第11章机械零件毛坯的选择

机械制造基础第十一章机械零件毛坯的选择一、常见零件毛坯的分类与比较1、常见零件毛坯的分类与比较

机械零件的制造包括毛坯成形和切削加工两个阶段，毛坯成形不仅对后续的切削加工将产生很大的影响，而且对零件乃至机械产品的质量、使用性能、生产周期和成本等都有影响。因此，正确选择毛坯的类型和成形方法对于机械制造具有重要意义。

机械零件的常用毛坯包括铸件、锻件、轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件、粉末冶金件和注射成型件等。由于每种类型的毛坯都可以有多种制造方法，各类毛坯在某些方面的特征可以在一定范围内变化。因此，表中所列特点并不是绝对的，只是就一般情况比较而言。例如：铸件中一般砂型铸件，晶粒组织粗大而疏松，但压力铸造的薄壁铸件，晶粒细小而致密；锻件是固态下成形，金属流动困难，加工余量较大，材料利用率一般较低，但精密锻造的锻件和冷挤压件，可以基本上实现零件的最终成形，材料利用率也很高；对于一般生产周期较短的焊接，有时焊接大而复杂的焊件时，生产周期也可能很长。

2、毛坯生产成本的比较

（1）铸件的生产成本

影响铸件生产成本的主要因素有铸件设计、铸造方法、铸造工艺和铸造生产管理等方面。1）铸件设计

铸件设计主要包括材料的选择和结构尺寸的确定。铸件材料对铸件成本影响较大。

各类铸造材料的相对价格见表所示：

材料类型灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁碳钢低锰钢含铬钢铝硅合金黄铜锡青铜相对价格0.60.81.01.01.21.46.05.08.0铸件的结构形状和尺寸对成本的影响主要是通过铸件的结构工艺性来起作用的。如果铸件的结构工艺性良好，可防止铸件缺陷的产生，使废品率下降，并能使铸造工艺过程简化，从而提高生产率，使铸件的生产成本降低。2）铸造方法的选择

铸造方法不同，则铸造工艺、所需设备投资、生产率、铸件质量、合金的利用率及后续的切削加工费用均不同。各铸造方法的经济性比较见表所示：比较项目砂型铸造金属型铸造压力铸造离心铸造熔模铸造小批量生产的适应性好良好不好不好良好大批量生产的适应性良好良好好良好良好模型、铸型生产成本低中等高中等较高铸件的加工余量大较大最小大（内孔）较小切削加工费用中等较小最小较大较小金属利用率较低较高较低较低较差设备费用较高（机器造型）较低较高中等较高生产率（适当机械化后）低、中中等高高中等3）铸造工艺

砂型铸造中，其造型工艺过程不同，则铸件生产过程中的材料消耗、工时和工模具费用的耗费都不同。

比较项目适应的生产类型生产率设备、模具费用整模造型各种类型较高较低分模造型成批、大量较高中挖砂造型单件、小批低低假箱造型成批中中三箱造型单件、小批低中刮板造型单件、小批低低外型芯造型成批中中机器造型成批、大量高高各种造型方法的经济性比较见表所示：4）生产管理

科学的生产管理能明显降低废品率和生产过程中原材料的浪费；精简管理人员，减少非生产性成本，都可使毛坯的生产成本下降。（2）锻件的生产成本

影响锻件成本的主要因素有原材料消耗、工模具费消耗、锻造方法、生产率及生产管理等方面。例如，某专业锻造厂生产95系列柴油机连杆及连杆盖锻件的单件成本统计中，锻件生产成本的组成为：材料费43.8%、模具费31.2%、燃料动力费9.1%、生产管理费用14.1%、工时消耗费用1.7%。1）原材料消耗

在锻件成本中占的比例最大，而锻件从下料到加工成零件中间有一系列的材料损失，如下料损失、烧损、废料（冲孔芯料和飞边等）和废品损失。

某厂95系列柴油机连杆和连杆盖的材料消耗表分类下料质量kg锻件质量kg零件质量kg零件材料利用率总材料利用率%连杆2.551.701.151.15/1.70=67.6%1.15/2.55=45.1连杆盖0.940.650.480.48/0.65=73.8%0.48/0.94=51.1合计3.492.351.631.63/2.35=69.4%1.63/3.49=47.0由上表可知提高材料利用率，降低原材料消耗，对锻件生产成本的降低其影响是很明显的。材料利用率的提高，可以通过降低锻造过程中的下料损失、废料损失、烧损和废品损失来获得。材料利用率的提高，还可以通过减少锻造余块、加工余量来获得，这样既可降低材料消耗，又可以减少大量的切削加工费用。所以，精密锻造是降低锻件生产成本的主要途径之一。2）工模具费消耗

