第六章-材料成形方法选择.ppt

材料成形方法选择 第六章 机器制造中 大部分零件是先通过如下成形方法先制得毛坯 再经过切削加工制成的 铸造成形锻压成形焊接成形非金属材料成形 材料成形过程是机械制造的重要工艺过程 通常 零件的材料一旦确定 其毛坯成形方法也大致确定了 例如 零件采用HT200 QT600 2等 其毛坯应选用铸造成形 齿轮零件采用45钢 LD7等常采用锻压成形 零件采用Q235 08钢等板 带材 一般选用切割 冲压或焊接成形 零件采用塑料 选用合适的塑料成形方法 选择毛坯成形方法时 除考虑零件结构工艺性之外 还要兼顾材料的工艺性能能否符合要求 任何材料都必须成形 制成制品后才具有使用价值 成形方法的选择是零件设计的重要内容 零件设计内容 6 1材料成形方法选择的原则与依据 一 材料成形方法的选择原则 一 适用性原则 1 满足使用要求 2 适应成形加工工艺性 适用性原则 指要满足零件的使用要求及对成形加工工艺性的适应 1 满足使用要求 零件的使用要求具体体现为 外部质量的要求 形状 尺寸 加工精度 表面粗糙度等 内部质量的要求 化学成分 金属组织 力学性能 物理性能和化学性能等 对于不同零件的使用要求 必须考虑零件材料的工艺特性 如铸造性能 锻造性能 焊接性能等 来确定毛坯的成形方法 选择成形方法 要兼顾后续机加工的可加工性 例如 切削加工余量较大的毛坯不能采用普通压力铸造成形 否则将暴露铸件表皮下的孔洞 需要切削加工的毛坯尽量避免采用高牌号珠光体球墨铸铁和簿壁灰铸铁 否则难以切削加工 一些结构复杂 难以采用单种成形方法成形的毛坯 注意各种成形方案结合的可能性 同时要考虑这些结合是否会影响机械加工的可加工性 2 适应成形加工工艺性 例如 阶梯轴类零件 当各台阶直径相差不大时 可用棒料 若相差较大 则宜采用锻造毛坯 形状复杂和薄壁毛坯 一般不应采用金属型铸造 尺寸较大的毛坯 通常不采用模锻 压力铸造和熔模铸造 多数采用自由锻 砂型铸造和焊接等方法制坯 选择成形方案时 还要考虑适应性原则 根据零件的结构形状 外形尺寸和工作条件要求 选择适应的成形方案 二 经济性原则 应把满足使用要求与降低成本统一起来 为获得最大的经济效益 不能仅从成形工艺角度考虑经济性 而应从降低零件总成本考虑 应综合考虑 所用材料价格零件成品率整个制造过程加工费材料利用率与回收率零件寿命成本废弃物处理费用 此时采用精度高 生产率高的毛坯成形方法 虽然一次投资较大 但增大的成形费用可由减少的材料消耗及机械加工费用得到补偿 选择毛坯种类和成形方法 应尽量使毛坯尺寸 形状与成品零件相近 从而减少加工余量 提高材料的利用率 减少机械加工工作量 当然毛坯越精确 制造就越困难 费用也越高 通常 单件小批量生产 可采用手工砂型铸造 自由锻造 手工电弧焊 钣金钳工等成形方法 批量生产 可采用机器造型 模锻 埋弧自动焊或其他自动焊接方法和板料冲压等成形方法制造毛坯 三 与环境相宜原则 1 对环境友好的含义 对环境友好就是要使环境负载小 小 主要指 能量耗费少 CO2产生少 贵重资源用量少 废弃物少 再生处理容易 能够实现再循环 不使用 不产生对环境有害的物质 2 环境负载性的评价 评价环境负载性 谋求对环境友好 不能仅考虑制品的生产工程 而应全面考虑生产 还原两个工程 还原工程 指制品制造时的废弃物及其使用后的废弃物的再循环 再资源化工程 3 成形加工方法与单位能耗的关系 材料经各种成形加工工艺成为制品 生产系统中能耗由此工艺流程确定 选择制品成形加工方法时 应通盘考虑选择单位能耗少的成形加工方法 并选择能采用低单位能耗成形加工方法的材料 二 材料成形方法选择的依据 一 零件类别 功能 使用要求及其结构 形状 尺寸 技术要求等 二 零件的生产批量 三 现有生产条件 大型水轮机空心轴 四 密切注意新工艺 新技术 新材料的利用 发动机上排气门的成形工艺备选方案 若有多种成形工艺可选时 应根据生产批量与条件 尽可能采用先进的成形工艺 胎模锻造成形平锻机模锻成形电热镦粗成形热挤压成形 三 常用成形方法的比较 续表 6 2常用机械零件毛坯成形方法选择 一 轴杆类零件 轴 杆类零件的结构特点是其轴向 纵向 尺寸远大于径向 横向 尺寸 除光滑轴 直径变化较小的轴 力学性能要求不高的轴毛坯采用轧制圆钢制造外 几乎都采用锻钢件为毛坯 阶梯轴各直径相差越大 采用锻件越有利 某些具有异形断面或弯曲轴线的轴 如凸轮轴 曲轴等 在满足使用要求的前提下 可采用球墨铸铁的铸造毛坯 