第一節(jié)零件的失效形式和選材原則一、機械零件的失效形式所謂失效.是指零件在使用過程中.由于尺寸、形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而失去原設計的效能.零件失效的具體表現(xiàn)為:完全破壞而不能工作.嚴重損傷不能安全工作.雖能工作.但已不能完成規(guī)定的功能.零件的失效.特別是那些沒有明顯征兆的失效.往往會帶來巨大的損失.甚至導致重大事故.一般機器零件常見的失效形式有以下三種:１.斷裂包括靜載荷或沖擊載荷下的斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕破裂等.斷裂是材料最嚴重的失效形式.特別是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的脆性斷裂.往往會造成災難性事故.下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

２.表面損傷包括過量磨損、表面腐蝕、表面疲勞(點蝕或剝落)等.機器零件磨損過量后.工作就會惡化.甚至不能正常工作而報廢.磨損不僅消耗材料、損壞機器.而且耗費大量能源.３.過量變形包括過量的彈性變形、塑性變形和蠕變等.不論哪種過量變形.都會造成零件(或工具)尺寸和形狀的改變.影響它們的正確使用位置.破壞零件或部件間相互配合的位置和關系.使機器不能正常工作.甚至造成事故.如高壓容器的緊固螺栓若發(fā)生過量變形而伸長.就會使容器滲漏.又如變速器中的齒輪若產生過量塑性變形.就會使輪齒嚙合不良.甚至卡死、斷齒.引起設備事故.上一頁下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

引起零件失效的原因很多.涉及零件的結構設計、材料的選擇與使用、加工制造、裝配及維護保養(yǎng)等方面.而合理選用材料就是從材料應用上去防止或延緩失效的發(fā)生.二、選材的基本原則(一)材料的使用性能應滿足零件的使用要求使用性能是指零件在正常使用狀態(tài)下.材料應具備的性能.包括力學性能、物理性能和化學性能.使用性能是保證零件工作安全可靠、經久耐用的必要條件.不同機械零件要求材料的使用性能是不一樣的.這主要是因為不同機械零件的工作條件和失效形式不同.因此.對某個零件進行選材時.首先要根據(jù)零件的工作條件和失效形式.正確地判斷所要求的主要使用性能.上一頁下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

然后根據(jù)主要的使用性能指標來選擇較為合適的材料.有時還需要進行一定的模擬試驗來最后確定零件的材料.對于一般的機械零件.則主要以其力學性能作為選材依據(jù).對于用非金屬材料制成的零件(或構件).還應注意工作環(huán)境對其性能的影響.因為非金屬材料對溫度、光、水、油等的敏感程度比金屬材料大得多.在對零件的工作條件、失效形式進行全面分析.并根據(jù)零件的幾何形狀和尺寸、工作中所受的載荷及使用壽命.通過力學計算確定出零件應具有的主要力學性能指標及其數(shù)值后即可利用手冊選材.但是還應注意以下幾點:第一.材料的性能不單與化學成分有關.也與加工、處理后的狀態(tài)有關.上一頁下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

金屬材料尤為明顯.所以要弄清手冊中的數(shù)據(jù)是在什么加工、處理條件下得到的.第二.材料的性能還與試樣的尺寸有關.且隨試樣截面尺寸的增大.其力學性能一般是降低的.因此.必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別.并進行適當?shù)男拚?第三.材料的化學成分、加工、處理的工藝參數(shù)本身都有一定的波動范圍.所以其力學性能數(shù)據(jù)也有一個波動范圍.一般手冊中的性能數(shù)據(jù).大多是波動范圍的下限值.即在尺寸和處理條件相同時.手冊中的數(shù)據(jù)是偏安全的.上一頁下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

(二)材料的工藝性應滿足加工要求材料的工藝性是指材料適應某種加工的能力.在選材中.與使用性能比較.材料的工藝性能常處于次要地位.但在某些特殊情況下.工藝性能也會成為選材的主要依據(jù).高分子材料的成形工藝比較簡單.切削加工性比較好.但其導熱性差.在切削過程中不易散熱.易使工件溫度急劇升高而使其變焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料).陶瓷材料成形后硬度極高.除了可以用碳化硅、金剛石砂輪磨削外.幾乎不能進行其他加工.金屬材料如果用鑄造成形.最好選擇共晶成分或接近共晶成分的合金.如果用鍛造成形.最好選用組織呈固溶體的合金.上一頁下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

