第十三章 机械零件的毛坯成形综合选材

1、第十三章 机械零件的毛坯成形综合选材及工艺路线分析 第一节 零件与工具的失效方式第二节 选用材料的一般原则第三节 毛坯成形综合选材第四节 热处理的技术条件、工序 位置和结构工艺性第五节 典型零件的选材及工艺路线分析第六节 典型工具的选材及工艺路线分析第一节 零件与工具的失效方式失效就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正常工作所具有的效能。 零件或工具在以下三种情况下都认为已失效：（1）零件或工具完全不能工作；（2）虽能工作，但已不能完成指定的功能；（3）零件或工具有严重损坏而不能再继续安全工作。失效的主要方式有变形、断裂和表面损伤等。一、变形失效例如，车床主轴

2、在工作过程中发生过量的弹性弯曲变形，不仅产生振动，而且造成了被加工零件质量严重下降，会造成轴与轴承配合不良。过量变形的原因主要是零件或工具的材料强度低，造成金属材料强度低的原因很多，可能选材不当，或者热处理工艺不当，或是零件或工具在使用过程中内部矛盾组织发生变化等。 二、断裂失效断裂可分为脆性断裂和延性断裂两种。脆性断裂是断裂前零件或工具几何尺寸几乎不发生变化，即没有明显的塑性变形，断口较齐平，其断面常呈细颗粒状。延性断裂是零件或工具在断裂前产生明显的塑性变形，即零件或工具的尺寸发生明显的变化，一般截面积减小，断口常呈纤维状特征。金属零件的断裂往往是几种因素共同作用的结果，他涉及到零件的金属材

3、料的成分、组织、加工制造和运行条件等一系列问题。三、表面损伤失效定义：零件或工具在工作过程中，可能由于机械和（或）化学作用而使工件表面及近表面层受到严重损伤，以致不能工作，这种基本上局限于表面层的失效形式称为表面损伤失效。 1、磨损失效定义：磨损主要是相对运动的接触表面的材料在机械力的作用下，以细屑形式逐渐磨掉，而使零件或工具的尺寸不断变小的一种失效方式。 单位时间内（或单位行程、每转）材料的磨损量（或尺寸）称为磨损率。金属材料的耐磨性高（即磨损率小），则零件的使用寿命就长。 2、腐蚀失效腐蚀失效是由于化学或电化学腐蚀作用而造成的零件或工具的失效。腐蚀造成金属材料的损耗，引起零件尺寸和性能变化

4、，最后导致失效。 3、表面疲劳失效表面疲劳失效是相互的两个运动表面（特别是滚动接触），在工作过程中承受交变接触应力的作用，使表面层材料发生疲劳破坏而脱落，造成零件或工具的失效。按表面疲劳损伤的程度，又分麻点与剥落两种方式。零件或工具的失效可从一种类型转变成另一种类型。例如，齿轮的失效方式可能有：断齿、齿形的变形、齿面的磨损和点蚀等。 第二节 选用材料的一般原则一、材料的使用性能使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。通过对零件或工具的工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的具体要求。 几种常用零件或工具的工作条件和失效形式 二、材料的工艺性能零件的加工工艺路线一般零件 毛坯 正火或

5、退火 切削加工轴、齿轮 等毛坯 预先热处理（正火、退火） 粗加工 最终热处理（淬火回火，时效，渗C等）精加工精密丝杠毛坯 预先热处理 粗加工 最终热处理 半精加工时效（或 N化） 精加工 时效金属材料是铸造成形，则选用共晶或接近共晶；若是锻造成形，则选用固溶体的合金；如果是焊接成形则选用低碳钢或低碳合金钢；为了便于切削加工，一般选硬度在170220HBW；碳钢的淬透性差，加热时晶粒也容易长大，淬火时还容易产生变形甚至开裂，因此在制造高强度大截面、形状复杂的零件时，需要选合金钢。在某些特殊情况下、工艺性将成为选用材料的主要依据。三、材料的经济性产品成本分析基本材料的成本（价格、利用率） 占总成本

