工程材料及其成形方法的选择.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第12章 工程材料及其成形方法的选择,第12章 工程材料及其成形方法的选择,12.2,工程材料成形方法的选择,2,12.1,工程材料的选择,1,目 录,12.1 工程材料的选择,12.1.1 工程材料选择的原则,1）力学性能要求,对于承受载荷的工程构件和机械零件来说，最重要的使用性能是力学性能。在进行工程材料及其成形方法的选择时，主要从零件的负载和工作情况考虑零件尺寸和重量的限制以及零件的重要程度三个方面。,2）物理、化学性能要求,除根据力学性能选择材料外，对于在高温和腐蚀介质中工作的零件还要求材料具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性及抗高温蠕变性等。此外，有些零件还要求具有特殊性能，如电性能、磁性能、热性能和密度小等。这就应根据材料的物理、化学性能进行选材，但应注意以下两点：,（1）材料的性能不仅与化学成分有关，还与加工、处理后的状态有关，因此，应注意手册中的数据是在什么条件下得到的。,（2）材料的数据与加工处理时试样的尺寸有关，应注意零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，并进行适当的修正。,2.保证工艺性能良好的原则,材料的工艺性能是指在一定条件下将材料加工成优质零件或毛坯的难易程度，它将影响零件的质量、生产效率和生产成本。,材料工艺性能主要包括以下几个方面。,1）铸造工艺性,铸造工艺性包括流动性、收缩性、热裂倾向性、偏析性及吸气性等。,2）锻造工艺性,锻造工艺性包括可锻性、冷镦性、冲压性、锻后冷却要求等。,3）焊接工艺性,焊接工艺性主要为焊接性，即焊接接头产生工艺缺陷的敏感性及使用性能。,4）切削加工工艺性,切削加工工艺性是指在一定条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度，用相对加工性系数Kv表示。,5）黏结固化工艺性,黏结固化工艺性是指非金属材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金材料通过黏结剂连接时的黏结和固化的性能。黏结固化工艺性是重要的工艺指标。,6）热处理工艺性,热处理工艺性包括淬透性、耐回火性及变形开裂倾向、过热敏感性及回火脆性、氧化脱碳倾向等。,7）装配工艺性,装配工艺性是指工件的装配及其可拆性或互换性。,3.保证经济性能合理的原则,经济性是指在满足零件对使用性能与工艺性能要求的前提下，应考虑尽量降低零件的总成本，提高经济效益，使产品具有最强的市场竞争力。,1）成本,选择材料时应在满足使用性能的前提下，尽可能选用价廉材料。材料的直接成本常占到产品价格的30%70%，因此，能用非合金钢的不用合金钢，能用硅锰钢的不用铬镍钢。一般情况下，材料的成本用相对价格的高低来评定。相对价格是指商品之间价格关系的动态反映，专指两种或多种商品之间由供给与需求作用所形成的价格比例关系。,2）材料来源,考虑材料来源首先要符合国情、厂情。如含铝超硬高速钢具有与高速钢相似的性能，但其价格便宜，适合我国资源情况。又如9Mn2V钢不含铬元素，故价格较低，性能与CrWMn钢相近，均可用于制造拉刀、长铰刀、长丝锥等。,3）用非金属材料代替金属材料,具有许多优异性能的聚合物材料，在某些场合可代替金属材料，不仅可以降低成本，而且性能可能更好。,4）材料的利用率和再生利用率,材料的利用率是指零件成品重量（或体积）占原材料重量（或体积）的百分比。