机械零件选材及其工艺方法的选择

1、机械零件选材及其工艺方法的选择学习目标明确零件成型工艺选择的一般原则；熟悉零件热处理的技术条件；熟悉典型 零件的选材，会对其进行工艺分析。重点与难点重点：零件成型工艺选择的一般原则；零件热处理的技术条件。难点：轴杆类零件、齿轮类零件和箱体类零件的选材及工艺分析。零件成型工艺选择的一般原则本节要点：零件成型工艺的选择原则。除了少数性能要求不高的零件以外，大多数机械零件都要通过铸造、锻压或 焊接等成型工艺制成毛坯，然后再经切削加工制成成品。因此，零件成型工艺的 选择是否合理，不仅影响每个零件甚至整部机械的制造质量和使用性能，对零件 的工艺制造过程，生产周期和成本也有很大的影响。表4-5列出了常用毛

2、坯成型 的生产方法及相关内容的比较，可供参考。选择毛坯成型工艺时必须考虑以下原则：1.保证零件的使用要求成型后的毛坯制成零件后，应满足其使用要求。零件的使用要求包括对零件 形状和尺寸的要求，以及工作条件对零件性能的要求。例如机床的主轴，是机床 上的关键零件，尺寸、形状和加工精度要求很高，受力复杂，在长期使用过程中 只允许发生极微小的变形，因此应选用45钢或40cr等具有良好综合力学性能的 材料，经锻造制坯及严格的切削加工和热处理制成。2降低制造成本，满足经济性要求一个零件的制造成本包括其本身的材料费以及所消耗的燃料费、动力费用、 人工费、各项折旧费。单件、小批生产时，对于铸件应优先选用灰铸铁和

3、手工砂 型铸造方法；对于锻件应优先选用碳索结构钢和自由锻方法；在生产急需时，应 优先选用低碳钢和手工电弧焊方法制造焊接结构毛坯。在大批虽生产中，对于铸 件应采用机器造型的铸造方法，锻件应优先选用模型锻造方法，焊接件应优先选 用低合金高强度结构钢材料和自动、半自动的埋弧焊、气体保护焊等方法制造毛 坯。3考虑实际生产条件根据使用性能要求和制造成本分析所选是的毛坯成型方法是否能实现，还必 须考虑企业的实际生产条件。上述三条原则是相互联系的，考虑时应在保证使用要求的前提下，力求做到 质量好、成本低和制造周期短。表4&常用毛坯成型的方法及其相关内容比较、生产方怯比总4、冲压遵材成形待也液念成形丙

4、企下載性变形借助金属原子间的 扩散和结合而态下切削对蹶材料工艺 aa* -w*4ttbe安水流动性好收缩*小勿性好变形抗力小强度好如性好液 处化子环疋住叶i送甬甬料铸铁铸钢有色金中康钢，合金结构钢低歩借fs有色 金81薄板wh* . . 低碳锯和低合金结 构钢铸泱，有色金属 *» «»«鎂铝合金 fm.wfe金属适寵的影伏形状不受限可相当 复杂尤其楚内腔形状自由锻件简敏模啟 件町较复杂可软复亲形状不受隈简单一般为 圆形或平面适玄的尺寸 与18敕砂熨铸适不受限自由锻不受k.ffiw 件<!旳恋-不受限不受限中小?b 毛坯的殂织 和性能砂劇转适件m粒頼

5、 大改松缺陷杂质 并列无方向性。铸浹 件力学性能瘵川瞬性学性能较好 胡粒细小较均匀. 致密可利用流线改韓 性能.力学性能好姐织细密可产 主歼经绘蚁利 用冷变形込化可 提烏袋度和酸度 站枸审性好炸僅区为询态组织 熔合k丧过热区令粗 大乩粒内应力大；搖 x力学性能达到或按 近毎材取决于型材 的原始细纵和 性能毛坏信度和 丧面质議砂型铸适件精度低9 * q »4|) 自由取件箱度较低. x- 4庞中算丿细负咬妖mir a. adb 质好 績廈较低接头处丧 面粗粗 取决于切削 方法 a.自由锻件低樓锻件 中等牧爲>_ fb_«« jh生产成本低自由甌件较高模觀低中较