6、的3070%我国常用材料的相对价格 制造（加工）成本 约占零件成本的30% 加工成本工具与设备费用 + 每件产品成本 生产批量第三节 毛坯成形综合选材一、毛胚的类型1、型材约85%95%的铸钢锭是通过轧制等压力加工方法制成各种型材。型材具有流线组织，顺着流线方向的抗拉强度、塑性好；而垂直于流线方向的抗拉强度、塑性低，但抗剪强度高。（1） 型钢 型钢一般采用热轧和冷轧方法生产。种类：圆钢、方钢、六角钢、等边角钢、不等边角钢、工字钢和槽钢等。（2） 钢板 钢板的规格以厚度宽度长度表示。种类：根据厚薄和表面状况，分为厚钢板、薄钢板、镀锌薄钢板、酸洗薄钢板和花纹钢板等。（3） 钢带 钢带是厚度较薄、宽

7、度较窄、长度很长的钢板。一般成卷供应。种类：分为热轧普通质量钢带、冷轧普通质量钢带；低碳钢、优质碳素结构钢、弹簧钢、工具钢和不锈钢亦可通过冷轧制成钢带。（4） 钢管 钢管分为无缝钢管（包括热轧、冷轧、冷拔、挤压管等）和焊接钢管（包括直缝焊管和螺旋缝焊管等）两类；按断面形状可分为圆管、异形管（如矩形、椭圆形、半圆形、六角形等），常用圆形管。（5） 钢丝 圆形钢丝一般是圆盘料拉制而成。实际工作中也常用线号表示规格，线号越大线越细。低碳钢丝俗称“铁丝”，一般为普通质量钢。低碳钢丝分为：一般用途的低碳钢丝、镀锌低碳钢丝和架空通信用低碳钢丝。除此外，还有优质碳素结构钢丝，冷顶锻用钢丝，不锈钢丝和焊条钢丝

8、等。2、铸件用铸造方法获得零件的毛坯称为铸件。几乎所有的金属材料都可以进行铸造，其中铸铁应用最广。优点：铸件大小不受限制，可生产几克到200余吨的铸件；适于生产内腔复杂的毛坯；一些特种铸造方法成为少切屑和无切屑加工的重要方法之一。同时所用铸造设备简单，原材料来源广泛，价格低廉。在一般情况下铸件是优先选用的毛坯。缺点：铸件的组织较粗大、内部易产生气孔、缩松、偏析等缺陷，使铸件的力学性能比材料的锻件低，特别是冲击韧度差，所以一些重要零件和承受冲击载荷的零件不宜用铸件作零件的毛坯。3、锻件锻件是固态金属材料在外力作用下通过塑性变形而获得的。性能：锻件比相同材料铸件的力学性能高。锻件常用于强度高、耐冲

9、击、抗疲劳等重要零件的毛坯。特点：与铸件相比，锻造方法难以获得形状复杂的毛坯，且锻件成本一般比铸件要高，金属材料的利用率亦较低。自由锻造：用于单件、小批生产、形状简单和大型零件的毛坯，其缺点是精度不高，表面不光洁，加工余量大，消耗金属多。模锻件：形状可比自由锻件复杂，且尺寸较准确，表面较光洁，可减少切削加工成本，但模锻锤和锻模价格高，所以模锻适用于中小件的成批或大量生产。4、冲压件优点：可制造形状复杂的薄壁零件，冲压件的表面质量好，形状和尺寸精度高，一般不需再经切削加工便可直接使用。冲压生产生产率较高，产品的合格率和材料利用率高，成本低。缺点：因为模具制造的工艺复杂，成本高，周期较长，冲压件只

