典型零件的选材及加工工艺路线分析概要

第九章典型零件选材及加工工艺路线选材的一般原则与方法典型零件(齿轮类、轴类、弹簧类、叶片类）的选材第一节选材的一般原则与方法一、选材的一般原则1．对材料力学性能的考虑从零件工作条件中找出对材料力学性能的要求。将零件的工作条件分为受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面。受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击、交变等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。必须研究零件的失效方式，找出对零件失效起主导作用的力学性能指标。2．对材料工艺性能的考虑材料本身工艺性能的好坏将直接影确零件的质量、生产效率和成本。工艺性能中最突出的是可切削性和热处理工艺性(包括淬透性、变形规律、氧化脱碳倾向等)。在大量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。3．对材料经济性的考虑经济性涉及到材料成本的高低，供应是否充分，加工工艺过程是否复杂、成品率的高低以及同一产品中使用金属或钢材型号的多少等。选用一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不选用合金钢。对只要求表面性能高的零件，可选用廉价钢种，然后进行表面强化处理。另外，应当以综合效益来评价材料的经济性高低。4．对产品“轻型化、高寿命”的考虑从商品的销售和用户的愿望考虑，产品还应当具有重量轻、美观、经久耐用等特点。尽量采用先进科学技术成果，做到在结构设计方面有创新，有特色。在材料制造工艺和强化工艺上有改革、有先进性。5．对实现现代生产组织可能性的考虑一个产品或一个零件的制造，是采用手工操作还是机器操作；是采用单件生产还是采用机械化自动流水作业，对产品的成本和质量也起着重要作用。在选材时，应考虑到所选材料能满足实现现代化生产的可能性。二、选材的一般方法与过程1.对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要损坏形式，从而恰当地提出主要抗力指标。2.根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的技术条件。3.材料的预选择根据所提出的技术条件要求和工艺性、经济性方面的考虑，对材料进行预选择。可以通过与相类似机器零件的比较和已有的实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来进行选择。4.对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。5.材料的二次(或最终)选择，可以是若干种方案。6.通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验最终确定合理选材方案。7.最后在中、小批量生产基础上，检验选材的合理性。几种机械零件主要损坏形式和主要抗力指标零件名称工作条件主要损坏形式主要抗力指标重要螺栓拉应力或交变应力冲击载荷拉断（过量塑性变形）；疲劳断裂σ0.2，σ-1P，HB重要传动齿轮交变弯曲应力；交变接触应力；冲击载荷；齿表面摩擦与磨损齿的折断；过渡磨损；疲劳麻点σ-1，σbb，HRC，接触疲劳强度曲轴、轴类交变弯曲应力；扭转应力；冲击负荷；磨损疲劳破坏造成断裂；过渡磨损σ0.2，σ-1，HRC滚动轴承点或线接触下的交变应力磨损过渡磨损破坏；疲劳破坏造成的断裂σe，σbc，σ-1，HRC弹簧交变应力冲击、振动弹力丧失；疲劳破坏引起断裂σe,σs/σb,σ-1pσ-1P—抗压或对称拉伸疲劳强度；σ-1—光滑试样对称歪曲疲劳强度；σbb—抗弯强度；σbc—抗压强度；σ0.2—条件屈服强度；σe—弹性极限；σs—屈服强度；σb—抗拉强度第二节典型零件选材及工艺路线分析一、齿轮一）齿轮的工作条件、失效方式及性能要求1、工作条件和失效方式主要起传递扭矩、变速或改变传力方向的作用。工作条件：1)传递扭矩时齿根部承受较大的交变弯曲应力；2)齿啮合时齿面承受较大接触应力并受强烈摩擦和磨损；3)换档、启动、制动或啮合不均匀时承受一定冲击力。失效方式：齿的折断(包括疲劳断裂和冲击过载断裂)和齿面损伤(包括接触疲劳麻点剥落和过度磨损)。2、性能要求1)高弯曲疲劳强度，防止轮齿疲劳断裂；2)足够高的齿心强度和韧性，防止轮齿过载断裂；3)足够高的齿面接触疲劳强度和高硬度及耐磨性，防止齿面损伤；4)较好工艺性能，如切削加工性好，热处理变形小或变形有一定规律，过热倾向小，有一定淬透性等。二）选材及热处理1、机床齿轮工作平稳无强烈冲击，负荷不大，转速中等，对齿轮心部强度和韧性要求不高，一般选用40或45钢，经正火或调质处理后再进行高频感应加热表面淬火，齿面硬度达52HRC左右，齿心硬度为220~250HBS。对于一部分性能要求较高的齿轮，可用中碳低合金钢(如40Cr、40MnB、45Mn2等)。