工程材料及成形技术基础 机械零件材料及成形工艺的选用

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机械零件材料及成形工艺的选用10.1工程材料及成形工艺选用的基本原则1)使用性能足够的原则 零件举例 模具 化工机械 受力及环境 高硬、耐磨 腐蚀介质 负荷轻、耐磨 抗弯、高冲击、耐磨 材料与工艺 工具钢、轴承钢 不锈钢、 非不锈钢 + 表面处理 球墨铸铁 渗碳钢、渗碳 调质钢， 高频表面淬火

拖拉机减速齿轮、 内燃机曲轴汽车转动齿轮

一般传动轴

强韧性

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2)工艺性能良好的原则工艺性能 铸造性 锻造性 最优条件 熔点低，共晶成分 Fcc的金属， 第二组元少的合金 ω CE < 0.4% 140 ~ 248 HB 淬火变形小，回火脆性小， 淬透性高

材料性能 从优 劣排列铸铁、黄铜、铝合金、 青铜、铸钢 低、中、高碳钢，高合 金钢、黄铜、青铜、 铝合金 碳钢及低合金结构钢， 防锈铝、青铜、硬铝 不锈钢、30钢、45钢、 铸铁、T8钢、65Mn 低碳钢、低合金钢、高 碳钢、含锰钢、铝合金

焊接性 切削性

热处理性

3)经济性合理的原则

4)结构、材料、成形工艺相适应的原则

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10.2 具体成形方法及改性工艺的选用特点 对材料 性能要求 常用材料 铸件 流动性好 收缩率低 灰铁、球铁、 中碳钢 灰铁性能差 球铁铸钢好 锻件 塑性好 变形抗力小 中碳钢及 合金结构钢 比相同成分 的铸钢件好 冲压件 同锻件 焊接件 强度高 塑性好 低碳钢 低合金钢 接头的性能 可达到或接 近母材

低碳钢及有 色金属薄板 强硬度提高 结构刚度好

力学性能

材料利用率生产周期 生产成本

高长 较低

低 自由锻短 模锻长较高

较高长 批量越大 成本越低

较高较短 较高

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大型水轮机空心轴，工件净重4.73t,

可有以下三种成形工艺：(1)整轴在水压机上自由锻造， 两端法兰锻不出，采用余块，加

工余量大，材料利用率只有22.6%,切削加工需1400台时。 (2)两端发兰用砂型铸造成形的铸

钢件，轴筒采用水压机自由锻造成形，然后将轴筒与两个法兰焊接成 形为一体，材料利用率提高到35.8%, 切削加工需用台时数下降为1200; (3)两端发兰用铸钢件，轴筒用厚钢板弯成两个半筒形，再焊 成整个筒体，然后与发兰焊成一体，材料利用率可高达47%,切 削加工只需1000台时，且不需大型熔炼与锻压设备。

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炒菜铸铁锅的铸造成形，传统工艺是采用砂型铸造成形，因锅底部 残存浇口痕疤，既不美观，又影响使用，甚至产生渗漏，且铸锅的 壁厚不能太薄，故较粗笨。而改用挤压铸造新工艺生产，是定量浇 入铁水，不用浇口，直接由上型向下挤压铸造成形，铸出的铁锅外 形美观、壁薄、精致轻便、不渗漏、质量好、使用寿命长，并可节 约铁水，便于组织机械化流水线生产。

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10.3 典型零件

的材料及成形工艺选择10.3.1 轴类零件

1.工作条件及对性能的要求转轴：弯矩 + 扭矩 ，如支承齿轮、带轮的轴

心轴： 弯矩 ， 传动轴： 扭矩，

如火车轮轴、汽车前轴、滑轮轴 如车床上的光杠

对性能要求：优良的综合力学性能；高的疲劳强度；好的耐磨性 2.选材 采用中碳钢或中碳合金钢、球墨铸铁 ，如45、 40Cr 、 40MnB 、30CrMnSi、 40CrNiMo,QT900–2。

采用调质处理，有时配合高频表面淬火或渗氮处理。

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3.成形工艺选择 对于以强度要求为主的轴特别是在运转中伴随有一定

的冲击载荷的轴，大多采用锻造成形，选用45,40Cr钢配合相应的 热处理工艺。4.轴类零件举例 — C620车床主轴

其受交变弯曲和扭转的复合应力， 但载荷和转速不高，冲击载荷不大， 所以一般水平的综合力学性能就可， 局部配合表面要求较高的硬度和耐 磨性。故选用45钢，锻造成形。

