典型零件的选材及加工工艺路线分析讲解

化处理。 另外，应当以综合效益来评价材料的经济性高低。
4．对产品“轻型化、高寿命”的考虑
从商品的销售和用户的愿望考虑，产品还应当具有重量轻、美 观、经久耐用等特点。
尽量采用先进科学技术成果，做到在结构设计方面有创新，有 特色。
在材料制造工艺和强化工艺上有改革、有先进性。
5．对实现现代生产组织可能性的考虑
求。 5. 材料的二次(或最终)选择，可以是若干种方案。 6. 通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验最终确定合理选材
方案。 7. 最后在中、小批量生产基础上，检验选材的合理性。
几种机械零件主要损坏形式和主要抗力指标
零件名称
工作条件
主要损坏形式
主要抗力指标
重要螺栓
拉应力或交变应力冲击 拉断（过量塑性变 σ 0.2，σ -1P，HB
2、性能要求
1）高疲劳强度，防止轴疲劳断裂；2）优良综合力学性能，即较 高的屈服强度和抗拉强度、较高的韧性，防止塑性变形及过载或 冲击载荷作用下的折断和扭转；3）局部承受摩擦的部位具有高 硬度和耐磨性，防止磨损失效；4）在特殊条件下工作的轴的材 料应具有特殊性能，如蠕变抗力、耐腐蚀性等。
二）轴的选材
2、性能要求
1)高弯曲疲劳强度，防止轮齿疲劳断裂；2)足够高的齿心强度和 韧性，防止轮齿过载断裂；3)足够高的齿面接触疲劳强度和高硬 度及耐磨性，防止齿面损伤；4)较好工艺性能，如切削加工性好， 热处理变形小或变形有一定规律，过热倾向小，有一定淬透性等。
二）选材及热处理
1、机床齿轮
第九章 典型零件选材及加工 工艺路线
选材的一般原则与方法 典型零件(齿轮类、轴类、弹簧类、叶片类）的选
材
第一节 选材的一般原则与方法一、选材的一源自原则1．对材料力学性能的考虑
从零件工作条件中找出对材料力学性能的要求。 将零件的工作条件分为受力状态、载荷性质、工作温度、环境
介质等几个方面。 受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击、交变
三、汽轮机叶片
一）工作条件、失效方式及性能要求
1、工作条件和失效方式
叶片是汽轮机的“心脏”，直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为 机械能的作用。工作条件：1）受蒸汽和燃气弯矩的作用；2）受 中、高压过热蒸汽的冲刷或湿蒸汽的电化学腐蚀或高温燃气的氧 化和腐蚀；3）受湿蒸汽中的水滴或燃气中杂质的磨损；4）由于 外界干扰力的频率和叶片的自振频率相等而产生的共振力作用。
2、内燃机主轴
受汽缸中周期性变化的气体压力、曲柄连杆机构的惯性力、扭转 和弯曲应力及扭转振动和冲击力作用。通常低速内燃机曲柄选用 正火态45钢或球墨铸铁；中速内燃机曲柄选用调质态45钢或球 墨铸铁、调质态中碳低合金钢40Cr、45Mn2、50Mn2等；高 速内燃机曲轴选用高强度合金钢35CrMo、42CrMo、 18CrNi4WA等。
工作条件比机床齿轮恶劣，受力较大，超载与启动、制动和变速 时受冲击频繁，对耐磨性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、心部 强度和韧性等性能要求较高，选用合金渗碳钢(20CrMnTi、 20CrMnMo、20MnVB)较为适宜。经正火处理后再进行渗碳、 淬火+低温回火，表面硬度达58~62HRC，心部硬度为 35~45HRC 。
载荷
形）；疲劳断裂
重要传动齿轮 交变弯曲应力；交变接 齿的折断；过渡磨 σ -1，σ bb，HRC，
触应力；冲击载荷；齿 损；疲劳麻点
接触疲劳强度
表面摩擦与磨损
曲轴、轴类
交变弯曲应力；扭转应 疲劳破坏造成断裂；σ 0.2，σ -1，HRC 力；冲击负荷；磨损 过渡磨损
滚动轴承
点或线接触下的交变应 过渡磨损破坏；疲 σ e，σ bc，σ -1，
一个产品或一个零件的制造，是采用手工操作还是机器操作； 是采用单件生产还是采用机械化自动流水作业，对产品的成本 和质量也起着重要作用。
在选材时，应考虑到所选材料能满足实现现代化生产的可能性。
二、选材的一般方法与过程
1. 对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要损坏 形式，从而恰当地提出主要抗力指标。
3、汽轮机主轴
尺寸大，工作负荷大，受弯矩、扭矩及离心力和温度的联合作用， 工作条件恶劣。失效方式主要是蠕变变形和由内部缺陷引起的低 应力脆断和应力腐蚀断裂。除要求材料有较高强度及足够塑性和 韧性外，还要求锻件中不出现较大夹杂物、白点及焊接裂纹；对 于在500℃以上工作的主轴还要求一定高温强度。对于450℃以 下工作的主轴，若汽轮机功率小(<12000kW)，主轴尺寸较小， 可选用45钢；若汽轮机功率较大(>12000kW)，主轴尺寸较大， 可选用35CrMo钢，以提高淬透性。对于500℃以上工作的主轴， 选用合金结构钢，一般高中压主轴选用25CrMoVA或 27Cr2MoVA钢，低压主轴选用15CrMoV或17CrMoV钢。对于 燃气轮机主轴，要求材料有更高的高温强度，一般选用合金结构 钢20Cr3MoWV(<540)、铁基高温合金 Cr14Ni26MoTi(GH2132)(<650℃)和 Cr14Ni35MoWTiAl(GH2135)(<680℃)。
