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机械零件选材及工艺路线分析

信息时间：2009-03-24 信息来源：web

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　1  材料的选用原则
　　在机械零件产品的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。不仅要考虑材料的性能是否能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。选材中要注意到材料的化学物理性能、机械性能和工艺性能，如密度、弹性模量、强度、韧性、耐蚀性、耐磨性、高温和低温强度、焊接性能、淬透性、热处理变形量、可锻性、切削性能、经济性等。选用材料要根据产品批量，是常年需要（定型产品）或一次性生产（单件、单批生产），从机械性能、工艺和经济三方面来考虑。
　　1.1  材料的机械性能
　　在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要机械性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓，在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力，而且拉应力是周期变动的，其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形而失效外，多数情况下是由于疲劳破坏而造成短裂。因此对连杆螺栓材料的机械性能除了要求有高的屈服极限和强度极限外，还要求有高的疲劳强度。由于是整个截面均匀受力，因此材料的淬透性也需考虑。
　　零件实际受力条件是较复杂的而且还应考虑到短时过载、润滑不良、材料内部缺陷等因素，因此机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。
　　在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异，因而严格说来，材料机械性能数据仍不能确切地反映机械零件承受载荷的实际能力。即使这样，目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度，因为硬度检验可以不破坏零件，而且硬度与其他机械性能之间存在一定关系。因此零件图纸上一般都以硬度作为主要的热处理技术条件。
　　1.2  材料的工艺性能
　　现代工业所用的机器设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。
　　用金属材料制造零件的基本加工方法，通常有下列四种：铸造、压力加工、焊接和机械加工。
　　材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响，几种重要的工艺性能如下：
　　铸造性能：包括流动性、收缩、偏析、吸气性等；
　　锻造性能：包括可锻性、抗氧化性、冷镦性、锻后冷却要求等；
　　机械加工性：包括光洁度、切削加工性等；
　　焊接性能：包括形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的倾向等；
　　热处理工艺性：包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性倾向、氧化脱碳倾向、冷脆性等。
　　机器上的钢制零件一般要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此在选材时要对材料的工艺性能加以注意。
　　在小批量生产时，工艺性能的好坏并不显得突出；而大批量生产时，工艺性能则可以成为决定性的因素。
在设计零件时，也要注意热处理工艺性。如其结构形状复杂，应选用淬透性好的钢材，如油淬钢，它变形较小。
　　一般说来，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求，因此碳钢的用途较广，但它的强度还不够高，淬透性较差。所以，制造大截面、形状复杂和高强度的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好、强度高。可是合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。
　　通过改变工艺规范、调整工艺参数、改进刀具和设备、变更热处理方法等途径，可以改善金属材料的工艺性能。
　　1.3  材料的经济性
　　在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的其他一切费用。
　　在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁（尤其是球墨铸铁），不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。
　　低合金钢由于强度比碳钢高，总的经济效益比较显著，有扩大使用的趋势。
　　在选材时还应考虑国家的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2  工艺性
　　设计决定工艺，工艺也可能决定设计。完成同一功能的零部件，可以设计出不同的结构，其中某些结构易于加工并保证加工精度，但某些结构则难于加工，甚至无法加工，所以设计人员必须了解工艺。对所设计的机械产品，每个零件应该选择哪种工艺流程，各个零件图所标注的尺寸、公差、粗糙度和技术条件，都直接影响工艺流程的优劣和生产周期的长短。根据零件图和零件材料的特性，可选择下述一种或几种工艺，切削加工、铸造、锻造、板金、冲压、挤压等。以上每个工艺都有其造价最合理的经济精度，所以零件图和材料确定后，也就在一定程度上确定了采用哪种工艺。
　　当零件的形状比较复杂，尺寸较大时，用锻造往往难以实现，如果采用铸造性能或焊接性能，在结构上也要适应铸造或焊接的要求。至于选用铸造还是焊接，采用模锻还是自由锻。如果零件的生产批量小，所花的木模和模具费超过了机械加工所能节约的费用，则不如采用焊接件或自由锻造件。如果生产批量较大，采用铸件或模锻件较为有利。
　　如果零部件的其他性能都满足，只是材料的焊接性能不好，而又没有合适的焊接性能好的材料，则可以改变联接方式。例如，由焊接该为螺纹联接或其他联接。
　　有时，产品的交货日期也影响制造工艺的选择，如果交货日期紧迫，常常采用焊接件而不用铸件。
　　当零件用冷拔工艺制造时，应考虑材料的延伸率，并考虑冷加工硬化对材料机械性能的影响。钢与某些非铁金属经过冷作硬化后，硬度、屈服极限和强度极限都有相当大提高，而其提高程度又和加工过程中的截面收缩率有关，截面收缩率越大，提高程度越大。
　　同样的结构材料，如果采用先进而合理的热处理工艺，则强度性能可以成倍地提高，至于采用何种热处理工艺，必须考虑具体条件。
　　对于切削加工的零件，应根据零件的几何形状、加工面种类和加工位置来确定采用一种或几种切削工艺，如车、铣、钻、镗、磨等。同样的孔，采用车、镗还是磨削作为最后的工序，要根据加工精度和表面粗糙度决定。
　　在自动机床上进行大批量生产的零件，应该考虑材料的被切削性能，使易于断屑，减少刀具磨损量，提高生产率和加工精度。
　　工艺的另一个重要方面是装配，即将各个零件装配成一个整体。装配要根据产品的结构特点，选择合适的联接方式：1）螺栓、键、销钉联接，这些联接形式能方便地拆开；2）铆钉联接，可拆但不方便；3）焊接，形成永久性联接，不可拆。
　　表面采用油漆、抛光、电镀还是塑料涂层，要根据外观和抗腐蚀的要求决定。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3  热处理技术条件的标注
　　热处理是作为改善机械加工性和使零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间。
　　设计者应根据零件的工作特性，提出热处理技术条件。
　　热处理零件一般在图纸上都以硬度作为热处理技术条件，对于渗碳的零件则还应标注渗碳深度。某些要求性能较高的零件还需标注其他机械性能指标。
　　所标注的热处理技术条件应该合理。设计者不应仅仅根据整个机器结构的要求和零件工作特性来提出热处理技术条件，还必须考虑到材料热处理的特性和工艺性以及生产的实际条件和能力，以确保设计要求得以达到。常见的不合理现象有：要求大截面零件获得小尺寸试样的性能指标；要求低碳钢不经化学热处理达到高硬度；要求零件硬度超越钢材的淬硬性；要求一个零件上有多种硬度等等。此外，在标注技术条件时，不应该对热处理方式方法规定得太具体，因为热处理工艺规范的决定要考虑到诸如技术要求、生产条件、安全、工人技术水平和操作习惯等许多因素。实际上，一个零件要获得某一性能，往往可用多种方法达到。硬性规定不利于发挥热处理工作者的积极性，因地制宜地完成任务，也不利于新技术新工艺的采用和推广。

