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1、第十一章 毛坯制造方法的选择,第一节 毛坯选用的原则 第二节 典型机械零件毛坯的选用,1,材料的成形过程是机械制造的重要工艺过程。机器制造中，大部分零件是先通过铸造成形、锻压成形、焊接成形或非金属材料成形方法制得毛坯，再经过切削加工制成的。毛坯的选择对机械制造质量、成本、使用性能和产品形象有重要的影响，是机械设计和制造中的关键环节之一。 通常，零件的材料一旦确定，其毛坯成形方法也大致确定了。例如，零件采用ZL202、HT200、QT600-2等，显然其毛坯应选用铸造成形；齿轮零件采用45钢、LD7等常采用锻压成形；零件采用Q235、08钢等板、带材，则一般选用切割、冲压或焊接成形；零件采用塑料
2、，则选用合适的塑料成形方法；反之，在选择毛坯成形方法时，除了考虑零件结构工艺性之外，还要考虑材料的工艺性能能否符合要求。,毛坯选择的原则,1. 工艺性原则 零件的使用要求决定了毛坯的形状特点，各种不同的使用要求和形状特点，形成了相应的毛坯成形工艺要求。零件的使用要求具体体现在对其形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等外部质量和对其化学成分、金属组织、力学性能、物理性能和化学性能等内部质量的要求上。对于不同零件的使用要求，必须考虑零件材料的工艺特性（如铸造性能、锻造性能、焊接性能等）来确定采用何种毛坯成形方法。,第一节 毛坯选用的原则,2. 适应性原则,2,例如，不能采用锻压成形的方法和避免采用焊接
3、成形的方法来制造灰铸铁零件；避免采用铸造成形方法制造流动性较差的薄壁毛坯；不能采用普通压力铸造的方法成形致密度要求较高或铸后需热处理的毛坯；不能采用锤上模锻的方法锻造铜合金等再结晶速度较低的材料；不能用埋弧自动焊焊接仰焊位置的焊缝；不能采用电阻焊方法焊接铜合金构件；不能采用电渣焊焊接薄壁构件，等。选择毛坯成形方法的同时，也要兼顾后续机加工的可加工性。如对于切削加工余量较大的毛坯就不能采用普通压力铸造成形，否则将暴露铸件表皮下的孔洞；对于需要切削加工的毛坯尽量避免采用高牌号珠光体球墨铸铁和簿壁灰铸铁，否则难以切削加工。一些结构复杂，难以采用单种成形方法成形的毛坯，既要考虑各种成形方案结合的可能性
4、，也需考虑这些结合是否会影响机械加工的可加工性。,在毛坯成形方案的选择中，还要考虑适应性原则。既根据零件的结构形状、外形尺寸和工作条件要求，选择适应的毛坯方案。 例如，对于阶梯轴类零件，当各台阶直径相差不大时，可用棒料；若相差较大，则宜采用锻造毛坯。 形状复杂和薄壁的毛坯，一般不应采用金属型铸造；尺寸较大的毛坯，通常不采用模锻、压力铸造和熔模铸造，多数采用自由锻、砂型铸造和焊接等方法制坯。,3. 生产条件兼顾原则,3,零件的工作条件不同，选择的毛坯类型也不同。如机床主轴和手柄都是轴类零件，但主轴是机床的关键零件，尺寸形状和加工精度要求很高，受力复杂且在长期使用过程中只允许发生很微小的变形，因此
5、要选用具有良好综合力学性能的45钢或40Cr，经锻造制坯及严格切削加工和热处理制成；而机床手柄则采用低碳钢圆棒料或普通灰铸铁件为毛坯，经简单的切削加工即可完成，不需要热处理。再如内燃机曲轴在工作过程中承受很大的拉伸、弯曲和扭转应力，应具有良好的综合力学性能，故高速大功率内燃机曲轴一般采用强度和韧性较好的合金结构钢锻造成形，功率较小时可采用球墨铸铁铸造成形或用中碳钢锻造成形。对于受力不大且为圆形曲面的直轴，可采用圆钢下料直接切削加工成形。,毛坯的成形方案要根据现场生产条件选择。现场生产条件主要包括现场毛坯制造的实际工艺水平、设备状况以及外协的可能性和经济性，但同时也要考虑因生产发展而采用较先进的