6、低件较低生产周期 <t> tfwjfinmz一 tt 由长iq短生产率一砂熨铸适低ifi由的低模敗较咼a仪低中：低运宜的生产批 m件和成批（砂卫铸 jq ）-n由锻眼件4<%. m 嫂成批一尢金大批缜件成批架件、成批-他怏件用于受力不 大.成承圧为主的零 件，或旻求减加、耐膳 的零件;铸制件用于宗 受匝载而形状复杂的 不件.如爪身.立柱、箱 a 佯、文樂fu冋怦爭用于裁受虫伙改经 戒复杂戟荷的飯厦年 件如主轴用玄铀& 杆和曲辎等 用于板料成形 的零件用于iw适金属结构 件茨帑合件和孚件的 修补 一般中小丹简单件零件热处理的技术条件本节要点：热处理工艺分类热处理是机械制

7、造过程中的重要工序。热处理技术条件的内容包括：零件的 最终热处理方法，热处理后应达到的力学性能指标（仅需标注出硬度值）等。但 对于某些力学性能要求较高的重要零件，如曲轴、连杆、齿轮等，还应标出强度、 塑性等指标，有的还应提出对金相显微组织的要求。对于渗碳件还应标注出渗碳、 淬火、回火后的硬度（表面和心部）、渗碳的部位（全部或局部）、渗碳层深度等。对于表面淬火零件，在图样上应标出淬硬层的硬度、深度和淬硬部位，有的还应 提出对显微组织及限制变形的要求（如孔的变形量）。表4-7热处理工艺分类及代号工艺代号工艺塗s!代号名珠代号iu热方決代号退火1正火2淬火3蔓体热处理1淬火、回火4加热炉155矗定化

8、处理6服应加热2固溶处理7火焰加热3司溶处理b时牧8表面淬火、回火1电阻加热表面热处理2枝理气相沉积24化学气相汎积3澈光加热5筹輕子化学代相沉积41礦氮共渗2电子朿加热6潘氮3等离子加热7热处理5化学热处理34潘英他金属5其他86參元素共港7溶灌8典型零件的选材及工艺分析本节要点：轴类零件、齿轮类零件和箱体零件的选材、热处理及工序安排。轴杆类零件轴杆类零件是回转体零件，其长度远大于直径，常见的有光轴、阶梯轴、凸 轮轴和曲轴等；按承载特点可分为转轴、心轴和传动轴。它是机械设备中重耍的 受力零件。工作条件轴杆类零件在机器中起支承回转零件并传递运动和扭矩的作用0转轴在工作 时承受弯曲和扭转应力的复

9、合作用；心轴只承受弯曲应力；传动轴主耍承受扭转 切应力。除固定心轴外，所有作回转运动的轴所受应力都是对称循环变化的，即 在交变应力状态下工作。轴在花键、轴颈等部位和与其配合的零件（如轮上有花键孔或滑动轴承）之 间有摩擦磨损，此外，轴还会受到一定程度的过载和冲击。主要失效形式由于受力复杂，轴的尺寸、结构和载荷差别很大。主要存在有以下儿种：(1) 断裂，大多是疲劳断裂；(2) 轴的相对运动表面的过度磨损；(3) 发生过量扭传或弯曲变形(包括弹性的和塑性变形)；(4) 有时还可能发生腐蚀失效。使用性能要求为满足工作条件的要求，具有足够抵抗失效的能力，轴杆类零件的材料应具 备如下性能要求：(1) 具有

