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第9章 典型工件的选材 及工艺路线设计,内容提要: 本章重点阐明齿轮、轴类零件、弹簧和刃具的工作条件、失效形式、性能要求及选材分析,举例说明典型工件的工艺路线。学习目标: 本章是课程的重点章。要求掌握齿轮(机床和汽车齿轮)、轴类零件、刃具的选材,进行工艺路线分析。 熟悉弹簧的选材。,9.1 齿轮选材 老师提示:重点内容9.1.1 齿轮的工作条件 (1) 由于传递扭矩,齿根承受很大的交变弯曲应力; (2) 换挡、启动或啮合不均时,齿部承受一定冲击载荷; (3) 齿面相互滚动或滑动接触,承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。,9.1.2 齿轮的失效形式(1) 疲劳断裂 主要从根部发生; (2) 齿面磨损 由于齿面接触区摩擦,使齿厚变小;,疲劳断裂 齿面磨损,(3) 齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下,齿面产生微裂纹,微裂纹的发展,引起点状剥落(或称麻点);(4) 过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。,齿面剥落 轮齿冲击断裂,9.1.3 齿轮材料的性能要求 (1) 高的弯曲疲劳强度; (2) 高的接触疲劳强度和耐磨性; (3) 较高的强度和冲击韧性。 (4) 要求有较好的热处理工艺性能,如热处理变形小等。,9.1.4 齿轮类零件的选材,这类钢的工艺性能好,经济上也较合理,是比较理想的材料。,经表面强化处理后,表面有高的强度和硬度,心部有好的韧性,能满足使用要求。,选用低、中碳钢或其合金钢。,9.1.5 典型齿轮选材举例,机床变速箱齿轮担负传递动力,改变运动速度和方向的任务。工作条件较好,转速中等,载荷不大,工作平稳无强烈冲击。,机床变速箱齿轮,一般可选中碳钢(45钢)制造,为了提高淬透性,也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。,一、机床齿轮,其它机床齿轮材料:冲击载荷小的低速齿轮可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外, 有的还可改用塑料齿轮,如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮, 工作时传动平稳, 噪声减少, 长期使用磨损很小。,二、汽车齿轮 汽车齿轮主要装在变速箱和差速器中。 汽车齿轮受力较大,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。,汽车后桥齿轮,一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。,9.2 轴类零件选材 老师提示:重点内容 9.2.1 轴类零件的工作条件 (1) 工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用; (2) 轴与轴上零件有相对运动, 相互间存在摩擦和磨损; (3) 轴在高速运转过程中会产生振动, 使轴承受冲击载荷; (4) 多数轴会承受一定的过载载荷。,9.2.2 轴类零件的失效方式,转轴弯曲疲劳 断口形貌,(1)长期交变载荷下的疲劳断裂。 (包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂);,9.2.3 轴类零件的性能要求(1) 良好的综合机械性能,足够强度、塑性和一定韧性, 以防过载断裂、冲击断裂; (2) 高疲劳强度, 对应力集中敏感性低, 以防疲劳断裂; (3) 足够淬透性, 热处理后表面要有高硬度、高耐磨性, 以防磨损失效; (4) 良好切削加工性能, 价格便宜。,9.2.4 轴类零件材料及选材方法一、材料经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造(兼顾强度和韧性,同时考虑疲劳抗力);一般轴类零件使用碳钢。如35、40、45、50钢;载荷较大、轴颈的耐磨性要求高时采用合金调质钢:40Cr、40MnB、40CrNiMo或者渗碳钢:20Cr、20CrMnTi曲轴可采用球墨铸铁和高强度灰铸铁。,二、选择原则根据载荷大小、类型等决定。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,材料应具有较高淬透性。,9.2.5 典型轴的选材 一、机床主轴选材 主轴受交变弯曲 和扭转复合应力作用, 载荷和转速不高,冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。,C620车床主轴简图,大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦,这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。, C620车床主轴主轴用45钢制造。练习:制定工艺路线,其它主轴材料: 载荷较大的主轴用40Cr钢制造。 承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢(20Cr或20CrMnTi)制造。,二、内燃机曲轴选材 1. 曲轴工作条件、性能要求、材料 (1)工作条件 曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。造成曲轴的扭转和弯曲振动,应力分布不均匀;曲轴颈与轴承有滑动摩擦。,(2)性能要求 失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。 材料要有高强度、一定的冲击韧性。要有足够弯曲、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; 铸造曲轴:铸钢: ZG25球墨铸铁:QT600-3、QT700-2 珠光体可锻铸铁及合金铸铁:KTZ450-5KTZ500-4,2. 175A型农用柴油机曲轴选材 (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b750 MPa, 2%, ak150 kJ/m2 整体硬度240 HBS260 HBS 轴颈表面硬度625 HV。,175A型柴油机曲轴简图,(2)曲轴材料 QT700-2,(3)工艺路线 铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。,老师提示 汽车发动机曲轴也可用45、40Cr钢制造,经过模锻、调质、切削加工后, 在轴颈部位进行表面淬火。