1、機械零件選材及其工藝方法的選擇學習目標明確零件成型工藝選擇的一般原則；熟悉零件熱處理的技術條件；熟悉典型 零件的選材，會對其進行工藝分析。重點與難點重點：零件成型工藝選擇的一般原則；零件熱處理的技術條件。難點：軸桿類零件、齒輪類零件和箱體類零件的選材及工藝分析。零件成型工藝選擇的一般原則本節要點：零件成型工藝的選擇原則。除了少數性能要求不高的零件以外，大多數機械零件都要通過鑄造、鍛壓或 焊接等成型工藝制成毛坯，然后再經切削加工制成成品。因此，零件成型工藝的 選擇是否合理，不僅影響每個零件甚至整部機械的制造質量和使用性能，對零件 的工藝制造過程，生產周期和成本也有很大的影響。表4-5列出了常用毛

2、坯成型 的生產方法及相關內容的比較，可供參考。選擇毛坯成型工藝時必須考慮以下原則：1.保證零件的使用要求成型后的毛坯制成零件后，應滿足其使用要求。零件的使用要求包括對零件 形狀和尺寸的要求，以及工作條件對零件性能的要求。例如機床的主軸，是機床 上的關鍵零件，尺寸、形狀和加工精度要求很高，受力復雜，在長期使用過程中 只允許發生極微小的變形，因此應選用45鋼或40cr等具有良好綜合力學性能的 材料，經鍛造制坯及嚴格的切削加工和熱處理制成。2降低制造成本，滿足經濟性要求一個零件的制造成本包括其本身的材料費以及所消耗的燃料費、動力費用、 人工費、各項折舊費。單件、小批生產時，對于鑄件應優先選用灰鑄鐵和

3、手工砂 型鑄造方法；對于鍛件應優先選用碳索結構鋼和自由鍛方法；在生產急需時，應 優先選用低碳鋼和手工電弧焊方法制造焊接結構毛坯。在大批雖生產中，對于鑄 件應采用機器造型的鑄造方法，鍛件應優先選用模型鍛造方法，焊接件應優先選 用低合金高強度結構鋼材料和自動、半自動的埋弧焊、氣體保護焊等方法制造毛 坯。3考慮實際生產條件根據使用性能要求和制造成本分析所選是的毛坯成型方法是否能實現，還必 須考慮企業的實際生產條件。上述三條原則是相互聯系的，考慮時應在保證使用要求的前提下，力求做到 質量好、成本低和制造周期短。表4&常用毛坯成型的方法及其相關內容比較、生產方怯比總4、沖壓遵材成形待也液念成形丙

4、企下載性變形借助金屬原子間的 擴散和結合而態下切削對蹶材料工藝 aa* -w*4ttbe安水流動性好收縮*小勿性好變形抗力小強度好如性好液 處化子環疋住葉i送甬甬料鑄鐵鑄鋼有色金中康鋼，合金結構鋼低歩借fs有色 金81薄板wh* . . 低碳鋸和低合金結 構鋼鑄泱，有色金屬 *» «»«鎂鋁合金 fm.wfe金屬適寵的影伏形狀不受限可相當 復雜尤其楚內腔形狀自由鍛件簡敏模啟 件町較復雜可軟復親形狀不受隈簡單一般為 圓形或平面適玄的尺寸 與18敕砂熨鑄適不受限自由鍛不受k.ffiw 件<!旳戀-不受限不受限中小?b 毛坯的殂織 和性能砂劇轉適件m粒頼

