机械工程材料第6章典型零件选材ppt课件

精选,1,机器零件的分类：机器零件的功用和结构多种多样，通常分为以下几类：1.轴杆类：如各种轴，连杆，螺杆等；2.轮盘类：如齿轮，飞轮，皮带轮，法兰盘等；3.箱座类：如箱体，床身，底座，支架，工作台等；4.其他类：如各类标准件（螺纹连接件，轴承，垫圈，销等），弹簧等。,常用机器零件选材举例,精选,2,零件类别,轴杆类套类,精选,3,一、轴类零件选材,1、轴类零件的工作条件与性能要求：1）工作条件：轴的功能是支承旋转零件、传递动力或运动。轴类零件是机床、汽车、拖拉机以及各类机器的重要零件之一。主要失效形式有以下几种：断裂，大多是疲劳断裂；轴颈或花键处过度磨损；发生过量弯曲或扭转变形；此外，有时还可能发生振动或腐蚀失效。2）性能要求：良好的综合力学性能，即强度和塑性、韧性有良好的配合，以防止过载或冲击断裂；高的疲劳强度，防止疲劳断裂；有相对运动的摩擦部位（如轴颈、花键等处），应具有较高的硬度和耐磨性。轴类零件一般按强度、刚度计算和结构要求进行零件设计与选材。通过强度、刚度计算保证轴的承载能力，防止过量变形和断裂失效；结构要求则是保证轴上零件的可靠固定与拆装，并使轴具有合理的结构工艺性及运转的稳定性。,精选,4,2、轴类零件选材及加工工艺路线确定步骤,1）看懂零件图了解和分析零件的形状、大小与特征；2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求；3）确定材料及热处理工艺根据用途，选择合适的材料和强化工艺；4）确定零件的加工工艺路线制造轴类零件常采用锻造、切削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工艺，其中切削加工和热处理工艺是制造轴类零件必不可少的。台阶尺寸变化不大的非重要轴，可选用与轴的尺寸相当的圆棒料直接切削加工而成，然后进行热处理，不必经过锻造加工。,精选,5,3、典型轴的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线：,1）机床主轴CM6140车床主轴的简图如右图所示。该轴承受交变弯曲和扭转的复合应力，载荷和转速不高，冲击载荷也不大，属于中等载荷的轴。但大端的轴颈、锥孔和卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。CM6140车床主轴的选材、热处理及加工工艺路线如下：材料：45钢。热处理技术条件：整体调质，硬度220250HBS；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度5258HRC。加工工艺路线：下料锻造(正火)粗加工调质半精加工表面淬火及低温回火磨削加工。正火的目的在于得到合适的硬度，便于切削加工；改善锻造组织，为调质做准备。调质是为了使主轴得到高的综合机械性能和疲劳强度。为了更好地发挥调质效果，安排在粗加工后进行。调质还为最终的(高频)表面淬火做准备。对轴颈和锥孔进行表面淬火、低温回火，旨在提高硬度，增加耐磨性。,精选,6,2）汽车半轴：,汽车半轴是一个传递扭矩的重要部，工作时承受冲击、弯曲疲劳和扭转应力的作用，要求材料有足够的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。跃进一l30型载重汽车的半轴如右图汽车半轴的选材、热处理及加工工艺路线如下：材料：40Cr。热处理技术条件：正火，187241HBS；(中温)调质，杆部3742HRC，盘部外圆2434HRC。调质后半轴的显微组织为回火索氏体或回火屈氏体，心部允许有铁素体存在。加工工艺路线：下料锻造(正火)机加工调质盘部钻孔精加工。正火的目的是为了得到合适的硬度，以便切削加工，同时可以改善锻造组织，为调准备。调质的目的是使半轴具有高的综合力学性。淬火后回火温度(42010)根据杆部要求的硬度，回火后在水中冷却，以防止产生回火脆性。,精选,7,表6.1机床主轴工作条件、用材及热处理,表6.1,精选,8,二、齿轮类零件的材料选择,1.齿轮零件的工作条件与性能要求(1)工作条件：齿轮是各类机械、仪表中应用最多的零件之一，其作用是传递动力、改变运动速度和运动方向。只有少数齿轮受力不大，仅起分度作用。齿轮工作时的受力情况是：齿根承受很大的交变弯曲应力；换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触应力，并发生强烈的摩擦。此外，润滑油腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等，都可加剧齿轮工作条件的恶化。按照工作条件的不同，齿轮的主要失效形式有断齿、齿面剥落及过度磨损。(2)性能要求：具有高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性，防止齿面损伤。