武昌材料成型方法選擇

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(guò)如下成形方法先制得毛坯，再經(jīng)過(guò)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(guò)程是機(jī)械制造的重要工藝過(guò)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(shí)，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(jià)值。

成形方法的選擇是零件設(shè)計(jì)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(jì)材料選用工藝設(shè)計(jì)零件設(shè)計(jì)內(nèi)容：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(duì)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(duì)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(lái)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(hào)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(shí)要考慮這些結(jié)合是否會(huì)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(tái)階直徑相差不大時(shí)，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(shí)，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(lái)；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(jià)格零件成品率整個(gè)制造過(guò)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(shí)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：?jiǎn)渭∨可a(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(dòng)焊或其他自動(dòng)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(duì)環(huán)境友好的含義對(duì)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(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。

2．環(huán)境負(fù)載性的評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)環(huán)境負(fù)載性，謀求對(duì)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(gè)工程。還原工程：指制品制造時(shí)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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(dòng)性較好，壓縮性較大粉末間原子擴(kuò)散、再結(jié)晶，有時(shí)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(dòng)軸、齒輪坯、炮筒等低較低簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)材料的工藝要求成形特點(diǎn)成形方法續(xù)表焊接通過(guò)金屬熔池液態(tài)凝固，或塑性變形或原子擴(kuò)散實(shí)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(dòng)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(dòng)零件，減摩自潤(rùn)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(guò)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(chǔ)罐、高壓氣瓶等快速成形通過(guò)離散獲得堆積的路徑和方式，通過(guò)堆積材料疊加起來(lái)成形三維實(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)、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(diǎn)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(lái)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(gè)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(dòng)零件，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)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(shí)也可采用低碳鋼焊接件。3．法蘭、墊圈、套環(huán)、聯(lián)軸器等

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(shí)，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(wú)縫管下料。尺寸較小、大批量生產(chǎn)時(shí)，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(dòng)軸承、液壓缸、螺母等三、機(jī)架、箱座類零件

機(jī)架、箱座類零件包括各種機(jī)械的機(jī)身、底座、支架、橫梁、工作臺(tái)，以及齒輪箱、軸承座、缸體、閥體、泵體、導(dǎo)軌等。機(jī)架箱座類零件

機(jī)架、箱座類零件通常以鑄件為毛坯，且以鑄造性良好，價(jià)格便宜，并有良好耐壓、減磨和減振性能的灰鑄鐵為主;

少數(shù)受力復(fù)雜或受較大沖擊載荷的機(jī)架類零件，可選用鑄鋼件毛坯，不易整體成形的特大型機(jī)架可采用連接成形結(jié)構(gòu);

單件生產(chǎn)或工期要求急迫的情況下，也可采用型鋼—焊接結(jié)構(gòu)；

航空發(fā)動(dòng)機(jī)箱體零件，為減輕重量通常采用鋁合金鑄件。3、毛坯成形方法選擇舉例

一、承壓油缸

二、開關(guān)閥三、單級(jí)齒輪減速器四、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)

承壓油缸承壓油缸圓鋼棒加工承壓油缸砂型鑄造承壓油缸平鍛機(jī)模鍛承壓油缸錘上模鍛承壓油缸自由鍛承壓油缸無(wú)縫管焊接例：?jiǎn)渭?jí)齒輪減速器組件的成形方法

如圖所示為單級(jí)齒輪減速器，傳遞功率5kW，傳動(dòng)比3.95。(1)箱體和箱蓋：傳動(dòng)零件的支撐件和包容件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，箱體以承壓為主，要求有良好的剛度、減振性和密封性。常采用灰鑄鐵鑄造成形：?jiǎn)渭∨可a(chǎn)可采用手工造型或采用碳素結(jié)構(gòu)鋼（如Q235A）型材和板料焊接成形；大批量生產(chǎn)采用機(jī)器砂型鑄造成形。(2)齒輪、齒輪軸和軸:

重要的傳動(dòng)零件，工作時(shí)承受彎矩和扭矩，要求較好的綜合力學(xué)性能。

輪齒部分承受較大的彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力和摩擦，要求較高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。根據(jù)齒輪直徑的不同，成形方案有所不同。A:直徑小于100mm的小齒輪成形方案：

鋼棒料直接在銑床或車床上制出，但棒料加工的齒輪，在受力時(shí)容易沿纖維方向斷裂，強(qiáng)度較差，故只適用于形狀簡(jiǎn)單、精度低和小負(fù)荷的小齒輪;

鋼棒料鍛造毛坯，可改變?cè)w維組織的方向，有利于提高齒輪的強(qiáng)度，增加承載能力，適于精度要求高或負(fù)荷重的齒輪;

銅、鋁棒料或塑料在機(jī)械壓力機(jī)上直接擠壓成形。一般適用于表面尺寸精度高、表面粗糙度值小、成形后可達(dá)到少切削或無(wú)切削加工的低噪聲、小負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速的齒輪。B:直徑約200mm的小型齒輪成形方案：

該類齒輪在機(jī)械傳動(dòng)中，往往將其與軸制成一體，即齒輪軸，用鋼棒料作毛坯，并制成實(shí)心結(jié)構(gòu)，在空氣錘上鍛成毛坯后，再在車床和銑床上依次加工而成。C:直徑為400～1000mm的齒輪成形方案:

齒頂圓直徑da≤500mm且形狀簡(jiǎn)單的中型齒輪，適用于鍛造毛坯，用半成品鋼坯料自由鍛或模鍛成形，再進(jìn)行機(jī)械加工;

齒頂圓直徑等于500～1000mm且形狀復(fù)雜的大型齒輪坯，用鍛造方法制造比較困難，多采用鑄造方法，常用材料為鑄鋼或鑄鐵。

生產(chǎn)中，常將灰鑄鐵齒輪用于開式低速傳動(dòng)，用球墨鑄鐵齒輪代替高速傳動(dòng)的鑄鋼齒輪。D:單件或小批量生產(chǎn)大齒輪成形方案:

為縮短生產(chǎn)周期和減輕齒輪重量，有時(shí)也采用焊接齒輪結(jié)構(gòu)，焊后再機(jī)械加工輪齒和軸孔等。(3)窺視孔蓋:用于觀察箱內(nèi)情況及加油，力學(xué)性能要求不高。

單件小批量生產(chǎn)時(shí)，采用Q235A鋼板下料，或灰鑄鐵（HT150）手工造型生產(chǎn)；大批量生產(chǎn)時(shí)，采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼沖壓而成，或采用機(jī)器造型的鑄鐵件毛坯。(4)螺栓和螺母

:用于聯(lián)結(jié)和緊固箱蓋和箱體。工作時(shí)，栓桿承受軸向拉應(yīng)力，螺紋牙承受彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

螺栓和螺母均為標(biāo)準(zhǔn)件，通常采用碳素結(jié)構(gòu)鋼（如Q235）經(jīng)冷鐓加搓絲成。(5)擋油盤:用于防止箱內(nèi)機(jī)油進(jìn)入軸承。

單