機械零件毛坯選擇.doc
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第 5 章 機械零件毛坯的選擇 機械零件的制造包括毛坯成形和切削加工兩個階段,毛坯成形不僅對后續(xù)的切削加工產(chǎn)生很大的影響,而且對零件乃至機械產(chǎn)品的質(zhì)量、使用性能、生產(chǎn)周期和成本等都有影響。因此,正確選擇毛坯的類型和生產(chǎn)方法對于機械制造具有重要意義。本章將著重介紹毛坯選擇的原則及典型機械零件毛坯的選擇。 5.1 毛坯選擇的原則 機械零件常用的毛坯類型有鑄件、鍛件、軋制型材、擠壓件、沖壓件、焊接件、粉末冶金件和注射成型件等,每種類型的毛坯都可以有多種成形方法,在選擇時我們遵循的原則是:在保證毛坯質(zhì)量的前提下,力求選用高效、低成本、制造周期短的毛坯生產(chǎn)方法。一般毛坯選擇步驟是:首先由設(shè)計人員提出毛坯材料和加工后要達(dá)到的質(zhì)量要求,然后再由工藝人員根據(jù)零件圖、生產(chǎn)批量,并綜合考慮交貨期限及現(xiàn)有可利用的設(shè)備、人員和技術(shù)水平等選定合適的毛坯生產(chǎn)方法。具體要考慮的因素有以下幾方面: 5.1.1 滿足材料的工藝性能要求 金屬是制造機械零件的主要材料,一旦材料確定后,其材料的工藝性能就是影響毛坯成形的重要因素,表5.1.1給出了常用金屬材料所適用的毛坯生產(chǎn)方法。 表5.1.1 常用材料的毛坯生產(chǎn)方法 材料 毛坯 生產(chǎn)方法 低 碳 鋼 中 碳 鋼 高 碳 鋼 灰 鑄 鐵 鋁 合 金 銅 合 金 不 銹 鋼 工模 具具 鋼鋼 塑料 橡膠 砂型鑄造 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 金屬型鑄造 ⊙ ⊙ ⊙ 壓力鑄造 ⊙ ⊙ 熔模鑄造 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 鍛造 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 冷沖壓 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 粉末冶金 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 焊接 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 擠壓型材 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 冷拉型材 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 備注 可壓制及吹塑 可壓制 注:表中“⊙”表示材料適宜或可以采用的毛坯生產(chǎn)方法。 5.1.2 滿足零件的使用要求 零件的使用要求主要包括零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸要求、零件的工作條件(通常指零件的受力情況、工作環(huán)境和接觸介質(zhì)等)以及對零件性能的要求等。 1. 結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的要求 機械零件由于使用功能不同,其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸往往差異較大,各種毛坯生產(chǎn)方法對零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的適應(yīng)能力也不相同,所以選擇毛坯時,應(yīng)認(rèn)真分析零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸特點,選擇與之相適應(yīng)的毛坯制造方法。