如果是焊接成形.最適宜的材料是低碳鋼或低碳合金鋼.為了便于切削加工.一般希望鋼鐵材料的硬度控制在１７０~２３０ＨＢＳ(這可通過熱處理來調整其組織和性能).不同金屬材料的熱處理性能是不同的.碳鋼的淬透性差.強度不是很高.加熱時易過熱而使晶粒長大.淬火時也易變形和開裂.因此.制造高強度、大截面、形狀比較復雜的零件.一般應選用合金鋼(三)選材時.還應充分考慮經濟性選材時應注意降低零件的總成本.零件的總成本包括材料本身的價格、加工費、管理費及其他附加費用(如零件的維修費等).據(jù)資料統(tǒng)計.在一般的工業(yè)部門中.材料的價格要占產品價格的３０％~７０％.上一頁下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

因此.在保證使用性能的前提下.應盡可能選用價廉、貨源充足、加工方便、總成本低的材料.以取得最大的經濟效益.提高產品在市場上的競爭力.低合金鋼的強度比碳鋼高.工藝性能接近碳鋼.因此.選用低合金鋼往往經濟效益比較顯著.在選用材料時.還應立足于我國的資源.并考慮我國的生產和供應情況.例如能用硅錳鋼的.就盡量不要用鉻鎳鋼.此外.對同一企業(yè)來說.所選用的材料種類、規(guī)格應盡量少而集中.以便于采購和管理.減少不必要的附加費用.上一頁下一頁返回第一節(jié)零件的失效形式和選材原則

