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1、第九章典型零件選材及加工工藝路線,選材的一般原則與方法典型零件(齒輪類、軸類、彈簧類、葉片類）的選材,第一節(jié)選材的一般原則與方法,一、選材的一般原則,1．對材料力學(xué)性能的考慮,從零件工作條件中找出對材料力學(xué)性能的要求。將零件的工作條件分為受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等幾個方面。受力狀態(tài)有拉、壓、彎、扭等；載荷性質(zhì)有靜載、沖擊、交變等；工作溫度可分為低溫、室溫、高溫、交變溫度；環(huán)境介質(zhì)為與零件接觸的介質(zhì)，如潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等。必須研究零件的失效方式，找出對零件失效起主導(dǎo)作用的力學(xué)性能指標(biāo)。,2．對材料工藝性能的考慮,材料本身工藝性能的好壞將直接影確零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。工
2、藝性能中最突出的是可切削性和熱處理工藝性(包括淬透性、變形規(guī)律、氧化脫碳傾向等)。在大量生產(chǎn)時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。,3．對材料經(jīng)濟性的考慮,經(jīng)濟性涉及到材料成本的高低，供應(yīng)是否充分，加工工藝過程是否復(fù)雜、成品率的高低以及同一產(chǎn)品中使用金屬或鋼材型號的多少等。選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不選用合金鋼。對只要求表面性能高的零件，可選用廉價鋼種，然后進行表面強化處理。另外，應(yīng)當(dāng)以綜合效益來評價材料的經(jīng)濟性高低。,4．對產(chǎn)品“輕型化、高壽命”的考慮,從商品的銷售和用戶的愿望考慮，產(chǎn)品還應(yīng)當(dāng)具有重量輕、美觀、經(jīng)久耐用等特點。盡量采用先進科學(xué)技術(shù)成果，做到在結(jié)構(gòu)設(shè)計方
3、面有創(chuàng)新，有特色。在材料制造工藝和強化工藝上有改革、有先進性。,5．對實現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)組織可能性的考慮,一個產(chǎn)品或一個零件的制造，是采用手工操作還是機器操作；是采用單件生產(chǎn)還是采用機械化自動流水作業(yè)，對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量也起著重要作用。在選材時，應(yīng)考慮到所選材料能滿足實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的可能性。,二、選材的一般方法與過程,對零件的工作特性和使用條件進行周密的分析，找出主要損壞形式，從而恰當(dāng)?shù)靥岢鲋饕沽χ笜?biāo)。根據(jù)工作條件需要和分析，對該零件的設(shè)計制造提出必要的技術(shù)條件。材料的預(yù)選擇根據(jù)所提出的技術(shù)條件要求和工藝性、經(jīng)濟性方面的考慮，對材料進行預(yù)選擇。可以通過與相類似機器零件的比較和已有的實踐經(jīng)驗的判斷，
4、或者通過各種材料選用手冊來進行選擇。對預(yù)選方案材料進行計算，以確定是否能滿足上述工作條件要求。材料的二次(或最終)選擇，可以是若干種方案。通過實驗室試驗、臺架試驗和工藝性能試驗最終確定合理選材方案。最后在中、小批量生產(chǎn)基礎(chǔ)上，檢驗選材的合理性。,幾種機械零件主要損壞形式和主要抗力指標(biāo),σ-1P—抗壓或?qū)ΨQ拉伸疲勞強度；σ-1—光滑試樣對稱歪曲疲勞強度；σbb—抗彎強度；σbc—抗壓強度；σ0.2—條件屈服強度；σe—彈性極限；σs—屈服強度；σb—抗拉強度,第二節(jié)典型零件選材及工藝路線分析,一、齒輪一）齒輪的工作條件、失效方式及性能要求1、工作條件和失效方式主要起傳遞扭矩、變速或改變傳力方向的
5、作用。工作條件：1)傳遞扭矩時齒根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力；2)齒嚙合時齒面承受較大接觸應(yīng)力并受強烈摩擦和磨損；3)換檔、啟動、制動或嚙合不均勻時承受一定沖擊力。失效方式：齒的折斷(包括疲勞斷裂和沖擊過載斷裂)和齒面損傷(包括接觸疲勞麻點剝落和過度磨損)。2、性能要求1)高彎曲疲勞強度，防止輪齒疲勞斷裂；2)足夠高的齒心強度和韌性，防止輪齒過載斷裂；3)足夠高的齒面接觸疲勞強度和高硬度及耐磨性，防止齒面損傷；4)較好工藝性能，如切削加工性好，熱處理變形小或變形有一定規(guī)律，過熱傾向小，有一定淬透性等。,二）選材及熱處理1、機床齒輪工作平穩(wěn)無強烈沖擊，負荷不大，轉(zhuǎn)速中等，對齒輪心部強度和韌性要求不
6、高，一般選用40或45鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后再進行高頻感應(yīng)加熱表面淬火，齒面硬度達52HRC左右，齒心硬度為220~250HBS。對于一部分性能要求較高的齒輪，可用中碳低合金鋼(如40Cr、40MnB、45Mn2等)。2、汽車、拖拉機齒輪工作條件比機床齒輪惡劣，受力較大，超載與啟動、制動和變速時受沖擊頻繁，對耐磨性、彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度、心部強度和韌性等性能要求較高，選用合金滲碳鋼(20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB)較為適宜。經(jīng)正火處理后再進行滲碳、淬火+低溫回火，表面硬度達58~62HRC，心部硬度為35~45HRC。,二、軸一）軸的工作條件、失效方式及性能要求1、工作
