《機械制造基礎(chǔ)》第2版 課件 第5章 零件和工具的選材及熱處理

Chapter零件和工具的選材及熱處理5第5章

零件和工具的選材及熱處理

案例導(dǎo)入

國內(nèi)某紡織機械公司出現(xiàn)多起電子多臂式開口織機中閱讀臂零件斷裂失效的現(xiàn)象（如圖5-1）。因為該產(chǎn)品出口量占到公司總銷售量的40%以上，造成維修成本高和生產(chǎn)效率低等問題，給企業(yè)帶來的經(jīng)濟損失較大。

根據(jù)現(xiàn)有閱讀臂零件的加工工序安排和實際工藝要求執(zhí)行情況分析，閱讀臂零件裝機使用之后出現(xiàn)如圖5-1所示斷裂現(xiàn)象，其斷裂位置均位于工作區(qū)域內(nèi)的R弧根部。斷裂周期為3個月，斷裂比例為160:1，平均每20臺機器出現(xiàn)一個破斷樣品，而一只閱讀臂零件的斷裂失效就會造成整臺設(shè)備無法正常使用。第5章

零件和工具的選材及熱處理

學(xué)習(xí)目標(biāo)1、機械零件的失效形式與失效的原因。2、選用材料的一般原則及零件主要性能指標(biāo)的確定。3、零件熱處理的技術(shù)條件、熱處理工序位置的確定及零件加工工藝路線。4、典型零件的選材、熱處理及工藝路線安排。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則5.1.1機械零件的失效形式任何機器零件或結(jié)構(gòu)件都具有一定的功能，如在載荷，溫度，介質(zhì)等作用下保持一定的幾何形狀和尺寸，實現(xiàn)規(guī)定的機械運動，傳遞力和能等。如果零件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而失去原設(shè)計要求的效能，即為失效。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則一般機器零件常見的失效形式有以下三種：1.斷裂。斷裂是材料最嚴(yán)重的失效形式，特別是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的脆性斷裂，往往會造成災(zāi)難性事故。2.表面損傷。機械零件磨損過量后，工作就會惡化，甚至不能正常工作而報廢。磨損不僅消耗材料，損壞機器，而且耗費大量能源。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則3、過量變形。不論哪種過量變形，都會造成零件(或工具)尺寸和形狀的改變，影響它們的正確使用位置，破壞零件或部件間相互配合的關(guān)系，使機器不能正常工作，甚至造成事故。引起零件失效的原因很多，涉及到零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料的選擇與使用、加工制造、裝配及維護保養(yǎng)等方面。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則10.1.2選材的基本原則：要做到合理選材，必須進行全面的分析及綜合考慮，一般是從其使用性能、工藝性能、經(jīng)濟性等幾個方面考慮。1、材料的選用應(yīng)滿足零件的使用性能要求

在選材時，首先要正確地判斷零件要求哪方面的性能，然后再確定主要的性能指標(biāo)。具體方法如下:5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則

第一：分析零件的工作條件，零件的工作環(huán)境，如介質(zhì)、工作溫度等；零件的特殊性能要求，如電性能、磁性能、熱性能等。第二：進行零件失效分析零件最關(guān)鍵的性能指標(biāo)通常要根據(jù)零件的失效形式來確定，因此，要分析同類零件的失效形式，其主要使用性能應(yīng)是彈性極限、疲勞極限，所以應(yīng)以彈性彈性極限和疲勞強度為主要指標(biāo)來設(shè)計、制造彈簧。第三：確定主要的性能指標(biāo)在零件工作條件分析、失效形式分析的基礎(chǔ)上，確定零件的主要使用性能指標(biāo)，作為零件選材的基本出發(fā)點。

5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則

零件名稱工作條件關(guān)鍵性能指標(biāo)重要螺栓交變拉應(yīng)力σ5、σ-1、HBS重要傳動齒輪交變彎曲應(yīng)力、交變接觸壓應(yīng)力、沖擊載荷、齒面受摩擦

