抗力取決于材料的性能，對(duì)零件主要失效形式進(jìn)行分析常?？梢园l(fā)現(xiàn)零件所要求的主要使用性能，零件要求的主要使用性能是選材和選擇毛坯的最重要依據(jù)。通常機(jī)械零件的使用性能主要指力學(xué)性能，正確地分析零件的受力情況、準(zhǔn)確地把握造成零件失效的主要力學(xué)性能指標(biāo)就顯得格外重要。當(dāng)然，實(shí)際工作中積累的大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是一筆財(cái)富，我們更需借鑒和利用。表12-1列舉了一些常見零件(工具)的工作

8、條件、失效形式及要求的力學(xué)性能。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 表12-1 幾種零件(工具)工作條件、失效形式及要求的力學(xué)性能 工作條件 零件(工具) 應(yīng)力種類 載荷性質(zhì) 其他 常見失效形式 要求的主要力學(xué)性能 普通緊固螺栓 拉、切應(yīng)力 靜 過(guò) 量 變 形 、 斷裂 屈服強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度、塑性 傳動(dòng)軸 彎、扭應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 軸 頸 處 摩擦、振動(dòng) 疲勞斷裂、過(guò)量變形、軸頸處磨損、咬蝕 綜合力學(xué)性能 傳動(dòng)齒輪 壓、彎應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 強(qiáng)烈摩擦、沖擊 磨損、麻點(diǎn)剝落、斷齒 表面硬度及彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞抗力、心部屈服強(qiáng)度、韌性 彈 簧 扭 應(yīng) 力 ( 螺旋)彎應(yīng)力(板簧) 循環(huán)、沖擊 振動(dòng) 彈

9、性喪失、疲勞斷裂 彈性極限、屈強(qiáng)比、疲勞強(qiáng)度 第12章 零件材料與毛坯的選擇 油泵柱塞副 壓應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 摩擦、油的腐蝕 磨損 硬度、抗壓強(qiáng)度 冷沖模 復(fù)雜應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 強(qiáng)烈摩擦 磨損、脆斷 硬度、足夠的強(qiáng)度、 韌性 壓鑄模 復(fù)雜應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 高溫、 摩擦、金屬液腐蝕 熱疲勞、 脆斷、磨損 高溫強(qiáng)度、 熱疲勞抗力、韌性與紅硬性 滾動(dòng)軸承 壓應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 強(qiáng)烈摩擦 疲勞斷裂、磨損、麻點(diǎn)剝落 接觸疲勞抗力、硬度、耐蝕性 曲 軸 彎、扭應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 軸頸摩擦 脆斷、疲勞斷裂、咬蝕、磨損 疲勞強(qiáng)度、硬度、沖擊疲勞抗力、綜合力學(xué)性能 連 桿 拉、壓應(yīng)力 循環(huán)、沖擊 脆斷 抗壓疲勞強(qiáng)度

10、、沖擊疲勞抗力 表12-1 幾種零件(工具)工作條件、失效形式及要求的力學(xué)性能 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.2 零件的選材原則與步驟零件的選材原則與步驟 1. 選擇零件材料的一般原則不同使用條件下工作的零件不可能有千篇一律的規(guī)律，但合理地選材應(yīng)考慮以下三個(gè)基本原則：材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，其中使用性能最重要。三者之間有聯(lián)系，也有矛盾，選材的任務(wù)就是上述原則的合理統(tǒng)一。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 1) 使用性能原則材料的使用性能是滿足零件工作要求的根本條件，包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，是選材應(yīng)首先考慮的因素。大多數(shù)零件的性能要求是多方面的，在選材時(shí)必須經(jīng)過(guò)分析，分

11、清楚材料性能要求的主次，首先滿足主要性能，兼顧其他性能，并通過(guò)特定的工藝使零件具有良好的使用性能。對(duì)于一般機(jī)械零件使用性能主要考慮力學(xué)性能，同時(shí)要兼顧抵抗周圍介質(zhì)侵蝕的能力；對(duì)于非金屬材料制成的零件更應(yīng)注意工作環(huán)境，非金屬材料對(duì)溫度、光、水、油等的敏感度比金屬材料大得多。第12章 零件材料與毛坯的選擇 3) 經(jīng)濟(jì)性原則在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，可能不止一種材料可以滿足零件的使用性能和工藝性能要求，這時(shí)經(jīng)濟(jì)性就成為選材的重要依據(jù)。經(jīng)濟(jì)性涉及到材料的成本高低，材料的供應(yīng)是否充足，零件加工工藝過(guò)程的復(fù)雜程度，加工成品率和加工效率的高低，零件的使用壽命長(zhǎng)短等等。選材時(shí)應(yīng)盡可能選用價(jià)廉、量足、加工方便、總成本低的

12、材料，通常能用碳素鋼的，不用合金鋼；能用硅錳鋼的，不用鉻鎳鋼。常用材料的相對(duì)價(jià)格見表12-2。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 表12-2 常用材料的相對(duì)價(jià)格 材料 相對(duì)價(jià)格 材料 相對(duì)價(jià)格 碳素結(jié)構(gòu)鋼 1 碳素工具鋼 1.41.5 低合金結(jié)構(gòu)鋼 1.21.7 低合金工具鋼 2.43.7 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 1.41.5 高合金工具鋼 5.47.2 易切削鋼 2 高速鋼 13.515 合金結(jié)構(gòu)鋼 1.71.9 鉻不銹鋼 8 鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼 3 鉻鎳不銹鋼 20 滾動(dòng)軸承鋼 2.12.9 普通黃銅 13 彈簧鋼 1.61.9 球墨鑄鐵 2.42.9 第12章 零件材料與毛坯的選擇 考慮零件材料經(jīng)濟(jì)性

