机械零件材料及成型方法选用
机械零件的制造工艺分析
机械零件的制造工艺分析一、引言机械零件是构成各种机械设备的重要组成部分，其质量和工艺直接影响着机械设备的性能和寿命。
本文将通过对机械零件的制造工艺进行分析，探讨在制造过程中的各种因素对零件质量的影响。
二、材料选择与预处理在机械零件的制造过程中，材料的选择和预处理是非常关键的。
首先需要根据零件的使用要求，选用适合的材料。
常见的机械零件材料有铸铁、钢、铝合金等。
每种材料都具有不同的特性和加工难度，因此需要根据具体情况选择。
预处理是在材料进入生产线之前进行的一系列工艺。
预处理的目的是去除杂质、优化材料性能，提高零件的机械性能和表面质量。
预处理工艺包括清洗、退火、锻造等。
通过合理的预处理工艺可以改善材料的结构，减少材料内部的缺陷，提高零件的强度和硬度。
三、加工工艺分析1. 切削加工切削加工是机械零件制造过程中最常用的加工方法之一。
它通过旋转刀具与零件表面相对运动，将多余的材料切割下来，得到所需形状和尺寸的零件。
常用的切削加工方法包括车削、铣削、钻削等。
在切削加工过程中，刀具的选择和刀具的磨损情况对加工质量有重要影响。
不同材料的零件需要选用适合的刀具，并根据实际情况进行刀具的修磨和更换。
此外，切削速度、进给速度和切削深度也是影响加工质量的重要因素。
合理的加工参数可以有效避免刀具磨损、表面质量不良等问题。
2. 成型加工成型加工是通过对材料进行加热、塑性变形和冷却来获得所需形状的加工方法。
常见的成型加工方法有锻造、压铸、挤压等。
在成型过程中，需要根据零件的形状和尺寸选择适当的成型工艺。
同时，成型过程中的温度、压力等参数的控制也是影响加工质量的关键因素。
3. 焊接与连接焊接与连接是机械零件制造中常见的加工方法。
焊接是通过将材料加热至熔点，并在熔融状态下使其相互结合。
连接则是通过机械方式将多个零件连接在一起。
焊接与连接工艺对零件的强度和密封性有重要影响。
在焊接过程中，需要选择适当的焊接方法和焊接材料，并严格控制焊接过程中的温度和焊接参数，以确保焊缝质量。
毕业设计图纸中的零件材料选用指南
毕业设计图纸中的零件材料选用指南机械学院各专业的学生通过“机械制造基础”和“机械设计”等课程的学习已经从理论和有限的实例中了解了机械工程常用的以钢铁为主的各种材料，但是由于缺乏设计实践，并没有掌握这些知识，特别是不会应用。
反映在毕业设计中，学生不会正确选用所设计零件的材料及其热处理，面对总装配图明细表的材料一栏感到茫然。
这份“指南”是在总结了机械学院自2009年以来历届毕业设计中有关材料选用的相关问题之后，为学生提供的一份针对性较强、简要而又实用的参考资料，以期帮助学生提高毕业设计的质量。
一、概述机械是由各种标准件和非标零件构成的，前者由专业工厂按国家标准大批生产，可以经由市场采购取得；后者则由机械的设计人员绘制图纸，生产厂按图备料并加工制造。
进行机械设计时对标准件不存在材料选择问题，只要在总图的明细表中填写所选标准件的标准代号和规格即可，但要特别注意的是：有的标准件（如螺栓和螺钉等螺纹连接件）在同一规格下还分有不同的性能等级，在填写时也要一并标明(见附录1)。
所有的非标零件都必须在明细表材料栏内填写所选用的材料，在备注一栏中还应填入所要求的热处理。
机械最基本的要求是工作可靠和经济性好。
工作可靠取决于构成机械的零件有足够的强度、刚度、振动稳定性、可靠性、耐磨性；经济性则主要取决于零件的材料成本和加工费用。
可见这二项基本要求都与材料密切相关。
就毕业设计而言，除非任务指定要对振动稳定性和可靠性进行设计，否则一般只须对零件的强度和刚度进行设计或校核，并在设计中选择恰当的热处理和零件的表面粗糙度以及润滑设计来保证零件的耐磨性。
零件的刚度不仅取决于材料的弹性模量，也取决于零件的截面惯性矩。
不同材料的弹性模量当然不同，但是就钢材而言，各种钢材的弹性模量差别很小，用高强度钢代替低强度钢对提高零件的刚度是没有作用的，从零件的结构形状上增大截面惯性矩是提高刚度的唯一途径。
同学在这个问题上常常陷入误区。
可用作机械零件的材料超过500种，其中以钢铁材料（碳素钢，合金结构钢，铸钢和铸铁等）最为常用，这是因为这类材料性能好，品种多，价格低，市场供应充分。
常用齿轮材料的选择及其热处理工艺总结
齿轮材料的选择及其热处理工艺1、齿轮材料的选择原则齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。
例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。
总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。
2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。
大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。
中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。
尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。
齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氨化和表面淬火。
采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。
