第11章機械零件毛坯的選擇

機械制造基礎(chǔ)第十一章機械零件毛坯的選擇一、常見零件毛坯的分類與比較1、常見零件毛坯的分類與比較

機械零件的制造包括毛坯成形和切削加工兩個階段，毛坯成形不僅對后續(xù)的切削加工將產(chǎn)生很大的影響，而且對零件乃至機械產(chǎn)品的質(zhì)量、使用性能、生產(chǎn)周期和成本等都有影響。因此，正確選擇毛坯的類型和成形方法對于機械制造具有重要意義。

機械零件的常用毛坯包括鑄件、鍛件、軋制型材、擠壓件、沖壓件、焊接件、粉末冶金件和注射成型件等。由于每種類型的毛坯都可以有多種制造方法，各類毛坯在某些方面的特征可以在一定范圍內(nèi)變化。因此，表中所列特點并不是絕對的，只是就一般情況比較而言。例如：鑄件中一般砂型鑄件，晶粒組織粗大而疏松，但壓力鑄造的薄壁鑄件，晶粒細(xì)小而致密；鍛件是固態(tài)下成形，金屬流動困難，加工余量較大，材料利用率一般較低，但精密鍛造的鍛件和冷擠壓件，可以基本上實現(xiàn)零件的最終成形，材料利用率也很高；對于一般生產(chǎn)周期較短的焊接，有時焊接大而復(fù)雜的焊件時，生產(chǎn)周期也可能很長。

2、毛坯生產(chǎn)成本的比較

（1）鑄件的生產(chǎn)成本

影響鑄件生產(chǎn)成本的主要因素有鑄件設(shè)計、鑄造方法、鑄造工藝和鑄造生產(chǎn)管理等方面。1）鑄件設(shè)計

鑄件設(shè)計主要包括材料的選擇和結(jié)構(gòu)尺寸的確定。鑄件材料對鑄件成本影響較大。

各類鑄造材料的相對價格見表所示：

材料類型灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵碳鋼低錳鋼含鉻鋼鋁硅合金黃銅錫青銅相對價格0.60.81.01.01.21.46.05.08.0鑄件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸對成本的影響主要是通過鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性來起作用的。如果鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性良好，可防止鑄件缺陷的產(chǎn)生，使廢品率下降，并能使鑄造工藝過程簡化，從而提高生產(chǎn)率，使鑄件的生產(chǎn)成本降低。2）鑄造方法的選擇

鑄造方法不同，則鑄造工藝、所需設(shè)備投資、生產(chǎn)率、鑄件質(zhì)量、合金的利用率及后續(xù)的切削加工費用均不同。各鑄造方法的經(jīng)濟(jì)性比較見表所示：比較項目砂型鑄造金屬型鑄造壓力鑄造離心鑄造熔模鑄造小批量生產(chǎn)的適應(yīng)性好良好不好不好良好大批量生產(chǎn)的適應(yīng)性良好良好好良好良好模型、鑄型生產(chǎn)成本低中等高中等較高鑄件的加工余量大較大最小大（內(nèi)孔）較小切削加工費用中等較小最小較大較小金屬利用率較低較高較低較低較差設(shè)備費用較高（機器造型）較低較高中等較高生產(chǎn)率（適當(dāng)機械化后）低、中中等高高中等3）鑄造工藝

砂型鑄造中，其造型工藝過程不同，則鑄件生產(chǎn)過程中的材料消耗、工時和工模具費用的耗費都不同。

比較項目適應(yīng)的生產(chǎn)類型生產(chǎn)率設(shè)備、模具費用整模造型各種類型較高較低分模造型成批、大量較高中挖砂造型單件、小批低低假箱造型成批中中三箱造型單件、小批低中刮板造型單件、小批低低外型芯造型成批中中機器造型成批、大量高高各種造型方法的經(jīng)濟(jì)性比較見表所示：4）生產(chǎn)管理

科學(xué)的生產(chǎn)管理能明顯降低廢品率和生產(chǎn)過程中原材料的浪費；精簡管理人員，減少非生產(chǎn)性成本，都可使毛坯的生產(chǎn)成本下降。（2）鍛件的生產(chǎn)成本

影響鍛件成本的主要因素有原材料消耗、工模具費消耗、鍛造方法、生產(chǎn)率及生產(chǎn)管理等方面。例如，某專業(yè)鍛造廠生產(chǎn)95系列柴油機連桿及連桿蓋鍛件的單件成本統(tǒng)計中，鍛件生產(chǎn)成本的組成為：材料費43.8%、模具費31.2%、燃料動力費9.1%、生產(chǎn)管理費用14.1%、工時消耗費用1.7%。1）原材料消耗