10、适用大批量生产。5、焊接件焊接件是借助于金属原子间扩散和结合的作用，把分离的金属制成永久性的结构件。特点：焊接件的尺寸、形状一般不受限制，结构轻便，材料利用率高，生产周期短，主要用于制造各种金属结构件，也用于制造零件的毛坯和修复零件，特别适用于制造单件、大型、形状复杂的零件或毛坯。性能：由于焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，焊接构件内容易产生内应力和变形，接头的热影响区力学性能有所下降。二、毛坯类型选择的依据1、材料的工艺性2、零件的结构、形状与尺寸大小3、零件性能的可靠性4、零件生产的批量1、轴杆类零件轴杆类零件一般为回转体零件，其长度大于直径。轴杆类零件要求具有优良的综合力学性能，抗疲

11、劳性能和耐磨性等。（1） 轴杆类零件的材料选用 根据轴杆类零件的载荷性质和大小、转速高低、尺寸大小和精度要求不同，可选用低、中碳碳钢和合金钢，如30、35、45、40Cr、40MnB、30 CrMnSi钢等。同时还要进行正火、调质和表面淬火等热处理来进一步提高性能。对高精度、高速旋转的轴可选用38CrMnAlA。对中、低速内燃机与柴油机的曲轴、连杆、凸轮轴等可选用高强度钢和球墨铸铁、合金铸铁。（2） 轴杆类零件的毛坯选材 轴杆类零件的毛坯，常选用圆钢和锻件。光滑轴的毛坯一般选用圆钢；阶梯轴的毛坯选用圆钢或锻件；当零件的力学性能要求高时，常选用锻件作毛坯。单件或小批量生产的轴采用自由锻件作毛坯，

12、成批生产的中小型轴常选用模锻件为毛坯，对大型复杂的轴可选用锻焊结构件作毛坯。 三、常用零件的材料及毛坯选择2、轮盘类零件这类零件的有齿轮、飞轮、带轮、法兰盘、联轴器、手轮、刀架等。对带轮、飞轮、手轮、垫块等一类受力不大（且主要承受压力）、结构复杂的零件，常选用铸铁件作为毛坯；对单件大型零件亦可用低碳钢焊接而成。对法兰盘、套环、垫圈等零件，根据受力大小、形状和尺寸，可选用铸铁、钢、有色金属等制造，分别用铸件、锻件或型材下料后作毛坯。齿轮是典型的轮盘类零件。一般中小型传力齿轮常用锻件作毛坯；当生产批量较大时用热轧或精密模锻件作毛坯；直径较小的齿轮也可直接用圆钢作毛坯；结构复杂尺寸较大的齿轮亦可采用

13、铸钢件或球墨铸铁件；对单件大型齿轮可用焊接件作毛坯；对尺寸较小、厚度薄、产量大的传动齿轮可采用冲压方法直接生产零件；对一般非传动力的低速齿轮，可采用工程塑料或灰铸铁件作毛坯。3、箱座类零件箱座类零件一般结构较复杂，具有不规则的外形与内腔，且壁厚不均匀，如各种设备的机身、机座、机架、工作台、齿轮箱、轴承座、泵体等。其工作条件一般以承压为主；并要求有较好刚性和减震性；对工作台和导轨等要求有较高的耐磨性。对于一般承受压力为主的箱座类零件，常选用灰铸铁为材料；对受力较复杂的箱座零件可选用铸钢件为毛坯；对单件小批量可用焊接件。为减少箱座类零件重量可选用铝合金铸件（如航空发动机箱体等）。对尺寸较大的支架，

14、可采用铸焊或锻焊组合件作毛坯。第四节 热处理的技术条件、工序位置和结构工艺性一、热处理的技术条件在图样上标明材料的牌号，并相应注明热处理的技术条件，其内容包括最终热处理方法及热处理应达到的力学性能等，以作为热处理生产及检验时的依据。 热处理工艺分类及代号 二、热处理工序位置的安排根据热处理目的和工序位置的不同，热处理可分为预备热处理与最终热处理两大类。1、预备热处理的工序位置预备热处理包括退火、正火和调质等。工序位置：一般在毛坯生产后，切削加工之前或粗加工之后，精加工之前。（1）退火、正火的工序位置 毛坯生产（铸、锻、焊、冲压等）退火或正火 机械加工（2）调质的工序位置 下料 锻造 正火（或退