對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的中小型零件,為了使毛坯形狀與零件較為接近,應(yīng)先確定以鑄件作為毛坯,然后再根據(jù)使用性能要求等選擇砂型鑄造、金屬型鑄造或熔模鑄造。對于結(jié)構(gòu)形狀很復(fù)雜且輪廓尺寸不大的零件,宜選擇熔模鑄造;對于結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜,且抗沖擊能力、抗疲勞強度要求較高的中小型零件,宜選擇模鍛件毛坯;對于那些結(jié)構(gòu)形狀相當(dāng)復(fù)雜且輪廓尺寸又較大的零件,宜選擇組合毛坯。 2. 力學(xué)性能的要求 對于力學(xué)性能要求較高,特別是工作時要承受沖擊和交變載荷的零件,為了提高抗沖擊和抗疲勞破壞的能力,一般應(yīng)選擇鍛件,如機床、汽車的傳動軸和齒輪等;對于由于其它方面原因需采用鑄件的,但又要求零件的金相組織致密、承載能力較強的零件,應(yīng)選擇相應(yīng)的能滿足要求的鑄造方法,如壓力鑄造、金屬型鑄造和離心鑄造等。 3. 表面質(zhì)量的要求 為降低生產(chǎn)成本,現(xiàn)代機械產(chǎn)品上的某些非配合表面有盡量不加工的趨勢,即實現(xiàn)少、無切屑加工。為保證這類表面的外觀質(zhì)量,對于尺寸較小的有色金屬件,宜選擇金屬型鑄造、壓力鑄造或精密模鍛;對于尺寸較小的鋼鐵件,則宜選擇熔模鑄造(鑄鋼件)或精密模鍛(結(jié)構(gòu)鋼件)。 4. 其它方面的要求 對于具有某些特殊要求的零件,必須結(jié)合毛坯材料和生產(chǎn)方法來滿足這些要求。例如,某些有耐壓要求的套筒零件,要求零件金相組織致密,不能有氣孔、砂眼等缺陷,則宜選擇型材(如液壓油缸常采用無縫鋼管);如果零件選材為鑄鐵,則宜選擇離心鑄造(如內(nèi)燃機的汽缸套,其材料為QT600-2,毛坯即為離心鑄造鑄件),對于在自動機床上進行加工的中小型零件,由于要求毛坯精度較高,故宜采用冷拉型材,如微型軸承的內(nèi)、外圈是在自動車床上加工的,其毛坯采用冷拉圓鋼。 5.1.3滿足降低生產(chǎn)成本的要求 要降低毛坯的生產(chǎn)成本,必須認(rèn)真分析零件的使用要求及所用材料的價格、結(jié)構(gòu)工藝性、生產(chǎn)批量等各方面情況。首先,應(yīng)根據(jù)零件的選材和使用要求確定毛坯的類型,再根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小和毛坯的結(jié)構(gòu)工藝性及生產(chǎn)批量大小確定具體的生產(chǎn)方法,必要時還可按有關(guān)程序?qū)υO(shè)計提出修改意見,以利于降低毛坯生產(chǎn)成本。 1. 生產(chǎn)批量較小時的毛坯選擇 生產(chǎn)批量較小,毛坯生產(chǎn)的生產(chǎn)率不是主要問題,材料利用率的矛盾也不太突出,這時應(yīng)主要考慮的是減少設(shè)備、模具等方面的投資,即使用價格比校便宜的設(shè)備和模具,以降低生產(chǎn)成本。如使用型材、砂型鑄造件、自由鍛件、胎模鍛件、焊接結(jié)構(gòu)件等作為毛坯。 2. 生產(chǎn)批量較大時的毛坯選擇 生產(chǎn)批量較大,提高生產(chǎn)率和材料的利用率,降低廢品率,對降低毛坯的單件生產(chǎn)成本將具有明顯的經(jīng)濟意義。因此,應(yīng)采用比較先進的毛坯制造方法來生產(chǎn)毛坯。盡管此時的設(shè)備造價昂貴、投資費用高,但分?jǐn)偟絾蝹€毛坯上的成本是較低的,并由于工時消耗、材料消耗及后續(xù)加工費用的減少和毛坯廢品率的降低,從而有效地降低毛坯生產(chǎn)成本。 