第十一章典型零件的选材及工艺
典型零件选材及工艺分析
艺 加工→渗碳、淬火及低温回火→
喷丸→磨内孔及换档槽→装配。
1.2 轴
轴是机器的重要零件之一， 它的主要作用是支承回转体，并传 递动力。
1.2 轴
轴的工作条件、失效形式及性能要求
（1）轴的工作条件
•承受交变转矩拉一压载荷； •轴颈、花键等部位承受较大 的摩擦和磨损； •承受一定的过载或冲击载荷。
1.1 齿轮
齿轮的选材工艺分析
（2）汽车、拖拉机齿轮
下面以JN150型载重汽车 （变速箱中第二轴 的二、三挡齿轮为 例进行分析。
1.1 齿轮
齿轮的选材工艺分析
（2）汽车、拖拉机齿轮
汽车、拖 拉机齿轮生产批量 大，因此选择用钢 时除有较好的力学 性能外，还应有较 好的工艺性能。
1.1 齿轮
齿轮的选材工艺分析
轴的选材及工艺分析
具体加工工艺路线如下：
工
艺
下料→锻造→正火→粗加工→调质→ 半精车外圆，钻中心孔，精车外圆；
铣键槽→局部淬火（锥孔及外锥体） →车各空刀槽，粗磨外圆，滚铣花键 →花键高频淬火、回火→精磨（外圆、 外锥体及内锥孔）
1.2 轴
（2）内燃机曲轴
曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件， 它在工作时，受气缸中周期性变化的气体压力，曲 轴连杆机构的惯性力，扭转和弯曲应力及冲击力等。
因此要求曲轴具有高的强度，一定的冲击韧 度和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要有高的硬度 和耐磨性。
内燃机曲轴材料的选择主要根据内燃机的类 型，功率大小，转速高低以及轴瓦材料等。
1.2 轴
轴的选材及工艺分析
选
•低速内燃机曲轴采用正火状态的碳素 钢或球墨铸铁；
材
•中速内燃机曲轴采用调质状态的碳素
第十一章 机械零件选材及加工路线分析
合金钢
械
）
铸铁
工
迎
机
（
料
机
程
工
）
械
程
热处理工艺
×
料
（
√
机
切削加工
马
√
高速钢× 易切削钢√
迎
机
械
材
械 工
机
（
马 迎
）
工
程
焊接
低碳钢√ 高碳钢×
材
×
√ ×
材
××
料
（
马
锻造
低碳钢√ 高碳钢×
高碳高合金钢 ×
程
械
械 工
××
马
迎
）
材 料
械 工 程
机
迎
马
械
（
料
材
程
工
迎
程
械
（
料
机
材
程
工
）
械
迎
机
马
程
材
料
（
械 工
机
机
预防和控制热处理变形的方法和措施
变形主要是由于热处理产生内应力（热应力 和组织应力）引起的。
迎 工 械 机 械 工 ） 程 材 料 马 （ 迎 ）
（ 马 迎
）
料
材
机
（
械
迎
机
马
程
材
料
（
械 工
机
（
马 迎
）
机
械
工
组织应力：由于组织转变而产生体积变化不 同所引起的内应力。
材 程 工 ） 程 材 料
料
机
（
马
料
机械零件选材原则及工艺设计
机械零件选材原则及工艺设计机械零件的选材原则及工艺设计在机械设计中，选择合适的材料和有效的工艺是非常重要的，因为这直接影响了零件的质量、性能和使用寿命。
下面是一些机械零件选材原则及工艺设计的重要考虑因素。
1. 材料的机械性能：机械零件必须具有足够的强度、硬度和耐磨性，以承受预期的工作载荷和环境条件。
因此，在选择材料时，应该考虑其拉伸强度、屈服强度、断裂韧性和硬度等机械性能指标。
2. 材料的耐腐蚀性：机械零件往往要在各种恶劣的环境条件下工作，如高温、湿度或腐蚀性介质。
因此，应选择具有良好耐腐蚀性能的材料，以保证零件的长期稳定性和可靠性。
3. 材料的热处理性：有些机械零件需要进行热处理，以改善其机械性能和硬度。
因此，在选材时，应选择适合热处理的材料，以便在工艺设计中能够获取所需的材料性能。
4. 材料的可加工性：机械零件的制造通常需要各种加工操作，如切削、铣削、焊接等。
因此，材料的可加工性也是选材的重要因素，应选择易于加工的材料，以保证制造成本和质量。
5. 材料的经济性：在选材时，还必须考虑材料的成本因素。
有时候，高性能材料可能很昂贵，但在某些应用中，可以使用性能适当的低成本材料来替代。
工艺设计也是机械零件设计中重要的一环。
下面是一些常见的工艺设计考虑因素：1. 制造工艺的可行性：在工艺设计中，应考虑零件的复杂度和制造难度。
