機械零件材料及毛坯的選擇與質量檢驗

1、機械零件材料及毛坯的選擇與質量檢驗  文件類型：DOC/Microsoft Word  文件大小：字節(jié) 更多搜索：機械零件材料及毛坯選擇質量檢驗第十章 機械零件材料及毛坯的選擇與質量檢驗機械制造中,要獲得滿意的零件,就必須從結構設計,合理選材,毛坯制造及機械加工等方面綜合考慮.而正確選擇材料和毛坯制造方法將直接關系到產品的質量和經(jīng)濟效益,因此,這項工作是機械設計和制造中的重要任務之一.機械零件的使用性是多種多樣的,對材料和毛坯的選擇要考慮諸多因素.這里只介紹一些材料及毛坯選擇的一般原則.第一節(jié) 機械零件的失效在我們的現(xiàn)實中,機械設備可能發(fā)生多種故障.對故

2、障研究分析,首先應根據(jù)零件的損壞形式,找出失效的主要原因,為選材和改進工藝提供必要的依據(jù).一,失效的基本概念零件在工作過程中最終都要發(fā)生失效.所謂失效是指:(1)零件完全破壞,不能繼續(xù)工作;(2)嚴重損傷,繼續(xù)工作很不安全;(3)雖能安全工作,但已不能滿意地起到預定的作用.只要發(fā)生上述三種情況中的任何一種,都認為零件已經(jīng)失效.失效分析的目的就是要找出零件損傷的原因,并提出相應的改進措施.現(xiàn)代工業(yè)中零件的工作條件日益苛刻,零件的損壞往往會帶來嚴重的后果,因此對零件的可靠性提出了越來越高的要求.另外,從經(jīng)濟性考慮,也要求不斷提高零件的壽命.這些都使得失效分析變得越來越重要.失效分析的結果對于零件的

3、設計,選材,加工以至使用,都有很大的指導意義.二,零件失效的主要形式零件在工作時的受力情況一般比較復雜,往往承受多種應力的復合作用,因而造成零件的不同失效形式.零件的失效形式有超量變形,斷裂和表面損傷三大類型.如圖10-1所示.必須指出,實際零件在工作中往往不只是一種失效方式起作用.例如,一個齒輪,齒面之間的摩擦導致表面磨損失效,而齒根可能產生疲勞斷裂失效,兩種方式同時起作用.但一般來說,造成一個零件失效時總是一種方式起主導作用,很少有兩種方式同時都使零件失效.失效分析的目的實際上就是要找出主要的失效形式.另外,各類基本失效方式可以互相組合,形成更復雜的復合失效方式,如腐蝕疲勞,蠕變疲勞,腐蝕

4、磨損等等.但它們在特點上都各自接近于其中某一種方式,而另一種方式是輔助的,因此在分析時往往被歸入主導方式一類中,例如腐蝕疲勞,疲勞特征是主導因素,腐蝕是起輔助作用的,因此被歸入疲勞一類進行分析.三,零件失效的原因零件的失效可以由多種原因引起,大體上可分為設計,材料,加工和安裝使用四個方面,圖10-2是導致零件失效的主要原因的示意圖.(1)結構設計不合理設計上導致零件失效的最常見原因是結構或形狀不合理,即在零件的高應力處存在明顯的應力集中源,如各種尖角,缺口,過小的過渡圓角,等等.另一種原因是對零件的工作條件估計錯誤,如對工作中可能的過載估計不足,因而設計的零件的承載能力不夠.發(fā)生這類失效的原因

5、在于設計,但可通過選材來避免,特別是當零件的結構與幾何尺寸基本固定而難以作較大的改動時,就是如此來處理問題的.現(xiàn)在很少發(fā)生由于計算錯誤造成的設計事故.(2)材料選取不當選材不當是材料方面導致失效的主要原因.問題出在材料上,但責任在設計者身上.最常見的情況是,設計者僅根據(jù)材料的常規(guī)性能指標作出決定,而這些指標根本不能反映材料對所發(fā)生的那種類型失效的抗力.另一種情況是,盡管預先對零件的失效形式有較準確的估計,并提出了相應的性能指標作為選材的依據(jù),但由于考慮到其它因素(如經(jīng)濟性,加工性能等),使得所選材料的性能數(shù)據(jù)不合要求,因而導致了失效.材料本身的缺陷也是導致零件失效的一個重要原因,常見的缺陷是夾