在鍛件成本中占的比例最大，而鍛件從下料到加工成零件中間有一系列的材料損失，如下料損失、燒損、廢料（沖孔芯料和飛邊等）和廢品損失。

某廠95系列柴油機連桿和連桿蓋的材料消耗表分類下料質(zhì)量kg鍛件質(zhì)量kg零件質(zhì)量kg零件材料利用率總材料利用率%連桿2.551.701.151.15/1.70=67.6%1.15/2.55=45.1連桿蓋0.940.650.480.48/0.65=73.8%0.48/0.94=51.1合計3.492.351.631.63/2.35=69.4%1.63/3.49=47.0由上表可知提高材料利用率，降低原材料消耗，對鍛件生產(chǎn)成本的降低其影響是很明顯的。材料利用率的提高，可以通過降低鍛造過程中的下料損失、廢料損失、燒損和廢品損失來獲得。材料利用率的提高，還可以通過減少鍛造余塊、加工余量來獲得，這樣既可降低材料消耗，又可以減少大量的切削加工費用。所以，精密鍛造是降低鍛件生產(chǎn)成本的主要途徑之一。2）工模具費消耗

在模鍛中，模具費用在鍛件成本中所占的比例僅次于原材料消耗，約占總成本的1/3。合理地設(shè)計、制造和使用模具，減少模具的成本，延長模具的使用壽命，可明顯降低鍛件生產(chǎn)成本。3）鍛造方法和生產(chǎn)率

鍛造方法不同，其生產(chǎn)率、材料利用率和需要的設(shè)備投資規(guī)模就不同。因此，鍛造方法主要通過鍛件生產(chǎn)的工時消耗、投資規(guī)模及材料的利用率來影響鍛件的生產(chǎn)成本。對于單件小批量生產(chǎn)，自由鍛是優(yōu)先選用的鍛造方法；對于成批生產(chǎn)但批量不大時，應(yīng)優(yōu)先選擇胎模鍛，可以獲得比較好的經(jīng)濟(jì)效益；對于大批量生產(chǎn)，則應(yīng)采用高生產(chǎn)率、高精度的錘上模鍛或其它模鍛，以便提高生產(chǎn)率，降低材料的消耗，由于生產(chǎn)量大而分?jǐn)偟絾蝹€鍛件上的成本增加并不多，從而使鍛件成本下降。4）生產(chǎn)管理

實行科學(xué)的生產(chǎn)管理，生產(chǎn)過程中的浪費和廢品必然較少，非生產(chǎn)性成本較低，其生產(chǎn)成本也較低。（3）沖壓件的生產(chǎn)成本

沖壓件的生產(chǎn)成本主要包括：材料消耗費（原材料費、外購件費用）加工費（工人工資、設(shè)備折舊、生產(chǎn)管理等費用）模具費

因為沖壓件的生產(chǎn)離不開模具，不管生產(chǎn)批量的大小如何，沖壓件的生產(chǎn)總成本中，模具費相差不是很大。所以，單個沖壓件的生產(chǎn)成本受生產(chǎn)批量的影響極大。

1）節(jié)約模具費

試制和小批量生產(chǎn)沖壓件時，降低模具費是降低生產(chǎn)成本的最有效途徑。對于外形尺寸小的工件，采用通用模、簡單模、甚至鋼絲鉗、剪刀等工具生產(chǎn)；對于外形尺寸較大的工件，可用剪床、電動工具、火焰切割等方法。大批量生產(chǎn)沖壓件時，采用高合金鋼或硬質(zhì)合金模具，通過提高生產(chǎn)率和延長模具使用壽命來減少單件的生產(chǎn)成本。2）合理制訂生產(chǎn)工藝

合理的沖壓工藝能降低模具費，節(jié)約加工工時，降低材料消耗等，使沖壓件單件成本降低。工藝的合理化即是將工序適當(dāng)?shù)丶校詼p少模具數(shù)，提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。工序的集中與分散是一個比較復(fù)雜的問題，它取決于零件的生產(chǎn)批量、結(jié)構(gòu)形狀、質(zhì)量要求及工藝特點等。3）多個工件同時成形

生產(chǎn)批量較大時，采用多件同時沖壓，可減少模具費、材料費和加工費。例如，采用兩個工件左右對稱成形，如圖所示，不僅可以降低成本，還可使變形均勻，并改善模具的受力狀況，延長模具的使用壽命。