有时候，可能需要进行多道复杂的加工操作，而在其他情况下，使用简单的加工过程就可以完成。
因此，在工艺设计中应选择最合适和最经济的制造工艺。
2. 精度要求：机械零件的精度直接影响其质量和功能。
因此，在工艺设计中，应根据零件的功能需求和装配要求，确定适当的制造精度和加工工艺。
3. 工艺的可重复性和稳定性：工艺的可重复性和稳定性对零件的质量和一致性至关重要。
因此，在工艺设计中，应选择稳定可靠的加工工艺和设备，以确保批量生产的一致性和质量可控。
总之，在机械设计中，选材和工艺设计是同等重要的。
2013典型零件的选材及工艺路线_729401408
机床变速箱齿轮
汽车齿轮：合金渗碳钢
变速箱和差速器。受力较大，受冲击频繁， 其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击 韧性等，均要求比机床齿轮高。
一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。 工艺路线为： 下料-锻造-正火-切削加工渗碳-淬火及低温回火喷丸-磨削加工。
低、中碳钢或合金调质钢： 经锻造或轧制，兼顾 强度和韧性，同时考虑疲劳抗力；
碳钢：35、40、45、50钢，一般轴类零件； 合金调质钢：如40Cr、40MnB、40CrNiMo、
20Cr、20CrMnTi等；载荷较大，外形、尺寸和 重量受限制，轴颈的耐磨性等要求高 球墨铸铁和高强度灰铸铁：曲轴。 主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种； 受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬 透性。
汽车板簧
缓冲和吸振,承受很大的交变应力和冲击载荷的作用， 需要高的屈服强度和疲劳强度。 轻型汽车：选用65Mn、60Si2Mn钢； 中型或重型汽车：板簧用50CrMn, 55SiMnVB钢； 重型载重汽车：大截面板簧用 55SiMnMoV,55SiMnMoVNb。
工艺路线 热轧钢带(板)冲裁下料-压力 成型-淬火-中温回火-喷丸强化
园锯片（镶齿式）
切割钢材、有色金属、石料、塑料 等材料。整体强韧性好，锯齿硬度 高，耐磨性好。
材料：， 本体 ：60、65Mn钢 锯齿：高速钢或硬质合金刀片
工艺: 钢板下料-冲孔-淬火-高温回火-
机加工-钎焊锯齿-磨齿。
小结
1.齿轮 主要要求疲劳强度，特别是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。根据受力分析， 齿轮类零件选用低、中碳钢或其合金钢。 机床齿轮用中碳钢45或中碳合金钢40Cr； 汽车齿轮用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi ； 重型机械齿轮用 铸钢
机械制图第11章 零件图 - 新国标
第二节
零件的视图选择
零件的视图选择原则：
主视图的选择——
（1）主视图的投影方向——形体特征原则
（2）零件的安放位置——工作位置、加工位置、习惯位置等 其它视图的选择——在完整、清晰表达零件的内外结构形状和便 于读图的前提下，尽量减少视图的数量，各视图表达的重点要明确， 简明易懂。
一、轴套类零件
（三）技术要求
1、有配合要求的表面，其表面粗糙度参数值较小。无配合 要求表面的表面粗糙度参数值较大。 2、有配合要求的轴颈尺寸公差等级较高、公差较小。无配 合要求的轴颈尺寸公差等级较低，或不需标注。 3、有配合要求的轮颈和重要的端面应有形位公差的要求。
二、盘盖类零件
盘盖类零件可包括端盖、手轮、胶带轮、盘座等。 轮一般用来传递动力和扭矩，盘主要起支承、轴向定位以及 密封等作用。
3.掌握表面粗糙度、极限与配合的代号及标注；
4.了解几何公差的代号及标注；
5.零件图尺寸标注完整、清晰、符合国家标准。
第一节
零件图的作用与内容
组成机器或部件的最基本的构件，称为零件。根据零件在机 器或部件上的作用，一般可将零件分为三种类型：
1. 标准件：紧固件(螺栓、螺母、垫圈、螺钉……）、滚动轴 承、油杯等。
图
例
（一）表达方案 （二）尺寸标注 （三）技术要求
主视图投射方向
（一）表达方案