6、雜物過多,過大,雜質元素太多,或者有夾層,折疊等宏觀缺陷.因此,對原材料加強檢驗是非常重要的步驟.(3)加工工藝問題零件加工成型過程中,由于加工工藝不良,也會造成各種缺陷.例如鍛造不良可造成帶狀組織,過熱或過燒現(xiàn)象等;冷加工不良時光潔度太低,產生過深的刀痕,磨削裂紋等;熱處理不良能造成過熱,脫碳,淬火裂紋,回火不足等;這些都可導致零件的失效.加工不良造成的缺陷,尤其是熱處理時產生的缺陷,與零件的設計有很大的關系.零件的外形和結構設計不合理,會大大增加熱處理缺陷發(fā)生的可能性.若零件熱處理后殘留有較大的內應力,甚至有難以檢查出來的裂紋時,使用中必定會造成嚴重的損壞. (4)安裝不當零件安裝時配合過

7、緊,過松,對中不準,固定不緊等均可造成失效或事故.在制造廠里管理比較嚴格的情況下,使用不當?？沙蔀榱慵p壞的主要原因.對機器的維護保養(yǎng)不好,沒有遵守操作規(guī)程及工作時有較大幅度的過載等也可以造成零件的失效.(5)使用維護不正確超載荷運動,潤滑條件不良,零件磨損增加等均可造成零件早期失效. 四,失效分析的一般方法正確的失效分析,是找出零件失效原因,解決零件失效問題的基礎環(huán)節(jié).機械零件的失效分析是一項綜合性的技術工作,大致有如下程序.(1)盡量仔細地收集失效零件的殘骸,并拍照記錄實況,確定重點分析的對象,樣品應取自失效的發(fā)源部位,或能反映失效的性質或特點的地方.(2)詳細記錄并整理失效零件的有關資料

8、,如設計情況(圖紙),實際加工情況及尺寸,使用情況等.根據(jù)這些資料全面地從設計,加工,使用各方面進行具體的分析.(3)對所選試樣進行宏觀(用肉眼或立體顯微鏡)及微觀(用高倍的光學或電子顯微鏡)斷口分析,以及必要的金相剖面分析,確定失效的發(fā)源點及失效的方式.(4)對失效樣品進行性能測試,組織分析,化學分析和無損探傷,檢驗材料的性能指標是否合格,組織是否正常,成分是否符合要求,有無內部或表面缺陷等等,全面收集各種必要的數(shù)據(jù).(5)斷裂力學分析.在某些情況下需要進行斷裂力學計算,以便于確定失效的原因及提出改進措施.(6)綜合各方面分析資料作出判斷,確定失效的具體原因,提出改進措施,寫出報告.在失效分

9、析中,有兩項最重要的工作.一是收集失效零件的有關資料,這是判斷失效原因的重要依據(jù),必要時作斷裂力學分析.二是根據(jù)宏觀及微觀的斷口分析,確定失效發(fā)源地的性質及失效方式.這項工作最重要,因為它除了告訴我們失效的精確地點和應該在該處測定哪些數(shù)據(jù)外,同時還對可能的失效原因能作出重要指示.例如,沿晶斷裂應該是材料本身,加工或介質作用的問題,與設計關系不大.第二節(jié) 機械零件材料選擇的一般原則機械零件的選材是一項十分重要的工作.選材是否恰當,特別是一臺機器中關鍵零件的選材是否恰當,將直接影響到產品的使用性能,使用壽命及制造成本.選材不當,嚴重的可能導致零件的完全失效.判斷零件選材是否合理的基本標志是:能否滿

10、足必需的使用性能;能否具有良好的工藝性能;能否實現(xiàn)最低成本.選材的任務就是求得三者之間的統(tǒng)一.因此選材時一般應遵循以下三個原則:一,使用性能零件選材應滿足零件工作條件對材料使用性能的要求.材料在使用過程中的表現(xiàn),即使用性能,是選材時考慮的最主要根據(jù).不同零件所要求的使用性能是很不一樣的,有的零件主要要求高強度,有的則要求高的耐磨性,而另外一些甚至無嚴格的性能要求,僅僅要求有美麗的外觀.因此,在選材時,首要的任務就是準確地判斷零件所要求的主要使用性能.對所選材料使用性能的要求,是在對零件的工作條件及零件的失效分析的基礎上提出的.零件的工作條件是復雜的,要從受力狀態(tài),載荷性質,工作溫度,環(huán)境介質等

