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1、第九章典型零件選材及加工工藝路線,選材的一般原則與方法典型零件(齒輪類、軸類、彈簧類、葉片類）的選材,第一節(jié)選材的一般原則與方法,一、選材的一般原則,1．對材料力學性能的考慮,從零件工作條件中找出對材料力學性能的要求。將零件的工作條件分為受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等幾個方面。受力狀態(tài)有拉、壓、彎、扭等；載荷性質(zhì)有靜載、沖擊、交變等；工作溫度可分為低溫、室溫、高溫、交變溫度；環(huán)境介質(zhì)為與零件接觸的介質(zhì)，如潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等。必須研究零件的失效方式，找出對零件失效起主導作用的力學性能指標。,2．對材料工藝性能的考慮,材料本身工藝性能的好壞將直接影確零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。工
2、藝性能中最突出的是可切削性和熱處理工藝性(包括淬透性、變形規(guī)律、氧化脫碳傾向等)。在大量生產(chǎn)時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產(chǎn)的關鍵。,3．對材料經(jīng)濟性的考慮,經(jīng)濟性涉及到材料成本的高低，供應是否充分，加工工藝過程是否復雜、成品率的高低以及同一產(chǎn)品中使用金屬或鋼材型號的多少等。選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不選用合金鋼。對只要求表面性能高的零件，可選用廉價鋼種，然后進行表面強化處理。另外，應當以綜合效益來評價材料的經(jīng)濟性高低。,4．對產(chǎn)品“輕型化、高壽命”的考慮,從商品的銷售和用戶的愿望考慮，產(chǎn)品還應當具有重量輕、美觀、經(jīng)久耐用等特點。盡量采用先進科學技術成果，做到在結構設計方
3、面有創(chuàng)新，有特色。在材料制造工藝和強化工藝上有改革、有先進性。,5．對實現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)組織可能性的考慮,一個產(chǎn)品或一個零件的制造，是采用手工操作還是機器操作；是采用單件生產(chǎn)還是采用機械化自動流水作業(yè)，對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量也起著重要作用。在選材時，應考慮到所選材料能滿足實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的可能性。,二、選材的一般方法與過程,對零件的工作特性和使用條件進行周密的分析，找出主要損壞形式，從而恰當?shù)靥岢鲋饕沽χ笜?。根?jù)工作條件需要和分析，對該零件的設計制造提出必要的技術條件。材料的預選擇根據(jù)所提出的技術條件要求和工藝性、經(jīng)濟性方面的考慮，對材料進行預選擇?？梢酝ㄟ^與相類似機器零件的比較和已有的實踐經(jīng)驗的判斷，
4、或者通過各種材料選用手冊來進行選擇。對預選方案材料進行計算，以確定是否能滿足上述工作條件要求。材料的二次(或最終)選擇，可以是若干種方案。通過實驗室試驗、臺架試驗和工藝性能試驗最終確定合理選材方案。最后在中、小批量生產(chǎn)基礎上，檢驗選材的合理性。,幾種機械零件主要損壞形式和主要抗力指標,σ-1P—抗壓或對稱拉伸疲勞強度；σ-1—光滑試樣對稱歪曲疲勞強度；σbb—抗彎強度；σbc—抗壓強度；σ0.2—條件屈服強度；σe—彈性極限；σs—屈服強度；σb—抗拉強度,第二節(jié)典型零件選材及工藝路線分析,一、齒輪一）齒輪的工作條件、失效方式及性能要求1、工作條件和失效方式主要起傳遞扭矩、變速或改變傳力方向的
5、作用。工作條件：1)傳遞扭矩時齒根部承受較大的交變彎曲應力；2)齒嚙合時齒面承受較大接觸應力并受強烈摩擦和磨損；3)換檔、啟動、制動或嚙合不均勻時承受一定沖擊力。失效方式：齒的折斷(包括疲勞斷裂和沖擊過載斷裂)和齒面損傷(包括接觸疲勞麻點剝落和過度磨損)。2、性能要求1)高彎曲疲勞強度，防止輪齒疲勞斷裂；2)足夠高的齒心強度和韌性，防止輪齒過載斷裂；3)足夠高的齒面接觸疲勞強度和高硬度及耐磨性，防止齒面損傷；4)較好工藝性能，如切削加工性好，熱處理變形小或變形有一定規(guī)律，過熱傾向小，有一定淬透性等。,二）選材及熱處理1、機床齒輪工作平穩(wěn)無強烈沖擊，負荷不大，轉速中等，對齒輪心部強度和韌性要求不
6、高，一般選用40或45鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后再進行高頻感應加熱表面淬火，齒面硬度達52HRC左右，齒心硬度為220~250HBS。對于一部分性能要求較高的齒輪，可用中碳低合金鋼(如40Cr、40MnB、45Mn2等)。2、汽車、拖拉機齒輪工作條件比機床齒輪惡劣，受力較大，超載與啟動、制動和變速時受沖擊頻繁，對耐磨性、彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度、心部強度和韌性等性能要求較高，選用合金滲碳鋼(20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB)較為適宜。經(jīng)正火處理后再進行滲碳、淬火+低溫回火，表面硬度達58~62HRC，心部硬度為35~45HRC。,二、軸一）軸的工作條件、失效方式及性能要求1、工作
