第12章 机械零件材料及成形工艺的选用

第12章机械零件材料及成形工艺的选用12.1工程材料及成形选用的基本原则12.2具体成形方法及改性工艺的选用12.3典型零件的材料及成形工艺选择思考题12.1工程材料及成形工艺选用的基本原则对于性能的使用，一般是在分析零件的工作条件基础上以及失效分析的基础上提出。零件的工作条件包括三个方面：①受力状况②环境状况③特殊要求。如下表，受力状况，环境条件与材料的选用举例：零件举例受力及环境材料与工艺模具高硬、耐磨工具钢、轴承钢化工机械腐蚀介质不锈钢、非不锈钢+表面处理拖拉机减速齿轮、内燃机曲轴负荷轻、耐磨球墨铸铁汽车转动齿轮抗弯、高冲击、耐磨渗碳钢、渗碳一般传动轴强韧性调质钢，高频表面淬火12.1.1使用性能足够的原则（首要原则）12.1.2工艺性能良好的原则工艺性能最优条件材料性能从优劣排列铸造性熔点低，共晶成分铸铁、黄铜、铝合金、青铜、铸钢锻造性Fcc的金属，第二组元少的合金低、中、高碳钢，高合金钢、黄铜、青铜、铝合金焊接性ωCE0.4%碳钢及低合金结构钢，防锈铝、青铜、硬铝切削性140~248HB不锈钢、30钢、45钢、铸铁、T8钢、65Mn热处理性淬火变形小，回火脆性小，淬透性高低碳钢、低合金钢、高碳钢、含锰钢、铝合金如下表列出几种技术材料各种工艺性能的比较:12.1.3经济性合理的原则基本材料的成本（价格、利用率）：占总成本的30~70%制造（加工）成本：约占零件成本的30%加工成本=工具与设备费用+每件产品成本×生产批量材料美元/t材料美元/t铂26,000,000工业金刚石900,000,000金19,100,000硼―环氧树脂复合材料330,000钨26,000碳纤维复材料200,000钛合金10,190～12,720玻璃纤维复合材料2400～3300黄铜（型材）1650～2336尼龙663289铝合金（型材）2000～2440环氧树脂1650低碳钢（型材）440～480天然橡胶1430铸铁260氧化铝1100-1760硬质合金66,000玻璃1500以上是国际市场上主要材料的价格，同学们从中可以获得一些价格的基本概念12.2具体成形方法及改性工艺的选用特点铸件锻件冲压件焊接件对材料性能要求流动性好收缩率低塑性好变形抗力小同锻件强度高塑性好常用材料灰铁、球铁、中碳钢中碳钢及合金结构钢低碳钢及有色金属薄板低碳钢低合金钢力学性能灰铁性能差球铁铸钢好比相同成分的铸钢件好强硬度提高结构刚度好接头的性能可达到或接近母材材料利用率高低较高较高生产周期长自由锻短模锻长长较短生产成本较低较高批量越大成本越低较高12.3典型零件的材料及成形工艺选择12.3.1轴类零件的选拔⑴工作条件：轴的功能：支承旋转零件、传递动力或运动。负荷特点：转轴—弯曲与扭转的复合作用，如减速器的轴、机床主轴。心轴—只承受弯矩，如铁路车辆的轮轴。传动轴—扭转应力作用，如汽车的驱动轴。轴颈—较大摩擦；此外，轴大部受交变应力及一定的过载或冲击作用。主要失效形式：疲劳断裂；轴颈或花键处过度磨损；过量变形等。⑵性能要求:①良好的综合力学性能（强度和塑性、韧性良好配合），以防止断裂;②高的疲劳强度;③轴颈、花键等处较高硬度与耐磨性。(3)选材轻载、低速的一般轴（心轴、拉杆、螺栓等）：Q235～Q275，不热处理。中等载荷，一般精度轴（曲轴、机床主轴等）：35～50钢，热处理。重载、高精度或恶劣条件轴（汽车、拖拉机轴，压力机曲线等），合金钢：40Cr、40MnB、30CrMnSi、35CrMo、40CrNiMo；20Cr、20CrMnTi（渗碳）；38CrMoAl（氮化）；9Mn2V、GCr15等，采用相应的热处理。选用45，40Cr钢配合相应的热处理工艺。热处理技术条件：整体调质220～250HBS；轴颈、锥孔表面淬火52～58HRC4.轴类零件加工工艺路线—以C620车床主轴为例其受交变弯曲和扭转的复合应力，但载荷和转速不高，冲击载荷不大，所以一般水平的综合力学性能就可，局部配合表面要求较高的硬度和耐磨性。故选用45钢，锻造成形。C620机床主轴简图如下：该工艺路线中几个重要环节介绍:正火：预先热处理。消除锻造后的组织缺陷及残余应力；降低硬度，以利于切削加工；若退火会硬度太低。淬火+高温回火（调质）：获得S回火，具有较高的综合力学性能。高频感应淬火：提高硬度获得较好的耐磨性。