學習目標
明確零件成型工藝選擇的一般原則；熟悉零件熱處理的技術條件；熟悉典型零件的選材，會對其進行工藝分析。
重點與難點
重點：零件成型工藝選擇的一般原則；零件熱處理的技術條件。
難點：軸杆類零件、齒輪類零件和箱體類零件的選材及工藝分析。
零件成型工藝選擇的一般原則
本節要點：零件成型工藝的選擇原則。
除了少數效能要求不高的零件以外，大多數機械零件都要通過鑄造、鍛壓或焊接等成型工藝製成毛坯，然後再經切削加工製成成品。因此，零件成型工藝的選擇是否合理，不僅影響每個零件甚至整部機械的製造質量和使用效能，對零件的工藝製造過程，生產週期和成本也有很大的影響。表4-5列出了常用毛坯成型的生產方法及相關內容的比較，可供參考。
選擇毛坯成型工藝時必須考慮以下原則：
1.保證零件的使用要求
成型後的毛坯製成零件後，應滿足其使用要求。零件的使用要求包括對零件形狀和尺寸的要求，以及工作條件對零件效能的要求。例如工具機的主軸，是工具機上的關鍵零件，尺寸、形狀和加工精度要求很高，受力複雜，在長期使用過程中只允許發生極微小的變形，因此應選用45鋼或40cr等具有良好綜合力學效能的材料，經鍛造製坯及嚴格的切削加工和熱處理製成。
2.降低製造成本，滿足經濟性要求
乙個零件的製造成本包括其本身的材料費以及所消耗的燃料費、動力費用、人工費、各項折舊費。單件、小批生產時，對於鑄件應優先選用灰鑄鐵和手工砂型鑄造方法；對於鍛件應優先選用碳素結構鋼和自由鍛方法；在生產急需時，應優先選用低碳鋼和手工電弧焊方法製造焊接結構毛坯。在大批量生產中，對於鑄件應採用機器造型的鑄造方法，鍛件應優先選用模型鍛造方法，焊接件應優先選用低合金高強度結構鋼材料和自動、半自動的埋弧焊、氣體保護焊等方法製造毛坯。
3.考慮實際生產條件
根據使用效能要求和製造成本分析所選定的毛坯成型方法是否能實現，還必須考慮企業的實際生產條件。
上述三條原則是相互聯絡的，考慮時應在保證使用要求的前提下，力求做到***、成本低和製造周期短。
表4-6常用毛坯成型的方法及其相關內容比較
零件熱處理的技術條件
本節要點：熱處理工藝分類
熱處理是機械製造過程中的重要工序。熱處理技術條件的內容包括：零件的最終熱處理方法，熱處理後應達到的力學效能指標（僅需標註出硬度值）等。
但對於某些力學效能要求較高的重要零件，如曲軸、連桿、齒輪等，還應標出強度、塑性等指標，有的還應提出對金相顯微組織的要求。對於滲碳件還應標註出滲碳、淬火、回火後的硬度（表面和心部）、滲碳的部位（全部或區域性）、滲碳層深度等。對於表面淬火零件，在圖樣上應標出淬硬層的硬度、深度和淬硬部位，有的還應提出對顯微組織及限制變形的要求（如孔的變形量）。
表4-7 熱處理工藝分類及代號
典型零件的選材及工藝分析
本節要點：軸類零件、齒輪類零件和箱體零件的選材、熱處理及工序安排。
軸杆類零件
軸杆類零件是迴轉體零件，其長度遠大於直徑，常見的有光軸、階梯軸、凸輪軸和曲軸等；按承載特點可分為轉軸、心軸和傳動軸。它是機械裝置中重要的受力零件。
工作條件
軸杆類零件在機器中起支承迴轉零件並傳遞運動和扭矩的作用。轉軸在工作時承受彎曲和扭轉應力的復合作用；心軸只承受彎曲應力；傳動軸主要承受扭轉切應力。除固定心軸外，所有作迴轉運動的軸所受應力都是對稱迴圈變化的，即在交變應力狀態下工作。
軸在花鍵、軸頸等部位和與其配合的零件（如輪上有花鍵孔或滑動軸承）之間有摩擦磨損，此外，軸還會受到一定程度的過載和衝擊。
主要失效形式
由於受力複雜，軸的尺寸、結構和載荷差別很大。主要存在有以下幾種：
（1）斷裂，大多是疲勞斷裂；
（2）軸的相對運動表面的過度磨損；
（3）發生過量扭轉或彎曲變形（包括彈性的和塑性變形）；
（4）有時還可能發生腐蝕失效。
使用效能要求
為滿足工作條件的要求，具有足夠抵抗失效的能力，軸杆類零件的材料應具備如下效能要求：