它表示了材料的损耗及成形加工工艺的工作量。在选择材料时应尽可能地提高其利用率，以增加产品的附加值。材料的再生利用率是现代制造技术关注的问题。在现代产品设计中，不仅要进行结构设计、零件设计、装配设计，而且特别强调拆卸设计，使产品报废处理时，能够进行材料的再循环，节约能源，保护环境。,12.1.2 工程材料选择的步骤,工程材料的选择包括以下基本步骤：,（1）正确分析零件的工作条件及可能的失效形式，找出最主要的性能指标，初步确定候选材料的类型范围。,（2）通过分析或试验，结合同类零件失效分析的结果，找出零件在实际使用中主要和次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。,（3）根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。这时要综合考虑所选材料应满足失效抗力指标和工艺性的要求，同时还需考虑所选材料在保证实现先进工艺和现代生产组织方面的可能性。,（4）确定热处理方法或其他强化方法。,（5）对所选定的材料进行产品试制及实验分析，以考虑其能否满足使用性能要求。重要的产品应在真实工况下进行台架试验。当试验结果基本满意后，可小批投产。,12.1.3 典型零件材料的选择,金属材料具有优良的综合力学性能和某些物理、化学性能，因此，被广泛地用于制造各种重要的机械零件和工程结构。目前，金属材料是机械工程中最主要的结构材料。从应用情况来看，机械零件的用材主要是钢铁材料。,高分子材料的强度、刚度（弹性模量）低，尺寸稳定性较差，易老化，因此，目前它还不能用来制造承受载荷较大的结构零件。在机械工程中，高分子材料常用于制造轻载传动齿轮、轴承、紧固件及各种密封件等。,陶瓷材料在室温下几乎没有塑性，在外力作用下不产生塑性变形，易发生脆性断裂，一般不用于制造重要的受力零件。但其化学稳定性好，具有高的硬度和红硬性，因此，可用于制造在高温下工作的零件、切削刀具和某些耐磨零件。由于其制造工艺较复杂、成本高，因而在工程机械中应用得还不普遍。,复合材料综合了多种不同材料的优良性能，如强度、弹性模量高，抗疲劳、减摩、耐磨、减振性能好，且化学稳定性优良，因此，它是一种很有发展前途的工程材料。,机床主轴的某些部位承受着不同程度的磨损，特别是轴颈部分，因此，它应具有较高的硬度，以增加耐磨性。轴颈的磨损程度决定于与其相配合的轴承类别。,工作时承受多种载荷的机床主轴，在高速运转时要受到各种载荷的作用，如弯曲、扭转、冲击等，因此，要求机床主轴具有抵抗各种载荷的能力。当弯曲载荷较大，转速又很高时，机床主轴还承受着很高的交变应力。因此，要求机床主轴具有较高的疲劳强度和综合力学性,能。,机床主轴工作条件及技术要求,1.轴类零件,轴类零件是机械工业中重要的基础零件之一，如机床主轴、花键轴、变速轴、内燃机曲轴、凸轮轴、透平转子和丝杠等，它们带动安装在其上的零件做稳定运动，并传递动力和承受各种载荷。,2）主轴材料的选择,主轴材料与热处理方法的选择应根据其工作条件及技术要求来决定。当主轴承受一般载荷、转速不高、冲击与循环载荷较小时，应选择中碳钢经调质或正火处理。要求高一些的主轴材料可选择合金结构钢进行调质处理。对于表面要求耐磨的部位，在调质后还需进行表面淬火。当主轴承受重载荷、高转速、大冲击与循环载荷时，应选择合金结构钢进行渗碳淬火。现以车床主轴为例，如图12-1所示，分析其材料与热处理方法的选择。,图12-1 车床主轴简图,车床主轴的加工工艺路线为下料,锻造,正火,机械粗加工,调质,机械半精加工（除花键外）,局部淬火+回火（内锥孔与外锥体）,粗磨（外圆、外锥体与内锥孔）,铣花键,花键高频淬火+回火,磨花键,精磨（外圆、外锥体与内锥孔）。