7、條件和失效方式主要起支承傳動零件并傳遞扭矩的作用。工作條件：1)承受交變扭轉載荷、交變彎曲載荷或拉-壓載荷；2)局部(軸頸、花鍵等處)承受摩擦和磨損；3)特殊條件下受溫度或介質(zhì)作用。失效方式主要是疲勞斷裂和軸頸處磨損，有時也發(fā)生沖擊過載斷裂，個別情況下發(fā)生塑性變形或腐蝕失效。2、性能要求1）高疲勞強度，防止軸疲勞斷裂；2）優(yōu)良綜合力學性能，即較高的屈服強度和抗拉強度、較高的韌性，防止塑性變形及過載或沖擊載荷作用下的折斷和扭轉；3）局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨損失效；4）在特殊條件下工作的軸的材料應具有特殊性能，如蠕變抗力、耐腐蝕性等。,二）軸的選材1、機床主軸承受中等扭轉-彎曲
8、復合載荷，轉速中等并承受一定沖擊載荷。大多選用45鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后軸頸及錐孔處再進行表面淬火。載荷較大時選用40Cr鋼制造。歸于有些機床主軸如萬能銑床主軸，也可用球墨鑄鐵代替45鋼來制造。對于要求高精度、高尺寸穩(wěn)定性及耐磨性的主軸如鏜床主軸，往往用38CrMoAlA鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后再進行滲碳處理。2、內(nèi)燃機主軸受汽缸中周期性變化的氣體壓力、曲柄連桿機構的慣性力、扭轉和彎曲應力及扭轉振動和沖擊力作用。通常低速內(nèi)燃機曲柄選用正火態(tài)45鋼或球墨鑄鐵；中速內(nèi)燃機曲柄選用調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼或球墨鑄鐵、調(diào)質(zhì)態(tài)中碳低合金鋼40Cr、45Mn2、50Mn2等；高速內(nèi)燃機曲軸選用高強度合金鋼35CrMo、42CrMo
9、、18CrNi4WA等。,3、汽輪機主軸尺寸大，工作負荷大，受彎矩、扭矩及離心力和溫度的聯(lián)合作用，工作條件惡劣。失效方式主要是蠕變變形和由內(nèi)部缺陷引起的低應力脆斷和應力腐蝕斷裂。除要求材料有較高強度及足夠塑性和韌性外，還要求鍛件中不出現(xiàn)較大夾雜物、白點及焊接裂紋；對于在500℃以上工作的主軸還要求一定高溫強度。對于450℃以下工作的主軸，若汽輪機功率小(12000kW)，主軸尺寸較大，可選用35CrMo鋼，以提高淬透性。對于500℃以上工作的主軸，選用合金結構鋼，一般高中壓主軸選用25CrMoVA或27Cr2MoVA鋼，低壓主軸選用15CrMoV或17CrMoV鋼。對于燃氣輪機主軸，要求材料有
10、更高的高溫強度，一般選用合金結構鋼20Cr3MoWV(<540)、鐵基高溫合金Cr14Ni26MoTi(GH2132)(<650℃)和Cr14Ni35MoWTiAl(GH2135)(<680℃)。,三、汽輪機葉片一）工作條件、失效方式及性能要求1、工作條件和失效方式葉片是汽輪機的“心臟”，直接起著將蒸汽或燃氣的熱能轉變?yōu)闄C械能的作用。工作條件：1）受蒸汽和燃氣彎矩的作用；2）受中、高壓過熱蒸汽的沖刷或濕蒸汽的電化學腐蝕或高溫燃氣的氧化和腐蝕；3）受濕蒸汽中的水滴或燃氣中雜質(zhì)的磨損；4）由于外界干擾力的頻率和葉片的自振頻率相等而產(chǎn)生的共振力作用。失效方式：蠕變變形、斷裂(包括振動疲勞、應力腐蝕、
11、蠕變疲勞及熱疲勞)和表面損傷(包括氧化、電化學腐蝕和磨損)。2、性能要求1）高室溫強度、塑性和韌性及高溫強度；2）化學穩(wěn)定性好；3）導熱性好，熱膨脹系數(shù)小，抗熱疲勞斷裂；4）耐磨性好，抗沖擊磨損和機械磨損；5）減振性好，抗共振疲勞斷裂；6）由于葉片數(shù)量多、成形工藝復雜，要求材料具有良好冷、熱加工性能。,二）選材及熱處理對于中、低壓汽輪機，葉片工作溫度不高(<500℃)，失效方式主要是共振疲勞斷裂和應力腐蝕斷裂，應選用減振性好的1Cr13和2Cr13馬氏體不銹鋼。對于高壓汽輪機，葉片工作溫度在500℃以上，蠕變抗力成為決定因素，應選用奧氏體耐熱鋼1Cr18Ni9Ti。對于燃氣輪機葉片，因工作溫度更高，失效方式為蠕變變形、蠕變斷裂和蠕變疲勞或熱疲勞斷裂,對材料熱強性要求更高。當工作溫度低于650℃時選用奧氏體耐熱鋼1Cr17Ni13W、1Cr14Ni18W2NbBRE；在700～750℃時，選用鐵基高溫合金Cr14Ni40MoWTiAl(GH2135)；在750～950℃時，選用鎳基高溫合金Ni80Cr20(GH3030)。汽輪機后級葉片工藝路線：下料→模鍛→退火→機械加工→調(diào)質(zhì)→熱整形→去應力退火→機械加工葉片根→鍍硬鉻→拋光→磁粉探傷→成品,
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