5、 大改松缺陷雜質 并列無方向性。鑄浹 件力學性能瘵川瞬性學性能較好 胡粒細小較均勻. 致密可利用流線改韓 性能.力學性能好姐織細密可產 主殲經繪蟻利 用冷變形込化可 提烏袋度和酸度 站枸審性好炸僅區為詢態組織 熔合k喪過熱區令粗 大乩粒內應力大；搖 x力學性能達到或按 近毎材取決于型材 的原始細縱和 性能毛壞信度和 喪面質議砂型鑄適件精度低9 * q »4|) 自由取件箱度較低. x- 4龐中算丿細負咬妖mir a. adb 質好 績廈較低接頭處喪 面粗粗 取決于切削 方法 a.自由鍛件低樓鍛件 中等牧爲>_ fb_«« jh生產成本低自由甌件較高模觀低中較

6、低件較低生產周期 <t> tfwjfinmz一 tt 由長iq短生產率一砂熨鑄適低ifi由的低模敗較咼a儀低中：低運宜的生產批 m件和成批（砂衛鑄 jq ）-n由鍛眼件4<%. m 嫂成批一尢金大批縝件成批架件、成批-他怏件用于受力不 大.成承圧為主的零 件，或旻求減加、耐膳 的零件;鑄制件用于宗 受匝載而形狀復雜的 不件.如爪身.立柱、箱 a 佯、文樂fu冋怦爭用于裁受蟲伙改經 戒復雜戟荷的飯廈年 件如主軸用玄鈾& 桿和曲輜等 用于板料成形 的零件用于iw適金屬結構 件茨帑合件和孚件的 修補 一般中小丹簡單件零件熱處理的技術條件本節要點：熱處理工藝分類熱處理是機械制

7、造過程中的重要工序。熱處理技術條件的內容包括：零件的 最終熱處理方法，熱處理后應達到的力學性能指標（僅需標注出硬度值）等。但 對于某些力學性能要求較高的重要零件，如曲軸、連桿、齒輪等，還應標出強度、 塑性等指標，有的還應提出對金相顯微組織的要求。對于滲碳件還應標注出滲碳、 淬火、回火后的硬度（表面和心部）、滲碳的部位（全部或局部）、滲碳層深度等。對于表面淬火零件，在圖樣上應標出淬硬層的硬度、深度和淬硬部位，有的還應 提出對顯微組織及限制變形的要求（如孔的變形量）。表4-7熱處理工藝分類及代號工藝代號工藝塗s!代號名珠代號iu熱方決代號退火1正火2淬火3蔓體熱處理1淬火、回火4加熱爐155矗定化

8、處理6服應加熱2固溶處理7火焰加熱3司溶處理b時牧8表面淬火、回火1電阻加熱表面熱處理2枝理氣相沉積24化學氣相汎積3澈光加熱5籌輕子化學代相沉積41礦氮共滲2電子朿加熱6潘氮3等離子加熱7熱處理5化學熱處理34潘英他金屬5其他86參元素共港7溶灌8典型零件的選材及工藝分析本節要點：軸類零件、齒輪類零件和箱體零件的選材、熱處理及工序安排。軸桿類零件軸桿類零件是回轉體零件，其長度遠大于直徑，常見的有光軸、階梯軸、凸 輪軸和曲軸等；按承載特點可分為轉軸、心軸和傳動軸。它是機械設備中重耍的 受力零件。工作條件軸桿類零件在機器中起支承回轉零件并傳遞運動和扭矩的作用0轉軸在工作 時承受彎曲和扭轉應力的復

9、合作用；心軸只承受彎曲應力；傳動軸主耍承受扭轉 切應力。除固定心軸外，所有作回轉運動的軸所受應力都是對稱循環變化的，即 在交變應力狀態下工作。軸在花鍵、軸頸等部位和與其配合的零件（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。主要失效形式由于受力復雜，軸的尺寸、結構和載荷差別很大。主要存在有以下兒種：(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) 發生過量扭傳或彎曲變形(包括彈性的和塑性變形)；(4) 有時還可能發生腐蝕失效。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，軸桿類零件的材料應具 備如下性能要求：(1) 具有

