材料性能及其加工第11章 毛坯选择

第11章毛坯选择本章知识点先导案例第一节确定毛坯类型及成形方法的原则第二节典型零件的毛坯选择知识扩展先导案例解决本章小结思考题本章知识点1．掌握确定毛坯类型及成形方法的原则。2．掌握轴类和盘套类等典型零件的毛坯选择。返回先导案例试分析齿轮为什么多用锻件为毛坯，而带轮、飞轮多用铸件为毛坯。机器中的各种零件，都是按其各自的功能设计，并用选定的材料加工制造而成的。如图11-1所示装置中的轴、齿轮、联轴器、箱体等零件就是如此。它们多数须经制造毛坯、切削加工及热处理等工艺过程，经检验合格后方能装配使用。制造毛坯须先选定毛坯材料，确定毛坯类型和成形方法，再实施具体的加工工艺。毛坯选材及具体加工工艺已在前面讨论过，本章仅讨论毛坯类型及成形方法的有关问题。返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则常用的毛坯类型有四种：铸件、锻件、焊接件和型材。毛坯类型及成形方法与选材有关，材料不同，其工艺性能及毛坯类型和成形方法也不同。例如，灰铸铁材料的毛坯只能是铸造件，然而，零件结构或生产批量变化时，获得毛坯的具体工艺方法也随之改变。因此，确定毛坯类型及成形方法时应考虑以下几个方面。下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则1．满足材料的工艺性能要求零件材料的选择与毛坯的选择关系密切，零件材料的工艺性能直接影响着毛坯生产方法的选择。按加工工艺方法的不同，金属材料可分为铸造合金和压力加工合金两大类。各类材料与毛坯生产方法的关系如表11-1所列。根据表11-1可以粗略地估计各种材料所能适应的毛坯生产方法和各种方法所能适应的材料。例如碳素钢主要适应锻造生产，但有些碳素钢也具有较好的铸造性能。这时就主要在保证满足力学性能要求的前提下，根据材料工艺性能的好坏来作出选择。应当指出，铸铁、铸铝等铸造合金焊接性一般都较差，因此，在采用铸一焊方法生产毛坯时，主要是利用各种铸钢。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则2．满足零件的使用要求机械产品都是由若干零件组成的，保证零件的使用要求是保证产品使用要求的基础。因此，毛坯选择首先必须保证满足零件的使用性能要求。零件的使用要求主要包括零件的工作条件（通常指零件的受力情况、工作环境和接触介质等）对零件结构形状和尺寸的要求，以及对零件性能的要求。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则1）结构形状和尺寸的要求机械零件由于使用功能的不同，其结构形状和尺寸往往差异较大，各种毛坯制造方法对零件结构形状和尺寸的适应能力也不相同，所以选择毛坯时应认真分析零件的结构形状和尺寸特点。选择与之相适应的毛坯制造方法。对于结构形状复杂的中小型零件，为使毛坯形状与零件较为接近，应选择铸件毛坯。为满足结构形状复杂的要求，可根据其他方面的要求选择砂型铸造、金属型铸造或熔模铸造等。对于结构形状很复杂且轮廓尺寸不大的零件，宜选择熔模铸造。对于结构形状较为复杂，且抗冲击能力、抗疲劳强度要求较高的中小型零件，宜选择模锻件毛坯。对于那些结构形状相当复杂且轮廓尺寸又较大的大型零件，宜选择组合毛坯。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则2）力学性能的要求对于力学性能要求较高，特别是工作时要承受冲击和交变载荷的零件，为了提高抗冲击和抗疲劳破坏的能力，一般应选择锻造毛坯，如机床、汽车的传动轴和齿轮等。对于由于其他方面原因需采用铸件，但又要求零件的金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择相应的满足要求的铸造方法，如压力铸造、金属型铸造和离心铸造等。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则3）表面质量的要求为降低生产成本，现代机械产品上的某些非配合表面有尽量不加工的趋势，即实现少量切削加工、无切削加工。