机械制造基础第九章机械零件材料及毛坯的选择

机械制造基础第九章机械零件材料及毛坯的选择主讲：仝勖峰西安电子科技大学本章内容失效的概念及失效的主要形式；零件失效原因及其分析方法；零件材料的选择原则和毛坯的选择方法。一、机械零件的失效失效是指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去原设计的效能。零件没有达到使用寿命就失去功能称为早期失效，比较危险。达到使用寿命的失效称为正常失效，比较安全。要防止失效，必须了解失效的机制和原因。1、零件失效的主要形式机械零件常见的失效形式主要有：（1）断裂：断裂又可分为过载断裂(韧性材料和脆性材料不同)、疲劳断裂和蠕变断裂（2）变形过大：过大的塑性变形影响机械的工作性能（3）振动过大：振幅过大影响机械的工作性能甚至发生共振（4）表面失效：指磨损、接触疲劳、腐蚀、胶合等2、零件失效的原因机械零件失效的原因主要有：（1）设计不合理（2）选材不合理（3）加工工艺不当（4）安装使用不正确3、典型的失效分析齿轮传动的失效形式轮齿的失效形式多种多样，较为常见的有轮齿折断、齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等等1）轮齿折断：通常有疲劳折断和过载折断两种。2）齿面点蚀：是指齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。3、典型的失效分析3）齿面磨损：是齿轮在啮合传动过程中，轮齿接触表面上的材料摩擦损耗的现象。4）齿面胶合：是相啮合齿面的金属在一定压力下直接接触发生粘着，同时随着齿面间的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起的一种严重粘着磨损现象。5）塑性变形：是由于在过大的应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性流动而在齿面或齿体形成的变形。轮齿疲劳折断轮齿的塑性变形齿面胶合齿面点蚀齿面磨损二、零件材料选择的原则要做到合理选材，必须全面分析及综合考虑。一般遵循三个原则：使用性能；工艺性能；经济性能。1、使用性能使用性能中，最重要的是力学性能。必须要考虑：受力状况：载荷类型、大小、特点。环境状况：温度、腐蚀、摩擦。特殊要求：导电、电磁、热膨胀、密度。2、工艺性能同使用性能相比，工艺性能处于次要地位。但某些情况下，工艺性能也是选材的主要依据。工艺性能的好坏，取决于加工的难易程度、生产效率、生产成本。3、经济性能质优价廉、寿命高是保证产品具备竞争力的重要条件。必须正确处理技术与经济的关系。所谓经济性选材，不仅指选择最便宜的材料，或是生产成本最低的材料，而是运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，达到最佳的技术经济效益。另外，选材时，不能片面强调材料费用和制造成本。首先还是要保证使用要求。三、零件毛坯选择原则零件制造过程分为毛坯成型和切削加工两个阶段。毛坯成型不仅对后续加工产生很大的影响，而且对零件乃至整个产品的质量、使用性能、生产周期和成本都有影响。因此，正确选择毛坯类型和成型方法具有重要意义。1、毛坯的种类机械零件的毛坯一般包括：铸件、锻件、轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件、粉末冶金和注射成型件等。各种毛坯具有不同的特点。（详见课本表9.1）2、毛坯的成本1）铸件的成本（1）铸件设计：包括材料的选择和结构尺寸的确定。灰铸铁成本最低，铜合金价格高。结构尺寸的影响是通过铸件的工艺体现的，尺寸合理，铸造缺陷少，成本降低。（2）生产方式：根据不同的批量选择合适的铸造方式。2、毛坯的成本1）铸件的成本（3）铸造工艺：工艺不同，工时和模具费用不同。（4）生产管理：实行科学的管理方法，才能明显降低废品率和生产过程中原材料的浪费。2、毛坯的成本2）锻件的成本（1）原材料消耗：原材料消耗在锻造中成本占用最大，从锻件下料到加工成型有一系列材料损失。如：下料损失、烧损、废料及废品。（2）工模具费消耗：模锻中，模具费用在锻件费用成本中仅仅次于材料消耗。约占成本的三分之一。合理设计模具、使用模具、延长使用寿命，可明显降低成本。