典型工件选材与工艺路线设计

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1、,9.1 齿轮选材 9.2 轴类零件选材 9.3 弹簧选材 9.4 刃具选材,第9章 典型工件的选材及工艺路线设计,内容提要：,本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件(齿轮、轴类零件、弹簧和刃具)的工作条件、失效形式、性能要求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。,学习目标：,本章是工程材料课程的一个重点章。要求掌握齿轮 （机床和汽车齿轮）、轴类零件、刃具的工作条件、失效形式、性能要求及选材，进行工艺路线分析。熟悉弹簧（如汽车板簧、气门弹簧）的工作条件、失效形式、性能要求、选材，工艺路线分析。,学习建议：,1. 结合实际，学习本章内容。如观察机床（车床或刨床)、汽车的结构，分析各重要部件和

2、零件的工作条件、失效形式、性能要求，练习选材。 2. 学习本章要求掌握零件选材的方法和步骤，即首先分析零件的工作条件和失效形式，提出对该零件合理的性能要求，并根据所掌握的材料知识，选择适宜的材料以满足零件的使用要求。,齿轮类零件,主要用于传递动力和 传递运动。,9.1 齿轮选材,9.1.1 齿轮的工作条件,(1) 由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；,(2) 换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；,(3) 齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。,9.1.2 齿轮的失效形式,(1) 疲劳断裂 主要从根部发生； (2) 齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；

3、 (3) 齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点)； (4) 过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。,9.1.3 齿轮材料的性能要求,高的弯曲疲劳强度； 高的接触疲劳强度和耐磨性； 较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。,9.1.4 齿轮类零件的选材,齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。选用低、中碳钢或其合金钢。经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。这类

4、钢的工艺性能好。经济上也较合理，所以是比较理想的材料。,1.机床齿轮的选材,（1）中碳钢或中碳合金钢,最常用的有45钢和40Cr钢。45钢用于中小载荷齿轮，如床头箱齿轮、溜板箱齿轮等，经过高频淬火和回火后，硬度可选5258HRC。 40Cr钢用于中等载荷齿轮，如铣床工作台变速箱齿轮，经高频淬火和回火后，硬度可达5258HRC。,（2）渗碳钢,常用的有20Cr、20Mn2B和20CrMnTi等。 20Cr、20Mn2B用于中等载荷、有冲击的齿轮，如六角车床变速箱齿轮。 20CrMnTi用于重载荷和有较大冲击的齿轮。如C620机床给进箱摆移齿轮，经渗碳淬火后，硬度可达5662HRC。,2.汽车、拖

5、拉机齿轮的选材,汽车齿轮的工作条件比机床齿轮的工作条件恶劣，受力较大，超载与启动、制动和变速时受冲击频繁，对耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等性能的要求均较高，用中碳钢和中碳合金钢经高频表面淬火已经不能保证其使用性能。选用合金渗碳钢20CrMnTi 、20CrMnMo 、 20MnVB较为合适。这类钢经正火、渗碳淬火后表面硬度可达5862HRC，心部硬度可达3045HRC。,9.1.5 典型齿轮选材举例,一、机床齿轮,机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(

6、40Cr钢)。,工艺路线为：下料-锻造-正火-粗加工-调质-精加工-高频淬火及低温回火-精磨。,冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT500-5、 QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外, 有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮, 工作时传动平稳, 噪声减少,长期使用磨损很小。,见P330表9-2齿轮用材及热处理,二、汽车齿轮,汽车齿轮主要装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。,渗碳齿轮的工艺路线为：,下料-锻造-正火-切削

7、加工-渗碳、淬火及低温回火-喷丸-磨削加工。,1. 正火-消除锻造应力，均匀和细化组织，降低硬度，便于切削加工。,2.局部镀铜-对于轮盘、轮廓孔和工艺孔等进行局部镀铜、防渗处理。,3. 渗碳、淬火+低温回火,渗碳层深度1.21.6mm，表面含碳量为0.8%1.05%，淬火后表面硬度为5862HRC。低温回火是为了消除淬火应力和降低脆性。,4. 喷丸处理-增加表面压应力，以提高疲劳强度，同时消除氧化铁皮，改善光洁度。齿面硬度可提高12HRC，当然耐用性也提高了。,轴类零件,轴主要用来支承零件承受各种载荷和传递动力。,9.2 轴类零件选材,(1) 工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用； (2)

8、 轴与轴上零件有相对运动, 相互间存在摩擦和磨损； (3) 轴在高速运转过程中会产生振动, 使轴承受冲击载荷； (4) 多数轴会承受一定的过载载荷。,9.2.2 轴类零件的失效方式,9.2.1 轴类零件的工作条件,(1)长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）； (2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂； (3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。,9.2.3 轴类零件的性能要求,(1) 良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性, 以防过载断裂、冲击断裂； (2) 高疲劳强度, 对应力集中敏感性低, 以防疲劳断裂； (3) 足够淬透性, 热处理后表面要有高硬度、高耐

9、磨性, 以防磨损失效； (4) 良好切削加工性能, 价格便宜。,9.2.4 轴类零件材料及选材方法,一、材料 -经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、 20CrMnTi等； 可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。,二、选择原则,根据载荷大小、类型等决定。 主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的