5.1.4符合生產(chǎn)條件 為了兼顧零件的使用要求和生產(chǎn)成本兩個方面,在選擇毛坯時還必須與本企業(yè)的具體生產(chǎn)條件相結(jié)合。當(dāng)對外訂貨的價格低于本企業(yè)生產(chǎn)成本,且又能滿足交貨期要求時,應(yīng)當(dāng)向外訂貨,以降低成本。還要認(rèn)真分析以下三方面的情況: 1. 當(dāng)代毛坯生產(chǎn)的先進技術(shù)與發(fā)展趨勢,在不脫離我國國情及本廠實際的前提下,盡量采用比較先進的毛坯生產(chǎn)技術(shù); 2. 產(chǎn)品的使用性能和成本方面對毛坯生產(chǎn)的要求; 3. 本廠現(xiàn)有毛坯生產(chǎn)能力狀況,包括生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)力量(含工程技術(shù)人員和技術(shù)工人)、廠房等方面的情況。 總之,毛坯選擇應(yīng)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,獲得最好的經(jīng)濟效益。 5.2 典型零件的毛坯選擇 根據(jù)毛坯的選擇原則,下面分別介紹軸桿類、盤套類和機架箱體類等典型零件的毛坯的選擇方法。 圖5.2.1 軸桿類零件 5.2.1軸桿類零件的毛坯選擇 軸桿類零件是機械產(chǎn)品中支承傳動件、承受載荷、傳遞扭矩和動力的常見典型零件,其結(jié)構(gòu)特征是軸向(縱向)尺寸遠(yuǎn)大于徑向(橫向)尺寸,包括各種傳動軸、機床主軸、絲杠、光杠、曲軸、偏心軸、凸輪軸、齒輪軸、連桿、搖臂、螺栓、銷子等,如圖5.2.1所示。 軸類零件最常用的毛坯是型材和鍛件,對于某些大型的、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的軸也可用鑄件或焊接結(jié)構(gòu)件。 對于光滑的或有階梯但直徑相差不大的一般軸,常用型材(即熱軋或冷拉圓鋼)作為毛坯。 對于直徑相差較大的階梯軸或要承受沖擊載荷和交變應(yīng)力的重要軸,均采用鍛件作為毛坯。當(dāng)生產(chǎn)批量較小時,應(yīng)采用自由鍛件;當(dāng)生產(chǎn)批量較大時,應(yīng)采用模鍛件。 對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的大型軸類零件,其毛坯可采用砂型鑄造件、焊接結(jié)構(gòu)件或鑄一焊結(jié)構(gòu)毛坯。 下面舉例說明幾種軸桿類零件毛坯的選擇: 例1 如圖5.2.2所示為減速器傳動軸,工作載荷基本平衡,材料45鋼,小批量生產(chǎn)。由于該軸工作時不承受沖擊載荷,工作性質(zhì)一般,且各階梯軸徑相差不大,因此,可選用熱軋圓鋼作為毛坯。下料尺寸為Ф45㎜×220㎜。 減速器傳動軸的加工路線可設(shè)計為: 熱軋棒料下料一粗加工一調(diào)質(zhì)處理一精加工一磨削。 圖5.2.2 減速器傳動軸 例2 如圖5.2.3所示為磨床砂輪主軸,生產(chǎn)批量中等。砂輪主軸主要用于傳遞動力。該零件精度要求高,工作中將承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等載荷,要求具有較高的強度;同時,砂輪主軸與滑動軸承相配合,由于主軸轉(zhuǎn)速高容易導(dǎo)致軸頸與軸瓦磨損,故要求軸頸具有較高的硬度和耐磨性;另外,砂輪在裝拆過程中易使外圓錐面拉毛,影響加工精度,所以要求這些部位具有一定的耐磨性。根據(jù)以上要求,材料選擇為65Mn,毛坯采用模鍛件。 圖5.2.3磨床主軸簡圖 砂輪主軸的加工路線設(shè)計為: 下料一鍛造一退火一粗加工一調(diào)質(zhì)處理一精加工一表面淬火一粗磨一低溫人工時效一精磨。 退火的目的是消除鍛造應(yīng)力及組織不均勻性,降低硬度,改善加工性。 