3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。
4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。
5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。
6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30〜50HBS或更多。
当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质）；且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。
因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。
机械加工常用的金属材料
机械加工常用的金属材料机械加工就是对金属零件加工，那么你对机械加工常用的金属材料有哪些有兴趣吗?下面由店铺向你推荐机械加工常用的金属材料介绍，希望你满意。
机械加工常用的金属材料分析1. 45——优质碳素结构钢，是最常用中碳调质钢。
主要特征: 最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。
小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。
应用举例: 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。
轴、齿轮、齿条、蜗杆等。
焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火。
2. Q235A(A3钢)——最常用的碳素结构钢。
主要特征: 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度、好的冷弯性能。
应用举例: 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。
如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。
3. 40Cr——使用最广泛的钢种之一，属合金结构钢。
主要特征: 经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊前应预热到100～150℃，一般在调质状态下使用，还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。
应用举例:调质处理后用于制造中速、中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等，调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等，经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等，经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮等。
4. HT150——灰铸铁。
应用举例:齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等5. 35——各种标准件、紧固件的常用材料主要特征: 强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。
机械制造工程技术基础：铸造成型技术
加工或少切削加工即可使用，如：离心 铸造，陶瓷型铸造等。
四 砂型铸造生产
4.1.砂型铸造的生产工艺流程图
套筒铸造生产过程
零件图
配制型砂 制作砂型 配制芯砂 制作型芯
熔炼金属
铸造工艺图 铸型 浇注
模样图 芯盒图 铸型装配图
落砂、清理
五砂 型
❖ 外浇口
容纳注入的金属液并缓解液态金属对砂型的 冲击。小型铸件通常为漏斗状，较大型铸件为 盆状。
❖ 直浇道
连接外浇口与横浇道的垂直通道，通常带有 一定的锥度（上大下小），改变直浇道的高度 可以改变金属液的流动速度从而改变液态金属 的充型能力。
五砂 型
❖ 横浇道
将直浇道的金属液引入内浇道的水平通道， 一般开在砂型的分型面上，其截面一般为梯形。 横浇道的主要作用是阻挡熔渣流入型腔，并分 配液态金属流入内浇道。
二 铸造的特点
2.1.优点
❖ 毛坯形状（外形至内腔）复杂程度高；
❖ 适应性广（铸件材质、大小、批量）；
❖ 材料来源广，成本低（原材料；废料； 形状、尺寸与零件相近，节省材料和加 工费用）。
二 铸造的特点
2.2.缺点 ❖ 铸件的力学性能较差（组织粗大，不均
匀）； ❖ 铸造工序多，质量不容易控制，废品率
铸造成型技术
暖气
阀门
离心式水泵
车床床身
普通车床
98 式 主 战 坦 克
一 铸造
铸造是制作铸型、熔炼金属，将熔 炼的液体金属浇注到铸型中，凝固后获 得一定形状与性能铸件的成形方法。
采用铸造方法获得的金属制品称为铸件。 在机械制造中，大部分机械零件是用金 属材料制成的，铸造方法成为制造毛坯 或零件的重要方法，其加工范围广泛， 生产批量不受限制，成本低廉，节省资 源，是少无切削加工的重要发展方向。
机械零件的成形方法
本 零件表面的成形的方法（形成发生线的四种方法） 节 教 学 重 点 难 点
.
