第十章-機(jī)械零件的選材與工藝分析

1、第十章 機(jī)械零件的選材與工藝分析,機(jī)械零件的失效分析 機(jī)械零件選材的一般原則 典型零件選材與工藝性分析,第一節(jié) 機(jī)械零件的失效分析,一、失效的概念,二、零件失效類型 變形 彈、塑性變形。 斷裂 脆、塑性，疲勞斷裂。 表面損傷 磨損、腐蝕等。,零件失效的原因 設(shè)計、材料、加工、安裝、環(huán)境和使用維護(hù),機(jī)械零件在工作中要求各種載荷和介質(zhì)的作用，會造成機(jī)械 零件在使用過程中發(fā)生尺寸、形狀和表面質(zhì)量的變化。這種 變化超過允許值使機(jī)器達(dá)不到設(shè)計時效時即稱為零件失效。,零件失效的實例,斷裂僅占5% 腐蝕、磨損、疲勞破壞占74%,失效統(tǒng)計：,常見零件的工作條件和失效形式,材料的選擇是一個比較復(fù)雜的決策問題。目

2、前還沒有一種確定選材最佳方案的精確方法。它需要設(shè)計者熟悉零件的工作條件和失效形式，掌握有關(guān)的工程材料的理論及應(yīng)用知識、機(jī)械加工工藝知識以及較豐富的生產(chǎn)實際經(jīng)驗。通過具體分析，進(jìn)行必要的試驗和選材方案對比，最后確定合理的選材方案。對于成熟產(chǎn)品中相同類型的零件、通用和簡單零件，則大多數(shù)采用經(jīng)驗類比法來選擇材料。另外，零件的選擇一般需借助國家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)手冊。,第二節(jié) 機(jī)械零件選材的一般原則,第二節(jié) 機(jī)械零件選材的一般原則,一、選材的一般原則,使用性原則 工藝性原則 經(jīng)濟(jì)性原則 環(huán)保性原則,設(shè)計選材時，主要考慮的三個方面,零件的承載和工況 對零件尺寸和重量的限制 零件的重要程度,使用性原則首

3、要原則,具體地,若零件主要滿足強(qiáng)度要求，且尺寸和重量又有所限制時 選用強(qiáng)度較高的材料,若零件尺寸主要滿足剛度要求時 選用E值大的材料,若零件的接觸應(yīng)力較高，如齒輪和滾動軸承 選用可進(jìn)行表面強(qiáng)化的材料,高溫下工作的零件 選用耐熱材料,在腐蝕介質(zhì)中的零件 選用耐腐蝕的材料,在強(qiáng)烈摩擦和沖擊性工作的零件 選用耐磨的材料,注意,材料的各項性能指標(biāo)中，若只有屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等一個指標(biāo)作為選材的依據(jù)，在某種情況下不很合理,當(dāng)減輕重量也是機(jī)械設(shè)計的主要要求時，則需采用綜合性能指標(biāo)對零件重量進(jìn)行評定 如從減輕重量出發(fā)， b/（比強(qiáng)度）值越大越好,對于有加速運(yùn)動的零件，由于慣性力與材料的密度成反比 ，它的重量

4、指標(biāo)是密度的倒數(shù),鋁合金的重量指標(biāo)為鋼的2倍，當(dāng)有加速要求時，鋁合金、一些非金屬材料和復(fù)合材料則為最合適的材料，活塞和高速帶輪等常為鋁合金等材料制造,實際設(shè)計時,根據(jù)零件的工作條件，分析計算或測定出力學(xué)性能指標(biāo)后， 可借助手冊選材，但必須考慮一定的安全系數(shù),借助手冊選材注意事項,注意手冊中數(shù)據(jù)的測定條件 材料的尺寸效應(yīng) 材料成分的波動,零件的加工工藝路線,一般零件 毛坯 正火或退火 切削加工 軸、齒輪等 毛坯 預(yù)先熱處理（正火、退火） 粗加工 最終熱處理（淬火回火，時效，滲C等）精加工 精密絲杠 毛坯 預(yù)先熱處理 粗加工 最終熱處理 半精加工 時效（或 N化） 精加工 時效,工藝性能 鑄、鍛、

5、焊、機(jī)加工、熱處理,工藝性原則,.產(chǎn)品成本分析,經(jīng)濟(jì)性原則根本原則,基本材料的成本（價格、利用率）, 占總成本的30%70%,制造（加工）成本 約占零件成本的30% 加工成本 = 工具與設(shè)備費(fèi)用 + 每件產(chǎn)品成本 生產(chǎn)批量, 貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程 1. 減少材料使用量、延長零件壽命、材料再利用。 重要金屬的世界儲量,2. 能源消耗少,3. 環(huán)境污染小 廢氣排放少 材料回收及降解,環(huán)保性原則,第二節(jié) 機(jī)械零件選材的一般原則,二、選材的步驟,分析零件的服役條件和失效形式，根據(jù)分析結(jié)果提出零件最關(guān)鍵的性能要求，同時考慮其他性能要求 對同類零件的用材情況和失效形式進(jìn)行調(diào)查研究，從其使用性能