1、轮盘类零件主要是在车床上加工，所以应按形状特征和 加工位置选择主视图，轴线横放；对有些不以车床加工为主的零 件可按形状特征和工作位置确定。 2、盘类零件一般需要两个主要视图。 3、轮盘类零件的其它结构形状，如轮辐可用移出断面或放 大断面表示。 4、根据轮盘类零件的结构特点（空心的），各个视图具有 对称平面时，可作半剖视；无对称平面时，可作全剖视。
典型零件选材及工艺分析
典型零件选材及工艺分析一，齿轮类机床、汽车、拖拉机中，速度的调节和功率的传递主要靠齿轮机床、汽车和拖拉机中是一种十分重要、使用量很大的零件。
齿轮工作时的一般受力情况如下：（1）齿部承受很大的交变弯曲应力；（2）换当、启动或啮合不均匀时承受击力；（3）齿面相互滚动、滑动、并承受接触压应力。
所以，齿轮的损坏形式主要是齿的折断和齿面的剥落及过度磨损。
据此，要求齿材料具有以下主要性能：（1）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；（2）齿面有高的硬度和耐磨性；（3）齿轮心部有足够高的强度和韧性。
此外，还要求有较好的热处理工艺性，如变形小，并要求变形有一定的规律等。
下面以机床和汽车、拖拉机两类齿轮为例进行分析。
（一）机床齿轮机床中的齿轮担负着传递动力、改变运动速度和运动方向的任务。
一般机床中的齿轮精度大部分是7级精度（GB179-83规定，精度分12级，用1、2、3、……12表示，数字愈大者，精度愈低）。
只是在他度传动机构中要求较高的精度。
机床齿轮的工作条件比起矿山机械、动力机械中的齿轮来说还属于运转平稳、负荷不大、条件较好的一类。
实践证明，一般机床齿轮选用中碳钢制造，并经高频感应热处理，所得到的硬度、耐磨性、强度及韧性能满足要求，而县市频淬火具有变形小、生产率高等优点。
下面以C616机床中齿轮为例加以分析。
1、高频淬火齿轮的工工艺线2、热处理工序的作用正火处理对锻造齿轮毛坯是必需的热处理工序，它可以使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，并使组织均匀，消除锻造应力。
对于一般齿轮，正火处理也可作为高频淬火前的最后热处理工序。
调质处理可以使齿轮具有较高的综合机械性能，提高齿轮心部的强度和韧性，使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击力。
调质后的齿轮由于组织为回火索氏体，在淬火时变形更小。
高频淬火及低温回火是赋予齿轮表面性能的关键工序，通过高频淬火提高了齿轮表面硬度和耐磨性，并使齿轮表面有压应力存在而增强了抗疲劳破坏的能力。
典型零件的选材及加工工艺路线分析讲解材料
轻量化
减轻材料重量，提高产品机动性，降低能源 消耗和排放。
环保化
发展可再生、可回收、可降解的材料，减少 对环境的污染。
智能化
研究具有自适应、自修复、自感应等功能的 智能材料。
新材料的研究与开发
碳纤维复合材料
具有高强度、轻质、耐高温等优点，广 泛应用于航空航天、汽车等领域。
高分子合成材料
具有优良的化学稳定性、绝缘性、耐 磨性等，在建筑、电子、化工等领域
03
材料的应用与发展趋势
材料的应用领域
01
航空航天
用于制造飞机、火箭等高强度、轻 质材料。
建筑领域
用于制造桥梁、高层建筑等高强度、 高耐久性材料。
03
02
汽车工业
用于制造发动机、变速器等耐磨、 耐高温材料。
电子产品
用于制造集成电路、晶体管等精密、 小型化材料。
04
材料的发展趋势
高性能化
提高材料的强度、硬度、耐高温等性能，以 满足更高要求的工业应用。
可加工性原则
材料应具有良好的可加工性， 以便于零件的制造和加工。
可维修性原则
材料应易于维修和更换，以提 高零件的使用寿命和降低维修 成本。
常用材料介绍
钢铁
钢铁是机械制造业中应用最广泛的材料之一，具 有高强度、良好的韧性和耐磨性。
铜及铜合金
铜及铜合金具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀 性和加工性能，广泛应用于电气、电子、化工等 领域。
实例二：齿轮类零件的选材与加工工艺
灰铸铁
用于制造一般用途的齿轮，如减速器齿轮等。
球墨铸铁
用于制造高强度、高耐磨性的齿轮，如汽车变速毛坯准备
根据零件材料和尺寸要求，准备毛坯。