10、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，應具有較高的硬度和耐 磨性。選材及熱處理軸的材料主要使用碳素結構鋼和合金結構鋼，一般是以鍛件或軋制型材為毛 坯。(1) 輕載、低速、不重要的軸，可選用q235. q255. q275等碳素結構鋼， 這類鋼通常不進行熱處理；(2) 受中等載荷而且精度要求一般的軸類零件，常用優質碳素結構鋼，常 選45鋼。為改善其力學性能，一般要進行正火或調質處理。要求軸頸等處耐磨 時，還可進行表面淬火和低溫回火。(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

11、溫等惡劣條 件下工作的軸，應選用合金鋼，常用20cr 4(mib 40c1等。根據合金鋼的種類 及軸的性能，應采用調質、表面淬火、滲碳、碳氮共滲、淬火、低溫冋火等熱處 理，以充分發揮合金鋼的潛力。近年來，球墨鑄鐵和高強度鑄鐵已越來越多地作為制造軸的材料，如內燃機 曲軸、普通機床的主軸等，其熱處理方法主要是退火、正火、調質及表面淬火等。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、中等轉速并承受一定的沖擊。 一般選用45鋼制造，經調質處理后軸頸或錐孔處再進行表面淬火。載荷較大時, 選用40c鋼制造。機床主軸的工藝路線為：下料t鍛造t正火t粗切削加工t調質t半精:璽

12、：尊荷水£琴銳機械制造基礎精品課程切削加工t局部表面淬火、低溫冋火t粗磨t精磨。正火可細化晶粒，調整硬度，改善切削加工性能；調質可得到好的綜合力學 性能和疲勞強度；局部表面淬火和低溫回火可得到局部的高硬度和耐磨性。有些機床主軸如萬能銃床主軸，可用球墨鑄鐵代替45鋼來制造。對于要求 高精度、高穩定性及高耐磨性的主軸，如鎮床主軸，往往用38c1ma1a鋼制造， 經調質處理后再滲氮。(2) 內燃機曲軸 曲軸是內燃機中形狀復雜而又非常重要的零件之一，它 在工作時受汽缸中周期性變化的氣體壓力、曲軸連桿機構的慣性力、扭傳和彎曲 應力及扭轉振動和沖擊力的作用。低速內燃機曲軸用正火的45鋼或球墨鑄鐵

13、制 造；中速內燃機曲軸選用調質45鋼或球墨鑄鐵、調質中碳低合金鋼，如40cr 43vh2等鋼制造；高速內燃機曲軸選用高強度合金鋼35c州 42c1m)制造。內燃機曲軸工藝路線為：下料-鍛造t正火t粗切削加工t調質t半精 加工t軸頸表面淬火、低溫冋火t粗磨t精磨。各熱處理工序的作用與上述機床主軸的相同。目前常采用球墨鑄鐵來代替45鋼制造曲軸，其工藝路線一般為：鑄造t正 火、高溫冋火t機加工t軸頸表面淬火、低溫冋火t粗、精磨。這類曲軸保證質量的關鍵在于鑄造，先保證球化良好無鑄造缺陷，然后再經 正火增加組織中的珠光體數量和細化珠光體片，以提高強度、硬度及耐磨性；高 溫冋火主要是為了消除正火風冷所造成

14、的內應力。齒輪類零件齒輪是各類機械、儀表中應用最廣的傳動零件，其作用是傳遞扭矩、改變運 動速度和運動方向，有的齒輪僅起分度定位作用。齒輪的轉速可以相差很大，齒 輪的直徑可以從兒毫米到兒米，工作環境也可有很大差別。工作條件齒輪工作的關鍵部位是齒根與齒面。齒根承受最大的交變彎曲應力，并有應 力集中存在，在啟動、換擋或嚙合不均勻時還承受沖擊和過載；齒面承受脈動接 觸壓應力和滾動、滑動摩擦。此外，潤滑油的腐蝕及外部硬質磨粒的侵入等，都 可加劇齒輪工作條件的惡化。主要失效形式(1) 輪齒折斷 其中多數為疲勞斷裂，主要是由丁輪齒根部所受的彎曲應 力超過材料的抗彎強度引起的。過載斷裂是由于短吋過載或過大沖擊