13、時(shí)，切不可以單價(jià)來(lái)評(píng)價(jià)材料的優(yōu)劣。例如，模具材料選材時(shí)，加工零件的批量很小，選擇便宜的材料可使總成本降低；但加工零件的批量很大時(shí)，應(yīng)選擇價(jià)格高的高性能材料，保證模具的壽命反而使總成本下降。一些機(jī)器零件失效不會(huì)造成設(shè)備事故且拆裝更換維修方便，應(yīng)選價(jià)格便宜的材料；而有些機(jī)器零件(本章開始的曲軸案例)一旦失效將造成整臺(tái)機(jī)器的損壞事故，一定要選價(jià)格較高的材料并進(jìn)行高質(zhì)量的加工，這樣產(chǎn)品的總成本才能降低。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2. 零件材料選擇的一般步驟1) 選材的步驟(1) 分析零件的工作條件、形狀、尺寸、應(yīng)力狀態(tài)等，確定零件的主要、次要性能要求。(2) 通過(guò)分析和試驗(yàn)，結(jié)合同類零件失效分

14、析的結(jié)果，找出零件在實(shí)際使用中的主要和次要的失效抗力指標(biāo)。如軸類零件的主要抗力指標(biāo)為屈服強(qiáng)度0.2和疲勞強(qiáng)度-1，冷擠壓模具的主要抗力指標(biāo)為HRC和AK。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (3) 根據(jù)力學(xué)計(jì)算或試驗(yàn)，確定零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)值和物理、化學(xué)性能指標(biāo)。(4) 對(duì)若干備選材料的性能指標(biāo)進(jìn)行綜合分析和篩選，預(yù)選出合理的材料，同時(shí)考慮材料的工藝性能要求，以保證生產(chǎn)。(5) 審核所選材料的經(jīng)濟(jì)性。(6) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以檢驗(yàn)選用材料是否達(dá)到各項(xiàng)性能要求，并進(jìn)行小批試生產(chǎn)以檢驗(yàn)材料在制造過(guò)程中工藝性是否滿足要求。小批試驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量合格后，選材方案即可確定下來(lái)。 第12章 零件材料與毛

15、坯的選擇 2) 選材的方法零件的工作條件差別較大，往往受力復(fù)雜，因此零件選擇材料時(shí)，先找出主要的性能要求作為選材的依據(jù)，選材的主要性能考慮之后再關(guān)注次要的性能。(1) 綜合力學(xué)性能為主的選材。對(duì)于連桿、鍛模、氣缸螺栓等零件，工作時(shí)承受沖擊和變動(dòng)載荷，這類零件的性能要求較好的綜合力學(xué)性能，要求具有較高的強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、塑性和韌性?？紤]零件具體形狀尺寸和受力大小，選材時(shí)常用中碳鋼或中碳合金鋼，一般采用調(diào)質(zhì)處理。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (2) 疲勞強(qiáng)度為主的選材。曲軸、齒輪、彈簧、滾動(dòng)軸承等零件的失效形式以疲勞斷裂最常見。這些零件受力盡管也復(fù)雜，但主要考慮零件材料的疲勞強(qiáng)度。提高疲勞強(qiáng)度的

16、方法可參考第1章。(3) 磨損為主的選材。各種量具、頂尖、鉆套、冷沖模、刀具等零件，工作時(shí)磨損較大，主要以耐磨性要求為主。耐磨性主要與材料的硬度和組織有關(guān)。選材時(shí)，鋼的含碳量一般要高，以保證鋼的硬度，通常選擇高碳鋼或高碳合金鋼，采用淬火、低溫回火熱處理。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.3 典型零件的選材典型零件的選材 12.3.1 齒輪類零件的選材齒輪類零件的選材1齒輪的工作條件齒輪在機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)和儀器儀表裝置中有著廣泛的應(yīng)用，是重要的機(jī)器零件。各種齒輪的工作過(guò)程大致相似，但受力的大小不同?；竟ぷ鳁l件如下：(1) 由于傳遞扭矩，齒輪類似一根受力的懸臂梁，齒根處承受很大的交變彎曲

17、應(yīng)力。(2) 換擋、啟動(dòng)或嚙合不均時(shí)，齒部承受一定沖擊載荷。(3) 齒輪通過(guò)齒面的接觸傳遞動(dòng)力，嚙合齒面相互滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力及強(qiáng)烈摩擦。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2齒輪的主要失效形式(1) 疲勞斷裂。大多數(shù)情況下，由于彎曲疲勞會(huì)造成齒輪斷齒，主要在根部發(fā)生。當(dāng)齒輪承受的應(yīng)力較高(接近或超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度)時(shí)，將產(chǎn)生低周疲勞斷裂，應(yīng)選擇塑性、韌性較好的材料；當(dāng)重復(fù)應(yīng)力較低時(shí)，將導(dǎo)致高周疲勞，應(yīng)變循環(huán)基本在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)選擇強(qiáng)度較高的材料。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (2) 齒面磨損。由于齒面接觸區(qū)的摩擦，使齒厚變小。輕度摩擦磨損稱為擦傷，嚴(yán)重磨損稱為膠合。 (3

18、) 齒面接觸疲勞破壞。在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的發(fā)展引起麻點(diǎn)剝落(或稱點(diǎn)蝕)，這是齒輪最常見的失效形式。(4) 過(guò)載斷裂。主要是沖擊載荷過(guò)大造成的斷齒，應(yīng)選韌性較好的材料。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3齒輪的性能要求(1) 高的彎曲疲勞強(qiáng)度，特別是齒根處要有足夠的強(qiáng)度。(2) 高的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性，提高齒面硬度和耐磨性。(3) 較高的強(qiáng)度和沖擊韌性，防止齒輪的過(guò)載斷裂。此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，如熱處理變形小等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 4齒輪類零件的選材齒輪材料一般選用低、中碳鋼或合金鋼，經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，表面強(qiáng)度和硬度高，心部韌性好，工藝性能

