第8章 机械零件毛坯的选择

第8章机械零件毛坯的选择毛坯成形方法选择的合理与否直接影响到零件的质量、使用性能、成本和生产率；而零件的材料选定以后，其毛坯成形方法也大致确定了。8.1机械零件毛坯选择的原则前提：既满足零件的使用要求，又使零件在制造过程中具有良好的工艺性和经济性，以利于降低成本和提高生产率所以，毛坯的选择是一个全面分析，认真比较，各方面知识综合应用的过程。适用性原则：全面满足零件的使用要求和相关的特殊要求。一般机械零件，以材料的力学性能为主工艺性原则：使零件的结构、材料与所选择的毛坯成形方法相适应，亦即具有良好的工艺性。经济性原则：尽量降低零件的制造成本，以提高经济效益和产品的市场竞争力。兼顾现有生产条件原则：保证方便、快捷地制出高质量的产品。在满足使用要求的前提下，使制造成本尽可能降低兼顾零件的各项制造成本8.2常用毛坯的选择原则：结合考虑零件的结构，利于简化工艺和满足毛坯的质量要求8.2.1常用毛坯材料的比较1．铸造合金(1)铸铁：应用最多。有良好的耐磨性、减振性和低的缺口敏感性，且价格较低。1）灰铸铁：铸造性能好，但焊接性差，力学性能较差；常用于制造受力较小的零件，尤其是承压件，如机座、箱体和机床床身等。2）球墨铸铁：力学性能较好，铸造性能略低，焊接性差；适于制造受力较大或较复杂以及承受冲击的零件，如内燃机曲轴、连杆、齿轮和轧钢机轧辊等。3）可锻铸铁：力学性能较好，铸造性能及焊接性差，生产周期长；适于制造受力较大或较复杂以及承受冲击的薄壁小件，如壳体、齿轮、摇臂和小轴等。(2)铸钢：综合力学性能远优于铸铁，低碳铸钢还具有良好的焊接性；适于制造承受重载荷、复杂载荷或冲击的零件，如曲拐、齿轮和机架等。(3)铸造非铁合金：常用的有铸造铝合金和铸造铜合金强度一般不太高，除铝硅合金外，其余的铸造性能均较差，焊接性较差，价格较高。一般均具有较好的耐磨性和耐蚀性，还有一定的耐热性，故常用于要求耐热、耐蚀或导热性良好的零件，如内燃机活塞、蜗轮和滑动轴承等。2．塑性成形用金属材料(1)低、中碳钢和低合金结构钢：低碳钢塑性成形性较好，且有良好的焊接性。中碳钢综合力学性能好，热成形时塑性成形性好，但焊接性较差。低碳钢适于制造型材、板材及一般机械零件中碳钢适于制造重要一些的机械零件如曲轴、齿轮和转轴等。(2)高碳钢和合金钢：强度高，塑性差，热成形时变形抗力也较大，锻造温度范围窄，焊接性也差。高碳钢和合金钢常用于制造模具、量具、刃具、弹簧、重要的机器零件和耐磨、耐蚀件等。(3)变形铝合金：强度中等或较低，塑性较好；大多数具有高塑性和低的变形抗力，变形温度较低，塑性成形性好，但焊接性较差。变形铝合金适于制造承受轻载的机械零件和电气元件，如滑动轴承、齿轮、弹簧等。(4)变形铜合金：强度中等，塑性较好；绝大多数塑性高，变形抗力较低，塑性成形性好，但锻造温度范围窄，焊接性较差。变形铜合金适于制造机械零件、仪表零件和电气元件，尤其是耐蚀件和耐磨件，如散热器管和片、蜗轮、轴承和弹簧等。8.2.2常用毛坯成形方法的比较铸造：材料利用率较高。适于制造各种尺寸且形状较复杂尤其是具有复杂内腔的零件锻造：产品力学性能好。适于制造受力较大或较复杂的零件冲压：材料的利用率较高，生产率高，适于制造质轻、壁薄而刚性好的零件及形状较复杂的壳体焊接：材料利用率较高，可达到很高的生产率，适于形状复杂件或大型构件的连接成形，也可用于异种材料的连接和零件的修补粉末冶金：材料利用率和生产率高，制品精度高，适于制造形状较复杂的中、小型零件及有特殊性能要求的材料和零件8.3常用零件的材料和成形方法8.3.1轴杆类零件轻载时：用中碳钢（如35、40、45等）重载时：用中碳合金钢（如40Cr等）并经调质处理。受较大冲击且受摩擦时：用渗氮钢（38CrMoA1等）制造并经渗氮处理。或用渗碳钢（如20CrMnTi、20Cr等）制造并经渗碳、淬火处理。曲轴铸造时：可采用铸钢（如ZG270—500等）或球墨铸铁或球墨铸铁（如QT450—10等）材料成形方法光轴和直径差较小的阶梯轴：直接以圆钢作为毛坯；重要件须锻造制坯。