,3）曲轴材料的选择,曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件之一，它在工作时受气缸中周期性变化的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力以及冲击力的作用，应根据内燃机转速的不同，选择不同的曲轴材料。,2.齿轮类零件,1）齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求,齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求如下：,（1）机床、汽车、拖拉机以及其他工业机械用齿轮尽管种类很多，但其工作过程大致相似，只是受力程度有所不同。齿轮工作时，通过齿面的接触传递动力，在啮合齿表面既有滚动，又有滑动，有高的接触载荷与强烈的摩擦。传递动力时，其轮齿类似一根受力的悬臂梁，接触作用力在齿根处产生很大的力矩，使齿根部承受较高的弯曲应力。当换挡、启动和啮合不均匀时，齿轮将承受冲击载荷，也可能因超载而发生脆断。,（2）在通常情况下，根据齿轮的工作条件，齿轮的主要失效形式有断齿、齿面剥落（麻点剥落、浅层剥落、深层剥落）及磨损等。其中，齿面剥落是接触疲劳破坏的典型形态。,（3）根据上述的齿轮工作条件、失效形式，要求齿轮材料具备以下性能：,高的接触疲劳抗力。,高的弯曲疲劳强度。,2）齿轮材料的选择,齿轮材料的选择包括以下几点：,（1）机床齿轮材料的选择。机床中齿轮的工作条件和矿山机械、动力机械中的齿轮的工作条件相比，具有运转较平稳、载荷较小的特点。常用的机床齿轮材料有中碳非合金钢或中碳合金结构钢和低合金结构钢。,（2）汽车、拖拉机齿轮材料的选择。汽车、拖拉机中的齿轮主要分装在变速箱和差速器中，它对耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面都有更高的要求。在变速箱中，可通过齿轮来改变发动机、曲轴和主轴齿轮的转速；在差速器中，可通过齿轮来增加扭转力矩，且调节左右两边车轮的转速，并将发动机动力传给主动轮，推动汽车、拖拉机运行。因此，汽车、拖拉机中的齿轮的传递功率、受到的冲击力及摩擦压力都很大，工作条件也比机床齿轮繁重得多。实践证明，选用碳钢经渗碳（或碳氮共渗）、淬火+低温回火后使用最为合适。,3.刀具,切削刀具一般由工作部分和夹持部分组成。刀具材料一般是指工作部分的材料。在切削过程中，刀具材料除了要在强烈摩擦、高温、高压下工作外，还要承受冲击和振动等。因此，它应具备较高的硬度和热硬性，足够的强度和韧性，以及较好的耐磨性和工艺性。,1）板锉,板锉是钳工常用的刀具，用于锉削其他金属。其表面刃部要求有较高的硬度（6467 HRC），柄部要求硬度小于35 HRC。板锉的加工工艺路线为热轧钢板（带）下料,锻（轧）柄部,球化退火,机械加工,淬火+低温回火。其中，球化退火可使钢中碳化物呈粒状分布，细化组织，降低硬度，改善切削加工性能。,2）齿轮滚刀,齿轮滚刀是生产齿轮的常用刀具，用于加工外啮合的直齿和斜齿渐开线圆柱齿轮。其形状复杂，精度要求高。齿轮滚刀的加工工艺路线为热轧棒材下料,锻造,球化退火,机械粗加工,淬火+回火,机械精加工,表面热处理。,4.机架、箱体类零件,1）机架类零件,各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、轴承座、阀体、导轨等为典型机架类零件。