10、高的强度，足够的刚度及良好的韧性，以防止断裂及过量变形；(2) 具有较高的疲劳强度，防止疲劳断裂；(3) 在相对运动的摩擦部位，如轴颈、花键等处，应具有较高的硬度和耐 磨性。选材及热处理轴的材料主要使用碳素结构钢和合金结构钢，一般是以锻件或轧制型材为毛 坯。(1) 轻载、低速、不重要的轴，可选用q235. q255. q275等碳素结构钢， 这类钢通常不进行热处理；(2) 受中等载荷而且精度要求一般的轴类零件，常用优质碳素结构钢，常 选45钢。为改善其力学性能，一般要进行正火或调质处理。要求轴颈等处耐磨 时，还可进行表面淬火和低温回火。(3) 受较大载荷或要求精度高的轴以及处于强烈摩擦或高、低

11、温等恶劣条 件下工作的轴，应选用合金钢，常用20cr 4(mib 40c1等。根据合金钢的种类 及轴的性能，应采用调质、表面淬火、渗碳、碳氮共渗、淬火、低温冋火等热处 理，以充分发挥合金钢的潜力。近年来，球墨铸铁和高强度铸铁已越来越多地作为制造轴的材料，如内燃机 曲轴、普通机床的主轴等，其热处理方法主要是退火、正火、调质及表面淬火等。典型轴类零件的选材、热处理及工序安排(1) 机床主轴机床主轴承受中等载荷作用、中等转速并承受一定的冲击。 一般选用45钢制造，经调质处理后轴颈或锥孔处再进行表面淬火。载荷较大时, 选用40c钢制造。机床主轴的工艺路线为：下料t锻造t正火t粗切削加工t调质t半精:璽

12、：尊荷水£琴锐机械制造基础精品课程切削加工t局部表面淬火、低温冋火t粗磨t精磨。正火可细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性能；调质可得到好的综合力学 性能和疲劳强度；局部表面淬火和低温回火可得到局部的高硬度和耐磨性。有些机床主轴如万能铳床主轴，可用球墨铸铁代替45钢来制造。对于要求 高精度、高稳定性及高耐磨性的主轴，如镇床主轴，往往用38c1ma1a钢制造， 经调质处理后再渗氮。(2) 内燃机曲轴 曲轴是内燃机中形状复杂而又非常重要的零件之一，它 在工作时受汽缸中周期性变化的气体压力、曲轴连杆机构的惯性力、扭传和弯曲 应力及扭转振动和冲击力的作用。低速内燃机曲轴用正火的45钢或球墨铸铁

13、制 造；中速内燃机曲轴选用调质45钢或球墨铸铁、调质中碳低合金钢，如40cr 43vh2等钢制造；高速内燃机曲轴选用高强度合金钢35c州 42c1m)制造。内燃机曲轴工艺路线为：下料-锻造t正火t粗切削加工t调质t半精 加工t轴颈表面淬火、低温冋火t粗磨t精磨。各热处理工序的作用与上述机床主轴的相同。目前常采用球墨铸铁来代替45钢制造曲轴，其工艺路线一般为：铸造t正 火、高温冋火t机加工t轴颈表面淬火、低温冋火t粗、精磨。这类曲轴保证质量的关键在于铸造，先保证球化良好无铸造缺陷，然后再经 正火增加组织中的珠光体数量和细化珠光体片，以提高强度、硬度及耐磨性；高 温冋火主要是为了消除正火风冷所造成

14、的内应力。齿轮类零件齿轮是各类机械、仪表中应用最广的传动零件，其作用是传递扭矩、改变运 动速度和运动方向，有的齿轮仅起分度定位作用。齿轮的转速可以相差很大，齿 轮的直径可以从儿毫米到儿米，工作环境也可有很大差别。工作条件齿轮工作的关键部位是齿根与齿面。齿根承受最大的交变弯曲应力，并有应 力集中存在，在启动、换挡或啮合不均匀时还承受冲击和过载；齿面承受脉动接 触压应力和滚动、滑动摩擦。此外，润滑油的腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等，都 可加剧齿轮工作条件的恶化。主要失效形式(1) 轮齿折断 其中多数为疲劳断裂，主要是由丁轮齿根部所受的弯曲应 力超过材料的抗弯强度引起的。过载断裂是由于短吋过载或过大冲击