6、毛坯制造方法。 为此，毛坯选择时，应分析本企业现有的生产条件，如设备能力和员工技术水平，尽量利用现有生产条件完成毛坯制造任务。若现有生产条件难以满足要求时，则应考虑改变零件材料和（或）毛坯成形方法，也可通过外协加工或外购解决。,4. 经济性原则,4,经济性原则就是使零件的制造材料费、能耗费、工资费用等成本最低。在选择坯件的类型和具体的制造方法时，应在满足零件使用要求的前提下，把几个预选方案做经济性比较，从中选出整体生产成本低廉的方案。一般来说，选择毛坯的种类和制造方法时，应使毛坯尺寸、形状尽量与成品零件相近，从而减少加工余量，提高材料的利用率，减少机械加工工作量。但是毛坯越精确，制造就越困难，
7、费用也越高。因此，生产纲领大时，应采用精度高、生产率高的毛坯制造方法，这时虽然一次投资较大，但增大的毛坯制造费用可由减少的材料消耗及机械加工费用得到补偿。一般的规律是，单件小批生产时，可采用手工砂型铸造、自由锻造、手工电弧焊、钣金钳工等成形方法，在批量生产时可采用机器造型、模锻、埋弧自动焊或其他自动焊接方法和板料冲压等成形方法制造毛坯。,5. 可持续性发展原则,环境恶化和能源枯竭已是21世纪人类必须解决的重大问题，在发展工业生产的同时，必须考虑环保和节能问题，不能干圈一块厂房，毁一片山林的蠢事。在工艺流程设计中应考虑可持续发展的原则，应保护子孙后代的生存环境。必须做到：,5. 可持续性发展原则
8、续,5,(1)尽量减少能源消耗，在制定工艺流程中应考虑选择能耗小的成形方案，并尽量选用低能耗成形方法的材料，合理进行工艺设计，尽量采用净成形、净终成形的新工艺。 (2)不使用对环境有害和会产生对环境有害物质的材料，采用加工废弃物少、容易再生处理、能够实现回收利用的材料。 (3)少用或不用煤、石油等直接作为加热燃料，避免排出大量CO2气体，导致地球温度升高。,表2-11-1 材料与毛坯生产方法的关系,表2-11-1 材料与毛坯生产方法的关系,表2-11-2 常用毛坯生产方法的特性比较,表2-11-2 常用毛坯生产方法的特性比较,表2-11-2 常用毛坯生产方法的特性比较,表2-11-2 常用毛坯
9、生产方法的特性比较,表2-11-2 常用毛坯生产方法的特性比较,表2-11-2 常用毛坯生产方法的特性比较,一、 轴杆类零件,10,轴杆类零件的轴向尺寸远大于径向尺寸，主要有各种实心轴、空心轴、曲轴、杆件等。轴杆类零件主要作为传动元件或受力元件，除光轴外，一般大多为锻件毛坯，断面直径相差越大的阶梯轴或有部分异型断面的轴，采用锻件毛坯越有利。如发动机曲轴、连杆、汽车前梁等都采用锻件毛坯。 对光轴、直径变化较小的轴和力学性能要求不高的轴，一般采用轧制圆钢作为毛坯进行机械加工制造。 对于锻造轴，受力较小时采用中碳钢制造，承载较大时采用中碳合金钢（如40Cr、40CrNi等）制造并调质处理；受较大冲击
10、且承受摩擦时采用渗氮钢（38CrMoAl等）制造且渗氮处理，或采用渗碳钢（如20Cr、20CrMnTi等）制造并渗碳、淬火处理。 某些具有异形截面或弯曲轴线的轴，如凸轮轴、曲轴等，采用铸钢(如ZG270-500等)，在满足使用要求的前提下，也可采用球墨铸铁毛坯(如QT450-10等)，以铁代钢，降低制造成本。,第二节 典型机械零件毛坯的选用,图7-1 汽车排气阀,11,对于一些大型构件、特殊性能要求的轴、杆类零件的毛坯等，还可采用锻造焊接或铸造焊接的工艺完成。如图7-1所示的汽车排气阀，将锻造的耐热合金钢阀帽与轧制的碳素结构钢阀杆焊成一体，节约了合金钢材料。图7-2所示的120 000 kN水
