机械设计和选材

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1、12 机械设计与选材 第一节 机械设计与选材的关系 提出设计任务 技术功能设计 总体结构设计 零件设计服役条件分析 选 材 失效形式估计， 确定失效抗力， 性能指标 工艺过程设计 （加工结构及 组织结构 提出设计任务 提出设计任务 设计总图 第二节、机械产品的失效问题 机械产品失效的原因： 设计不当 用材失误 材质不良 装配、使用不当 机械构件失效的形式： 1. 过量变形失效 过量弹性变形失效 过量塑性变形失效 2. 断裂失效 塑性变形失稳断裂 低应力脆性断裂 疲劳断裂 具体见表12-1. 第三节 选材的思路与程序 1）材料的使用性能 选材首要考虑的问题。 一般机械零件，主要是力学性能要求；

2、有时也要求一定理化性能，如:密度、热膨胀、电绝缘、耐腐蚀等。 2）材料的工艺性能 不同形式结构，采用不同方法制造，不同制造方法则 要求选用不同的材料，使制造工艺简单、成本低 。 3）材料的经济性 在保证使用与制造工艺要求的前提下， 应使材料价格低，材料来源供应充足。 一.按材料使用性能要求选材 1按零件工作条件选材 （1）承受拉伸、压缩载荷 （2）承受周期性交变载荷 （3）承受摩擦磨损载荷 （4）高速旋转及有惯性要求的零件 （5）专业用钢的选用 2按零件失效形式选材 ）失效基本类型： 断裂 过量变形 表面损伤 ）导致零件失效的主要原因 设计 材料 制造工艺 安装使用 3 ）失效分析： 取样，即

3、收集失效零件的残体； 整理失效零件的有关资料； 将所选样品进行宏观和微观的断口分析； 测定样品的必要数据，包括设计性能指标与失 效的有关性能指标，材料的组织及化学成分等 ； 综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具 体原因，提出改进措施，写出分析报告。 设 计加 工 零 件 失 效 安 装 使 用 材 料 材质低劣 选材不当 工作条件 估计错误 结构外型 不合理 计算错误 焊接缺陷 铸锻造缺陷 热处理缺陷 冷加工缺陷 过载使用 安装不良 操作失误 维护不良 零件失效 断裂失效变形失效表面损伤失效 弹 性 变 形 失 效 塑 性 变 形 失 效 塑 性 断 裂 失 效 低 应 力 脆 断 失 效

4、 疲 劳 断 裂 失 效 蠕 变 断 裂 失 效 介 质 加 速 断 裂 失 效 磨 损 失 效 表 面 疲 劳 失 效 腐 蚀 失 效 服役条件 失效零件 失 效 分 析 技 术 (应力分析、无损探伤 、断口分析、金相分析 、化学分析、机械性能 测试） 失效类型 （磨 损、断 裂、变 形 ） 力学分析 应力分析 失效原因 装配使用 工艺材料设 计 主要抗力指标 改进设计 抗力指标与内外因素关系 改进工艺加强管理 指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径 实验室试验 使用考验工业试验 二.按制造工艺性能要求选材 选材与材料工艺性能的关系 材料的工艺性能: 冷加工性能:冷变形加工、切削加工性能 热

5、加工性能：铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能 尽量选用工艺简单的材料 考虑各工序工艺之间的相互联系和结合 性能、质量要求不高的零件 毛坯正火或退火切削加工零件 如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能 均能满足要求。 性能要求较高的零件（如轴、齿轮等） 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热处理（ 淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）精加工零件。 金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料 的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。 性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠） 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热处理（ 淬火+低温回火，固溶时效

6、或渗碳）半精加工稳定化处理 （或氮化）精加工稳定化处理零件。 加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材 料的工艺性能。 常用材料的工艺性能如下： （1）碳素钢和合金钢：室温时为多相结构，加热到一定温度时呈单相组 织，具有良好的塑性和较小的变形抗力。具有良好的锻造性能。 （）铸铁：包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的碳当量都接近共晶成分 ，故熔点低，流动性好。故各类铸铁具有良好的铸造性能。但可锻 性和可焊性极差。 （3）非铁合金：常用的是铜合金和铝合金。 形变合金，其合金元素含量较少，室温时呈单相组织，具有 良好的塑性。 铸造合金，其成分在共晶成分附近的合金，具有良好的铸造 性能，铸

7、造合金的切削加工性比形变合金好。 生产方法、零件结构、零件材料三者关系 生产方法、零件结构、零件材料三者之 间存在相互相依又相互制约的关系。如某一 类零件结构可以有几种生产方法，有几种材 料可供选择。但有时有的零件结构只有一种 合理的生产方法或只能选用某一种材料；而 有时先确定零件生产方法，再按生产工艺要 求选择材料，并确定零件结构使之符合生产 工艺要求。还可以先选定材料，后确定生产 方法；最后设计零件结构。 三.按经济性原则要求选材 1产品成本与性能之间的关系： 性能 成本 先进武器系统、航空航天产品 工业化大众消费产品 2产品成本分析： 1)基本材料的成本：约占总成本的3070 选择更为廉