兩個工件同時成形示意圖4）提高材料利用率、降低材料費用

沖壓件生產(chǎn)中，工件原材料費占成本的60%左右，所以提高材料的利用率，是降低沖壓件生產(chǎn)成本的重要措施之一，尤其對于原材料價格較高的工件更是如此。在滿足零件使用要求的前提下：減少材料厚度或采用價格較低的材料；改進(jìn)毛坯形狀，合理排樣；減小搭邊，采用少廢料或無廢料排樣；采用對稱壓制，多件同時成形后再切開；組合排樣利用廢料；無底拉深件可先用帶料或條料焊接后再成形等。5）沖壓過程自動化

對于大批量生產(chǎn)，自動化生產(chǎn)對降低成本和保證安全都是十分必要的。二、毛坯選擇的原則

1、滿足材料的工藝性能要求

零件材料的選擇與毛坯的選擇關(guān)系密切，零件材料的工藝性能直接影響著毛坯生產(chǎn)方法的選擇。按加工工藝方法的不同，金屬材料可分為鑄造合金和壓力加工合金兩大類。

2、滿足零件的使用要求

機械產(chǎn)品都是由若干零件組成的，保證零件的使用要求是保證產(chǎn)品使用要求的基礎(chǔ)。因此，毛坯選擇首先必須保證滿足零件的使用性能要求。零件的使用要求主要包括：零件的工作條件（通常指零件的受力情況、工作環(huán)境和接觸介質(zhì)等）零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的要求零件性能的要求。（1）結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的要求機械零件由于使用功能的不同,其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸往往差異較大,各種毛坯制造方法對零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的適應(yīng)能力也不相同。所以，選擇毛坯時，應(yīng)認(rèn)真分析零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸特點，選擇與之相適應(yīng)的毛坯制造方法。對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的中小型零件,應(yīng)選擇鑄件毛坯?？蛇x擇砂型鑄造、金屬型鑄造或熔模鑄造等；對于結(jié)構(gòu)形狀很復(fù)雜且輪廓尺寸不大的零件，宜選擇熔模鑄造。對于結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，且抗沖擊能力、抗疲勞強度要求較高的中小型零件，宜選擇模鍛件毛坯；對于那些結(jié)構(gòu)形狀相當(dāng)復(fù)雜且輪廓尺寸又較大的大型零件，宜選擇組合毛坯。（2）力學(xué)性能的要求對于力學(xué)性能要求較高，特別是工作時要承受沖擊和交變載荷的零件，為了提高抗沖擊和抗疲勞破壞的能力，一般應(yīng)選擇鍛造毛坯，如機床、汽車的傳動軸和齒輪等；對于由于其它方面原因需采用鑄件，但又要求零件的金相組織致密、承載能力較強的零件，應(yīng)選擇相應(yīng)的能滿足要求的鑄造方法，如壓力鑄造、金屬型鑄造和離心鑄造等。（3）表面質(zhì)量的要求

為降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)代機械產(chǎn)品上的某些非配合表面有盡量不加工的趨勢，即實現(xiàn)少、無切屑加工。對于尺寸較小的非鐵金屬件，宜選擇金屬型鑄造、壓力鑄造或精密模鍛；對于尺寸較小的鋼鐵件，則宜選擇熔模鑄造（鑄鋼件）或精密模鍛（結(jié)構(gòu)鋼件）。（4）其它方面的要求

對于具有某些特殊要求的零件，必須結(jié)合毛坯材料和生產(chǎn)方法來滿足這些要求。如果零件選材為鋼材，則宜選擇型材（如液壓油缸常采用無縫鋼管）；如果零件選材為鑄鐵，則宜選擇離心鑄造（如內(nèi)燃機的汽缸套，其材料為QT600－2，毛坯即為離心鑄造鑄件）；對于在自動機床上進(jìn)行加工的中小型零件，由于要求毛坯精度較高，故宜采用冷拉型材（如微型軸承的內(nèi)、外圈是在自動車床上加工的，其毛坯采用冷拉圓鋼）。3、滿足降低生產(chǎn)成本的要求

要降低毛坯的生產(chǎn)成本，在選擇毛坯時，必須認(rèn)真分析零件的使用要求及所用材料的價格、結(jié)構(gòu)工藝性、生產(chǎn)批量的大小等各方面情況。首先，應(yīng)根據(jù)零件的選材和使用要求確定毛坯的類別，再根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小和毛坯生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)工藝性及生產(chǎn)批量大小確定具體的制造方法，必要時還可按有關(guān)程序?qū)υO(shè)計提出修改意見，以利于降低毛坯生產(chǎn)成本。（1）生產(chǎn)批量較小時的毛坯選擇

