机械零件选材及其工艺方法的选择.docx

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机械零件选材及其工艺方法的选择

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手工砂型铸造方法；对于锻件应优先选用碳素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。

在大批量生产中，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定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4-6常用毛坯成型的方法及其相关内容比较

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

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。

它是机械设备中重要的受力零件。

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。

转轴在工作时承受弯曲和扭转应力的复合作用；心轴只承受弯曲应力；传动轴主要承受扭转切应力。

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。

主要存在有以下几种：

（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）发生过量扭转或弯曲变形（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、低温等恶劣条件下工作的轴，应选用合金钢，常用20Cr、40MnB、40Cr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、低温回火等热处理，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40Cr钢制造。

机床主轴的工艺路线为：

下料

锻造

正火

粗切削加工

调质

半精切削加工

局部表面淬火、低温回火

粗磨

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铣床主轴，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，如镗床主轴，往往用38CrMoAlA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、扭转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、45Mn2等钢制造；高速内燃机曲轴选用高强度合金钢35CrMo、42CrMo制造。

内燃机曲轴工艺路线为：

下料

锻造

正火

粗切削加工

调质

半精加工

轴颈表面淬火、低温回火

粗磨

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

正火、高温回火

机加工

轴颈表面淬火、低温回火

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；高温回火主要是为了消除正火风冷所造成的内应力。

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，齿轮的直径可以从几毫米到几米，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，主要是由于轮齿根部所受的弯曲应力超过材料的抗弯强度引起的。

过载断裂是由于短时过载或过大冲击所引起的，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≤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Q255、45、50Mn等钢制造，常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮，正火硬度为160～200HBS；调质硬度一般为200～280HBS，不超过350HBS。

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45、50Mn、40Cr、42SiMn等钢，也可采用55Tid、60Tid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50～55HRC。

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，如20Cr、20CrMnTi、20CrNi、18Cr2Ni4WA等钢。

其热处理采用渗碳、淬火、低温回火，齿轮表面获得58～63HRC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。

（2）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220～250HBS，完全可满足性能要求。

对于一部分性能要求较高的齿轮，可用中碳低合金钢如40Cr、40MnB等钢制造，齿面硬度达到58HRC，心部强度和韧性也有所提高，毛坯采用锻造为宜。

机床齿轮的加工工艺路线为：

下料

锻造

正火

粗切削加工

调质

半精加工

高频感应表面淬火、低温回火

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20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB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58～62HRC，心部硬度可达35～45HRC。

汽车、拖拉机齿轮的加工工艺路线为：

下料

锻造

正火

粗、半精切削加工

渗碳、淬火、低温回火

喷丸

精磨

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。

重量从几千克至数十吨，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，要求自重轻等，可考虑工程塑料件。

在单件生产或工期要求紧的情况下，或受力较大，形状简单，尺寸较大，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4-42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-端盖；2—对合面；3—定位销孔；4—底座；5—出油孔；6—油面指示孔

思考与练习题

1.刀具正交平面参考系由哪些平面组成?

它们是如何定义的?

2.切屑类型有哪四类?

各有哪些特点?

3.试述背吃刀量

、进给量

对切削温度的影响规律。

4.切削热是如何产生的?

它对切削过程有什么影?

5.常用切削液有哪几种?

各适用什么场合?

6.按加工性质和所用刀具不同，机床可分为哪几类？

7.说明下列机床型号的意义：

X6132，X5032，C6132，Z3040，T6112，Y3150，C1312，B2010A。

8.根据图4-43（a）、（b）所示传动系统图，要求：

1）分别列出图（a）、图（b）的传动路线表达式；

2）分析图（a）Ⅲ轴、图（b）Ⅴ轴的转速级数；

图4-43车床传动系统图

9.外圆表面常用加工方法有哪些？

如何选用？

10.简述无心外圆磨削的特点及磨削方法？

11.内圆表面常用加工方法有哪些？

如何选用？

12.标准麻花钻的缺点是什么？

13.试分析钻孔、扩孔和铰孔三种方法的工艺特点，并说明这三种孔加工工艺之间的联系。

14.镗削加工有何特点？

常用的镗刀有哪几种类型？

其结构和特点如何？

15.试述刨削的工艺特点和应用。

16.试述铣削加工的工艺范围及特点。

17.试分析磨平面时，端磨法与周磨法各自的特点。

18.平面磨床有哪几种类型？

常用的是哪种类型？

19.为什么轴类零件一般采用锻件毛坯，而箱体类零件多采用铸件毛坯？

20.汽车、拖拉机变速箱齿轮多采用渗碳钢制造，而机床变速箱齿轮多采用中碳钢制造，为什么？

21.某齿轮要求具有良好的综合力学性能，表面硬度50～55HRC，用45钢制造，加工工艺路线为：

下料

锻造

热处理

粗加工

热处理

精加工

热处理

精磨。

试说明工艺路线中各个热处理工序的名称和目的。