机架类零件的特点是形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，质量从几千克至数十吨，工作条件相差很大。其中一般的基础零件，如机身、底座等主要起支承和连接机床各部件的作用，且为非运动零件，以承受压应力和弯曲应力为主，为保证工作的稳定性，应有较好的刚度及减振性；工作台和导轨等零件则要求有较好的耐磨性。机架类零件一般受力不大，但要求有良好的刚度和密封性，在多数情况下应选用灰铸铁件或合金铸钢件，个别特大型的机架类零件还可采用铸钢,焊接联合结构。,2）箱体类零件,床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等都可视为箱体类零件。由于箱体类零件大都结构复杂，一般多用铸造的方法生产出来，因而箱体类零件几乎都是由铸造合金浇注而成的。一些受力较大，要求高强度、高韧性，甚至在高温下工作的箱体类零件，如汽轮机机壳，可选择铸钢。一些受力不大，而且主要承受静力，不受冲击的箱体类零件，可选择灰铸铁。若该零件与其他部件发生相对运动，其间有摩擦、磨损发生，则应选择珠光体基体灰铸铁。受力不大，要求自重轻或要求导热性好的箱体类零件，则可选择铸造铝合金制造。受力很小，要求自重轻的箱体类零件，还可考虑选择工程塑料。受力较大，但形状简单的箱体类零件，可选择型钢焊接而成。,12.2 工程材料成形方法的选择,12.2.1 工程材料成形方法选择的原则,1.适用性原则,1）满足使用要求,零件的使用要求包括对零件形状、尺寸、精度、表面质量和材料成分、组织的要求，以及工作条件对零件材料性能的要求。不同零件功能不同，其使用要求也不同，即使是同一类零件，其选用的材料与成形方法也会有很大差异。,2）适应成形加工工艺性,成形加工工艺性的好坏对零件加工的难易程度、生产效率、生产成本等起着十分重要的作用。因此，选择成形方法时，必须注意零件结构与材料所能适应的成形加工工艺性。例如，当零件形状比较复杂、尺寸较大时，用锻造成形往往难以实现，如果采用铸造或焊接，则其材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能，在零件结构上也要适应铸造或焊接的要求。,2.经济性原则,1）应把满足使用要求与降低成本统一起来,脱离使用要求，对成形加工提出过高要求，会造成无谓的浪费；反之，不顾使用要求，片面强调降低成形加工成本，则会导致零件达不到工作要求，提前失效，甚至造成重大事故。因此，为能有效降低成本，应合理选择零件材料与成形方法。,2）为获得最大的经济效益,不能仅从成形工艺角度考虑经济性，而应从降低零件总成本考虑，即应从所用材料价格、零件成品率、整个制造过程加工费用、材料利用率与回收率、零件寿命成本、废弃物处理费用等方面进行综合考虑。,不使用、不产生对环境有害的物质。,4,废弃物少，再生处理容易，能够实现再循环。,3,贵重资源用量少。,2,能量耗费少，CO,2,产生少（以煤、石油等化工燃料为主的能源，会排出大量CO,2,气体，导致地球温度升高）。,1,3.与环境相宜原则,目前，环境问题已成为全球关注的大问题，如地球温暖化、臭氧层破坏、酸雨、固体垃圾、资源和能源的枯竭等，环境恶化不仅阻碍生产发展，甚至危及人类的生存。因此，人们在发展工业生产的同时，必须考虑环境保护问题，力求做到与环境相宜，对环境友好。下面简述几个有关问题。,1）对环境友好的含义,对环境友好是要使环境负载小，,“,小,”,主要包括以下四个方面：,2）环境负载性的评价,要考虑从原料到制成材料，经成形加工成制品，再经使用至损坏而废弃，或回收、再生、再使用（再循环），在这整个过程中所消耗的全部能量、CO,2,气体、有毒气体、废水的排出量，以及在各阶段产生的废弃物等情况。