（1）具有高的強度，足夠的剛度及良好的韌性，以防止斷裂及過量變形；
（2）具有較高的疲勞強度，防止疲勞斷裂；
（3）在相對運動的摩擦部位，如軸頸、花鍵等處，應具有較高的硬度和耐磨性。
選材及熱處理
軸的材料主要使用碳素結構鋼和合金結構鋼，一般是以鍛件或軋制型材為毛坯。
（1）輕載、低速、不重要的軸，可選用q235、q255、q275等碳素結構鋼，這類鋼通常不進行熱處理；
（2）受中等載荷而且精度要求一般的軸類零件，常用優質碳素結構鋼，常選45鋼。為改善其力學效能，一般要進行正火或調質處理。要求軸頸等處耐磨時，還可進行表面淬火和低溫回火。
（3）受較大載荷或要求精度高的軸以及處於強烈摩擦或高、低溫等惡劣條件下工作的軸，應選用合金鋼，常用20cr、40mnb、40cr等。根據合金鋼的種類及軸的效能，應採用調質、表面淬火、滲碳、碳氮共滲、淬火、低溫回火等熱處理，以充分發揮合金鋼的潛力。
近年來，球墨鑄鐵和高強度鑄鐵已越來越多地作為製造軸的材料，如內燃機曲軸、普通工具機的主軸等，其熱處理方法主要是退火、正火、調質及表面淬火等。
典型軸類零件的選材、熱處理及工序安排
（1）工具機主軸工具機主軸承受中等載荷作用、中等轉速並承受一定的衝擊。一般選用45鋼製造，經調質處理後軸頸或錐孔處再進行表面淬火。載荷較大時，選用40cr鋼製造。
工具機主軸的工藝路線為：下料鍛造正火粗切削加工調質半精切削加工區域性表面淬火、低溫回火粗磨精磨。
正火可細化晶粒，調整硬度，改善切削加工效能；調質可得到好的綜合力學效能和疲勞強度；區域性表面淬火和低溫回火可得到區域性的高硬度和耐磨性。
有些工具機主軸如萬能銑床主軸，可用球墨鑄鐵代替45鋼來製造。對於要求高精度、高穩定性及高耐磨性的主軸，如鏜床主軸，往往用38crmoala鋼製造，經調質處理後再滲氮。
（2）內燃機曲軸曲軸是內燃機中形狀複雜而又非常重要的零件之一，它在工作時受汽缸中週期性變化的氣體壓力、曲軸連桿機構的慣性力、扭轉和彎曲應力及扭轉振動和衝擊力的作用。低速內燃機曲軸用正火的45鋼或球墨鑄鐵製造；中速內燃機曲軸選用調質45鋼或球墨鑄鐵、調質中碳低合金鋼，如40cr、45mn2等鋼製造；高速內燃機曲軸選用高強度合金鋼35crmo、42crmo製造。
內燃機曲軸工藝路線為：下料鍛造正火粗切削加工調質半精加工軸頸表面淬火、低溫回火粗磨精磨。
各熱處理工序的作用與上述工具機主軸的相同。
目前常採用球墨鑄鐵來代替45鋼製造曲軸，其工藝路線一般為：鑄造正火、高溫回火機加工軸頸表面淬火、低溫回火粗、精磨。
這類曲軸保證質量的關鍵在於鑄造，先保證球化良好無鑄造缺陷，然後再經正火增加組織中的珠光體數量和細化珠光體片，以提高強度、硬度及耐磨性；高溫回火主要是為了消除正火風冷所造成的內應力。
齒輪類零件
齒輪是各類機械、儀表中應用最廣的傳動零件，其作用是傳遞扭矩、改變運動速度和運動方向，有的齒輪僅起分度定位作用。齒輪的轉速可以相差很大，齒輪的直徑可以從幾公釐到幾公尺，工作環境也可有很大差別。
工作條件
齒輪工作的關鍵部位是齒根與齒面。齒根承受最大的交變彎曲應力，並有應力集中存在，在啟動、換擋或嚙合不均勻時還承受衝擊和過載；齒面承受脈動接觸壓應力和滾動、滑動摩擦。此外，潤滑油的腐蝕及外部硬質磨粒的侵入等，都可加劇齒輪工作條件的惡化。
主要失效形式
（1）輪齒折斷其中多數為疲勞斷裂，主要是由於輪齒根部所受的彎曲應力超過材料的抗彎強度引起的。過載斷裂是由於短時過載或過大衝擊所引起的，多發生在淬透的硬齒面齒輪或脆性材料製造的齒輪上。
（2）齒麵點蝕齒面受大的脈動接觸壓應力，因表面疲勞而使齒面表層產生點狀、小片剝落的破壞。
（3）齒面磨損齒面間滾動和滑動摩擦或外部硬質顆粒的侵入，使齒面產生磨粒磨損、粘著磨損或正常磨損現象。
