項(xiàng)目九機(jī)械零件成形方法的選擇任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知機(jī)械零件在工作過程中最終都會發(fā)生失效的現(xiàn)象。為此，分析并找出零件失效的原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，不僅能提高零件的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益，同時失效分析的結(jié)果對于零件的設(shè)計、選材、加工以至使用，都有重要的指導(dǎo)意義。一、失效的基本概念失效是零件在使用過程中，由于零件的外形尺寸、內(nèi)部組織和力學(xué)性能發(fā)生變化，失去正常工作所具有的功能和可靠性的現(xiàn)象。任何零件或部件使用一段時間后都會被損傷或損壞，按其損傷的程度分為三種情況：①零件完全被破壞，不能繼續(xù)使用，如軸的斷裂現(xiàn)象。下一頁返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知②零件表面有裂紋或被磨損，雖能工作但不能保證安全生產(chǎn)。③零件工作時雖能保證安全生產(chǎn)，但不能保證其產(chǎn)品的精度或達(dá)不到產(chǎn)品預(yù)定使用功能。發(fā)生上述任何一種情況都認(rèn)為零件已經(jīng)失效。二、零件失效的主要形式零件在工作時承受載荷的情況比較復(fù)雜，往往承受著多種應(yīng)力的復(fù)合作用，從而造成零件有不同的失效形式。零件的主要失效形式有過量變形失效、斷裂失效和表面損傷失效等。上一頁下一頁返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知三、零件失效的原因在實(shí)際生產(chǎn)中，零件的失效原因是多種多樣的。零件的失效很少是由于單一因素引起的，往往總是幾個因素綜合作用的結(jié)果。歸納起來零件失效的主要原因可分為機(jī)械設(shè)計、材料選擇、機(jī)械加工、零件的安裝與使用四個方面問題。四、失效分析實(shí)例在實(shí)際工作中，零件失效往往不只是一種失效方式起作用。因此，對于零件的失效原因需綜合性地全面分析。零件失效時總是一種失效方式起著主導(dǎo)作用，而另一些方式起著輔助作用，幾種方式同時都起作用致使零件失效的情況很少。上一頁下一頁返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知有時還會出現(xiàn)各類基本失效方式互相組合，形成復(fù)雜的復(fù)合失效方式。如腐蝕疲勞、蠕變疲勞、腐蝕磨損等，都各自接近于其中某一種失效方式，而其他方式是輔助的失效方式。因此，在失效分析時要找出主要的失效形式，把失效的輔助因素歸入失效的主導(dǎo)因素一類中進(jìn)行分析。解決零件失效的有效措施，是對零件的設(shè)計方案、材料的選擇、加工工藝方法、安裝與使用過程等方面進(jìn)行綜合分析，找出零件失效的真正原因，尤其是起決定性作用的原因。通過對失效零件做宏觀和微觀的斷口分析、斷裂力學(xué)分析等，確定失效性質(zhì)及失效方式，查明失效原因，為選材提供重要依據(jù)。上一頁下一頁返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知１.軸的失效及預(yù)防（１）軸的失效形式不同類型的軸受力狀態(tài)不同，軸的失效形式也完全不同，常見軸的失效形式是疲勞斷裂。當(dāng)軸的局部發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象時，在應(yīng)力集中最大的危險截面處會發(fā)生軸的疲勞斷裂失效。軸的疲勞失效形式可分為彎曲疲勞失效、扭轉(zhuǎn)疲勞失效、軸向疲勞失效。（２）防止軸失效的措施①設(shè)計時，根據(jù)軸類零件受扭轉(zhuǎn)、彎曲和扭轉(zhuǎn)彎曲組合的三種不同載荷作用，合理校核軸的強(qiáng)度，采取扭轉(zhuǎn)初算再按彎扭核算。上一頁下一頁返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知為提高軸的抗過載能力，合理確定計算載荷、載荷系數(shù)和安全系數(shù)。②主要承受拉伸、壓縮或彎曲的軸類零件，需要合理校核軸的剛度。選擇合理的截面形狀、支撐方式和位置，確保軸的實(shí)際變形必須小于許用變形，即滿足軸的剛度條件。③設(shè)計時還要考慮提高軸類零件的耐沖擊韌度。當(dāng)軸所受的載荷和速度發(fā)生突然變化時會出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，即在設(shè)計時必須考慮沖擊作用的影響。④改進(jìn)軸系零件的結(jié)構(gòu)形式，合理地布置軸系零件的位置，以此減少軸系零件所受載荷的影響，提高軸的承載能力，降低軸系零件的載荷集中、應(yīng)力集中現(xiàn)象。上一頁下一頁返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知⑤采用合適的熱處理或化學(xué)熱處理的方法，提高軸類零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。２.齒輪的失效與預(yù)防齒輪是機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的重要傳動零件。由于齒輪類型很多，適用場合差別很大，工作條件比較復(fù)雜，所以失效形式及影響因素很多。