總之.作為工程技術人員.在選用材料時.必須了解我國的資源和生產情況.從實際情況出發(fā).全面考慮材料的使用性能、工藝性能和經濟性等方面的因素.以保證產品性能優(yōu)良、成本低廉、經濟效益最佳.上一頁返回第二節(jié)零件毛坯的選擇除了少數(shù)要求不高的零件外.機械上的大多數(shù)零件都要通過鑄造、鍛壓或焊接等加工方法先制成毛坯.然后再經切削加工制成成品.因此.零件毛坯選擇是否合理.不僅影響每個零件乃至整部機械的制造質量和使用性能.而且對零件的制造工藝過程、生產周期和成本也有很大的影響.毛坯的選擇包括選擇毛坯材料、類別和具體的制造方法.毛坯材料(即零件材料)和毛坯類型的選擇是密切相關的.因為不同的材料具有完全不同的工藝性能.通常選擇毛坯時必須考慮以下原則.下一頁返回第二節(jié)零件毛坯的選擇１.保證零件的使用要求毛坯的使用要求.是指將毛坯最終制成機械零件的使用要求.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.工作條件通常指零件的受力情況、工作溫度和接觸介質等.所以對零件的使用要求也就是對其外部和內部質量的要求.例如機床的主軸和手柄.雖同屬軸類零件.但其承載及工作情況不同.主軸是機床的關鍵零件.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(fā)生極微小的變形.因此選用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.而機床手柄.尺寸、形狀等要求不很高.受力也不大.故選用低碳鋼棒料或普通灰鑄鐵毛坯.經簡單的切削加工即可制成.上一頁下一頁返回第二節(jié)零件毛坯的選擇不需要熱處理.再如.燃氣輪機上的葉片和電風扇葉片.雖然同是具有空間幾何曲面形狀的葉片.但前者要求采用優(yōu)質合金鋼.經過精密鍛造和嚴格的切削加工及熱處理.并且需經過嚴格的檢驗.其制造尺寸的微小偏差.將會影響工作效率.其內部的某些缺陷則可能造成嚴重的后果.而一般電風扇葉片.采用低碳鋼薄板沖壓成形或采用工程塑料成形就基本完成了.由上述可知.即使同一類零件.由于使用要求不同.從選擇材料到選擇毛坯類別和加工方法.可以完全不同.因此.在確定毛坯類別時.必須首先考慮工作條件對其提出的使用性能要求.上一頁下一頁返回第二節(jié)零件毛坯的選擇２.降低制造成本.滿足經濟性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、各項折舊費和其他輔助費用等分攤到該零件上的份額.在選擇毛坯的類別和具體的制造方法時.通常是在保證零件使用要求的前提下.把幾個可供選擇的方案從經濟上進行分析、比較.從中選擇成本低廉的方案.３.考慮實際生產條件根據(jù)使用要求和制造成本分析所選定的毛坯制造方法是否能實現(xiàn).還必須考慮企業(yè)的實際生產條件.只有實際生產條件能夠實現(xiàn)的件時.應首先分析本廠的設備條件和技術水平能否滿足毛坯制造方案的要求.上一頁下一頁返回第二節(jié)零件毛坯的選擇如不能滿足要求.則應考慮某些零件的毛坯可否通過廠際協(xié)作或外購來解決.隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展.產品和零件的生產正在向專業(yè)化方向發(fā)展.在進行生產條件分析時.一定要打破自給自足的小生產觀念.將生產協(xié)作的視野從本企業(yè)、本集團的狹小天地里解脫出來.這樣就可能確定一個既能保證質量.又能按期完成任務.經濟上也合理的方案.上述三條原則是相互聯(lián)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.上一頁返回第三節(jié)零件熱處理的技術條件和工序位置熱處理是機械制造過程中的重要工序.正確分析和理解熱處理的技術條件.合理安排零件加工工藝路線中的熱處理工序.對于改善金屬材料的切削加工性能.保證零件的質量.滿足使用性能要求.具有重要的意義.一、零件熱處理的技術條件及標注需要熱處理的零件.設計者應根據(jù)零件的性能要求.在圖樣上標明零件所用材料的牌號.并應注明熱處理的技術條件.以供熱處理生產和檢驗時使用.熱處理技術條件的內容包括:零件最終的熱處理方法、熱處理后應達到的力學性能指標等.零件經熱處理后應達到的力學性能指標.下一頁返回

