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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）翻譯
題目名稱：齒輪和緊固件材料選擇
院系名稱：機(jī) 電 學(xué) 院
班 級：
學(xué) 號：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)老師：
日期 ：2011.3
齒輪材料
齒輪有各種各樣的材料制成，有金屬的，也有非金屬的。正如設(shè)計(jì)中所用到的一樣，對于特殊齒輪來說，選擇的材料要最便宜且容易獲得，并且要確保達(dá)到令人滿意的工作效果。在選擇材料之前，設(shè)計(jì)者必須明確幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對于所面臨的問題來說，哪些是最重要的。如果高強(qiáng)度是首先要考慮的問題，通常選擇鋼而不是鑄鐵、如果耐磨性是最重要考慮的，與黑色金屬相比，有色金屬是更好的選擇，還有另外一個(gè)例子可以說明怎樣選擇材料，對于涉及減少噪音的問題，非金屬材料比金屬材料更可取。這在大多數(shù)設(shè)計(jì)問題中是一個(gè)事實(shí)。換句話說，材料的選擇被涉及的各種工作要求所限制，盡管它不是在所有的地方都合適，我們將根據(jù)金屬材料的一般類別來認(rèn)識他的特點(diǎn),來終結(jié)這個(gè)討論。
鑄鐵 鑄鐵是一種用于制造齒輪的最普通的材料。它價(jià)格低廉，易于鑄造，具有良好的切削加工性能，高耐磨性，良好的吸震性能。這些特性使它成為加工齒輪的合理選擇，鑄鐵作為齒輪材料的最大缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低，這使齒輪牙在彎曲時(shí)很弱，并且必須使用較大的輪齒。
鑄鐵的另一種類型是球墨鑄鐵，球墨鑄鐵是在鑄鐵中加入一種材料像鎂或者鈰，這種合成的結(jié)果是得到一種具有較高的抗拉強(qiáng)度同時(shí)又具有普通鑄鐵良好耐磨性和機(jī)械加工性能打材料。
通常，鑄鐵齒輪和鋼齒輪的嚙合將會在成本、強(qiáng)度、耐磨性等問題上給設(shè)計(jì)帶來平衡。
鋼 鋼制齒輪通常是普通碳鋼和合金鋼制成。它有優(yōu)于鑄鐵的特性，在不增加成本的情況下具有高強(qiáng)度。然而，它們通常通過熱處理產(chǎn)生足夠的表面強(qiáng)度來達(dá)到高耐磨性要求。不幸的是，熱處理過程通常產(chǎn)生使齒輪產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致齒輪的載荷與輪齒表面的變形不一致，因?yàn)楹辖痄摵吞间摫?，由于熱處理產(chǎn)生的變形小，它們選擇時(shí)更優(yōu)先選碳鋼。
盡管在這里不打算討論各種熱處理方法和對熱處理材料性能的影響。但設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮使用熱處理材料可能引起的問題。
齒輪經(jīng)常要進(jìn)行通體淬火，并用水或油冷卻以增加它的耐磨性。如果低硬度就能滿足要求。通體淬火可能是最能滿足要求的熱處理過程，并且它的價(jià)格并不昂貴。
表面硬化通常用于表面硬度要求高丹并不要求高精度的齒輪。表面硬化過程使齒輪表面比心部具有更高的硬度，表面硬化的優(yōu)勢是經(jīng)過表面硬化的齒輪表面硬度很高，耐磨性好，而其心部有具有較高的韌性。