調(diào)質(zhì)處理是為了提高主軸的綜合性能,以滿足心部的強度要求,同時在表面淬火時能獲得均勻的硬化層。 表面淬火是為了使軸頸和外圓錐部分獲得高硬度,提高耐磨性。 人工時效的作用是進一步穩(wěn)定淬硬層組織和消除磨削應(yīng)力,以減少主軸的變形。 圖5.2.4 汽車排氣閥示意圖 例3 如圖5.2.4所示為汽車排氣閥的外形簡圖。該零件在高溫狀態(tài)下工作,要求材料為耐熱鋼,大批量生產(chǎn)。在保證滿足零件的使用要求的前提下,為節(jié)約較貴重的耐熱鋼,故采用焊接件毛坯。閥桿部分采用耐熱鋼,閥帽部分采用碳素結(jié)構(gòu)鋼,焊接方法采用電阻焊。 5.2.2盤套類零件的毛坯選擇 圖5.2.5 盤套類零件 盤套類零件是指直徑尺寸較大而長度尺寸相對較小的回轉(zhuǎn)體零件(一般長度與直徑之比小于1),如圖5.2.5所示。屬于這類零件的有各種齒輪、帶輪、飛輪、聯(lián)軸節(jié)、套環(huán)、軸承環(huán)、端蓋及螺母、墊圈等。 盤類零件由于其用途不同,所用的材料也不相同,毛坯生產(chǎn)方法也較多。下面主要討論幾種盤套類零件的毛坯選擇問題。 1. 帶輪的毛坯選擇 帶輪是通過中間撓性件(各種帶)來傳遞運動和動力的,一般載荷比較平穩(wěn)。因此,對于中小帶輪多采用HT150制造,故其毛坯一般采用砂型鑄造,生產(chǎn)批量較小時用手工造型;生產(chǎn)批量較大時可采用機器造型;對于結(jié)構(gòu)尺寸很大的帶輪,為減輕重量可采用鋼板焊接毛坯。 2.鏈輪的毛坯選擇 鏈輪是通過鏈條作為中間撓性件來傳遞動力和運動的,其工作過程中的載荷有一定的沖擊,且鏈齒的磨損較快。鏈輪的材料大多使用鋼材,最常用的毛坯為鍛件。單件小批生產(chǎn)時,采用自由鍛造;生產(chǎn)批量較大時使用模鍛;對于新產(chǎn)品試制或修配件,亦可使用型材;對于齒數(shù)大于50的從動鏈輪也可采用強度高于HT150的鑄鐵,其毛坯可采用砂型鑄造,造型方法視生產(chǎn)批量決定。 3 圓柱齒輪的毛坯選擇 齒輪的毛坯選擇取決于齒輪的選材、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、使用條件及生產(chǎn)批量等因素。對于鋼制齒輪,如果尺寸較小且性能要求不高,可直接采用熱軋捧料,除此之外,一般都采用鍛造毛坯。生產(chǎn)批量較小或尺寸較大的齒輪采用自由鍛造;生產(chǎn)批量較大的中小尺寸齒輪采用模鍛。對于直徑比較大,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的不便于鍛造的齒輪,采用鑄鋼毛坯或焊接組合毛坯。 5.2.6車床主軸箱中三聯(lián)滑動齒輪簡圖 例1 機床齒輪 一般來說,機床齒輪載荷不大,運動平穩(wěn),工作條件好,故對齒輪的耐磨性及沖擊韌度要求不高,材料選用中碳鋼,用熱軋圓鋼作為毛坯。圖5.2.6為C620—1車床主軸箱中Ⅲ軸上的三聯(lián)滑動齒輪簡圖,該齒輪主要用來傳遞動力并改變轉(zhuǎn)速,通過撥動箱外手柄使齒輪在Ⅲ軸上作滑移運動,與Ⅱ軸上的不同齒輪嚙合,以獲得不同的轉(zhuǎn)速??紤]到整個齒輪較厚,采用中碳鋼難以淬透,生產(chǎn)中也可選用中碳合金鋼如40Cr,齒面經(jīng)高頻淬火提高表面硬度和耐磨性。 其加工工藝路線為: 下料一鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)一精加工一齒輪高頻淬火及回火一精磨 正火處理對鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序,它可消除鍛造壓力,均勻組織,改善切削加工性。對于一般齒輪,正火也可作為高頻淬火前的最后熱處理工序。 