毛坯成型方法选择

第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社目录第7章零件的毛坯选择7.1毛坯选择的原则7.2常用毛坯成形方法的比较7.3常用零件的成形方法7.3.1轴杆类零件7.3.2盘套类零件7.3.3机架、箱体类零件7.4毛坯成形方法选择实例7.4.1V带轮零件成形方法的选择7.4.2单级齿轮减速器组件成形方法的选择第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社第7章零件的毛坯选择1材料的成形过程是机械制造的重要工艺过程。机器制造中，大部分零件是先通过铸造成形、锻压成形、焊接成形或非金属材料成形方法制得毛坯，再经过切削加工制成的。毛坯的选择对机械制造质量、成本、使用性能和产品形象有重要的影响，是机械设计和制造中的关键环节之一。通常，零件的材料一旦确定，其毛坯成形方法也大致确定了。例如，零件采用ZL202、HT200、QT600-2等，显然其毛坯应选用铸造成形；齿轮零件采用45钢、LD7等常采用锻压成形；零件采用Q235、08钢等板、带材，则一般选用切割、冲压或焊接成形；零件采用塑料，则选用合适的塑料成形方法；反之，在选择毛坯成形方法时，除了考虑零件结构工艺性之外，还要考虑材料的工艺性能能否符合要求。7.1毛坯选择的原则1.工艺性原则零件的使用要求决定了毛坯的形状特点，各种不同的使用要求和形状特点，形成了相应的毛坯成形工艺要求。零件的使用要求具体体现在对其形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等外部质量和对其化学成分、金属组织、力学性能、物理性能和化学性能等内部质量的要求上。对于不同零件的使用要求，必须考虑零件材料的工艺特性（如铸造性能、锻造性能、焊接性能等）来确定采用何种毛坯成形方法。第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社2.适应性原则2例如，不能采用锻压成形的方法和避免采用焊接成形的方法来制造灰铸铁零件；避免采用铸造成形方法制造流动性较差的薄壁毛坯；不能采用普通压力铸造的方法成形致密度要求较高或铸后需热处理的毛坯；不能采用锤上模锻的方法锻造铜合金等再结晶速度较低的材料；不能用埋弧自动焊焊接仰焊位置的焊缝；不能采用电阻焊方法焊接铜合金构件；不能采用电渣焊焊接薄壁构件，等。选择毛坯成形方法的同时，也要兼顾后续机加工的可加工性。如对于切削加工余量较大的毛坯就不能采用普通压力铸造成形，否则将暴露铸件表皮下的孔洞；对于需要切削加工的毛坯尽量避免采用高牌号珠光体球墨铸铁和簿壁灰铸铁，否则难以切削加工。一些结构复杂，难以采用单种成形方法成形的毛坯，既要考虑各种成形方案结合的可能性，也需考虑这些结合是否会影响机械加工的可加工性。在毛坯成形方案的选择中，还要考虑适应性原则。既根据零件的结构形状、外形尺寸和工作条件要求，选择适应的毛坯方案。例如，对于阶梯轴类零件，当各台阶直径相差不大时，可用棒料；若相差较大，则宜采用锻造毛坯。形状复杂和薄壁的毛坯，一般不应采用金属型铸造；尺寸较大的毛坯，通常不采用模锻、压力铸造和熔模铸造，多数采用自由锻、砂型铸造和焊接等方法制坯。第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社3.生产条件兼顾原则3零件的工作条件不同，选择的毛坯类型也不同。如机床主轴和手柄都是轴类零件，但主轴是机床的关键零件，尺寸形状和加工精度要求很高，受力复杂且在长期使用过程中只允许发生很微小的变形，因此要选用具有良好综合力学性能的45钢或40Cr，经锻造制坯及严格切削加工和热处理制成；而机床手柄则采用低碳钢圆棒料或普通灰铸铁件为毛坯，经简单的切削加工即可完成，不需要热处理。再如内燃机曲轴在工作过程中承受很大的拉伸、弯曲和扭转应力，应具有良好的综合力学性能，故高速大功率内燃机曲轴一般采用强度和韧性较好的合金结构钢锻造成形，功率较小时可采用球墨铸铁铸造成形或用中碳钢锻造成形。对于受力不大且为圆形曲面的直轴，可采用圆钢下料直接切削加工成形。毛坯的成形方案要根据现场生产条件选择。现场生产条件主要包括现场毛坯制造的实际工艺水平、设备状况以及外协的可能性和经济性，但同时也要考虑因生产发展而采用较先进的毛坯制造方法。