8、价的材料是降低产品成本的重要手段之一； 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量（我国钢材利用率 平均为65%，而美国达到80%） 我国常用金属材料的相对价格 材 料 相对价格 材 料 相对价格 普通碳素结构钢 1 铬不锈钢 5 优质碳素结构钢 1.31.5 铬镍不锈钢 15 合金结构钢 （Cr-Ni钢除外） 1.72.5 灰铸铁 1.4 铬镍合金结构钢 （中合金钢） 5 铸造铝合金、铜合金 810 滚珠轴承钢 3 普通黄铜 1317 低合金工具钢 34 锡青铜、铝青铜 19 高速钢 1620 钛合金 5080 硬质合金 150200 （工程塑料） 515 2） 制造成本 加工成本约占零

9、件成本的30%左右，生产批量越少，这一 比例越高。 总成本P=T+xN，T为工具与设备费用，x代表每件产品的成 本，N为生产批量（件/批）。 3)零件使用寿命对成本的影响 零件的使用材料性能差，则 零件的使用寿命短,成本增加。 4)材料供应状况对成本的影响 选材时应立足于国内，同时考 虑到国内的生产和供应状况。在同 一产品中，选用材料的种类、价格 、应尽量少而集中，以减少采购运 输及库存的费用。 1、选材的一般程序选材的一般程序 a、基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对 同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以 及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件 应具有的力学

10、性能指标和理化性能指标。 b、 对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和 筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺 c、 进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求 ，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满 足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下 来。 第四节 典型零件选材及工艺路线 齿轮 轴 汽轮机叶片 一、齿轮类零件选材 应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭 矩（力或能），改变运动速度或方向。 不同的齿轮， 其工作条件、失 效形式和性能要 求各有不同。 性能要求 1工作条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力； 齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承

11、受较大的交变接触应力及 强烈的摩擦； 启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力； 有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗 磁性要求等。 2主要失效形式 断裂交变弯曲应力引起的轮齿疲劳 断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂； 齿面损伤包括交变接触应力引起的表 面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致 的齿面过度磨损； 其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐 蚀现象。 3主要性能要求 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳 断裂。 足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬 度、耐磨性，以防齿面损伤。 足够的齿心部强韧性，以防冲击过载 断裂。 材料要求金属材料 （1）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织

12、并形成 有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采 用锻钢制造。 低碳钢及低碳合金钢：20、20Cr、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等， 可通过退火或正火来改善切削加工 性能，通过渗碳后淬火低温回火来保 证齿轮的使用性能。具有表面高硬度 (5662HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲 劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够 高的强韧性；故适合于制造高速、大冲 击的中载和重载齿轮。 中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于 低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275只宜制作低速、轻载、无冲 击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；40、45钢可用 作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据

13、具体工作条件不同 ，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr、40MnB合金 钢的综合力学性能优于40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮 ，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。 中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl钢 经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良 、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。 （2）铸钢 铸钢 齿 轮 的 力 学 性 能 比 锻钢差，较少使用， 但对某些尺寸大(500mm)、形状复杂的齿轮，采用铸钢 较为合理。常用铸钢牌号有ZG270500、ZG310570、 ZG40Cr等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温 回火处理，但对性能要求不高

14、、低速齿轮，也可在调质状 态、甚至正火状态下使用。 （3）铸铁 灰铸铁齿轮具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本低 ，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作低速、轻载、不受冲击 的非重要齿轮。常用牌号有HT200、HT250、HT350等；由于球墨铸 铁的强韧性较好，故采用QT600-3、QT500-7代替部分铸钢齿轮的趋 势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢齿轮。 （4）非铁金属 在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，由于有耐蚀、 无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属材料制 造，其中最主要的是铜合金，如黄铜(如H62)、铝青铜(如QAl9-4)、 锡青铜(如QSn

15、6.5-0.1)、硅青铜(如QSi3-1)等。 （5）粉末冶金材料 粉末冶金齿轮材料可实现精密的少、无切削加工方法，特别 是随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良、技 术经济效益高。粉末冶金材料一般适用于大批量生产的小齿轮， 如汽车发动机的定时齿轮（材料Fe-C0.9）、分电器齿轮（材料Fe -C0.9-Cu2.0）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料Fe-Cu-C）、 联合收割机中的油泵齿轮。 综 述 对开式传动齿轮，或低速、轻载、不受冲击或冲击较小的 齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；对闭式传动齿 轮，或中高速、中重载、承受一定甚至较大冲击的齿轮，则宜 选用相对较好的材料，

16、如优质碳钢或合金钢、并须进行表面强 化处理；在齿轮副选材时，为使两者寿命相近并防止咬合现象 ，大、小齿轮宜选不同的材料，且两者硬度要求也应有所差异 ，通常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。 常用材料 典型齿轮选材 1.机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性 和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45钢)制造，经正火或调质处理 后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为220 250HBS，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金 钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提高到58HRC左右、心部强 韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢( 如35CrMo、38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。 机床齿轮的简明加工工艺路线：