13-机械零件毛坯的选择与材料的选用

《工程材料与热加工基础》第十二章零件毛坯的选择与材料的选用第十二章零件毛坯的选择与材料的选用•材料选用的一般原则•选材的基本过程与失效分析•典型零件的选材•零件毛坯的选择第一节材料选用的一般原则1.材料的使用性能原则:根据零件的工作条件、损坏(或失效)形式,选择满足力学性能的材料。受力情况/工作环境/其它要求2.材料的工艺性原则:对零件加工生产有直接的影响,甚至是决定性的。技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。3.材料的经济性原则:主要是性价比。Q235A-不锈钢F-不锈钢价格/使用年限5000元/年40000元/10年15000元/6年年成本/材料损耗5000400025003000元/停产损失80004300300030000元/停产损失3500070007500价值工程原理：价值=功能/成本第二节选材的基本过程与失效分析选择材料的基本过程零件的失效分析材料的相对价格材料相对价格材料相对价格碳素结构钢低合金结构钢优质碳素结构钢易切削钢合金结构钢铬镍合金结构钢滚动轴承钢弹簧钢11.2~1.71.4~1.521.7~1.932.1~2.91.6~1.9碳素工具钢低合金工具钢高合金工具钢高速钢铬不锈钢铬镍不锈钢普通黄铜球墨铸铁1.4~1.52.4~3.75.4~7.213.5~15820132.4~2.9一.选择材料的基本过程二.零件的失效分析1.定义:零件不能正常和安全的工作,即零件失效。2.原因结构或形状设计不合理。材料的选择不合理。加工工艺不合理。安装与使用不合理。3.形式过量变形失效过量弹性变形过量塑性变形断裂失效韧性断裂应力腐蚀断裂蠕变断裂疲劳断裂低应力断裂脆性断裂表面损伤失效磨损接触疲劳腐蚀物理性能降级第三节典型零件的选材及工艺分析•机床主轴•汽车半轴•机床齿轮•汽车齿轮一.C616–416车床主轴一)工作条件:1.该轴在滚动轴承中运转。2.承受中等负荷,承受一定的冲击力。3.转速中等。二)技术要求:1.整体调质后硬度应为HB200～230,金相组织为回火索氏体。2.内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45～50,表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体。3.花键部分硬度HRC48～50,金相组织同上。三)选材:45钢。四)加工工艺路线:下料锻造正火粗加工调质半精加工钻中心孔精车加工铣键槽局部淬火(锥孔及外锥体)粗磨滚铣花键花键淬火精磨二.YJ–130汽车半轴一)工作条件:1.该轴在上坡或启动时,承受较大扭矩。2.承受一定的冲击力和具有较高的抗弯能力。3.承受反复弯曲疲劳应力。二)技术要求:1.杆部硬度HRC37～44;盘部外圆硬度HRC24～34;金相组织为回火索氏体和回火屈氏体。2.弯曲度:杆中部1.8mm;盘部跳动2.0mm。三)选材:40Cr、42CrMo、40CrMnMo。四)加工工艺路线:下料锻造正火粗加工调质半精加工精车加工盘部钻孔磨花键三.齿轮其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。1．工作条件①传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；②齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；③启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；④有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。•2．主要失效形式•①断裂——包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；•②齿面损伤——包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；•③其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。•3．主要性能要求•①高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。•②足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。•③足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。1.机床齿轮运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火＋低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为220～250HBS，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提高到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如35CrMo、38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。•机床齿轮的简明加工工艺路线：•下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→精磨•正火可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火应力。2.汽车、拖拉机齿轮工作条件恶劣，特别是主传动系统中的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用中碳钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火＋低温回火处理后，齿面硬度可达58～62HRC，心部硬度30～45HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。•采用20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为：•下料→锻造→正火→切削加工→渗碳•→淬火＋低温回火→喷丸→磨削加工•渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高1～3HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。JN–150型载重汽车变速箱齿轮一)工作条件:1.工作负荷大。2.高速运转(10～15m/s以上)。3.受冲击频繁,磨损较严重。二)技术要求:1.齿面硬度HRC58～62,金相组织为回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体。2.齿心部硬度HRC35～45,金相组织为回火马氏体(低碳)+铁素体+细珠光体。三)选材:20CrMnTi钢。下料锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火喷丸磨齿第四节毛坯制造方法选择的原则•毛坯制造方法选择的指导思想；•毛坯制造方法选择的适用性原则；•毛坯制造方法选择的经济性原则；•毛坯制造方法选择的可行性原则。刀具选材（机械切削刀具）1．车刀车刀是最常用的切削刀具，目前用于制造刀具的主要材料是高速钢和硬质合金两大类，其中高速钢应用最多、最广。刀具选材（机械切削刀具）2．丝锥与板牙丝锥和板牙均需要高的硬度(59～64HRC)和耐磨性，还须足够的强度和韧性。丝锥和板牙分手用和机用两种，对手用者，因切削速度较低，故热硬性要求不高，一般可用高级优质碳素工具钢T10A、T12A制造(硬度59～62HRC)，对尺寸稍大、切削速度稍高的较重要丝锥(板牙)，则宜用低合金工具钢9SiCr、CrWMn制造(硬度60～63HRC)。对机用者，因切削速度较高(25～55m/min)，有热硬性要求，故应选用高速钢(如W6Mo5Cr4V2)制造。（日用刀具）日用刀具与机械切削刀具的工作条件和性能要求有较明显的差别；如因形状薄、窄、小，而要求较高的韧性以防止折断；因切断对象较软、磨损不严重，故无需过高的硬度和耐磨性；因清洁标准或工作条件下的腐蚀，而要求较好的耐蚀性等。刀具选材（日用刀具）机架、箱座类零件强度刚度减震易于成形易于加工灰铸铁液态成形冷作模具选材毛坯制造方法的分析与比较•常用材料铸造毛坯的优缺点及应用；•锻造毛坯的优缺点及应用；•冲压件的优缺点及应用；成型方法组织特征性能特点改善方法铸造铸态组织，晶粒粗大较差增加过冷度，变质处理等锻造再结晶组织，有锻造流线较好焊接熔焊接头组织复杂不均匀选择合适焊条、焊丝及热处理等压焊接头具有再结晶或加工硬化组织较好或不均匀钎焊接头具有和金铸态组织不均匀增加搭接面积，提高承载能力毛坯内在成型工艺的比较成型方法工艺设计的基本问题依据铸造确定浇铸位置，选择分型面保证质量锻造确定锻造基本工序，确定分模面简化工艺焊接熔焊确定接头、坡口形式，选择焊条、焊丝或焊剂等压焊确定接头形式钎焊确定接头形式，选择钎剂等