但齒輪的類型以及特點(diǎn)，不僅決定齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，也決定它失效的形式或是否會過早失效。上一頁下一頁返回任務(wù)９－１機(jī)械零件失效的認(rèn)知齒輪受不同的載荷而產(chǎn)生不同的失效形式，而失效一般都是發(fā)生在齒輪的輪齒部分。其中閉式軟面齒輪失效的主要形式是齒面點(diǎn)蝕；而閉式硬面齒輪失效的主要形式是輪齒折斷；高速重載齒輪失效的主要形式是齒面膠合；受短時過載的齒輪主要失效形式是齒面塑性變形壓碎；開式齒輪失效的主要形式是齒面磨損等。上一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇一、機(jī)械零件材料選擇的一般原則材料的質(zhì)量對于零件的質(zhì)量有著不可忽視的影響。合理地選用零件的材料，對于提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。因此，在選擇零件的材料時，不僅要滿足零件的使用性能和工藝性能，還應(yīng)在外觀、安全、價格、加工環(huán)境污染等方面，進(jìn)行全面的考慮。只有全面地了解材料的各種性能、熱處理特點(diǎn)和零件制造的有關(guān)知識，才能正確、合理地選擇零件的材料，生產(chǎn)出質(zhì)量優(yōu)異的機(jī)械產(chǎn)品。有些機(jī)械零件是標(biāo)準(zhǔn)件，如滾動軸承、鍵、彈簧等都是標(biāo)準(zhǔn)件，其材料由國家統(tǒng)一規(guī)定，并標(biāo)準(zhǔn)化大量生產(chǎn)。如果使用的零件是標(biāo)準(zhǔn)件，可以根據(jù)需要直接選用即可。但大量非標(biāo)準(zhǔn)零件都將面臨正確選擇材料的問題。下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇選擇材料時需考慮的因素很多，一般的原則是首先考慮零件的使用性能，在滿足使用性能的情況下，再考慮不同材料的工藝性能。同時還要考慮設(shè)計與安全指標(biāo)、尺寸效應(yīng)與數(shù)據(jù)的可靠性，以及具體的供貨狀態(tài)等。（一）使用性能任何機(jī)械產(chǎn)品和零件選擇材料時，要求所選的材料首先滿足零件的使用性能，然后再考慮材料價格、加工工藝、資源豐富等因素。使用性能是指零件在工作條件下，材料應(yīng)具有的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。對于機(jī)械產(chǎn)品最重要的是材料應(yīng)有良好的力學(xué)性能，以滿足零件能承受各種載荷的要求，保證零件能在使用過程中安全可靠、經(jīng)久耐用。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇例如制造飛機(jī)、火車的零件，對零件的安全可靠性要求很高，決不允許零件突然發(fā)生失效和損壞。而火車及汽車的輪轂和輪胎則要求經(jīng)久耐用。一些重要零件如曲軸、缸套等，不僅要求有很高的強(qiáng)度，還需要使用期限較長。同一種材料，在不同的工作條件和環(huán)境中，抵抗破壞的能力是不相同的。因此，在選擇材料前必須對零件的使用條件，如載荷的大小、性質(zhì)、工作的溫度和環(huán)境、使用的壽命等進(jìn)行全面的了解。從中找出可能使零件失效的主要因素，有針對性地選擇合適的材料。在特殊環(huán)境下工作的零件，選材時還應(yīng)考慮特殊要求。對于其他次要因素也需考慮，在不增加成本和造價的條件下予以滿足。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇如在航空、航天行業(yè)中，零件的重量是一個很重要的輔助要求，除滿足上述要求外，還應(yīng)采用輕金屬，如鋁、鎂、鈦合金等，以滿足特殊的使用要求。（二）工藝性能零件的材料不僅要滿足使用性能，還應(yīng)具有良好的工藝性能。在制造機(jī)械零件時，通常要采取一些工藝方法使金屬材料產(chǎn)生形狀和性能的變化，以滿足零件的使用要求。金屬材料能適應(yīng)各種加工工藝而得到高質(zhì)量成品的能力，稱為材料的工藝性能。材料的工藝性能直接影響零件的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。材料的工藝性能包括：上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇１.鑄造性能鑄造性能是指金屬材料經(jīng)鑄造方法獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。鑄造性能由兩方面衡量，即金屬熔融狀態(tài)的流動性和金屬冷卻時的收縮性。有些金屬存在偏析缺陷，一般可不予考慮。通常熔點(diǎn)低、結(jié)晶范圍小的合金流動性較好。共晶成分的金屬具有良好的流動性，具有較好的鑄造工藝性，而共析成分的金屬鑄造工藝性較差。有色金屬是共晶成分時流動性較好，由于結(jié)晶的溫度范圍較小收縮較少，故鑄造性能好。鑄鐵是共晶成分，結(jié)晶溫度范圍小，石墨的析出可以補(bǔ)充金屬的收縮，具有良好的鑄造性能。而鑄鋼是共析成分，結(jié)晶溫度范圍大，流動性較差，故鑄造性能較差。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇２.