（4）齒面塑性變形主要因齒輪強度不夠和齒面硬度較低，在低速、過載啟動、過載頻繁的齒輪中容易產生。
主要效能要求
由於齒輪受力和損壞形式的複雜性，為了保證齒輪的正常運轉，防止早期失效，對齒輪材料主要有如下效能要求：
（1）齒面有高的硬度和耐磨性；
（2）齒面具有高的接觸疲勞強度和齒根具有高的彎曲疲勞強度；
（3）輪齒的心部要有足夠的強度和韌性。
另外，在齒輪副中，兩齒輪齒面硬度應有一定的差值，因小齒輪受載次數多，故應比大齒輪硬度高些。一般差值為：軟齒面30～50hbs。
選材及熱處理
齒輪材料絕大多數是鋼質材料(包括鑄鋼)，某些開式傳動的低速齒輪可用鑄鐵，特殊情況下還可用非鐵金屬和工程塑料。
（1）鋼質齒輪用鋼材製造齒輪有型材和鍛件兩種毛坯。由於鍛造齒輪毛坯的纖維組織與軸線垂直，分布合理，故重要用途的齒輪都採用鍛造毛坯。
鋼質齒輪按齒面硬度分為硬齒面齒輪和軟齒面齒輪，齒面硬度≤350hbs的為軟齒面齒輪；齒面硬度》350hbs的為硬齒面齒輪。
1）輕載、低速或中速、衝擊力小、精度較低的一般齒輪，選用中碳鋼如q255、45、50mn等鋼製造，常用正火或調質等熱處理製成軟齒面齒輪，正火硬度為160～200hbs；調質硬度一般為200～280hbs，不超過350hbs。因硬度適中，精切齒廓可在熱處理後進行，工藝簡單，成本低，但承載能力不高，常用於機械中一些不重要的齒輪。
2）中載、中速、承受一定衝擊載荷、運動較為平穩的齒輪，選用中碳鋼或合金鋼，如45、50mn、40cr、42simn等鋼，也可採用55tid、60tid等低淬透性鋼。其最終熱處理採用高頻或中頻淬火及低溫回火，製成硬齒面齒輪，齒面硬度可達50～55hrc。齒輪心部保持正火或調質狀態，具有較好的韌性，工具機中絕大多數齒輪都是這種型別的齒輪。
3）過載、高速或中速，且受較大衝擊載荷的齒輪，選用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼，如20cr、20crmnti、20crni、18cr2ni4wa等鋼。其熱處理採用滲碳、淬火、低溫回火，齒輪表面獲得58～63hrc的高硬度，因淬透性較高，齒輪心部有較高的強度和韌性。這種齒輪表面的耐磨性、抗接觸疲勞強度和齒根的抗彎及心部的抗衝擊能力都比表面淬火的齒輪高，但熱處理變形大，精度要求較高時，最後要磨齒。
它適用於工作條件較為惡劣的汽車、拖拉機的變速箱和後橋上的齒輪。
（2）非鐵金屬材料齒輪在儀表中或接觸腐蝕性介質的輕載齒輪，常用一些抗腐蝕、耐磨的非鐵金屬材料製造，常用的有黃銅、鋁青銅、矽青銅、錫青銅，硬鋁和超硬鋁，可製作質量小的齒輪。
機械零件的裝配工藝
6 對運動零件的摩擦面，均應塗以潤滑油脂，一般採用與運轉時所用的潤滑油相同。油脂的盛具須清潔加蓋，不使沙塵進入。盛具應定期清洗。7 所有附設之鎖緊制動裝置，如開口銷 彈簧墊圈 保險墊片 制動鐵絲等，必須按機械原定要求配齊，不得遺漏。墊圈安放數量，不得超過規定。開口銷 保險墊片及制動鐵絲，一般不准重複...
9 1 9 2 9 3機械零件的選用
新課匯入 機械零件設計應包括零件結構設計 材料選擇和工藝設計三個方面。三者相互影響，必須協調考慮。只重視零件的結構設計，而忽視材料的選擇，往往是造成零件在使用過程中不正常失效的重要原因之一。因此，只有正確選擇工程材料，才能保證零件的設計要求。新課講授 第九章機械零件的選用 9 1 零件的失效分析 9...
機械零件常用鋼材及熱處理方法
鋼號101535 熱處理s c59s c59 力學效能 s mpa k j cm2 20 8 10 15 6 17心部 10心部 9 107 5 5 616 8030 40心部 60 心部 80 6050 30 197200 230 200 255 hbs心部146 136心部 143 229200...