粗加工
《金属材料与热处理》典型零件的选材原则及工艺路线设计
第三步:根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的 载荷，计算出零件中的应力分布；
第四步:由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能 指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；
第五步:利用手册根据使用性能选材。
交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力 ；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。
（2）性能要求 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严 重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲 、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。
（3）曲轴材料
锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45 、35Mn2、40Cr, 35CrMo钢等；
交变， 冲击
交变， 冲击
摩擦，振 齿折断,磨损,疲劳断
动
裂,接触疲劳(麻
点)
振动
弹性失稳，疲劳破 坏
强烈摩擦 磨损，脆断
表面高强度及疲劳极 限，心部强度、 韧性
弹性极限，屈强比， 疲劳极限
硬度，足够的强度， 韧性
由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手 册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下 情况：
铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸 铁等, 如ZG25、QT600-3、QT700-2 、KTZ450-5、 KTZ500-4等。
2. 175A型农用柴油机曲轴选材
175A型柴油机曲轴简图
（1）性能要求 农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但
滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求σb≥750 MPa, 整体硬度240 HBS～260 HBS, 轴颈表面硬度≥625 HV, δ≥2%, ak≥150 kJ/m2。
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低倍分析是指用肉眼或低倍放大镜来观察分析金属及其合金的 组织状态。
2.显微分析
显微分析是用较大放大倍率的光学金相显微镜或电子显微镜来 观察和研究金属及其合金的组织结构。
①光学显微镜
②电子显微分析
三、无损探伤 1.磁力探伤
磁力探伤机 1一磁场2一铁粉
磁力探伤的原理
2.射线探伤
X射线探伤示意图
γ射线透射示意图
②同时承受弯曲、扭转及拉、压应力的轴：应选用淬透性较高的材料，如
30CrMnSi钢、40CrNiMo 钢等 。 ③刚性作为主要要求的轴：选用优质碳素结构钢，如20钢、35钢、45 钢等。
④承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的形状复杂的轴：可选低 碳合金钢18Cr2NiWA钢、20Cr钢、20CrMnTi钢等。
3.工艺不合理 4.安装及使用不正确
a)设计不合理；b)设计合理
改变零件设计防止裂纹 a)锐角转接截面突变 b)圆角过渡
防止淬火变形、开裂的措施
三、选材的基本原则 ㈠满足使用性能
几种零件（工具）工作条件、失效形式及要求的力学性能
㈡材料的工艺性能良好
1．铸造性
2．可锻性
3．焊接性
4．切削加工性 ㈢充分考虑经济性
知识进行分析。
第一节 零件的失效形式及选材的基本原则
机械零件丧失正常的工作能力称为失效
一、零件的失效形式
1.断裂失效 2.过量变形
