《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第10章

第10章成型材料與方法選擇10.1選擇材料成型方法的原則

10.2常用機(jī)械零件的毛坯成型方法選擇

10.1.1常用的毛坯材料

常用的零件材料有金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料，其中金屬材料尤其是鋼鐵材料仍是目前用量最大、應(yīng)用最廣的毛坯材料。常用的金屬材料可分為鑄造合金、壓力加工金屬材料等。10.1選擇材料成型方法的原則

1.鑄造合金

鑄造合金為具有一定鑄造性能、用于生產(chǎn)鑄件的合金，主要用于制造形狀較復(fù)雜的毛坯和零件。常用的鑄造合金有鑄鐵、鑄鋼、鑄造有色合金。

1)鑄鐵

鑄鐵在鑄造合金中的應(yīng)用最廣，常用的鑄鐵有灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。其中灰口鑄鐵的鑄造性能最好，有較高的抗壓強(qiáng)度，但力學(xué)性能和焊接性均較差，常用于受力較大的零件，尤其是承壓件，如機(jī)座、箱體及機(jī)床床身等?？慑戣T鐵的鑄造性能及焊接性較差，但力學(xué)性能較好，一般不用于大中型零件，而多用于制造形狀復(fù)雜、承受沖擊載荷的薄壁小件。球墨鑄鐵因其力學(xué)性能較好，鑄造性能僅略低于灰口鑄鐵，目前正逐漸替代可鍛鑄鐵，主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)曲軸、連桿、齒輪等。蠕墨鑄鐵的鑄造性能接近灰口鑄鐵，應(yīng)用也日漸增多。

2) 鑄鋼

鑄鋼的鑄造性能差，力學(xué)性能優(yōu)于鑄鐵，其中低碳鑄鋼的焊接性較好，一般用于制造承受重載荷、復(fù)雜載荷或沖擊零件，如曲拐、齒輪等。

3) 鑄造有色合金

常用的鑄造有色合金有鑄造鋁合金和鑄造銅合金。其強(qiáng)度一般不高，鑄造性能也較差，但具有較好的耐磨性、耐腐蝕性和耐熱性，常用于制造耐熱、耐蝕、導(dǎo)熱要求的零件，如內(nèi)燃機(jī)活塞、滑動(dòng)軸承等。

2.壓力加工金屬材料

壓力加工過程中金屬材料會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，要求材料具有一定塑性，常用的材料有碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼及變形鋁合金等。低碳鋼和強(qiáng)度級別低的低合金結(jié)構(gòu)鋼塑性較好，焊接性良好，但強(qiáng)度較低；中碳鋼和強(qiáng)度級別高的低合金結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能較好，熱加工時(shí)塑性較好，但焊接性較差，一般用于制造型材、板材及一般場合機(jī)械零件。高碳鋼和合金鋼強(qiáng)度高，但塑性差，熱加工時(shí)有良好的塑性，但變形抗力較大，且焊接性差，常用于制造模具、量具、刃具、彈簧或耐磨耐蝕的機(jī)械零件。變形鋁合金塑性較好，強(qiáng)度一般較低，焊接性較差，適于制造電器元件及齒輪、彈簧等。表10-1常用金屬毛坯材料的比較10.1.2材料成型方法的選擇原則

合理選擇材料成型方法不僅可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而且可以簡化成型工藝，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，通常選擇時(shí)必須考慮以下原則。