2、毛坯的成本2）锻件的成本（3）锻造方法和生产率：锻造方法不同，工时和生产率差别很大，设备差别也很大。因此，需要根据不同的批量确定合适的方法。（4）生产管理：实行科学管理，减少浪费。2、毛坯的成本3）冲压件的成本冲压件的成本主要包括材料消耗、加工费、模具费等。提高模具使用率，提高一次成型率，实现自动化。3、毛坯的选择1）满足工艺要求不同的材料，决定了毛坯的成型方式。3、毛坯的选择2）满足零件的使用要求（1）结构形状和尺寸要求对于结构复杂的零件，选择铸件毛坯；对于结构形状较复杂，且抗冲击能力、抗疲劳强度要求高的中小型零件，宜采用模锻件。对于结构复杂且轮廓大的零件，宜选择组合毛坯。3、毛坯的选择2）满足零件的使用要求（2）力学性能要求对于承受冲击和交变载荷的零件，一般选择锻造毛坯，如机床、汽车的传动轴和齿轮等；对于由于其它方面原因，必须采用铸件，但要求零件金相致密、承载能力高的零件，应选择合适的铸造方法，如压力铸造、金属型铸造、离心铸造等方式。3、毛坯的选择2）满足零件的使用要求（3）表面质量要求为了降低生产成本，机械产品一些非配合表面有尽量不加工的趋势，即实现少、无切削加工。为保证这些表面的质量，对于较小尺寸的非铁金属件，宜选择金属型铸造、压力铸造或精密模锻。对于尺寸较小的钢铁件，宜选择熔模铸造或精密模锻。3、毛坯的选择2）满足零件的使用要求（4）其它方面要求对于某些具有特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生产方法来满足这些要求。例如：有耐压要求的零件，要求金相致密，不能有气孔、砂眼等缺陷，宜采用离心铸造（气缸套：铸铁）或型材（液压缸：钢）。对于在自动机床上加工的零件，要求毛坯精度高，宜采用冷拉型材。3、毛坯的选择3）满足降低生产成本的要求（1）生产批量小时的毛坯选择主要考虑模具费用、设备费用。多采用砂型铸造、自由锻、胎模锻、焊接结构件。（2）大批量时的毛坯选择主要考虑材料的利用率，降低废品率。3、毛坯的选择4）符合生产条件（1）在符合条件的情况下，尽量采用比较先进的毛坯生产技术。（2）如果买的比造的便宜，在满足交货期的条件下，尽量去买。四、毛坯的质量检验1、外观检验以肉眼观察为主，或辅助以工具，检查毛坯外观。四、毛坯的质量检验2、无损探伤检验主要用于内在检验。（1）超声波检验：利用高频声波射入毛坯，检测内部或表面缺陷的方式。（2）射线检测：利用电磁波如X射线，穿透一定厚度的金属，检测内部缩孔、气孔、夹杂、裂纹与未焊透等缺陷。（3）磁粉检验：适于铁磁性材料表层或近表面缺陷的检测。零件磁化后，缺陷部位产生露磁磁场，从而显示缺陷。四、毛坯的质量检验3、致密性检验主要用于检测不受压力或受压很低的容器，管道等。（1）气密性实验：向容器内通入远低于其工作压力的压缩空气，检验容器或通道的渗漏情况（2）水压实验：用于检验压力容器，管道和储罐等结构的穿透性缺陷。四、毛坯的质量检验4、化学成分分析鉴定材料成分是否符合规定，并评价材质的优劣。常用方法：光谱分析。四、毛坯的质量检验5、力学性能测试最常见是硬度测试，它能反映材料成分、组织、性能的关系，并能间接反映其它力学性能。且零件检测后不受损伤。其它力学实验都在专门的实验设备上进行，主要用于原材料进厂检验、新材料和新工艺研制、失效分析等。四、毛坯的质量检验6、金相组织实验对毛坯进行组织检验，判断新材料、新工艺的合理性。五、毛坯中常见的缺陷1、铸件常见缺陷（1）缩孔：热加工会产生裂纹，可用射线探伤检验或切片检验；（2）缩松：可用射线探伤检验；（3）气孔：可用射线探伤检验或切片检验；（4）偏析：可用金相法或化学分析检验。五、毛坯中常见的缺陷2、锻件常见缺陷（1）折叠：热金属隆起后被锻入表面而产生的，容易引起应力集中。可直观检查或金相检验；（2）锻造裂纹：分为表面裂纹和内裂纹，可用金相检验；（3）过热和过烧：晶粒粗大，晶界氧化，金相检验；（4）冷成形中的缺陷：细微裂纹，外观检查和金相检验。五、毛坯中常见的缺陷3、焊件常见缺陷（1）气孔：可用射线探伤检测；（2）未焊透：可用射线探伤检测、金相检验；（3）热裂纹：焊缝和焊缝热影响区可能产生，可用磁粉探伤和切口检查；（4）冷裂纹：多见于热影响区，特别是焊道下熔合线附近、焊缝根部，可用射线探伤检测、金相检验；本章思考题1、零件失效的主要形式？2、选择零件材料的原则？3、毛坯选择的原则？4、毛坯检验的方法？5、为什么轴类零件毛坯多选择锻件，而机架类零件多选择铸件？