直径差较大的阶梯轴：一般采用锻造制坯异形截面轴和曲轴：采用锻造或铸造制坯8.3.2盘套类零件齿轮：轮齿须有较高的强度和韧性，齿面须有较高的硬度和耐磨性。低速、轻载齿轮用45、50Mn2、40Cr钢，可用圆钢下料，亦可采用自由锻、模锻等方法成形；要求不高时也可采用灰铸铁、球墨铸铁等材料铸造成形。高速、重载齿轮常用18CrMnTi、20CrMo钢制造且齿部经渗碳、淬火处理，也可采用38CrMoAl等渗氮钢制造且齿部经渗氮处理；直径500mm以上的大型齿轮，常采用自由锻、铸造和焊接等成形方法。模具：热锻模常用5CrMnMo、5CrNiMo等合金钢制造并经淬火和中温回火处理。冷冲模常用Cr12、Cr12MoV等合金工具钢制造经淬火和低温回火处理。模具的成形方法通常采用锻造。带轮、飞轮等：一般可采用灰铸铁、球墨铸铁等材料铸造成形，或采用Q215、Q235等低碳钢型材焊接成形。8.3.3箱体、支架类零件结构较为复杂，通常有不规则的外形和内腔，壁厚也不均匀。一般基础件：主要起支承作用，抗拉强度和塑性、韧性要求不高，但应有较好的刚度和减振性，有时还需要有较好的耐磨性。通常采用灰铸铁（如HT150、HT200等）铸造成形受力复杂件：要求有较高的综合力学性能，常选用铸钢（如ZG200—400等）铸造成形，为简化工艺，常采用铸-焊、铸-螺纹连接结构。单件、小批生产时，也可采用型钢焊接结构，以降低制造成本。航空发动机的缸体、缸盖和曲轴箱等,常采用铝合金（如ZL105、ZL105A等）铸造成形。8.3.4机械零件毛坯选择的示例箱体和箱盖：采用灰铸铁铸造成形，也可采用碳素结构钢型材和板料焊接成形齿轮和轴：可选用中碳钢（如45钢），单件小批生产时可采用自由锻、胎模锻等成形，大批生产时可采用模锻成形滚动轴承：是重要的支承件，要求有较高的强度、硬度和耐磨性。内、外套圈采用轴承钢（如GCr15钢），经辗环轧制制成。滚珠也采用轴承钢，经螺旋斜轧制成。保持架采用低碳钢（如08钢）薄板经冲压成形。螺栓和螺母：螺栓与螺母通常采用碳素结构钢（如Q235）经镦锻或挤压成形，螺纹常采用搓丝或攻丝成形。第9章表面工程技术通过物理、化学或机械的方法，使材料及其制品的表面获得所要求的化学成分和组织结构，从而改善和提高材料表面性能的应用科学。可提高金属材料的耐蚀性、抗高温氧化性能、耐磨、减摩、润滑及抗疲劳等性能，延长产品的使用寿命或使制品表面获得特殊功能；可赋予制品表面各种色彩、图案，以改善外观；可修复磨损或腐蚀损坏的零件或加工超差的制品9.1电镀可改善制品的外观，提高材料的力学性能、耐蚀性、耐磨性及获得某些特殊功能装饰性电镀：可分为铜镀层、镍镀层和组合镀层等。组合镀层具有优良的装饰和防护性能防护性电镀：常用的如锌镀层、镉镀层等。锌镀层美观，装饰性好，且具有良好的机械保护和电化学保护性能功能性电镀：耐磨镀层:镀层硬度较高润滑镀层：良好的保油性和磨合性电气特性镀层和光学特性镀层：提高导电性镀铜、银、金提高磁性镀钴磷、镍钴，提高光学性能镀金、银、镍铬等刷镀:特殊的无需浸泡局部逐渐电镀方法(1)刷镀的工艺过程：(2)刷镀的工艺特点及应用：不需镀槽，电流密度高，生产效率高，局部磨损可进行不拆卸修复；镀后一般无需切削加工；镀层厚度范围宽可获得耐磨、耐蚀等特殊功能；对环境污染小。刷镀在零件制造和维修中应用十分广泛，适用于碳钢、铝合金、不锈钢、高熔点合金等零件的局部修复9.2化学镀在经活化处理的基体表面上，镀液中的金属离子被催化还原形成金属镀层的过程1．化学镀镍：镀层为Ni-P或Ni-B等合金；耐蚀性、耐药品性、抗高温氧化性和软钎焊性能好应用于耐磨件、耐蚀件或电子元件、线路板等2．化学镀铜：镀层一般很薄，导电性优良。主要用于非导体材料的金属化处理，如塑料制品表面的金属化和印刷电路板无需外加电源，可形成均匀、致密的镀层，并获得耐蚀、耐磨等特殊性能。但镀液使用寿命短，废水排放量大，易污染环境，且镀覆速度较慢，成本较高。9.3热喷涂将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在零件表面上，形成喷涂层的金属表面加工方法1．