机械零件材料及成型方法选用

第9章机械零件材料及成型方法选用•9.1选材的一般原则•9.2典型零件的选材及改性方法示例•9.3毛坯成型方法选用原则•9.4典型机械零件毛坯成型方法选用示例(轴杆类、盘套类、箱体类)9.1选材的一般原则•9.1.1零件失效的类型、原因及分析方法•9.1.2材料的选用•9.1.3选材的一般程序9.1.1零件失效的类型、原因及分析方法•1.零件失效的类型、原因•各种机械零件都具有一定的功能，当它不能按要求的效率完成预定的功能时，则称该零件已失效。零件失效具体表现为：零件完全破坏，不能继续工作；严重损伤不能再安全工作；虽仍能安全工作，但不能完成规定的功能。•根据零件损坏的特点、所受载荷的类型及外在条件，零件的失效可归纳为下列三种类型：①变形失效；②断裂失效；③表面损伤失效。•引起失效的具体原因大体可以分为①设计；②材料；③加工；④安装使用•2.零件失效分析方法•①应尽可能仔细地收集失效零件的残体，拍照留据，确定重点分析的对象和部位。并在零件失效的发源部位切取样品。•②应详细整理失效零件的有关资料，如设计资料、加工工艺文件及使用记录等。•③将所选样品进行宏观及微观的断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源地及失效的方式。•④测定样品的必要数据，包括设计所依据的性能指标及与失效有关的性能数据，材料的组织及化学成分是否符合要求，分析在失效零件上收集到的腐蚀产物的成分、磨屑的成分等。必要时还要进行无损探伤、断裂力学分析等，考查有无裂纹或其他缺陷。9.1.2材料的选用•1.使用性能与选材•2.工艺性能与选材•3.经济性与选材一些零件的工作条件、主要损坏形式及主要机械性能指标9.1.3选材的一般程序•1.分析零件工作条件•2.材料预选择•3.材料终选择•4.验证选材的可靠性9.2典型零件的选材及改性方法示例•9.2.1.齿轮类零件的选材及改性方法•9.2.2轴类零件的选材及改性方法9.2.1.齿轮类零件的选材及改性方法•1.齿轮的工作条件及性能要求•2.齿轮零件的选材•3.典型齿轮选材举例1.齿轮的工作条件及性能要求•齿轮是机械工业、汽车、拖拉机中应用最广的零件之一，主要用于功率的传递和速度的调节，其工作时的受力状况如下：•①由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力；•②齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生强烈的摩擦；•③由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。•根据齿轮的工作特点，其主要失效形式有以下几种：•①轮齿折断有两类断裂形式，一类为疲劳断裂：主要发生在齿根，常常一齿断裂引起数齿、甚至更多的齿断裂；另一类是过载断裂：主要是冲击载荷过大造成的断齿；•②齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小，齿隙增大；•③齿面的剥落在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹并逐渐发展，引起点状剥落。•据此，要求齿轮用材应具有如下性能：•①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；•②高的硬度和耐磨性；•③轮齿心部要有足够的强度和韧性；2.齿轮零件的选材3.典型齿轮选材举例C6132车床传动齿轮JN—150汽车变速齿轮9.2.2轴类零件的选材及改性方法•1.机床主轴•2.汽车半轴•3.内燃机曲轴1.机床主轴•在选用机床主轴的材料和热处理工艺时，必须考虑以下几点：•①受力的大小。•②轴承类型。•③主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。•机床主轴的工作条件和性能要求•C6140车床主轴的工作条件：•①承受交变的弯曲应力与扭转应力，有时受到冲击载荷的作用；•②主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦；•③花键部分经常有磕碰或相对滑动。