机械制造基础第3版 宋昭祥机械零件的毛坯及材料的选用

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1、机械零件的毛坯及材料的选用,2 零件材料的选用,1 零件毛坯的选择,1,2,1.1,机械零件毛坯及材料的选用 1 零件毛坯的选择,零件毛坯选择的基本原则,1零件毛坯的选择,1. 使用性能原则,2. 工艺性能原则,3. 经济性原则,1. 使用性能原则,（1）结构形状和尺寸的要求,对于结构形状复杂的中小型零件，应选择铸件毛坯,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,3,机械零件毛坯及材料的选用 1 零件毛坯的选择,1. 使用性能原则,

2、（1）结构形状和尺寸的要求,（2）力学性能的要求,在工作中承受冲击和交变载荷的零件，一般应选择锻造毛坯,对于必须采用铸件，而又要求金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择压力铸造、金属型铸造和离心铸造等,（3）表面质量的要求,对于表面外观质量要求较高、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，则宜选择熔模铸造或精密模锻,（4）其它方面的要求,对于具有特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生产方法来满足其要求,4,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.1零件毛坯选择的基本原则,1. 使用性能原则,2. 工艺性能原则,材料的工艺性能是指毛坯满足各种加工工

3、艺要求的能力，毛坯的工艺性能与其材料和结构特征有关,对于铸件，在金属材料中，铸造铝合金和铜合金的铸 造性能优于铸钢。而灰铸铁铸造性能最好。对于锻件， 低碳钢的锻造性能最好，中碳钢次之，高碳钢较差； 低合金钢的锻造性能接近于中碳钢，高合金钢较差； 铝合金锻造性能不是很好，而铜合金的锻造性能很好。 对于焊接件，低碳钢及碳当量0.4%的合金钢具有较 好的焊接性；含碳量0.4%及碳当量0.4%的合金钢 焊接性能较差；铜合金和铝合金的焊接性能一般比碳 钢差。若材料在成型后还需要进行切削加工，则必须考 虑材料的切削加工性能。在金属材料中，铝合金和镁合 金的切削加工性最好，其次为易切削钢和中碳钢，而奥 氏体

4、不锈钢、高速钢和耐热合金钢最差。,（2）毛坯的结构特征,3. 经济性原则,（1）生产批量较小时 主要考虑的问题是减少设备、模具等方面的投资，以降低生产成本,（2）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具有明显的经济意义,5,（1）毛坯的材料,形状复杂件，特别是有复杂内腔的毛坯，只能 用铸造的方法获得。圆饼、方块、套环、齿轮 等形状简单的零件，可以采用自由锻工艺；外 形较为复杂，并且表面质量要求较高时，则要 采用胎膜锻或模锻完成。,机械零件毛坯及材料的选用 1 零件毛坯的选择,常用毛坯生产方法的比较,1.2,毛坯生产方法主要有铸造、锻造、焊接、冲压等,6,

5、机械零件毛坯及材料的选用 1.2 常用毛坯生产方法的比较,1. 铸造,设备比较简单，原材料价格低廉，适应范围非常广泛,铸造是生产毛坯的主要工艺方法,2. 锻造,能够获得力学性能优异的产品,表2对常用的几种锻造方法进行了比较,3. 焊接,主要优点,（1）节约材料；,（2）能划大为小，以小拼大；,（3）可以制造多层金属的结构；,（4）焊缝具有良好的力学性能、密封性、导电性、耐腐蚀性和耐磨性等,4. 冲压,7,表1对常用的几种铸造方法进行了比较,对于一些形状复杂的薄壁零件，用铸造或锻造的方法难以成形时，我们 可以选择冲压的方法获得。采用冲压方法加工的材料大多是在冷态下变 形，产品一般质量较高，无须再