15、所引起的， 多發生在淬透的硬齒面齒輪或脆性材料制造的齒輪上。(2) 齒面點蝕齒面受大的脈動接觸壓應力，因表面疲勞而使齒面表層產 生點狀、小片剝落的破壞。(3) 齒面磨損齒面間滾動和滑動摩擦或外部硬質顆粒的侵入，使齒面產 生磨粒磨損、粘著磨損或正常磨損現象。(4) 齒面塑性變形 主要因齒輪強度不夠和齒面硬度較低，在低速、重載 啟動、過載頻繁的齒輪中容易產生。主要性能要求由于齒輪受力和損壞形式的復雜性，為了保證齒輪的正常運轉，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

16、性。另外，在齒輪副中，兩齒輪齒面硬度應有一定的差值，因小齒輪受載次數多, 故應比大齒輪硬度高些。一般差值為：軟齒面30 50hbs選材及熱處理齒輪材料絕大多數是鋼質材料包括鑄鋼),某些開式傳動的低速齒輪可用鑄 鐵，特殊情況下還可用非鐵金屬和工程塑料。(1) 鋼質齒輪用鋼材制造齒輪有型材和鍛件兩種毛坯。由于鍛造齒輪毛 坯的纖維組織與軸線垂直，分布合理，故重要用途的齒輪都采用鍛造毛坯。鋼質齒輪按齒面硬度分為硬齒面齒輪和軟齒面齒輪，齒面硬度w 350hbs的 為軟齒面齒輪；齒面硬度350hbs的為硬齒面齒輪。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q25 45. 5(m】等

17、鋼制造,常用正火或調質等熱處理制成軟齒面齒輪，正火硬度為164 200聲調質硬度一般為200- 280hb不超過350hb&因硬度適中，精切齒廓 可在熱處理后進行，工藝簡單，成本低，但承載能力不高，常用于機械中一些不 重要的齒輪。2) 中載、中速、承受一定沖擊載荷、運動較為平穩的齒輪，選用中碳鋼或 合金鋼，如45ovh 40cr 42sinh等鋼，也可采用55tid 6ctid等低淬透性 鋼。其最終熱處理采用高頻或中頻淬火及低溫回火，制成硬齒面齒輪，齒面硬度 可達5x55hrg齒輪心部保持正火或調質狀態，具有較好的韌性，機床中絕大 多數齒輪都是這種類型的齒輪。3) 重載、高速或中速，且

18、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，女口 20cr 20crivhtr 20crnk 18cr2ni恥等鋼。其熱處理采用滲 碳、淬火、低溫回火，齒輪表面獲得54 63hrc的高硬度，因淬透性較高，齒輪 心部有較高的強度和韌性。這種齒輪表面的耐磨性、抗接觸疲勞強度和齒根的抗 彎及心部的抗沖擊能力都比表面淬火的齒輪高，但熱處理變形大，精度要求較高 時，最后要磨齒。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。(刀非鐵金屬材料齒輪在儀表中或接觸腐蝕性介質的輕載齒輪，常用一 些抗腐蝕、耐磨的非鐵金屬材料制造，常用的有黃銅、鋁青銅、硅青銅、錫青銅, 硬鋁和超硬鋁，可

19、制作質量小的齒輪。(3) 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、夾布壓層熱固性樹脂等。 工程塑料具有密度小、摩擦系數小、減震、工作噪聲小的優點；其缺點是強度低, 工作溫度不高，所以它不能用做較大載荷的齒輪。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、無強烈沖擊、中等轉速、受載荷不大, 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。經正火或調質 處理后再經高頻感應加熱表面淬火，齒面硬度可達52hrc左右，齒心硬度為224 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