19、好，經(jīng)濟(jì)上也較合理。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 5齒輪選材的具體實(shí)例1) 機(jī)床齒輪 機(jī)床齒輪工作條件較好，運(yùn)轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，但各種齒輪的受力程度差別也很大，主要根據(jù)具體工作條件來(lái)選材。機(jī)床齒輪常用的材料有中碳鋼或滲碳鋼，一般可選中碳鋼(45鋼)制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼等)。機(jī)床齒輪的選材及熱處理如表12-3所示。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 如普通車床的變速齒輪，承載不大，中等轉(zhuǎn)速，工作平穩(wěn)且無(wú)強(qiáng)烈沖擊，對(duì)齒面和心部的強(qiáng)度和韌性要求不太高，齒輪心部硬度為220250HBS，齒面硬度為52HRC，因此選用45鋼。齒輪常采用的工藝路線為：下料鍛造正火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)

20、機(jī)械精加工輪齒高頻淬火+低溫回火精磨。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 齒輪工作時(shí)承受高速、重載荷，受沖擊作用時(shí)常用合金滲碳鋼20Cr、20CrMnTi、20Mn2B、12CrNi3等材料。沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等鑄鐵制造。機(jī)床齒輪除選用金屬齒輪外，有的還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛(或單體澆鑄尼龍)齒輪，工作時(shí)傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲減少，長(zhǎng)期使用無(wú)損壞，且磨損很小。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 表12-3 機(jī)床齒輪的選材及熱處理 序號(hào) 齒輪工作條件 材料 熱 處 理 硬 度 1 低載荷下要求耐磨好的齒輪 15 滲碳直接淬火 180200回

21、火 5863HRC 2 低速(0.1 m/s)、低載荷下不重要的變速箱齒輪和掛輪架齒輪 45 840860正火 156217HBS 3 低速(1 m/s)、 低載荷下工作的齒輪(如車床溜板上的齒輪) 45 820840水淬，500550 回火 200250HBS 4 中速、中載荷或大載荷下工作的齒輪(如車床變速箱次要齒輪) 45 高頻淬火，水冷，300340 回火 4550HRC 5 速度較大或中等載荷下，齒部硬度要求較高的齒輪(如鉆床變速箱次要齒輪) 45 高頻淬火，水冷，230240 回火 5055HRC 6 高速、中載荷下要求齒面硬度高的齒輪(如磨床砂輪箱齒輪) 45 高頻淬火，水冷，1

22、80200 回火 5460HRC 7 速度不大、中等載荷、斷面較大的齒輪(如銑床工作面變速箱齒輪、立車齒輪) 40Cr 42SiMn 45MnB 840860油冷，600650 回火 200230HBS 第12章 零件材料與毛坯的選擇 8 中速(24 m/s)、中載荷下工作的高速機(jī)床走刀箱、變速箱齒輪 40Cr 42SiMn 調(diào)質(zhì)后高頻加熱，乳化液冷卻，260300回火 5055HRC 9 高速、高載荷下要求齒部硬度高的齒輪 40Cr 42SiMn 調(diào)質(zhì)后高頻加熱，乳化液冷卻，180200回火 5460HRC 10 高速、中載荷、受沖擊、模數(shù)小于 5 的齒輪(如機(jī)床變速箱齒輪、龍門銑床變的電動(dòng)

23、機(jī)齒輪) 20Cr 20Mn2B 滲碳直接淬火或 800820油淬，180200回火 5863HRC 11 高速、中載荷、受沖擊、模數(shù)大于 6 的齒輪(如立車上的重要齒輪) 20CrMnTi 20SiMnVB 滲碳，降溫至 820850淬火，180200回火 5863HRC 12 高速、重載荷、形狀復(fù)雜，要求熱處理變形小的齒輪 38CrMoAl 38CrAl 正火或調(diào)質(zhì)后，510560氮化 850HV 13 載荷不大的大型齒輪 50Mn2 65Mn 820840空冷 241HBS 14 傳動(dòng)精度高，要求一定耐磨性的大齒輪 35CrMo 850870空冷，600650回火(熱處理后精切齒輪) 2

24、55302HBS 表12-3 機(jī)床齒輪的選材及熱處理 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2) 汽車、拖拉機(jī)齒輪 汽車、拖拉機(jī)齒輪主要分裝在變速箱和差速器中。這類齒輪的工作環(huán)境比機(jī)床齒輪惡劣，齒輪傳遞功率、所受的沖擊和摩擦很大，因此對(duì)耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌性等的要求比機(jī)床齒輪高。實(shí)踐證明，汽車、拖拉機(jī)齒輪最適宜選用滲碳鋼，經(jīng)滲碳+淬火低溫回火后使用，一般用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi制造。如圖12-2所示是一載重汽車變速齒輪，下面分析該齒輪的選材以及熱處理情況。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-2 汽車變速箱齒輪簡(jiǎn)圖 第12章 零件材料與毛坯的選擇 該齒輪起將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)

25、力傳遞到后輪及倒車的作用，它工作時(shí)承載、磨損、沖擊均較大。齒輪性能要求表面具有較高的耐磨性及疲勞強(qiáng)度；心部則要求較高的強(qiáng)度和韌性。齒面要求硬度為5862HRC，心部硬度為3348HRC。根據(jù)性能要求判斷適合用滲碳鋼。15、20Cr等低淬透性鋼，心部淬火后達(dá)不到強(qiáng)度和硬度要求；20CrMnTi、20MnVB等淬透性較好的鋼，經(jīng)滲碳淬火、低溫回火后能較好地滿足該齒輪的性能要求。滲碳技術(shù)條件為：表層含碳0.8%10.5%，滲碳層深度0.81.3 mm，淬火回火后齒面硬度5862HRC，心部硬度3348HRC。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 該齒輪的加工工藝路線如下：下料鍛造正火機(jī)械粗加工、半精加工

26、(內(nèi)孔及端面留磨量)滲碳(孔防滲) 淬火+低溫回火噴丸校正花鍵孔珩齒(或磨齒)。鍛造通常使用模型鍛造，以提高生產(chǎn)率，節(jié)約金屬，改善纖維分布；正火作為預(yù)備熱處理是為了均勻和細(xì)化組織，獲得良好的切削加工性能，并為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備；20CrMnTi是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，在滲碳后經(jīng)預(yù)冷就可以直接淬火，也可以采用等溫淬火以減少變形；噴丸處理可使齒輪表面硬度提高，并產(chǎn)生壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.3.2 軸類零件的選材軸類零件的選材1軸類零件的工作條件(1) 工作時(shí)主要受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的復(fù)合作用。(2) 軸與軸上零件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互間存在摩擦和磨損。(3) 軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)