11、幾個方面全面分析.受力狀態(tài)有拉,壓,彎,扭等;載荷性質有靜載,沖擊載荷,交變載荷等;工作溫度可分為低溫,室溫,高溫,交變溫度;環(huán)境介質為與零件接觸的介質,如潤滑劑,海水,酸,堿,鹽等.為了更準地了解零件的使用性能,還必須分析零件的失效方式,從而找出對零件失效起主要作用的性能指標.見表10-1所示.有時,通過改進強化方式或方法,可以將廉價材料制成性能更好的零件.所以選材時,要把材料成分和強化手段緊密結合起來綜合考慮.另外,當材料進行預選后,還應當進行實驗室試驗,臺架試驗,裝機試驗,小批生產等,進一步驗證材料機械性能選擇的可靠性.二,工藝性能零件選材應滿足生產工藝對材料工藝性能的要求.任何零件都是

12、由不同的工程材料通過一定的加工工藝制造出來的.因此材料的工藝性能,即加工成零件的難易程度,自然應是選材時必須考慮的重要問題.所以,熟悉材料的加工工藝過程及材料的工藝性能,對于正確選材是相當重要的.材料的工藝性能包括以下內容:(1)鑄造性能 包含流動性,收縮性,疏松及偏析傾向,吸氣性,熔點高低等.(2)壓力加工性能 指材料的塑性和變形抗力等.(3)焊接性能 包括焊接應力,變形及晶粒粗化傾向,焊縫脆性,裂紋,氣孔及其它缺陷傾向等.(4)切削加工性能 指切削抗力,零件表面光潔度,排除切屑難易程度及刀具磨損量等.(5)熱處理性能 指材料的熱敏感性,氧化,脫碳傾向,淬透性,回火脆性,淬火變形和開裂傾向等

13、.與使用性能的要求相比,工藝性能處于次要地位;但在某些情況下,工藝性能也可成為主要考慮的因素.當工藝性能和機械性能相矛盾時,有時正是工藝性能的考慮使得某些機械性能顯然合格的材料不得不加舍棄,此點對于大批量生產的零件特別重要.因為在大量生產時,工藝周期的長短和加工費用的高低,常常是生產的關鍵.例如,為了提高生產效率,而采用自動機床實行大量生產時,零件的切削性能可成為選材時考慮的主要問題.此時,應選用易切削鋼之類的材料,盡管它的某些性能并不是最好的.三,經(jīng)濟性零件的選材應力求使零件生產的總成本最低.除了使用性能與工藝性能外,經(jīng)濟性也是選材必須考慮的重要問題.選材的經(jīng)濟性不單是指選用的材料本身價格應

14、便宜,更重要的是采用所選材料來制造零件時,可使產品的總成本降至最低,同時所選材料應符合國家的資源情況和供應情況,等等.(1)材料的價格 不同材料的價格差異很大,而且在不斷變動,因此設計人員應對材料的市場價格有所了解,以便于核算產品的制造成本.(2)國家的資源狀況 隨著工業(yè)的發(fā)展,資源和能源的問題日益突出,選用材料時必須對此有所考慮,特別是對于大批量生產的零件,所用的材料應該是來源豐富并符合我國的資源狀況的.例如,我國缺鉬但鎢卻十分豐富,所以我們選用高速鋼時就要盡量多用鎢高速鋼,而少用鉬高速鋼.另外,還要注意生產所用材料的能源消耗,盡量選用耗能低的材料.(3)零件的總成本 由于生產經(jīng)濟性的要求,

15、選用材料時零件的總成本應降至最低.綜上所述,零件選材的基本步聚如下:1,對產品功能要求特性,包括可能互相矛盾的要求,確定相對優(yōu)先次序.2,決定產品每個構件所要求的性能,對各種候選材料在性能上進行比較.3,對外形,材料和加工方法進行綜合考慮.四,典型零件的選材及工藝路線1,機床主軸圖10-3是C620車床主軸的結構簡圖.機床主軸是典型的受扭轉彎曲復合作用的軸件,它受的應力不大(中等載荷),承受的沖擊載荷也不大,如果使用滑動軸承,軸頸處要求耐磨.因此大多采用45鋼制造,并進行調質處理,軸頸處由表面淬火來強化.載荷較大時則用40Cr等低合金結構鋼來制造.對C620車床主軸的選材結果如下:材料:45鋼