生產(chǎn)批量較小時，毛坯生產(chǎn)的生產(chǎn)率不是主要問題，材料利用率的矛盾也不太突出，這時應(yīng)主要考慮的總是是減少設(shè)備、模具等方面的投資，即使用價格比校便宜的設(shè)備和模具，以降低生產(chǎn)成本。如使用型材、砂型鑄造件、自由鍛件、胎模鍛件、焊接結(jié)構(gòu)件等作為毛坯。（2）生產(chǎn)批量較大時的毛坯選擇

生產(chǎn)批量較大時，提高生產(chǎn)率和材料的利用率，降低廢品率，對降低毛坯的單件生產(chǎn)成本將具有明顯的經(jīng)濟(jì)意義。因此，應(yīng)采用比較先進(jìn)的毛坯制造方法來生產(chǎn)毛坯。盡管此時的設(shè)備造價昂貴、投資費用高，但分?jǐn)偟絾蝹€毛坯上的成本是較低的，并由于工時消耗、材料消耗及后續(xù)加工費用的減少和毛坯廢品率的降低，從而有效地降低毛坯生產(chǎn)成本。4、符合生產(chǎn)條件

為兼顧零件的使用要求和生產(chǎn)成本兩方面的原則，在選擇毛坯時還必須與本企業(yè)的具體生產(chǎn)條件相結(jié)合。當(dāng)對外訂貨的價格低于本企業(yè)生產(chǎn)成本，且又能滿足交貨期要求時，應(yīng)當(dāng)向外訂貨，以降低成本。

二、典型零件的選材及工藝路線1、軸桿類零件的毛坯選擇

軸桿類零件是機械產(chǎn)品中支承傳動件、承受載荷、傳遞扭矩和動力的常見典型零件，其結(jié)構(gòu)特征是軸向（縱向）尺寸遠(yuǎn)大于徑向（橫向）尺寸，包括各種傳動軸、機床主軸、絲杠、光杠、曲軸、偏心軸、凸輪軸、齒輪軸、連桿、搖臂、螺栓、銷子等，如圖所示。（1）軸桿類零件的毛坯軸類零件最常用的毛坯是型材和鍛件，對于某些大型的、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的軸也可用鑄件或焊接結(jié)構(gòu)件。對于光滑的或有階梯但直徑相差不大的一般軸，常用型材（即熱軋或冷拉圓鋼）作為毛坯。對于直徑相差較大的階梯軸或要承受沖擊載荷和交變應(yīng)力的重要軸，均采用鍛件作為毛坯。當(dāng)生產(chǎn)批量較小時，應(yīng)采用自由鍛件；當(dāng)生產(chǎn)批量較大時，應(yīng)采用模鍛件。對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的大型軸類零件，其毛坯可采用砂型鑄造件、焊接結(jié)構(gòu)件或鑄一焊結(jié)構(gòu)毛坯。（2）軸桿類零件的材料常用軸類材料有：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如35鋼、40鋼、45鋼、65Mn鋼等，其中用的最多的是45鋼；合金鋼，如20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等；碳素結(jié)構(gòu)鋼，如Q235、Q275等。除了上述碳鋼和合金鋼外，近年來越來越多地采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵作為軸的材料，尤其是曲軸的材料。（3）應(yīng)用舉例1）減速器傳動軸，工作載荷基本平衡，材料45鋼，小批量生產(chǎn)。由于該軸工作時不承受沖擊載荷，工作性質(zhì)一般，且各階梯軸徑相差不大，因此，可選用熱軋圓鋼作為毛坯。下料尺寸為Ф45㎜×220㎜。熱軋棒料下料一粗加工一調(diào)質(zhì)處理一半精加工一磨削2）磨床砂輪主軸“生產(chǎn)批量中等。砂輪主軸主要用于傳遞動力。該零件精度要求高，工作中將承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等載荷，要求具有較高的強度。選擇65Mn，采用模鍛件。砂輪主軸的加工路線為：下料－鍛造－退火－粗加工－調(diào)質(zhì)處理－精加工－表面淬火－粗磨－低溫人工時效－精磨