11、压机立柱，长18 m，净重80 t，采用ZG270-500分6段铸造，粗加工后采用电渣焊焊成整体毛坯。,图7-2 水压机立柱铸-焊结构,二、 盘套类零件,图7-3 盘套类零件,12,盘套类零件的轴向尺寸远小于径向尺寸，或者两个方向的尺寸相差不大，如图7-3所示。如各种齿轮、带轮、飞轮、套环、轴承环以及螺母、垫圈等。盘套类零件的用途和工作条件差异很大，故材料和成形方法也有很大的差别。,(1)齿轮 齿轮作为重要的机械传动零件，工作时齿面承受接触压应力和摩擦力，齿根承受弯曲应力，有时还要承受冲击力，故轮齿须有较高的强度和韧性，齿面须有较高的硬度和耐磨性。,图7-4 不同类型的齿轮,13,受力小的仪表
12、齿轮在大批生产时，可采用板料冲压和非铁合金(如Zl202)压铸成形，也可用塑料（如尼龙）注射成形。在低速且受力不大或在多粉尘工作环境下的齿轮，可用灰铸铁（如HT200）铸造成形。低速、轻载齿轮常用45、50Mn2、40Cr等中碳结构钢，经正火或调质提高综合力学性能。高速、重载齿轮常采用20CrMnTi、20CrMo等合金结构钢制造且齿部经渗碳、淬火处理，也可采用38CrMoAl等渗氮钢制造且齿部经渗氮处理，从而获得良好的内韧外硬的性能。大批量生产齿轮时可采用热轧或精密模锻的方法生产齿轮毛坯，以提高齿轮的力学性能。 单件或小批量生产时，直径100mm以下的形状简单的小齿轮可用圆钢作为毛坯（图7-
13、4a）。直径大于400500 mm的大型齿轮，锻造比较困难，可用铸钢或球墨铸铁件作为毛坯，铸造齿轮一般以辐条结构（图7-4c）代替模锻齿轮的辐板结构（图7-4b），在单件生产下，也可采用焊接方式制造大型齿轮的毛坯（图7-4d）。,盘套类零件,14,(2)带轮、飞轮、手轮等 这类零件受力不大或仅承受压力，通常可采用灰铸铁、球墨铸铁等材料铸造成形；单件生产时，也可采用Q215、Q235等低碳钢型材焊接成形。 (3)法兰、垫圈等 可根据其受力情况及零件形状，分别采用铸铁件、锻件或冲压件为毛坯。 (4)模具 热锻模要求高强度、高韧性，常用5CrMnMo、5CrNiMo等合金工具钢制造并经淬火和高温回火
14、处理。冲模要求高硬度、高耐磨性，常用Cr12、Cr12MoV等合金工具钢制造并经淬火和低温回火处理。模具的成形方法通常采用锻造。,三、 机架、箱体类零件,15,机架、箱体类零件包括各种机械的床身、底座、支架、横梁、工作台、齿轮箱、轴承座、阀体等。该类零件的特点是形状不规则，结构较复杂，质量从几千克到数十吨，工作条件相差很大。而其工作台和导轨要求有一定的耐磨性。因此，其毛坯往往以铸铁件为主。 (1)一般基础件 如床身、底座、支架、工作台和箱体等，受力状况以承压为主，抗拉强度和塑性、韧性要求不高，但要求较好的刚度和减振性，有时还要求较好的耐磨性，故通常采用灰铸铁（如HT150、HT200等）铸造成形。 (2)受力复杂件 有些机械的机架、箱体等受力较大或较复杂，如轧钢机机架、模锻锤锤身等往往同时承受较大的拉、压和弯曲应力，有时还受冲击，要求有较高的综合力学性能，故常选用铸钢（如ZG200-400等）铸造成形。有些零件较大，为简化工艺，常采用铸焊、铸螺纹连结结构。单件、小批生产时，也可采用型钢焊接，以降低制造成本。 (3)比强度、比模量要求件 有些箱体结构如航空发动机的缸体、缸盖和曲轴等，轿车发动机机壳等，要求比强度、比模量较高且有良好的导热性和耐蚀性，常采用铝合金或铝镁合金（如ZL105、ZL105A等）铸造成形。,