15、所引起的， 多发生在淬透的硬齿面齿轮或脆性材料制造的齿轮上。(2) 齿面点蚀齿面受大的脉动接触压应力，因表面疲劳而使齿面表层产 生点状、小片剥落的破坏。(3) 齿面磨损齿面间滚动和滑动摩擦或外部硬质颗粒的侵入，使齿面产 生磨粒磨损、粘着磨损或正常磨损现象。(4) 齿面塑性变形 主要因齿轮强度不够和齿面硬度较低，在低速、重载 启动、过载频繁的齿轮中容易产生。主要性能要求由于齿轮受力和损坏形式的复杂性，为了保证齿轮的正常运转，防止早期失 效，对齿轮材料主要有如下性能要求：(1) 齿面有高的硬度和耐磨性；(2) 齿面具有高的接触疲劳强度和齿根具有高的弯曲疲劳强度；(3) 轮齿的心部要有足够的强度和韧

16、性。另外，在齿轮副中，两齿轮齿面硬度应有一定的差值，因小齿轮受载次数多, 故应比大齿轮硬度高些。一般差值为：软齿面30 50hbs选材及热处理齿轮材料绝大多数是钢质材料包括铸钢),某些开式传动的低速齿轮可用铸 铁，特殊情况下还可用非铁金属和工程塑料。(1) 钢质齿轮用钢材制造齿轮有型材和锻件两种毛坯。由于锻造齿轮毛 坯的纤维组织与轴线垂直，分布合理，故重要用途的齿轮都采用锻造毛坯。钢质齿轮按齿面硬度分为硬齿面齿轮和软齿面齿轮，齿面硬度w 350hbs的 为软齿面齿轮；齿面硬度350hbs的为硬齿面齿轮。1) 轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的一般齿轮，选用中碳钢如q25 45. 5(m】等

17、钢制造,常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮，正火硬度为164 200声调质硬度一般为200- 280hb不超过350hb&因硬度适中，精切齿廓 可在热处理后进行，工艺简单，成本低，但承载能力不高，常用于机械中一些不 重要的齿轮。2) 中载、中速、承受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮，选用中碳钢或 合金钢，如45ovh 40cr 42sinh等钢，也可采用55tid 6ctid等低淬透性 钢。其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火，制成硬齿面齿轮，齿面硬度 可达5x55hrg齿轮心部保持正火或调质状态，具有较好的韧性，机床中绝大 多数齿轮都是这种类型的齿轮。3) 重载、高速或中速，且

18、受较大冲击载荷的齿轮，选用低碳合金渗碳钢或 碳氮共渗钢，女口 20cr 20crivhtr 20crnk 18cr2ni恥等钢。其热处理采用渗 碳、淬火、低温回火，齿轮表面获得54 63hrc的高硬度，因淬透性较高，齿轮 心部有较高的强度和韧性。这种齿轮表面的耐磨性、抗接触疲劳强度和齿根的抗 弯及心部的抗冲击能力都比表面淬火的齿轮高，但热处理变形大，精度要求较高 时，最后要磨齿。它适用于工作条件较为恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥上 的齿轮。(刀非铁金属材料齿轮在仪表中或接触腐蚀性介质的轻载齿轮，常用一 些抗腐蚀、耐磨的非铁金属材料制造，常用的有黄铜、铝青铜、硅青铜、锡青铜, 硬铝和超硬铝，可

19、制作质量小的齿轮。(3) 工程塑料齿轮在仪表、小型机械中的轻载、无润滑条件下工作的小 齿轮，可以用工程塑料制造，常用的有尼龙、聚碳酸酯、夹布压层热固性树脂等。 工程塑料具有密度小、摩擦系数小、减震、工作噪声小的优点；其缺点是强度低, 工作温度不高，所以它不能用做较大载荷的齿轮。典型齿轮的选材、热处理及工序安排(1) 机床齿轮机床齿轮工作平稳、无强烈冲击、中等转速、受载荷不大, 对齿轮心部强度和韧性的要求不高，一般选用40钢或45钢制造。经正火或调质 处理后再经高频感应加热表面淬火，齿面硬度可达52hrc左右，齿心硬度为224 250hbs,完全可满足性能要求。对于一部分性能要求较高的齿轮，可用

