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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(duì)材料力學(xué)性能的考慮,從零件工作條件中找出對(duì)材料力學(xué)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(gè)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(rùn)滑劑、海水、酸、堿、鹽等。必須研究零件的失效方式，找出對(duì)零件失效起主導(dǎo)作用的力學(xué)性能指標(biāo)。,2對(duì)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。工藝性
2、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(shí)，工藝周期的長(zhǎng)短和加工費(fèi)用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。,3對(duì)材料經(jīng)濟(jì)性的考慮,經(jīng)濟(jì)性涉及到材料成本的高低，供應(yīng)是否充分，加工工藝過程是否復(fù)雜、成品率的高低以及同一產(chǎn)品中使用金屬或鋼材型號(hào)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(duì)只要求表面性能高的零件，可選用廉價(jià)鋼種，然后進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。另外，應(yīng)當(dāng)以綜合效益來評(píng)價(jià)材料的經(jīng)濟(jì)性高低。,4對(duì)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(yīng)當(dāng)具有重量輕、美觀、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)。盡量采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成果，做到在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有創(chuàng)新
3、，有特色。在材料制造工藝和強(qiáng)化工藝上有改革、有先進(jìn)性。,5對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)組織可能性的考慮,一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)零件的制造，是采用手工操作還是機(jī)器操作；是采用單件生產(chǎn)還是采用機(jī)械化自動(dòng)流水作業(yè)，對(duì)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量也起著重要作用。在選材時(shí)，應(yīng)考慮到所選材料能滿足實(shí)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(duì)零件的工作特性和使用條件進(jìn)行周密的分析，找出主要損壞形式，從而恰當(dāng)?shù)靥岢鲋饕沽χ笜?biāo)。根據(jù)工作條件需要和分析，對(duì)該零件的設(shè)計(jì)制造提出必要的技術(shù)條件。材料的預(yù)選擇根據(jù)所提出的技術(shù)條件要求和工藝性、經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，對(duì)材料進(jìn)行預(yù)選擇?？梢酝ㄟ^與相類似機(jī)器零件的比較和已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的判斷，或者通過各
4、種材料選用手冊(cè)來進(jìn)行選擇。對(duì)預(yù)選方案材料進(jìn)行計(jì)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)最終確定合理選材方案。最后在中、小批量生產(chǎn)基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)選材的合理性。,幾種機(jī)械零件主要損壞形式和主要抗力指標(biāo),-1P抗壓或?qū)ΨQ拉伸疲勞強(qiáng)度；-1光滑試樣對(duì)稱歪曲疲勞強(qiáng)度；bb抗彎強(qiáng)度；bc抗壓強(qiáng)度；0.2條件屈服強(qiáng)度；e彈性極限；s屈服強(qiáng)度；b抗拉強(qiáng)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作用。工作條件：1)傳遞扭矩時(shí)齒根部承受較
5、大的交變彎曲應(yīng)力；2)齒嚙合時(shí)齒面承受較大接觸應(yīng)力并受強(qiáng)烈摩擦和磨損；3)換檔、啟動(dòng)、制動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)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(diǎn)剝落和過度磨損)。2、性能要求1)高彎曲疲勞強(qiáng)度，防止輪齒疲勞斷裂；2)足夠高的齒心強(qiáng)度和韌性，防止輪齒過載斷裂；3)足夠高的齒面接觸疲勞強(qiáng)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(jī)床齒輪工作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊，負(fù)荷不大，轉(zhuǎn)速中等，對(duì)齒輪心部強(qiáng)度和韌性要求不高，一般選用40或45鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理