壓力加工性能壓力加工性能是指金屬材料在壓力加工時，在壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，獲得優(yōu)質(zhì)的零件或毛坯的能力。衡量壓力加工性能指標(biāo)是材料的塑性和變形抗力，塑性好，變形抗力小的材料，壓力加工性能好，適合進(jìn)行壓力加工，如低碳鋼、有色合金的α相部分，都具有良好的壓力加工性能。低碳鋼的高溫組織γ－Ｆｅ鐵（即奧氏體組織）具有優(yōu)異的壓力加工性能；反之，具有共晶組織的金屬，由于共晶體很脆，塑性小而變形抗力大，壓力加工性能差，如鑄鐵具有共晶組織，壓力加工性能很差。因此，鑄鐵在任何溫度下都不能進(jìn)行壓力加工。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇３.焊接性能焊接時金屬材料能在限定的施工條件下，形成良好焊縫并能滿足預(yù)定服役要求的能力稱為材料的焊接性能。金屬的焊接性能主要與材料的化學(xué)成分、焊接方法、構(gòu)件類型有關(guān)。焊接性好的金屬能獲得沒有裂紋、變形、氣孔和夾渣等缺陷的焊縫，焊接處具有良好的力學(xué)性能。金屬中低碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，塑性好，一般沒有淬硬和冷裂傾向，具有良好的焊接性能；鑄鐵、高碳鋼、不銹鋼等焊接性能較差，尤其是鑄鐵，僅能進(jìn)行焊補(bǔ)或用特種方法進(jìn)行焊接。４.切削加工性能切削加工性能是指金屬材料在切削加工時的難易程度。常以材料的切削抗力和切削后的表面質(zhì)量來衡量。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇切削加工性能與材料的化學(xué)成分、顯微組織及機(jī)械性能都有關(guān)系。切削加工硬度在１７０～２３０ＨＢＳ范圍的材料切削性能較好。強(qiáng)度和硬度高的材料切削加工困難，切削性能差；硬度過低的材料塑性好、切削抗力較小，但容易“粘刀”，表面質(zhì)量較差，因此切削性能較差。通過熱處理可以改變金屬材料的力學(xué)性能，改善金屬材料切削加工性能。在材料中加入某些化學(xué)元素也能夠改善切削性能，如中碳鋼以其合適的硬度和強(qiáng)度而具有良好的切削加工性能；低碳鋼因其塑性好而切削性能很差，但加入適量硫元素后，可以改善其切削性能而使其成為易切削鋼。高碳鋼和合金鋼硬度高、變形抗力大難以切削，故切削加工性能差。鑄鐵和有色合金都具有良好的切削加工性能。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇５.熱處理工藝性能熱處理工藝不僅能提高零件的使用性能，充分發(fā)揮金屬材料的潛力，延長零件的使用壽命，還能改善零件的工藝性能，提高零件加工質(zhì)量，減少刀具磨損。熱處理性能包括材料的淬透性、淬硬性。熱處理時會出現(xiàn)淬火的變形與開裂、過熱與過燒、氧化與脫碳等缺陷。為了防止淬火件在淬火時發(fā)生變形與開裂，應(yīng)盡量選擇淬透性好的材料，如合金鋼的淬透性優(yōu)于碳鋼的淬透性，碳鋼淬火時容易變形與開裂。在選擇零件材料時，應(yīng)該十分注意材料的工藝性能。單件或小批量生產(chǎn)條件下，由于材料工藝性能對成本影響不大。因此，在選擇材料時就不必過分強(qiáng)調(diào)加工工藝性能。即使采取一些特殊加工方法，加工的難度和成本的費(fèi)用的增加也不大。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇大批量生產(chǎn)時，材料的加工工藝性能，往往是選擇材料的決定性因素。它對零件的成本、刀具的消耗、工時的占用等都有著很大的影響。不同的材料具有不同的工藝性能。中碳鋼的鍛造性、焊接性、切削加工性都較好，但淬透性較差，鑄造性能也比較差。合金鋼的熱處理性能很好，但鍛造、焊接、鑄造、切削加工性都較差?？傊?，在選材時需要綜合考慮各種因素，在保證使用性能的前提下，應(yīng)盡量選擇價格便宜、工藝性能好的材料。當(dāng)不能同時滿足兩種或兩種以上的工藝性能時（如焊接性、切削加工性），可采取特殊手段來改善材料的工藝性能，如改變工藝規(guī)程、切削刀具、加工設(shè)備、熱處理方法和采用特殊焊接方法等。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇（三）經(jīng)濟(jì)性在選擇零件材料時，所選擇的材料在滿足零件的使用性能和工藝性能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。同時，還得考慮零件的抗腐蝕性，充分地利用現(xiàn)有資源，節(jié)約稀有金屬的消耗。盡量選擇價格便宜、資源豐富、加工費(fèi)用低廉的材料，以此降低產(chǎn)品生產(chǎn)的成本。為提高產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，在選擇零件的材料時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：１.在滿足使用性能要求的前提下，盡量選擇價格低廉的材料２.考慮材料的加工費(fèi)用上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇３.使用廉價的材料４.減少選材品種二、典型零件的選材及工藝路線幾乎所有機(jī)器零件都要承受一定的載荷，許多零件還要承受多種載荷的共同作用。在選擇材料時應(yīng)根據(jù)零件的工作條件，首先滿足最主要的力學(xué)性能。