第六章 材料成形方法選擇

材料成形方法選擇

第六章

機(jī)器制造中，大部分零件是先通過如下成形方法先制得毛坯，再經(jīng)過切削加工制成的:

鑄造成形鍛壓成形焊接成形非金屬材料成形材料成形過程是機(jī)械制造的重要工藝過程。

通常，零件的材料一旦確定，其毛坯成形方法也大致確定了。例如：

零件采用HT200、QT600-2等，其毛坯應(yīng)選用鑄造成形；齒輪零件采用45鋼、LD7等常采用鍛壓成形；零件采用Q235、08鋼等板、帶材，一般選用切割、沖壓或焊接成形；零件采用塑料，選用合適的塑料成形方法；選擇毛坯成形方法時，除考慮零件結(jié)構(gòu)工藝性之外，還要兼顧材料的工藝性能能否符合要求。任何材料都必須成形，制成制品后才具有使用價值。

成形方法的選擇是零件設(shè)計的重要內(nèi)容。

工作條件所需功能使用要求經(jīng)濟(jì)指標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計材料選用工藝設(shè)計零件設(shè)計內(nèi)容：§6.1材料成形方法選擇的原則與依據(jù)

一、材料成形方法的選擇原則(一)適用性原則：1．滿足使用要求2．適應(yīng)成形加工工藝性適用性原則：指要滿足零件的使用要求及對成形加工工藝性的適應(yīng)。1．滿足使用要求零件的使用要求具體體現(xiàn)為：外部質(zhì)量的要求(形狀、尺寸、加工精度、表面粗糙度等)

內(nèi)部質(zhì)量的要求(化學(xué)成分、金屬組織、力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等)對于不同零件的使用要求，必須考慮零件材料的工藝特性（如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能等）來確定毛坯的成形方法。選擇成形方法，要兼顧后續(xù)機(jī)加工的可加工性。例如：切削加工余量較大的毛坯不能采用普通壓力鑄造成形，否則將暴露鑄件表皮下的孔洞；需要切削加工的毛坯盡量避免采用高牌號珠光體球墨鑄鐵和簿壁灰鑄鐵，否則難以切削加工;

一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以采用單種成形方法成形的毛坯，注意各種成形方案結(jié)合的可能性，同時要考慮這些結(jié)合是否會影響機(jī)械加工的可加工性。2．適應(yīng)成形加工工藝性例如：階梯軸類零件，當(dāng)各臺階直徑相差不大時，可用棒料,若相差較大，則宜采用鍛造毛坯；形狀復(fù)雜和薄壁毛坯，一般不應(yīng)采用金屬型鑄造;

尺寸較大的毛坯，通常不采用模鍛、壓力鑄造和熔模鑄造，多數(shù)采用自由鍛、砂型鑄造和焊接等方法制坯。選擇成形方案時，還要考慮適應(yīng)性原則:根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀、外形尺寸和工作條件要求，選擇適應(yīng)的成形方案。(二)經(jīng)濟(jì)性原則：應(yīng)把滿足使用要求與降低成本統(tǒng)一起來；為獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，不能僅從成形工藝角度考慮經(jīng)濟(jì)性，而應(yīng)從降低零件總成本考慮。應(yīng)綜合考慮：所用材料價格零件成品率整個制造過程加工費(fèi)材料利用率與回收率零件壽命成本廢棄物處理費(fèi)用此時采用精度高、生產(chǎn)率高的毛坯成形方法，雖然一次投資較大，但增大的成形費(fèi)用可由減少的材料消耗及機(jī)械加工費(fèi)用得到補(bǔ)償。選擇毛坯種類和成形方法，應(yīng)盡量使毛坯尺寸、形狀與成品零件相近，從而減少加工余量，提高材料的利用率，減少機(jī)械加工工作量。當(dāng)然毛坯越精確，制造就越困難，費(fèi)用也越高。通常：單件小批量生產(chǎn)，可采用手工砂型鑄造、自由鍛造、手工電弧焊、鈑金鉗工等成形方法；批量生產(chǎn)，可采用機(jī)器造型、模鍛、埋弧自動焊或其他自動焊接方法和板料沖壓等成形方法制造毛坯。(三)與環(huán)境相宜原則：1．對環(huán)境友好的含義對環(huán)境友好就是要使環(huán)境負(fù)載小，“小”主要指：能量耗費(fèi)少，CO2產(chǎn)生少；貴重資源用量少；廢棄物少，再生處理容易，能夠?qū)崿F(xiàn)再循環(huán)；不使用、不產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)。