調(diào)質(zhì)處理可以使齒輪獲得較高的綜合力學(xué)性能,齒輪可承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊力,并可減少淬火變形。 高頻淬火及低溫回火提高了齒輪表面硬度和耐磨性,并且使齒輪表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,提高了抗疲勞破壞的能力。低溫回火可消除淬火應(yīng)力,對防止產(chǎn)生磨削裂紋和提高抗沖擊能力是有利的。 例2 載重汽車的變速齒輪 汽車變速箱中的齒輪主要用來調(diào)節(jié)發(fā)動機曲軸和主軸凸輪的轉(zhuǎn)速比,以改變汽車的運行速度,其工作較為繁重,因此在疲勞極限、耐磨性以及抗沖擊等性能方面均比機床齒輪要求高,因此變速齒輪的材料大多選用合金滲碳鋼。圖5.2.7為解放牌汽車變速齒輪,采用20CrMnTi鋼,經(jīng)滲碳淬火處理及低溫回火后表面硬度為58~62HRC,心部硬度為30~45HRC,這種鋼具有良好的工藝性能,這對大量生產(chǎn)來說極為重要。毛坯生產(chǎn)方法采用模鍛。20CrMnTi鋼經(jīng)鍛造及正火后,切削加工性較好,同時有良好的淬透性、過熱傾向小、滲碳速度快及淬火變形小等熱處理工藝性能。 圖5.2.7為解放牌汽車變速齒輪 具體加工工藝路線如下: 下料一模鍛一正火一機械粗、半精加工(內(nèi)孔及端面留磨量)一滲碳(孔防滲)淬火、 低溫回火一噴丸一校正花鍵孔一珩(或磨)齒 正火是為了均勻和細(xì)化組織,消除鍛造應(yīng)力,獲得較好的切削加工性。 滲碳、淬火及低溫回火是為了使齒面具有高硬度及耐磨性,而心部可得到低碳馬氏體組織,有高的強度和足夠的韌性。 噴丸處理是一種強化手段,可使零件滲碳表層的壓應(yīng)力進一步增大,有利于提高疲勞強度,同時也可清除氧化皮。 5.2.3箱體機架類零件的毛坯選擇 箱體機架類零件是機器的基礎(chǔ)件,這類零件包括機身、齒輪箱、閥體、泵體、軸承座等,如圖5.2.8所示。 圖5.2.8 箱體、機架類零件 由于箱體類零件的結(jié)構(gòu)形狀一般都比較復(fù)雜,且內(nèi)部呈腔形,為滿足減振和耐磨等方面的要求,其材料一般都采用鑄鐵。為達(dá)到結(jié)構(gòu)形狀方面的要求,最常見的毛坯是砂型鑄造的鑄件。在單件小批生產(chǎn)、新產(chǎn)品試制或結(jié)構(gòu)尺寸很大時,也可采用鋼板焊接毛坯。 如圖5.2.9所示為泵體零件圖,材料為HT150,大批生產(chǎn)??紤]到該零件是泵的支承件,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,材料為灰鑄鐵,而且生產(chǎn)批量大等因素,選擇機器造型的砂型鑄造方法生產(chǎn)零件毛坯比較適宜。 圖5.2.9 泵體零件圖 復(fù)習(xí)與思考題 5—1 常用的毛坯形式有哪幾類?選擇毛坯應(yīng)遵循的基本原則是什么? 5—2 影響毛坯生產(chǎn)成本的主要因素有哪些?根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模,如何降低毛坯的生產(chǎn)成本? 5—3 軸類零件的常用毛坯有哪幾種?生產(chǎn)實際中如何選擇? 5—4 箱體機架類零件的常用毛坯有哪幾種?生產(chǎn)實際中如何選擇? a) 車床進給箱體,材料HT200,中批量生產(chǎn) 5—5 試為下圖所示的零件選擇合適的材料和毛坯生產(chǎn)方式。 b) 階梯軸,材料45鋼,小批生產(chǎn) c) 雙聯(lián)齒輪,材料40Cr,大批生產(chǎn) 題5—5圖 232- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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