1.滿足使用性能的要求

零件的使用性能要求包括零件類別、用途、形狀、尺寸、精度、表面質(zhì)量以及材料的化學(xué)成分、金屬組織、力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等方面的使用要求。不同的零件，其功能不同，使用要求也有所不同，而同類零件也因材料不同其成型方法有所不同。例如，桿類零件中機(jī)床的主軸和手柄，其中主軸是機(jī)床的關(guān)鍵零件，尺寸、形狀和加工精度要求很高，且受力復(fù)雜，在長期使用中不允許發(fā)生過大的變形，通常45鋼或40Cr鋼等具有良好綜合力學(xué)性能的材料，可經(jīng)鍛造成型及嚴(yán)格切削加工和熱處理制成；而機(jī)床手柄則通常采用低碳鋼圓棒料或普通灰鑄鐵件為毛坯，經(jīng)簡單的切削加工制成。又如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，在工作過程中通常要承受很大的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，要求具有良好的綜合力學(xué)性能，但根據(jù)不同使用要求其成型方法是不同的，高速大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸一般采用強(qiáng)度和韌性較好的合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造成型，功率較小時(shí)可采用球墨鑄鐵鑄造成型或用中碳鋼鍛造成型。另外，根據(jù)零件形狀、尺寸和精度的不同，成型方法也有所不同。通常軸桿類、盤套類零件的形狀較為簡單，可采用壓力加工成型、焊接成型；機(jī)架箱體類零件往往具有復(fù)雜內(nèi)腔，一般選擇鑄造成型，比如，機(jī)床床身是機(jī)床的主體，主要的功能是支承和連接機(jī)床的各個(gè)部件，以承受壓力和彎曲應(yīng)力為主，同時(shí)為了保證工作的穩(wěn)定性，應(yīng)有較好的剛度和減震性，機(jī)床床身一般又都是形狀復(fù)雜并帶有內(nèi)腔的零件，故在大多數(shù)情況下，機(jī)床床身選用灰鑄鐵件為毛坯，其成型方法一般采用砂型鑄造。而不同的成型方法能實(shí)現(xiàn)的精度等級也是不同的，如鑄件，尺寸精度要求不高的可采用普通砂型鑄造，尺寸精度要求較高的可采用熔模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等；對于鍛件，尺寸精度低的采用自由鍛造，尺寸精度要求高的可選用模型鍛造。

2.適應(yīng)成型工藝性要求

成型工藝性包括鑄造工藝性、鍛造工藝性、焊接工藝性等。成型工藝性的好壞對零件加工的難易程度、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等起著十分重要的作用。因此，選擇成型方法時(shí)，必須注意零件結(jié)構(gòu)與材料所能適應(yīng)的成型加工工藝性。當(dāng)零件形狀比較復(fù)雜、尺寸較大時(shí)，用鍛造成型往往難以實(shí)現(xiàn)，如果采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能，在零件結(jié)構(gòu)上也要適應(yīng)鑄造或焊接的要求。另外，通常不能采用鍛壓成型的方法和避免采用焊接成型的方法來制造灰口鑄鐵零件；避免采用鑄造成型的方法制造流動(dòng)性較差的薄壁毛坯；不能用埋弧自動(dòng)焊焊接仰焊位置的焊縫；不能采用電阻焊方法焊接銅合金構(gòu)件；不能采用電渣焊焊接薄壁構(gòu)件等等。

3.經(jīng)濟(jì)性原則

經(jīng)濟(jì)性原則是指零件的制造材料費(fèi)、能耗費(fèi)、人工費(fèi)用等成本最低。選擇成型方法時(shí)，在保證零件使用要求的前提下，從材料價(jià)格、零件成品率、整個(gè)制造過程加工費(fèi)、材料利用率、零件壽命等方面對可供選擇的方案從經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合分析比較，選擇成本低廉的成型方法。例如，以往通常選用調(diào)質(zhì)鋼(如40、45、40Cr等)模鍛成型方法加工發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，而隨著研究的深入，目前逐漸采用疲勞強(qiáng)度與耐磨性較高的球墨鑄鐵(如QT600-3、QT700-2等)替代，并利用砂型鑄造成型，這樣不僅可滿足使用要求，而且成本降低了50%～80%，提高了耐磨性。另外，還應(yīng)考慮零件的生產(chǎn)批量，即單件小批量生產(chǎn)時(shí)，選用通用設(shè)備和工具以及低精度、低生產(chǎn)率的成型方法，這樣，毛坯生產(chǎn)周期短，能節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和工藝裝備的設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，雖然單件產(chǎn)品消耗的材料及工時(shí)多，但總成本較低；大批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)選用專用設(shè)備和工具，以及高精度、高生產(chǎn)率的成型方法，這樣，毛坯生產(chǎn)率高，精度高，雖然專用工藝裝置增加了費(fèi)用，但材料的總消耗量和切削加工工時(shí)會(huì)大幅降低，總的成本也降低。例如，采用手工造型鑄造和自由鍛造方法，毛坯的制造費(fèi)用一般較低，但原材料消耗和切削加工費(fèi)用都比機(jī)器造型鑄造和模型鍛造高，因此生產(chǎn)批量較大時(shí)，零件的整體制造成本較高。