也就是说，评价环境负载性，谋求对环境友好，不能仅考虑制品的生产工程，而应全面考虑生产、还原两个工程。所谓还原工程是指制品制造时的废弃物及其使用后的废弃物的再循环、再资源化工程。这一点将会对材料及其成形方法的选择产生根本性的影响。例如，汽车在使用时需要燃料并排出废气，人们就希望出现尽可能节能的汽车，而要求汽车轻，发动机效率高，这必然要通过更换汽车材料及其成形方法才可能实现。,3）成形加工方法与单位能耗的关系,材料经各种成形方法成为制品，生产系统中的能耗就由此工艺流程确定。,材料成形方法的选择是一个非常复杂的问题，需要考虑的因素很多。具体在选择时，一般要考虑以下几方面因素：,（1）考虑零件类别，功能，使用要求及其结构、形状、尺寸、技术要求等因素。根据零件类别，功能，使用要求及其结构、形状、尺寸、技术要求等因素，可基本确定零件应选用的材料与成形方法，而且通常是根据零件的材料来选择零件的成形方法。,（2）考虑零件的生产批量因素。选定成形方法应考虑零件的生产批量，通常是单件、小批量生产时，选用通用设备和工具，以及低精度、低生产率的成形方法，这样毛坯生产周期短，能节省生产准备时间和工艺装备的设计制造费用。虽然单件产品消耗的材料及工时多，但总成本较低，如铸件选用手工砂型铸造方法，锻件采用自由锻造或胎模锻造方法，焊件以手工焊接为主，薄板零件则采用钣金钳工成形方法等。,（3）考虑现有生产条件因素。在选择成形方法时，必须考虑企业的实际生产条件，如设备条件、技术水平、管理水平等。一般情况下应在满足零件使用要求的前提下，充分利用现有生产条件。当采用现有条件不能满足产品生产要求时，也可考虑调整毛坯种类、成形方法，对设备进行适当的技术改造；或扩建厂房，更新设备，提高技术水平；或通过厂间协作解决。,（4）密切注意新工艺、新技术、新材料的利用。随着工业的发展、市场的繁荣，人们已不再满足规格化的粗制制品，而是希望购买多变的、个性化的精制制品。这就要求产品的生产由少品种、大批量转变成多品种、小批量；要求产品的类型更新、生产周期更短；要求产品的质量优、成本低。,12.2.2 常用工程材料成形方法,在机械制造中，除小部分零件应用少、无切削加工新工艺直接从原材料制成外，多数零件都要经过毛坯成形和切削加工两个阶段。机械零件毛坯按其成形和制造方法可分为铸件、锻件、冲压件、焊件、轧材，它们是最常用的五大类机械零件毛坯。对于具体零件，一般都具有两种或两种以上的成形和制造方法。在具体选择时，要在全面比较其使用性能和零件制造总成本的基础上确定。,12.2.3 典型零件成形方法选择实例,1.常用零件的成形方法,1）轴类零件,轴类零件主要用于支承传动零件（如齿轮、带 轮）和传递转矩，是重要的受力零件，其材料一般选择钢或铸铁。光轴毛坯一般选择热轧或冷轧圆钢，阶梯轴需根据产量和各阶梯直径之差选择圆钢或锻件。当各阶梯直径相差较大时，采用锻造成形更有利；当要求轴有较高的力学性能时，也应采用锻造成形工艺；当生产批量小时，应采用自由锻造；当批量生产时，应采用模锻；对于某些具有异形断面或弯曲轴线的轴，如凸轮轴、曲轴等，在满足使用要求的前提下，可采用球墨铸铁铸造工艺；在有些情况下，还可以采用锻,铸或锻,焊结合的方法来制造零件毛坯。如图12-2所示的汽车排气阀，将合金耐热钢的阀帽与普通碳素钢的阀杆焊接成一体，节约了合金钢材料。如图12-3所示的12 000 t水压机立柱毛坯，该立柱净重80 t，采用铸钢分成6段铸造，粗加工后采用电渣焊焊成整体毛坯。,图12-2 锻焊结构的汽车排气阀,图12-3 铸造焊接结构的水压机立柱毛坯,2）轮盘类零件,轮盘类零件有齿轮、带轮、飞轮、锻造模具、法兰盘和联轴器等。