机械零件选材及其工艺方法的选择
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1、机械零件选材及其工艺方法的选择学习目标明确零件成型工艺选择的一般原则；熟悉零件热处理的技术条件；熟悉典型零件的选材，会对其进行工艺分析。重点与难点重点：零件成型工艺选择的一般原则；零件热处理的技术条件。难点：轴杆类零件、齿轮类零件和箱体类零件的选材及工艺分析。零件成型工艺选择的一般原则本节要点：零件成型工艺的选择原则。除了少数性能要求不高的零件以外，大多数机械零件都要通过铸造、锻压或焊接等成型工艺制成毛坯，然后再经切削加工制成成品。因此，零件成型工艺的选择是否合理，不仅影响每个零件甚至整部机械的制造质量和使用性能，对零件的工艺制造过程，生产周期和成本也有很大的影响。表4-5列出了常用毛坯成型的
2、生产方法及相关内容的比较，可供参考。选择毛坯成型工艺时必须考虑以下原则：1.保证零件的使用要求成型后的毛坯制成零件后，应满足其使用要求。零件的使用要求包括对零件形状和尺寸的要求，以及工作条件对零件性能的要求。例如机床的主轴，是机床上的关键零件，尺寸、形状和加工精度要求很高，受力复杂，在长期使用过程中只允许发生极微小的变形，因此应选用45钢或40Cr等具有良好综合力学性能的材料，经锻造制坯及严格的切削加工和热处理制成。2.降低制造成本，满足经济性要求一个零件的制造成本包括其本身的材料费以及所消耗的燃料费、动力费用、人工费、各项折旧费。单件、小批生产时，对于铸件应优先选用灰铸铁和手工砂型铸造方法；
3、对于锻件应优先选用碳素结构钢和自由锻方法；在生产急需时，应优先选用低碳钢和手工电弧焊方法制造焊接结构毛坯。在大批量生产中，对于铸件应采用机器造型的铸造方法，锻件应优先选用模型锻造方法，焊接件应优先选用低合金高强度结构钢材料和自动、半自动的埋弧焊、气体保护焊等方法制造毛坯。3.考虑实际生产条件根据使用性能要求和制造成本分析所选定的毛坯成型方法是否能实现，还必须考虑企业的实际生产条件。上述三条原则是相互了解的，考虑时应在保证使用要求的前提下，力求做到质量好、成本低和制造周期短。表4-6常用毛坯成型的方法及其相关内容比较零件热处理的技术条件本节要点：热处理工艺分类热处理是机械制造过程中的重要工序。热
4、处理技术条件的内容包括：零件的最终热处理方法，热处理后应达到的力学性能指标（仅需标注出硬度值）等。但对于某些力学性能要求较高的重要零件，如曲轴、连杆、齿轮等，还应标出强度、塑性等指标，有的还应提出对金相显微组织的要求。对于渗碳件还应标注出渗碳、淬火、回火后的硬度（表面和心部）、渗碳的部位（全部或局部）、渗碳层深度等。对于表面淬火零件，在图样上应标出淬硬层的硬度、深度和淬硬部位，有的还应提出对显微组织及限制变形的要求（如孔的变形量）。表4-7 热处理工艺分类及代号典型零件的选材及工艺分析本节要点：轴类零件、齿轮类零件和箱体零件的选材、热处理及工序安排。轴杆类零件轴杆类零件是回转体零件，其长度远大
5、于直径，常见的有光轴、阶梯轴、凸轮轴和曲轴等；按承载特点可分为转轴、心轴和传动轴。它是机械设备中重要的受力零件。工作条件轴杆类零件在机器中起支承回转零件并传递运动和扭矩的作用。转轴在工作时承受弯曲和扭转应力的复合作用；心轴只承受弯曲应力；传动轴主要承受扭转切应力。除固定心轴外，所有作回转运动的轴所受应力都是对称循环变化的，即在交变应力状态下工作。轴在花键、轴颈等部位和与其配合的零件（如轮上有花键孔或滑动轴承）之间有摩擦磨损，此外，轴还会受到一定程度的过载和冲击。主要失效形式由于受力复杂，轴的尺寸、结构和载荷差别很大。主要存在有以下几种：（1）断裂，大多是疲劳断裂；（2）轴的相对运动表面的过度磨