零件設(shè)計后，需進(jìn)一步驗(yàn)證其他條件的滿足情況，若出現(xiàn)問題時再加以修改。典型零件的選材通常有以下幾種：１.以綜合機(jī)械性能為主的零件選材許多承受沖擊載荷、循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)件，如連桿、鍛錘、鍛模等，都不同程度承受沖擊載荷和交變循環(huán)載荷的作用。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇因此，此類零件的材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和韌性，即具有綜合的力學(xué)性能。一般選用綜合機(jī)械性能較好的中碳鋼或中碳合金鋼，通過調(diào)質(zhì)處理即可。也可以選擇球墨鑄鐵，經(jīng)過正火或等溫淬火處理提高其性能。對于同時承受拉伸和彎曲載荷的拉桿和軸類零件，不宜選用鑄鐵。而承受載荷很大的重要軸類件，可選用合金調(diào)質(zhì)鋼。除此之外，還需考慮零件的特殊使用要求，根據(jù)要求選用具有特殊性能的材料。通常承受載荷較大的零件，選用力學(xué)性能較高的材料。如機(jī)床芯軸選用２０鋼即可；而轉(zhuǎn)軸和花鍵軸均采用４５鋼，通過調(diào)質(zhì)處理提高軸的綜合力學(xué)性能和使用壽命；汽車變速器的花鍵軸和機(jī)床主軸多選用４０Ｃｒ合金鋼，通過熱處理提高其使用壽命和綜合力學(xué)性能。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇２.以疲勞破壞為主的零件選材做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和支撐的零件如齒輪、發(fā)動機(jī)曲軸、凸輪、滾動軸承等，都是在交變載荷下工作。這類零件工作時受到很大的擠壓接觸應(yīng)力，工作表面容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕、疲勞裂紋等失效形式。選擇材料時，首先考慮材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性，還應(yīng)具有較高的抵抗彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓的能力。由于零件的輪廓形狀、加工后的微觀加工痕跡，對疲勞強(qiáng)度有較大影響。因此，這類零件必須選擇疲勞強(qiáng)度較高的、淬透性較好的材料。通過調(diào)質(zhì)處理、表面淬火、噴丸、滾壓等，提高此類零件的抗疲勞性和使用壽命。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇材料的疲勞極限和強(qiáng)度有關(guān)，在相同情況下，零件調(diào)質(zhì)后的組織比退火、正火后的組織具有更高的抗疲勞性。因而，承受重載的零件，應(yīng)選擇強(qiáng)度較高和淬透性較好的鋼材進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，可以提高材料的疲勞強(qiáng)度。３.以承受磨損為主的零件選材根據(jù)承受磨損為主的零件的工作條件可分為：①主要承受摩擦作用而磨損損耗較大的、受載荷作用較小的零件，如各種模具、量具、刀具等零件，它們所受載荷不大，主要是承受摩擦而使零件的表面出現(xiàn)剝落破壞失效。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇在選擇這類零件材料時應(yīng)以硬度為主，可選用高碳鋼和低合金工具鋼，通過淬火和低溫回火處理，獲得硬度很高的回火馬氏體（或回火貝氏體）組織，以滿足零件的硬度和耐磨性的要求。對于一些形狀簡單、受力很小的僅因磨損而失效的零件，可以采取鑲嵌硬質(zhì)合金來提高磨損部分的使用壽命。②同時承受劇烈摩擦和交變載荷作用的零件，如機(jī)床齒輪、變速器齒輪等，為了滿足其耐磨性和承受交變應(yīng)力的要求，所選擇的材料必須具有很高的硬度和較高的疲勞強(qiáng)度，一般選擇中碳鋼或中碳合金鋼，即可滿足使用要求。對于受沖擊載荷較大和承受劇烈摩擦的零件，可以選低碳鋼或低碳合金鋼。對于要求耐磨性高、熱處理變形小的精密零件，選用滲氮鋼為宜。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇這些零件的材料分別通過淬火、調(diào)質(zhì)、表面淬火、滲碳或滲氮等熱處理手段，可以獲得較硬的表面和內(nèi)部韌性很高的力學(xué)性能，即可抵抗表面摩擦作用又能降低疲勞的破壞。③高速、重載條件下工作的零件，由于工作條件惡劣，承受較大沖擊和摩擦的作用。要求這類零件具有高硬度的表面，以抵抗劇烈的摩擦；零件的芯部具有很高的強(qiáng)度和韌性，以抵抗沖擊載荷和防止產(chǎn)生疲勞破壞。一般選用低碳合金鋼，進(jìn)行表面滲碳淬火和低溫回火處理。零件的表面經(jīng)過滲碳淬火后得到貝氏體組織，具有很高的硬度和良好的耐磨性。由于零件材料的內(nèi)部含碳較少，韌性非常好，足以抵抗劇烈的沖擊。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇上述每一種情況，能夠滿足使用要求而供選擇的材料有很多。為此，選擇材料時還應(yīng)全面考慮工藝性能和經(jīng)濟(jì)性及其他因素，從而選出價格低廉、性能優(yōu)良、加工方便、滿足零件使用要求的最佳材料。４.