为此，毛坯选择时，应分析本企业现有的生产条件，如设备能力和员工技术水平，尽量利用现有生产条件完成毛坯制造任务。若现有生产条件难以满足要求时，则应考虑改变零件材料和（或）毛坯成形方法，也可通过外协加工或外购解决。第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社4.经济性原则4经济性原则就是使零件的制造材料费、能耗费、工资费用等成本最低。在选择坯件的类型和具体的制造方法时，应在满足零件使用要求的前提下，把几个预选方案做经济性比较，从中选出整体生产成本低廉的方案。一般来说，选择毛坯的种类和制造方法时，应使毛坯尺寸、形状尽量与成品零件相近，从而减少加工余量，提高材料的利用率，减少机械加工工作量。但是毛坯越精确，制造就越困难，费用也越高。因此，生产纲领大时，应采用精度高、生产率高的毛坯制造方法，这时虽然一次投资较大，但增大的毛坯制造费用可由减少的材料消耗及机械加工费用得到补偿。一般的规律是，单件小批生产时，可采用手工砂型铸造、自由锻造、手工电弧焊、钣金钳工等成形方法，在批量生产时可采用机器造型、模锻、埋弧自动焊或其他自动焊接方法和板料冲压等成形方法制造毛坯。5.可持续性发展原则环境恶化和能源枯竭已是21世纪人类必须解决的重大问题，在发展工业生产的同时，必须考虑环保和节能问题，不能干圈一块厂房，毁一片山林的蠢事。在工艺流程设计中应考虑可持续发展的原则，应保护子孙后代的生存环境。必须做到：第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社5.可持续性发展原则续5(1)尽量减少能源消耗，在制定工艺流程中应考虑选择能耗小的成形方案，并尽量选用低能耗成形方法的材料，合理进行工艺设计，尽量采用净成形、净终成形的新工艺。(2)不使用对环境有害和会产生对环境有害物质的材料，采用加工废弃物少、容易再生处理、能够实现回收利用的材料。(3)少用或不用煤、石油等直接作为加热燃料，避免排出大量CO2气体，导致地球温度升高。第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.2常用毛坯成形方法的比较6(1)铸造铸造是液态金属充填型腔后凝固成形的成形方法，要求熔融金属流动性好、收缩性好，铸造材料利用率高，适用于制造各种尺寸和批量且形状复杂尤其具有复杂内腔的零件，如支座、壳体、箱体、机床床身等。手工砂型铸造是单件、小批生产铸件的常用方法；大批大量生产常采用机器造型；特种铸造常用于生产特殊要求或有色金属铸件。(2)锻造锻造是固态金属在压力下塑性变形的成形方法，要求金属的塑性较好、变形抗力小。锻造方法适用于制造受力较大、组织致密、质量均匀的锻件，如转轴、齿轮、曲轴和叉杆等。自由锻锻造工装简单、准备周期短，但产品形状简单，是单件生产和大型锻件的唯一锻造方法；胎模锻是在自由锻设备上采用胎模进行锻造的方法，可锻造较为复杂、中小批量的中小型锻件；模锻的锻件可较复杂，材料利用率和生产率远高于自由锻，但只能锻造批量较大的中小型锻件。(3)粉末冶金粉末冶金是通过成形、烧结等工序，利用金属粉末和（或）非金属粉末间的原子扩散、机械楔合、再结晶等获得零件或毛坯的。第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社3.粉末冶金；4.冲压7要求粉料的流动性好，压缩性大。粉末冶金材料利用率和生产率高，制品精度高，适合于制造有特殊性能要求的材料和形状较复杂的中、小型零件。如制造减磨材料、结构材料、摩擦材料、硬质合金、难熔金属材料、特殊电磁性材料、过滤材料等板、带、棒、管、丝各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件；可以制造重量仅百分之几克的小制品，也可制造近2t重的大型坯料。(4)冲压冲压是借助冲模使金属产生分离或变形的成形方法，要求金属塑性成形时塑性好、变形抗力小。冲压可获得各种尺寸且形状较为复杂的零件，材料利用率和生产率高。冲压广泛应用于汽车、仪表行业，是大批量制造质量轻、刚度好的零件和形状复杂的壳体的首选成形方法。(5)焊接焊接是通过加热和（或）加压使被焊材料产生共同熔池或塑性变形或原子扩散而实现连接的，要求材料在焊接时的淬硬倾向以及产生裂纹和气孔等缺陷的倾向较小。