同時(shí)，在選擇成型方法時(shí)，必須考慮企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)條件，如設(shè)備條件、技術(shù)水平、管理水平等。一般情況下，應(yīng)在滿足零件使用要求的前提下，充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)條件。當(dāng)采用現(xiàn)有條件不能滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求時(shí)，也可考慮調(diào)整毛坯種類、成型方法，對設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造，或通過協(xié)作解決。

4.環(huán)保節(jié)能原則

現(xiàn)在，環(huán)境已成為全球關(guān)注的大問題。地球溫暖化、臭氧層破壞、酸雨、固體垃圾、資源能源的枯竭等等，環(huán)境惡化不僅阻礙生產(chǎn)發(fā)展，甚至危及人類的生存。環(huán)境惡化和能源枯竭已是人類必須解決的重大問題，在發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，必須考慮環(huán)保和節(jié)能問題，必須做到以下幾點(diǎn)：

(1)盡量減少能源消耗，選擇能耗小的成型方案，并盡量選用低能耗成型方法的材料，合理進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，盡量采用凈成型、近凈成型的新工藝。

(2)不使用對環(huán)境有害和產(chǎn)生對環(huán)境有害物質(zhì)的材料，采用材料利用率高、易再生回收的材料。

(3)避免排出大量CO2氣體，導(dǎo)致地球溫度升高。例如汽車在使用時(shí)需要燃料并排出廢氣，故要求汽車重量輕，發(fā)動(dòng)機(jī)效率高，則要通過更新汽車用材與成型方法才可能實(shí)現(xiàn)。

5.利用新工藝、新技術(shù)、新材料

隨著科技的不斷發(fā)展，市場需求的不斷增加，用戶要求多變的、個(gè)性化的精制產(chǎn)品。這使產(chǎn)品的生產(chǎn)由大批量轉(zhuǎn)變成小批量，多品種轉(zhuǎn)變成少品種；產(chǎn)品的類型更新加快，生產(chǎn)周期縮短；產(chǎn)品的質(zhì)量高且成本低。因此，選擇成型方法應(yīng)擴(kuò)大對新工藝、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，如精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態(tài)模鍛、特種軋制、超塑性成型、粉末冶金、注塑成型、等靜壓成型、復(fù)合材料成型以及快速成型等，采用少、無余量成型方法，以顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)效率。

常用機(jī)械零件的毛坯成型方法有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、型材等，各零件的形狀和用途不同，毛坯成型方法不同。常用成型方法的比較見表10-2。10.2常用機(jī)械零件的毛坯成型方法選擇

10.2.1軸桿類零件

軸桿類零件為長徑比較大的零件，常見的有光軸、階梯軸、偏心軸和曲軸等，如圖10-1所示，主要功用為支撐傳動(dòng)件，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸、壓縮等各種應(yīng)力。軸徑部分由于摩擦和沖擊載荷等，將產(chǎn)生磨損、變形或斷裂等缺陷，因此要求零件具有較高的綜合力學(xué)性能、一定的表面質(zhì)量和耐磨性。

