材料工藝基礎(chǔ)第六章材料成形工藝與方法選擇

6.1材料成形與方法選擇工程材料及成形工藝選用的基本原則具體成形方法及改性工藝的選用典型零件的材料及成形工藝選擇軸類零件齒輪類零件機(jī)架、箱體類零件滿足使用性能要求原則零件工作條件：受力狀況、環(huán)境狀況、特殊要求滿足工藝性能要求原則金屬材料工藝性能、陶瓷材料工藝性能經(jīng)濟(jì)合理的原則材料價(jià)格、批量多少、現(xiàn)有條件、加工費(fèi)用，優(yōu)先選用碳素鋼、成組選材減少品種便于管理材料、成形工藝、零件結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的原則

工程材料及其成形工藝選用基本原則受力狀況、環(huán)境狀況及材料選用零件舉例受力及環(huán)境材料與工藝汽車、內(nèi)燃機(jī)曲軸負(fù)荷輕、耐磨球墨鑄鐵汽車傳動(dòng)齒輪抗彎、高沖擊、耐磨滲碳鋼、滲碳機(jī)床齒輪抗彎、一般沖擊、耐磨調(diào)質(zhì)鋼、高頻表面淬火連桿、一般傳動(dòng)軸強(qiáng)韌性調(diào)質(zhì)鋼、調(diào)質(zhì)機(jī)床軸強(qiáng)韌性、中等耐磨調(diào)質(zhì)鋼、調(diào)質(zhì)+表面淬火重型機(jī)器軸強(qiáng)韌性、高耐磨調(diào)質(zhì)鋼、調(diào)質(zhì)+滲氮模具高硬、耐磨工具鋼、軸承鋼海上儀表零件抗腐蝕、低溫脆性小銅合金化工機(jī)械腐蝕介質(zhì)不銹鋼、非不銹鋼+表面處理渦輪葉片高溫介質(zhì)耐熱鋼、陶瓷涂層儀表殼重量輕鋁合金、工程塑料失效形式與選材失效形式失效原因危害選材與預(yù)防措施變形失效彈性變形剛度不足失穩(wěn)、讓刀選E高者、改變結(jié)構(gòu)塑性變形應(yīng)力>σs彎曲、伸長(zhǎng)選σs高者，增大截面蠕變變形應(yīng)力<σs，高溫長(zhǎng)時(shí)間受力彎曲、伸長(zhǎng)選蠕變極限高者，耐熱鋼斷裂失效韌性斷裂應(yīng)力>σs，并增至σb斷裂選σs高者低應(yīng)力脆斷應(yīng)力<σs，低溫沖擊大惡性事故選高αk、低Tk、高K1c疲勞斷裂應(yīng)力<σs，長(zhǎng)時(shí)間受交變載荷無(wú)先兆低應(yīng)力斷裂選高σb、高αk、高σ-1、表面強(qiáng)化避免應(yīng)力集中應(yīng)力腐蝕裂應(yīng)力<σs，腐蝕介質(zhì)斷裂表面防護(hù)表面損傷失效磨粒磨損磨粒長(zhǎng)時(shí)間作用尺寸減小高HV/E，有硬質(zhì)第二相粘著磨損偶件相對(duì)運(yùn)動(dòng)磨損咬卡偶件用不同材料、潤(rùn)滑腐蝕化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕表面腐蝕、有色金屬、不銹鋼、塑料、電化學(xué)保護(hù)表面疲勞兼有疲勞與磨損的特點(diǎn)麻點(diǎn)、剝落增加表面硬化層厚度金屬材料制造零件加工路線金屬材料成形加工切削加工退火或正火最終熱處理精加工成品工藝性與選材工藝性能最優(yōu)條件材料性能從優(yōu)至劣排列鑄造性能熔點(diǎn)低、共晶合金鑄鐵、黃銅、鋁合金、青銅、鑄鋼鍛造性能FCC金屬、第二組元少的合金低、中、高碳鋼，高合金鋼、黃銅、鋁合金焊接性能WCE＜0.4%的碳鋼碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼（碳當(dāng)量小者）防銹鋁、青銅、硬鋁切削性能140~248HB鋁合金、不銹鋼、30鋼、45鋼、鑄鐵、T8鋼、65Mn，不銹鋼、耐熱鋼熱處理性能淬火變形小，回火脆性小，淬透性高，過(guò)熱敏感性小低碳鋼、低合金鋼、高碳鋼、含Mn鋼、鋁合金鑄造性能比較材料流動(dòng)性收縮性偏析傾向其他體收縮線收縮灰鑄鐵好大小小鑄造內(nèi)應(yīng)力小球墨鑄鐵稍差大小小易形成縮孔、縮松，白口化傾向小鑄鋼差大大大導(dǎo)熱性差、易發(fā)生冷裂鑄造黃銅好小較小較小易形成集中縮孔鑄造鋁合金尚好小小較小易吸氣，易氧化材料切削加工難易程度相對(duì)切削加工性KV