2、汽车、拖拉机齿轮工作条件比机床齿轮恶劣，受力较大，超载与启动、制动和变速时受冲击频繁，对耐磨性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、心部强度和韧性等性能要求较高，选用合金渗碳钢(20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB)较为适宜。经正火处理后再进行渗碳、淬火+低温回火，表面硬度达58~62HRC，心部硬度为35~45HRC。二、轴一）轴的工作条件、失效方式及性能要求1、工作条件和失效方式主要起支承传动零件并传递扭矩的作用。工作条件：1)承受交变扭转载荷、交变弯曲载荷或拉-压载荷；2)局部(轴颈、花键等处)承受摩擦和磨损；3)特殊条件下受温度或介质作用。失效方式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，有时也发生冲击过载断裂，个别情况下发生塑性变形或腐蚀失效。2、性能要求1）高疲劳强度，防止轴疲劳断裂；2）优良综合力学性能，即较高的屈服强度和抗拉强度、较高的韧性，防止塑性变形及过载或冲击载荷作用下的折断和扭转；3）局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨损失效；4）在特殊条件下工作的轴的材料应具有特殊性能，如蠕变抗力、耐腐蚀性等。二）轴的选材1、机床主轴承受中等扭转-弯曲复合载荷，转速中等并承受一定冲击载荷。大多选用45钢制造，经调质后轴颈及锥孔处再进行表面淬火。载荷较大时选用40Cr钢制造。归于有些机床主轴如万能铣床主轴，也可用球墨铸铁代替45钢来制造。对于要求高精度、高尺寸稳定性及耐磨性的主轴如镗床主轴，往往用38CrMoAlA钢制造，经调质后再进行渗碳处理。2、内燃机主轴受汽缸中周期性变化的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力及扭转振动和冲击力作用。通常低速内燃机曲柄选用正火态45钢或球墨铸铁；中速内燃机曲柄选用调质态45钢或球墨铸铁、调质态中碳低合金钢40Cr、45Mn2、50Mn2等；高速内燃机曲轴选用高强度合金钢35CrMo、42CrMo、18CrNi4WA等。3、汽轮机主轴尺寸大，工作负荷大，受弯矩、扭矩及离心力和温度的联合作用，工作条件恶劣。失效方式主要是蠕变变形和由内部缺陷引起的低应力脆断和应力腐蚀断裂。除要求材料有较高强度及足够塑性和韧性外，还要求锻件中不出现较大夹杂物、白点及焊接裂纹；对于在500℃以上工作的主轴还要求一定高温强度。对于450℃以下工作的主轴，若汽轮机功率小(12000kW)，主轴尺寸较小，可选用45钢；若汽轮机功率较大(12000kW)，主轴尺寸较大，可选用35CrMo钢，以提高淬透性。对于500℃以上工作的主轴，选用合金结构钢，一般高中压主轴选用25CrMoVA或27Cr2MoVA钢，低压主轴选用15CrMoV或17CrMoV钢。对于燃气轮机主轴，要求材料有更高的高温强度，一般选用合金结构钢20Cr3MoWV(540)、铁基高温合金Cr14Ni26MoTi(GH2132)(650℃)和Cr14Ni35MoWTiAl(GH2135)(680℃)。三、汽轮机叶片一）工作条件、失效方式及性能要求1、工作条件和失效方式叶片是汽轮机的“心脏”，直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。工作条件：1）受蒸汽和燃气弯矩的作用；2）受中、高压过热蒸汽的冲刷或湿蒸汽的电化学腐蚀或高温燃气的氧化和腐蚀；3）受湿蒸汽中的水滴或燃气中杂质的磨损；4）由于外界干扰力的频率和叶片的自振频率相等而产生的共振力作用。失效方式：蠕变变形、断裂(包括振动疲劳、应力腐蚀、蠕变疲劳及热疲劳)和表面损伤(包括氧化、电化学腐蚀和磨损)。2、性能要求1）高室温强度、塑性和韧性及高温强度；2）化学稳定性好；3）导热性好，热膨胀系数小，抗热疲劳断裂；4）耐磨性好，抗冲击磨损和机械磨损；5）减振性好，抗共振疲劳断裂；6）由于叶片数量多、成形工艺复杂，要求材料具有良好冷、热加工性能。二）选材及热处理对于中、低压汽轮机，叶片工作温度不高(500℃)，失效方式主要是共振疲劳断裂和应力腐蚀断裂，应选用减振性好的1Cr13和2Cr13马氏体不锈钢。对于高压汽轮机，叶片工作温度在500℃以上，蠕变抗力成为决定因素，应选用奥氏体耐热钢1Cr18Ni9Ti。对于燃气轮机叶片，因工作温度更高，失效方式为蠕变变形、蠕变断裂和蠕变疲劳或热疲劳断裂,对材料热强性要求更高。当工作温度低于650℃时选用奥氏体耐热钢1Cr17Ni13W、1Cr14Ni18W2NbBRE；在700～750℃时，选用铁基高温合金Cr14Ni40MoWTiAl(GH2135)；在750～950℃时，选用镍基高温合金Ni80Cr20(GH3030)。汽轮机后级叶片工艺路线：下料→模锻→退火→机械加工→调质→热整形→去应力退火→机械加工叶片根→镀硬铬→抛光→磁粉探伤→成品