第三节 机械零件的成形方法
一、零件的成形方法
1.材料成形工艺
零
在加工过程中材料的形状、尺寸、性能等发生变化，而
件 重量近似等于加工前的重量。如铸造、锻造、压力加工、粉
的 末冶金、注塑成形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直
机械制造技术
第一章 机械制造过程概述
机制教研室
第一章 机械制造过程概述
第三节 机械零件的成形方法
第三节 机械零件的成形方法
一
零件的成形方法
本
节
教
二
零件表面的成形
学
内
容
.
第三节 机械零件的成形方法
本节教学要 求：
本
掌握零件表面的成形的方法（形成发生线的
节 四种方法）
教
学
要
求
.
第三节 机械零件的成形方法
成 接成形零件。
形 方 法
2.材料去除工艺 以一定的方式从工件上去除多余的材料，得到所需形状、
尺寸的零件。如切削加工、磨削加工、特种加工等。 3.材料累加工艺
利用一定的方式是零件的重量不断增加的工艺方法。 传
统的累加方法有焊接、粘接、铆接、过盈配合、电铸和电镀
等。近几年才发展起来的快速原型制造（RPM）。
的
快速成形是将零件以微元叠加方式逐渐累积生成。将
成 零件的三维实体模型数据经计算机分层切片处理，得到各
形 层截面轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层 方 的箔材（LOM叠层法，图1.7）；或固化一层层的液态树 法 脂（SLA光固化法图1.8）；或烧结一层层的粉末材料
毛坯成型方法选择
7.1
毛坯选择的原则
1. 工艺性原则
零件的使用要求决定了毛坯的形状特点，各种不同的使用要求和形状特点，形 成了相应的毛坯成形工艺要求。零件的使用要求具体体现在对其形状、尺寸、加工 精度、表面粗糙度等外部质量和对其化学成分、金属组织、力学性能、物理性能和 化学性能等内部质量的要求上。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）来确定采用何种毛坯成形方法。
高等教育出版社 高等教育电子音像出版社
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要求粉料的流动性好，压缩性大。粉末冶金材料利用率和生产率高，制品精度高， 适合于制造有特殊性能要求的材料和形状较复杂的中、小型零件。如制造减磨材料、 结构材料、摩擦材料、硬质合金、难熔金属材料、特殊电磁性材料、过滤材料等板、 带、棒、管、丝各种型材，以及齿轮、链轮、棘轮、轴套类等各种零件；可以制造重 量仅百分之几克的小制品，也可制造近2 t重的大型坯料。 (4)冲压 冲压是借助冲模使金属产生分离或变形的成形方法，要求金属塑性成 形时塑性好、变形抗力小。冲压可获得各种尺寸且形状较为复杂的零件，材料利用率 和生产率高。冲压广泛应用于汽车、仪表行业，是大批量制造质量轻、刚度好的零件 和形状复杂的壳体的首选成形方法。 (5)焊接 焊接是通过加热和（或）加压使被焊材料产生共同熔池或塑性变形或
机械工程材料与成型技术
机械工程材料与成型技术工程材料：金属材料有机高分子材料陶瓷材料复合材料。
过冷现象：实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象。
过冷度：实际结晶温度Tn与理论结晶温度To之间的温度差。
退火：是将钢加热到Ac3以上的一定温度，或Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后随炉温冷却，或将工件埋入石灰等冷却能力弱的介质中缓慢冷却到600ºC以下，在空气中冷却至室温的热处理工艺。
正火：是把钢件加热到Ac3以上的一定温度，经适当保温，使钢全部奥氏体化后再空气中冷却，得到较细珠光体组织的热处理工艺。
淬火：是将工件加热到Ac3或Ac1点以上某一温度保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。
回火：将淬火零件重新加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却到室温的工艺。
