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第9章典型工件的选材及工艺路线设计内容提要：本章重点阐明齿轮、轴类零件、弹簧和刃具的工作条件、失效形式、性能要求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。学习目标：本章是课程的重点章。要求掌握齿轮（机床和汽车齿轮）、轴类零件、刃具的选材，进行工艺路线分析。熟悉弹簧的选材。9.1齿轮选材☆老师提示：重点内容9.1.1齿轮的工作条件(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。9.1.2齿轮的失效形式(1)疲劳断裂主要从根部发生；(2)齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；疲劳断裂齿面磨损(3)齿面接触疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点)；(4)过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿。齿面剥落轮齿冲击断裂9.1.3齿轮材料的性能要求(1)高的弯曲疲劳强度；(2)高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击韧性。(4)要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。9.1.4齿轮类零件的选材这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，是比较理想的材料。经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。选用低、中碳钢或其合金钢。9.1.5典型齿轮选材举例机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。机床变速箱齿轮一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。工艺路线为：下料--锻造--正火--粗加工--调质--精加工--高频淬火及低温回火--精磨。一、机床齿轮其它机床齿轮材料：冲击载荷小的低速齿轮可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外,有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮,工作时传动平稳,噪声减少,长期使用磨损很小。二、汽车齿轮汽车齿轮主要装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。汽车后桥齿轮一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。渗碳齿轮的工艺路线为：下料--锻造--正火--切削加工--渗碳、淬火及低温回火--喷丸--磨削加工。9.2轴类零件选材☆老师提示：重点内容9.2.1轴类零件的工作条件(1)工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；(2)轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；(4)多数轴会承受一定的过载载荷。9.2.2轴类零件的失效方式转轴弯曲疲劳断口形貌(1)长期交变载荷下的疲劳断裂。（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断(2)大载荷或冲击载荷引起的过量变形、断裂；(3)表面过度磨损。轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损9.2.3轴类零件的性能要求(1)良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性,以防过载断裂、冲击断裂；(2)高疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；(3)足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效；(4)良好切削加工性能,价格便宜。9.2.4轴类零件材料及选材方法一、材料经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；●一般轴类零件使用碳钢。如35、40、45、50钢；●载荷较大、轴颈的耐磨性要求高时采用合金调质钢：40Cr、40MnB、40CrNiMo或者渗碳钢：20Cr、20CrMnTi●曲轴可采用球墨铸铁和高强度灰铸铁。二、选择原则根据载荷大小、类型等决定。●主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；●受轴向载荷轴，因心部受力较大，材料应具有较高淬透性。9.2.5典型轴的选材一、机床主轴选材主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。C620车床主轴简图大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。●C620车床主轴主轴用45钢制造。☆练习：制定工艺路线其它主轴材料：●载荷较大的主轴用40Cr钢制造。●承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢（20Cr或20CrMnTi）制造。二、内燃机曲轴选材1.曲轴工作条件、性能要求、材料（1）工作条件曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。造成曲轴的扭转和弯曲振动，应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。（2）性能要求失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。材料要有高强度、一定的冲击韧性。要有足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度。轴颈表面有高硬度和耐磨性。（3）曲轴材料●锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo钢等；●铸造曲轴：铸钢：ZG25球墨铸铁：QT600-3、QT700-2珠光体可锻铸铁及合金铸铁：KTZ450-5KTZ500-42.175A型农用柴油机曲轴选材（1）性能要求农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求σb≥750MPa,δ≥2%,ak≥150kJ/m2整体硬度240HBS～260HBS轴颈表面硬度≥625HV。175A型柴油机曲轴简图（2）曲轴材料QT700-2（3）工艺路线铸造－高温正火－高温回火－切削加工－轴颈气体渗氮。老师提示汽车发动机曲轴也可用45、40Cr钢制造，经过模锻、调质、切削加工后,在轴颈部位进行表面淬火。9.3弹簧选材弹簧利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。(a)压缩螺旋弹簧(b)拉伸螺旋弹簧(c)扭转螺旋弹簧(d)板弹簧(e)片弹簧弹簧有下列用途：(1)缓冲或减振如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。