27、過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使軸承受沖擊載荷。(4) 多數(shù)軸會(huì)承受一定的過(guò)載載荷。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2軸類零件的失效方式 (1) 長(zhǎng)期交變載荷下的疲勞斷裂(包括扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞斷裂)。(2) 偶然過(guò)載或沖擊載荷作用引起的過(guò)量變形、斷裂。(3) 與其它零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的表面過(guò)度磨損，軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3軸類零件的性能要求(1) 綜合力學(xué)性能：足夠強(qiáng)度、塑性和一定韌性，以防過(guò)載斷裂、沖擊斷裂。(2) 高疲勞強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)力集中敏感性低，以防疲勞斷裂。(3) 足夠淬透性，熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨損失效。(4) 良好的切削加工性能，

28、價(jià)格便宜。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 4軸類零件的選材根據(jù)上述性能要求，軸類零件選擇經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造。載荷較小時(shí)一般使用碳鋼，如35、40、45、50鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)+局部表面淬火熱處理改善性能；載荷較大或要求較高時(shí)考慮用合金調(diào)質(zhì)鋼，如40Cr、40MnB等，采用調(diào)質(zhì)+局部表面淬火熱處理；高速、重載荷作用下，有較大沖擊的主軸選合金滲碳鋼，如20Cr 、20CrMnTi等，采用滲碳、淬火、低溫回火；精度要求極高的主軸選擇合金滲氮鋼，如38CrMoAlA等，經(jīng)滲氮后使用。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 5車床主軸選材實(shí)例如圖12-3所示是C616車床主軸簡(jiǎn)圖， 該主軸承

29、受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力，但載荷和轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷不大，選材時(shí)具有一般綜合力學(xué)性能即可。主軸的大端內(nèi)錐孔和外錐體，經(jīng)常與卡盤、頂尖間有摩擦；花鍵部位與齒輪有相對(duì)滑動(dòng)，這些部位要有較高硬度和耐磨性。軸頸與滾動(dòng)軸承配合，硬度要求不高(220250HBS)。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-3 C616車床主軸簡(jiǎn)圖 第12章 零件材料與毛坯的選擇 根據(jù)以上分析，該主軸選擇45鋼即可。熱處理技術(shù)條件為：整體調(diào)質(zhì)，硬度為220250HBS；內(nèi)孔與外錐體淬火，硬度為4550HRC；花鍵部位高頻淬火，硬度為4853HRC。該主軸的加工工藝路線為：下料鍛造正火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)機(jī)械半精加工(除花鍵外)

30、局部淬火、回火(椎孔及外錐體)粗磨(外圓、椎孔及外錐體) 銑花鍵花鍵高頻淬火、回火精磨(外圓、椎孔及外錐體)。上述加工工藝路線中，正火是為了細(xì)化晶粒，改善切削加工性能，并為調(diào)質(zhì)做組織準(zhǔn)備；調(diào)質(zhì)處理的目的是獲得回火索氏體，保證主軸具有良好的綜合力學(xué)性能；椎孔及外錐體的局部淬火(用快速加熱并水淬)，花鍵部位的高頻淬火可使該部位具有較高的硬度和耐磨性，兩部分分開淬火是為了減小淬火變形。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 表表12-4 機(jī)床主軸的工作條件、選材及熱處理機(jī)床主軸的工作條件、選材及熱處理 序號(hào) 工作條件 材料 熱處理 應(yīng)用舉例 1 (1) 在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 低速，輕或中等載荷 (3)

31、 精度要求不高 (4) 稍有沖擊 45 正火或調(diào)質(zhì) 220250HBS 一般簡(jiǎn)易機(jī)床主軸 整體淬硬 4045HRC 2 (1) 在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 轉(zhuǎn)速稍高，輕或中等載荷 (3) 精度要求不太高 (4) 沖擊、交變載荷不大 45 正火或調(diào)質(zhì)+局部淬火 229HBS(正火) 220250HBS(調(diào)質(zhì)) 4652HRC(局部) 龍門銑床、 立式銑床的主軸 3 (1) 在滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 低速，輕或中等載荷 (3) 精度要求不很高 (4) 有一定的沖擊、交變載荷 45 正火或調(diào)質(zhì)后軸頸局部表面淬火整體淬硬 229HBS(正火) 220250HBS(調(diào)質(zhì)) 4657HRC(局部) C

32、B3463、CA6140、C61200 等重型車床 主軸 4 (1) 在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 中等載荷，轉(zhuǎn)速略高 (3) 精度要求不太高 (4) 交變、沖擊載荷不大 40Cr 40MnB 40MnVB 調(diào)質(zhì)后局部淬硬 220250HBS(調(diào)質(zhì)) 4652HRC(局部) 滾齒機(jī)、組合機(jī)的 主軸 第12章 零件材料與毛坯的選擇 5 (1) 在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 中或重載荷，轉(zhuǎn)速略高 (3) 精度要求較高 (4) 有較高的交變、沖擊載荷 40Cr 40MnB 40MnVB 調(diào)質(zhì)后軸頸表面淬火 220280HBS(調(diào)質(zhì)) 4655HRC(表面) 銑床、M74758 磨床砂輪主軸 6 (1) 在滾

33、動(dòng)或滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 輕、中載荷，轉(zhuǎn)速較低 50Mn2 240HBS(正火) 重型機(jī)主軸 7 (1) 在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 中等或重載荷 (3) 要求軸頸部分具有更高的耐磨性 (4) 精度很高 (5) 交變應(yīng)力較大，沖擊較小 65Mn 調(diào)質(zhì)后軸頸和頭部局部淬火 250280HBS(調(diào)質(zhì)) 56161HRC(軸頸表面) 5055HRC(頭部) M1450 磨床主軸 8 工作條件同上， 但表面硬度要求更高 GCr15 9Mn2V 調(diào)質(zhì)后軸頸和頭部局部淬火 250280HBS(調(diào)質(zhì)) 59HRC (局部) MQ1420 、 B1432A磨床砂輪主軸 9 (1) 在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 重