以降低制造成本 轴杆类零件材料大都为钢 有些情况下 还可采用锻 焊或铸 焊结合的方法来制造轴 杆类零件的毛坯 二 盘套类零件 盘套类零件中 除套类零件轴向尺寸有部分大于径向尺寸外 其余零件轴向尺寸一般小于径向尺寸 或两个方向尺寸相差不大 盘套类零件在机械中的使用要求和工作条件有很大差异 因此所用材料和毛坯各不相同 盘套类零件 1 齿轮 齿轮是重要的传动零件 运转时齿面承受接触应力和摩擦力 齿根要承受弯曲应力 有时还要承受冲击力 故要求齿轮具有良好的综合力学性能 2 带轮 飞轮 手轮和垫块等 受力不大 结构复杂或以承压为主的一类零件 通常采用灰铸铁件 单件生产时也可采用低碳钢焊接件 3 法兰 垫圈 套环 联轴节等 该类零件可分别采用铸铁件 锻钢件或圆钢棒为毛坯 厚度较小 单件或小批量生产时 也可用钢板为坯料 垫圈一般采用板材冲压成形 4 模具毛坯 一般采用合金钢锻造成形 通常采用钢 铸铁 非铁合金材料的圆棒材 铸件或锻件制造 有的可直接采用无缝管下料 尺寸较小 大批量生产时 还可采用冷挤压和粉末冶金等方法制坯 该套类零件工作中承受径向力或轴向力和摩擦力 5 钻套 导向套 滑动轴承 液压缸 螺母等 三 机架 箱座类零件 机架 箱座类零件包括各种机械的机身 底座 支架 横梁 工作台 以及齿轮箱 轴承座 缸体 阀体 泵体 导轨等 机架 箱座类零件通常以铸件为毛坯 且以铸造性良好 价格便宜 并有良好耐压 减磨和减振性能的灰铸铁为主 少数受力复杂或受较大冲击载荷的机架类零件 可选用铸钢件毛坯 不易整体成形的特大型机架可采用连接成形结构 单件生产或工期要求急迫的情况下 也可采用型钢 焊接结构 航空发动机箱体零件 为减轻重量通常采用铝合金铸件 6 3毛坯成形方法选择举例 P244 P251 一 承压油缸二 开关阀三 单级齿轮减速器四 汽车发动机曲柄连杆机构 承压油缸圆钢棒加工 承压油缸砂型铸造 承压油缸平锻机模锻 承压油缸锤上模锻 承压油缸自由锻 承压油缸无缝管焊接 例 单级齿轮减速器组件的成形方法 如图所示为单级齿轮减速器 传递功率5kW 传动比3 95 1 箱体和箱盖 传动零件的支撑件和包容件 结构复杂 箱体以承压为主 要求有良好的刚度 减振性和密封性 常采用灰铸铁铸造成形 单件小批量生产可采用手工造型或采用碳素结构钢 如Q235A 型材和板料焊接成形 大批量生产采用机器砂型铸造成形 2 齿轮 齿轮轴和轴 重要的传动零件 工作时承受弯矩和扭矩 要求较好的综合力学性能 轮齿部分承受较大的弯曲应力 接触应力和摩擦 要求较高的强度 韧性和耐磨性 根据齿轮直径的不同 成形方案有所不同 A 直径小于100mm的小齿轮成形方案 钢棒料直接在铣床或车床上制出 但棒料加工的齿轮 在受力时容易沿纤维方向断裂 强度较差 故只适用于形状简单 精度低和小负荷的小齿轮 钢棒料锻造毛坯 可改变原纤维组织的方向 有利于提高齿轮的强度 增加承载能力 适于精度要求高或负荷重的齿轮 铜 铝棒料或塑料在机械压力机上直接挤压成形 一般适用于表面尺寸精度高 表面粗糙度值小 成形后可达到少切削或无切削加工的低噪声 小负荷和高转速的齿轮 B 直径约200mm的小型齿轮成形方案 该类齿轮在机械传动中 往往将其与轴制成一体 即齿轮轴 用钢棒料作毛坯 并制成实心结构 在空气锤上锻成毛坯后 再在车床和铣床上依次加工而成 C 直径为400 1000mm的齿轮成形方案 齿顶圆直径da 500mm且形状简单的中型齿轮 适用于锻造毛坯 用半成品钢坯料自由锻或模锻成形 再进行机械加工 齿顶圆直径等于500 1000mm且形状复杂的大型齿轮坯 用锻造方法制造比较困难 多采用铸造方法 常用材料为铸钢或铸铁 生产中 常将灰铸铁齿轮用于开式低速传动 用球墨铸铁齿轮代替高速传动的铸钢齿轮 D 单件或小批量生产大齿轮成形方案 为缩短生产周期和减轻齿轮重量 有时也采用焊接齿轮结构 焊后再机械加工轮齿和轴孔等 3 窥视孔盖 用于观察箱内情况及加油 力学性能要求不高 单件小批量生产时 采用Q235A钢板下料 或灰铸铁 HT150 手工造型生产 大批量生产时 采用优质碳素结构钢冲压而成 或采用机器造型的铸铁件毛坯 4 螺栓和螺母 用于联结和紧固箱盖和箱体 工作时 栓杆承受轴向拉应力 螺纹牙承受弯曲应力和剪切应力 螺栓和螺母均为标准件 通常采用碳素结构钢 如Q235 经冷镦加搓丝成 5 挡油盘 用于防止箱内机油进入轴承 单件生产时用Q235圆棒下料切削而成 大批量生产时 采用08钢冲压件 6 滚动轴承 重要支撑件 承受较