退火的目的是消除鍛造應(yīng)力及組織不均勻性，降低硬度，改善加工性。調(diào)質(zhì)處理是為了提高主軸的綜合性能，以滿足心部的強度要求，同時在表面淬火時能獲得均勻的硬化層。圖11.3.3磨床主軸簡圖表面淬火是為了使軸頸和外圓錐部分獲得高硬度，提高耐磨性。人工時效的作用是進(jìn)一步穩(wěn)定淬硬層組織和消除磨削應(yīng)力，以減少主軸的變形。2、盤套類零件的毛坯選擇

盤套類零件是指直徑尺寸較大而長度尺寸相對較小的回轉(zhuǎn)體零件（一般長度與直徑之比小于1）。屬于這類零件的有各種齒輪、帶輪、飛輪、聯(lián)軸節(jié)、套環(huán)、軸承環(huán)、端蓋及螺母、墊圈等。盤類零件由于其用途不同，所用的材料也不相同，毛坯生產(chǎn)方法也較多。如圖所示。

（1）帶輪的毛坯選擇

帶輪是通過中間撓性件（各種帶）來傳遞運動和動力的，一般載荷比較平穩(wěn)。對于中小帶輪多采用HT150制造，故其毛坯一般采用砂型鑄造，生產(chǎn)批量較小時用手工造型；生產(chǎn)批量較大時可采用機器造型；對于結(jié)構(gòu)尺寸很大的帶輪，為減輕重量可采用鋼板焊接毛坯。（2）鏈輪的毛坯選擇

鏈輪是通過鏈條作為中間撓性件來傳遞動力和運動的，其工作過程中的載荷有一定的沖擊，且鏈齒的磨損較快。鏈輪的材料大多使用鋼材，最常用的毛坯為鍛件。單件小批生產(chǎn)時，采用自由鍛造；生產(chǎn)批量較大時使用模鍛；對于新產(chǎn)品試制或修配件，亦可使用型材；對于齒數(shù)大于50的從動鏈輪也可采用強度高于HT150的鑄鐵，其毛坯可采用砂型鑄造，造型方法視生產(chǎn)批量決定。（3）圓柱齒輪的毛坯選擇齒輪的毛坯選擇取決于齒輪的選材、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、使用條件及生產(chǎn)批量等因素。對于鋼制齒輪，如果尺寸較小且性能要求不高，可直接采用熱軋捧料，除此之外，一般都采用鍛造毛坯。生產(chǎn)批量較小或尺寸較大的齒輪采用自由鍛造；生產(chǎn)批量較大的中小尺寸的齒輪采用模鍛。對于直徑比較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的不便于鍛造的齒輪，采用鑄鋼毛坯或焊接組合毛坯。（4）應(yīng)用舉例1）機床齒輪的選材一般來說，機床齒輪載荷不大，運動平穩(wěn)，工作條件好，故對齒輪的耐磨性及沖擊韌度要求不高，一般可選用中碳鋼制造。為了提高淬透性也可選用中碳合金鋼，經(jīng)高頻淬火，基本上能滿足機床工作條件。圖為C620－1車床主軸箱中Ⅲ軸上的三聯(lián)滑動齒輪簡圖，該齒輪承受載荷不大，運動也較平穩(wěn)，所以可選用中碳鋼來制造。但考慮到整個齒輪較厚，采用中碳鋼難以淬透，于是選用中碳合金鋼更好，如40Cr并經(jīng)高頻表面淬火。其加工工藝路線為：下料－鍛造－正火－粗加工－調(diào)質(zhì)－半精加工－齒輪高頻淬火及回火－精磨正火處理對鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，它可消除鍛造壓力，均勻組織，改善切削加工性。對于一般齒輪，正火也可作為高頻淬火前的最后熱處理工序。調(diào)質(zhì)處理可以使齒輪獲得較高的綜合力學(xué)性能，齒輪可承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊力，并可減少淬火變形。高頻淬火及低溫回火提高了齒輪表面硬度和耐磨性，并且使齒輪表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高了抗疲勞破壞的能力。低溫回火可消除淬火應(yīng)力，對防止產(chǎn)生磨削裂紋和提高抗沖擊能力是有利的。2）載重汽車的變速齒輪的選材汽車變速箱中的齒輪主要用來調(diào)節(jié)發(fā)動機曲軸和主軸凸輪的轉(zhuǎn)速比，以改變汽車運行速度，其工作較為繁重，因此在疲勞極限、耐磨性以及抗沖擊作用等性能方面均比機床齒輪要求高。因此，變速齒輪的材料大多選用合金滲碳鋼。圖為解放牌汽車變速齒輪，采用20CrMnTi鋼，有較高的力學(xué)性能，經(jīng)滲碳淬火處理及低溫回火后表面硬