滲碳、氰化處理、氮化處理和感應(yīng)淬火處理是用來產(chǎn)生表面硬化作用的過程。如果要求較高的精度，齒輪必須進(jìn)行研磨，在表面又耐腐蝕性要求的條件下，氮化處理是必須被使用的熱處理過程。然而，氰化處理是一個(gè)相對而言比較昂貴的過程，它只在其他熱處理過程不能產(chǎn)生滿意結(jié)果的情況下使用，火焰淬火和感應(yīng)淬火是通常被用于硬化大齒輪用的熱處理方法。
總結(jié)熱處理鋼的討論，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分利用沒有經(jīng)過熱處理的碳素鋼或合金鋼。如果較低表面硬度的未經(jīng)熱處理材料可以滿足要求時(shí)，隨著表面迎面硬度要求的增加，就考慮用熱處理鋼，選擇價(jià)格較低且能滿足強(qiáng)度和耐磨性的鋼。
有色金屬 銅、鋅、鋁和鈦是用于獲得齒輪合金的材料。銅合金，如青銅是最普遍應(yīng)用的，。在要求抗腐蝕性的和滑動速度存在的場合，他們非常有用，由于他們具有減少摩擦和磨損的性能，他們通常被用于作制造蝸輪蝸桿傳動中蝸輪的材料。鋁鋅合金被用于通過鑄法制造齒輪。
非金屬材料 非金屬材料被用于制造齒輪已經(jīng)很多年了，皮革、尼龍各種塑料等等都被用過，使用這類材料的優(yōu)勢是運(yùn)行安靜、潤滑良好、緩沖振動、制造經(jīng)濟(jì)。它們最重要的缺點(diǎn)是承載能力低，熱傳導(dǎo)能力差，這個(gè)缺點(diǎn)能導(dǎo)致齒輪的熱變形，并且嚴(yán)重削弱齒輪。
最近熱塑性樹脂也被用于齒輪材料，其采用玻璃纖維作為增強(qiáng)劑，潤滑劑作為添加劑，復(fù)合材料能產(chǎn)生較強(qiáng)的承載能力，減少熱量膨脹，較強(qiáng)的耐磨性和疲勞持久性。
緊固件材料的選擇
緊固件是有多種不同材料制成，例如：黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，這主要是因?yàn)榫o固件是在多種復(fù)合條件下工作和使用。
腐蝕是指金屬材料由于工作環(huán)境所引起的破壞和變質(zhì)。材料的腐蝕是很浪費(fèi)的，它很難被察覺并且在不知不覺中不斷加劇，而且材料的腐蝕很難被控制。它也是頻繁引起緊固件是失效的主要因素。每年由于腐蝕給美國工業(yè)造成的損失達(dá)到上百億美元，并且這種腐蝕沒有任何回報(bào)。
在分析緊固件的用途時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)該質(zhì)詢的問題之一是：該緊固件是要在什么樣的環(huán)境中使用和是否遭受腐蝕的侵襲？在有些情況下，這個(gè)問題是沒有答案的。任何肯定的答復(fù)都要求工程師去識別其暴露時(shí)的特征，預(yù)測可能產(chǎn)生的后果，并決定最有效的防范措施。由于考慮腐蝕作用的重要性，不進(jìn)要考慮材料在空氣中的暴露，還要考慮電化學(xué)腐蝕、高溫氧化腐蝕、高壓脆化腐蝕。
大多數(shù)材料都具有熱敏感特性。對于金屬類緊固件來說，增加溫度對其材料性能的最重要影響是消弱其強(qiáng)度特性。當(dāng)溫度變得足夠高，大約260℃甚至更高時(shí)，其他問題就相繼出現(xiàn)，像涂層破壞、高溫氧化或腐蝕，有時(shí)二者兼有，膨脹率不相容等。
很少的有色金屬適合在高溫下工作，并且非金屬一般應(yīng)避免在高溫下使用。因此，應(yīng)首先考慮黑色金屬材料，在中碳鋼和超級合金范圍內(nèi)尋找合適材料。當(dāng)溫度低于230℃時(shí)通常用來制造緊固件的高等級中碳鋼和合金鋼均可以達(dá)到他們的工作要求。當(dāng)溫度在230℃到480℃之間時(shí)，不銹鋼和鉻鉬鋼就能勝任工作。對于溫度更高時(shí)的情況，必須使用具有良好熱抗性的超級合金鋼。