σ5、σ-1、HRC、接觸疲勞強度曲軸、軸類交變彎曲應(yīng)力、扭曲壓應(yīng)力、沖擊載荷、頸部摩擦σb、σ-1、HRC彈簧交變應(yīng)力、振動σe、σ5/σb、σ-1、滾動軸承點接觸下的交變應(yīng)力、滾動摩擦σb、σ-1、HRC表5-1幾種典型零件的工作條件及主要性能指標(biāo)5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則1、通常的機械零件大多在彈性范圍內(nèi)工作，故常以強度作為主要性能指標(biāo)，即以屈服強度為強度計算的原始設(shè)計數(shù)據(jù)；2、在設(shè)計計算中著重考慮的是材料的強度，并不采用伸長率、斷面收縮率等塑性指標(biāo)。3、在確定材料的性能指標(biāo)后，可在有關(guān)設(shè)計手冊中查閱材料的有關(guān)數(shù)據(jù)，選擇幾種性能滿足要求的材料。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則2、材料的工藝性能應(yīng)滿足加工要求任何零件都是由所選材料經(jīng)過加工制造出來的，因此材料工藝性能的好壞也是選材時必須考慮的重要問題。并不是要求某一材料具有所有的工藝性能，而是具有所要求的工藝性能就足夠了。對于尺寸較大，形狀較復(fù)雜的零件，就要求材料的具有良好的鑄造性能或焊接性能。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則1、當(dāng)零件用冷拔工藝制造時，應(yīng)考慮材料的塑性，并考慮形變后強化對材料的力學(xué)性能的影響。2、對于需要切削加工的零件，應(yīng)考慮材料的切削加工性能。3、材料的工藝性能在某些情況下甚至成為選擇材料的主導(dǎo)因素。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則3、選材時應(yīng)充分考慮經(jīng)濟性能

選材時應(yīng)注意降低零件的總成本。據(jù)資料統(tǒng)計，在一般的工業(yè)部門中，材料的價格要占產(chǎn)品價格的30%-70%。因此，在保證使用性能的前提下，應(yīng)盡可能選用價廉、貨源充足、加工方便、總成本低的材料，以取得最大的經(jīng)濟效益，提高產(chǎn)品在市場上競爭力。5.1機械零件的失效形式和選材原則

失效形式和選材原則

在選用材料時，還應(yīng)立足于本地或國內(nèi)的資源，并考慮國內(nèi)的生產(chǎn)和供應(yīng)情況。對于同一企業(yè)來說，所選用的材料種類、規(guī)格應(yīng)盡量少而集中，以便于采購和管理，減少不必要的附加費用?？傊鳛橐粋€工程技術(shù)人員，在選用材料時，必須了解我國的資源和生產(chǎn)情況，從實際出發(fā)，全面考慮材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟等方面的因素，以保證產(chǎn)品性能優(yōu)良、成本低廉和經(jīng)濟效益最佳。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析5.2.1軸類零件軸類零件是回轉(zhuǎn)體零件，其長度遠(yuǎn)大于直徑，常見的有光軸、階梯軸、凸輪軸和曲軸等。1.工作條件軸類零件在機器中起支承回轉(zhuǎn)零件并傳遞運動和扭矩的作用。所有作回轉(zhuǎn)運動的軸所受應(yīng)力都是對稱循環(huán)變化的，即在交變應(yīng)力狀態(tài)下工作。軸在花鍵、軸頸等部位和與其配合零件(如輪上有花鍵孔或滑動軸承)之間有摩擦磨損。此外，軸還會受到一定程度的過載和沖擊。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析2.主要失效形式由于受力復(fù)雜，而且軸的尺寸、結(jié)構(gòu)和載荷差別很大，因此，軸的失效較多。主要存在有以下幾種：①斷裂，大多是疲勞斷裂。②軸的相對運動表面的過度磨損。③發(fā)生過量扭轉(zhuǎn)或彎曲變形(包括彈性的和塑性的)。④有時還可能發(fā)生腐蝕失效。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析3.使用性能要求

為滿足工作條件的要求，具有足夠抵抗失效的能力，軸類零件的材料應(yīng)具備如下性能要求：(1)具有高的強度，足夠的剛度及良好的韌性，以防止斷裂及過量變形。(2)具有較高的疲勞強度，防止疲勞斷裂。(3)在相對運動的摩擦部位，如軸頸、花鍵等處，應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析4.選材及熱處理

(1)輕載、低速，不重要的軸，可選用Q235、Q255、Q275等碳素結(jié)構(gòu)鋼。(2)受中等載荷而且精度要求一般的軸類零件，常用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，常選45鋼。(3)受較大載荷或要求精度高的軸以及處于強烈摩擦或高、低溫等惡劣條件下工作的軸，應(yīng)選用合金鋼。常用20Cr、40MnB、40Cr等。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析5.典型軸類零件的選材、熱處理及工序安排（1）機床主軸：機床主軸承受中等載荷作用、中等轉(zhuǎn)速并承受一定沖擊。一般選用45鋼制造。載荷較大時，選用40Cr鋼制造。機床主軸的工藝路線為：下料鍛造正火粗切削加工調(diào)質(zhì)半精切削加工局部表面淬火、低溫回火粗磨精磨。有些機床主軸如萬能銑床主軸，可用球墨鑄鐵代替45鋼來制造。對于要求高精度、高穩(wěn)定性及高耐磨性的主軸，如鏜床主軸，往往用38CrMoAlA鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后再滲氮。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析（2）內(nèi)燃機曲軸：曲軸是內(nèi)燃機中形狀復(fù)雜而又非常重要的零件之一，通常根據(jù)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速不同選用不同的材料低速內(nèi)燃機曲軸用正火的45鋼或球墨鑄鐵制造；中速內(nèi)燃機曲軸選用調(diào)質(zhì)45鋼或球墨鑄鐵、調(diào)質(zhì)中碳低合金鋼，如40Cr、45Mn2等鋼制造；高速內(nèi)燃機曲軸選用高強度合金鋼35CrMo、42GrMo制造。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析5.2.2齒輪類零件齒輪是各類機械、儀表中應(yīng)用最廣的傳動零件。1.工作條件

