機(jī)械工程材料第6章典型零件選材課件

1、機(jī)器零件的分類： 機(jī)器零件的功用和結(jié)構(gòu)多種多樣，通常分為以下幾類： 1.軸桿類：如各種軸，連桿，螺桿等； 2.輪盤類：如齒輪，飛輪，皮帶輪，法蘭盤等； 3.箱座類：如箱體，床身，底座，支架，工作臺(tái)等； 4.其他類：如各類標(biāo)準(zhǔn)件（螺紋連接件，軸承，墊圈，銷等），彈簧等。 常用機(jī)器零件選材舉例 零件類別 軸桿類 套類一、軸類零件選材1、軸類零件的工作條件與性能要求： 1）工作條件： 軸的功能是支承旋轉(zhuǎn)零件、傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)。軸類零件是機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)以及各類機(jī)器的重要零件之一。主要失效形式有以下幾種：斷裂，大多是疲勞斷裂；軸頸或花鍵處過(guò)度磨損；發(fā)生過(guò)量彎曲或扭轉(zhuǎn)變形；此外，有時(shí)還可能發(fā)生振動(dòng)或腐蝕

2、失效。2）性能要求： 良好的綜合力學(xué)性能，即強(qiáng)度和塑性、韌性有良好的配合，以防止過(guò)載或沖擊斷裂；高的疲勞強(qiáng)度，防止疲勞斷裂；有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦部位（如軸頸、花鍵等處），應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性。軸類零件一般按強(qiáng)度、剛度計(jì)算和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行零件設(shè)計(jì)與選材。通過(guò)強(qiáng)度、剛度計(jì)算保證軸的承載能力，防止過(guò)量變形和斷裂失效；結(jié)構(gòu)要求則是保證軸上零件的可靠固定與拆裝，并使軸具有合理的結(jié)構(gòu)工藝性及運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。3、典型軸的工作條件、用材及熱處理、加工工藝路線：1）機(jī)床主軸 CM6140車床主軸的簡(jiǎn)圖如右圖所示。該軸承受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力，載荷和 轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷也不大，屬于中等載荷的軸。但大端的軸頸、錐孔

3、和卡盤、頂尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。 CM6140車床主軸的選材、熱處理及加工工藝路線如下：材料：45鋼。熱處理技術(shù)條件：整體調(diào)質(zhì)，硬度220250 HBS；軸頸和錐孔進(jìn)行表面淬火，硬度5258 HRC。加工工藝路線： 下料鍛造(正火)粗加工調(diào)質(zhì)半精加工表面淬火及低溫回火磨削加工。正火的目的在于得到合適的硬度，便于切削加工；改善鍛造組織，為調(diào)質(zhì)做準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)是為了使主軸得到高的綜合機(jī)械性能和疲勞強(qiáng)度。為了更好地發(fā)揮調(diào)質(zhì)效果，安排在粗加工后進(jìn)行。調(diào)質(zhì)還為最終的(高頻)表面淬火做準(zhǔn)備。對(duì)軸頸和錐孔進(jìn)行表面淬火、低溫回火，旨在提高硬度，增加耐磨性。 2）汽車半軸： 汽車半軸是一個(gè)

4、傳遞扭矩的重要部，工作時(shí)承受沖擊、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。躍進(jìn)一l30型載重汽車的半軸如右圖汽車半軸的選材、熱處理及加工工藝路線如下：材料：40Cr。熱處理技術(shù)條件：正火，187241 HBS；(中溫)調(diào)質(zhì)，桿部3742 HRC，盤部外圓2434 HRC。調(diào)質(zhì)后半軸的顯微組織為回火索氏體或回火屈氏體，心部允許有鐵素體存在。加工工藝路線：下料鍛造(正火)機(jī)加工調(diào)質(zhì)盤部鉆孔精加工。正火的目的是為了得到合適的硬度，以便切削加工，同時(shí)可以改善鍛造組織，為調(diào)準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)的目的是使半軸具有高的綜合力學(xué)性。淬火后回火溫度(42010 )根據(jù)桿部要求的硬度，回火

5、后在水中冷卻，以防止產(chǎn)生回火脆性。 表6.1 機(jī)床主軸工作條件、用材及熱處理 工作條件 材料 主要熱處理 硬度 使用實(shí)例與滾動(dòng)軸承配合輕、中載荷，轉(zhuǎn)速低精度要求不高稍有沖擊 45正火或調(diào)質(zhì)220250 HBS一般簡(jiǎn)式機(jī)床與滾動(dòng)軸承配合輕、中載荷，轉(zhuǎn)速略高精度要求不太高 45 整體淬火或局部淬火回火，整體調(diào)質(zhì)4045 HRC 龍門銑床、搖臂鉆床、組合機(jī)床等與滑動(dòng)軸承配合有沖擊載荷 45 調(diào)質(zhì)、軸頸表面淬火回火5258 HRC CM6140車床主軸與滾動(dòng)軸承配合中等載荷，轉(zhuǎn)速較高精度要求較高沖擊與疲勞較小 40Cr 40MnB 整體淬火或局部淬火+低溫回火4045 HRC或 4652 HRC 搖臂