2．環(huán)境負(fù)載性的評價評價環(huán)境負(fù)載性，謀求對環(huán)境友好，不能僅考慮制品的生產(chǎn)工程，而應(yīng)全面考慮生產(chǎn)、還原兩個工程。還原工程：指制品制造時的廢棄物及其使用后的廢棄物的再循環(huán)、再資源化工程。3．成形加工方法與單位能耗的關(guān)系材料經(jīng)各種成形加工工藝成為制品，生產(chǎn)系統(tǒng)中能耗由此工藝流程確定。

選擇制品成形加工方法時，應(yīng)通盤考慮選擇單位能耗少的成形加工方法，并選擇能采用低單位能耗成形加工方法的材料。二、材料成形方法選擇的依據(jù)(一)零件類別、功能、使用要求及其結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、技術(shù)要求等；(二)零件的生產(chǎn)批量;(三)現(xiàn)有生產(chǎn)條件;

大型水輪機(jī)空心軸(四)密切注意新工藝、新技術(shù)、新材料的利用

發(fā)動機(jī)上排氣門的成形工藝備選方案：若有多種成形工藝可選時，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)批量與條件，盡可能采用先進(jìn)的成形工藝。胎模鍛造成形平鍛機(jī)模鍛成形電熱鐓粗成形熱擠壓成形氣門

三、常用成形方法的比較

常用的材料成形方法比較精密零件或特殊性能的制品，如軸承、金剛石工具、硬質(zhì)合金、活塞環(huán)、齒輪等較高高可較復(fù)雜中小件粉末流動性較好，壓縮性較大粉末間原子擴(kuò)散、再結(jié)晶，有時重結(jié)晶粉末冶金重量輕且剛度好的零件以及形狀較復(fù)雜的殼體，如箱體、罩殼、汽車覆蓋件、儀表板、容器等較高或高較高可較復(fù)雜各種沖壓受力較大或較復(fù)雜，且形狀較復(fù)雜的制件，如齒輪、閥體、叉桿、曲軸等較高或高較高可較復(fù)雜中小件模鍛傳動軸、齒輪坯、炮筒等低較低簡單各種變形抗力較小，塑性較好固態(tài)金屬塑性變形自由鍛型腔較復(fù)雜尤其是內(nèi)腔復(fù)雜的制件，如箱體、殼體、床身、支座等低～高較高可復(fù)雜各種流動性好，集中縮孔液態(tài)金屬填充型腔鑄造結(jié)構(gòu)尺寸主要應(yīng)用生產(chǎn)率材料利用率制件特征對材料的工藝要求成形特點成形方法續(xù)表焊接通過金屬熔池液態(tài)凝固，或塑性變形或原子擴(kuò)散實現(xiàn)連接淬硬、裂紋、氣孔等傾向較小各種可復(fù)雜較高低～高形狀復(fù)雜或大型構(gòu)件的連接成形，異種材料間的連接，零件的修補(bǔ)等塑料成形采用注射、擠出、模壓、澆注、燒結(jié)、真空成形、吹塑等方法制成制品流動性好、收縮性、吸水性、熱敏性小各種可復(fù)雜較高較低或較高一般結(jié)構(gòu)零件、一般耐磨傳動零件，減摩自潤滑零件，耐腐蝕零件等。如化工管道、儀表殼罩等陶瓷成形陶瓷材料通過制粉、配料、成形、高溫?zé)Y(jié)獲得制品坯體結(jié)構(gòu)均勻并有一定的致密度中小件可較復(fù)雜較高低～較高高硬度，耐高溫、耐腐蝕絕緣零件，如刀具、高溫軸承、泵、閥復(fù)合材料成形基體材料和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的一類多相材料，材料與結(jié)構(gòu)一次成形纖維有高強(qiáng)度和剛度，有合理的含量、尺寸和分布；基體有一定的塑性、韌性各種可復(fù)雜較高低～較高高比強(qiáng)度、比模量、化學(xué)穩(wěn)定性和電性能好，如船、艇、車身及配件，管道、閥門、儲罐、高壓氣瓶等快速成形通過離散獲得堆積的路徑和方式，通過堆積材料疊加起來成形三維實體有利于快速精確地加工原型零件；當(dāng)原形直接用作制件、模具時，原型的力學(xué)性能和物理化學(xué)性能要滿足使用要求；當(dāng)原形間接使用時，其性能要有利于后續(xù)處理工藝各種可復(fù)雜高單件成形速度快產(chǎn)品設(shè)計、方案論證、產(chǎn)品展示、工業(yè)造型、模具、家用電器、汽車、航空航天、軍事裝備、材料、工程、醫(yī)療器具、人體器官模型、生物材料組織等§6.2常用機(jī)械零件毛坯成形方法選擇一、軸桿類零件

