機(jī)械零件材料及成型方法選擇

機(jī)械零件材料及成型方法選擇第1頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1選材的一般原則7.1.1零件失效的類型、原因及分析方法7.1.2材料的選用7.1.3選材的一般程序第2頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.1零件失效的類型、原因及分析方法1.零件失效的類型、原因各種機(jī)械零件都具有一定的功能，當(dāng)它不能按要求的效率完成預(yù)定的功能時(shí)，則稱該零件已失效。零件失效具體表現(xiàn)為：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；嚴(yán)重?fù)p傷不能再安全工作；雖仍能安全工作，但不能完成規(guī)定的功能。根據(jù)零件損壞的特點(diǎn)、所受載荷的類型及外在條件，零件的失效可歸納為下列三種類型：①變形失效；②斷裂失效；③表面損傷失效。引起失效的具體原因大體可以分為①設(shè)計(jì)；②材料；③加工；④安裝使用第3頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.零件失效分析方法①應(yīng)盡可能仔細(xì)地收集失效零件的殘?bào)w，拍照留據(jù)，確定重點(diǎn)分析的對象和部位。并在零件失效的發(fā)源部位切取樣品。②應(yīng)詳細(xì)整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計(jì)資料、加工工藝文件及使用記錄等。③將所選樣品進(jìn)行宏觀及微觀的斷口分析，以及必要的金相剖面分析，確定失效的發(fā)源地及失效的方式。④測定樣品的必要數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)所依據(jù)的性能指標(biāo)及與失效有關(guān)的性能數(shù)據(jù)，材料的組織及化學(xué)成分是否符合要求，分析在失效零件上收集到的腐蝕產(chǎn)物的成分、磨屑的成分等。必要時(shí)還要進(jìn)行無損探傷、斷裂力學(xué)分析等，考查有無裂紋或其他缺陷。第4頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.2材料的選用1.使用性能與選材2.工藝性能與選材3.經(jīng)濟(jì)性與選材第5頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月一些零件的工作條件、主要損壞形式及主要機(jī)械性能指標(biāo)第6頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.1.3選材的一般程序1.分析零件工作條件2.材料預(yù)選擇3.材料終選擇4.驗(yàn)證選材的可靠性第7頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2典型零件的選材及改性方法示例7.2.1.齒輪類零件的選材及改性方法7.2.2軸類零件的選材及改性方法第9頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.1.齒輪類零件的選材及改性方法1.齒輪的工作條件及性能要求2.齒輪零件的選材3.典型齒輪選材舉例第10頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月1.齒輪的工作條件及性能要求齒輪是機(jī)械工業(yè)、汽車、拖拉機(jī)中應(yīng)用最廣的零件之一，主要用于功率的傳遞和速度的調(diào)節(jié)，其工作時(shí)的受力狀況如下：①由于傳遞扭矩，齒根承受較大的交變彎曲應(yīng)力；②齒面相互滑動和滾動，承受較大的接觸應(yīng)力，并發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦；③由于換檔、啟動或嚙合不良，齒部承受一定的沖擊。根據(jù)齒輪的工作特點(diǎn)，其主要失效形式有以下幾種：①輪齒折斷有兩類斷裂形式，一類為疲勞斷裂：主要發(fā)生在齒根，常常一齒斷裂引起數(shù)齒、甚至更多的齒斷裂；另一類是過載斷裂：主要是沖擊載荷過大造成的斷齒；②齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小，齒隙增大；③齒面的剝落在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋并逐漸發(fā)展，引起點(diǎn)狀剝落。據(jù)此，要求齒輪用材應(yīng)具有如下性能：①高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度；②高的硬度和耐磨性；③輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性；第11頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.齒輪零件的選材第12頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月3.