（8分)细化铸态金属晶粒措施：1)增大金属的过冷度2)变质处理3）振动4）电磁搅拌铸铁的性能特点：1）优良的铸造能力2）良好的切削加工性3)较好的耐磨性和减震性4）较低的缺口敏感性浇注位置的确定：1）主见的重要加工面应朝下2）铸件的大平面应朝下3）将面积较大的薄壁部分至于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置4）对容易产生的缩孔的铸件，使厚的部分放在铸型分型面附近的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安置冒口，使之实现自下而上的定向凝固。
分型的选择：1）简化工艺原则2）方便操作原则3）保证精度原则砂型铸造工艺对铸件结构的要求：1）铸件具有最少的分型面且分型面尽量平直；避免铸件外形侧凹凸台和筋条结构应便于起模；铸件应有合适的结构斜度；2）空腔：尽量不用或少用型芯；便于型芯固定，排气和清理。
（12分）合金铸造性能对铸件结构的要求：1）铸件的壁厚应合理均匀2）壁的转角处应有结构圆角；应避免壁的交叉和锐角连接；壁厚与薄壁间的连接应铸件过渡；3）筋的分置受力尺寸应合理4）铸件结构应能自由收缩和采用对称结构有利于减小应力和防止变形5）铸件结构应符合合金的凝固原则和合理增设补缩通道结构有利于防止缩孔和缩松6）铸件结构应尽量避免过大水平面。
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2020年4月21日星期二
9.1选材的一般原则
• 9.1.1 零件失效的类型、原因及分析方法 • 9.1.2材料的选用 • 9.1.3选材的一般程序
9.1.1 零件失效的类型、原因及分 析方法
• 1. 零件失效的类型、原因 • 各种机械零件都具有一定的功能，当它不能按要
求的效率完成预定的功能时，则称该零件已失效 。零件失效具体表现为：零件完全破坏，不能继 续工作；严重损伤不能再安全工作；虽仍能安全 工作，但不能完成规定的功能。 • 根据零件损坏的特点、所受载荷的类型及外在条 件，零件的失效可归纳为下列三种类型：①变形 失效；②断裂失效；③表面损伤失效。 • 引起失效的具体原因大体可以分为①设计；②材 料；③加工；④安装使用
周期性变化着的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力 以及冲击力等的作用。在高速内燃机中曲轴还受到扭转振动的影响， 会造成很大的应力。 • 因此，对曲轴的性能要求为：高强度，一定的冲击韧性和弯曲、扭 转疲劳强度，轴颈处要求有高的硬度和耐磨性。 • （2）内燃机曲轴用料的选择 • 一般以静力强度和冲击韧性作为曲轴的设计指标，并考虑疲劳强度 。 • 内燃机曲轴材料的选择主要决定于内燃机的使用情况、功率大小、转 速高低以及轴瓦材料等因素。一般选材规律如下： • 低速内燃机曲轴采用正火状态的碳素钢或球墨铸铁； • 中速内燃机曲轴采用调质状态的碳素钢或合金钢如45、40Cr、 45Mn2、50Mn2等，或球墨铸铁； • 高速内燃机曲轴采用高强度的合金钢如35CrMo、42CrMo、 18Cr2Ni4WA等。
• 材料选用及热处理改性
• 根据技术条件要求，可选用40Cr钢。热处理为：正火，消除锻造应力 ，改善切削加工性；调质，使半轴具有高的综合机械性能。其制造工 艺路线如下：
•
下料→锻造→正火→切削加工→调质→钻孔→磨削
汽车半轴
3. 内燃机曲轴
• （1）工作条件及性能要求 • 曲轴是内燃机形状复杂而又重要的零件之一。它在工作时受到内燃机
• ①由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力； • ②齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生强烈的摩擦； • ③由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。 • 根据齿轮的工作特点，其主要失效形式有以下几种： • ①轮齿折断 有两类断裂形式，一类为疲劳断裂：主要发生在齿根，常常一齿