齒輪工作的關(guān)鍵部位是齒根與齒面。

2.主要失效形式

(1)輪齒折斷；(2)齒面點蝕；(3)齒面磨損；(4)齒面塑性變形。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析3.主要性能要求由于齒輪受力和損壞形式的錯綜復(fù)雜，為保證齒輪的正常運轉(zhuǎn)，防止早期失效，對齒輪材料主要有如下性能要求：(1)齒面有高的硬度和耐磨性。(2)齒面具有高的接觸疲勞強度和齒根具有高的彎曲疲勞強度。(3)輪齒的心部要有足夠的強度和韌性。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析4.選材及熱處理(1)鋼材齒輪：用鋼材制造齒輪有型材和鍛件兩種毛坯。1)輕載、低速或中速、沖擊力小、精度較低的一般齒輪，選用中碳鋼如Q255、45、50Mn等鋼制造，常用于機械中一些不重要的齒輪。

5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析

2)中載、中速、承受一定沖擊載荷、運動較為平穩(wěn)的齒輪，選用中碳鋼或合金鋼，如45、50Mn、40Cr、42SiMn等鋼，機床中絕大多數(shù)齒輪就是這種類型的齒輪。3)重載、高速或中速，且受較大沖擊載荷的齒輪，選用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼，如20Cr、20CrMnTi、20CrNi、18Cr2Ni4WA等鋼。它適用于工作條件較為惡劣的汽車、拖拉機的變速箱和后橋上的齒輪。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析

4)精密傳動齒輪或磨齒有困難的硬齒面齒輪(如齒圈)，主要要求是精度高，熱處理變形小，宜采用氮化鋼，如35CrMo、38CrMoAlA等鋼。(2)鑄鋼齒輪：常用的碳素鑄鋼為ZG35、ZG45、ZG55等鋼，載荷較大的采用合金鑄鋼，如ZG40Cr、ZG35CrMo、ZG42MnSi等鋼。(3)鑄鐵齒輪：用于制造齒輪的灰鑄鐵有HT200、HT250、HT300等。在閉式齒輪中，有用球墨鑄鐵(QT600—3、QT450—10等)代替鑄鋼的趨勢。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析(4)非鐵金屬材料齒輪：在儀表中或接觸腐蝕介質(zhì)的輕載齒輪，常用的有黃銅、鋁青銅、硅青銅、錫青銅。硬鋁和超硬鋁可制作質(zhì)量小的齒輪。(5)工程塑料齒輪：在儀表、小型機械中的輕載、無潤滑條件下工作的小齒輪，可以用工程塑料制造，常用的有尼龍、聚碳酸酯、夾布層壓熱固性樹脂等。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析5.典型齒輪的選材、熱處理及工序安排(1)機床齒輪：機床齒輪工作平穩(wěn)，無強烈沖擊，中等轉(zhuǎn)速，受載不大，對齒輪心部強度和韌性的要求不高，一般選用40鋼或45鋼制造。經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后在經(jīng)高頻感應(yīng)加熱表面淬火后，齒面硬度可達(dá)52HRC左右，齒心硬度為220—250HBS，完全可滿足性能要求。對于一部分性能要求較高的齒輪，可用中碳低合金鋼如40Cr、40MnB等鋼制造，齒面硬度達(dá)到58HRC，心部強度和韌性也有所提高。毛坯采用鍛造為宜。5.2

典型零件的選材及工藝分析零件的選材及工藝分析

機床齒輪的加工工藝路線為：下料鍛造正火粗切削加工調(diào)質(zhì)半精加工高頻感應(yīng)表面淬火、低溫回火精磨。(2)汽車、拖拉機齒輪：選用合金滲碳鋼如20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB等鋼較適宜。這類鋼經(jīng)正火處理后再滲碳淬火處理，表面硬度可達(dá)58—62HRC，心部硬度可達(dá)35—45HRC。汽車、拖拉機齒輪的加工工藝路線為