典型齒輪選材舉例C6132車床傳動齒輪JN—150汽車變速齒輪第13頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.2.2軸類零件的選材及改性方法1.機(jī)床主軸2.汽車半軸3.內(nèi)燃機(jī)曲軸第14頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月1.機(jī)床主軸在選用機(jī)床主軸的材料和熱處理工藝時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)：①受力的大小。②軸承類型。③主軸的形狀及其可能引起的熱處理缺陷。機(jī)床主軸的工作條件和性能要求C6140車床主軸的工作條件：①承受交變的彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，有時(shí)受到?jīng)_擊載荷的作用；②主軸大端內(nèi)錐孔和錐度外圓，經(jīng)常與卡盤、頂針有相對摩擦；③花鍵部分經(jīng)常有磕碰或相對滑動。熱處理技術(shù)條件：整體調(diào)質(zhì)硬度達(dá)200～230HBS；內(nèi)錐孔和外圓錐面處硬度為45～50HRC；花鍵部分的硬度為48～53HRC。第15頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）主軸用鋼及熱處理改性C6140車床屬于中速、中負(fù)荷、在滾動軸承中工作的機(jī)床，因此選用45鋼。整體調(diào)質(zhì)以獲得高的綜合機(jī)械性能和疲勞強(qiáng)度；內(nèi)錐孔和外圓錐面處采用鹽浴局部淬火和回火，以便耐磨和保證裝配精度；花鍵部分高頻淬火、低溫回火，以確保強(qiáng)度硬度要求。機(jī)床主軸工藝路線如下：鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火及低溫回火→磨削加工。若這類機(jī)床主軸承受載荷較大時(shí)，可用40Cr鋼制造。當(dāng)承受較大的沖擊載荷和疲勞載荷時(shí)，則可采用合金滲碳鋼制造，其熱處理工藝也發(fā)生相應(yīng)的變化。第16頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月C6140車床主軸圖第17頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.汽車半軸汽車半軸是驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的直接驅(qū)動件。半軸材料與其工作條件有關(guān)，中型載重汽車目前選用40Cr鋼，而重型載重汽車則選用性能更高的40CrMnMo鋼。（1）汽車半軸的工作條件和性能要求圖9-2-4所示為躍進(jìn)-130型載重汽車(載重量為2500kg)的半軸簡圖。半軸在工作時(shí)承受沖擊、反復(fù)彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，要求材料有足夠的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和較好的韌性。熱處理技術(shù)條件：硬度：桿部37～44HRC；盤部外圓：24～34HRC。材料選用及熱處理改性根據(jù)技術(shù)條件要求，可選用40Cr鋼。熱處理為：正火，消除鍛造應(yīng)力，改善切削加工性；調(diào)質(zhì)，使半軸具有高的綜合機(jī)械性能。其制造工藝路線如下：下料→鍛造→正火→切削加工→調(diào)質(zhì)→鉆孔→磨削第18頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車半軸第19頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月3.內(nèi)燃機(jī)曲軸（1）工作條件及性能要求曲軸是內(nèi)燃機(jī)形狀復(fù)雜而又重要的零件之一。它在工作時(shí)受到內(nèi)燃機(jī)周期性變化著的氣體壓力、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力以及沖擊力等的作用。在高速內(nèi)燃機(jī)中曲軸還受到扭轉(zhuǎn)振動的影響，會造成很大的應(yīng)力。因此，對曲軸的性能要求為：高強(qiáng)度，一定的沖擊韌性和彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，軸頸處要求有高的硬度和耐磨性。（2）內(nèi)燃機(jī)曲軸用料的選擇一般以靜力強(qiáng)度和沖擊韌性作為曲軸的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并考慮疲勞強(qiáng)度。內(nèi)燃機(jī)曲軸材料的選擇主要決定于內(nèi)燃機(jī)的使用情況、功率大小、轉(zhuǎn)速高低以及軸瓦材料等因素。一般選材規(guī)律如下：低速內(nèi)燃機(jī)曲軸采用正火狀態(tài)的碳素鋼或球墨鑄鐵；中速內(nèi)燃機(jī)曲軸采用調(diào)質(zhì)狀態(tài)的碳素鋼或合金鋼如45、40Cr、45Mn2、50Mn2等，或球墨鑄鐵；高速內(nèi)燃機(jī)曲軸采用高強(qiáng)度的合金鋼如35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA等。