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工艺路线： 原材料 -- 锻造 -- 正火 -- 粗加工 -- 淬火 --高温回火

大端局部高频感应淬火 -- 低温回火 -- 精磨加工

正

火：预先热处理。消除锻造后的组织缺陷及残余应力； 降低硬度，以利于切削加工；若退火会硬度太低。

淬火+高温回火(调质):获得S回火，具有较高的综合力学性能。高频感应淬火：提高硬度获得较好的耐磨性。 低温回火：消除淬火应力。

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10.3.2 齿轮类零件 作 用：主要传递扭矩；有时改变传动方向。 要 求：1)高的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度 2)齿面有高的硬度和耐磨性 3)轮齿心部要有足够的强度和韧性 选 材： 1.低应力、低冲击载荷条件下工作的齿轮，HT250、HT350、 QT600–3 制造，铸造成形，如汽车发动机上的凸轮、齿轮。 2.传递功率大、接触应力大、运转速度高而又受较大冲击载荷的齿 轮，用20Cr、 20CrMnTi 锻造成形, 经渗碳+淬火+低温回火

获得，如精密机床的主轴传动齿轮和汽车上的变速齿轮3.小功率的齿轮，选45、40Cr 锻造成形，经调质后进行高频淬火+ 低温回火处理, 如机床的变速齿轮。

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不同类型的齿轮

a)圆钢毛坯 b)锻造毛坯 c)铸造毛坯 d)焊接毛坯

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10.3.3.机架、箱体类零件

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受力不大，且主要是承受静力，不受冲击的零件，如 机身、底座等，选用灰铸铁HT150,HT200。一般进行去应力退 火 受力较大、要求高强度、高韧性，甚至在高温下工作的零件， 如汽轮机机壳，应选用铸钢ZG200-400。应完全退火或扩散退火少数重型机械，如轧钢机、大型锻压机械的机身，可选用中碳

铸钢件或合金铸钢件，个别特大型的还可采用铸钢 — 焊接联合结 构。

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单级齿轮减速器 1-窥视孔盖 2—箱盖 3—螺栓 4—螺母 5—弹簧垫圈 6—箱体 7—端盖 8—调整环 9—齿轮

轴 10—挡油盘 11—滚动轴承12—轴 13—齿轮1.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HT150铸造(手工) 大批量生产时，采用08钢冲压而成，或HT150铸造(机器) 2.箱盖+箱体：是传动零件的支承件和包容件，结构复杂，其中的 箱体承受压力，要求有良好的刚度、减振性和密封性。 单件小批量生产时，采用手工造型的HT150或HT200毛坯，或采用 Q235A手工电弧焊焊接而成。 大批量生产时，采用机器造型铸铁件HT150或HT200毛坯。 3. 螺栓+螺母： 起固定箱盖和箱体的作用，受轴向拉应力和横向切 应力。采用碳素结构钢(Q235A)镦、挤而成，为标准件。

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4. 弹簧垫圈：其作用是防止螺栓松动，要求良好的弹性和

较高的屈服强度。由65Mn或60SiMn冲压而成，为标准件。5. 调整环：其作用是调整轴和齿轮轴的轴向位置。 单件小批量生产采用Q235圆钢下料车削而成。 大批量生产采用优质碳素结构钢(08钢)冲压件。 6.端盖：用于防止轴承窜动， 单件、小批生产时，采用手工造型铸铁HT150或采用Q235圆钢 下料车削而成。 大批量生产时，采用机器造型铸铁件。 7.齿轮轴+轴+齿轮：均为重要的传动零件，轴杆部分受弯矩和扭矩 的联合作用，要求具有较好的综合力学性能；轮齿部分受较大 的接触应力和弯曲应力，应具有良好的耐磨性和较高的强度。 单件生产时，采用45钢自由锻件或胎模锻件毛坯 大批量生产时，采用相应钢的模锻件毛坯。

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8. 挡油盘：其用途是防止箱内机油进入轴承。

单件生产时，采用Q235圆钢棒下料切削而成。 大批量生产时，采用优质碳素结构钢(08钢)冲压件。9.滚动轴承：受径向和轴向压应力，要求较高的强度和耐磨性。 内外环采用滚动轴承钢(GCr15钢)扩孔锻造， 滚珠采用滚动轴承钢(GCr15钢)螺旋斜轧， 保持架采用优质碳素结构钢(08钢)冲压件

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