为保证这类表面的外观质量，对于尺寸较小的非铁金属件，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，则宜选择熔模铸造（铸钢件）或精密模锻（结构钢件）。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则4）其他方面的要求对于具有某些特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生产方法来满足这些要求。例如某些有耐压要求的套筒零件，要求零件金相组织致密，不能有气孔、砂眼等缺陷。如果零件材料为钢材，则宜选择型材（如液压油缸常采用无缝钢管）；如果零件选材为铸铁，则宜选择离心铸造（如内燃机的气缸套，其材料为QT600—2，毛坯即为离心铸造铸件），对于在自动机床上进行加工的中小型零件，由于要求毛坯精度较高，故宜采用冷拉型材，如微型轴承的内外圈是在自动车床上加工的，其毛坯采用冷拉圆钢。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则3．满足降低生产成本的要求要降低毛坯的生产成本，在选择毛坯时，必须认真分析零件的使用要求及所用材料的价格、结构工艺性、生产批量的大小等各方面情况。首先，应根据零件的选材和使用要求确定毛坯的类别，再根据零件的结构形状、尺寸大小和毛坯生产的结构工艺性及生产批量大小确定具体的制造方法，必要时还可以按有关程序对原设计提出修改意见，以利于降低毛坯生产成本。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则1）生产批量较小时的毛坯选择生产批量较小时，毛坯生产的生产率不是主要问题，材料利用率的矛盾也不是太突出，这时应主要考虑的是减少设备、模具等方面的投资，即使用价格比较便宜的设备和模具，以降低生产成本。例如使用型材、砂型铸件、自锻件、胎模锻件、焊接结构件等作为毛坯。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则2）生产批量较大时的毛坯选择生产批量较大时，提高生产率和材料的利用率，降低废品率，对降低毛坯的单件生产成本将具有明显的经济意义。因此，应采用比较先进的毛坯制造方法来生产毛坯。尽管此时的设备制造价格昂贵、投资费用高，但分摊到单个毛坯上的成本是较低的，并由于工时消耗、材料消耗及后续加工费用的减少和毛坯废品率的降低，从而有效地降低毛坯生产成本。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则4．符合生产条件为兼顾零件的使用要求和生产成本两方面的原则，在选择毛坯时还必须与本企业的具体生产条件相结合。当对外订货的价格低于本企业生产成本，且又能满足交货期要求时，应当向外订货，以降低成本。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则考虑生产条件时，要认真分析以下三方面的情况。（1）当代毛坯生产的先进技术与发展趋势，在不脱离我国国情及本厂实际的前提下，尽量采用比较先进的毛坯生产技术。（2）产品的使用性能和成本方面对毛坯生产的要求。（3）本厂现有毛坯生产能力状况，包括生产设备、技术力量（含工程技术人员和技术工人），厂房等方面的情况。上一页下一页返回第一节确定毛坯类型及成形方法的原则总之，毛坯选择应在保证毛坯质量的前提下，力求选用高效、低成本、制造周期短的毛坯生产方法。首先由设计人员提出毛坯材料和加工后要达到的质量要求。然后，再由工艺人员根据零件图、生产批量或一定时间内的数量，并综合考虑交货期限及可利用的设备、人员和技术水平，选定合适的毛坯制造方法，以便在保证产品质量的前提下，获得最好的经济效益。上一页返回第二节典型零件的毛坯选择1．轴杆类零件的毛坯按承载不同，轴大体上分为芯轴、传动轴和转轴。（1）芯轴，仅承受弯矩、不传递转矩的轴，如自行车轮轴。（2）传动轴，主要传递转矩、不承受或承受很小弯矩的轴，如车床上的光杠。（3）转轴，既承受弯矩、又传递转矩的轴，如机床的主轴、减速器中的齿轮轴等。下一页返回第二节典型零件的毛坯选择上述三类轴，依其承载及功能不同，主要选用中碳调质钢（适于中等载荷或一般要求的轴）、合金结构钢（适于重载、冲击及耐磨要求的轴）等材料。显然，用这些材料制造的轴几乎都是锻坯，并依生产批量不同，采用自由锻或模锻制造。