电弧喷涂：电弧喷涂温度高，喷速高，涂层与基体结合强度较高，有较高的生产效率和较低的生产成本。常用于钢铁构件的修复、表面强化、防蚀等，特别适用于厚涂层及大面积喷涂2．火焰喷涂：喷涂材料可采用线材或金属粉末，喷涂温度较低，喷速亦较低，故结合强度较低。先进的超音速火焰粉末喷涂的焰流速度高达2000m/s，涂层致密，结合强度高。火焰喷涂可制备金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等涂层，适用于钢铁构件防蚀和表面强化、修复等。3．等离子喷涂:弧温高达10000～20000℃，焰流速度高（可达200m/s），涂层致密，结合强度高。可喷涂金属、陶瓷、碳化物及其混合材料，特别适用于制备热障涂层。9.4表面合金化将一种或几种元素渗入基体金属，改变其表层成分和组织，并提高耐磨、减摩、耐蚀或抗氧化性能的方法1．气相沉积(1)化学气相沉积（CVD）：(2)物理气相沉积（PVD）：包括蒸镀、离子镀、溅射沉积等2．高能射束法（1）离子注入：用于刀具、模具、轴承和齿轮等的表面处理。（2）激光表面合金化：用于汽轮机叶片、发动机缸套和高速刀具等（3）激光熔覆：用于钢、铸铁零件的耐磨、耐蚀覆层，如阀座、排尘风机叶片及工具磨损表面的修复等。9.5化学转化膜金属表层参与化学或电化学反应形成的附着良好的反应产物膜层1．发蓝处理:对零件精度和表面粗糙度无明显影响，广泛用于机械零件、电子元件、仪器零件和兵器等的表面处理。2．磷化处理：可分为厚膜磷化和薄膜磷化。可得到不同成分、厚度、结构和颜色的膜层，工艺简便。广泛用于钢铁零件油漆底层、动配合件、变压器芯片绝缘等3．阳极氧化：膜层薄（几微米～几百微米）而多孔，有良好的吸附能力，复杂形状件难以得到完整膜层。适用于铝合金件的防护、装饰和抗磨损9.6表面工程技术的发展趋势1．计算机技术的应用运用计算机控制的表面处理自动化技术。人工智能技术的应用发展迅速；智能热喷涂和喷焊设备已用于形状复杂的工件，可自动跟踪作业过程，精确控制工艺参数.2．新工艺、新技术的开发和应用高性能合金镀层、组合镀层、非晶态覆层正得到进一步开发。超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等新工艺已用于喷涂陶瓷、难熔金属及碳化物等3．表面工程技术的复合电镀-电泳涂装;渗金属夹嵌陶瓷、沉积钴铬铝铱系合金等工艺;热喷涂与激光熔覆的复合、表面强化与固体润滑层的复合、电镀与渗金属的复合等第10章环境保护10.1环境和环境问题1．环境:指组织运行活动的外部存在，包括空气、水、土地、自然资源、植物、动物、人，以及它们之间的相互关系。2．环境问题:(1)生态资源破坏：人类活动直接作用于自然生态系统使其生产能力显著减少和结构明显改变而引起的环境问题(2)环境污染:有害物质或因子进入环境并在环境中扩散、迁移、转化，使环境系统的结构与功能发生变化，对人类及其它生物的生存和发展产生不利影响的现象。10.2可持续发展与清洁生产10.2.1可持续发展与清洁生产1．生态可持续性发展在不耗竭资源、破坏生态和污染环境的情况下追求发展，保持人类和自然相和谐。2．经济可持续性发展力求降低资源消耗，减少废物，提高效益，实施清洁生产和文明消费。3．社会可持续性发展既要体现当代人在自然资源和物质财富上分配的公平，也要体现当代人与后代人之间的公平；当代人在考虑自己发展的同时，要给后代人的发展留有余地10.2.2清洁生产1．清洁的生产过程原材料的有效使用和替代：降低原料毒性或降低其使用量改革工艺和设备：简化工艺流程、优化工艺参数、开发新工艺和新设备改进操作和加强管理：改进物料贮存方法和加强物料管理、产品改革替代：产品报废的回用和再生、开发无害产品生产系统内部循环利用：将回收的废物分解处理成原料复用于生产流程中等2．清洁的产品(1)原料的选取：应少用短缺的原材料，多用废物或再循环物料；尽量少用或不用有毒的原料；(2)生产制造：减少加工工序，简化工艺流程；