6、、原材料狀況和加工工藝等方面分析其選材是否合理，以便作為選材時的參考 通過分析計算，確定零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能判據(jù)，在特定條件下還要考慮物理、化學(xué)性能判據(jù) 在以上工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行材料的預(yù)選擇 對預(yù)選擇的材料進(jìn)行工藝性和經(jīng)濟(jì)性分析后，進(jìn)行綜合評價 必要時，對于重要零件可在投產(chǎn)前進(jìn)行相關(guān)試驗，檢驗所選材料和熱處理方法能否滿足所設(shè)計的性能要求，零件加工過程可順暢。試驗結(jié)果基本滿意后，可進(jìn)行正式投產(chǎn),第三節(jié) 典型零件的選材與工藝性分析,一、工程材料的主要特性及使用概況 金屬材料：具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能的材料，廣泛用于制造各種重要的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件（機(jī)械工程中最主要的結(jié)

7、構(gòu)材料） 高分子材料：強(qiáng)度、剛度（彈性模量）低，尺寸穩(wěn)定性較差，易老化，工程上還不能用于制造承受載荷較大的結(jié)構(gòu)零件，一些輕載傳動齒輪、軸承、緊固件及各種密封件等 陶瓷材料：室溫幾乎沒有塑性，容易脆斷，一般不用于制造重要受力構(gòu)件，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有紅硬性，用于制造高溫工作的零件、切削刀具和某些耐磨零件 復(fù)合材料：綜合多種不同材料的優(yōu)良性能，如強(qiáng)度、彈性模量高，抗疲勞、減摩、耐磨、減振性能好，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，機(jī)具發(fā)展前途,1. 軸類零件的選材 性能要求 ：軸類零件起支撐傳動零件和傳遞扭矩的作用，還承受交變載荷和扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷，某些情況下還受到?jīng)_擊作用，軸頸尚需耐磨。 失效形式：疲勞斷裂和軸頸處的過量

8、磨損失效，腐蝕磨損失效，沖擊過載造成的斷裂失效等。,選材： 碳含量在0.30.5，如35、40、45、50等碳素結(jié)構(gòu)鋼，35CrMo、40Cr、40CrNi合金調(diào)質(zhì)鋼。,二、選材實例,實例1、 C620機(jī)床主軸選材,性能要求 強(qiáng)度、塑韌性，疲勞強(qiáng)度，軸頸耐磨性。 普通車床（輕載）主軸 45鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。 銑床（中載）主軸 40Cr等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。 組合機(jī)床（重載）主軸 20CrMnTi ，經(jīng)滲C、淬火、回火處理。 精密鏜床（高精度）主軸 38CrMoAl ，調(diào)質(zhì) + 氮化 + 時效,C620 車床主軸，綜合機(jī)械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。 性能指標(biāo) 硬度220

9、250HB，軸頸52HRC 。 選材 45鋼，整體硬度220250HB，軸頸表面淬火硬度5257HRC。 熱處理工藝 840水淬 + 600回火(水或油冷）+ 軸頸高頻淬火 + 200回火 最終組織 心部：回火S軸頸表面：回火M 工藝路線 下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)半精加工表面淬火低溫回火磨削零件,常用機(jī)床主軸選用的材料及熱處理方法,實例2、 內(nèi)燃機(jī)曲軸選材及熱處理工藝擬定,175A型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸,性能要求 強(qiáng)度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸耐磨性。,選材 調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。 實例 175A型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸 性能指標(biāo) b650MPa，整體硬度220260HBS，軸頸表面硬度62

10、5HV (HRC55), 2%, AK15J。 選材 鍛鋼曲軸（優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼） 鑄造曲軸（球墨鑄鐵） 鍛鋼曲軸：45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、48MnV、49MnVS3等,鑄造曲軸：QT700-2。 鍛鋼曲軸的熱處理工藝： 下料鍛造正火矯直粗加工去應(yīng)力退火調(diào)質(zhì)半精加工局部表面淬火+低溫回火矯直精磨零件 鑄造曲軸的工藝路線： 鑄造高溫正火高溫回火矯直切削加工去應(yīng)力退火軸頸氣體滲氮（碳氮共滲）矯直精加工零件,2. 齒輪零件的選材 性能要求 ：齒面硬度（決定彎曲、接觸疲勞強(qiáng)度，耐磨性），強(qiáng)度，韌性。 失效形式：輪齒折斷（主要發(fā)生在齒的根部和中部），齒面損