在偶爾情況下，北部溫度下降到零下30℃，大多數(shù)金屬類緊固件將令人滿意地發(fā)揮其作用。然而，當(dāng)緊固件需要長時(shí)間的暴露在零下溫度的環(huán)境時(shí)，向北極地區(qū)經(jīng)歷的情況，謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)者應(yīng)該對緊固件的材料選擇作充分的考慮。
一般來說，隨著溫度的下降，大部分金屬材料的抗拉、屈服和抗剪強(qiáng)度都會隨之提高，不幸的是，金屬在其可鍛性和韌性降低時(shí)變得很脆弱，具有缺口敏感性的任何材料，像低碳鋼，非常不適用于低溫條件下。在特定應(yīng)用場合中的緊固件合適材料的選擇是非常難的。然而實(shí)際上，任何對各種材料的特性限度有基本知識的工程師會發(fā)現(xiàn)在各種基本材料中選擇合適的材料并不是很難。例如，倘若緊固件的主要功能是傳遞能量，考慮鋼，如果空氣中帶有腐蝕性，就應(yīng)該考慮帶有保護(hù)層的鋼，對于具有劇烈腐蝕性的環(huán)境選擇不銹鋼或有色金屬的一種，如果磁導(dǎo)率很重要，不要采用普通鋼材，而要選用奧氏體不銹鋼、鋁或者銅。
若強(qiáng)導(dǎo)電性是主要要求，就應(yīng)選擇鋁或銅。在需要考慮穩(wěn)定性的場合，要考慮非金屬材料，對于需要減輕重量的場合，選擇鋁，如若減輕重量有一個(gè)高強(qiáng)度的要求，最明確的選擇是鈦，若果考慮到高、低溫度要求，選擇不銹鋼和超合金。
主要是工程師不必成為一名有經(jīng)驗(yàn)的冶金家。工程師的職責(zé)是達(dá)到預(yù)期的工作要求并量化設(shè)計(jì)參數(shù)，保證緊固件達(dá)到要求，一旦工程師手里具有這些信息，合適材料的選擇將不再是一個(gè)問題。
在每種基材中，有多種經(jīng)過分析的化學(xué)成分，這些化學(xué)成分可以經(jīng)過挑選作為緊固件的特定材料。經(jīng)過適度的挑選制造和加工技術(shù)，用它們中任何一種生產(chǎn)能完全滿足工作性能的緊固件是可行的。設(shè)計(jì)師不需要對所有復(fù)雜的材料，制造生產(chǎn)方式等了如指掌。具體的選擇由緊固件的生產(chǎn)制造者，他們再合適的崗位對原材料技術(shù)做最后的選擇。
對于大多數(shù)緊固件的應(yīng)用，工程師明確了解其性能。指定其基材和環(huán)境以便于生產(chǎn)者分析判斷做最后的選擇，以確保生產(chǎn)計(jì)劃和經(jīng)濟(jì)在允許的范圍內(nèi)，生產(chǎn)者允許的界限越多，可以使他的設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)揮的效益越高。一般來說，緊固件的花費(fèi)與生產(chǎn)者允許選擇的范圍寬度直接相關(guān)。對于詳細(xì)的要求會扼殺獨(dú)創(chuàng)性造成成本劣勢。
緊固件中原材料的成本占其制造成本的30%到80%。到目前為止，最便宜的材料是低碳鋼，隨著碳含量的增加和合金成分增加鋼的價(jià)格也會增加，但中碳鋼和低合金仍然是最低價(jià)金屬材料的幾倍。例如總的來說，假定中碳鋼的成本為1，則300系列不銹鋼的成本為2.5，銅合金為5，鋁合金為6，銅鎳合金為20，鈦為75，而超級耐熱和耐低溫合金可達(dá)到100。設(shè)計(jì)工程師必須對原材料的成本很清楚，并且選擇的材料不能比其生產(chǎn)者提供的滿足工作性能的費(fèi)用高。
參考文獻(xiàn)：
施平 機(jī)械工程專業(yè)英語教程 電子工業(yè)出版社 2003