•热处理技术条件：•整体调质硬度达200～230HBS；内锥孔和外圆锥面处硬度为45～50HRC；花键部分的硬度为48～53HRC。•（2）主轴用钢及热处理改性•C6140车床属于中速、中负荷、在滚动轴承中工作的机床，因此选用45钢。整体调质以获得高的综合机械性能和疲劳强度；内锥孔和外圆锥面处采用盐浴局部淬火和回火，以便耐磨和保证装配精度；花键部分高频淬火、低温回火，以确保强度硬度要求。机床主轴工艺路线如下：•锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削加工。•若这类机床主轴承受载荷较大时，可用40Cr钢制造。当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，则可采用合金渗碳钢制造，其热处理工艺也发生相应的变化。C6140车床主轴图2.汽车半轴•汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动件。半轴材料与其工作条件有关，中型载重汽车目前选用40Cr钢，而重型载重汽车则选用性能更高的40CrMnMo钢。•（1）汽车半轴的工作条件和性能要求•图9-2-4所示为跃进-130型载重汽车(载重量为2500kg)的半轴简图。半轴在工作时承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用，要求材料有足够的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。•热处理技术条件：•硬度：杆部37～44HRC；•盘部外圆：24～34HRC。•材料选用及热处理改性•根据技术条件要求，可选用40Cr钢。热处理为：正火，消除锻造应力，改善切削加工性；调质，使半轴具有高的综合机械性能。其制造工艺路线如下：•下料→锻造→正火→切削加工→调质→钻孔→磨削汽车半轴3.内燃机曲轴•（1）工作条件及性能要求•曲轴是内燃机形状复杂而又重要的零件之一。它在工作时受到内燃机周期性变化着的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力以及冲击力等的作用。在高速内燃机中曲轴还受到扭转振动的影响，会造成很大的应力。•因此，对曲轴的性能要求为：高强度，一定的冲击韧性和弯曲、扭转疲劳强度，轴颈处要求有高的硬度和耐磨性。•（2）内燃机曲轴用料的选择•一般以静力强度和冲击韧性作为曲轴的设计指标，并考虑疲劳强度。•内燃机曲轴材料的选择主要决定于内燃机的使用情况、功率大小、转速高低以及轴瓦材料等因素。一般选材规律如下：•低速内燃机曲轴采用正火状态的碳素钢或球墨铸铁；•中速内燃机曲轴采用调质状态的碳素钢或合金钢如45、40Cr、45Mn2、50Mn2等，或球墨铸铁；•高速内燃机曲轴采用高强度的合金钢如35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA等。9.3毛坯成型方法选用原则•9.3.1毛坯的种类•9.3.2毛坯选择的原则•9.3.3选择毛坯的依据9.3.1毛坯的种类•1.型材•2.铸件•3.锻件•4.冲压件•5.焊接件1.型材•型材具有流线(或纤维)组织，使其力学性能具有方向性，即顺着流线方向的抗拉强度、塑性好；而垂直于流线方向的抗拉强度、塑性低，但抗剪强度高。型材是大量生产的产品，可直接从市场上购得，价格便宜，可简化制造工艺和降低制造成本，尽管尺寸精度与表面质量稍差，在不影响零件性能的情况下，一般优先选用型材。•型材的断面形状和尺寸有多种，常见的型材有型钢、钢板、钢管、钢丝、钢带等。2.铸件•用铸造方法获得的零件毛坯称为铸件。几乎所有的金属材料都可进行铸造，其中铸铁应用最广，而且铸铁也只能用铸造的方法来生产毛坯；常用于铸造的碳钢为低、中碳钢。在一般情况下铸件的生产成本较低，是优先选用的毛坯。•但是铸件的组织较粗大，内部易产生气孔、缩松、偏析等缺陷，这些都影响铸件的力学性能，使铸件的力学性能比相同材料的锻件低，特别是冲击韧性差，所以一些重要零件和承受冲击载荷的零件不宜用铸件作零件的毛坯。3.锻件•锻件是固态金属材料在外力作用下通过塑性变形而获得的。