6、后再進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱表面淬火，齒面硬度達(dá)52HRC左右，齒心硬度為220250HBS。對(duì)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(jī)齒輪工作條件比機(jī)床齒輪惡劣，受力較大，超載與啟動(dòng)、制動(dòng)和變速時(shí)受沖擊頻繁，對(duì)耐磨性、彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)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(jìn)行滲碳、淬火+低溫回火，表面硬度達(dá)5862HRC，心部硬度為3545HRC。,二、軸一）軸的工作條件、失效方式及性能要求1、工作條件和失效方式主要起支承傳動(dòng)零件并傳遞扭矩的作用
7、。工作條件：1)承受交變扭轉(zhuǎn)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(shí)也發(fā)生沖擊過載斷裂，個(gè)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(qiáng)度，防止軸疲勞斷裂；2）優(yōu)良綜合力學(xué)性能，即較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(zhuǎn)；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(yīng)具有特殊性能，如蠕變抗力、耐腐蝕性等。,二）軸的選材1、機(jī)床主軸承受中等扭轉(zhuǎn)-彎曲復(fù)合載荷，轉(zhuǎn)速中等并承受一定沖擊載荷。大多選用4
8、5鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)后軸頸及錐孔處再進(jìn)行表面淬火。載荷較大時(shí)選用40Cr鋼制造。歸于有些機(jī)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(duì)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(jìn)行滲碳處理。2、內(nèi)燃機(jī)主軸受汽缸中周期性變化的氣體壓力、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和沖擊力作用。通常低速內(nèi)燃機(jī)曲柄選用正火態(tài)45鋼或球墨鑄鐵；中速內(nèi)燃機(jī)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(jī)曲軸選用高強(qiáng)度合金鋼35CrMo、42CrMo、18CrNi4WA等。,3、汽輪機(jī)主軸尺寸大，
9、工作負(fù)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(yīng)力脆斷和應(yīng)力腐蝕斷裂。除要求材料有較高強(qiáng)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(diǎn)及焊接裂紋；對(duì)于在500以上工作的主軸還要求一定高溫強(qiáng)度。對(duì)于450以下工作的主軸，若汽輪機(jī)功率小(12000kW)，主軸尺寸較大，可選用35CrMo鋼，以提高淬透性。對(duì)于500以上工作的主軸，選用合金結(jié)構(gòu)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(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)主軸，要求材料有更高的高溫強(qiáng)度，一般選用合金結(jié)構(gòu)鋼20Cr3MoWV(
10、540)、鐵基高溫合金Cr14Ni26MoTi(GH2132)(650)和Cr14Ni35MoWTiAl(GH2135)(680)。,三、汽輪機(jī)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(jī)的“心臟”，直接起著將蒸汽或燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的作用。工作條件：1）受蒸汽和燃?xì)鈴澗氐淖饔茫?）受中、高壓過熱蒸汽的沖刷或濕蒸汽的電化學(xué)腐蝕或高溫燃?xì)獾难趸透g；3）受濕蒸汽中的水滴或燃?xì)庵须s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(dòng)疲勞、應(yīng)力腐蝕、蠕變疲勞及熱疲勞)和表面損傷(包括氧化、電化學(xué)腐蝕和磨損)。2、
11、性能要求1）高室溫強(qiáng)度、塑性和韌性及高溫強(qiáng)度；2）化學(xué)穩(wěn)定性好；3）導(dǎo)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(jī)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(fù)雜，要求材料具有良好冷、熱加工性能。,二）選材及熱處理對(duì)于中、低壓汽輪機(jī)，葉片工作溫度不高(500)，失效方式主要是共振疲勞斷裂和應(yīng)力腐蝕斷裂，應(yīng)選用減振性好的1Cr13和2Cr13馬氏體不銹鋼。對(duì)于高壓汽輪機(jī)，葉片工作溫度在500以上，蠕變抗力成為決定因素，應(yīng)選用奧氏體耐熱鋼1Cr18Ni9Ti。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)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(duì)材料熱強(qiáng)性要求更高。當(dāng)工作溫度低于650時(shí)選用奧氏體耐熱鋼1Cr17Ni13W、1Cr14Ni18W2NbBRE；在700750時(shí)，選用鐵基高溫合金Cr14Ni40MoWTiAl(GH2135)；在750950時(shí)，選用鎳基高溫合金Ni80Cr20(GH3030)。汽輪機(jī)后級(jí)葉片工藝路線：下料模鍛退火機(jī)械加工調(diào)質(zhì)熱整形去應(yīng)力退火機(jī)械加工葉片根鍍硬鉻拋光磁粉探傷成品,
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