低温回火：消除淬火应力。C620机床主轴工艺路线：原材料--锻造--正火--粗加工--淬火--高温回火大端局部高频感应淬火--低温回火--精磨加工常见机床主轴的工作条件、用材及热处理情况（下表）（2）内燃机曲轴选材内燃机曲轴选材原则主要根据内燃机的类型、功率大小、转速高低和相应轴承材料等项条件而定，同时也需考虑加工条件、生产批量和热处理工艺及制造成本。由于在滚动轴承中工作，要求轴颈部有较高的硬度和耐磨性。通常可选用QT700—2，其工艺路线如下：铸造----高温正火----高温回火----切削加工----轮颈气体渗氮12.3.2齿轮类零件⑴工作条件:齿轮功能：传递动力、改变运动速度和运动方向。负荷特点：齿轮交变弯曲应力，一定冲击载荷，齿面很大接触应力及强烈摩擦。失效形式：断齿、齿面剥落及过度磨损。⑵性能要求:①高接触疲劳强度、高表面硬度和耐磨性。②高抗弯强度、适当心部强度和韧性。③良好切削加工性和热处理工艺性。(3)选材1)低应力、低冲击载荷条件下工作的齿轮，HT250、HT350、QT600–3制造，铸造成形，如汽车发动机上的凸轮、齿轮。2)传递功率大、接触应力大、运转速度高而又受较大冲击载荷的齿轮，用20Cr、20CrMnTi锻造成形,经渗碳+淬火+低温回火获得，如精密机床的主轴传动齿轮和汽车上的变速齿轮3)小功率的齿轮，选45、40Cr锻造成形，经调质后进行高频淬火+低温回火处理,如机床的变速齿轮。(3)选材a钢制齿轮:轻载、低中速，冲击力小，精度低齿轮：碳钢（Q255、Q275、45、50Mn等），正火或调质成软面齿轮。如减速箱齿轮等。中载、中速、中等冲击、运动平稳齿轮：中碳（合金）钢（45、40Cr、42SiMn、55Tid等）。感应淬火回火硬齿面（50～55HRC）。如机床齿轮。重载、中高速、大冲击载荷齿轮：低碳（合金）钢（20Cr、20MnB、20CrMnTi）渗碳（碳氮共渗）及淬火低温回火，齿面58～63HRC。如汽车、拖拉机变速齿轮和后桥齿轮。精密传动齿轮或硬面内齿轮，要求热处理变形小：38CrMoAl、35CrMo等。调质及气体氮化。如非重载、工作平稳的精密齿轮。b铸钢齿轮：大尺寸(≥400mm)、形状复杂、受冲击的齿轮，退火或正火状态使用(耐磨性要求高者采用表面淬火)。c铸铁齿轮：灰铸铁，用于轻载、低速、不受冲击的齿轮。d有色金属齿轮：铜合金、铝合金，用于有腐蚀介质的轻载齿轮，如仪表齿轮等，另特殊用途，如为减摩，用锡青铜作蜗轮。e工程塑料齿轮：尼龙等。轻、摩擦系数小、减振减噪。用于轻载、无润滑的小型齿轮（仪表、小型机械）。（4）齿轮加工工艺路线及选材实例a机床齿轮负荷特点：运转平稳、负荷不大，条件较好。材料：45钢。热处理技术条件：正火(160～217HBS)；表面高频淬火、回火(50～55HRC)。工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→高频淬火、回火→精磨。⑵汽车、拖拉机齿轮•负荷特点：承载、磨损及冲击负荷较大，工作条件比较繁重。•材料：20CrMnTi。•热处理技术条件：渗碳层深0.8～1.3mm，表层Wc为0.8%～1.05%，齿面58～62HRC。心部33～45HRC。•工艺路线：锻造→正火→粗加工、半精加工→渗碳淬火、低温回火→喷丸→磨削→装配。12.3.3.机架、箱体类零件选材3.少数重型机械，如轧钢机、大型锻压机械的机身，可选用中碳铸钢件或合金铸钢件，个别特大型的还可采用铸钢—焊接联合结构。1.受力不大，且主要是承受静力，不受冲击的零件，如机身、底座等，选用灰铸铁HT150，HT200。一般进行去应力退火2.受力较大、要求高强度、高韧性，甚至在高温下工作的零件，如汽轮机机壳，应选用铸钢ZG200-400。应完全退火或扩散退火思考题：12.1某机床齿轮选用45钢支座，其加工路线如下：下料—锻造—预备热处理—粗加工—调质—精加工—高频表面淬火—低温回火—精磨。问：①预备热处理应选择何种具体工艺？②说明热处理工艺在加工工艺流程中的作用？③为什么不能采用渗碳淬火+低温回火工艺12.2下列零件选用何种材料，采用什么成型方法制造毛培比较合理：①形状复杂要求减振的大型机座；②大批量声场的重载中，小型齿轮；③薄壁杯状的低碳钢零件；四形状复杂的铝合金构件。