典型工件的选材及工艺路线设计ppt课件.ppt 28页

9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第9章典型工件的选材及工艺路线设计 内容提要：本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件(齿轮、轴类零件、弹簧和刃具)的工作条件、失效形式、性能要求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。学习目标：本章是工程材料课程的一个重点章。要求掌握齿轮（机床和汽车齿轮）、轴类零件、刃具的工作条件、失效形式、性能要求及选材，进行工艺路线分析。熟悉弹簧（如汽车板簧、气门弹簧）的工作条件、失效形式、性能要求、选材，工艺路线分析。 学习建议：1.结合实际，学习本章内容。如观察机床（车床或刨床)、汽车的结构，分析各重要部件和零件的工作条件、失效形式、性能要求，练习选材。2.学习本章要求掌握零件选材的方法和步骤，即首先分析零件的工作条件和失效形式，提出对该零件合理的性能要求，并根据所掌握的材料知识，选择适宜的材料以满足零件的使用要求。 齿轮类零件主要用于传递动力和传递运动。 9.1齿轮选材9.1.1齿轮的工作条件(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。9.1.2齿轮的失效形式(1)疲劳断裂 主要从根部发生；(2)齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；(3)齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点)；(4)过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。 9.1.3齿轮材料的性能要求高的弯曲疲劳强度；高的接触疲劳强度和耐磨性；较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。 9.1.4齿轮类零件的选材齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。选用低、中碳钢或其合金钢。经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。这类钢的工艺性能好。经济上也较合理，所以是比较理想的材料。 1.机床齿轮的选材（1）中碳钢或中碳合金钢最常用的有45钢和40Cr钢。45钢用于中小载荷齿轮，如床头箱齿轮、溜板箱齿轮等，经过高频淬火和回火后，硬度可选52～58HRC。40Cr钢用于中等载荷齿轮，如铣床工作台变速箱齿轮，经高频淬火和回火后，硬度可达52～58HRC。（2）渗碳钢常用的有20Cr、20Mn2B和20CrMnTi等。20Cr、20Mn2B用于中等载荷、有冲击的齿轮，如六角车床变速箱齿轮。20CrMnTi用于重载荷和有较大冲击的齿轮。如C620机床给进箱摆移齿轮，经渗碳淬火后，硬度可达56～62HRC。 2.汽车、拖拉机齿轮的选材汽车齿轮的工作条件比机床齿轮的工作条件恶劣，受力较大，超载与启动、制动和变速时受冲击频繁，对耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等性能的要求均较高，用中碳钢和中碳合金钢经高频表面淬火已经不能保证其使用性能。选用合金渗碳钢20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB较为合适。这类钢经正火、渗碳淬火后表面硬度可达58～62HRC，心部硬度可达30～45HRC。 9.1.5典型齿轮选材举例一、机床齿轮机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。工艺路线为：下料--锻造--正火--粗加工--调质--精加工--高频淬火及低温回火--精磨。冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外,有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮,工作时传动平稳,噪声减少,长期使用磨损很小。见P330表9-2齿轮用材及热处理 二、汽车齿轮汽车齿轮主要装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。渗碳齿轮的工艺路线为：下料--锻造--正火--切削加工--渗碳、淬火及低温回火--喷丸--磨削加工。 1.正火-------消除锻造应力，均匀和细化组织，降低硬度，便于切削加工。2.局部镀铜------对于轮盘、轮廓孔和工艺孔等进行局部镀铜、防渗处理。3.渗碳、淬火+低温回火渗碳层深度1.2～1.6mm，表面含碳量为0.8%～1.05%，淬火后表面硬度为58～62HRC。低温回火是为了消除淬火应力和降低脆性。4.喷丸处理------增加表面压应力，以提高疲劳强度，同时消除氧化铁皮，改善光洁度。齿面硬度可提高1～2HRC，当然耐用性也提高了。 轴类零件轴主要用来支承零件承受各种载荷和传递动力。 9.2轴类零件选材(1)工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；(2)轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；(4)多数轴会承受一定的过载载荷。9.2.2轴类零件的失效方式9.2.1轴类零件的工作条件(1)长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；(2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；(3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。 9.2.3轴类零件的性能要求(1)良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性,以防过载断裂、冲击断裂；(2)高疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；(3)足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效；(4)良好切削加工性能,价格便宜。