二）选材及热处理
对于中、低压汽轮机，叶片工作温度不高(<500℃)，失 效方式主要是共振疲劳断裂和应力腐蚀断裂，应选用减 振性好的1Cr13和2Cr13马氏体不锈钢。对于高压汽轮机， 叶片工作温度在500℃以上，蠕变抗力成为决定因素， 应选用奥氏体耐热钢1Cr18Ni9Ti。对于燃气轮机叶片， 因工作温度更高，失效方式为蠕变变形、蠕变断裂和蠕 变疲劳或热疲劳断裂,对材料热强性要求更高。当工作 温度低于650℃时选用奥氏体耐热钢1Cr17Ni13W、 1Cr14Ni18W2NbBRE；在700～750℃时，选用铁基高温合 金Cr14Ni40MoWTiAl(GH2135)；在750～950℃时，选用 镍基高温合金Ni80Cr20(GH3030)。
在大量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产 的关键。
3．对材料经济性的考虑
经济性涉及到材料成本的高低，供应是否充分，加工工艺过程是 否复杂、成品率的高低以及同一产品中使用金属或钢材型号的多 少等。
选用一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不选用合金钢。 对只要求表面性能高的零件，可选用廉价钢种，然后进行表面强
工作平稳无强烈冲击，负荷不大，转速中等，对齿轮心部强度和 韧性要求不高，一般选用40或45钢，经正火或调质处理后再进 行高频感应加热表面淬火，齿面硬度达52HRC左右，齿心硬度 为220~250HBS。对于一部分性能要求较高的齿轮，可用中碳 低合金钢(如40Cr、40MnB、45Mn2等)。
2、汽车、拖拉机齿轮
等； 工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度； 环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐
等。 必须研究零件的失效方式，找出对零件失效起主导作用的力学
性能指标。
2．对材料工艺性能的考虑
材料本身工艺性能的好坏将直接影确零件的质量、生产效率和成 本。
工艺性能中最突出的是可切削性和热处理工艺性(包括淬透性、 变形规律、氧化脱碳倾向等)。
失效方式：蠕变变形、断裂(包括振动疲劳、应力腐蚀、蠕变疲 劳及热疲劳)和表面损伤(包括氧化、电化学腐蚀和磨损)。
2、性能要求
1）高室温强度、塑性和韧性及高温强度；2）化学稳定性好；3） 导热性好，热膨胀系数小，抗热疲劳断裂；4）耐磨性好，抗冲 击磨损和机械磨损；5）减振性好，抗共振疲劳断裂；6）由于叶 片数量多、成形工艺复杂，要求材料具有良好冷、热加工性能。
汽轮机后级叶片工艺路线：
下料→模锻→退火→机械加工→调质→热整形→去应力 退火→机械加工叶片根→镀硬铬→抛光→磁粉探伤→成 品
力磨损
劳破坏造成的断裂 HRC
弹簧
交变应力冲击、振动
弹力丧失；疲劳破 σ e,σ s/σ b,σ -1p 坏引起断裂
σ-1P—抗压或对称拉伸疲劳强度；σ-1—光滑试样对称歪曲疲劳强度；σbb—抗弯强度； σbc—抗压强度；σ0.2—条件屈服强度；σe—弹性极限；σs—屈服强度；σb—抗拉强度
第二节 典型零件选材及工艺路线分析
2. 根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的技 术条件。
3. 材料的预选择 根据所提出的技术条件要求和工艺性、经济性方面的考虑，对
材料进行预选择。 可以通过与相类似机器零件的比较和已有的实践经验的判断，
或者通过各种材料选用手册来进行选择。 4. 对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要
1、机床主轴
承受中等扭转-弯曲复合载荷，转速中等并承受一定冲击载荷。 大多选用45钢制造，经调质后轴颈及锥孔处再进行表面淬火。载 荷较大时选用40Cr钢制造。
归于有些机床主轴如万能铣床主轴，也可用球墨铸铁代替45钢来 制造。对于要求高精度、高尺寸稳定性及耐磨性的主轴如镗床主 轴，往往用38CrMoAlA钢制造，经调质后再进行渗碳处理。
二、轴
一）轴的工作条件、失效方式及性能要求
1、工作条件和失效方式
主要起支承传动零件并传递扭矩的作用。
工作条件：1)承受交变扭转载荷、交变弯曲载荷或拉-压载荷；2) 局部(轴颈、花键等处)承受摩擦和磨损；3)特殊条件下受温度或 介质作用。
失效方式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，有时也发生冲击过载断 裂，个别情况下发生塑性变形或腐蚀失效。
一、齿轮
一）齿轮的工作条件、失效方式及性能要求
1、工作条件和失效方式
主要起传递扭矩、变速或改变传力方向的作用。工作条件：1)传 递扭矩时齿根部承受较大的交变弯曲应力；2)齿啮合时齿面承受 较大接触应力并受强烈摩擦和磨损；3)换档、启动、制动或啮合 不均匀时承受一定冲击力。
失效方式：齿的折断(包括疲劳断裂和冲击过载断裂)和齿面损伤 (包括接触疲劳麻点剥落和过度磨损)。