延性断裂 脆性断裂
3.表面损伤
疲劳断裂
蠕变断裂
过量蠕变变形
过量弹性变形
过量塑性变形
磨损失效 接触疲劳失效 腐蚀失效
二、零件失效的原因 1.零件设计不合理 2.选材不合理
铸造曲轴：主要采用铸钢、球墨铸铁、合金铸铁等制造，球墨铸铁 是铸造曲轴最常用的材料。一般汽车发动机曲轴所选用的球墨铸铁强度 应不低于600MPa，农用柴油发动机曲轴的球墨铸铁强度则不低于 800MPa。
三、弹簧选材
弹簧的基本作用是在载荷 作用下产生变形，把机械能或 动能转变为形变能；在恢复变 形时，把形变能转变为机械能 或动能。
机 架 、 箱 体 类 零 件
第三节 金属材料的质量检验
一、成分分析 1.火花鉴别 ①碳素钢的火花
20
45
钢
钢
火
火
花
花
17
T
钢
10
火
钢
花
火
花
②合金钢火花
40Cr钢火花
40Si2Mn钢火花
CrWMn钢火花
W18Cr4V钢火花
2.化学分析
滴定法 比色法
光学显微镜
现场化学试验 3.光谱分析 二、组织分析 1.低倍分析
弹簧钢的特点及用途
四、刃具选材
1.工作情况 4.刀具的选材
2.主要失效形式 5.应用举例
3.性能要求
①板锉
热轧钢板（带）下料→锻（扎）柄部→正火→球化退火→机加工→ 淬火、低温回火
锉刀
②齿轮滚刀 热轧棒材下料→锻造→球化退火→粗加工→淬火、回火→精加 工→表面处理
齿轮滚刀
五、机架、箱体类零件选材
3.超声波探伤
l一探头；2一缺陷；3一发射脉冲； 4一缺陷反射波；5一底面反射波
4.渗透探伤
荧光探伤法示意图
5.液晶探伤Βιβλιοθήκη l一紫外线光源；2一滤光片； 3一紫外线；4一被检验零件；
5一缺陷
储存和释放能量
缓冲或减振 主要用途 定位
测力 复原
1.工作情况
2.主要失效形式
3.性能要求
4.弹簧的选材
5.应用举例
①火车螺旋弹簧
热轧钢棒下料→两头制扁→热卷成形→淬火→中温回火→喷丸强化→端 面磨平
②气门弹簧 冷卷成形→淬火→中温回火→喷丸强化→两端磨平
③自行车手闸弹簧
将冷拔钢丝直接冷卷、弯钩成形即可 ④汽车板簧 热轧钢带（板）冲裁下料→压力成型→淬火→中温回火→喷丸强化
材料价格 国家资源状况 零件的总成本
㈣考虑零件外形和尺寸特点
㈤考虑生产批量
第二节 典型零件的选材与工艺分析
一、齿轮选材 齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一，它主要用于传递动 力和运动，改变速度和方向。
1.工作情况 2.主要失效形式 3.性能要求
4.齿轮类零件的选材
宜选用低、中碳钢或低、中碳合金钢。
5.应用举例 ①机床主轴
备料一锻造一正火一机械粗加工一调质一机械半精加工一局部 淬火(轴颈、锥体)+回火一粗磨一花键高频淬火+回火一精磨
C620车床主轴简图
常用机床主轴的工作条件、选材及热出理
②航空发动机涡轮轴 备料一模锻一正火+高温回火一机械粗加工一调质一机械精加工一 磁力探伤一检验一发蓝
③曲轴 锻造曲轴：备料→模锻→正火+高温回火→机械粗加工→调质→机械 精加工→中频感应加热淬火
第十章 典型零件的选材及工艺路 线设计
第一节 零件的失效形式及选材的基本原则 第二节 典型零件的选材与工艺分析 第三节 金属材料的质量检验
学习要求
1.了解选材的一般原则和程序； 2.掌握各类材料的分类性、能和检验方法； 3.熟悉典型零件（齿轮、轴、工具、箱体、弹簧等）
在选材、热处理及加工工艺等方面的特点； 4.学会观察和分析生活中遇到的机械零件，并用所学
5.应用举例
①机床齿轮
备料一锻造一正火一机械粗加工一调质一机械半精加工一高频淬火 +回火一磨削
②汽车、拖拉机、摩托车齿轮
备料一锻造一正火一机械粗加工一渗碳+淬火+低温回火一喷丸一 磨削加工
③航空发动机齿轮 备料一模锻一正火+高温回火一机械加工一渗碳一高温回火一机械 加工一淬火+低温回火一机械精加工一检验
机床齿轮的用材及热处理
汽车、拖拉机齿轮的常用钢种及热处理方法
续表
二、轴类零件
轴是机械中非常重要的零件之一，主要用于支承传动零件（如齿 轮、凸轮等），起传递运动和动力的作用。 1.工作情况 2.主要失效形式 3.性能要求 4.轴类零件的选材 ①主要承受弯曲、扭转的轴：不需要选用淬透性很高的材料， 如45 、 40Cr 等。