20、中碳低合 金鋼如40cr 4cm1b等鋼制造，齒面硬度達到58hrc；心部強度和韌性也有所提 高毛坯米用鍛造為宜。機床齒輪的加工工藝路線為：下料t鍛造t正火t粗切削加工t調質t 半精加工t高頻感應表面淬火、低溫冋火t精磨。(2) 汽車、拖拉機齒輪汽車、拖拉機齒輪的工作條件比機床齒輪惡劣， 受力較大，超載與啟動、制動和變速時受沖擊頻繁，對耐磨性、彎曲疲勞強度、 接觸疲勞強度、心部強度和韌性等性能要求較高，用碳鋼或中碳低合金鋼經高頻 感應加熱表面淬火已不能滿足使用要求，選用合金滲碳鋼如20c1m1tr 20cmib 20vhvb等較適宜。這類合金鋼經正火處理后再滲碳淬火處理,表面硬度可達54 62

21、hrc；心部硬度可達34 45ikg汽車、拖拉機齒輪的加工工藝路線為：下料t鍛造t正火t粗、半精切削 加工t滲碳、淬火、低溫冋火t噴丸t精磨t最終檢驗。此工藝路線中熱處理工序的作用是：(1)正火主要是為了消除毛坯的鍛造應力，獲得良好的切削性能；均勻 組織，細化晶粒，為以后的熱處理作好組織準備。(2) 滲碳 為了提高齒輪表面碳的含量，以保證淬火后得到高硬度和良好 耐磨性的高碳馬氏體組織。(3) 淬火 為了使齒輪表面有高硬度，同時使心部獲得足夠的強度和韌性。 噴丸清除齒輪表面的氧化皮，使齒面形成壓應力，提高其疲勞強度。 箱體類零件1.結構和工作條件箱體類零件結構較復雜，有不規則的外形和內腔，且壁厚

22、不均勻。這類零件 包括各種機械設備的機身、底座、支架、橫梁、工作臺，以及齒輪箱、軸承座、 閥體、泵體等。重量從兒千克至數十噸，工作條件也相差很大。其中基礎零件如 機身、底座等，以承壓為主，并受沖擊和振動；有些機械的機身、支架往往同時 承受壓、拉和彎曲應力的聯合作用，或者還受沖擊載荷。使用要求和材料的選用箱體零件一般受力不大，但要求有良好的剛度和密封性。通常都以鑄件為毛 坯，且以鑄造性能良好、價格低廉，并有良好耐壓、耐磨和減震性能的鑄鐵為主; 受力復雜或受較大沖擊載荷的零件，則采用鑄鋼件；受力不大，要求自重或要求 導熱性良好，則采用鑄造鋁合金件；受力很小，要求口重輕等，可考慮工程塑料 件。在單件

23、生產或工期要求緊的情況下，或受力較人，形狀簡單，尺寸較人，也 可采用焊接件。時效或熱處理如選用鑄鋼件，為了消除粗晶粒組織、偏析及鑄造應力，對鑄鋼件應進行完 全退火或正火；對鑄鐵件一般要進行去應力退火或時效處理；對鋁合金鑄件，應 根據成分不同，進行退火或淬火時效處理。典型零件的加工如圖4t2所示為中等尺寸的減速器箱體。由圖可以看出，其上有三對精度 要求較高的軸承孔，形狀復雜。該箱體要求有較好的剛度、減震性和密封性，軸 承孔承受載荷較大，故該箱體材料選用ht250,采用砂型鑄造，鑄造后應進行去 應力退火。單件生產也可用焊接件。該箱體的工藝路線為：鑄造毛坯去應力退火劃線切削加工。其中去應力 退火是為了消除鑄造內應力，穩定尺寸，減少箱體在加工和使用過程中的變形。圖4-42減速器箱體1軸蓋；p對合面；3-