典型零件的選材及工藝路線（１）齒輪類零件的選材齒輪是各種機(jī)器中普遍應(yīng)用的傳動零件，它主要作用是用來傳遞運(yùn)動和動力。齒輪工作時，通過齒面的接觸傳遞動力，齒輪的齒面受到很大的擠壓力，周期性地受到彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力；在齒輪嚙合的齒面上，還承受著劇烈的摩擦。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇因此，制造齒輪的材料要求齒輪的輪齒具有較高的彎曲疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度；齒輪的齒面具有很高的硬度和耐磨性；齒輪的齒根部應(yīng)具有很高的強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性；齒輪輪齒的芯部應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性；還應(yīng)具有良好的切削加工及熱處理工藝性。根據(jù)以上要求，選擇齒輪材料時還得按不同的工作環(huán)境進(jìn)行選取，同時安排合適的熱處理工序，以滿足使用性能的要求。常用齒輪材料主要是調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼，齒輪的毛坯通常采取鍛造成形。調(diào)質(zhì)鋼主要用于制造耐磨性要求較高，而沖擊韌性要求不高的硬齒面（＞４０ＨＲＣ）齒輪。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇如車床、鉆床、銑床等機(jī)床的主軸箱齒輪，常用鋼號有４５、４０Ｃｒ、４２ＳｉＭｎ等。齒面硬度要求不高的軟齒面（≤３５０ＨＢＳ）齒輪，如車床滑板上的齒輪、車床掛齒架齒輪等，這類齒輪一般都是在低速、低載荷下工作。常用鋼號有４５、４０Ｃｒ、４２ＳｉＭｎ、３５ＳｉＭｎ等。滲碳鋼主要用于制造高速、重載、沖擊性較大的硬齒面（＞５５ＨＲＣ）齒輪，如汽車變速器齒輪、汽車驅(qū)動橋齒輪等，常用鋼號是２０ＣｒＭｎＴｉ、２０ＣｒＭｎＭｏ、２０ＣｒＭｏ等。機(jī)床齒輪的工作狀態(tài)一般比較穩(wěn)定，所承受載荷、振動和沖擊作用較小，可以選擇優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制造，４５鋼是典型的齒輪材料。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性較合金鋼差，只能用于制造較小型、負(fù)荷不大的齒輪。對于工作條件惡劣、重載、高速的大型齒輪必須使用性能較好的合金鋼制造。對于中速、中載、尺寸較大的齒輪可采用合金調(diào)質(zhì)鋼，如４０Ｃｒ、４５ＭｎＢ、３５ＣｒＭｏ等。這些齒輪材料具有較高的強(qiáng)度和淬透性，淬火后可得到很高的硬度和耐磨性。熱處理時零件毛坯應(yīng)先正火（必要時需退火），然后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高齒輪的綜合力學(xué)性能。對于中、低載荷、中等速度下工作的齒輪，采用４５鋼制造。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇高速、重載環(huán)境下工作的齒輪，由于截面尺寸較大，不宜采用整體調(diào)質(zhì)處理?？梢詫X輪的毛坯進(jìn)行正火處理，對齒輪的齒面進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火處理，高頻感應(yīng)淬火處理后立即進(jìn)行回火處理，以獲得硬度較高的齒面。對于高速、重載、在腐蝕環(huán)境下工作的齒輪，可選用滲碳鋼材料３８ＣｒＭｏＡｌ，對零件毛坯先進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，最后對齒面進(jìn)行滲氮處理。滲氮后的零件表面形成硬而脆的表面，有一定的抗腐蝕能力。但由于表面層較脆，不宜承受沖擊載荷。對于承受沖擊載荷較大的齒輪，可選用合金調(diào)質(zhì)鋼或合金滲碳鋼，如４０Ｃｒ、４２ＳｉＭｎ、２０Ｃｒ、２０ＣｒＭｎＴｉ、３８ＣｒＭｏＡｌ等。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇對于速度高、負(fù)載大、惡劣環(huán)境下工作的齒輪，應(yīng)采用滲碳、淬火、低溫回火處理，以得到較高的硬度，提高輪齒表面的耐磨性。（２）軸類零件的選材軸是機(jī)器中支撐傳動零件，并傳遞運(yùn)動和動力的重要部件。軸類零件具有的特點(diǎn)是傳遞一定的扭矩、承受一定的彎曲應(yīng)力或拉壓應(yīng)力。軸支撐是在軸承上運(yùn)轉(zhuǎn)的，軸頸處受到持續(xù)摩擦作用，要求軸的軸頸處具有較高的耐磨性，并能承受一定的沖擊載荷。因此，軸類零件的材料性能應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能。在具體選材時，應(yīng)根據(jù)軸所承受的不同載荷情況進(jìn)行選材。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇對于承受交變應(yīng)力和動載荷的軸類零件，如船用推進(jìn)器軸、鍛錘桿等，一般選用淬透性好的調(diào)質(zhì)鋼３０ＣｒＭｎＳｉ、４０ＭｎＶＢ、４０ＣｒＭｎ等。