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文档简介
1、机械制造基础第九章 机械零件材料及毛坯的选择 主讲:仝勖峰西安电子科技大学本章内容失效的概念及失效的主要形式;零件失效原因及其分析方法;零件材料的选择原则和毛坯的选择方法。一、机械零件的失效 失效是指零件在使用过程中,由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去原设计的效能。 零件没有达到使用寿命就失去功能称为早期失效,比较危险。达到使用寿命的失效称为正常失效,比较安全。 要防止失效,必须了解失效的机制和原因。1、零件失效的主要形式机械零件常见的失效形式主要有: (1)断裂:断裂又可分为过载断裂(韧性材料和脆性材料不同)、疲劳断裂和蠕变断裂 (2)变形过大:过大的塑性变形影响机械的工作性能
2、(3) 振动过大 :振幅过大影响机械的工作性能甚至发生共振 (4) 表面失效 :指磨损、接触疲劳、腐蚀、胶合等2、零件失效的原因机械零件失效的原因主要有: (1)设计不合理 (2)选材不合理 (3) 加工工艺不当 (4) 安装使用不正确3、典型的失效分析 齿轮传动的失效形式 轮齿的失效形式多种多样,较为常见的有轮齿折断、齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等等 1)轮齿折断:通常有疲劳折断和过载折断两种。 2)齿面点蚀:是指齿面材料在变化着的接触应力作用下,由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。3、典型的失效分析 3)齿面磨损:是齿轮在啮合传动过程中,轮齿接触表面上的材料摩擦损耗的现象。 4)齿面胶合:是
3、相啮合齿面的金属在一定压力下直接接触发生粘着,同时随着齿面间的相对运动,使金属从齿面上撕落而引起的一种严重粘着磨损现象。 5)塑性变形:是由于在过大的应力作用下,轮齿材料因屈服产生塑性流动而在齿面 或齿体形成 的变形。 轮齿疲劳折断轮齿的塑性变形 齿面胶合齿面点蚀 齿面磨损二、零件材料选择的原则 要做到合理选材,必须全面分析及综合考虑。一般遵循三个原则: 使用性能; 工艺性能; 经济性能。1、使用性能 使用性能中,最重要的是力学性能。必须要考虑:受力状况:载荷类型、大小、特点。环境状况:温度、腐蚀、摩擦。特殊要求:导电、电磁、热膨胀、密度。2、工艺性能 同使用性能相比,工艺性能处于次要地位。但
4、某些情况下,工艺性能也是选材的主要依据。 工艺性能的好坏,取决于加工的难易程度、生产效率、生产成本。3、经济性能 质优价廉、寿命高是保证产品具备竞争力的重要条件。必须正确处理技术与经济的关系。 所谓经济性选材,不仅指选择最便宜的材料,或是生产成本最低的材料,而是运用价值分析的方法,综合考虑材料对产品的功能与成本的影响,达到最佳的技术经济效益。 另外,选材时,不能片面强调材料费用和制造成本。首先还是要保证使用要求。三、零件毛坯选择原则 零件制造过程分为毛坯成型和切削加工两个阶段。毛坯成型不仅对后续加工产生很大的影响,而且对零件乃至整个产品的质量、使用性能、生产周期和成本都有影响。因此,正确选择毛
5、坯类型和成型方法具有重要意义。1、毛坯的种类 机械零件的毛坯一般包括:铸件、锻件、轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件、粉末冶金和注射成型件等。各种毛坯具有不同的特点。(详见课本表9.1)2、毛坯的成本1)铸件的成本(1)铸件设计:包括材料的选择和结构尺寸的确定。灰铸铁成本最低,铜合金价格高。结构尺寸的影响是通过铸件的工艺体现的,尺寸合理,铸造缺陷少,成本降低。(2)生产方式:根据不同的批量选择合适的铸造方式。2、毛坯的成本1)铸件的成本(3)铸造工艺:工艺不同,工时和模具费用不同。(4)生产管理:实行科学的管理方法,才能明显降低废品率和生产过程中原材料的浪费。2、毛坯的成本2)锻件的成本(1)原