具有高的抗弯强度、适当的心部强度和韧性，防止疲劳、过载及冲击断裂。具有良好的切削加工性和热处理工艺性，以获得高的加工精度和低的表面粗糙度，提高旨轮抗磨损能力。此外，在齿轮副中两齿轮齿面硬度应有一定差值，小齿轮的齿根薄，受载次数多，应比大齿轮的硬度高一些。一般差值是：软齿面为3050HBS，硬齿面为5HRC左右。,精选,9,2.齿轮类零件选材及加工工艺路线确定步骤,1）看懂零件图了解和分析零件的形状、大小与特征；2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求；3）确定材料及热处理工艺根据用途，选择合适的材料和强化工艺；4）确定零件的加工工艺路线制造齿轮类零件常采用锻造、切削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工艺，其中切削加工和热处理工艺是制造齿轮类零件必不可少的。,精选,10,3.典型齿轮的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线,1）机床齿轮机床齿轮的工作条件属于运转平稳、负荷不大、条件较好的一类。实践证明，一般机床齿轮选用碳钢制造，经高频感应热处理后所得硬度、耐磨性、强度及韧性已能满足性能要求，高频淬火还具有变形小、生产率高等优点。右面为CM6132机床中的齿轮。材料：40Cr钢。热处理技术条件：正火830-850，空冷，160217HBS；调质850-870，油冷，220250HBS；高频表面加热喷水冷却，低温回火，l80200，50一55HRC。加工工艺路线：下料锻造（正火）粗加工调质半精加工高频淬火及回火精磨。正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，可以使同批坯料具有相同硬度，便于切削加工，使组织均匀，消除锻造应力。对于一般卤轮，正火处理也可作为高频淬火前的预先热处理工序。调质处理可以使齿轮具有较高的综合机械性能，提高齿轮心部的强度和韧性，使齿轮能够承受较大的弯曲应力和冲击应力。调质后齿轮组织为回火索氏体，故淬火时变形很小。高频淬火及低温回火是获得齿轮表面性能的关键工序，通过高频淬火，可以提高齿轮表面的硬度和耐磨性，并使齿轮表面有压应力存在，从而增强了抗疲劳破坏的能力。为了消除淬火应力，高频淬火后应进行低温回火。,精选,11,2）汽车、拖拉机齿轮,汽车、拖拉机(或坦克)齿轮主要分装在变速箱和差速器中。在变速箱中，通过齿轮来改变发动机、曲轴和主轴齿轮的转速；在差速器中，通过齿轮来增加扭转力矩，调节左右两轮的转速，并将发动机动力传给主动轮，推动汽车、拖拉机行驶。它们传递的功率和承受的冲击力、摩擦力都很大，工作条件比机床齿轮繁重得多。因此，对耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等都有更高的要求。工程应用表明：选用渗碳钢，经渗碳(或碳氮共渗)、淬火及低温回火后，使用最为合适。右图为“解放”牌载重汽车变速箱变速齿轮。该齿轮将发动机动力传递到后轮，并起倒车的作用，工作时承载、磨损及冲击负荷均较大。要求齿轮表面有较高的耐磨性和疲劳强度，心部有较高的强度(b1000MPa)及韧性(k60Jcm2)。选材及加工工艺路线有以下两种方式。,精选,12,“解放”牌载重汽车变速箱变速齿轮选材及加工工艺路线,第一种：选用20CrMnTi进行渗碳。热处理技术条件：表层wc为0.8l.05，渗碳层深度为0.813mm，齿面硬度5862HRC，心部硬度3345HRC。加工工艺路线：下料锻造（正火）粗加工、半精加工渗碳淬火、低温回火喷丸磨削。该齿轮属于大批量生产，考虑到形状结构特点，毛坯采用模锻件，以提高生产率、节约材料，使纤维分布合理，提高力学性能。热处理工艺：正火950970，空冷，179217HBS；渗碳920940，保温46h，预冷至830850，直接入油淬火，低温回火在18010，保温2h。第二种：选用40Cr进行碳氮共渗。加工工艺路线：下料锻造（正火）粗加工、半精加工碳氮共渗、淬火及低温回火喷丸磨削。热处理技术条件：表层wc为0.650.9，碳氮总的质量分数为1.0l.25，渗层深度0.2-0.4mm(因使用中碳合金钢碳氮共渗，心部强度高，故渗层可薄一些)，齿面硬度5863HRC，心部硬度3742HRC。热处理工艺：正火840870，空冷，187241HBS；碳氮共渗830850，保温12h，直接入油淬火，低温回火在(18010)，保温2h。,精选,13,表8.4齿轮的不同热处理工艺比较,表,精选,14,三、弹簧类零件材料选择,(a)压缩弹簧(b)拉伸弹簧(c)扭转弹簧(d)平面蜗卷弹簧图常用的弹簧1、不同类型弹簧的工作条件与性能要求(1)工作条件弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，主要用于各类机器的减震(如破碎机的支秀和车辆的悬挂弹簧)、储备机械能(如钟表及仪表中的发条等)及控制运动(如气门、离合动器)等。