第20頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3毛坯成型方法選用原則7.3.1毛坯的種類7.3.2毛坯選擇的原則7.3.3選擇毛坯的依據(jù)第21頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.1毛坯的種類1.型材2.鑄件3.鍛件4.沖壓件5.焊接件第22頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月1.型材型材具有流線(或纖維)組織，使其力學(xué)性能具有方向性，即順著流線方向的抗拉強(qiáng)度、塑性好；而垂直于流線方向的抗拉強(qiáng)度、塑性低，但抗剪強(qiáng)度高。型材是大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，可直接從市場上購得，價(jià)格便宜，可簡化制造工藝和降低制造成本，盡管尺寸精度與表面質(zhì)量稍差，在不影響零件性能的情況下，一般優(yōu)先選用型材。型材的斷面形狀和尺寸有多種，常見的型材有型鋼、鋼板、鋼管、鋼絲、鋼帶等。第23頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鑄件用鑄造方法獲得的零件毛坯稱為鑄件。幾乎所有的金屬材料都可進(jìn)行鑄造，其中鑄鐵應(yīng)用最廣，而且鑄鐵也只能用鑄造的方法來生產(chǎn)毛坯；常用于鑄造的碳鋼為低、中碳鋼。在一般情況下鑄件的生產(chǎn)成本較低，是優(yōu)先選用的毛坯。但是鑄件的組織較粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生氣孔、縮松、偏析等缺陷，這些都影響鑄件的力學(xué)性能，使鑄件的力學(xué)性能比相同材料的鍛件低，特別是沖擊韌性差，所以一些重要零件和承受沖擊載荷的零件不宜用鑄件作零件的毛坯。第24頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月3.鍛件鍛件是固態(tài)金屬材料在外力作用下通過塑性變形而獲得的。由于塑性變形的結(jié)果，使鍛件內(nèi)部的組織較細(xì)且致密，沒有鑄造組織中的缺陷，所以鍛件比相同材料鑄件的力學(xué)性能高。尤其塑性變形后使型材中纖維組織重新分布，符合零件受力的要求，更能發(fā)揮材料的潛力。鍛件常用于強(qiáng)度高、耐沖擊、抗疲勞等重要零件的毛坯。與鑄造相比，鍛造方法難于獲得形狀較復(fù)雜(特別內(nèi)腔)的毛坯，且鍛件成本一般比鑄件要貴，金屬材料的利用率亦較低。自由鍛造適用于單件、小批生產(chǎn)、形狀簡單和大型零件的毛坯，其缺點(diǎn)是精度不高、表面不光潔、加工余量大、消耗金屬多。模鍛件的形狀可比自由鍛件復(fù)雜，且尺寸較準(zhǔn)確，表面較光潔，可減少切削加工成本，但模鍛錘和鍛模價(jià)格高，所以模鍛適用于中小件的成批或大量生產(chǎn)。第25頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月4.沖壓件沖壓可制造形狀復(fù)雜的薄壁零件，沖壓件的表面質(zhì)量好，形狀和尺寸精度高(決定于沖模質(zhì)量)，一般可滿足互換性的要求，故一般不必再經(jīng)切削加工便可直接使用。沖壓生產(chǎn)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動化，所以生產(chǎn)率較高，產(chǎn)品的合格率和材料利用率高，故沖壓件的制造成本低。但沖壓件只適用大批量生產(chǎn)，因?yàn)槟＞咧圃斓墓に噺?fù)雜、成本高、周期較長，只有在大批量生產(chǎn)中才能顯示其優(yōu)越性。第26頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月5.焊接件

焊接件是借助于金屬原子間的擴(kuò)散和結(jié)合的作用，把分離的金屬制成永久性的結(jié)構(gòu)件。焊接件的尺寸、形狀一般不受限制，可以小拼大，結(jié)構(gòu)輕便，材料利用率高，生產(chǎn)周期短，主要用于制造各種金屬結(jié)構(gòu)件，也用于制造零件的毛坯和修復(fù)零件，特別適用于制造單件、大型、形狀復(fù)雜的零件或毛坯，不需要重型與專用設(shè)備，產(chǎn)品改型方便。焊接件接頭的力學(xué)性能與母材基本接近。焊接件可以采用鋼板或型鋼焊接，或采用鑄—焊、鍛—焊或沖—焊聯(lián)合工藝制成。但是焊接過程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過程，焊接構(gòu)件內(nèi)容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形，接頭的熱影響區(qū)力學(xué)性能有所下降。第27頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月7.3.2毛坯選擇的原則1.適用性原則2.經(jīng)濟(jì)性原則3.毛坯選擇時(shí)應(yīng)考慮的其它因素(1)材料的工藝性對毛坯選擇的影響(2)零件的結(jié)構(gòu)、形狀與尺寸大小對毛坯生產(chǎn)方法選擇的影響(3)零件性能的可靠性對毛坯選擇的影響(4)零件生產(chǎn)的批量對毛坯選