焊接可获得各种尺寸且形状较复杂的零件，材料利用率高，采用自动化焊接可达到很高的生产率，适用于形状复杂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。(6)塑料成形塑料成形可在较低的温度下（一般在400℃以下）采用注射、挤出、模压、浇注、烧结、真空成形、吹塑等方法制成制品。由于塑料的原料来源丰富易得，制取方便，成形加工简单，可以少无切削加工，成本低廉，性能优良，所以塑料在国民经济中得到广泛的应用。第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社表7-1常用的材料成形方法比较8精密零件或特殊性能的制品，如轴承、金刚石工具、硬质合金、活塞环、齿轮等较高高可较复杂中小件粉末流动性较好，压缩性较大粉末间原子扩散、再结晶，有时重结晶粉末冶金重量轻且刚度好的零件以及形状较复杂的壳体，如箱体、罩壳、汽车覆盖件、仪表板、容器等较高或高较高可较复杂各种冲压受力较大或较复杂，且形状较复杂的制件，如齿轮、阀体、叉杆、曲轴等较高或高较高可较复杂中小件模锻传动轴、齿轮坯、炮筒等低较低简单各种变形抗力较小，塑性较好固态金属塑性变形自由锻型腔较复杂尤其是内腔复杂的制件，如箱体、壳体、床身、支座等低～高较高可复杂各种流动性好，集中缩孔液态金属填充型腔铸造结构尺寸主要应用生产率材料利用率制件特征对材料的工艺要求成形特点成形方法第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社续表焊接通过金属熔池液态凝固，或塑性变形或原子扩散实现连接淬硬、裂纹、气孔等倾向较小各种可复杂较高低～高形状复杂或大型构件的连接成形，异种材料间的连接，零件的修补等塑料成形采用注射、挤出、模压、浇注、烧结、真空成形、吹塑等方法制成制品流动性好、收缩性、吸水性、热敏性小各种可复杂较高较低或较高一般结构零件、一般耐磨传动零件，减摩自润滑零件，耐腐蚀零件等。如化工管道、仪表壳罩等陶瓷成形陶瓷材料通过制粉、配料、成形、高温烧结获得制品坯体结构均匀并有一定的致密度中小件可较复杂较高低～较高高硬度，耐高温、耐腐蚀绝缘零件，如刀具、高温轴承、泵、阀复合材料成形基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料，材料与结构一次成形纤维有高强度和刚度，有合理的含量、尺寸和分布；基体有一定的塑性、韧性各种可复杂较高低～较高高比强度、比模量、化学稳定性和电性能好，如船、艇、车身及配件，管道、阀门、储罐、高压气瓶等快速成形通过离散获得堆积的路径和方式，通过堆积材料叠加起来成形三维实体有利于快速精确地加工原型零件；当原形直接用作制件、模具时，原型的力学性能和物理化学性能要满足使用要求；当原形间接使用时，其性能要有利于后续处理工艺各种可复杂高单件成形速度快产品设计、方案论证、产品展示、工业造型、模具、家用电器、汽车、航空航天、军事装备、材料、工程、医疗器具、人体器官模型、生物材料组织等9第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社7.3常用零件的成形方法7.3.1.轴杆类零件10轴杆类零件的轴向尺寸远大于径向尺寸，主要有各种实心轴、空心轴、曲轴、杆件等。轴杆类零件主要作为传动元件或受力元件，除光轴外，一般大多为锻件毛坯，断面直径相差越大的阶梯轴或有部分异型断面的轴，采用锻件毛坯越有利。如发动机曲轴、连杆、汽车前梁等都采用锻件毛坯。对光轴、直径变化较小的轴和力学性能要求不高的轴，一般采用轧制圆钢作为毛坯进行机械加工制造。对于锻造轴，受力较小时采用中碳钢制造，承载较大时采用中碳合金钢（如40Cr、40CrNi等）制造并调质处理；受较大冲击且承受摩擦时采用渗氮钢（38CrMoAl等）制造且渗氮处理，或采用渗碳钢（如20Cr、20CrMnTi等）制造并渗碳、淬火处理。某些具有异形截面或弯曲轴线的轴，如凸轮轴、曲轴等，采用铸钢(如ZG270-500等)，在满足使用要求的前提下，也可采用球墨铸铁毛坯(如QT450-10等)，以铁代钢，降低制造成本。第页高等教育出版社高等教育电子音像出版社图7-1汽车排气阀11对于一些大型构件、特殊性能要求的轴、杆类零件的毛坯等，还可采用锻造＋焊接或铸造＋焊接的工艺完成。如图7-1所