15、火 机械粗加工 调质 机械精加工2、最终热处理的工序位置（1）淬火的工序位置1）整体淬火零件工艺路线： 下料 锻造 退火（正火） 机械粗、半精加工 淬火、低温回火（中温回火） 磨削。2）感应加热表面淬火零件的工艺路线： 下料 锻造 退火（正火） 机械粗加工 调质 机械半精加工 感应加热表面淬火、低温回火 磨削。（2）渗碳的工序位置 下料 锻造 正火 机械加工 局部渗碳时其他部位镀铜（或多留余量） 渗碳 去除不需要渗碳层 淬火、低温回火 磨削（3）渗氮的工序位置下料 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 去应力退火 粗磨 渗氮 精磨或研磨三、热处理零件的结构工艺性1、避免尖角：一般应尽量将尖角设计成

16、圆角、倒角，以避免淬火开裂 避免尖角、棱角的设计 2、避免厚薄悬殊的截面厚薄悬殊的零件在淬火冷却时，由于冷却不均匀而造成的变形、开裂倾向较大 为了避免厚薄悬殊造成淬火变形或开裂，可将零件太薄处加厚，或开工艺孔，变不通孔为通孔的方法。 零件存在危险截面的部位 开工艺孔避免淬火变形、开裂 变不通孔为通孔，避免淬火变形、开裂3、采用封闭、对称结构 开口或不对称结构的零件在淬火时应力分布亦不均匀，容易引起变 形，应改为封闭或对称结构。零件对称的例子 槽形零件淬火前留筋 4、采用组合结构有些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的零件或形状复杂的零件，在可能条件下可采用组合结构或镶拼结构。 硅钢片冲模 第五

17、节 典型零件的选材及工艺路线分析一、齿轮1、齿轮的工作条件、失效方式及性能要求工作时的受力情况如下：1）齿轮工作时，在啮合齿面相互滚动和滑动，承受较大的接触应力并发生强烈摩擦。2）由于传递扭矩，齿根承受较大的弯曲应力。3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定冲击作用。主要失效形式 1）疲劳断裂；2）过载断裂；3）齿面磨损；4）麻点剥落：根据工作条件和失效方式，对齿轮的材料提出性能要求：1）高的疲劳强度。2）高的接触疲劳抗力和耐磨性。3）齿轮的心部要有足够的韧性。2、齿轮材料的选用依据根据工作条件推荐选用的一般齿轮材料和热处理方法 3、工艺路线分析实例例一、卧式车床的变速箱传动齿轮工作条件：工

18、作中承受载不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击。性能要求：对齿面和心部的强度，韧度要求不太高，齿轮心部硬度230280HBW；齿面硬度为4550HRC。选用材料：45钢或40Cr。工艺路线：下料 锻造 正火 粗加工 调质 精加工高频感应加热淬火、低温回火精磨。例二、汽车变速齿轮工作条件：比机床齿轮工作条件恶劣，承受载荷较大（包括疲劳弯曲应力和接触压应力），受冲击作用较频繁。性能要求：对齿面和心部要求较高强度，心部还有足够韧性，齿面硬度5862HRC，心部硬度3045HRC。选用材料：20CrMnTi钢。工艺路线：下料 锻造 正火 机械加工 渗碳、淬火和低温回火 喷丸 磨削 1、工作条件、失效

19、方式及性能要求一般轴的工作条件为：1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷。2）轴颈承受较大的摩擦。3）承受一定的冲击的载荷。根据轴的工作特点，其主要失效形式有以下几种：1）疲劳断裂；2）过载断裂；3）磨损失效；4）过量变形失效 根据工作条件和失效方式，对轴类零件选用材料提出如下性能要求：1）良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。2）高的疲劳强度，以防疲劳断裂。3）良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。此外，还应考虑刚度、切削加工性、热处理工艺性及成本。二、轴类2、轴类零件选用材料（1）承受载荷不大的轴 主要考虑轴的刚度、耐磨性及精度。常采用低、中碳钢（如20、35、45钢）经正火后使用