16、.熱處理:整體調質,軸頸及錐孔表面淬火.性能要求:整體硬度NB220HB240;軸頸及錐孔處硬度HRC52.工藝路線:鍛造正火粗加工調質精加工表面淬火及低溫回火磨削.該軸工作應力很低,沖擊載荷不大,45鋼處理后屈服極限可達400MPa以上,完全可滿足要求.現(xiàn)在有部分機床主軸已經(jīng)可以用球墨鑄鐵制造.2,汽車齒輪汽車齒輪的工作條件遠比機床齒輪惡劣,特別是主傳動系統(tǒng)中的齒輪,它們受力較大,超載與受沖擊頻繁,因此對材料的要求更高.由于彎曲與接觸應力都很大,用高頻淬火強化表面不能保證要求,所以汽車的重要齒輪都用滲碳,淬火進行強化處理.因此這類齒輪一般都用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi等制造,特別是

17、后者在我國汽車齒輪生產中應用最廣.為了進一步提高齒輪的耐用性,除了滲碳,淬火外,還可以采用噴丸處理等表面強化處理工藝.噴丸處理后,齒面硬度可提高HRC13單位,耐用性可提高711倍.例:北京牌吉普車后橋圓錐主動齒輪.(圖10-4)材料:20CrMnTi鋼.熱處理:滲碳,淬火,低溫回火,滲碳層深1.2mm1.6mm.性能要求:齒面硬度HRC58HRC62,心部硬度HRC33HRC48.工藝路線:下料鍛造正火切削加工滲碳,淬火,低溫回火磨加工.第三節(jié) 零件毛坯選擇的一般原則毛坯種類的選擇不僅影響毛坯的制造工藝及費用,而且也與零件的機械加工工藝和加工質量密切相關.為此需要毛坯制造和機械加工兩方面的工

18、藝人員密切配合,合理地確定毛坯的種類,結構形狀,并繪出毛坯圖.一,常見的毛坯種類常見的毛坯種類有以下幾種:(一)鑄件對形狀較復雜的毛坯,一般可用鑄造方法制造.目前大多數(shù)鑄件采用砂型鑄造,對尺寸精度要求較高的小型鑄件,可采用特種鑄造,如永久型鑄造,精密鑄造,壓力鑄造,熔模鑄造成和離心鑄造等.(二)鍛件鍛件毛坯由于經(jīng)鍛造后可得到連續(xù)和均勻的金屬纖維組織.因此鍛件的力學性能較好,常用于受力復雜的重要鋼質零件.其中自由鍛件的精度和生產率較低,主要用于小批生產和大型鍛件的制造.模型鍛造件的尺寸精度和生產率較高,主要用于產量較大的中小型鍛件.(三)型材型材主要有板材,棒材,線材等.常用截面形狀有圓形,方形

19、,六角形和特殊截面形狀.就其制造方法,又可分為熱軋和冷拉兩大類.熱軋型材尺寸較大,精度較低,用于一般的機械零件.冷拉型材尺寸較小,精度較高,主要用于毛坯精度要求較高的中小型零件.(四)焊接件焊接件主要用于單件小批生產和大型零件及樣機試制.其優(yōu)點是制造簡單,生產周期短,節(jié)省材料,減輕重量.但其抗振性較差,變形大,需經(jīng)時效處理后才能進行機械加工.(五)其它毛坯其它毛坯包括沖壓件,粉末冶金件,冷擠件,塑料壓制件等.二,毛坯選擇的一般原則毛坯類型選擇同毛坯材料是密切相關的,所以選擇毛坯的原則也是在滿足使用要求的前提下,努力降低生產成本和提高生產效率.1,滿足零件的使用要求 機械裝置中各零件的功能不同,

20、其使用要求也會有很大的差異.零件的使用要求包括零件形狀,尺寸,加工精度和表面粗糙度等的外部質量要求,以及具體工作條件下對零件成分,組織,性能的內部質量要求.2,降低生產成本 一個零件的制造成本包括本身的材料費,消耗的燃料和動力費,工資,設備和設備的折舊費,以及其它輔助費用分攤到該零件的份額.進行毛坯選擇時,可在保證零件使用性能的條件下,把可供選擇的方案從經(jīng)濟上進行分析比較,從中選擇出成本最低的最佳方案.3,結合具體生產條件 選定毛坯制造方法時,首先應分析本企業(yè)的設備條件和技術水平,實施切實可行的生產方案.第四節(jié) 毛坯質量檢驗毛坯件中缺陷的存在,也是造成零件早期失效的原因.一,毛坯的質量檢驗毛坯的質量檢驗可分為破壞性檢驗和非破壞性檢驗兩類.破壞性檢驗包括力學性能測試,化學成分分析和金相檢驗.破壞性檢驗必須從被檢件上切取試樣,