在模锻中，模具费用在锻件成本中所占的比例仅次于原材料消耗，约占总成本的1/3。合理地设计、制造和使用模具，减少模具的成本，延长模具的使用寿命，可明显降低锻件生产成本。3）锻造方法和生产率

锻造方法不同，其生产率、材料利用率和需要的设备投资规模就不同。因此，锻造方法主要通过锻件生产的工时消耗、投资规模及材料的利用率来影响锻件的生产成本。对于单件小批量生产，自由锻是优先选用的锻造方法；对于成批生产但批量不大时，应优先选择胎模锻，可以获得比较好的经济效益；对于大批量生产，则应采用高生产率、高精度的锤上模锻或其它模锻，以便提高生产率，降低材料的消耗，由于生产量大而分摊到单个锻件上的成本增加并不多，从而使锻件成本下降。4）生产管理

实行科学的生产管理，生产过程中的浪费和废品必然较少，非生产性成本较低，其生产成本也较低。（3）冲压件的生产成本

冲压件的生产成本主要包括：材料消耗费（原材料费、外购件费用）加工费（工人工资、设备折旧、生产管理等费用）模具费

因为冲压件的生产离不开模具，不管生产批量的大小如何，冲压件的生产总成本中，模具费相差不是很大。所以，单个冲压件的生产成本受生产批量的影响极大。

1）节约模具费

试制和小批量生产冲压件时，降低模具费是降低生产成本的最有效途径。对于外形尺寸小的工件，采用通用模、简单模、甚至钢丝钳、剪刀等工具生产；对于外形尺寸较大的工件，可用剪床、电动工具、火焰切割等方法。大批量生产冲压件时，采用高合金钢或硬质合金模具，通过提高生产率和延长模具使用寿命来减少单件的生产成本。2）合理制订生产工艺

合理的冲压工艺能降低模具费，节约加工工时，降低材料消耗等，使冲压件单件成本降低。工艺的合理化即是将工序适当地集中，以减少模具数，提高生产率，降低生产成本。工序的集中与分散是一个比较复杂的问题，它取决于零件的生产批量、结构形状、质量要求及工艺特点等。3）多个工件同时成形

生产批量较大时，采用多件同时冲压，可减少模具费、材料费和加工费。例如，采用两个工件左右对称成形，如图所示，不仅可以降低成本，还可使变形均匀，并改善模具的受力状况，延长模具的使用寿命。

两个工件同时成形示意图4）提高材料利用率、降低材料费用

冲压件生产中，工件原材料费占成本的60%左右，所以提高材料的利用率，是降低冲压件生产成本的重要措施之一，尤其对于原材料价格较高的工件更是如此。在满足零件使用要求的前提下：减少材料厚度或采用价格较低的材料；改进毛坯形状，合理排样；减小搭边，采用少废料或无废料排样；采用对称压制，多件同时成形后再切开；组合排样利用废料；无底拉深件可先用带料或条料焊接后再成形等。5）冲压过程自动化

