第11章机械零件的毛坯及材料的选用

第11章机械零件的毛坯及材料的选用11.1.1零件毛坯选择的基本原则11.2零件材料的选用11.1零件毛坯的选择常用毛坯生产方法的比较11.1.2零件的失效分析11.2.1选材的原则、方法和步骤11.2.2典型零件的选材11.2.311.1.3典型零件的毛坯选择1211.1.1第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1零件毛坯的选择零件毛坯选择的基本原则11.1零件毛坯的选择1.使用性能原则2.工艺性能原则3.经济性原则1.使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求对于结构形状复杂的中小型零件，应选择铸件毛坯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3第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.1零件毛坯选择的基本原则1.使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求（2）力学性能的要求在工作中承受冲击和交变载荷的零件，一般应选择锻造毛坯对于必须采用铸件，而又要求金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择压力铸造、金属型铸造和离心铸造等（3）表面质量的要求对于表面外观质量要求较高、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，则宜选择熔模铸造或精密模锻（4）其它方面的要求对于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其要求4第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.1零件毛坯选择的基本原则1.使用性能原则2.工艺性能原则材料的工艺性能是指毛坯满足各种加工工艺要求的能力，毛坯的工艺性能与其材料和结构特征有关对于铸件，在金属材料中，铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸钢。而灰铸铁铸造性能最好。对于锻件，低碳钢的锻造性能最好，中碳钢次之，高碳钢较差；低合金钢的锻造性能接近于中碳钢，高合金钢较差；铝合金锻造性能不是很好，而铜合金的锻造性能很好。对于焊接件，低碳钢及碳当量＜0.4%的合金钢具有较好的焊接性；含碳量＞0.4%及碳当量＞0.4%的合金钢焊接性能较差；铜合金和铝合金的焊接性能一般比碳钢差。若材料在成型后还需要进行切削加工，则必须考虑材料的切削加工性能。在金属材料中，铝合金和镁合金的切削加工性最好，其次为易切削钢和中碳钢，而奥氏体不锈钢、高速钢和耐热合金钢最差。（2）毛坯的结构特征3.经济性原则（1）生产批量较小时主要考虑的问题是减少设备、模具等方面的投资，以降低生产成本（2）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具有明显的经济意义5第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1零件毛坯选择的基本原则（1）毛坯的材料形状复杂件，特别是有复杂内腔的毛坯，只能用铸造的方法获得。圆饼、方块、套环、齿轮等形状简单的零件，可以采用自由锻工艺；外形较为复杂，并且表面质量要求较高时，则要采用胎膜锻或模锻完成。常用毛坯生产方法的比较11.1.2毛坯生产方法主要有铸造、锻造、焊接、冲压等6第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.2常用毛坯生产方法的比较1.铸造设备比较简单，原材料价格低廉，适应范围非常广泛铸造是生产毛坯的主要工艺方法主要优点2.锻造能够获得力学性能优异的产品主要优点表11-2对常用的几种锻造方法进行了比较3.焊接主要优点（1）节约材料；（2）能划大为小，以小拼大；（3）可以制造多层金属的结构；（4）焊缝具有良好的力学性能、密封性、导电性、耐腐蚀性和耐磨性等4.冲压7第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.2常用毛坯生产方法的比较表11-1对常用的几种铸造方法进行了比较对于一些形状复杂的薄壁零件，用铸造或锻造的方法难以成形时，我们可以选择冲压的方法获得。采用冲压方法加工的材料大多是在冷态下变形，产品一般质量较高，无须再进行切削加工便可以投入使用。典型零件的毛坯选择11.1.38第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择1.常用零件的毛坯种类按成形方法分类有：铸造毛坯（铸件）锻造毛坯（锻件）焊接复合毛坯（焊接件）冲压毛坯（冲压件）轧制毛坯（型材）其制造方法、基本特征和应用范围见表11-3。9第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择2.毛坯选择举例（1）齿轮类零件工作条件材料要求结构特点承受较大的接触应力、弯曲应力、齿面摩擦力和冲击力具有足够的强度、硬度和一定的韧性轴向尺寸一般小于径向尺寸通常选用锻件作为毛坯10第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择仪器仪表中的齿轮则可采用压力铸造或冲压方式成形，当受力不大时，其材料可以用铜合金，甚至用工程塑料注射成形。11第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择直径在100mm以下的小齿轮也可以用圆钢作为坯料，经自由锻或胎膜锻制造锻件毛坯；直径在500mm以上的大型齿轮，由于锻造比较困难，可采用铸钢或球墨铸铁为毛坯；在单件生产的条件下，也可以采用焊接的方式制造大型齿轮的毛坯在低速运转且受力不大或者在多粉尘的环境下开式运转的齿轮，也可以采用灰铸铁为毛坯；（2）轴类零件工作条件材料要求结构特点轴向尺寸一般远大于径向尺寸承受交变弯曲及扭转载荷的作用，轴颈处有强烈的摩擦，有时还要承受过载或冲击载荷具有较高的强度、疲劳强度、塑性、韧性及耐磨性最常用的毛坯是型材和锻件12第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择对于某些大型的、结构形状复杂的轴可用铸件或焊接结构件；对干光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴，常用型材作为毛坯；对于直径相差较大的阶梯轴或要承受冲击载荷和交变应力的重要轴，均采用锻件作为毛坯；当生产批量较小时，应采用自由锻件；当生产批量较大时，应采用模锻件对于结构形状复杂的大型轴类零件，其毛坯可采用砂型铸造件、焊接结构件或铸一焊结构毛坯。