　　　　　　　　　　　　　　　　4  冷加工方面减小变形、防止开裂的措施
　　4.1  改进淬火零件结构形状的设计
　　在实际生产中，设计人员有时只注意到如何使零件的结构形状适合部件机构的需要，而往往忽视了零件在加工时或热处理过程中，因结构形状不合理给热处理操作带来的不便，以致引起淬火变形甚至开裂，而使零件报废。因此，设计工作者必须充分考虑淬火零件的结构形状与热处理工艺性的关系。
　　在设计淬火零件结构形状时，应掌握以下原则：
　　避免尖角和棱角
　　避免厚薄悬殊
　　采用封闭、对称结构
　　采用组合结构
　　4.2  合理安排工艺路线
　　对于某些精密零件因切削加工或磨削加工造成应力而引起变形时，在工艺路线中可穿插除应力处理或时效处理以减小变形。
　　对于细长轴类和形状复杂的零件，在粗加工成形后安排一道除应力处理工序，以消除切削加工引起的应力，对减小淬火变形十分有利。
　　对于需要精磨的零件，在热处理粗磨后，一般安排时效处理，以消除磨削应力，稳定尺寸，防止随后发生变形。
　　4.3  修改技术条件


　　对于某些容易产生变形、开裂的零件，可以修改技术条件，以减小变形、防开裂。
　　4.4  按变形规律调整加工尺寸
　　在通过试验，掌握了零件变形规律的情况下，采取冷热加工配合，调整加工尺寸来减小变形，对于大批生产的零件是一种行之有效的方法。
　　4.5  预留加工余量
　　热处理时零件不可避免地会有变形，因此在零件加工过程中必须留有合理的加工余量，这样既可简化热处理操作，又不使随后机械加工时增加过大的工作量。
　　4.5.1  调质件的留余量
　　轴类调质件在淬火时会有变形、氧化、脱碳等，因此无论是原材料还是锻件，在调质前必须留有加工余量。
　　4.5.2  渗碳件的留余量
　　对局部渗碳零件在不需要渗碳部分或有配做孔处，可以采用加工余量办法，在渗碳后淬火前切除这部分渗碳层。
　　4.5.3  淬火件的留余量
　　精加工以后的零件在热处理淬火操作时由于热应力的影响，必然会产生变形。除设法减小淬火变形外，为了能在淬火后磨削到所要求尺寸，必须留出足够的磨削余量。
　　4.6  更换材料
　　材料是根据零件的工作条件来选取的。由于结构形状的原因，在采取了其他措施后仍不能减小变形、防止开裂的情况下，也可以考虑更换材料。一般可以用合金钢来代替碳钢，用低变形钢来制造工、模、量具等。
　　4.7  提高表面光洁度
　　切削加工后零件的表面光洁度太差有时也可能成为淬火裂纹的起因。切削刀痕过深，造成应力集中，在淬火时沿刀痕方向形成淬火裂纹。应该提高零件的表面光洁度。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　5  结束语
　　总之，作为一个设计、工艺人员，在选材时、必须了解我国工业发展形势，要按照国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际情况出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性能等方面的问题。在考虑选材和热处理技术条件时，要注重深入生产实际，加强调查研究，了解零件生产的全过程，从中得出最合适的结论。