6、损；（3）发生过量扭转或弯曲变形（包括弹性的和塑性变形）；（4）有时还可能发生腐蚀失效。使用性能要求为满足工作条件的要求，具有足够抵抗失效的能力，轴杆类零件的材料应具备如下性能要求：（1）具有高的强度，足够的刚度及良好的韧性，以防止断裂及过量变形；（2）具有较高的疲劳强度，防止疲劳断裂；（3）在相对运动的摩擦部位，如轴颈、花键等处，应具有较高的硬度和耐磨性。选材及热处理轴的材料主要使用碳素结构钢和合金结构钢，一般是以锻件或轧制型材为毛坯。（1）轻载、低速、不重要的轴，可选用Q235、Q255、Q275等碳素结构钢，这类钢通常不进行热处理；（2）受中等载荷而且精度要求一般的轴类零件，常用优质碳素
7、结构钢，常选45钢。为改善其力学性能，一般要进行正火或调质处理。要求轴颈等处耐磨时，还可进行表面淬火和低温回火。（3）受较大载荷或要求精度高的轴以及处于强烈摩擦或高、低温等恶劣条件下工作的轴，应选用合金钢，常用20Cr、40MnB、40Cr等。根据合金钢的种类及轴的性能，应采用调质、表面淬火、渗碳、碳氮共渗、淬火、低温回火等热处理，以充分发挥合金钢的潜力。近年来，球墨铸铁和高强度铸铁已越来越多地作为制造轴的材料，如内燃机曲轴、普通机床的主轴等，其热处理方法主要是退火、正火、调质及表面淬火等。典型轴类零件的选材、热处理及工序安排（1）机床主轴 机床主轴承受中等载荷作用、中等转速并承受一定的冲击。
8、一般选用45钢制造，经调质处理后轴颈或锥孔处再进行表面淬火。载荷较大时，选用40Cr钢制造。机床主轴的工艺路线为：下料锻造正火粗切削加工调质半精切削加工局部表面淬火、低温回火粗磨精磨。正火可细化晶粒，调整硬度，改善切削加工性能；调质可得到好的综合力学性能和疲劳强度；局部表面淬火和低温回火可得到局部的高硬度和耐磨性。有些机床主轴如万能铣床主轴，可用球墨铸铁代替45钢来制造。对于要求高精度、高稳定性及高耐磨性的主轴，如镗床主轴，往往用38CrMoAlA钢制造，经调质处理后再渗氮。（2）内燃机曲轴 曲轴是内燃机中形状复杂而又非常重要的零件之一，它在工作时受汽缸中周期性变化的气体压力、曲轴连杆机构的惯
9、性力、扭转和弯曲应力及扭转振动和冲击力的作用。低速内燃机曲轴用正火的45钢或球墨铸铁制造；中速内燃机曲轴选用调质45钢或球墨铸铁、调质中碳低合金钢，如40Cr、45Mn2等钢制造；高速内燃机曲轴选用高强度合金钢35CrMo、42CrMo制造。内燃机曲轴工艺路线为：下料锻造正火粗切削加工调质半精加工轴颈表面淬火、低温回火粗磨精磨。各热处理工序的作用与上述机床主轴的相同。目前常采用球墨铸铁来代替45钢制造曲轴，其工艺路线一般为：铸造正火、高温回火机加工轴颈表面淬火、低温回火粗、精磨。这类曲轴保证质量的关键在于铸造，先保证球化良好无铸造缺陷，然后再经正火增加组织中的珠光体数量和细化珠光体片，以提高强
10、度、硬度及耐磨性；高温回火主要是为了消除正火风冷所造成的内应力。齿轮类零件齿轮是各类机械、仪表中应用最广的传动零件，其作用是传递扭矩、改变运动速度和运动方向，有的齿轮仅起分度定位作用。齿轮的转速可以相差很大，齿轮的直径可以从几毫米到几米，工作环境也可有很大差别。工作条件齿轮工作的关键部位是齿根与齿面。齿根承受最大的交变弯曲应力，并有应力集中存在，在启动、换挡或啮合不均匀时还承受冲击和过载；齿面承受脉动接触压应力和滚动、滑动摩擦。此外，润滑油的腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等，都可加剧齿轮工作条件的恶化。主要失效形式（1）轮齿折断 其中多数为疲劳断裂，主要是由于轮齿根部所受的弯曲应力超过材料的抗弯强度