6、鉆床、組合機(jī)床等與滑動(dòng)軸承配合中等載荷，轉(zhuǎn)速較高精度要求很高38CrMoAl調(diào)質(zhì)，表面氮化調(diào)質(zhì)后250280 HBS，滲氮表面HVI850 高精度磨床及精密鏜床主軸與滑動(dòng)軸承配合中等載荷，心部強(qiáng)度不高，轉(zhuǎn)速高精度要求不高有一定沖擊和疲勞 20Cr 滲碳,淬火+低溫回火5662 HRC齒輪銑床主軸與滑動(dòng)軸承配合重載荷，轉(zhuǎn)速高有較大沖擊和疲勞載荷20CrMnTi 滲碳,淬火+低溫回火5662 HRC 載荷較大的組合機(jī)床表6.1 二、齒輪類零件的材料選擇1.齒輪零件的工作條件與性能要求(1)工作條件：齒輪是各類機(jī)械、儀表中應(yīng)用最多的零件之一，其作用是傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。只有少數(shù)齒輪受力

7、不大，僅起分度作用。齒輪工作時(shí)的受力情況是：齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力；換擋、啟動(dòng)或嚙合不均時(shí)，齒部承受一定沖擊載荷；齒面相互滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸，承受很大的接觸應(yīng)力，并發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦。此外，潤(rùn)滑油腐蝕及外部硬質(zhì)磨粒的侵入等，都可加劇齒輪工作條件的惡化。按照工作條件的不同，齒輪的主要失效形式有斷齒、齒面剝落及過(guò)度磨損。(2)性能要求：具有高的接觸疲勞強(qiáng)度、高的表面硬度和耐磨性，防止齒面損傷。具有高的抗彎強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)男牟繌?qiáng)度和韌性，防止疲勞、過(guò)載及沖擊斷裂。具有良好的切削加工性和熱處理工藝性，以獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，提高旨輪抗磨損能力。此外，在齒輪副中兩齒輪齒面硬度應(yīng)有一定差值，小齒輪的齒

8、根薄，受載次數(shù)多，應(yīng)比大齒輪的硬度高一些。一般差值是：軟齒面為3050 HBS，硬齒面為5 HRC左右。3.典型齒輪的工作條件、用材及熱處理、加工工藝路線1）機(jī)床齒輪機(jī)床齒輪的工作條件屬于運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、負(fù)荷不大、條件較好的一類。實(shí)踐證明，一般機(jī)床齒輪選用碳鋼制造，經(jīng)高頻感應(yīng)熱處理后所得硬度、耐磨性、強(qiáng)度及韌性已能滿足性能要求，高頻淬火還具有變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。右面為CM6132機(jī)床中的齒輪。材料：40Cr鋼。熱處理技術(shù)條件：正火830-850，空冷，160217 HBS；調(diào)質(zhì)850-870，油冷，220250 HBS；高頻表面加熱噴水冷卻，低溫回火，l80200，50一55 HRC。加工工藝路

9、線：下料鍛造（正火）粗加工調(diào)質(zhì)半精加工高頻淬火及回火精磨。 正火處理對(duì)鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，可以使同批坯料具有相同硬度，便于切削加工，使組織均勻，消除鍛造應(yīng)力。對(duì)于一般鹵輪，正火處理也可作為高頻淬火前的預(yù)先熱處理工序。調(diào)質(zhì)處理可以使齒輪具有較高的綜合機(jī)械性能，提高齒輪心部的強(qiáng)度和韌性，使齒輪能夠承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊應(yīng)力。調(diào)質(zhì)后齒輪組織為回火索氏體，故淬火時(shí)變形很小。高頻淬火及低溫回火是獲得齒輪表面性能的關(guān)鍵工序，通過(guò)高頻淬火，可以提高齒輪表面的硬度和耐磨性，并使齒輪表面有壓應(yīng)力存在，從而增強(qiáng)了抗疲勞破壞的能力。為了消除淬火應(yīng)力，高頻淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火。 “解放”牌載重汽車變速箱

10、變速齒輪選材及加工工藝路線第一種：選用20CrMnTi進(jìn)行滲碳。熱處理技術(shù)條件：表層wc為0.8l.05，滲碳層深度為0 .813 mm，齒面硬度5862 HRC，心部硬度3345 HRC。加工工藝路線：下料鍛造（正火）粗加工、半精加工滲碳淬火、低溫回火噴丸磨削。該齒輪屬于大批量生產(chǎn)，考慮到形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，毛坯采用模鍛件，以提高生產(chǎn)率、節(jié)約材料，使纖維分布合理，提高力學(xué)性能。熱處理工藝：正火950970，空冷，179217 HBS；滲碳920940，保溫46 h，預(yù)冷至830850，直接入油淬火，低溫回火在18010，保溫2 h。第二種：選用40Cr進(jìn)行碳氮共滲。加工工藝路線：下料鍛造（正火）粗