对于大批量生产，自动化生产对降低成本和保证安全都是十分必要的。二、毛坯选择的原则

1、满足材料的工艺性能要求

零件材料的选择与毛坯的选择关系密切，零件材料的工艺性能直接影响着毛坯生产方法的选择。按加工工艺方法的不同，金属材料可分为铸造合金和压力加工合金两大类。

2、满足零件的使用要求

机械产品都是由若干零件组成的，保证零件的使用要求是保证产品使用要求的基础。因此，毛坯选择首先必须保证满足零件的使用性能要求。零件的使用要求主要包括：零件的工作条件（通常指零件的受力情况、工作环境和接触介质等）零件结构形状和尺寸的要求零件性能的要求。（1）结构形状和尺寸的要求机械零件由于使用功能的不同,其结构形状和尺寸往往差异较大,各种毛坯制造方法对零件结构形状和尺寸的适应能力也不相同。所以，选择毛坯时，应认真分析零件的结构形状和尺寸特点，选择与之相适应的毛坯制造方法。对于结构形状复杂的中小型零件,应选择铸件毛坯。可选择砂型铸造、金属型铸造或熔模铸造等；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；对于那些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。（2）力学性能的要求对于力学性能要求较高，特别是工作时要承受冲击和交变载荷的零件，为了提高抗冲击和抗疲劳破坏的能力，一般应选择锻造毛坯，如机床、汽车的传动轴和齿轮等；对于由于其它方面原因需采用铸件，但又要求零件的金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择相应的能满足要求的铸造方法，如压力铸造、金属型铸造和离心铸造等。（3）表面质量的要求

为降低生产成本，现代机械产品上的某些非配合表面有尽量不加工的趋势，即实现少、无切屑加工。对于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（铸钢件）或精密模锻（结构钢件）。（4）其它方面的要求

对于具有某些特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生产方法来满足这些要求。如果零件选材为钢材，则宜选择型材（如液压油缸常采用无缝钢管）；如果零件选材为铸铁，则宜选择离心铸造（如内燃机的汽缸套，其材料为QT600－2，毛坯即为离心铸造铸件）；对于在自动机床上进行加工的中小型零件，由于要求毛坯精度较高，故宜采用冷拉型材（如微型轴承的内、外圈是在自动车床上加工的，其毛坯采用冷拉圆钢）。3、满足降低生产成本的要求

要降低毛坯的生产成本，在选择毛坯时，必须认真分析零件的使用要求及所用材料的价格、结构工艺性、生产批量的大小等各方面情况。首先，应根据零件的选材和使用要求确定毛坯的类别，再根据零件的结构形状、尺寸大小和毛坯生产的结构工艺性及生产批量大小确定具体的制造方法，必要时还可按有关程序对原设计提出修改意见，以利于降低毛坯生产成本。（1）生产批量较小时的毛坯选择

生产批量较小时，毛坯生产的生产率不是主要问题，材料利用率的矛盾也不太突出，这时应主要考虑的总是是减少设备、模具等方面的投资，即使用价格比校便宜的设备和模具，以降低生产成本。如使用型材、砂型铸造件、自由锻件、胎模锻件、焊接结构件等作为毛坯。（2）生产批量较大时的毛坯选择

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将具有明显的经济意义。因此，应采用比较先进的毛坯制造方法来生产毛坯。尽管此时的设备造价昂贵、投资费用高，但分摊到单个毛坯上的成本是较低的，并由于工时消耗、材料消耗及后续加工费用的减少和毛坯废品率的降低，从而有效地降低毛坯生产成本。4、符合生产条件

为兼顾零件的使用要求和生产成本两方面的原则，在选择毛坯时还必须与本企业的具体生产条件相结合。当对外订货的价格低于本企业生产成本，且又能满足交货期要求时，应当向外订货，以降低成本。

二、典型零件的选材及工艺路线1、轴杆类零件的毛坯选择

轴杆类零件是机械产品中支承传动件、承受载荷、传递扭矩和动力的常见典型零件，其结构特征是轴向（纵向）尺寸远大于径向（横向）尺寸，包括各种传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、齿轮轴、连杆、摇臂、螺栓、销子等，如图所示。（1）轴杆类零件的毛坯轴类零件最常用的毛坯是型材和锻件，对于某些大型的、结构形状复杂的轴也可用铸件或焊接结构件。对于光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴，常用型材（即热轧或冷拉圆钢）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。（2）轴杆类零件的材料常用轴类材料有：优质碳素结构钢，如35钢、40钢、45钢、65Mn钢等，其中用的最多的是45钢；合金钢，如20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等；碳素结构钢，如Q235、Q275等。除了上述碳钢和合金钢外，近年来越来越多地采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，尤其是曲轴的材料。（3）应用举例1）减速器传动轴，工作载荷基本平衡，材料45钢，小批量生产。由于该轴工作时不承受冲击载荷，工作性质一般，且各阶梯轴径相差不大，因此，可选用热轧圆钢作为毛坯。下料尺寸为Ф45㎜×220㎜。热轧棒料下料一粗加工一调质处理一半精加工一磨削2）磨床砂轮主轴“生产批量中等。砂轮主轴主要用于传递动力。该零件精度要求高，工作中将承受弯曲、扭转、冲击等载荷，要求具有较高的强度。选择65Mn，采用模锻件。砂轮主轴的加工路线为：下料－锻造－退火－粗加工－调质处理－精加工－表面淬火－粗磨－低温人工时效－精磨