由于这类零件的使用要求和工作条件差别很大，因而其所用材料和毛坯的成形方法也各不相同。,图12-4 不同类型的齿轮,2.成形方法的选择实例,发动机是将燃料燃烧释放的热能转变成机械能的机器，其最基本的结构是由缸体、缸盖、进气门、排气门、喷油器（火花塞）、活塞、连杆、曲轴、飞轮等组成的。如图12-5所示为小型汽油发动机的构造简图。发动机上各主要零件的毛坯成形方法的选择如下所述。,图12-5小型汽油发动机的构造简图,1,油杯；2,摇臂；3,排气门；4,活塞环；5,活塞；6,连杆；7,凸轮轴；8,曲轴；9,飞轮；10,连杆轴承；11,油底壳；12,曲轴轴承；13,缸体；14,离合器壳；15,气缸；16,喷油器；17,进气门；18,缸盖；19,汽化器,1）缸体、缸盖,缸体、缸盖的形状复杂（尤其内腔更复杂），且为基础支承件，有吸振性的要求，同时汽车多为批量生产，故选用HT200灰铸铁材料，并选用机器造型、砂型铸造的成形方法。,2）曲轴、连杆、凸轮轴,目前，曲轴、连杆、凸轮轴多采用珠光体球墨铸铁材料，可采用机器造型、砂型铸造的成形方法。对于更小型的曲轴、连杆、凸轮轴，当它们的毛坯尺寸精度要求更高时，也可采用壳体球墨铸铁铸造或熔模铸造成形；当它们力学性能要求更高，且受冲击负荷较大时，可采用45钢模锻成形（如机车上的连杆、凸轮轴及某些种类车的曲轴）。,3）活塞,目前，国内外生产汽车活塞最普遍的成形工艺是用铸造铝合金进行金属型铸造成形。对于用大型柴油发动机的活塞，常采用铝合金低压铸造成形，以达到较高的内部致密度和力学性能。,4）活塞环,活塞环是箍套在活塞外圆表面的环槽中，并与气缸壁直接接触进行滑动摩擦的零件。要求其具有良好的减摩和自润滑特性，并应承受活塞头部点火燃烧所产生的高温和高压，而且其本身形状为薄片环形件，一般多采用经过孕育处理的孕育铸铁HT250及机器造型、砂型铸造成形。,5）摇臂,摇臂承受频繁的摇摆及点击气门挺杆的作用力，应有一定的力学性能和疲劳强度，并且摇臂与挺杆接触的头部要求耐磨。同时除摇臂孔要进行机械加工外，其他部分基本不加工。在摇臂加工时，要求其毛坯的形状和尺寸应具有较高的精度，因此，应多选用碳钢精密铸造成形。,6）离合器壳及油底壳,离合器壳及油底壳均属于薄壁件。其中，油底壳受力要求低，但要求铸造性能好，可采用普通灰铸铁，而离合器壳多选用孕育铸铁或铁素体球铁，它们均可用机器造型、砂型铸造成形。要求重量轻时，可用铸造铝合金，选用压力铸造和低压铸造成形，也可采用薄钢板冲压成形。,7）飞轮,飞轮承受较大的转动惯量，应有足够的强度，一般应采用孕育铸铁或球墨铸铁机器造型、砂型铸造成形。但对于高速发动机（如轿车上的发动机）的飞轮，因转速高，则需选用45钢闭式模锻成形。,8）进、排气门,进气门承受温度不高，一般用40Cr钢材，而排气门则要在600 以上的高温下持续工作，多用含氮的耐热钢制造。进气门和排气门成形工艺目前国内仍采用冷轧杆径圆钢进行电镦头部法兰，并采用模锻终锻成形的工艺。而比较先进的成形工艺采用热轧粗圆钢进行热挤压成形。,9）曲轴轴承及连杆轴承,曲轴轴承及连杆轴承均属于滑动轴承，多采用减摩性能优良的铸造铜合金（如ZCuSn5Pb5Zn5等）离心铸造成形或真空吸铸成形。为了拆装轴承方便，曲轴轴承和连杆轴承均制成两半，称为轴瓦。轴瓦常采用轧制成形的铝基合金轴瓦。,10）汽化器,汽化器是形状十分复杂的薄壁件，且铸造后无须进行切削加工就可直接使用。因此，对毛坯的精度要求高，多采用铸造铝合金压力铸造成形。,11）油杯,油杯是装在油孔上，类似漏斗形状的物体，起到方便加油的作用。油杯受力较小，但要求绝缘和防腐，一般采用陶瓷材料和有机玻璃材料制成。,谢 谢,