弹簧利用材料的弹性和结构特点，在外力作用下发生弹性变形，将机械能或霉化为变形能。外力去除后，弹性变形恢复，将变形能转变为机械能或动能。弹簧是在交型作用下工作的零件，其破坏形式主要是疲劳断裂。另外，在高温和高载荷下工作的弹簧蔓现永久变形，使弹簧失效。(2)性能要求：具有高的屈服强度(s)、弹性极限(e)和屈强比(sb)，以防止使用中产生变形。具有高的疲劳强度，以免弹簧在长期振动和交变应力作用下产生疲劳断裂。具有一定的塑性和韧性，因为太脆的材料对缺口十分敏感，会降低疲劳强度。,精选,15,2、弹簧类零件选材及加工工艺路线确定步骤,1）看懂零件图了解和分析零件的形状、大小与特征；2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求；3）确定材料及热处理工艺根据用途，选择合适的材料和强化工艺；4）确定零件的加工工艺路线弹簧的制造加工有两类工艺路线，各自有着不同的成形方式。用于制造弹簧的材料主要是碳钢和合金钢：(1)碳素弹簧钢典型钢号有65、70、75、85。碳素弹簧钢的优点是原料丰富、价值便宜；缺点是淬透性差、屈服强度低。当截面直径超过12mm时，在油中不能淬透，水淬则开裂倾向很大。碳素弹簧钢用于制造小截面、不太重要的弹簧，如汽车、拖拉机、机车车辆等的小型弹簧。(2)锰弹簧钢常用钢号为65Mn。这类钢的淬透性和屈服强度较碳素弹簧钢高，脱碳倾向较小，但有过热敏感性和回火脆性倾向。多用于制造截面尺寸小于15mm的中、小型低应力弹簧。(3)硅锰弹簧钢典型钢号有55Si2Mn、55Si2MnB、55SiMnVB、60Si2Mn、70Si2Mn等。此类钢充分利用了硅和锰的优点，其淬透性高于65Mn，直径为2530mm的工件在油中即可淬透，回火抗力性极限均比65Mn高，但有脱碳、石墨化倾向。可用于制造机车车辆、汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧、汽缸安全阀弹簧，还可作250以下的耐热弹簧。(4)铬钒弹簧钢典型钢号是50CrVA。此钢具有高的淬透性，直径为50mm的弹簧丝油冷即可淬透。它具有很高的弹性极限、抗拉强度和韧性，不易过热、脱碳，无石墨化现象，适用于制作截面较大、应力较高的螺旋弹簧和扭杆弹簧，以及工作温度在300以下的阀门弹簧与活塞弹簧等。(5)硅铬弹簧钢典型钢号有60Si2CrA、60Si2CrVA等，其过热敏感性小，主要用于制造承受高应力的弹簧和工作温度在300350以下的受冲击载荷弹簧。(6)钨铬钒弹簧钢典型钢号是30W4Cr2VA。由于w、Cr、V是强碳化物形成元素，淬火加热时溶于奥氏体后，可大大提高钢的淬透性和回火稳定性，所以，该钢是一种高强度耐热弹簧钢，主要用于制作高温(。5000C)条件下使用的弹簧。另外，不锈钢(如1Crl8Ni9Ti)常用于制造腐蚀介质中使用的弹簧。黄铜、青铜、橡胶和塑料也常用于制造电器仪表弹簧及在腐蚀介质中工作的弹性元件。其中塑料、橡胶因刚度低、弹性极限低，且有粘弹性行为，使其在工程中的应用受到一定限制。,精选,16,3、典型弹簧的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线,1)冷卷弹簧右图为一压缩弹簧，钢丝直径4mm。该弹簧主要起控制运动的作用，作用力较小，没有其它特殊要求。选材及加工工艺路线有以下两种方式。选用65Mn，冷卷成形后去应力回火。热处理技术条件：回火后硬度为4050HRC。加工工艺路线：钢丝冷卷成簧去应力回火端面加工检验。热处理工艺：去应力回火温度230260，保温46小时，空冷，硬度4050HBC。回火后对两端面进行磨或切削加工。2)热卷弹簧下料加热成型热处理喷丸端面加工检验。以60Si2Mn钢螺旋弹簧为例说明如下：下料按弹簧的尺寸计算实际需要长度，切成合格的料长。卷制弹簧用60Si2Mn卷制弹簧时，温度控制在900950较为合适。此时，钢料不会产生晶粒粗大、过烧、氧化、脱碳等缺陷，并有良好的可塑性。热处理8508700C油淬，480520中温回火，硬度为4047HRC。喷丸处理进一步提高弹簧的疲劳强度。预压与磨削端面预压是为了消除弹簧工作状态下的永久变形；磨削端面是使预压后的弹簧能稳定地直立于平台上，其自由高度和倾斜度均符合图纸和工艺要求。检验检查表面有无缺陷，外形是否合格，弹力是否足够等。,精选,17,四、箱体支承类零件材料选择,1、箱体支承类零件功能与性能要求(1)功能箱体及支承件是机器中的基础零件。轴和齿轮等零件安装在箱体中，以保持相互的位置并协调地运动；机器上各个零部件的重量都由箱体和支承件承担，因此，箱体支承类零件主要受压应力，部分受一定的弯曲应力。此外，箱体还要承受各零件工作时的动载作用力，以及稳