對于主要承受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的軸類零件，如主軸箱傳動軸、發(fā)動機(jī)曲軸、機(jī)床主軸等，這類軸所受應(yīng)力分布不均，軸的表面應(yīng)力較大，芯部應(yīng)力較小。因此，不需選用淬透性很高的材料，一般選中碳鋼或合金調(diào)質(zhì)鋼。高速轉(zhuǎn)動的、高精度的軸類零件，如鏜床主軸選用３８ＣｒＭｏＡｌＡ等，進(jìn)行調(diào)質(zhì)和氮化處理；中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī)曲軸以及連桿、凸輪軸等，可以用球墨鑄鐵制造，不僅滿足了力學(xué)性能要求，而且制造工藝簡單，成本較低。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇（３）箱體零件的選材齒輪箱、軸承座、泵體等箱體類零件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般都需要采取鑄造方法成形。受力較大、在高溫和高壓下工作的，要求具有高強(qiáng)度和韌性的箱體零件，如汽輪機(jī)機(jī)殼等可選用鑄鋼材料，主要承受靜壓力的、受沖擊不大的、受載較小的箱體零件，可選用價格便宜、制造方便的鑄鐵材料；受力不大、要求自重較輕，導(dǎo)熱性較好的箱體零件，如汽車發(fā)動機(jī)箱體，可選用鑄造鋁合金材料；自重輕、尺寸小、受力小、耐腐蝕的箱體零件，可選擇工程塑料；受力較大、形狀簡單的大型箱體零件，可采用鋼材組合焊接而成。上一頁下一頁返回任務(wù)９－２機(jī)械零件材料的選擇以上各類零件在具體選材時，還要參考有關(guān)的機(jī)械設(shè)計手冊、工程材料手冊，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行初選。重要零件在初選后，需進(jìn)行強(qiáng)度計算校核，確定零件形狀尺寸后，還需審查所選材料的熱處理性能是否符合要求，并確定其熱處理技術(shù)條件。目前，選擇材料的最好方法是根據(jù)零件的工作條件和失效方式，進(jìn)行定量分析。然后，根據(jù)失效分析結(jié)果再參照有關(guān)經(jīng)驗(yàn)做出正確選材的結(jié)論。上一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇一、毛坯的種類制造零件時，一般是先將原材料制成與零件形狀相似的毛坯，以減少機(jī)械加工的工作量。毛坯的制造方法能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、使用性能、使用壽命和生產(chǎn)效益。根據(jù)毛坯制造方法毛坯可分為以下幾種：１.型材型材一般分為鑄錠和型材。鑄錠主要用來進(jìn)行熔化或壓力加工，制造不同形狀的零件毛坯。型材是用不同的壓力加工方法，將金屬材料制成板材、管材、棒材等不同形狀、不同規(guī)格的半成品，如圖９.５所示。這些半成品在許多情況下可以直接使用，也可以用于制造機(jī)械零件，尤其在單件、小批量生產(chǎn)中，多采用型材制造毛坯。下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇大量生產(chǎn)的小型零件，如軸、銷、套等，直接利用冷軋、熱軋棒料、管料為毛坯。而板狀零件，如汽車擋泥板、汽車外殼等，可以利用型材（板料）作為毛坯，直接沖壓加工成形。對于大型的結(jié)構(gòu)件，如井架、橋梁，可采用型材（角鋼、槽鋼）等作為毛坯，通過焊接加工或鉚接加工成形。２.鑄件用鑄造方法鑄造成形的零件毛坯稱為鑄件。鑄造方法靈活，不受零件尺寸、形狀、質(zhì)量限制，可獲得形狀復(fù)雜的毛坯和零件。鑄件的成本低廉，毛坯形狀和尺寸與零件相近，減少金屬切削量或無切削，金屬材料利用率高。鑄件可以用鑄鐵、鑄鋼、有色金屬等多種金屬材料制成，是目前所使用毛坯最多的一種形式。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇由于性能要求，有些機(jī)械零件只能采用鑄造方法制造毛坯。例如，各種箱體、支架、大型齒輪、青銅蝸輪等，由于鑄造方法的生產(chǎn)周期長、鑄造組織粗大，力學(xué)性能較低，生產(chǎn)率低，模樣費(fèi)用高。所以，一般砂型鑄造方法主要用于制造承受壓應(yīng)力為主的、形狀復(fù)雜、尺寸較大的零件的毛坯；而形狀復(fù)雜、尺寸精度高、力學(xué)性能好的中、小型薄壁零件，圓形中空件，普遍采用特種鑄造方法制造毛坯。３.鍛件鍛件是金屬在固態(tài)下經(jīng)塑性變形成形的毛坯。鍛件要求原材料的塑性好、變形抗力小，一般采用低、中碳鋼和合金鋼制造。對于強(qiáng)度要求高、形狀簡單的零件，普遍采用鍛造成形的毛坯，通過鍛造工藝成形可獲得組織致密、晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)異的毛坯。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇但是，由于自由鍛生產(chǎn)率低，僅適用于單件小批量生產(chǎn)的毛坯。對于大批量生產(chǎn)的毛坯，如齒輪、皮帶輪等盤類的零件需采用模鍛成形。通常承受重載荷、動載荷及復(fù)雜載荷、需要高強(qiáng)度的零件，都是采用鍛造毛坯。４.焊接件焊接件是利用金屬的熔化或原子的擴(kuò)散作用，形成永久性連接的結(jié)構(gòu)件。常采用低碳鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等制造焊件。