20、中碳低合 金钢如40cr 4cm1b等钢制造，齿面硬度达到58hrc；心部强度和韧性也有所提 高毛坯米用锻造为宜。机床齿轮的加工工艺路线为：下料t锻造t正火t粗切削加工t调质t 半精加工t高频感应表面淬火、低温冋火t精磨。(2) 汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮的工作条件比机床齿轮恶劣， 受力较大，超载与启动、制动和变速时受冲击频繁，对耐磨性、弯曲疲劳强度、 接触疲劳强度、心部强度和韧性等性能要求较高，用碳钢或中碳低合金钢经高频 感应加热表面淬火已不能满足使用要求，选用合金渗碳钢如20c1m1tr 20cmib 20vhvb等较适宜。这类合金钢经正火处理后再渗碳淬火处理,表面硬度可达54 62

21、hrc；心部硬度可达34 45ikg汽车、拖拉机齿轮的加工工艺路线为：下料t锻造t正火t粗、半精切削 加工t渗碳、淬火、低温冋火t喷丸t精磨t最终检验。此工艺路线中热处理工序的作用是：(1)正火主要是为了消除毛坯的锻造应力，获得良好的切削性能；均匀 组织，细化晶粒，为以后的热处理作好组织准备。(2) 渗碳 为了提高齿轮表面碳的含量，以保证淬火后得到高硬度和良好 耐磨性的高碳马氏体组织。(3) 淬火 为了使齿轮表面有高硬度，同时使心部获得足够的强度和韧性。 喷丸清除齿轮表面的氧化皮，使齿面形成压应力，提高其疲劳强度。 箱体类零件1.结构和工作条件箱体类零件结构较复杂，有不规则的外形和内腔，且壁厚

22、不均匀。这类零件 包括各种机械设备的机身、底座、支架、横梁、工作台，以及齿轮箱、轴承座、 阀体、泵体等。重量从儿千克至数十吨，工作条件也相差很大。其中基础零件如 机身、底座等，以承压为主，并受冲击和振动；有些机械的机身、支架往往同时 承受压、拉和弯曲应力的联合作用，或者还受冲击载荷。使用要求和材料的选用箱体零件一般受力不大，但要求有良好的刚度和密封性。通常都以铸件为毛 坯，且以铸造性能良好、价格低廉，并有良好耐压、耐磨和减震性能的铸铁为主; 受力复杂或受较大冲击载荷的零件，则采用铸钢件；受力不大，要求自重或要求 导热性良好，则采用铸造铝合金件；受力很小，要求口重轻等，可考虑工程塑料 件。在单件

23、生产或工期要求紧的情况下，或受力较人，形状简单，尺寸较人，也 可采用焊接件。时效或热处理如选用铸钢件，为了消除粗晶粒组织、偏析及铸造应力，对铸钢件应进行完 全退火或正火；对铸铁件一般要进行去应力退火或时效处理；对铝合金铸件，应 根据成分不同，进行退火或淬火时效处理。典型零件的加工如图4t2所示为中等尺寸的减速器箱体。由图可以看出，其上有三对精度 要求较高的轴承孔，形状复杂。该箱体要求有较好的刚度、减震性和密封性，轴 承孔承受载荷较大，故该箱体材料选用ht250,采用砂型铸造，铸造后应进行去 应力退火。单件生产也可用焊接件。该箱体的工艺路线为：铸造毛坯去应力退火划线切削加工。其中去应力 退火是为了消除铸造内应力，稳定尺寸，减少箱体在加工和使用过程中的变形。图4-42减速器箱体1轴盖；p对合面；3-