机械零件材料及毛坯的选择

3第〖任务描述〗

机械零件材料及毛坯的选择车床主轴是指机床上带开工件或刀具旋转的轴，它是打算机床的加工质量和切削效率的6-1所示的C616

的驱动下学习。6-1C616〖任务分析〗该车床主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷不大，转速中等，冲击载荷也不大，花键处与齿轮有相对滑动。为防止划伤和磨损，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。轴颈与滚动轴承协作硬度要求不高。C61645220～250HBW；内锥孔和外锥45～50HRC48～53HRC。其加工工艺路线为锻造—正火—粗加工—调质—半精加工—淬火、低温回火—粗磨(外圆、锥孔、外锥体)—铣花键—花键淬火、回火—精磨。〖相关学问〗学习情境一零部件的失效一、零部件失效的概念及形式一般机器零件常见的失效形式有过量变形、断裂和外表损伤三种。过量变形 把握零部件失效的概念。形量过大会使零件失效。引起弹性变形失效的缘由主要是零部件的刚度缺乏。要预防过量弹性变形，则应选用弹性模量大的材料。过量塑性变形。零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。过量塑性变形是机械零件失效的重要形式，轻则使机器工作状况变坏，重则使机器无法连续运行，甚至破坏。蠕变。在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不行避开的，通常是以金属在肯定温度和应力下经过肯定时间所引起的变形量来衡量。断裂韧性断裂尺寸发生明显的变化。一般断面缩小，且断口呈纤维状。零件的韧性断裂往往是由于受到很大的载荷或过载引起的。低温脆性断裂零件在低于其材料的脆性转变温度以下工作时，其韧性和塑性大大降低并发生脆性断裂而失效的现象称为低温脆性断裂。疲乏断裂 把握各种断裂的零件在承受交变载荷时，尽管应力的峰值在抗拉强度甚至在屈服强度以下，但经过肯定特点。周期后仍会发生断裂，这种现象称为疲乏断裂。疲乏断裂是脆性断裂，断裂前往往没有明显的预兆而突然断裂。蠕变断裂在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过肯定范围时，零件内部产生裂纹而很快断裂，这种现象称为蠕变断裂。有些材料在断裂前产生颈缩现象。环境破断失效在承受肯定载荷的件下，由于环境因素〔例如腐蚀介质〕的影响，往往消灭低应力下的延迟断裂，使零件失效，这类断裂称为环境破断失效。环境破断失效包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀和疲乏等。外表损伤磨损失效磨损失效是指相互接触的一对金属部件相对运动时金属外表不断发生损耗或产生塑性变形，使金属外表状态和尺寸转变的现象。磨损的种类很多，最常见的有磨粒磨损和黏着磨损两种。腐蚀失效腐蚀失效是指零件暴露于活性介质环境中并与环境介质间发生化学或电化学作用，从而造成零件外表材料的损耗，引起零件尺寸和性能变化而导致的失效。常见的腐蚀失效有点腐蚀、裂缝腐蚀和应力腐蚀等。接触疲乏失效接触疲乏失效是指相互接触的两个运动外表在工作过程中承受交变接触应力的作用并使外表层材料发生疲乏而脱落造成的失效。二、零部件失效的缘由1.设计不合理零部件设计不合理主要表现在零部件的尺寸和构造设计上。例如，过渡圆角太小、锋利的切口、尖角等会造成较大的应力集中而导致失效。选材不当选材不当主要表现在选材所依据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，不能满足工作条件的要求。加工工艺不当磨削裂纹等，都可能成为引发零部件失效的危急源。零部件热处理时，冷却速度不够、外表脱碳、淬火变形和开裂等都是产生失效的重要缘由。装配使用不当在将零部件装配成机器或装置的过程中，由于装配不当、对中不好、过紧或过松都会使零部件产生附加应力或振动，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零部件在不正常的条件下运转，造成零部件过早失效学习情境二选择材料的原则

把握各种损伤的特点。能够正确地推断零部件失效缘由。一、使用性能原则这是保证零件安全牢靠、经久耐用的先决条件。值得留意的是，零件所要求的力学性能数据不能简洁地从机械手册中直接选取，还必需留意以下状况。材料的性能不仅与化学成分有关，还与加工、处理后的状态有关，金属材料尤其明显。所以要分析机械手册中的性能指标是在何种条件下得到的。是降低的。因此，必需考虑零件尺寸与机械手册中试样尺寸的差异，并进展适当的修正。的数据，大多是波动范围的下限值。也就是说，在尺寸和处理条件一样时，机械手册的数据是