第三節(jié)零件熱處理的技術條件和工序位置

一般僅需標注出硬度值.但對于某些力學性能要求較高的重要零件.例如動力機械上的關鍵零件(如曲軸、連桿、齒輪等).還應標出強度、塑性、韌性指標.有的還應提出對金相顯微組織的要求.對于滲碳件則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、深度與淬硬部位.有的還應提出對顯微組織及限制變形的要求(如軸淬火后彎曲度、孔的變形量等).上一頁下一頁返回第三節(jié)零件熱處理的技術條件和工序位置二、熱處理的工序位置零件的加工都是按一定的工藝路線進行的.合理安排熱處理的工序位置.對于保證零件質量、改善切削加工性能具有重要意義.根據(jù)熱處理的目的和工序位置的不同.熱處理可分為預先熱處理和最終熱處理兩大類.其工序位置安排的一般規(guī)律如下:(一)預先熱處理的工序位置預先熱處理包括退火、正火、調質等.其工序位置一般均緊接毛坯生產之后.切削加工之前.或粗加工之后.精加工之前.上一頁下一頁返回第三節(jié)零件熱處理的技術條件和工序位置１.退火、正火的工序位置通常退火、正火都安排在毛坯生產之后、切削加工之前.以消除毛坯的內應力.均勻組織.改善切削加工性.并為最終熱處理做組織準備.對于精密零件.為了消除切削加工的殘余應力.在切削加工工序之間還應安排去應力退火.２.調質處理的工序位置調質工序一般安排在粗加工之后.精加工或半精加工之前.目的是獲得良好的綜合力學性能.或為以后的表面淬火或易變形的精密零件的整體淬火做好組織準備.調質一般不安排在粗加工之前.是為了避免調質層在粗加工時大部分被切削掉.失去調質的作用.上一頁下一頁返回第三節(jié)零件熱處理的技術條件和工序位置這對淬透性差的碳鋼零件尤為重要.調質零件的加工路線一般為:下料—鍛造—正火(退火)—切削粗加工—調質—切削精加工.在實際生產中.灰鑄鐵件、鑄鋼件和某些鋼軋件、鋼鍛件經退火、正火或調質后.往往不再進行其他熱處理.這時上述熱處理也就是最終熱處理.(二)最終熱處理的工序位置最終熱處理包括各種淬火、回火及表面熱處理等.零件經這類熱處理后.獲得所需的使用性能.因零件的硬度較高.除磨削加工外.不宜進行其他形式的切削加工.故最終熱處理工序均安排在半精加工之后.上一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析常用機械零件按其形狀特征和用途不同.主要分為軸類零件、套類零件、輪盤類零件和箱座類零件四大類.它們各自在機械上的重要程度、工作條件不同.對性能的要求也不同.因此.正確選擇零件的材料種類和牌號、毛坯類型和毛坯制造方法.合理安排零件的加工工藝路線.具有重要意義.下面就以幾個典型零件為例進行分析.一、軸類零件軸類零件是回轉體零件.其長度遠大于直徑.常見的有光滑軸、階梯軸、凸輪軸和曲軸等.在機械設備中.軸類零件主要用來支承傳動零件(如齒輪、帶輪)和傳遞轉矩.它是各種機械設備中重要的受力零件.下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析１.車床主軸的工作條件和性能要求(１)承受交變的彎曲應力與扭切應力.有時受到沖擊載荷作用.(２)主軸大端內錐孔和錐度外圓.經常與卡盤、頂尖和刀具錐體有相對摩擦.(３)花鍵部分與齒輪經常有磕碰或相對滑動.由于該主軸是在滾動軸承中運動.承受中等載荷.轉速中等.有裝配精度要求.且受一定沖擊力.由此確定其性能要求如下:①主軸應具有良好的綜合力學性能.②內錐孔和外錐圓表面、花鍵部分應有較高的硬度和耐磨性.上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析２.材料選擇軸類零件的材料一般選碳素鋼、合金鋼或鑄鐵.根據(jù)上述主軸的工作條件和性能要求.確定主軸材料選擇４５鋼.３.毛坯選擇該軸為階梯軸.最大直徑(?１００ｍｍ)與最小直徑(?３ｍｍ)相差較大.選圓鋼毛坯不經濟.故應選鍛造毛坯為宜.在單件小批生產時.可采用自由鍛生產毛坯.在成批大量生產時.應采用模鍛生產毛坯.４.加工工藝路線及分析生產中.該主軸的加工工藝路線為:上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析下料—鍛造—正火—粗切削加工—調質—半精切削加工—錐孔及外錐體的局部淬火、回火—粗磨(外圓、外錐體、錐孔)—銑花鍵及鍵槽—花鍵高頻淬火、回火—精磨(外圓、錐孔及外錐體).