第六章 材料成形方法选择

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。

工作条件所需功能使用要求经济指标结构设计材料选用工艺设计零件设计内容：§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气门

三、常用成形方法的比较

常用的材料成形方法比较精密零件或特殊性能的制品，如轴承、金刚石工具、硬质合金、活塞环、齿轮等较高高可较复杂中小件粉末流动性较好，压缩性较大粉末间原子扩散、再结晶，有时重结晶粉末冶金重量轻且刚度好的零件以及形状较复杂的壳体，如箱体、罩壳、汽车覆盖件、仪表板、容器等较高或高较高可较复杂各种冲压受力较大或较复杂，且形状较复杂的制件，如齿轮、阀体、叉杆、曲轴等较高或高较高可较复杂中小件模锻传动轴、齿轮坯、炮筒等低较低简单各种变形抗力较小，塑性较好固态金属塑性变形自由锻型腔较复杂尤其是内腔复杂的制件，如箱体、壳体、床身、支座等低～高较高可复杂各种流动性好，集中缩孔液态金属填充型腔铸造结构尺寸主要应用生产率材料利用率制件特征对材料的工艺要求成形特点成形方法续表焊接通过金属熔池液态凝固，或塑性变形或原子扩散实现连接淬硬、裂纹、气孔等倾向较小各种可复杂较高低～高形状复杂或大型构件的连接成形，异种材料间的连接，零件的修补等塑料成形采用注射、挤出、模压、浇注、烧结、真空成形、吹塑等方法制成制品流动性好、收缩性、吸水性、热敏性小各种可复杂较高较低或较高一般结构零件、一般耐磨传动零件，减摩自润滑零件，耐腐蚀零件等。如化工管道、仪表壳罩等陶瓷成形陶瓷材料通过制粉、配料、成形、高温烧结获得制品坯体结构均匀并有一定的致密度中小件可较复杂较高低～较高高硬度，耐高温、耐腐蚀绝缘零件，如刀具、高温轴承、泵、阀复合材料成形基体材料和增强材料复合而成的一类多相材料，材料与结构一次成形纤维有高强度和刚度，有合理的含量、尺寸和分布；基体有一定的塑性、韧性各种可复杂较高低～较高高比强度、比模量、化学稳定性和电性能好，如船、艇、车身及配件，管道、阀门、储罐、高压气瓶等快速成形通过离散获得堆积的路径和方式，通过堆积材料叠加起来成形三维实体有利于快速精确地加工原型零件；当原形直接用作制件、模具时，原型的力学性能和物理化学性能要满足使用要求；当原形间接使用时，其性能要有利于后续处理工艺各种可复杂高单件成形速度快产品设计、方案论证、产品展示、工业造型、模具、家用电器、汽车、航空航天、军事装备、材料、工程、医疗器具、人体器官模型、生物材料组织等§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。一般选用锻钢毛坯

大批量生产可采用热轧齿轮或精密模锻齿轮；单件或小批量生产，直径100mm以下的小齿轮可用圆钢棒为毛坯。

直径大于400～500mm的大型齿轮，可用铸钢或球墨铸铁件为毛坯，铸造齿轮一般为幅条结构。

单件生产大型齿轮毛坯，可采用焊接方式制造。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