零件所要求的力学性能数据不能简洁地从机械手册中直接选取。偏安全的。二、工艺性能原则金属材料的工艺性能金属材料的加工工艺简单，要求的工艺性能比较多，如铸造性、可锻性、切削加工性、焊接性、热处理工艺性等。常用金属材料的工艺性能的普遍规律是：铸造性最好的是共晶成分四周的合金，铸造铝合金和铜合金的铸造性优于铸铁，铸铁又优于铸钢。高分子材料的工艺性能高分子材料的加工工艺比较简洁，切削加工性尚好，但导热性较差，在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧上升，可能使热固性塑料变焦，热塑性塑料变软。陶瓷材料的工艺性能陶瓷材料的加工工艺也比较简洁。按零部件的外形、尺寸精度和性能要求的不同，可承受不同的成形加工方法〔注浆成形法、可塑成形法、压制成形法。三、经济性原则尽量降低材料本钱及其加工本钱使用非金属材料代替金属材料零件的总本钱四、选材步骤在具体工程实践中通常依据以下步骤进展选材。确定材料的性能要求。分析零件的工作条件及失效形式，确定零件的性能要求〔使用性能和工艺性能。一般主要考虑力学性能，特别状况应考虑物理、化学性能。使用性能、原材料供给和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的参考。后通过力学计算或试验等方法，确定零件应具有的力学性能指标或物理、化学性能指标。高效加工和组织现代化生产的要求。确定热处理方法或其他强化方法。审核所选材料的经济性。对材料的经济性审查包括材料费、加工费、使用寿命等。进展材料试验。

够实际进展选材。一、齿轮类零件的选材1.齿轮的工作条件

学习情境三典型零件的选材齿轮工作时的受力状况如下。由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生猛烈的摩擦。由于换挡、启动或啮合不良，齿部承受肯定的冲击。2.齿轮的失效形式依据齿轮的工作特点，其主要失效形式有以下几种。断裂，疲乏断裂是齿轮最严峻的失效形式。齿面磨损。齿面磨损是指齿面接触区摩擦，使齿厚变小，齿隙增大。裂纹并渐渐进展，引起点状剥落。过载断裂。过载断裂主要是指冲击载荷过大造成的断齿。3.齿轮用材的性能要求依据工作条件和失效形式，齿轮用材应满足以下性能要求。齿轮用材应具有高的弯曲疲乏强度。齿轮用材应具有高的接触疲乏强度和耐磨性。齿轮心部应具有足够的强度和韧性。4.齿轮类零件的常用材料低、中碳钢或低、中碳合金钢非铁金属及非金属材料铸铁材料二、轴类零件的选材1.轴的工作条件轴在工作时主要承受交变、弯曲和扭转应力的复合作用，有时也承受拉、压应力；轴与轴上的零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷。多数轴在工作过程中常常要承受肯定的过载载荷。轴的失效形式轴的主要失效形式有以下几种。断裂。断裂是轴的最主要失效形式，其中多数为疲乏断裂，少数为冲击过载断裂。磨损。轴的相对运动外表因摩擦而过度磨损。足的过量弹性变形失效。轴的性能要求轴应具有优良的综合力学性能，即具有足够的强度、塑性和肯定的韧性，以承受过载和冲击载荷，防止发生过量变形和断裂。当弯曲载荷很大、转速又很高时，轴要承受很高的疲乏应力。因此，要求轴具有高的疲乏强度，以防疲乏断裂。。轴转速越高，耐磨性要求也越高。在特别条件下，轴还应具有较高的抗蠕变力量和耐蚀性。4.轴类零件的常用材料锻钢铸钢铸铁

明确齿轮工作条件的常用材料。明确轴的工作条条件下轴类零件的选材。学习情境四毛坯成形方法的选用一、毛坯的种类毛坯是指经过铸、锻、焊、压力加工、粉末冶金等方法成形后未经机械加工的坯件。在机械制造过程中常用的毛坯有铸件、锻件、焊件、冲压件、型材、粉末冶金件、工程塑料件等。铸件用铸造方法获得的零件毛坯称为铸件。几乎全部的金属材料都可进展铸造，其中铸铁应用最广，而且铸铁也只能用铸造的方法来生产毛坯。常用于铸造的碳钢为低、中碳钢。铸造既可生产外形简洁的铸件，也可生产外形简单的铸件，特别是内腔简单的毛坯常用铸造方法生产。铸件外形和尺寸与零件较接近，可节约金属材料和加工工时，一些特种铸造方法成为少屑和无屑加工的重要方法之一。同时铸造所用设备简洁，原材料来源广泛，价格低廉。一般状况下铸件的生产本钱较低，是优先选用的毛坯。锻件锻件是固态金属材料在外力作用下通过塑性变形得到的。塑性变形使锻件内部的组织较细且致密，没有铸造组织中的缺陷，所以锻件比一样材料铸件的力学性能高。尤其塑性变形