20、。对尺寸较小，精度要求较高的仪表或手表中的轴，可采用高碳钢（如T10钢）或高碳易切削结构钢（如Y12Pb）经淬火和低温回火后使用。 （2）承受交变弯曲载荷或交变扭转载荷的轴（如卷扬机轴、齿轮变速箱轴）或同时承受上述两种载荷的轴（如机床主轴、发动机曲轴、汽轮机主轴）。 常选用45、40Cr钢等。先经调质处理后在轴颈处进行高、中频感应加热表面淬火及低温回火。（3）同时承受交变弯曲（或扭转）及拉、压载荷的轴这类轴如锻锤锤杆、船舶推进器曲轴等。 应选用淬透性较高的钢，如30CrMnSi、40MnB、40CrNiMo钢。一般也经调质，然后在轴颈处进行表面淬火及低温回火。（4）承受较大冲击载荷，又要求较高

21、耐磨性的形状复杂的轴，属于这类轴的有汽车、拖拉机的变速箱轴，可选用合金结构钢（18Cr2Ni4WA）先经渗碳，再进行淬火和低温回火。制造轴的材料不限于上述钢种，还可选用不锈钢、球墨铸铁和铜合金等。3、工艺路线分析实例以CA6140型卧式车床变速箱的主轴为例 （1）工作条件及性能要求1）承受交变的弯曲应力和扭转应力，有时受到冲击载荷作用。2）主轴大端内锥孔和锥度外圆经常和顶尖有相对摩擦。3）花键部位齿轮有相对滑动。确定热处理的技术条件： 整个调质后硬度应在220-250HBW，组织为回火索氏体；内锥孔硬度应在45-50HRC；距表面层3-5mm内为回火托氏体和少量回火马氏体组织；外圆锥面（C面1

22、06mm16mm）及花键部位（90mm80mm）硬度为4852HRC，组织为回火托氏体和较多回火马氏体。（2）选用材料 根据上述工作条件和性能要求，以选择45钢经正火即可（正火后可达b=600 MPa，-1=260 MPa） （3）工艺路线 下料锻造 正火粗加工调质精加工（除花键外） 局部淬火、低温回火（圆锥孔及外圆锥体） 粗磨（外圆锥体及圆锥孔）铣花键花键表面淬火、低温回火 精磨（外圆、外圆锥体及圆锥孔）。第六节 典型工具的选材及工艺路线分析一、手用丝锥 淬火后丝锥表层组织为下贝氏体+马氏体+渗碳体+残余奥氏体，硬度大于60HRC，具有高的耐磨性。心部组织为托氏体+下贝氏体+马氏体+渗碳体+

23、残余奥氏体，硬度为3045HRC，具有足够韧度。1、工作条件、失效方式与性能要求属于手动攻螺纹，故承受载荷较小，切削速度很低，他的失效形式是磨损及扭断。因此齿刃部分要求高硬度和高耐磨性，以抵抗扭断。2、选用材料常用T12A、T10A钢。3、M12手用丝锥的选材及工艺路线（1）选用材料 T12A（2）工艺路线 下料 球化退火 机械加工 淬火、低温回火 柄部处理 防锈处理（发蓝）。二、冷作模具1、工作条件、失效方式和性能要求（1）冲裁模1）工作条件： 落料、冲孔和修边模，刃口经受多次冲击、摩擦和弯曲应力；冲孔或落料凸模，经受压、弯、冲击载荷和磨损，下料剪刀刀刃经常受磨损，压缩和弯曲载荷。2）失效方式：正常失效为磨损。但常因结构或热处理不当而产生刃口剥落、镦粗、折断等现象，造成模具早期失效。3）性能要求：要求高的