断裂引起数齿、甚至更多的齿断裂；另一类是过载断裂：主要是冲击载荷过 大造成的断齿； • ②齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小，齿隙增大； • ③齿面的剥落 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹并逐渐发展，引起点 状剥落。 • 据此，要求齿轮用材应具有如下性能： • ①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度； • ②高的硬度和耐磨性； • ③轮齿心部要有足够的强度和韧性；
9.1.2材料的选用
• 1. 使用性能与选材 • 2.工艺性能与选材 • 3.经济性与选材
一些零件的工作条件、主要损坏形 式及主要机械性能指标
9.1.3选材的一般程序
• 1.分析零件工作条件 • 2.材料预选择 • 3.材料终选择 • 4.验证选材的可靠性
9.2典型零件的选材及改性方法示例
• 9.2.1.齿轮类零件的选材及改性方法 • 9.2.2轴类零件的选材及改性方法
9.2.1.齿轮类零件的选材及改性方法
• 1.齿轮的工作条件及性能要求 • 2.齿轮零件的选材 • 3.典型齿轮选材举例
1.齿轮的工作条件及性能要求
• 齿轮是机械工业、汽车、拖拉机中应用最广的零件之一，主要用于功率的传 递和速度的调节，其工作时的受力状况如下：
2.齿轮零件的选材
3.典型齿轮选材举例
•C6132车床传动齿轮
•JN—150汽车变速齿轮
9.2.2轴类零件的选材及改性方法
• 1.机床主轴 • 2. 汽车半轴 • 3. 内燃机曲轴
1.机床主轴
• 在选用机床主轴的材料和热处理工艺时，必须考虑以下几点： • ①受力的大小。 • ②轴承类型。 • ③主轴的形状及其可能引起的热处理缺陷。 • 机床主轴的工作条件和性能要求 • C6140车床主轴的工作条件： • ①承受交变的弯曲应力与扭转应力，有时受到冲击载荷的作用； • ②主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦； • ③花键部分经常有磕碰或相对滑动。 • 热处理技术条件： • 整体调质硬度达200～230HBS；内锥孔和外圆锥面处硬度为45～
• 锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火 及低温回火→磨削加工。
• 若这类机床主轴承受载荷较大时，可用40Cr钢制 造。当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，则可 采用合金渗碳钢制造，其热处理工艺也发生相应 的变化。
C6140车床主轴图
2. 汽车半轴
• 汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动件。半轴材料与其工作条件有关 ，中型载重汽车目前选用40Cr钢，而重型载重汽车则选用性能更高的 40CrMnMo钢。
50 HRC；花键部分的硬度为48～53 HRC。
• （2）主轴用钢及热处理改性
• C6140车床属于中速、中负荷、在滚动轴承中工 作的机床，因此选用45钢。整体调质以获得高的 综合机械性能和疲劳强度；内锥孔和外圆锥面处 采用盐浴局部淬火和回火，以便耐磨和保证装配 精度；花键部分高频淬火、低温回火，以确保强 度硬度要求。机床主轴工艺路线如下：
• 2.零件失效分析方法 • ①应尽可能仔细地收集失效零件的残体，拍照留
据，确定重点分析的对象和部位。并在零件失效 的发源部位切取样品。 • ②应详细整理失效零件的有关资料，如设计资料 、加工工艺文件及使用记录等。 • ③将所选样品进行宏观及微观的断口分析，以及 必要的金相剖面分析，确定失效的发源地及失效 的方式。 • ④测定样品的必要数据，包括设计所依据的性能 指标及与失效有关的性能数据，材料的组织及化 学成分是否符合要求，分析在失效零件上收集到 的腐蚀产物的成分、磨屑的成分等。必要时还要 进行无损探伤、断裂力学分析等，考查有无裂纹 或其他缺陷。
• （1）汽车半轴的工作条件和性能要求
• 图9-2-4所示为跃进-130型载重汽车(载重量为2500kg)的半轴简图。半 轴在工作时承受冲击、反复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。
• 热处理C；
• 盘部外圆：24～34 HRC。