單件、小批量生產(chǎn)的復(fù)雜零件和一些大型結(jié)構(gòu)中，采用焊接毛坯可減輕重量，還可以將復(fù)雜零件分解為若干簡單零件焊接而成。毛坯形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，通常采用型材，以降低生產(chǎn)成本，但是由于焊接件精度較差。所以，主要用于制造金屬結(jié)構(gòu)件，如支架、橋梁、塔架、容器等。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇５.沖壓件沖壓件是采用沖壓方法經(jīng)過冷變形成形的毛坯或成品件。采用沖壓方法可獲得精度高、強(qiáng)度大、互換性好、形狀復(fù)雜的沖壓件。沖壓方法適合塑性好、變形抗力小的低碳鋼、合金鋼、有色金屬薄板材料和各種非金屬板料的毛坯或成品件的大批量生產(chǎn)，如電器箱、油箱、汽車外殼、儀表盤等都是采用沖壓方法經(jīng)過冷變形成形的沖壓件。６.粉末冶金件用粉末冶金方法可制造與零件形狀相近的具有特殊性能的毛坯，因?yàn)橹圃斓拿髋c零件形狀相近，可以少切削或無切削，可以節(jié)約大量金屬材料。常用的粉末冶金材料如含油軸承、過濾材料、硬質(zhì)合金等。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇由于用粉末冶金方法制造零件時所用的模具、設(shè)備投資比較大，粉末冶金件的大小、形狀受到一定限制。為此，粉末冶金僅用于大量生產(chǎn)中。二、毛坯成形方法選擇的一般原則１.滿足零件的使用性能制造零件時為了滿足零件的使用性能，降低材料的損耗，提高材料的利用率，首先需要制造與零件形狀相近的毛坯。而毛坯制造方法的選擇，必須要滿足零件的使用性能。即首先考慮零件的工作環(huán)境、受載荷類型、表面質(zhì)量和形狀，還應(yīng)考慮零件可能發(fā)生的失效形式、主要的機(jī)械性能要求和使用期限等使用性能。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇毛坯的形狀和尺寸與零件的使用性能有關(guān)，毛坯的形狀和尺寸因素，對毛坯的制造方法的選用有著直接的影響。毛坯的形狀和尺寸，主要由零件的表面形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸及加工余量等因素確定。因此，毛坯的形狀和尺寸應(yīng)盡量與零件形狀和尺寸相接近，力求達(dá)到少切削或無切削加工。但是，由于毛坯制造技術(shù)及成本的限制，以及零件的加工精度和表面質(zhì)量要求。在毛坯制造成形時，毛坯的某些表面必須留有一定的加工余量，以便通過機(jī)械加工達(dá)到零件的技術(shù)要求和使用要求。因?yàn)槊鞯闹圃旆椒ú煌?，所以毛坯所留下的加工余量也不同。所制造的毛坯形狀和尺寸又直接影響著零件的質(zhì)量。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇制造毛坯時可選用型材、鑄件、鍛件和焊件，由于加工余量較大，使得材料的利用率降低。如果采用熔模鑄造、精鍛、冷擠壓、粉末冶金等先進(jìn)毛坯制造方法，毛坯質(zhì)量得到很大提高，同時還可以節(jié)約機(jī)械加工量，提高材料利用率和經(jīng)濟(jì)效益。對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、力學(xué)性能要求不高的箱體和閥體類零件，為使其毛坯形狀與零件較為接近，應(yīng)選擇鑄造方法制造毛坯。對于重要的零件，要求具有較高綜合力學(xué)性能的齒輪、軸類零件，一般采用鍛造方法制造毛坯。并且，還需考慮零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸等因素，合理選擇毛坯的制造方法。為了使毛坯形狀與零件較為接近，對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的，大批量生產(chǎn)的中、小型零件，一般選擇特種鑄造方法制造毛坯。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇形狀簡單的零件，為滿足力學(xué)性能高的要求，常采用鍛造方法制造毛坯。形狀復(fù)雜、但力學(xué)性能要求不高的零件，可以選擇砂型鑄造方法制造毛坯。對于結(jié)構(gòu)形狀很復(fù)雜的，且尺寸不大的零件，宜選擇熔模鑄造方法制造毛坯。薄壁零件不宜用砂型鑄造方法制造毛坯。結(jié)構(gòu)形狀簡單的零件，采用鍛造或型材制造毛坯。對于結(jié)構(gòu)尺寸較大的零件，一般選擇自由鍛造方法制造毛坯；而結(jié)構(gòu)形狀較復(fù)雜的且抗沖擊、抗疲勞要求較高的中、小型零件，可考慮選擇模鍛方法制造毛坯。對于結(jié)構(gòu)形狀相當(dāng)復(fù)雜的且輪廓尺寸又很大的大型零件，無法用鑄造方法制造時，宜選擇組合方法制造毛坯，即先分部制造毛坯，后將毛坯組合焊接成為整體。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇２.滿足材料的工藝性能毛坯的制造工藝方法與零件的材料有著直接關(guān)系。不同的材料具有不同的成分、組織和性能，它決定了材料的工藝性能和毛坯的質(zhì)量，也決定著毛坯制造的方法。例如，鑄鐵和錫青銅材料，只能采用鑄造成形零件毛坯，不能采用鍛造及焊接方法。重要的鋼件力學(xué)性能要求高，為保證其力學(xué)性能，只能采用鍛造方法制造零件的毛坯，這樣才能提高零件的力學(xué)性能。