6、进行切削加工便可以投入使用。,机械零件毛坯及材料的选用 1.2 常用毛坯生产方法的比较,典型零件的毛坯选择,1.3,8,机械零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,1. 常用零件的毛坯种类,按成形方法分类有：,铸造毛坯（铸件）,锻造毛坯（锻件）,焊接复合毛坯（焊接件）,冲压毛坯（冲压件）,轧制毛坯（型材）,其制造方法、基本特征和应用范围见表3。,9,机械零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,2. 毛坯选择举例,（1）齿轮类零件,工作条件,材料要求,结构特点,承受较大的接触应力、弯曲应力、齿面摩擦力和冲击力,具有足够的强度、硬度和一定的韧性,轴向尺寸一般小于径向尺寸,通常选

7、用锻件作为毛坯,10,机械零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,仪器仪表中的齿轮则可采用压力铸造或冲压方式成形，当受力不大时，其材料可以用铜合金，甚至用工程塑料注射成形。,11,直径在100mm以下的小齿轮也可以用圆钢作为坯料，经自由锻或胎膜锻制造锻件毛坯；,直径在500mm以上的大型齿轮，由于锻造比较困难，可采用铸钢或球墨铸铁为毛坯；,在单件生产的条件下，也可以采用焊接的方式制造大型齿轮的毛坯,在低速运转且受力不大或者在多粉尘的环境下开式运转的齿轮，也可以采用灰铸铁为毛坯；,机械零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,（2）轴类零件,工作条件,材料要求,结构特点,轴向尺

8、寸一般远大于径向尺寸,承受交变弯曲及扭转载荷的作用，轴颈处有强烈的摩擦， 有时还要承受过载或冲击载荷,具有较高的强度、疲劳强度、塑性、韧性及耐磨性,最常用的毛坯是型材和锻件,12,机械零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,对于某些大型的、结构形状复杂的轴可用铸件或焊接结构件；,对干光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴，常用型材作为毛坯；,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。,13,机械

9、零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,（3）箱体类零件,工作条件,材料要求,结构特点,承受其中零件的重量及它们之间作用力,具有较好的刚性、减振性和耐磨性,形状不规则，结构比较复杂,一般采用灰铸铁铸造成形,14,机械零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,个别特大型的机身还可以采用铸焊或锻焊组合结构；,对于载荷较大，承受冲击力的箱体，常采用碳铸钢件或合金 铸钢件作毛坯；,对受力很小，要求自重轻的箱体，还可以采用工程塑料来制作。,单件小批生产的结构简单的大体积箱体，有时为了缩短生 产周期，可以采用焊接件作毛坯；,对于受力不大，要求自重轻或是要求导热良好的箱体，可以采 用铸造铝

10、合金制作毛坯；,15,机械零件毛坯及材料的选用 1.3 典型零件的毛坯选择,零件的失效分析,2.1,16,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2 零件材料的选用,2 零件材料的选用,1. 失效的概念,机械零件的失效,指零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计 功能的现象,（1）完全破坏，不能继续工作,（2）严重损伤，继续工作很不安全,（3）虽能安全工作，但已经不能满意地起到设计的作用,当零件出现下列情况中任何一种时，我们便认为零件已经失效,17,机械零件毛坯及材料的选用 2.1 零件的失效分析,2. 零件失效的形式,（1）变形失效, 过量弹性变形失效, 塑性变形失效, 蠕变变形失效,（2

11、）断裂失效, 韧性断裂失效, 脆性断裂失效, 疲劳断裂失效,（3）表面损伤失效, 磨损失效, 腐蚀失效, 表面疲劳失效,18,机械零件毛坯及材料的选用 2.1 零件的失效分析,3. 零件失效的原因,（1）设计因素,（2） 材料因素,（3）加工工艺因素,（4）安装使用因素,19,零件的整体结构设计不合理，薄弱区域未 得到有效的加强，造成零件在工作中承载 能力不足。另外，对零件的实际工作条件 （零件工作时所处的温度及介质等环境的 变化等）估计不足，使得零件在工作中安 全系数较低，抗过载能力过低。,零件设计中选材不当或选用的材料质量差， 内部含有气孔、杂质元素、夹杂物或不良 组织等各种冶金、铸造缺陷