(2)定位如机床及其夹具中利用弹簧将定位销(或滚珠)压在定位孔(或槽)中。(3)复原外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。(4)储存和释放能量如钟表、玩具中的发条。(5)测力如弹簧称、测力计中使用的弹簧。9.3.1弹簧的工作条件(1)弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。(2)缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。(3)某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。9.3.2弹簧的失效形式(1)塑性变形载荷去掉后，弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。(2)疲劳断裂在交变应力作用下，产生疲劳源，裂纹扩展造成断裂。(3)快速脆性断裂存在缺陷，当受到过大的冲击载荷时，发生突然脆性断裂。(4)腐蚀断裂及永久变形在腐蚀性介质中使用的弹簧产生应力腐蚀断裂。高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。9.3.3弹簧材料的性能要求(1)高的弹性极限σe和高的屈强比σs/σb弹簧工作时不允许有永久变形。弹性极限越大，弹簧可承受的外载荷越大。当材料直径相同时，碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的抗拉强度相差很小，但屈强比差别较大。65钢为0.760Si2Mn钢为0.7550CrVA钢为0.9屈强比高，可充分发挥材料的承载潜力。(2)高的疲劳强度弯曲疲劳强度σ-1和扭转疲劳强度τ-1越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。(3)好的材质和表面质量夹杂物含量少，晶粒细小，表面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断裂十分重要。(4)某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性在腐蚀性介质和高温条件下使用。9.3.4弹簧的选材一、弹簧钢（1）热轧弹簧用材通过热轧方法加工成园钢、方钢、盘条、扁钢，制造尺寸较大，承载较重的螺旋弹簧或板簧。弹簧热成型后要进行淬火及回火处理。（2）冷轧(拔)弹簧用材以盘条、钢丝或薄钢带(片)供应，用来制作小型冷成型螺旋弹簧、片簧、蜗卷弹簧等。主要弹簧钢：65、70、65Mn、55Si2Mn、55Si2MnB、60Si2Mn、50CrVA、50CrMn二、不锈钢0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti通过冷轧(拔)加工成带或丝材,制造在腐蚀性介质中使用的弹簧。三、黄铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜用于制造电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质中工作的弹性元件。具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性。9.3.5典型弹簧选材一、汽车板簧(1)用途及性能要求用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用，需要高的屈服强度和疲劳强度。汽车板簧(2)材料●轻型汽车板簧65Mn、60Si2Mn●中型或重型汽车板簧50CrMn,55SiMnVB●重型载重汽车大截面板簧55SiMnMoV,55SiMnMoVNb(3)工艺路线热轧钢带(板)冲裁下料—压力成型—淬火—中温回火—喷丸强化淬火温度为850℃～860℃(60Si2Mn钢为870℃),采用油冷,淬火后组织为马氏体。回火温度为420℃～500℃,组织为回火屈氏体。屈服强度σ0.2不低于1100MPa硬度为42HRC～47HRC冲击韧性ak为250KJ/m2～300KJ/m2二、火车螺旋弹簧(1)用途及性能要求机车和车箱的缓冲和吸振,其使用条件和性能要求与汽车板簧相近。淬火与回火工艺同汽车板簧。热轧钢棒下料—两头制扁—热卷成形—淬火—中温回火—喷丸强化—端面磨平。(3)工艺路线(2)材料50CrMn、55SiMnMoV三、气门弹簧(1)用途内燃机气门弹簧是一种压缩螺旋弹簧。用途是在凸轮、摇臂或挺杆的联合作用下,使气门打开和关闭，承受应力不是很大。采用淬透性比较好、晶粒细小、有一定耐热性的50CrVA钢制造。(2)工艺路线冷卷成型—淬火—中温回火—喷丸强化—两端磨平。将冷拔退火后的盘条用卷簧机卷制成螺旋状,切断后两端并紧。850℃～860℃加热后油淬,再经520℃回火,组织为回火屈氏体。弹簧弹性好,屈服强度和疲劳强度高,有一定的耐热性。气门弹簧也可用冷拔后经油淬及回火后的钢丝制造,冷卷簧后经300℃～350℃去应力退火。四、自行车手闸弹簧手闸弹簧是一种扭转弹簧，使手闸复位。承受载荷小，不受冲击和振动作用，精度要求不高。用60或65钢制造。经过冷拔加工获得的钢丝直接冷卷、弯钩成形即可。卷后可200℃～220℃加热消除内应力，一般也可不进行热处理。五、继电器簧片(1)用途及性能要求继电器簧片是一种片簧，其作用是使两电触点接触时，产生一定大小的压力，以保证触头紧密接触良好导电。簧片所受弯曲应力很小。簧片材料要有好的弹性、导电性和耐蚀性。继电器簧片(2)材料黄铜(H70)、锡青铜(QSn6.5-0.1)、白铜(B19)●黄铜的导电性好，抗疲劳性能较高，弹性一般，价格较低。●锡青铜的导电性稍低，但抗疲劳性能高，弹性好，价格稍高。●白铜的导电性好，抗蚀性高，抗疲劳性能较高，弹性好，价格较贵。簧片生产工艺简单，用上述材料的冷轧薄片冲裁下料成形制造。9.4刃具选材☆老师提示：重点内容切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。切削加工9.4.1刃具的工作条件(1)刃具切削材料时，刃部受到很大的弯曲应力。钻头、铰刀还会受到较大的扭转应力作用。(2)刃具刃部与被切削材料强烈摩擦，刃部温度可升到500ºC～600ºC。(3)机用刃具往往承受较大的冲击与震动。9.4.2刃具的失效形式(1)磨损磨损增加切削抗力，降低切削零件表面质量，使被加工零件的形状和尺寸精度降低。(2)断裂在冲击力及震动的作用下折断或崩刃。(3)刃部软化刃部温度升高，刃部硬度容易下降，丧失切削加工能力。9.4.3刃具材料的性能要求(1)高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62HRC；(2)高的红硬性；(3)强韧性好；(4)高的淬透性。可采用较低的冷速淬火，以防止刃具变形和开裂。9.4.4刃具的选材刃具材料有碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷等。一、简单的手用刃具手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手用刃具红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。用碳素工具钢制造。如T8、T10、T12钢。碳素工具钢价格较低,