把握常用铸造毛坯的适用性。后使型材中的纤维组织重分布，符合零件受力的要求，更能发挥材料的潜力。锻件常用做强度高、耐冲击、抗疲乏等重要零件的毛坯。与铸造相比，锻造方法难以获得外形较简单〔特别内腔〕的毛坯，且锻件本钱一般比铸件高，金属材料的利用率也较低。自由锻适用于单件、小批生产、外形简洁的毛坯，其缺点是精度不高、外表粗糙度大、加工余量大、消耗金属多。模锻件的外形比自由锻件简单，且尺寸较准确，外表粗糙度小，可削减切削加工本钱，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。冲压件冲压可制造外形简单的薄壁零件，冲压件的外表质量好，外形和尺寸精度高，一般可满足互换性的要求，故一般不必再经切削加工便可直接使用。冲压生产易于实现机械化与自动化，所以生产率较高，产品的合格率和材料利用率高，故冲压件的制造本钱低。但冲压件只适用于大批量生产，由于模具制造的工艺简单、本钱高、周期较长，只有在大批量生产中才能显示其优越性。挤压件挤压件是一种由少切削加工或无切削加工的工艺成形的毛坯。挤压件生产效率高，尺寸准确，外表粗糙度小，可制成薄壁、深孔、异形截面等外形简单的零件。挤压成形毛坯的质量及尺寸不宜太大，因此，挤压适用于塑性良好的常用金属材料毛坯的成形。焊接件焊接件是借助金属原子间的集中和结合的作用，把分别的金属制成永久性的构造件。焊接件的尺寸、外形一般不受限制，可以小拼大，构造轻松，材料利用率高，生产周期短，主要用于制造各种金属构造件，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、外形简单的零件或毛坯，不需要重型与专用设备，产品改型便利。焊接件接头的力学性能与母材根本接近。焊接件可以承受钢板或型钢焊接，或承受铸—焊、锻—焊或冲—焊联合接头的热影响区力学性能有所下降。型材用炼钢炉冶炼成的钢在浇注成钢锭后，除少量用于制造大型锻件之外，大局部钢锭都通过轧制等压力加工的方法制成各种型材。型材具有流线〔或纤维〕组织，故其力学性能具有方向性，即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。型材是大量生产的产品，可直接从市场上购得，价格廉价，可简化制造工艺和降低制造本钱，尽管尺寸精度与外表质量稍差，但在不影响零件性能的状况下，一般优先选用型材。型材的断面外形和尺寸有多种，常见的型材有型钢、钢板、钢管、钢丝、钢带等。7.粉末冶金件粉末冶金件毛坯是近年来进展速度较快的一种型毛坯件，其特点是材料利用率高，效率高，无需机械加工，适合生产各种材料或各种具有特别性能材料搭配在一起的零件和外形简单的零件。但粉末冶金模具本钱高，材料本钱相对较高。粉末冶金件的强度比相应材料的传统冶炼产品强度要低。8.工程塑料件密度小、吸振性好、本钱低，特别是在一些小型机械设备中应用较多，如用它制成的轴承、齿轮、密封圈等；具有良好的减摩特性，可制造化工、冶金设备中的一些零件；具有良好耐酸、耐碱等耐蚀性，可制造航空、航天设备中的零件；具有比强度高的特性，可减轻整体结构的重量。特别是复合塑料消灭后，更能发挥其优良特性以扩大在机械制造中的应用范围。二、毛坯成形方法的选择原则1.满足使用要求的原则

比较铸件和锻件异同点。适应成形加工工艺性的原则可行性原则经济性原则环保性原则学习情境五常见机械零件的毛坯成形方法一、轴杆类零件轴杆类零件是回转体零件，其轴向〔纵向〕尺寸远大于径向〔横向〕尺寸。这类零件包括各类传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、连杆等。在机械设备中，这类零件主要用来支承传动零件和传递转矩，受力较大，要求具有较高的强度、疲乏极限、塑性和韧性以及良好的综合力学性能。轴杆类零件一般都承受锻造方法成形，常用材料为中碳钢。单件、小批生产时，可承受自由锻造成形。批量生产时，可承受模锻成形。某些简洁光滑的轴类零件，还可承受轧制拉拔成形。对于某些异形截面或弯曲轴线的轴，如凸轮轴、曲轴等，较难用锻造的方法成形，则可承受球墨铸铁材料，用铸造方法成形，以降低生产本钱。有时，也可承受铸—焊或锻—焊的成形方法。二、盘套类零件盘套类零件〔如各种齿轮、带轮、飞轮、轴承环等〕是具有同一轴线内外回转的零件，其轴向〔纵向〕尺寸一般小于径向〔横向〕尺寸，或者两个方向的尺寸相差不大，它们主要起支承或导向作用，在工作中承受径向力和摩擦力。盘套类零件中最典型的是齿轮，它是各类机械设备中的重要传动零件。齿轮轮齿外表要有足够的强度、硬度，同时齿轮本身也要有肯定的强度和韧性。当齿轮尺寸较小时，可选用一般的锻造方法。当齿轮尺寸很小〔直径小于100mm〕时，可用圆钢为毛坯；当齿轮尺寸很大〔500mm〕时，锻造成形比较困难，可用铸造方法，材料选用铸钢或球墨铸铁。铸造齿轮一般以轮辐构造代替锻钢齿轮辐板构造，假设单件生产大型齿轮的毛坯，常承受焊接方法制造；假设大批量生产中小齿轮，可承受热轧或周密模锻方法制造。仪器、仪表中受力不大