11、加工、半精加工碳氮共滲、淬火及低溫回火噴丸磨削。熱處理技術(shù)條件：表層wc為0.650.9，碳氮總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0l.25，滲層深度0.2-0.4 mm(因使用中碳合金鋼碳氮共滲，心部強(qiáng)度高，故滲層可薄一些)，齒面硬度5863 HRC，心部硬度3742 HRC。熱處理工藝：正火840870，空冷，187241 HBS；碳氮共滲830850，保溫12 h，直接入油淬火，低溫回火在(18010)，保溫2 h。 三、彈簧類零件材料選擇 (a)壓縮彈簧 (b)拉伸彈簧 (c)扭轉(zhuǎn)彈簧 (d)平面蝸卷彈簧 圖 常用的彈簧1、不同類型彈簧的工作條件與性能要求 (1)工作條件 彈簧是各種機(jī)械和儀表中的重要零

12、件，主要用于各類機(jī)器的減震(如破碎機(jī)的支秀和車輛的懸掛彈簧)、儲(chǔ)備機(jī)械能(如鐘表及儀表中的發(fā)條等)及控制運(yùn)動(dòng)(如氣門、離合動(dòng)器)等。彈簧利用材料的彈性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在外力作用下發(fā)生彈性變形，將機(jī)械能或霉化為變形能。外力去除后，彈性變形恢復(fù)，將變形能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能或動(dòng)能。彈簧是在交型作用下工作的零件，其破壞形式主要是疲勞斷裂。另外，在高溫和高載荷下工作的彈簧蔓現(xiàn)永久變形，使彈簧失效。 (2)性能要求： 具有高的屈服強(qiáng)度(s)、彈性極限(e)和屈強(qiáng)比(sb)，以防止使用中產(chǎn)生變形。 具有高的疲勞強(qiáng)度，以免彈簧在長(zhǎng)期振動(dòng)和交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。 具有一定的塑性和韌性，因?yàn)樘嗟牟牧蠈?duì)缺口十分敏感，

13、會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。 2、彈簧類零件選材及加工工藝路線確定步驟 1）看懂零件圖 了解和分析零件的形狀、大小與特征； 2）分析其工作條件、性能要求和熱處理要求； 3）確定材料及熱處理工藝 根據(jù)用途，選擇合適的材料和強(qiáng)化工藝； 4）確定零件的加工工藝路線 彈簧的制造加工有兩類工藝路線，各自有著不同的成形方式。 用于制造彈簧的材料主要是碳鋼和合金鋼： (1)碳素彈簧鋼 典型鋼號(hào)有65、70、75、85。碳素彈簧鋼的優(yōu)點(diǎn)是原料豐富、價(jià)值便宜；缺點(diǎn)是淬透性差、屈服強(qiáng)度低。當(dāng)截面直徑超過(guò)12 mm時(shí)，在油中不能淬透，水淬則開(kāi)裂傾向很大。碳素彈簧鋼用于制造小截面、不太重要的彈簧，如汽車、拖拉機(jī)、機(jī)車車輛等的小型

14、彈簧。 (2)錳彈簧鋼 常用鋼號(hào)為65Mn。這類鋼的淬透性和屈服強(qiáng)度較碳素彈簧鋼高，脫碳傾向較小，但有過(guò)熱敏感性和回火脆性傾向。多用于制造截面尺寸小于15 mm的中、小型低應(yīng)力彈簧。 (3)硅錳彈簧鋼 典型鋼號(hào)有55Si2Mn、55Si2MnB、55SiMnVB、60Si2Mn、70Si2Mn等。此類鋼充分利用了硅和錳的優(yōu)點(diǎn)，其淬透性高于65Mn，直徑為2530 mm的工件在油中即可淬透，回火抗力性極限均比65Mn高，但有脫碳、石墨化傾向?？捎糜谥圃鞕C(jī)車車輛、汽車、拖拉機(jī)上的板簧和螺旋彈簧、汽缸安全閥彈簧，還可作250以下的耐熱彈簧。 (4)鉻釩彈簧鋼 典型鋼號(hào)是50CrVA。此鋼具有高的淬透