34、載荷，轉(zhuǎn)速很高 (3) 精度要求極高 (4) 有很高的交變、沖擊載荷 38CrMoAl 調(diào)質(zhì)后滲氮 260HBS(調(diào)質(zhì)) 850HV(滲氮表面) 高精度磨床砂輪主軸、 T68 鏜桿、 T4240A坐 標(biāo) 鏜 床 主 軸 、 C2150.6 多軸自動(dòng)車床中心軸 10 (1) 在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn) (2) 重載荷，轉(zhuǎn)速很高 (3) 高的沖擊載荷 (4) 很高的交變壓力 20CrMnTi 滲碳淬火 50HRC(表面) Y7163 齒輪磨床、CG1107 車床、 SG8630精密車床主軸 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.3.3 冷沖模具的選材冷沖模具的選材1冷沖模的工作條件冷沖模的工作條件(1) 冷

35、沖模的工作部位主要是刃口，當(dāng)凸模下降與板料接觸時(shí)，板料就受到了凸凹端面的作用力。由于凸凹模之間有間隙，使凸凹模施加于板料的力產(chǎn)生一個(gè)剪力矩，使板料被沖部分旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這時(shí)板料對(duì)沖模刃口產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向壓力F，沖模刃口受到很大的彎曲應(yīng)力。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (2) 模具與板料之間有一定的間隙，并且間隙的分布不均勻，使得刃口部位在工作時(shí)總是承受強(qiáng)烈的沖擊。(3) 板料與刃口部位產(chǎn)生劇烈的摩擦。(4) 板材的強(qiáng)度高低、厚度大小對(duì)模具受力有很大影響，厚板材料冷沖模應(yīng)有高的耐磨性和高的強(qiáng)韌性。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2冷沖模的失效形式冷沖模的失效形式(1) 磨損。由于摩擦，模具刃口

36、由鋒利變圓鈍。磨損到一定程度，就會(huì)使沖裁零件產(chǎn)生毛刺，需要磨削后再重新使用。經(jīng)過(guò)多次磨刃，凸模變短，凹模變薄，直至無(wú)法工作而失效。(2) 崩刃和凸模折斷。冷沖模在沖擊力及震動(dòng)的作用下導(dǎo)致崩刃和凸模折斷，這可能和多種原因有關(guān)，例如，模具材料選材不當(dāng)或熱處理不合適，沖裁時(shí)工藝執(zhí)行不嚴(yán)，模具安裝調(diào)試不良等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3冷沖模材料的性能要求冷沖模材料的性能要求(1) 高硬度，高耐磨性。(2) 足夠的抗壓、抗彎性能。對(duì)凹模來(lái)說(shuō)，抗彎強(qiáng)度要求低一些，抗壓要求高。(3) 適當(dāng)?shù)膹?qiáng)韌性。厚板材料冷沖模需要更高的韌性。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 4冷沖模材料的選用冷沖模材料的選用一

37、般形狀簡(jiǎn)單、輕載荷的沖裁模盡可能用成本低的碳素工具鋼材料，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，就可以達(dá)到使用要求，常用T10、T10A；形狀復(fù)雜、尺寸較大，工作載荷較輕，要求熱處理變形小的沖裁模，可以選擇低合金工具鋼，例如CrWMn、9CrWMn、9Mn2V等；對(duì)于大中型模具，制造工藝復(fù)雜，加工成本高，材料成本只占模具成本的10%左右，因此選用高耐磨、高淬透性、變形小的合金鋼。例如，Cr5Mo1V、Cr4W2MoV、Cr12MoV等；對(duì)于大量生產(chǎn)的冷沖模具，要求壽命高，可以選用硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金來(lái)制造。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 5光柵片沖模的選材光柵片沖模的選材光柵片是光學(xué)儀器中大量使用的零件，用0

38、.060.08 mm的低合金冷軋鋼帶沖制而成，如圖12-4所示。模具要求嚴(yán)格控制尺寸精度和夾角的公差，斷面粗糙度Ra要低于0.8 m，對(duì)光柵片沖模有較高的技術(shù)要求。該模具要求兩個(gè)沖針孔之間的夾角為125108，硬度為6164HRC。第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-4 光柵片上沖模示意圖 第12章 零件材料與毛坯的選擇 該沖模用于沖裁薄片低碳鋼，受力較輕，模具主要以磨損為主，制造時(shí)精度和公差是主要要求，生產(chǎn)量大；模具材料熱處理時(shí)變形要小，有良好的淬透性；模具材料要求有良好的切削加工性能。材料一般選用CrWMn 制造。如果用T10A等碳素工具鋼，淬火變形易超差；如果用Cr12MoV等鋼，則

39、加工困難，不便制造；CrWMn 有良好的耐磨性和淬透性，且淬火變形小，是微變形鋼，因此較為合適。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 該模具的加工工藝路線：毛坯球化退火粗加工調(diào)質(zhì)處理半精加工去應(yīng)力退火淬火、回火精磨。選圓鋼毛坯，球化退火之前不鍛造，可以降低成本。球化退火：使鋼中碳化物呈粒狀分布，細(xì)化組織，降低硬度，改善切削加工性能。同時(shí)為淬火準(zhǔn)備好適宜的組織，使最終成品組織中含有細(xì)小的碳化物顆粒，提高鋼的耐磨性。調(diào)質(zhì)處理：細(xì)化組織，改善碳化物的彌散度和分布，提高淬火硬度和耐磨性。830保溫15 min油淬，再加熱到700720保溫12 h回火，硬度為2226HRC。 第12章 零件材料與毛坯的選擇