7、條件和失效方式主要起支承傳動零件并傳遞扭矩的作用。工作條件：1)承受交變扭轉(zhuǎn)載荷、交變彎曲載荷或拉-壓載荷；2)局部(軸頸、花鍵等處)承受摩擦和磨損；3)特殊條件下受溫度或介質(zhì)作用。失效方式主要是疲勞斷裂和軸頸處磨損，有時也發(fā)生沖擊過載斷裂，個別情況下發(fā)生塑性變形或腐蝕失效。2、性能要求1）高疲勞強度，防止軸疲勞斷裂；2）優(yōu)良綜合力學(xué)性能，即較高的屈服強度和抗拉強度、較高的韌性，防止塑性變形及過載或沖擊載荷作用下的折斷和扭轉(zhuǎn)；3）局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨損失效；4）在特殊條件下工作的軸的材料應(yīng)具有特殊性能，如蠕變抗力、耐腐蝕性等。,二）軸的選材1、機床主軸承受中等扭轉(zhuǎn)-彎曲
8、復(fù)合載荷，轉(zhuǎn)速中等并承受一定沖擊載荷。大多選用45鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后軸頸及錐孔處再進行表面淬火。載荷較大時選用40Cr鋼制造。歸于有些機床主軸如萬能銑床主軸，也可用球墨鑄鐵代替45鋼來制造。對于要求高精度、高尺寸穩(wěn)定性及耐磨性的主軸如鏜床主軸，往往用38CrMoAlA鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后再進行滲碳處理。2、內(nèi)燃機主軸受汽缸中周期性變化的氣體壓力、曲柄連桿機構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)振動和沖擊力作用。通常低速內(nèi)燃機曲柄選用正火態(tài)45鋼或球墨鑄鐵；中速內(nèi)燃機曲柄選用調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼或球墨鑄鐵、調(diào)質(zhì)態(tài)中碳低合金鋼40Cr、45Mn2、50Mn2等；高速內(nèi)燃機曲軸選用高強度合金鋼35CrMo、42CrMo
9、、18CrNi4WA等。,3、汽輪機主軸尺寸大，工作負荷大，受彎矩、扭矩及離心力和溫度的聯(lián)合作用，工作條件惡劣。失效方式主要是蠕變變形和由內(nèi)部缺陷引起的低應(yīng)力脆斷和應(yīng)力腐蝕斷裂。除要求材料有較高強度及足夠塑性和韌性外，還要求鍛件中不出現(xiàn)較大夾雜物、白點及焊接裂紋；對于在500℃以上工作的主軸還要求一定高溫強度。對于450℃以下工作的主軸，若汽輪機功率小(12000kW)，主軸尺寸較大，可選用35CrMo鋼，以提高淬透性。對于500℃以上工作的主軸，選用合金結(jié)構(gòu)鋼，一般高中壓主軸選用25CrMoVA或27Cr2MoVA鋼，低壓主軸選用15CrMoV或17CrMoV鋼。對于燃氣輪機主軸，要求材料有
10、更高的高溫強度，一般選用合金結(jié)構(gòu)鋼20Cr3MoWV(<540)、鐵基高溫合金Cr14Ni26MoTi(GH2132)(<650℃)和Cr14Ni35MoWTiAl(GH2135)(<680℃)。,三、汽輪機葉片一）工作條件、失效方式及性能要求1、工作條件和失效方式葉片是汽輪機的“心臟”，直接起著將蒸汽或燃氣的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的作用。工作條件：1）受蒸汽和燃氣彎矩的作用；2）受中、高壓過熱蒸汽的沖刷或濕蒸汽的電化學(xué)腐蝕或高溫燃氣的氧化和腐蝕；3）受濕蒸汽中的水滴或燃氣中雜質(zhì)的磨損；4）由于外界干擾力的頻率和葉片的自振頻率相等而產(chǎn)生的共振力作用。失效方式：蠕變變形、斷裂(包括振動疲勞、應(yīng)力腐蝕、
11、蠕變疲勞及熱疲勞)和表面損傷(包括氧化、電化學(xué)腐蝕和磨損)。2、性能要求1）高室溫強度、塑性和韌性及高溫強度；2）化學(xué)穩(wěn)定性好；3）導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，抗熱疲勞斷裂；4）耐磨性好，抗沖擊磨損和機械磨損；5）減振性好，抗共振疲勞斷裂；6）由于葉片數(shù)量多、成形工藝復(fù)雜，要求材料具有良好冷、熱加工性能。,二）選材及熱處理對于中、低壓汽輪機，葉片工作溫度不高(<500℃)，失效方式主要是共振疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕斷裂，應(yīng)選用減振性好的1Cr13和2Cr13馬氏體不銹鋼。對于高壓汽輪機，葉片工作溫度在500℃以上，蠕變抗力成為決定因素，應(yīng)選用奧氏體耐熱鋼1Cr18Ni9Ti。對于燃氣輪機葉片，因工作溫度更高，失效方式為蠕變變形、蠕變斷裂和蠕變疲勞或熱疲勞斷裂,對材料熱強性要求更高。當(dāng)工作溫度低于650℃時選用奧氏體耐熱鋼1Cr17Ni13W、1Cr14Ni18W2NbBRE；在700～750℃時，選用鐵基高溫合金Cr14Ni40MoWTiAl(GH2135)；在750～950℃時，選用鎳基高溫合金Ni80Cr20(GH3030)。汽輪機后級葉片工藝路線：下料→模鍛→退火→機械加工→調(diào)質(zhì)→熱整形→去應(yīng)力退火→機械加工葉片根→鍍硬鉻→拋光→磁粉探傷→成品,
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