11、傷（包括麻點和較大摩擦力造成的過度磨損） 選材： 調(diào)質(zhì)鋼 最終熱處理：調(diào)質(zhì) + 表面淬火 + 低溫回火 滲C鋼 最終熱處理：滲碳后淬火處理。 中高碳鋼最終熱處理：調(diào)質(zhì)處理后表面淬火。,二、選材實例,實例1 ： 載重汽車變速箱齒輪 性能指標(biāo) b1000MPa，AK50J ，齒面硬度HRC55 。 選材 20CrMnTi，20SiMnVB等，b 1080MPa ， AK 55J，齒面HRC5863 。,工藝路線 ：下料 鍛造正火粗加工局部鍍銅滲C、淬火低溫回火噴丸磨削零件,局部鍍銅的目的：滲碳前對一些不需要有較高的力學(xué)性能、而且還需要后續(xù)切削加工的部位進(jìn)行局部鍍銅防滲處理。,噴丸處理：可以去除熱處

12、理后的氧化皮，還可在表層形成一層殘余壓應(yīng)力，有助于提高齒面的接觸疲勞強(qiáng)度。,正火的目的：消除鍛造應(yīng)力，均勻細(xì)化組織、調(diào)整硬度，便于材料的切削加工，獲得的組織一般為片狀珠光體+鐵素體。,滲碳淬火+低溫回火：淬火后心部獲得低碳馬氏體組織，有較好的沖擊韌度。低溫回火的目的消除淬火應(yīng)力，降低脆性。,實例 2： 機(jī)床齒輪,機(jī)床齒輪的工作條件 ：工作條件較好，載荷不大，轉(zhuǎn)速中等，工作平穩(wěn)，少有強(qiáng)烈的沖擊，要求除了有高的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、表面硬度與耐磨性外，還應(yīng)保證高的傳動精度和小的工作噪聲。 選材 ：一般采用調(diào)質(zhì)鋼，如45鋼、40Cr或40MnB鋼。,工藝路線：下料 鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)滾齒齒部高頻加

13、熱表面淬火+低溫回火,高頻加熱表面淬火+低溫回火目的：提高齒面的硬度、有利于提高齒輪的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，淬火后形成壓應(yīng)力 防止表面發(fā)生麻點剝落。,調(diào)質(zhì)目的：為齒輪提供較高的綜合機(jī)械性能，保證齒的心部具有足夠高的強(qiáng)度和韌性以承受較大的交變彎曲應(yīng)力和沖擊載荷，同時還可以減少淬火后的變形。,正火目的：作為預(yù)備熱處理工藝可以消除鍛造毛坯的應(yīng)力，細(xì)化組織，調(diào)整毛坯的硬度到適合切削加工的范圍。,3. 機(jī)架和箱體類的選材 機(jī)架類零件 ：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、導(dǎo)軌等 機(jī)架類零件特點：形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并帶有內(nèi)腔，工作條件相差很大。 選材： 基礎(chǔ)零件（機(jī)身、

14、底座等）：灰鑄鐵 工作臺、導(dǎo)軌等：灰鑄鐵、合金鑄鐵 個別特大型工作臺、導(dǎo)軌：鑄鋼、焊接聯(lián)合結(jié)構(gòu),二、選材實例,3. 機(jī)架和箱體類的選材 箱體類零件 ：床頭箱、變速箱、進(jìn)給箱、溜板箱、內(nèi)燃機(jī)的缸體等 箱體類零件特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是機(jī)器中很重要的基礎(chǔ)零件。 選材： 受力較大、高強(qiáng)度、高韌性，甚至在高溫下工作的零件（汽輪機(jī)機(jī)殼）：型鋼焊接件、鑄鋼 受力一般、主要是承受靜載荷，不受沖擊的箱體：灰鑄鐵 零件在工作中與其他部件發(fā)生相對運(yùn)動：珠光體基體灰鑄鐵 受力不大、要求自重輕或?qū)嵝院?鑄鋁合金、工程塑料,二、選材實例,4. 典型農(nóng)機(jī)零件的選材 農(nóng)機(jī)類零件 ：犁鏵、耙片、收割機(jī)刀片等 農(nóng)機(jī)類零件特點：工作

15、中要與土壤或作物摩擦，不同的零件，性能要求和材料略有不同。,二、選材實例,選材： （1）犁鏵 工作條件 在耕地過程中，鏟起土塊和切割土壤過程中不斷受到土壤的摩擦而磨損，還會受到土壤中石塊的沖擊而折斷。 失效形式 鏵尖和刃口部分的磨損及折斷。 性能要求 好的耐磨性和一定抗沖擊性能。 材料選擇 65Mn、65SiMnRE、韌性白口鑄鐵 加工工藝路線 鋼制犁鏵 下料熱壓型加工刃口沖孔校型淬火、低溫回火 韌性白口鑄鐵犁鏵 下料熱壓型加工刃口沖孔校型等溫淬火（加熱到900后在300鹽浴爐中等溫淬火）,選材： （2）耙片 工作條件 直徑比犁鏵大在耕地過程中，鏟起土塊和切割土壤過程中不斷受到土壤的摩擦而磨損，還會受到土壤中石塊的沖擊而折斷。 失效形式 耙