,9.3 弹簧选材弹簧利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点,在载荷作用产生下变形时,把机械功或动能转变为形变能;在恢复变形时,把形变能转变为动能或机械功。,弹簧有下列用途:(1) 缓冲或减振 如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。(2) 定位 如机床及其夹具中利用弹簧将定位销(或滚珠)压在定位孔(或槽)中。(3) 复原 外力去除后自动恢复到原来位置,如汽车发动机中的气门弹簧。(4) 储存和释放能量 如钟表、玩具中的发条。(5) 测力 如弹簧称、测力计中使用的弹簧。,9.3.1 弹簧的工作条件(1) 弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时,材料将承受弯曲应力或扭转应力。(2) 缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。(3) 某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。,9.3.2 弹簧的失效形式(1) 塑性变形 载荷去掉后,弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。(2) 疲劳断裂 在交变应力作用下,产生疲劳源,裂纹扩展造成断裂。(3) 快速脆性断裂 存在缺陷,当受到过大的冲击载荷时,发生突然脆性断裂。(4) 腐蚀断裂及永久变形 在腐蚀性介质中使用的弹簧产生应力腐蚀断裂。高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛,产生永久变形。,9.3.3 弹簧材料的性能要求 (1)高的弹性极限e和高的屈强比s/b 弹簧工作时不允许有永久变形。弹性极限越大,弹簧可承受的外载荷越大。当材料直径相同时,碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的抗拉强度相差很小,但屈强比差别较大。65钢为0.760Si2Mn钢为0.7550CrVA钢为0.9屈强比高,可充分发挥材料的承载潜力。,(2)高的疲劳强度 弯曲疲劳强度-1和扭转疲劳强度-1 越大,则弹簧的抗疲劳性能越好。,(3)好的材质和表面质量 夹杂物含量少,晶粒细小,表面质量好,缺陷少,对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断裂十分重要。,(4)某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性 在腐蚀性介质和高温条件下使用。,9.3.4 弹簧的选材一、弹簧钢 (1)热轧弹簧用材 通过热轧方法加工成园钢、方钢、盘条、扁钢,制造尺寸较大,承载较重的螺旋弹簧或板簧。弹簧热成型后要进行淬火及回火处理。,(2)冷轧(拔)弹簧用材 以盘条、钢丝或薄钢带(片)供应,用来制作小型冷成型螺旋弹簧、片簧、蜗卷弹簧等。,主要弹簧钢:65、70、65Mn、55Si2Mn、55Si2MnB、60Si2Mn、50CrVA、50CrMn,二、不锈钢 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 通过冷轧(拔)加工成带或丝材, 制造在腐蚀性介质中使用的弹簧。,9.3.5 典型弹簧选材 一、汽车板簧 (1) 用途及性能要求 用于缓冲和吸振,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。,汽车板簧,(2) 材料轻型汽车板簧65Mn、60Si2Mn中型或重型汽车板簧50CrMn, 55SiMnVB 重型载重汽车大截面板簧55SiMnMoV, 55SiMnMoVNb,(3) 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淬火 温度为850 860 (60Si2Mn钢为870 ), 采用油冷, 淬火后组织为马氏体。回火 温度为420 500 , 组织为回火屈氏体。屈服强度0.2不低于1100 MPa硬度为42 HRC47 HRC冲击韧性ak为250 KJ/m2300 KJ/m2,二、火车螺旋弹簧 (1) 用途及性能要求 机车和车箱的缓冲和吸振, 其使用条件和性能要求与汽车板簧相近。,(2) 材料 50CrMn、55SiMnMoV,三、气门弹簧(1) 用途 内燃机气门弹簧是一种压缩螺旋弹簧。 用途是在凸轮、摇臂或挺杆的联合作用下, 使气门打开和关闭,承受应力不是很大。采用淬透性比较好、晶粒细小、有一定耐热性的50CrVA钢制造。,(2) 工艺路线冷卷成型淬火中温回火喷丸强化两端磨平。 将冷拔退火后的盘条用卷簧机卷制成螺旋状, 切断后两端并紧。850 860 加热后油淬, 再经520 回火, 组织为回火屈氏体。弹簧弹性好, 屈服强度和疲劳强度高, 有一定的耐热性。,气门弹簧也可用冷拔后经油淬及回火后的钢丝制造,冷卷簧后经300 350 去应力退火。,四、自行车手闸弹簧 手闸弹簧是一种扭转弹簧,使手闸复位。承受载荷小,不受冲击和振动作用,精度要求不高。用60或65钢制造。经过冷拔加工获得的钢丝直接冷卷、弯钩成形即可。卷后可200 220 加热消除内应力,一般也可不进行热处理。,五、继电器簧片 (1) 用途及性能要求 继电器簧片是一种片簧,其作用是使两电触点接触时,产生一定大小的压力,以保证触头紧密接触良好导电。簧片所受弯曲应力很小。 簧片材料要有好的弹性、导电性和耐蚀性。,继电器簧片,(2) 材料 黄铜(H70)、锡青铜(QSn6.5-0.1)、白铜(B19)黄铜的导电性好,抗疲劳性能较高,弹性一般,价格较低。锡青铜的导电性稍低,但抗疲劳性能高,弹性好,价格稍高。白铜的导电性好,抗蚀性高,抗疲劳性能较高,弹性好,价格较贵。,簧片生产工艺简单,用上述材料的冷轧薄片冲裁下料成形制造。,9.4 刃具选材 老师提示:重点内容切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。,切削加工,9.4.1 刃具的工作条件 (1)刃具切削材料时,刃部受到很大的弯曲应力。钻头、铰刀还会受到较大的扭转应力作用。 (2)刃具刃部与被切削材料强烈摩擦,刃部温度可升到500 C600 C。 (3)机用刃具往往承受较大的冲击与震动。,9.4.2 刃具的失效形式(1)磨损 磨损增加切削抗力,降低切削零件表面质量,使被加工零件的形状和尺寸精度降低。(2)断裂 在冲击力及震动的作用下折断或崩刃。(3)刃部软化 刃部温度升高,刃部硬度容易下降,丧失切削加工能力。,9.4.3 刃具材料的性能要求(1)高硬度,高耐磨性。硬度一般要大于62 HRC;(2)高的红硬性;(3)强韧性好;(4)高的淬透性。可采用较低的冷速淬火,以防止刃具变形和开裂。,
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