由于塑性变形的结果，使锻件内部的组织较细且致密，没有铸造组织中的缺陷，所以锻件比相同材料铸件的力学性能高。尤其塑性变形后使型材中纤维组织重新分布，符合零件受力的要求，更能发挥材料的潜力。锻件常用于强度高、耐冲击、抗疲劳等重要零件的毛坯。•与铸造相比，锻造方法难于获得形状较复杂(特别内腔)的毛坯，且锻件成本一般比铸件要贵，金属材料的利用率亦较低。•自由锻造适用于单件、小批生产、形状简单和大型零件的毛坯，其缺点是精度不高、表面不光洁、加工余量大、消耗金属多。模锻件的形状可比自由锻件复杂，且尺寸较准确，表面较光洁，可减少切削加工成本，但模锻锤和锻模价格高，所以模锻适用于中小件的成批或大量生产。4.冲压件•冲压可制造形状复杂的薄壁零件，冲压件的表面质量好，形状和尺寸精度高(决定于冲模质量)，一般可满足互换性的要求，故一般不必再经切削加工便可直接使用。冲压生产易于实现机械化与自动化，所以生产率较高，产品的合格率和材料利用率高，故冲压件的制造成本低。但冲压件只适用大批量生产，因为模具制造的工艺复杂、成本高、周期较长，只有在大批量生产中才能显示其优越性。5.焊接件•焊接件是借助于金属原子间的扩散和结合的作用，把分离的金属制成永久性的结构件。焊接件的尺寸、形状一般不受限制，可以小拼大，结构轻便，材料利用率高，生产周期短，主要用于制造各种金属结构件，也用于制造零件的毛坯和修复零件，特别适用于制造单件、大型、形状复杂的零件或毛坯，不需要重型与专用设备，产品改型方便。焊接件接头的力学性能与母材基本接近。焊接件可以采用钢板或型钢焊接，或采用铸—焊、锻—焊或冲—焊联合工艺制成。但是焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，焊接构件内容易产生内应力和变形，接头的热影响区力学性能有所下降。9.3.2毛坯选择的原则•1.适用性原则•2.经济性原则•3.毛坯选择时应考虑的其它因素•(1)材料的工艺性对毛坯选择的影响•(2)零件的结构、形状与尺寸大小对毛坯生产方法选择的影响•(3)零件性能的可靠性对毛坯选择的影响•(4)零件生产的批量对毛坯选择的影响9.3.3选择毛坯的依据•1.零件的类别、用途和工作条件及其形状、尺寸和设计技术要求•2．零件的生产批量•3.生产条件9.4典型机械零件毛坯成型方法选用示例(轴杆类、盘套类、箱体类)•9.4.1轴杆类零件•9.4.2盘套类零件•9.4.3箱体类零件9.4.1轴杆类零件焊接的汽车排气阀铸—焊结构的水压机毛坯9.4.2盘套类零件•盘套类零件一般是轴向尺寸小于径向尺寸，或者两个方向尺寸相差不大。属于这类零件的有齿轮、飞轮、带轮、法兰盘、联轴器、手轮、刀架等。由于这些零件在机械设备中的作用、要求和工作条件差异很大，因零件用材不相同，故毛坯的生产方法也各异。•对带轮、飞轮、手轮、垫块等一类受力不大(且主要承受压力)、结构复杂的零件，常选用灰铸铁制造，故用铸造方法生产的铸铁件作为毛坯；对单件大型零件亦可用低碳钢焊接而成。对法兰盘、套环、垫圈等零件，根据受力大小、形状和尺寸，可选用铸铁、钢、有色合金等制造，分别用铸件、锻件或型材下料后作毛坯。•齿轮是典型的轮盘类零件，其材料的选用前面已分析过。齿轮毛坯的选择应根据其受力的性质与大小、材料种类、结构形状、尺寸大小、生产批量等不同而异。一般中小型传力齿轮常用锻件为毛坯；当生产批量较大时用热轧或精密模锻件作毛坯，以提高性能、减少切削加工；直径较小的齿轮也可直接用圆钢作毛坯；结构复杂尺寸较大的齿轮亦可采用铸钢件或球墨铸铁件；对单件大型齿轮可用焊接件作毛坯；尺寸较小、厚度薄、产量大的传动齿轮可用冲压方法直接生产零件；对一般非传力的低速齿轮，可用灰口铸铁件作毛坯。9.4.3箱体类零件•箱体类零件一般结构较复杂，具有不规则的外形与内腔，壁厚也不均匀，如各种设备的机身、机座、机架、工作台、齿轮箱、轴承座、泵体等。其工作条件差异较大，但一般以承压为主；并要求有较好刚性和减震性，且同时受压、弯、冲击作用；对工作台和导轨等要求有较高的耐磨性。•对于一般承受压力为主的箱体类零件，常选用灰铸铁为材料，因为灰铸铁可制造形状复杂毛坯对单件小批量生产可用焊接件。为减少箱座类零件重量可选用铝合金铸件(如航空发动机箱体等)。对尺寸较大的支架，可采用铸-焊或锻-焊组合件作毛坯。