其中正火、調質為預先熱處理.錐孔及外錐體的局部淬火、回火與花鍵的淬火、回火屬于最終熱處理.二、輪盤類零件輪盤類零件的軸向尺寸一般小于徑向尺寸.或兩個方向尺寸相差不大.屬于這一類的零件有齒輪、帶輪、飛輪、鍛造模具、法蘭盤和聯(lián)軸器等.由于這類零件在機械中的使用要求和工作條件有很大差異.因此所用材料和毛坯各不相同.上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析下面以齒輪為例進行分析.齒輪是各類機械中的重要傳動零件.主要用來傳遞扭矩.有時也用來換擋或改變傳動方向.有的齒輪僅起分度定位作用.齒輪的轉速可以相差很大.齒輪的直徑可以從幾毫米到幾米.工作環(huán)境也可有很大差別.因此.齒輪的工作條件是較復雜的.但大多數(shù)重要齒輪仍有共同特點.(一)齒輪的工作條件和性能要求１.工作條件(１)由于傳遞扭矩.齒根承受較大的交變彎曲應力.(２)齒的表面承受較大的接觸應力.在工作中相互滾動和滑動.表面受到強烈的摩擦和磨損.上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析(３)由于換擋、啟動或嚙合不良.輪齒會受到沖擊.２.性能要求根據(jù)上述齒輪工作條件.要求齒輪材料應具備以下性能:(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)齒輪心部要有足夠的強度和韌度.(二)齒輪材料和毛坯的選擇由以上分析可知.齒輪一般應選用具有良好力學性能的中碳結構鋼和中碳合金結構鋼.承受較大沖擊載荷的齒輪.可選用合金滲碳鋼.上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析一些低速或中速低應力、低沖擊載荷條件下工作的齒輪.可選用鑄鋼、灰鑄鐵或球墨鑄鐵.一些受力不大或在無潤滑條件下工作的齒輪.可選用塑料(如尼龍、聚碳酸酯等).中、小齒輪一般選用鍛造毛坯.大量生產時可采用熱軋或精密模鍛的方法制造毛坯.在單件或小批量生產的條件下.直徑１００ｍｍ以下的小齒輪也可用圓鋼為毛坯直徑５００ｍｍ以上的大型齒輪.鍛造比較困難.可用鑄鋼、灰鑄鐵或球墨鑄鐵鑄造毛坯.鑄造齒輪一般以輻條結構代替鍛造齒輪的輻板結構在單件生產的條件下.常采用焊接方法制造大型齒輪的毛坯.(三)典型齒輪材料和毛坯選擇及加工工藝路線舉例上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析１.機床齒輪Ｃ６１３２車床的變速器齒輪.該齒輪工作時受力不大.轉速中等.工作較平穩(wěn)且無強烈沖擊.工作條件較好.性能要求:對齒面和心部的強度、韌性要求均不太高.齒輪心部硬度２２０~２５０ＨＢＳ.齒面硬度４５~５０ＨＲＣ.適用材料:根據(jù)齒輪的工作條件和性能要求.該齒輪材料宜選４５鋼或４０Ｃｒ、４０ＭｎＢ.毛坯制造方法:該齒輪形狀簡單.厚度差別不大.可選圓鋼作毛坯.但齒輪的性能差.故應選鍛造毛坯.在單件小批生產時.可采用自由鍛生產.在成批大量生產時.宜采用胎膜鍛等方法生產.上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析工藝路線:齒輪毛坯采用鍛件時.其加工工藝路線一般為:下料—鍛造—正火—粗加工—調質—精加工—齒部表面淬火＋低溫回火—精磨.２.汽車變速器齒輪其工作條件比機床齒輪惡劣.工作過程中.承受著較高的載荷.齒面受到很大的交變或脈動接觸應力及摩擦力.齒根受到很大的交變或脈動彎曲應力.尤其是在汽車啟動、爬坡行駛時.還受到變動的大載荷和強烈的沖擊.性能要求:要求齒輪表面有較高的耐磨性和疲勞強度.心部保持較高的強度與韌度.要求根部σｂ>１０００ＭＰａ.αｋ>６０Ｊ/ｃｍ２.齒面硬度５８~６４ＨＲＣ.心部硬度３０~４５ＨＲＣ.上一頁下一頁返回第四節(jié)典型零件材料和毛坯的選擇及加工工藝分析適用材料:根據(jù)齒輪的使用條件和性能要求.確定該齒輪材料為２０ＣｒＭｎＴｉ或２０ＭｎＶＢ.毛坯類型的齒輪毛坯生產方法:該齒輪形狀比機床齒輪復雜.性能要求也高.故不宜采用圓鋼毛坯.而應采用模鍛制造毛坯.以使材料纖維合理分布.提高力學性能.單件小批生產時.也可用自由鍛生產毛坯.工藝路線及分析:根據(jù)所選材料.制訂該齒輪的加工工藝路線為:下料—鍛造—正火—粗、半精切削加工(內孔及端面留余量)—滲碳(內孔防滲)、淬火、低溫回火—噴丸—推拉花鍵孔—磨端面—磨齒—最終檢驗.上一頁下一頁