鋁、鎂合金很容易加工8~20易切鋼易加工2.5~2030鋼正火易加工1.6~2.545鋼、灰鑄鐵一般1.0~1.565鋼（軋材）、2Cr13鋼調(diào)質(zhì)一般0.7~0.965鋼調(diào)質(zhì)、不銹鋼難加工0.5~0.651Cr18Ni9Ti、W18Cr4V難加工0.15~0.5切削性比較陶瓷材料不同成形工藝性能比較工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)注漿成形可做形狀復(fù)雜件、薄壁件，成本低收縮大、尺寸精度低、生產(chǎn)率低壓制成形可做形狀復(fù)雜件、密度高、強(qiáng)度高、精度較高設(shè)備較復(fù)雜、成本高擠壓成形成本低、生產(chǎn)率高零件形狀須對(duì)稱、不能做薄壁件可塑成形可做形狀復(fù)雜件、尺寸精度高成本高常用毛坯類型及其制品的比較鑄件鍛件沖壓件焊接件常用材料灰鑄鐵球鐵中碳鋼鋁合金銅合金中碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼有色金屬薄板低碳鋼低合金鋼不銹鋼鋁合金工藝性能要求流動(dòng)性好收縮性低塑性好變形抗力小同左強(qiáng)度高塑性好金屬組織特征晶粒粗大蔬松晶粒細(xì)小致密——焊縫為鑄造組織力學(xué)性能灰鐵差球鐵可鍛鐵好比相同成分的鑄鋼好剛性好形變強(qiáng)化接頭的性能可達(dá)到或接近母材結(jié)構(gòu)特征形狀不受限制形狀比鑄件簡(jiǎn)單形狀可以較復(fù)雜形狀不受限制材料利用率高低較高較高生產(chǎn)周期長(zhǎng)自由鍛短模鍛長(zhǎng)長(zhǎng)較短生產(chǎn)成本較低較高批量大則成本低較高應(yīng)用舉例機(jī)架床身導(dǎo)軌變速箱曲軸軸承座機(jī)床主軸傳動(dòng)軸齒輪連桿彈簧油箱汽車車身覆蓋件水箱鍋爐壓力容器船體橋梁化工容器不同鋼種熱處理工藝的選用鋼材狀態(tài)預(yù)處理粗加工熱處理精加工舉例應(yīng)用低碳鋼熱軋--√--√10墊圈鍛造正火√--√20一般結(jié)構(gòu)件鍛造正火√淬+低回√20Cr一般結(jié)構(gòu)件鍛造正火√滲碳淬低回√滲碳鋼齒輪調(diào)質(zhì)鋼熱軋--√--√40一般結(jié)構(gòu)件鍛造正火√--√40一般結(jié)構(gòu)件鍛造正火√調(diào)質(zhì)√45軸鍛造正火√調(diào)表低√40Cr軸、齒輪鍛造正火√調(diào)滲氮√氮化鋼軸彈簧鋼冷拔--冷卷去應(yīng)力√65Mn小螺旋彈簧熱軋--熱卷淬中回√50CrV大螺旋彈簧工具鋼鍛造正火球化退火√淬低回√T10車刀鍛造正火球化退火√淬高回√高速鋼拉刀7.2典型零件的選材