9.2.4轴类零件材料及选材方法一、材料----经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；●一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；●载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；●可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。 二、选择原则根据载荷大小、类型等决定。●主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；●受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。 9.2.5典型轴的选材以C620车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。一、机床主轴选材 根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理工艺为调质处理，硬度要求为220HB～HB，轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为52HRC。工艺路线如下：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削加工。如果这类机床主轴的载荷较大，可用40Cr钢制造。当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，则可采用合金渗碳钢制造，如20Cr或20CrMnTi等。 二、内燃机曲轴选材性能要求——强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。选材——调质钢（韧性高）、球墨铸铁。实例——175A型农用柴油机曲轴性能指标——σb>750MPa，整体硬度240～260HBS，轴颈表面硬度≥625HV(HRC55),δ≥2%,aKU≥150kJ/m2。选材——QT700-2热处理工艺——880~920℃正火+500～600℃回火+轴颈N化最终组织——P+G+少量F工艺路线——铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈N化 9.3弹簧选材例：汽车板簧用途：用于缓冲和吸振工作状况：承受很大的交变应力和冲击载荷的作用。要求：高的屈服强度和疲劳强度选材：弹簧钢（65Mn,60Si2Mn）中型或重型汽车板簧用50CrMn,55SiMnVB重型载重汽车大截面板簧用55SiMnMoV,55SiMnMoVNb工艺路线：热轧钢带（板）→冲裁下料压力成形→淬火→中温回火→喷丸 9.4刃具选材切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具称为刃具。刃具的失效形式：（1）磨损（2）断裂（3）刃部软化—由于刃部温度升高，若刃具材料的红硬性低或高温性能不足，使刃部硬度显著下降，丧失切削加工能力。选材实例： 用9SiCr制造的圆板牙要求具有高硬度、高的耐磨性，一定的韧性，并且要求热处理变形小。试编写加工制造的简明工艺路线，说明各热处理工序的作用及板牙在使用状态下的组织及大致硬度。下料→球化退火→机械加工→淬火+低温回火→磨平面→抛槽→开口球化退火：降低硬度，便于机械加工，并为最终热处理做好组织上的准备。淬火+低温回火：保证最终使用性能（高的硬度和良好的韧性），减小变形（分级淬火），降低残余内应力。硬度大于60HRC。 车刀、铣刀等高速切削用的刃具-高速钢例：齿轮滚刀用途：生产齿轮的常用刃具，用于加工外啮合的直齿和斜齿渐开线圆柱齿轮。形状复杂，精度要求高。高速钢的特点：高硬度、高耐磨性、高的热硬性、好的强韧性、高的淬透性，高的价格。材料选用：高速钢W18Cr4V工艺路线：热轧棒材下料→锻造→球化退火→淬火→回火（三次）→精加工→表面处理 9.5箱体类零件 箱体类零件零件选材（1）铸造箱体如变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体、缸盖、机床的床身等，都可视为箱体类零件，箱体类零件是机器设备中很重要的一类零件。    箱体类零件大都结构复杂，一般都用铸造合金浇注而成。1)以承受应力为主的机座零件，内装有传动轴而要求具有良好刚性的箱体及一般的机身等，应选用灰铸铁，常用的有HT150。要求耐磨性好的可选用HT200、HT250等。2)一些受力较大、要求强度高、冲击韧性好，如用于工程机械、矿山机械、机车车辆的箱体零件，应选用铸钢，常用牌号有ZG230-450、ZG270-500。若有其他特殊使用要求时，如耐蚀、耐热等，则应选用合金铸钢。3)承受冲击载荷，若外形尺寸小、壁薄，选用铸钢。其铸造工艺有困难时，可选用可锻铸铁。4)受力不大，要求自重轻，导热性、耐蚀性良好，采用金属型铸造或压力铸造的小型箱体零件，如小型发动机的缸体和缸盖、仪器仪表的壳体等，应选用铸造铝合金，常用的有铝硅合金系列，如ZL102、ZL104、ZL105等。 （2）焊接箱体受力较大，但形状简单的箱体，可用型钢焊接而成。厚板焊接箱体，常用材料为Q215、Q235中厚板低碳钢；强度要求高的可选用16Mn或其他材料；薄板焊接箱体应选用普通低碳钢板。    （3）注塑箱体受力很小，要求自身轻的箱体，可选用工程塑料，如电视机、收音机、洗衣机、电冰箱等壳体。常用的生产方法是选用热塑性塑料注塑成型，或选用热固性塑料压制成型。箱体类零件零件选材 选材举例——赛车聚异丁烯，并添加细小颗粒以降低磨损、提高和路面的摩擦力。高刚度轻型玻璃纤维增强高分子基复合材料，减轻重量降低能耗。引擎由轻型铝合金制成，减轻重量降低能耗。散热板由铝合金制成翼翅外涂玻璃纤维增强复合材料保护的由聚苯乙烯构成骨架选用高强度含Cr、Mo合金钢。 小结重点要求针对具体的机械零件，合理选材，并制定恰当的加工制造工艺（尤其是热处理工艺）。