12、，使得零件达 不到应有的性能指标。,如零件在机械加工过程中，表面粗糙度 值过大、刀痕纹路较深或磨削时产生较 高的残余应力或裂纹；热处理的氧化和 脱碳、变形和开裂、回火不足等；铸件 中气孔、疏松、夹杂甚至裂纹；锻造或 轧制过程中产生的过热、过烧等。,安装不良，操作失误、过载使用、维 修不当等,机械零件毛坯及材料的选用 2.1 零件的失效分析,选材的原则、方法和步骤,2.2,20,机械零件毛坯及材料的选用 2.2选材的原则、方法和步骤,1. 选材的原则,（1）使用性能原则,使用性能,零件在使用状态下应该具有的力学性能、物理性能和化学性能,使用性能的要求是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出来的

13、,受力状况,环境状况,特殊要求,几种常用零件的工作条件、失效形式和要求的主要力学性能指标见表4,21,主要是载荷的类型（动载、静载、循环载荷 或单调载荷等）和大小、载荷的形式（拉伸、 压缩、弯曲或扭转等）和载荷的特点（均布 载荷或集中载荷等）。,主要是温度特性（低温、常温、高温或变温等） 介质情况和是否有摩擦等。,主要是对导电性、磁性、热膨胀、密度和外观 等的要求,机械零件毛坯及材料的选用 2.2选材的原则、方法和步骤,要分析手册中的性能指标是在什么加工、处理条件下得到的,确定了具体力学性能指标的数值后，即可利用手册选材。 必须注意的是：,必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，并进行适当的修

14、正。,在尺寸和处理条件相同的情况下，手册的数据是偏安全的。必要时可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。 生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检查硬度。,22,机械零件毛坯及材料的选用 2.2选材的原则、方法和步骤,（2） 工艺性能原则,工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力,表5对常用的高分子材料主要成型工艺进行了比较。,高分子材料,陶瓷材料,几种成型工艺的比较见表6,金属材料,23,灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，但不 能承受锻造，焊接性能也比较差；低碳钢的锻造性 能和焊接性能都很好；高碳钢的焊接性能很差，适 合用于制造刀具、量具等。材料的热处

15、理工艺性能包 括淬透性、淬硬性和回火稳定性等。,机械零件毛坯及材料的选用 2.2选材的原则、方法和步骤,（3）经济性原则,24,零件总成本包括材料本身价格、加工费、设备和工艺装备的折 旧费、管理费、运输费、安装费和国家资源等。,碳钢、铸铁价格较低，加工方便,低合金高强度结构钢价格低于合金钢,有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高,尽量使用简单设备、减少加工工序数量、采用少切削或无切削 加工等措施，以降低加工费用。,加工过程复杂的零件和使用周期长的工模具，采用价格较 高的合金钢或硬质合金代替碳钢,所用材料应该顾及我国的资源状况,机械零件毛坯及材料的选用 2.2选材的原则、方法和步骤,2. 选材的

16、方法和步骤,（1）选材的方法,应根据零件的工作条件，找出最主要的性能要求，作为选材的主要依据, 以综合力学性能为主时的选材, 以磨损为主时的选材,以疲劳强度为主时的选材, 以抗蚀性为主的选材, 以热强度为主的选材,25,机械零件毛坯及材料的选用 2.2选材的原则、方法和步骤,26, 以综合力学性能为主时的选材,对于一般的机器零件，通常采用调质或正火处理后的中碳钢、球 墨铸铁或淬火、低温回火处理后的低碳钢等制造。,对于受力复杂、工作条件苛刻的零件，例如起落架、涡轮轴、机 翼大梁等，可以选用强度较高的合金调质钢和超高强度钢制 造，以保证在整个大截面上具有均匀的综合性能。,当对于受力较小并要求有较高的比强度和比刚度时，要选择铝合金、 镁合金、钛合金或工程塑料与复合材料等制造。,机械零件毛坯及材料的选用 2.2选材的原则、方法和步骤, 以磨损为主时的选材,对于受力较小的摩擦比较严重的零件，例如各种量具、转套、刀具 和冷冲模等，其材料的基本要求是高耐磨性和高硬度。