机械材料及成形工艺选择原则(2)

时间:2015-10-31 09:13 来源:自动控制网

选择的步骤

选材的一般步骤如图 11.3.1 所示。

l ）分析零件的工作条件及其失效形式，根据具体情况或用户要求确定零件的性能要求（包括使用性能和工艺性能）和最关键的性能指标。主要考虑力学性能，还应考虑物理、化学性能。

图 11 . 3.1 机械零件选材的一般步骤

2 ）对同类产品的用材情况进行调研，结合同类产品零件失效分析的结果，找出零件在实际使用中造成失效的主要性能指标，以此作为选材的依据。几种机械零件的主要失效形式和主要的性能指标，如表 11.3.1 所示。

3 ）通过查找有关设计手册，结合力学计算或试验，确定零件应具有的力学性能指标或其它性能指标。

4 ）初步选择出具体的材料牌号，并决定其热处理方法或其它强化方法。

5 ）审核所选材料的经济性，确认是否能适应高效加工和组织现代化生产。

6 ）对于关键性零件，投产前应先在实验室对所选材料进行试验，初步检验所选材料与成形工艺能否达到各项性能指标的要求。对试验结果基本满意后，便可批量投产。

上述选材步骤只是一般过程，并非一成不变。如对于某些不重要零件，如果有同类产品可供参考，则可不必试制而直接投产；对于某些配件或小批量生产的非标准零件，若对材料选择与热处理方法有成熟的经验和资料，则可不进行试验和试制。

表 11.3.1 几种机械零件的主要失效形式和主要抗力指标
零件名称	工作条件	主要损坏形式	主要性能不能指标
重要螺栓	拉应力或交变应力冲击载荷	拉断（过量塑性变形），疲劳断裂	σ 0.2 , σ -lp , HBS
重要传动齿轮	交变弯曲应力，交变接触应力，冲击载荷，齿表面摩擦与磨损	齿的折断，过度磨损，疲劳麻点	σ -1 , σ bb , HRC, 接触疲劳强度
曲轴、轴类	交变弯曲应力，扭转应力；冲击载荷；磨损	疲劳破坏或断裂；过度磨损	σ 0.2 , σ -l , HRC
滚动轴承	点或线接触下的交变应力磨损	过度磨损破坏，疲劳破坏造成的断裂	σ e , σ bc , σ -1 ,HRC
弹簧	交变应力冲击、振动	弹力丧失，疲劳破坏引起断裂	σ e , σ s , σ b , σ -lp
注：σ -lp 为抗压或对称拉伸时的疲劳强度；σ -1 为光滑试样对称弯曲应力的疲劳强度；σ bb 为抗弯强度；σ be 为抗压强度；σ 0.2 为屈服强度（规定残余伸长应力）；σ e 为弹性极限；σ s 为屈服点；σ b 为抗拉强度。

典型零件的选材

轴类零件是机械设备中最主要零件之一，也是影响机械设备的精度和寿命的关键零件。其作用是支承回转零件并传递运动和转矩，是影响运行精度和寿命的关键件。轴（如车床主轴、带轮的轴等），心轴（如火车轴轮、自行车、汽车的前轴等）和传动轴（如车床上的光杠等） 3 类。各种轴的尺寸相差悬殊，如手表中摆动轴最小处只有φ 0.085mm ，而汽轮机转子轴可达φ 1000mm 以上。主要用来承受各种载荷和传递动力。一般轴的工作条件为：

一、轴类零件的选材：

1. 轴类零件的工作条件：重要件，作用是支承回转件并传递运动和动力。影响精度和寿命。

2. 轴类零件的失效形式：疲劳、过载断裂、过量变形和轴颈过度磨损。

3. 轴类零件的性能要求：选材有足够的抗拉强度和刚度，适当的冲击韧性和高的疲劳强度，对轴颈处受磨擦部要高硬度和耐磨性。工艺上切削加工性和淬透性。

4. 轴类零件的使用特点：经锻造或轧制的低碳、中碳钢或合金钢。

5. 轴类零件的选材（机床主轴 CA6140 ）：

中速中等载荷，选用 45 钢。锻后正火、调质、局部淬火、回火。

二、齿轮类零件的选材：

1. 工作条件：通过齿面接触传递动力，两齿面相互啮合。即有滚动，又有滑动。

在齿表面：受到交变接触压应力及摩擦力的作用。

在齿根部：受到交变变曲应力的作用。

换挡：受到冲击。

安装不良：齿面接触不良。

2. 失效形式：轮齿折断、齿面损伤（主要）过程塑变，齿端磨损。

3. 性能要求：高的疲劳强度（接触）和抗拉强度、高的表面硬度和耐磨性适当的心部强度和足够的韧性。小的淬火变形，良好的加工性。

4. 用材特点：

对硬度和耐磨性要求不很高，对冲击韧度要求一般的中，低速和载荷不在的中，小型传动齿轮。

A ：调质钢：如车床、钻床等变速齿轮、排轮、 45 、 40g40MnB 。

HT 工艺：调质（或正火）再进行表面淬火 + 低温回火。

要求高的运动速度的用渗氮钢、调质后渗氮。

B ：渗碳钢：主要制高速、重载、冲击较大的重要齿轮。如汔车、拖拉机变速箱齿轮。驱动桥齿轮，立式车床等。

材料：20CrMnTi、20Cr、20CrMo、20CrMnMo等。

HT：渗碳，淬火+低温回火或喷丸。

C：铸钢和铸铁齿轮：

铸钢：制力学性能要求较高。形状复杂、难以锻的大型齿轮、如起重机齿轮。

材料： ZG270-150 、 ZG310-570 、 ZG340-640 、 ZG40Cr

①：对耐磨性、疲劳强度较高，但冲击载荷较小的齿轮，选用球墨铸铁，如 QT500-07 、 QT600-03

②：冲击载荷小的低精度、低速齿轮、可选用铸铁如 HT200 、 HT250 、 HT300

D ：非铁金属齿轮：

仪器、仪表及在腐蚀性介质中工作的轻载齿轮。选用黄铜、铝青铜、锡青铜等。

E ：塑料齿轮：尼龙、 ABS 、聚甲醛等。

3. 箱体类零件的选材：

常见零件：机床上的主轴箱、变速箱、进给箱和溜板箱、内燃机缸体和缸盖、泵壳、床身、变速机箱体。

性能要求：主要受应力，也受一定的弯曲应力和冲击力。因此具有足够的刚度、抗拉强度和良好的减震性。

1 ．对受力较大，要求高的抗拉强度，高韧性（或在高温高压下工作）的选铸钢。

2 ．对受力不大，且受静压力，不受冲击的选用灰铸铁 HT150 、 HT200 。

3 ．相对运动件（存摩擦、磨损）应选用抗拉强度较高的灰铸铁如 HT250 或孕育铸铁， HT300 HT350 。

4 ．受力不大，要求轻且热导性好的小型箱体件，可选用铝合金铸造如 ZALSi5Cu1Mg(ZL105);ZALCu5Mn(ZL201) 。

5 ．受力小，耐蚀以轻件，选工程塑料， ABS 有机玻璃、尼龙。

6 ．受力较大，形状简单件或单件，选用型钢焊接如 Q235 或 45 钢。