13第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择（3）箱体类零件工作条件材料要求结构特点承受其中零件的重量及它们之间作用力具有较好的刚性、减振性和耐磨性形状不规则，结构比较复杂一般采用灰铸铁铸造成形14第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择个别特大型的机身还可以采用铸—焊或锻—焊组合结构；对于载荷较大，承受冲击力的箱体，常采用碳铸钢件或合金铸钢件作毛坯；对受力很小，要求自重轻的箱体，还可以采用工程塑料来制作。单件小批生产的结构简单的大体积箱体，有时为了缩短生产周期，可以采用焊接件作毛坯；对于受力不大，要求自重轻或是要求导热良好的箱体，可以采用铸造铝合金制作毛坯；15第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择零件的失效分析11.2.116第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2零件材料的选用11.2零件材料的选用1.失效的概念机械零件的失效指零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功能的现象（1）完全破坏，不能继续工作（2）严重损伤，继续工作很不安全（3）虽能安全工作，但已经不能满意地起到设计的作用当零件出现下列情况中任何一种时，我们便认为零件已经失效17第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.1零件的失效分析2.零件失效的形式（1）变形失效①过量弹性变形失效②塑性变形失效③蠕变变形失效（2）断裂失效①韧性断裂失效②脆性断裂失效③疲劳断裂失效（3）表面损伤失效①磨损失效②腐蚀失效③表面疲劳失效18第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.1零件的失效分析3.零件失效的原因（1）设计因素（2）材料因素（3）加工工艺因素（4）安装使用因素19第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.1零件的失效分析零件的整体结构设计不合理，薄弱区域未得到有效的加强，造成零件在工作中承载能力不足。另外，对零件的实际工作条件（零件工作时所处的温度及介质等环境的变化等）估计不足，使得零件在工作中安全系数较低，抗过载能力过低。零件设计中选材不当或选用的材料质量差，内部含有气孔、杂质元素、夹杂物或不良组织等各种冶金、铸造缺陷，使得零件达不到应有的性能指标。如零件在机械加工过程中，表面粗糙度值过大、刀痕纹路较深或磨削时产生较高的残余应力或裂纹；热处理的氧化和脱碳、变形和开裂、回火不足等；铸件中气孔、疏松、夹杂甚至裂纹；锻造或轧制过程中产生的过热、过烧等。安装不良，操作失误、过载使用、维修不当等选材的原则、方法和步骤11.2.220第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤1.选材的原则（1）使用性能原则使用性能零件在使用状态下应该具有的力学性能、物理性能和化学性能使用性能的要求是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出来的工作条件受力状况环境状况特殊要求几种常用零件的工作条件、失效形式和要求的主要力学性能指标见表11-421第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤主要是载荷的类型（动载、静载、循环载荷或单调载荷等）和大小、载荷的形式（拉伸、压缩、弯曲或扭转等）和载荷的特点（均布载荷或集中载荷等）。主要是温度特性（低温、常温、高温或变温等）介质情况和是否有摩擦等。主要是对导电性、磁性、热膨胀、密度和外观等的要求要分析手册中的性能指标是在什么加工、处理条件下得到的确定了具体力学性能指标的数值后，即可利用手册选材。必须注意的是：必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，并进行适当的修正。在尺寸和处理条件相同的情况下，手册的数据是偏安全的。必要时可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检查硬度。22第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤（2）工艺性能原则工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力表11-5对常用的高分子材料主要成型工艺进行了比较。高分子材料陶瓷材料几种成型工艺的比较见表11-6金属材料23第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，但不能承受锻造，焊接性能也比较差；低碳钢的锻造性能和焊接性能都很好；高碳钢的焊接性能很差，适合用于制造刀具、量具等。材料的热处理工艺性能包括淬透性、淬硬性和回火稳定性等。（3）经济性原则24第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤零件总成本包括材料本身价格、加工费、设备和工艺装备的折旧费、管理费、运输费、安装费和国家资源等。碳钢、铸铁价格较低，加工方便低合金高强度结构钢价格低于合金钢有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高尽量使用简单设备、减少加工工序数量、采用少切削或无切削加工等措施，以降低加工费用。加工过程复杂的零件和使用周期长的工模具，采用价格较高的合金钢或硬质合金代替碳钢所用材料应该顾及我国的资源状况2.选材的方法和步骤（1）选材的方法应根据零件的工作条件，找出最主要的性能要求，作为选材的主要依据①以综合力学性能为主时的选材②以磨损为主时的选材③以疲劳强度为主时的选材④以抗蚀性为主的选材⑤以热强度为主的选材25第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤26第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤①以综合力学性能为主时的选材对于一般的机器零件，通常采用调质或正火处理后的中碳钢、球墨铸铁或淬火、低温回火处理后的低碳钢等制造。对于受力复杂、工作条件苛刻的零件，例如起落架、涡轮轴、机翼大梁等，可以选用强度较高的合金调质钢和超高强度钢制造，以保证在整个大截面上具有均匀的综合性能。当对于受力较小并要求有较高的比强度和比刚度时，要选择铝合金、镁合金、钛合金或工程塑料与复合材料等制造。②以磨损为主时的选材☆对于受力较小的摩擦比较严重的零件，例如各种量具、转套、刀具和冷冲模等，其材料的基本要求是高耐磨性和高硬度。在应力较低的情况下，材料的硬度越高，其耐磨性也就越好。当材料的硬度相同时，组织中分布的碳化物数量越多，弥散度越大，其耐磨性越好。所以一般用淬火及低温回火处理后的过共析钢、高碳合金钢制造。