6、材料消耗:原材料消耗在锻造中成本占用最大,从锻件下料到加工成型有一系列材料损失。如:下料损失、烧损、废料及废品。(2)工模具费消耗:模锻中,模具费用在锻件费用成本中仅仅次于材料消耗。约占成本的三分之一。合理设计模具、使用模具、延长使用寿命,可明显降低成本。2、毛坯的成本2)锻件的成本(3)锻造方法和生产率:锻造方法不同,工时和生产率差别很大,设备差别也很大。因此,需要根据不同的批量确定合适的方法。(4)生产管理:实行科学管理,减少浪费。2、毛坯的成本3)冲压件的成本 冲压件的成本主要包括材料消耗、加工费、模具费等。 提高模具使用率,提高一次成型率,实现自动化。3、毛坯的选择1)满足工艺要求 不
7、同的材料,决定了毛坯的成型方式。3、毛坯的选择2)满足零件的使用要求 (1)结构形状和尺寸要求 对于结构复杂的零件,选择铸件毛坯;对于结构形状较复杂,且抗冲击能力、抗疲劳强度要求高的中小型零件,宜采用模锻件。对于结构复杂且轮廓大的零件,宜选择组合毛坯。3、毛坯的选择2)满足零件的使用要求 (2)力学性能要求 对于承受冲击和交变载荷的零件,一般选择锻造毛坯,如机床、汽车的传动轴和齿轮等;对于由于其它方面原因,必须采用铸件,但要求零件金相致密、承载能力高的零件,应选择合适的铸造方法,如压力铸造、金属型铸造、离心铸造等方式。3、毛坯的选择2)满足零件的使用要求 (3)表面质量要求 为了降低生产成本,
8、机械产品一些非配合表面有尽量不加工的趋势,即实现少、无切削加工。为保证这些表面的质量,对于较小尺寸的非铁金属件,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,宜选择熔模铸造或精密模锻。3、毛坯的选择2)满足零件的使用要求 (4)其它方面要求 对于某些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这些要求。例如:有耐压要求的零件,要求金相致密,不能有气孔、砂眼等缺陷,宜采用离心铸造(气缸套:铸铁)或型材(液压缸:钢)。对于在自动机床上加工的零件,要求毛坯精度高,宜采用冷拉型材。3、毛坯的选择3)满足降低生产成本的要求 (1)生产批量小时的毛坯选择 主要考虑模具费用、设备费用。
9、多采用砂型铸造、自由锻、胎模锻、焊接结构件。 (2)大批量时的毛坯选择 主要考虑材料的利用率,降低废品率。3、毛坯的选择4)符合生产条件 (1)在符合条件的情况下,尽量采用比较先进的毛坯生产技术。 (2)如果买的比造的便宜,在满足交货期的条件下,尽量去买。 四、毛坯的质量检验1、外观检验 以肉眼观察为主,或辅助以工具,检查毛坯外观。 四、毛坯的质量检验2、无损探伤检验 主要用于内在检验。(1)超声波检验:利用高频声波射入毛坯,检测内部或表面缺陷的方式。(2)射线检测:利用电磁波如X射线,穿透一定厚度的金属,检测内部缩孔、气孔、夹杂、裂纹与未焊透等缺陷。(3)磁粉检验:适于铁磁性材料表层或近表面
10、缺陷的检测。零件磁化后,缺陷部位产生露磁磁场,从而显示缺陷。 四、毛坯的质量检验3、致密性检验 主要用于检测不受压力或受压很低的容器,管道等。(1)气密性实验:向容器内通入远低于其工作压力的压缩空气,检验容器或通道的渗漏情况(2)水压实验:用于检验压力容器,管道和储罐等结构的穿透性缺陷。四、毛坯的质量检验4、化学成分分析 鉴定材料成分是否符合规定,并评价材质的优劣。常用方法:光谱分析。四、毛坯的质量检验5、力学性能测试 最常见是硬度测试,它能反映材料成分、组织、性能的关系,并能间接反映其它力学性能。且零件检测后不受损伤。 其它力学实验都在专门的实验设备上进行,主要用于原材料进厂检验、新材料和新
11、工艺研制、失效分析等。四、毛坯的质量检验6、金相组织实验 对毛坯进行组织检验,判断新材料、新工艺的合理性。五、毛坯中常见的缺陷1、铸件常见缺陷 (1)缩孔:热加工会产生裂纹,可用射线探伤检验或切片检验; (2)缩松:可用射线探伤检验; (3)气孔:可用射线探伤检验或切片检验; (4)偏析:可用金相法或化学分析检验。五、毛坯中常见的缺陷2、锻件常见缺陷 (1)折叠:热金属隆起后被锻入表面而产生的,容易引起应力集中。可直观检查或金相检验; (2)锻造裂纹:分为表面裂纹和内裂纹,可用金相检验; (3)过热和过烧:晶粒粗大,晶界氧化,金相检验; (4)冷成形中的缺陷:细微裂纹,外观检查和金相检验。五、毛坯中常见的缺陷3、焊件常见缺陷 (1)气孔:可用射线探伤检测; (2)未焊
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