40、 去應(yīng)力退火：消除前面加工產(chǎn)生的應(yīng)力，減小后續(xù)加工的變形，為精加工準(zhǔn)備。去應(yīng)力退火采用640保溫4 h，爐冷到300出爐冷卻。淬火、回火：這是模具的最終熱處理，其工藝曲線如圖12-5所示。淬火后硬度為6164HRC，變形為26，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)使用，模具壽命為一次可連續(xù)沖制1.2萬(wàn)片以上。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-5 光柵欄上沖模淬火回火工藝曲線 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.3.4 箱體類零件的選材箱體類零件的選材1箱體的工作條件及性能要求箱體的工作條件及性能要求箱體形狀一般比較復(fù)雜，目的是保證其內(nèi)部各個(gè)零件的正確位置，使各零件運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)平穩(wěn)。箱體主要承受各零件的重量

41、以及零件運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用力，以支撐零件為主；箱體內(nèi)各零件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)能有緩沖。箱體的性能要求： 足夠的抗壓性能； 較高的剛度防止變形； 良好的吸振性； 良好的成型工藝性； 其它特殊性能，如比重輕等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2箱體零件材料的選用箱體零件材料的選用由于箱體形狀比較復(fù)雜、壁厚較薄、體積較大，一般選用鑄造毛坯成型，根據(jù)力學(xué)性能要求常用灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼等。工作平穩(wěn)的用HT150、HT200、HT250等；受力較小，要求導(dǎo)熱良好、重量輕的箱體可用鑄造鋁合金；受力較大的箱體可考慮鑄鋼；單件生產(chǎn)時(shí)可用低碳鋼焊接而成。箱體加工前一般要進(jìn)行時(shí)效處理，目的是消除毛坯的內(nèi)應(yīng)力。 第

42、12章 零件材料與毛坯的選擇 12.4 零件毛坯的選擇零件毛坯的選擇 12.4.1 零件毛坯選擇的原則和依據(jù)零件毛坯選擇的原則和依據(jù)1零件毛坯的類型零件毛坯的類型毛坯是指根據(jù)零件(或產(chǎn)品)所要求的形狀、工藝尺寸等制成的為提供進(jìn)一步加工用的生產(chǎn)對(duì)象。機(jī)械零件除直接從型材上截取之外，大多數(shù)是通過(guò)鑄造、鍛造、沖壓或焊接等方法制成的。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 1) 鑄件鑄件是由液態(tài)金屬冷卻凝固成型的，在保證合金的鑄造性能的前提下，鑄件的形狀、尺寸可以不受限制，鑄件的外形和內(nèi)腔可以復(fù)雜，這是鑄件的突出特點(diǎn)；但鑄件冷卻成型時(shí)往往內(nèi)部晶粒粗大，組織比較疏松，力學(xué)性能較差。 第12章 零件材料與毛坯的

43、選擇 2) 鍛件鍛件是固態(tài)金屬塑性變形而成型的，鍛造后金屬晶粒細(xì)化、組織致密，并可形成合理的鍛造流線，大大改善了零件毛坯的力學(xué)性能，是復(fù)雜受力零件的首選毛坯；但金屬的固態(tài)流動(dòng)能力受到限制，往往很難鍛出復(fù)雜的零件毛坯。自由鍛只能獲得簡(jiǎn)單的外形，材料的利用率低；模型鍛造可以鍛出較復(fù)雜的零件毛坯，但設(shè)備投資大，模具制造成本高，只適用于大批量生產(chǎn)。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3) 焊接結(jié)構(gòu)件焊接主要用于制造各種金屬構(gòu)件，如橫梁、立柱、桁架、壓力容器、管道、橋梁等；個(gè)別情況下也可用于制造各種零件毛坯。焊接的質(zhì)量主要指接頭的質(zhì)量，焊接接頭組織性能比較復(fù)雜(可參考第11章)，有液態(tài)成型，也有固態(tài)成型。

44、接頭質(zhì)量直接影響焊接的應(yīng)用范圍。焊接結(jié)構(gòu)由于焊接方法比較靈活，可以焊接大型零件，可以組合復(fù)雜零件，可以連接異種金屬材料零件，可以成型某些特殊零件等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 4) 沖壓件沖壓件材料大多具有良好的塑性，零件在模具上通過(guò)各種沖壓工序獲得。沖壓件的特點(diǎn)是精度高，表面質(zhì)量好，一般重量較輕，可直接用作零件使用；但由于模具制造成本較高，只適合大量生產(chǎn)。沖壓件經(jīng)常也作為焊接的毛坯件，通過(guò)焊接制成一個(gè)機(jī)械零件或焊接結(jié)構(gòu)件。5) 型材或板材下料一些簡(jiǎn)單的零件可以直接從型材或板材上直接下料作為毛坯，如一些軸類或平板類零件。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2零件毛坯選擇的原則零件毛坯選擇的

45、原則 1) 使用性能原則毛坯的使用是指最終制成的零件的使用要求，零件材料選定的情況下，其性能主要取決于毛坯的性能。不同成型方法獲得的零件毛坯，成型機(jī)理不盡相同，因而性能也有很大的差別。因此，零件毛坯首先應(yīng)考慮成型方法是否能滿足零件的使用性能。零件的使用性能一方面表現(xiàn)為形狀、尺寸加工精度、表面粗糙度、外觀等，另一方面指材料的成分、組織、力學(xué)性能、內(nèi)部缺陷等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2) 工藝適應(yīng)性原則工藝適應(yīng)性是指成型方法必須適合零件毛坯的生產(chǎn)。每種成型方法制造的毛坯形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和材料都有一個(gè)適應(yīng)范圍，對(duì)于超出這個(gè)范圍的毛坯，如果用該方法成型則工藝?yán)щy，甚至無(wú)法生產(chǎn)出合格的毛