7.2.1軸桿類零件：

各種傳動(dòng)軸、絲桿、光桿、撥叉、連桿、搖臂及螺栓等，一般都是各種機(jī)械中重要的受力和傳動(dòng)零件，要求具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，即高的強(qiáng)韌性、高的疲勞抗力和良好的耐磨性以防疲勞斷裂。通常采用鍛鋼制作，也有用球墨鑄鐵制作如曲軸，或鑄－焊結(jié)構(gòu)如大型水壓機(jī)立軸。軸類零件例1C620車床主軸簡(jiǎn)圖C6120車床主軸的材料與成形工藝的選擇主軸失效形式：疲勞斷裂、脆性斷裂、磨損及變形主軸性能要求：優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，以防變形和斷裂；疲勞強(qiáng)度高；耐磨性好；特殊性能（耐腐蝕、耐高溫等）加工工藝路線：選45鋼→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)（淬火48~52HRC+高溫回火220~250HRB）→精加工→局部表面淬火（52HRC）→精磨→檢驗(yàn)入庫(kù)機(jī)床主軸工作條件、用材及熱處理工作條件材料熱處理使用舉例配合滾動(dòng)軸承，輕中載荷、稍有沖擊45正火或調(diào)質(zhì)一般簡(jiǎn)式機(jī)床同上、轉(zhuǎn)速較高45整體或局部淬火龍門銑床、搖臂鉆床、組合機(jī)床等同上、精度較高40Cr同上搖臂鉆床、組合機(jī)床同上、配合滑動(dòng)軸承40Cr軸頸及配件裝拆處表面淬火機(jī)床主軸、磨床砂輪主軸同上、轉(zhuǎn)速和精度很高38CrMoAl調(diào)質(zhì)+滲氮高精度磨床及精密鏜床主軸同上、重載、較大沖擊和疲勞載荷20CrMnTi滲碳+淬火+回火載荷較大的組合機(jī)床

高速、大功率內(nèi)燃機(jī)的曲軸，一般選用合金調(diào)質(zhì)鋼；中小型內(nèi)燃機(jī)曲軸，常選用球墨鑄鐵和45鋼。

合金鋼制曲軸的工藝流程：

下料→鍛造→正火→切削加工→調(diào)質(zhì)+局部表面淬火→精加工→噴丸→檢驗(yàn)入庫(kù)

球墨鑄鐵制曲軸的工藝流程：

鑄造→熱處理（正火+高溫回火）→機(jī)加工→噴丸→檢驗(yàn)入庫(kù)軸類零件例27.2.2齒輪類零件：各種齒輪、帶輪、飛輪、模具、連軸節(jié)及螺母等，用來(lái)傳遞扭矩、改變傳動(dòng)方向或速度；要求齒輪具有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，齒面有高的硬度和耐磨性，齒心部分有足夠的強(qiáng)韌性，齒根部有高的抗彎強(qiáng)度。齒輪的受力分析、材料及成形工藝的選擇

重要齒輪的工作條件：①傳遞扭矩時(shí)，齒根承受大的交變彎曲應(yīng)力；②齒表面承受大的接觸應(yīng)力，嚙合面相互滾動(dòng)和滑動(dòng)，表面承受強(qiáng)烈摩擦和磨損；③換擋、啟動(dòng)或嚙合不良時(shí)，輪齒會(huì)受到?jīng)_擊。重要齒輪的性能要求：①高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度；②齒面有高的硬度和耐磨性；③心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性

汽車齒輪的選材與工藝路線

選20CrMnTi→鍛造→正火→齒形加工→滲碳+預(yù)冷淬火+低溫回火→噴丸→精磨→檢驗(yàn)入庫(kù)

機(jī)床齒輪的選材與工藝路線

選45鋼→鍛造→正火→齒形加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火+低溫回火→噴丸→精磨→檢驗(yàn)入庫(kù)

低應(yīng)力、低沖擊載荷的齒輪可用鑄鐵和高分子材料制造齒輪類零件7.2.3機(jī)架和箱體類零件：各種機(jī)械的機(jī)身、底座、支架、橫梁、工作臺(tái)以及齒輪箱、軸承座、閥體、內(nèi)燃機(jī)的缸體等，都屬于這一類零件，大多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常選用鑄造毛坯。機(jī)架、箱體類零件

機(jī)床床身鉗工工作臺(tái)軸承座變速箱箱體機(jī)架、箱體類的材料與成形工藝的選擇

機(jī)架、箱體類零件一般用鑄造成形方法成形。

1.受力較大、而且主要是承受靜力，不受沖擊的這類零件可選用普通灰鑄鐵（如果零件服役時(shí)與其他零件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)伴有摩擦、磨損，則選用珠光體基體的灰鑄鐵）。2.受力較大，要求高強(qiáng)度、高韌性，甚至在高溫、高壓下工作的這類零件，如汽輪機(jī)機(jī)殼，應(yīng)選