圖10-1軸桿類零件軸桿類零件一般選擇鋼或鑄鐵，用鍛造或鑄造方法制造毛坯。通常光軸、直徑變化較小的軸、力學(xué)性能要求不高的軸，可直接選用軋制圓鋼制造。直徑差較大的階梯軸，通常采用鍛造方法制造毛坯，單件小批量生產(chǎn)常采用自由鍛，大批量可采用模型鍛造。異形斷面或彎曲軸線的軸，如凸輪軸、曲軸等，在滿足使用要求的前提下，可選用球墨鑄鐵采用鑄造方法制造毛坯，以降低制造成本。在某些情況下，也可以采用鍛-焊或鑄-焊結(jié)合的方法來制造軸桿類零件的毛坯。

10.2.2盤套類零件

盤套類零件包括齒輪、帶輪、飛輪、模具、法蘭盤、聯(lián)軸節(jié)、套環(huán)、墊圈等，如圖10-2所示，它們通常為軸向尺寸小于徑向尺寸，或兩個(gè)方向尺寸相近。一般對于承受輕載、力學(xué)性能要求不高的盤套類零件采用鑄造方法或結(jié)合焊接方法制造，而對于承受重載、力學(xué)性能要求較高的零件則采用鍛造方法。

圖10-2盤套類零件齒輪是典型的盤套類零件，通常輪齒齒面承受接觸應(yīng)力和摩擦，齒根承受交變的彎曲應(yīng)力，還承受沖擊力，輪齒易產(chǎn)生磨損、點(diǎn)蝕、變形或折斷，因此，對其強(qiáng)度、韌性以及齒面的硬度和耐磨性都有一定要求。但在機(jī)械中因工作條件有很大差異，毛坯制造方法也有所不同。低速、輕載齒輪力學(xué)性能要求不高時(shí)，可選用灰鑄鐵、球墨鑄鐵等材料鑄造成型制造毛坯；高速、重載齒輪通常要求表面硬度和良好的力學(xué)性能，可選用合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造成型后，進(jìn)行齒部滲碳、淬火熱處理，大批量生產(chǎn)時(shí)可采用熱軋或精密模鍛的方法。而直徑大于500mm的齒輪鍛造比較困難，通?？蛇x用鑄鋼或球墨鑄鐵鑄造成型結(jié)合焊接方法制造。低速、受力不大或開式運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪可選用工程塑料注塑成型制造。

帶輪、飛輪等零件受力不大且結(jié)構(gòu)簡單，通常采用灰鑄鐵鑄造成型，單件生產(chǎn)時(shí)也可采用低碳鋼焊接完成。法蘭根據(jù)受力情況及形狀、尺寸等不同，可采用鑄造或鍛造加工，厚度較小的墊圈一般采用板材沖壓成型。

10.2.3機(jī)架、箱座類零件

機(jī)架、箱座類零件一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚分布不均勻，形狀不規(guī)則，重量從幾千克至數(shù)十噸，工作條件也相差很大。機(jī)身、底座等一般的基礎(chǔ)零件，主要起支承和連接機(jī)械各部件的作用，除承受壓力外，還要求有較好的剛度和減震性；有些機(jī)械的機(jī)身、支架還要承受壓、拉和彎曲應(yīng)力的耦合作用，以及沖擊載荷；工作臺和導(dǎo)軌等零件，則要求有較好的耐磨性；箱體零件一般受力不大，但要求有良好的剛度和密封性。這類零件通常鑄造成型，對于不易整體成型的大型機(jī)架可采用焊接成型方法完成，但結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，易產(chǎn)生變形，吸震性不好。

10.2.4毛坯成型方法選擇舉例

圖10-3所示發(fā)動(dòng)機(jī)上的排氣門，材料為耐熱鋼，可有下列幾種成型工藝方案。

圖10-3排氣門

(1)胎模鍛造成型：選用大于氣門桿直徑的棒料，采用自由鍛拔長桿部，再用胎模鐓粗頭部法蘭。這種方法生產(chǎn)率低，常用于小批量生產(chǎn)。

(2)平鍛機(jī)模鍛成型：選用與氣門桿部直徑相同的棒料，