10、钢种； 受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。,9.2.5 典型轴的选材,以C620车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。,一、机床主轴选材,根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理工艺为调质处理，硬度要求为220HBHB，轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为52HRC。工艺路线如下：,锻造 正火 粗加工 调质 精加工 表面淬火及低温回火 磨削加工。,如果这类机床主轴的载荷较大，可用40Cr钢制造。当承受较大的冲击载荷

11、和疲劳载荷时，则可采用合金渗碳钢制造，如20Cr或20CrMnTi等。,二、内燃机曲轴选材,性能要求 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。,选材 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。 实例 175A型农用柴油机曲轴 性能指标 b750MPa，整体硬度240260HBS， 轴颈表面硬度625HV (HRC55), 2%, aKU150kJ/m2。 选材 QT700-2 热处理工艺 880920正火 + 500600回火 + 轴颈 N化 最终组织 P + G + 少量F 工艺路线 铸造高温正火高温回火机加工轴颈 N化,9.3 弹簧选材,例：汽车板簧 用途：用于缓冲和吸振 工作状况：承受很大的

12、交变应力和冲击载荷的作用。 要求：高的屈服强度和疲劳强度 选材：弹簧钢（65 Mn, 60Si2Mn） 中型或重型汽车板簧用50CrMn, 55SiMnVB 重型载重汽车大截面板簧用55SiMnMoV, 55SiMnMoVNb 工艺路线： 热轧钢带（板）冲裁下料 压力成形 淬火 中温回火 喷丸,9.4 刃具选材,切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具称为刃具。,刃具的失效形式：（1）磨损 （2）断裂（3）刃部软化由于刃部温度升高，若刃具材料的红硬性低或高温性能不足，使刃部硬度显著下降，丧失切削加工能力。,选材实例：,用9SiCr制造的圆板牙要求具有高硬度、高的耐磨性，一定的韧性

13、，并且要求热处理变形小。试编写加工制造的简明工艺路线，说明各热处理工序的作用及板牙在使用状态下的组织及大致硬度。,下料球化退火机械加工淬火 +低温回火磨平面抛槽开口,球化退火：降低硬度，便于机械加工，并为最终热处理做好组织上的准备。 淬火 +低温回火：保证最终使用性能（高的硬度和良好的韧性），减小变形（分级淬火），降低残余内应力。硬度大于60HRC。,车刀、铣刀等高速切削用的刃具-高速钢,例：齿轮滚刀 用途：生产齿轮的常用刃具，用于加工外啮合的直齿和斜齿渐开线圆柱齿轮。 形状复杂，精度要求高。 高速钢的特点：高硬度、高耐磨性、高的热硬性、好的强韧性、高的淬透性，高的价格。 材料选用：高速钢W1

14、8Cr4V 工艺路线： 热轧棒材下料锻造球化退火淬火回火（三次）精加工表面处理,9.5 箱体类零件,箱体类零件零件选材,（1）铸造箱体如变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体、缸盖、机床的床身等，都可视为箱体类零件，箱体类零件是机器设备中很重要的一类零件。 箱体类零件大都结构复杂，一般都用铸造合金浇注而成。 1) 以承受应力为主的机座零件，内装有传动轴而要求具有良好刚性的箱体及一般的机身等，应选用灰铸铁，常用的有HT150。要求耐磨性好的可选用HT200、HT250等。 2) 一些受力较大、要求强度高、冲击韧性好，如用于工程机械、矿山机械、机车车辆的箱体零件，应选用铸钢，常用牌号有ZG230-4

15、50、ZG270-500。若有其他特殊使用要求时，如耐蚀、耐热等， 则应选用合金铸钢。 3) 承受冲击载荷，若外形尺寸小、壁薄，选用铸钢。其铸造工艺有困难时，可选用可锻铸铁。 4) 受力不大，要求自重轻，导热性、耐蚀性良好，采用金属型铸造或压力铸造的小型箱体零件，如小型发动机的缸体和缸盖、仪器仪表的壳体等，应选用铸造铝合金，常用的有铝硅合金系列，如ZL102、ZL104、ZL105等。,（2）焊接箱体受力较大，但形状简单的箱体，可用型钢焊接而成。厚板焊接箱体，常用材料 为Q215、Q235中厚板低碳钢；强度要求高的可选用16Mn或其他材料；薄板焊接箱体应选用普通 低碳钢板。 （3）注塑箱体受力很小，要求自身轻的箱体，可选用工程塑料，如电视机、收音机、洗衣机、 电冰箱等壳体。常用的生产方法是选用热塑性塑料注塑成型，或选用热固性塑料压制成型。,箱体类零件零件选材,选材举例赛车,聚异丁烯，并添加细小颗粒以降低磨损、提高和路面的摩擦力。,高刚度轻型玻璃纤维增强高分子基复合材料，减轻重量降低能耗。,引擎由轻型铝合金制成，减轻重量降低能耗。,散热板由铝合金制成,翼翅外涂玻璃纤维增强复合材料保护的由聚苯乙烯构成,骨架选用高强度含Cr、Mo合金钢。,小结,重点要求 针对具体的机械零件，合理选材，并制定恰当的加工制造工艺（尤其是热处理工艺）。,