46、坯。工藝性的好壞直接影響零件的生產(chǎn)率和成本。例如，壓力鑄造零件毛坯不能熱處理；自由鍛造不適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜的毛坯；模型鍛造不適合生產(chǎn)質(zhì)量大于150 kg的毛坯；焊接不適合高碳鋼毛坯等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3) 經(jīng)濟(jì)性原則在滿足使用性能要求的前提下，應(yīng)對(duì)比各方案，從中選擇成本低的方案生產(chǎn)。當(dāng)然，企業(yè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，除了考慮設(shè)備、人員、管理水平等因素，也要考慮社會(huì)因素，符合社會(huì)資源的最大利用，減少對(duì)環(huán)境的破壞，期望企業(yè)有更長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3毛坯選擇的主要依據(jù)毛坯選擇的主要依據(jù)1) 力學(xué)性能受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性要求高的重要零件通常選擇鍛件毛坯，不宜用鑄造

47、、焊接等毛坯，如很多軸類、齒輪、連桿零件、大多數(shù)模具等。2) 零件形狀、尺寸、質(zhì)量復(fù)雜(特別是具有復(fù)雜)內(nèi)腔的零件，多選鑄造毛坯；大型零件只能用鑄造、自由鍛造、焊接或組合件毛坯；軸徑差別小、受力簡(jiǎn)單的軸類可直接用型材下料。形狀復(fù)雜的工程塑料制件多選用注塑成型；簡(jiǎn)單陶瓷多選用模壓成型。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3) 零件材料一般材料確定以后，零件的毛坯就大致確定。鑄鐵只能用鑄造毛坯；板材零件大都選沖壓毛坯；ABS塑料應(yīng)用注塑成型，酚醛樹脂用壓制成型毛坯；多孔含油軸承只能用粉末冶金等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 4) 生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量大的時(shí)候，應(yīng)選用精度高、生產(chǎn)率高的方法制造毛坯，通

48、過(guò)產(chǎn)品精度、數(shù)量分?jǐn)傇O(shè)備工裝的成本；批量小時(shí)，適合用精度低、生產(chǎn)率低的方法制造毛坯。除此之外，還需考慮企業(yè)的設(shè)備、人員、技術(shù)、管理等具體條件，企業(yè)也應(yīng)關(guān)注新材料、新工藝和新技術(shù)，綜合考慮零件材料及毛坯的選擇。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 12.4.2 毛坯選擇應(yīng)用毛坯選擇應(yīng)用1零件類型與毛坯選擇零件類型與毛坯選擇(1) 軸桿類零件的特點(diǎn)是長(zhǎng)度方向遠(yuǎn)大于直徑方向尺寸，主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，一般受力較復(fù)雜。大多數(shù)軸、桿零件要求較高的力學(xué)性能，常選用鍛件毛坯。一般單件小批量生產(chǎn)采用自由鍛造，大批量生產(chǎn)用模型鍛造；一些光軸與直徑變化不大的臺(tái)階軸選用圓鋼棒料做毛坯；某些大型、復(fù)雜的軸、桿零件可采用

49、鑄件或復(fù)合結(jié)構(gòu)毛坯。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (2) 盤餅類零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是軸向尺寸小于徑向尺寸，如齒輪、帶輪、模塊、法蘭盤等，主要裝在軸桿上傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，一般受力也比較復(fù)雜。受力復(fù)雜、要求綜合性能的中小盤餅類零件選用鍛件毛坯；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力較大的盤餅類零件采用鑄鋼或用球墨鑄鐵；受力較小的可選用鑄鐵毛坯；一些套筒類零件也用鑄造黃銅、青銅等。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (3) 機(jī)架箱體類零件的特點(diǎn)是形狀復(fù)雜且不規(guī)則，主要功能是支承軸桿類零件，承受震動(dòng)和壓應(yīng)力，一般受力不大。這類零件一般選用鑄鐵毛坯，受力較大時(shí)可用鑄鋼。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2毛坯選擇實(shí)例毛坯選擇實(shí)例 螺

50、旋起重器主要用于將車架頂起，以便更換車輛軸承或輪胎等，進(jìn)行車輛維修。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖12-6所示。根據(jù)各零件的結(jié)構(gòu)特征和受力等將零件的選材及毛坯成型方法列于表12-5。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-6 螺旋起重器第12章 零件材料與毛坯的選擇 表12-5 螺旋起重器主要零件的毛坯選擇 件號(hào) 名稱 結(jié)構(gòu)特征和受力情況 毛坯材料 毛坯及成型方法 1 托杯 直接支撐重物，受壓應(yīng)力 HT200 鑄件、砂型鑄造 2 手柄 簡(jiǎn)單軸桿零件，受彎曲應(yīng)力 Q235A 型材下料、直接圓鋼截取 3 螺母 套類零件，受壓應(yīng)力、扭矩，螺紋受彎曲應(yīng)力和摩擦力，保護(hù)螺桿 ZCuSn10P1 鑄件、砂型或金屬型鑄

51、造 4 螺桿 軸類零件，軸向受拉應(yīng)力、扭矩，螺紋承受彎曲應(yīng)力和摩擦力 45 鍛件、自由鍛 5 支座 機(jī)架類零件，有內(nèi)腔和錐度，受壓應(yīng)力 HT200 鑄件、砂型鑄造 第12章 零件材料與毛坯的選擇 3毛坯選擇的舉例某軸承液壓缸零件簡(jiǎn)圖如圖12-7所示，用含碳0.40%的鋼制成，工作壓力為1.5 MPa，需要做3 MPa的水壓試驗(yàn)；內(nèi)孔及兩端法蘭結(jié)合面需切削加工，其余不加工；生產(chǎn)量為200件。該液壓缸形狀比較簡(jiǎn)單，缸體要求較高的耐壓、防滲性。毛坯可用多種方法獲得，圖12-8列舉了鑄造、鍛壓、焊接等不同成型的毛坯。由于成型方法不同，其工藝性和質(zhì)量差別很大，下面對(duì)各毛坯進(jìn)行綜合分析比較，具體比較如表1