有些异形轴，如曲轴、凸轮轴等，在满足使用要求的情况下，有时也可以用球墨铸铁制造毛坯，大批量生产时，常用机器造型制坯。上一页下一页返回第二节典型零件的毛坯选择有些大型的轴杆类零件的毛坯，如我国自行设计制造的12000t水压机，其空心立柱长18m、直径1m，壁厚0.3m，就是用铸钢件，分六段焊接而成的。有些近似轴类零件的毛坯，往往依其各部分的不同功能而选用不同材料，经焊接而成。例如，汽车发动机的配气阀，分别用4Cr9Si2（阀盖）和45钢（阀杆）焊成，既节省贵重金属，又使结构更趋合理。上一页下一页返回第二节典型零件的毛坯选择2．盘套类零件的毛坯齿轮、带轮、飞轮、联轴器、轴承盖、套环以及一些饼块件（如锻模）等均属盘套类零件，依其功能不同，选用的材料和毛坯也各不相同。下面以齿轮为例说明。齿轮是机器中重要传动件之一。齿轮啮合运转时，轮齿受到弯矩，有时还受冲击作用，齿面受到接触应力和摩擦力的作用等。弯矩、冲击力可能使轮齿折断，接触应力及摩擦力将使齿面发生点蚀、磨损和胶合等破坏。因此，齿轮选材基本要求是，轮齿具有足够的抗弯强度；齿面的硬度和耐磨性足够；对承受冲击的齿轮，要求心部的韧性高。上一页下一页返回第二节典型零件的毛坯选择上述要求因齿轮的工作环境条件的恶化而提高。在野外尘土飞扬的环境中，或在腐蚀性介质中工作的齿轮就是如此。齿轮常用材料是钢和铸铁，有些齿轮也用有色金属或非金属制造。齿轮的形状有整体圆饼状，也有带轮辐或肋板的齿轮。齿轮尺寸从直径几毫米到几米，甚至更大。上一页下一页返回第二节典型零件的毛坯选择综合上述对齿轮的要求，齿轮毛坯及其成形方法大体如下。（1）要求传动精确、结构小巧的仪表齿轮，大量生产时可以用黄铜板料精冲而成，或用铝合金压铸制成。（2）重要机械上的齿轮，例如，切削机床上的主轴箱内的直齿圆柱齿轮，对传动精度、传递功率和结构紧凑性等都有较高的要求，常用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢制造。单件（配件）生产，直径较小者，可直接以圆钢为毛坯，经切削加工制成，如果大量生产可用热轧制坯。机床上的一般齿轮，可以用中碳调质钢，经自由锻或模锻制坯，有些不重要的低速齿轮，可以用灰铸铁，经手工造型或机器造型制得齿坯。上一页下一页返回第二节典型零件的毛坯选择（3）重型机械上的大型齿轮，由于锻造比较困难，可以用中碳铸钢（如ZG270-500）、球墨铸铁，经砂型铸造制坯。处于粉尘环境工作的矿山机械中的大型齿轮，更多的采用铸铁制坯。在铸锻能力受限或单件生产时，也可以将齿轮的各部分分别铸造或锻造，再用焊接将其连成整体，有时对过大的齿形圈则分段加工后镶成。（4）高速、轻载的普通小齿轮，为减小噪声，也可用非金属材料，如尼龙等制造。此外，有些齿轮用粉末冶金，经精密模锻制成。其他盘套类零件的毛坯选择，与齿坯选择原则、步骤基本类似。上一页返回知识拓展机架类零件的毛坯。箱体、机架、机座等均属机架类零件，是机器的基础零件。通过它使机器中的各种零件构成整体，相互间保持正确的位置，彼此协调运转。如图11-2所示为某箱体（气缸体）的外形，结构复杂，常用铸造方法获得毛坯。载荷轻者用灰铸铁制造，载荷重者则用铸钢制造。单件生产、或大型箱体的整铸有困难时，也可用焊接结构。返回先导案例解决因为齿轮在工作时需要承受较大的载荷，要求硬度、强度、耐磨性要好，而带轮、飞轮工作时需要承受的载荷仅为一般，又因为锻件比铸件的力学性能要强，因此，带轮多用锻件为毛坯，而带轮、飞轮多用铸件为毛坯。返回本章小结了解常用的毛坯类型，掌握轴类和盘套类等典型零件的毛坯选择，熟悉确定毛坯类型及成形方法的原则。本章重点是介绍轴类和盘套类等典型零件的毛坯选择，毛坯成形方法的原则是本章的难点，这部分知识是机械加工的必要基础知识。返回思考题（1）毛坯与零件有何区别？合理选择毛坯有何重要意义？（2）毛坯的生产方法有哪些？各有何特点？（3）毛坯选择应遵循的原则是什么？下一页返回思考题（4）请为普通车床上用的4.5kW电动机主要零部件确定毛坯及制造毛坯的方法，并说明理由。①定子；②转子；③机壳；④端盖；⑤轴（5）请为汽车发动机的主要零部件确定毛坯及制造毛坯的方法，并说明理由。①缸体；②缸盖；③活塞；④连杆（6）下列产品分别用括号中的材料制造