退火的目的是消除锻造应力及组织不均匀性，降低硬度，改善加工性。调质处理是为了提高主轴的综合性能，以满足心部的强度要求，同时在表面淬火时能获得均匀的硬化层。图11.3.3磨床主轴简图表面淬火是为了使轴颈和外圆锥部分获得高硬度，提高耐磨性。人工时效的作用是进一步稳定淬硬层组织和消除磨削应力，以减少主轴的变形。2、盘套类零件的毛坯选择

盘套类零件是指直径尺寸较大而长度尺寸相对较小的回转体零件（一般长度与直径之比小于1）。属于这类零件的有各种齿轮、带轮、飞轮、联轴节、套环、轴承环、端盖及螺母、垫圈等。盘类零件由于其用途不同，所用的材料也不相同，毛坯生产方法也较多。如图所示。

（1）带轮的毛坯选择

带轮是通过中间挠性件（各种带）来传递运动和动力的，一般载荷比较平稳。对于中小带轮多采用HT150制造，故其毛坯一般采用砂型铸造，生产批量较小时用手工造型；生产批量较大时可采用机器造型；对于结构尺寸很大的带轮，为减轻重量可采用钢板焊接毛坯。（2）链轮的毛坯选择

链轮是通过链条作为中间挠性件来传递动力和运动的，其工作过程中的载荷有一定的冲击，且链齿的磨损较快。链轮的材料大多使用钢材，最常用的毛坯为锻件。单件小批生产时，采用自由锻造；生产批量较大时使用模锻；对于新产品试制或修配件，亦可使用型材；对于齿数大于50的从动链轮也可采用强度高于HT150的铸铁，其毛坯可采用砂型铸造，造型方法视生产批量决定。（3）圆柱齿轮的毛坯选择齿轮的毛坯选择取决于齿轮的选材、结构形状、尺寸大小、使用条件及生产批量等因素。对于钢制齿轮，如果尺寸较小且性能要求不高，可直接采用热轧捧料，除此之外，一般都采用锻造毛坯。生产批量较小或尺寸较大的齿轮采用自由锻造；生产批量较大的中小尺寸的齿轮采用模锻。对于直径比较大，结构比较复杂的不便于锻造的齿轮，采用铸钢毛坯或焊接组合毛坯。（4）应用举例1）机床齿轮的选材一般来说，机床齿轮载荷不大，运动平稳，工作条件好，故对齿轮的耐磨性及冲击韧度要求不高，一般可选用中碳钢制造。为了提高淬透性也可选用中碳合金钢，经高频淬火，基本上能满足机床工作条件。图为C620－1车床主轴箱中Ⅲ轴上的三联滑动齿轮简图，该齿轮承受载荷不大，运动也较平稳，所以可选用中碳钢来制造。但考虑到整个齿轮较厚，采用中碳钢难以淬透，于是选用中碳合金钢更好，如40Cr并经高频表面淬火。其加工工艺路线为：下料－锻造－正火－粗加工－调质－半精加工－齿轮高频淬火及回火－精磨正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，它可消除锻造压力，均匀组织，改善切削加工性。对于一般齿轮，正火也可作为高频淬火前的最后热处理工序。调质处理可以使齿轮获得较高的综合力学性能，齿轮可承受较大的弯曲应力和冲击力，并可减少淬火变形。高频淬火及低温回火提高了齿轮表面硬度和耐磨性，并且使齿轮表面产生压应力，提高了抗疲劳破坏的能力。低温回火可消除淬火应力，对防止产生磨削裂纹和提高抗冲击能力是有利的。2）载重汽车的变速齿轮的选材汽车变速箱中的齿轮主要用来调节发动机曲轴和主轴凸轮的转速比，以改变汽车运行速度，其工作较为繁重，因此在疲劳极限、耐磨性以及抗冲击作用等性能方面均比机床齿轮要求高。因此，变速齿轮的材料大多选用合金渗碳钢。图为解放牌汽车变速齿轮，采用20CrMnTi钢，有较高的力学性能，经渗碳淬火处理及低温回火后表面硬