軸、桿類零件的結(jié)構(gòu)特點是其軸向(縱向)尺寸遠(yuǎn)大于徑向(橫向)尺寸。

除光滑軸、直徑變化較小的軸、力學(xué)性能要求不高的軸毛坯采用軋制圓鋼制造外，幾乎都采用鍛鋼件為毛坯;階梯軸各直徑相差越大，采用鍛件越有利；

某些具有異形斷面或彎曲軸線的軸，如凸輪軸、曲軸等，在滿足使用要求的前提下，可采用球墨鑄鐵的鑄造毛坯，以降低制造成本。軸桿類零件材料大都為鋼。有些情況下，還可采用鍛-焊或鑄-焊結(jié)合的方法來制造軸、桿類零件的毛坯。二、盤套類零件

盤套類零件中，除套類零件軸向尺寸有部分大于徑向尺寸外，其余零件軸向尺寸一般小于徑向尺寸、或兩個方向尺寸相差不大。

盤套類零件在機(jī)械中的使用要求和工作條件有很大差異，因此所用材料和毛坯各不相同。盤套類零件1.齒輪齒輪是重要的傳動零件，運(yùn)轉(zhuǎn)時齒面承受接觸應(yīng)力和摩擦力，齒根要承受彎曲應(yīng)力，有時還要承受沖擊力，故要求齒輪具有良好的綜合力學(xué)性能。一般選用鍛鋼毛坯

大批量生產(chǎn)可采用熱軋齒輪或精密模鍛齒輪；單件或小批量生產(chǎn)，直徑100mm以下的小齒輪可用圓鋼棒為毛坯。

直徑大于400～500mm的大型齒輪，可用鑄鋼或球墨鑄鐵件為毛坯，鑄造齒輪一般為幅條結(jié)構(gòu)。

單件生產(chǎn)大型齒輪毛坯，可采用焊接方式制造。2．帶輪、飛輪、手輪和墊塊等受力不大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或以承壓為主的一類零件，通常采用灰鑄鐵件，單件生產(chǎn)時也可采用低碳鋼焊接件。3．法蘭、墊圈、套環(huán)、聯(lián)軸節(jié)等該類零件可分別采用鑄鐵件、鍛鋼件或圓鋼棒為毛坯。厚度較小、單件或小批量生產(chǎn)時，也可用鋼板為坯料。墊圈一般采用板材沖壓成形。4．模具毛坯一般采用合金鋼鍛造成形。通常采用鋼、鑄鐵、非鐵合金材料的圓棒材、鑄件或鍛件制造，有的可直接采用無縫管下料。尺寸較小、大批量生產(chǎn)時，還可采用冷擠壓和粉末冶金等方法制坯。

該套類零件工作中承受徑向力或軸向力和摩擦力。5．鉆套、導(dǎo)向套、滑動軸承、液壓缸、螺母等三、機(jī)架、箱座類零件