對于形狀復(fù)雜的大型鋼件，如大齒輪、大滑塊、大連桿等，采用鍛造方法是無法制造成形的，只能采用鑄造成形方法來制造毛坯。在常用材料中，鑄鐵的鑄造性能比鑄鋼好，鑄造性能最好的是灰口鑄鐵和青銅。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇黃銅和鋁合金在室溫狀態(tài)下就具有良好的鍛造性能，碳素鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能較好；其中低碳鋼的鍛造性優(yōu)于高碳鋼；低合金鋼比高合金鋼的鍛造性好。而鑄鐵、鑄鋁幾乎不能進(jìn)行鍛造成形。低碳鋼具有良好的焊接性能，鑄鐵、不銹鋼、鑄鋁等材料的焊接性能一般較差。因此，在保證滿足材料的力學(xué)性能的前提下，需根據(jù)材料的工藝性能來選擇毛坯的制造工藝。例如，軸類零件一般采用自由鍛制造毛坯。對于一般用途的階梯軸，軸的各段直徑若相差不大時，可選用圓棒料制造毛坯；各段直徑相差較大時，為減少材料的消耗和機(jī)械加工量，則采用鍛造方法制造毛坯。圓形的中空件，如管子、氣缸套、軸套、圓環(huán)等，要求外部組織致密，力學(xué)性能好、無氣孔和砂眼缺陷時，宜采用離心鑄造方法制造毛坯。而鑄鋼零件可以采用“鑄－焊”組合方法生產(chǎn)毛坯。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇３.經(jīng)濟(jì)性毛坯的制造需要滿足降低生產(chǎn)成本的要求，生產(chǎn)的類型直接影響毛坯制造成本和生產(chǎn)率。要降低毛坯的生產(chǎn)成本，在選擇毛坯成形方法時，必須認(rèn)真分析零件的使用要求、所用材料的價格、結(jié)構(gòu)工藝性和生產(chǎn)批量的大小等因素的影響。毛坯制造成本可用下式表示：Ｃ＝Ｍ＋Ｐ＋Ｈｎ式中Ｃ——每個毛坯的制造成本；Ｍ———個毛坯的材料費(fèi)；Ｐ——制造一個毛坯的費(fèi)用；Ｈ——工藝裝備及其他雜費(fèi)；上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇ｎ——零件批量。根據(jù)上式可以求出最低毛坯成本的生產(chǎn)批量。大于這個批量時，可選用先進(jìn)毛坯制造方法；反之采用普通的毛坯成形方法。當(dāng)采用先進(jìn)毛坯制造方法時，（Ｍ＋Ｐ）減少；而Ｈ增加，把Ｈ費(fèi)用值均分到每件產(chǎn)品上時，則隨年產(chǎn)量的增加而毛坯制造成本減少。由此可見，選擇毛坯生產(chǎn)成形方法時，應(yīng)考慮毛坯生產(chǎn)的批量。當(dāng)小批量生產(chǎn)毛坯時，需要從設(shè)備、模具等方面著手降低毛坯生產(chǎn)成本。使用價格便宜的設(shè)備和模具，可以降低設(shè)備、模具等方面的成本。對于單件小批量生產(chǎn)毛坯，宜采用通用的精度和生產(chǎn)率較低的毛坯制造方法，如自由鍛成形、砂型鑄造成形、手工電弧焊接等方法，或使用型材、胎模鍛等成形方法。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇這些方法雖然生產(chǎn)率較低，卻因?yàn)樵O(shè)備、模具等方面的投資成本低，均分到每件產(chǎn)品上的制造費(fèi)用就降低，生產(chǎn)成本由此而降低。當(dāng)大批量生產(chǎn)毛坯時，必須采用先進(jìn)的、高效率機(jī)械化和自動化毛坯制造方法，可選用專用的設(shè)備，雖然設(shè)備費(fèi)用高，但是由于是大批量生產(chǎn)，均分到每個毛坯的成本不高。此外，毛坯制造方法的選擇，還應(yīng)考慮企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)條件，盡量使用先進(jìn)設(shè)備和先進(jìn)加工方法。當(dāng)本廠生產(chǎn)毛坯的造價高于專用設(shè)備生產(chǎn)廠家時，可以在滿足保質(zhì)、保量、按期交貨的情況下，到專用設(shè)備廠家加工或外購毛坯，以此達(dá)到降低成本，提高經(jīng)濟(jì)性的目的。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇三、典型機(jī)械零件毛坯的選擇毛坯的選擇，不僅影響毛坯成形工藝和加工費(fèi)用，也與零件的加工和加工質(zhì)量密切相關(guān)。為此，需要合理地確定毛坯的種類和成形方法。常用零件的毛坯按其形狀可分為軸類、盤類和箱體類。１.軸類零件的毛坯選擇軸類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是軸向尺寸遠(yuǎn)大于徑向尺寸。如圖９.６所示，各種傳動軸、直軸、曲軸、空心軸、偏心軸、凸輪軸、連桿等。軸是支撐各類傳動零件的重要部件，主要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸等多種應(yīng)力，并且多為循環(huán)應(yīng)力。有時還承受沖擊應(yīng)力，在軸頸處和滑動表面還承受摩擦作用。上一頁下一頁返回任務(wù)９－３零件毛坯成形方法的選擇因此，要求軸類零件具有較高的綜合力學(xué)性能。交變載荷很大時還應(yīng)具備抗疲勞性，局部應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性。軸類零件最常用的毛坯是型材和鍛件，一般都采用鍛造成形方法。由于軸類零件受載荷和工作條件有所不同，在選擇毛坯成形方法時，還應(yīng)該根據(jù)不同情況加