52、2-6。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-7 軸承液壓缸零件簡(jiǎn)圖 第12章 零件材料與毛坯的選擇 圖12-8 軸承液壓缸的毛坯比較(a) 砂型鑄造；(b) 胎模鍛造；(c) 模型鍛造；(d) 焊接毛坯 第12章 零件材料與毛坯的選擇 表12-6 液壓缸的毛坯選用分析 毛坯類型 選用材料 毛 坯 特 點(diǎn) 質(zhì) 量 砂型鑄造 ZG270-500 水平澆注時(shí)，鑄造工藝簡(jiǎn)單，但內(nèi)孔質(zhì)量較差；垂直澆注時(shí)，內(nèi)孔質(zhì)量提高，但工藝比較復(fù)雜 不能完全合格 胎模鍛造 40 經(jīng)過(guò)鐓粗、沖孔、心棒拔長(zhǎng)等工序成型，工藝簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大 質(zhì)量好，能全部合格 模型鍛造 40 毛坯立放能鍛出內(nèi)孔，不能鍛出法

53、蘭，外圓切削加工量大；橫放能鍛出法蘭，但不能鍛出內(nèi)孔，內(nèi)孔切削量大 質(zhì)量好，全部通過(guò)水壓試驗(yàn) 焊接 40 鋼管 工藝簡(jiǎn)單，省工省料，但難找到合適的無(wú)縫鋼管 質(zhì)量好，全部通過(guò)水壓試驗(yàn) 圓鋼型材 40 圓鋼 切削量大，材料利用率低，成本高 能全部合格 第12章 零件材料與毛坯的選擇 知識(shí)窗知識(shí)窗材料與熱加工的發(fā)展材料與熱加工的發(fā)展 1新材料的發(fā)展方向新材料的發(fā)展方向根據(jù)材料科學(xué)技術(shù)本身的發(fā)展情況，以及高技術(shù)對(duì)新材料的需求與促進(jìn)，將高技術(shù)新材料的發(fā)展方向概括如下：(1) 高性能化：即從強(qiáng)度、塑性、韌性等方面發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能。(2) 高功能化：利用材料所具有的特殊的熱、聲、光、電、磁、輻射

54、等物理性能而得以使用并發(fā)展的材料稱為功能材料。它在電子信息技術(shù)、能源技術(shù)、空間技術(shù)、海洋工程、生物工程等領(lǐng)域有著廣泛的用途。目前新材料的研究重點(diǎn)已由結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)向功能材料，功能材料也由單一功能轉(zhuǎn)向多種功能。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (3) 仿生化：通過(guò)研究自然界中生物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其特有的功能，學(xué)到一種制造新材料的思路和途徑，并在某些材料的設(shè)計(jì)和制造中加以模仿。(4) 智能化：材料科學(xué)與信息科學(xué)緊密結(jié)合產(chǎn)生了智能材料，它是一種模仿生命系統(tǒng)，同時(shí)具有感知和激勵(lì)雙重功能的材料，即能對(duì)外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，自動(dòng)作出適時(shí)、靈敏和恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，并具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)和預(yù)報(bào)壽命等功能。

55、 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (5) 輕量化：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求產(chǎn)品的重量愈輕愈好，同時(shí)，節(jié)能工作也要求產(chǎn)品輕量化。研究和采用高比強(qiáng)度、高比剛度的輕合金、工程塑料、陶瓷材料和各種先進(jìn)的復(fù)合材料來(lái)代替常用的鋼鐵結(jié)構(gòu)材料，是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。(6) 復(fù)合化：?jiǎn)我坏慕饘俨牧稀o(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料都存在著各自固有的缺點(diǎn)和局限性，難以滿足當(dāng)代高技術(shù)中綜合性能的要求?，F(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了這三大類材料之間日趨密切的結(jié)合，使得單一材料縱向發(fā)展的傳統(tǒng)局面被材料復(fù)合的橫向發(fā)展所取代。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (7) 低維化：低維材料是指超細(xì)粉(零維)、纖維(一維)、薄膜(二維)

56、等新材料。它們與一般常用的固體塊狀(三維)材料不同，由于存在著尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)，從而導(dǎo)致電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的奇異變化。超細(xì)粉的粒度一般在100 nm以下，因其顆粒小、表面積增大、表面能增加、化學(xué)活性強(qiáng)、吸咐性好，在電、磁、光、熱等方面具有許多優(yōu)異的特性，可用作高效催化劑、助焊劑、燒結(jié)助劑、磁記錄材料、高靈敏度的傳感器和隱形材料等。一維材料主要有光導(dǎo)纖維、碳纖維、硼纖維、氧化鋁纖維、碳化硅纖維和各種晶須等。薄膜是一種厚度從幾納米到幾十微米的特殊形態(tài)的材料，具有一些獨(dú)特的功能，有利于實(shí)現(xiàn)薄型化、輕量化和集成化。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (8) 極限化：是指某一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展已大幅度超越常

57、規(guī)或現(xiàn)有的技術(shù)水平，或是日益趨近自然界的各種意義上的最高限度。在極限條件下，物質(zhì)結(jié)構(gòu)往往會(huì)發(fā)生巨大變化而出現(xiàn)新的性能。未來(lái)高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用，將使電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度更快、體積更小、成本更低、功能更新、應(yīng)用更廣。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 (9) 設(shè)計(jì)化：隨著材料研究逐步由經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)識(shí)提高到科學(xué)規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，由宏觀現(xiàn)象的觀測(cè)深入到微觀本質(zhì)上的探討，人們掌握了材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝與性能之間的變化規(guī)律，已有可能利用原子、分子結(jié)構(gòu)理論來(lái)預(yù)測(cè)材料的性能，并從被動(dòng)選擇材料到主動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)新材料。(10) 綜合化：材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，不僅繼續(xù)向微觀領(lǐng)域深入，而且向著宏觀、交叉和綜合化的方向發(fā)展，綜合性愈來(lái)愈強(qiáng)。 第12章 零件材料與毛坯的選擇 2材料熱加工工藝模擬材料熱加工工藝模擬目前，金屬材料仍是應(yīng)用范圍最為廣泛的機(jī)械工程材料，材料熱加工(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等)是機(jī)械制造業(yè)