15、性，直徑為50 mm的彈簧絲油冷即可淬透。它具有很高的彈性極限、抗拉強(qiáng)度和韌性，不易過(guò)熱、脫碳，無(wú)石墨化現(xiàn)象，適用于制作截面較大、應(yīng)力較高的螺旋彈簧和扭桿彈簧，以及工作溫度在300以下的閥門彈簧與活塞彈簧等。 (5)硅鉻彈簧鋼 典型鋼號(hào)有60Si2CrA、60Si2CrVA等，其過(guò)熱敏感性小，主要用于制造承受高應(yīng)力的彈簧和工作溫度在300350以下的受沖擊載荷彈簧。 (6)鎢鉻釩彈簧鋼 典型鋼號(hào)是30W4Cr2VA。由于w、Cr、V是強(qiáng)碳化物形成元素，淬火加熱時(shí)溶于奧氏體后，可大大提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，所以，該鋼是一種高強(qiáng)度耐熱彈簧鋼，主要用于制作高溫(。500 0C)條件下使用的彈簧。

16、 另外，不銹鋼(如1Crl8Ni9Ti)常用于制造腐蝕介質(zhì)中使用的彈簧。黃銅、青銅、橡膠和塑料也常用于制造電器儀表彈簧及在腐蝕介質(zhì)中工作的彈性元件。其中塑料、橡膠因剛度低、彈性極限低，且有粘彈性行為，使其在工程中的應(yīng)用受到一定限制。3、典型彈簧的工作條件、用材及熱處理、加工工藝路線1)冷卷彈簧右圖為一壓縮彈簧，鋼絲直徑4mm。該彈簧主要起控制運(yùn)動(dòng)的作用，作用力較小，沒(méi)有其它特殊要求。選材及加工工藝路線有以下兩種方式。選用65Mn，冷卷成形后去應(yīng)力回火。熱處理技術(shù)條件：回火后硬度為4050HRC。加工工藝路線： 鋼絲冷卷成簧去應(yīng)力回火端面加工檢驗(yàn)。熱處理工藝：去應(yīng)力回火溫度230260，保溫46

17、小時(shí)，空冷，硬度4050 HBC?；鼗鸷髮?duì)兩端面進(jìn)行磨或切削加工。2)熱卷彈簧下料加熱成型熱處理噴丸端面加工檢驗(yàn)。以60Si2Mn鋼螺旋彈簧為例說(shuō)明如下：下料按彈簧的尺寸計(jì)算實(shí)際需要長(zhǎng)度，切成合格的料長(zhǎng)。卷制彈簧用60Si2Mn卷制彈簧時(shí)，溫度控制在900950較為合適。此時(shí)，鋼料不會(huì)產(chǎn)生晶粒粗大、過(guò)燒、氧化、脫碳等缺陷，并有良好的可塑性。熱處理850870 0C油淬，480520中溫回火，硬度為4047 HRC。噴丸處理進(jìn)一步提高彈簧的疲勞強(qiáng)度。預(yù)壓與磨削端面預(yù)壓是為了消除彈簧工作狀態(tài)下的永久變形；磨削端面是使預(yù)壓后的彈簧能穩(wěn)定地直立于平臺(tái)上，其自由高度和傾斜度均符合圖紙和工藝要求。檢驗(yàn)檢查

18、表面有無(wú)缺陷，外形是否合格，彈力是否足夠等。 四、箱體支承類零件材料選擇1、箱體支承類零件功能與性能要求 (1)功能 箱體及支承件是機(jī)器中的基礎(chǔ)零件。軸和齒輪等零件安裝在箱體中，以保持相互的位置并協(xié)調(diào)地運(yùn)動(dòng)；機(jī)器上各個(gè)零部件的重量都由箱體和支承件承擔(dān)，因此，箱體支承類零件主要受壓應(yīng)力，部分受一定的彎曲應(yīng)力。此外，箱體還要承受各零件工作時(shí)的動(dòng)載作用力，以及穩(wěn)定在機(jī)架或基礎(chǔ)上的緊固力。 (2)性能要求 根據(jù)箱體支承類零件的功能及載荷情況，它對(duì)所用材料的性能要求是：有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的減震性及尺寸穩(wěn)定性。箱體一般形狀復(fù)雜、體積較大，且具有中空壁薄的特點(diǎn)。因此，箱體材料應(yīng)具有良好的加工性能，以利于加工成型，一般多選用鑄造毛坯。2、箱體支承類零件選材及加工工藝路線確定步驟1）看懂零件圖 了解和分析零件的形狀、大小與特征； 2）分析其工作條件、性能要求和熱處理要求； 3）確定材料及熱處理工藝 根據(jù)用途，選擇合適的材料和強(qiáng)化工藝； 4）確定零件的加工工藝路線 制造箱體支承類零件常采用鑄造或焊接、切削加工、熱處理（預(yù)先熱處理及最終熱處理）等工藝，其中鑄造或焊接、切削加工和熱處理工藝是制造箱體支承類零件必不可少的工藝。右表為部分箱體支承類零件用材情況 代表性零