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零件选材方法总结

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文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2017-11-30 15:56:00

工程材料中应用最多的是钢材,因为它们具有强度高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能,用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。

一、机床零件的选材分析

机床零件的品种繁多,按结构特点、功用和受载特点可分为:轴类零件、齿轮类零件、机床导轨、垫片等。

1.机床轴类零件的选材 机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同,主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型,大体上可以分为四类:

(1)轻载主轴。工作载荷小,冲击载荷不大,轴颈部位磨损不严重,例如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造,经调质或正火处理,在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。

(2)中载主轴。中等载荷,磨损较严重,有一定的冲击载荷,例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造,如40Cr钢,经调质处理,要求耐磨部位进行表面淬火强化。

(3)重载主轴。工作载荷大,磨损及冲击都较严重,例如工作载荷大的组合机床主轴。一般用20CrMnTi钢制造,经渗碳、淬火处理。

(4)高精度主轴。有些机床主轴工作载荷并不大,但精度要求非常高,热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微,例如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造,经调质处理后,进行氮化及尺寸稳定化处理。 过去,主轴几乎全部都是用钢制造的,现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。

2.机床齿轮类零件的选材

机床齿轮按工作条件壳分为三类:

(1)轻载齿轮。转动速度一般都不高,大多用45钢制造,经正火或调质处理。

(2)中载齿轮。一般用45钢制造,正火或调质后,再进行高频表面淬火强化,以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮,则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮,大部分属于这一类。

(3)重载齿轮。对于某些工作载荷较大,特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如:变速箱中一些重要传动齿轮等。

3.机床导轨的选材

机床导轨的精度对整个机床的精度有很大的影响。必须防止其变形和磨损,所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造,如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好,但抗磨粒磨损能力较差。为了提高耐磨性,可以对导轨表面进行淬火处理。  

二、拖拉机及汽车零件的选材分析

1.发动机和传动系统零件的选材

这两部分包括的零件相当多。其中,有大量的齿轮和各种轴,还有在高温下工作的零件,如进、排气阀、活塞等。它们的用材都比较重要,目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂,发动机和传动系统的选材是不相同的。应该根据零件的具体工作条件及实际的失效方式,通过大量的计算和试验选出合适的材料。

2.减轻汽车自重的选材

随着能源和原材料供应的日趋短缺,人们对汽车节能降耗的要求越来越高。而减轻自重可提高汽车的重量利用系数,减少材料消耗和燃油消耗,这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。

减轻自重所选用的材料,比传统的用材应该更轻且能保证事业性能。比如,用铝合金或镁合金代替铸铁,重量可减轻至原来的1/3~1/4,但并不影响其使用性能;采用新型的双相钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件,可以使用比较薄的板材,减轻自重,但一点不降低构件的强度;在车身和某些不太重要的结构件中,采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材,也可以降低自重,减少能耗。 

三、典型零件的选材实例

1.机床主轴

机床主轴是典型的受扭转—弯曲复合作用的轴件,它受的应力不大(中等载荷),承受的冲击载荷也不大,如果使用滑动轴承,轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造,并进行调质处理,轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。

车床主轴的选材结果如下:

材料:45号钢

热处理:整体调质,轴颈及锥孔表面淬火。

性能要求:整体硬度NB220~HB240;轴颈及锥孔处硬度HRC52。

工艺路线:锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。

该轴工作应力很低,冲击载荷不大,45钢处理后屈服极限可达400MPa以上,完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。

2.拖拉机半轴

汽车半轴是典型的受扭矩的轴件,但工作应力较大,且受相当大的冲击载荷,其结构如图5所示。最大直径达50mm左右,用45钢制造时,即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性,并在油中淬火防止变形和开裂,中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造,重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。  

例:铁牛45半轴

材料:40Cr(好点可以用P20,相对40Cr材质整体硬度更稳定,局部不会相差太大)。

热处理:整体调质。

性能要求:杆部HRC37~HRC44;盘部外圆HRC24~HRC34。

工艺路线:下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。

3.机床齿轮

机床齿轮工作条件较好,工作中受力不大,转速中等,工作平稳无强烈冲击,因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高,一般用45钢制造,采用高频淬火表面强化,齿面硬度可达HRC52左右,这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后,心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kg·m/cm2的冲击韧性,能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮,可用合金调质钢(如40Cr等)制造。这时心部强度及韧性都有所提高,弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。

例:普通车床床头箱传动齿轮。

材料:45号钢

热处理:正火或调质,齿部高频淬火和低温回火。

性能要求:齿轮心部硬度为HB220~HB250;齿面硬度HRC52。

工艺路线:下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火(拉花键孔)→精磨。

4.拖拉机齿轮

拖拉机齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣,特别是主传动系统中的齿轮,它们受力较大,超载与受冲击频繁,因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大,用高频淬火强化表面不能保证要求,所以拖拉机的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造,特别是后者在我国拖拉机齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性,除了渗碳、淬火外,还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后,齿面硬度可提高HRC1~3单位,耐用性可提高7~11倍。

例:拖拉机后桥圆锥主动齿轮。

材料:20CrMnTi钢。

热处理:渗碳、淬火、低温回火,渗碳层深1.2mm~1.6mm。

性能要求:齿面硬度HRC58~HRC62,心部硬度HRC33~HRC48。

工艺路线:下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨加工。

以上各类零件的选材是根据金华洲的诸多零件生产商总结而来,只能作为机械零件选材时进行类比的参照,这些都是长期经验积累的结果。经验和指导固然很重要,但是只凭经验是不能得到最好的效果的。在具体选材时,还要参考有关的机械设计手册、工程材料手册,结合实际情况进行初选,重要零件在初选后,必须进行强度计算校核,确定零件尺寸后,还需审查所选材料淬透性是否符合要求,并确定热处理技术条件。目前比较好的方法是,根据零件的工作条件和失效方式,对零件可选用的材料进行定量分析,然后参考有关经验作出选材的最后决定,选出最相匹配的材质和工艺,优秀的选材能力可以助你在行业里提高竞争力。

此文关键字:零件选材 45号钢 45# P20 40Cr

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