(机械制造基础第三版)学习情境一阶梯轴的毛坯热加工.ppt
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1、机械制造基础 (第三版) 主编:陈强 张双侠,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,【学习目标】 1.了解阶梯轴毛坯的选择原则 2.掌握常用金属零件的毛坯材料 3.掌握常用金属材料的性能 4.了解现阶段常用的机械零件材料,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,【情境导入】 毛坯的选择包括毛坯种类的选择、毛坯的制造方法和毛坯形状与尺寸的确定等方面。在生产中我们要用各种工具来加工零件,这些工具和零件是用什么材料制造的,它们的性能如何,用什么热处理方法可以改变材料的性能,使其便于加工和满足使用的技术要求,这些都是必须掌握的基本知识。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,根据图11所示阶梯轴零件简图,试选择该阶梯轴毛坯材料
2、,并分析该种材料所具有的性能。 图11阶梯轴零件简图 【任务分析】 此次任务是根据阶梯轴零件简图尺寸的大小、结构等分析其用途,并分析其应具有什么性能才能满足工作要求,再选择该轴的毛坯材料,对选择的毛坯材料性能进行全面分析。,1.1.1毛坯的选择 毛坯的选择包括毛坯种类的选择、毛坯的制造 方法和毛坯形状与尺寸的确定等方面。 1 .毛坯种类的选择 常用毛坯种类有铸件、锻件、型材、焊接件、 冲压件等。通常情况下,当零件材料确定下来后, 毛坯的种类就基本确定。 毛坯的制造方法越先进,毛坯精度越高,材料 的损耗量越少,则机械加工成本就越低,但是毛坯 的制造成本却因采用了先进的设备而提高。,学习情境一阶梯
3、轴的毛坯热加工,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,2 毛坯形状与尺寸的确定 毛坯形状与尺寸的确定主要依据零件的形状、 各加工表面的总余量和毛坯的类型等。从机械加工 工艺角度考虑还应注意下列问题: (1)为了工件加工时装夹方便,考虑毛坯是否需 要做出工艺凸台。 (2)考虑某些零件结构的特殊性,可以将若干个 零件做成一个整体毛坯。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(3)为了提高机械加工生产率,可将多个零件做 成一个毛坯。如短小的轴套、垫圈和螺母等零件, 在选择棒料、钢管等毛坯时就可采用这种方法,加 工到一定阶段再切割分离成单个零件,也有利于保 证加工质量。 (4)还应注意铸件的分型面、拔模斜度、铸造圆
4、角、锻件敷料、分模面、模锻斜度及圆角半径等。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,3. 选择毛坯时考虑的因素 (1)零件材料的工艺特性(如可铸性、可塑性 等)及其力学性能 具有良好铸造性能的材料,如铸铁、青铜应采 用铸件毛坯;对力学性能要求较高的钢件,其毛坯最 好采用锻件而不用型材。 (2)生产类型 不同的生产类型决定了不同的毛坯制造方法。 大量生产应选精度和生产率都比较高的毛坯制造方 法,用于毛坯制造的昂贵费用可用材料消耗的减少 和机械加工费用的降低来补偿,如铸件应采用金属 模及其造型,锻件应采用模锻。单件小批生产一般 采用木模手工造型或自由锻。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(3)零件的结构形状
5、和尺寸 一般用途的钢制阶梯轴,若各台阶直径相差不 大时可用棒料;若各台阶直径相差很大时宜用锻件, 可节省材料。尺寸大的零件,因受设备限制一般用 自由锻;中小型零件可用模锻。形状复杂的毛坯,一 般采用铸造方法。 (4 具体生产条件 要考虑现场毛坯制造的实际水平和能力、毛坯 车间近期的发展情况以及组织专业化工厂生产毛坯 的可能性。此外,还应充分考虑利用新工艺、新技 术和新材料的可能性,如精铸、精锻、冷挤压、冷 轧、粉末冶金和工程塑料等。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,4 毛坯的图示 毛坯的类型、制造方法及各加工表面的总余量 确定后,即可绘制毛坯-零件综合图。先画出经简化 了次要细节的零件图的主视图
6、,将已确定的总余量 画在相应的加工面上,可得毛坯轮廓图。然后在图 上标出毛坯的主要尺寸及公差,标明毛坯的技术要 求,如毛坯精度、圆角尺寸、拔模斜度、表面质量 要求(气孔、夹砂、缩孔)等。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,1.强度 金属材料在载荷的作用下抵抗弹性变形、塑性变形和断裂的能力称为强度。 根据载荷的不同作用方式,强度可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度之间有一定的关系,通过拉伸试验可测定材料强度指标。 按国标(GB/T63971986)规定将被测金属材料制成一定形状和尺寸的拉伸试样。常用试样的截面为圆形。图1.2.11所示为标准拉伸试样,其中d0 为试样的原
7、始直径(mm),l0 为试样的原始长度(mm)。拉伸试样一般还分为长试样(l0 =10 d0 )和短试样(l0 =5 d0 )两种。 试验时,在拉伸试验机上缓慢增加载荷(静载荷),随着载荷的不断增加,试样的伸长量也逐渐增加,记录拉伸试验过程中的载荷大小和对应的伸长量关系,直至试样拉断为止,便可获得如图14所示的载荷与变形量之间的关系曲线,即拉伸曲线。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,图14标准拉伸试样,图15退火低碳钢的拉伸曲线,如图1-5所示,当载荷F为零时,伸长量也为零。当载荷逐渐由零加大到Fe 时,试样的伸长量与载荷成比例增加。此时卸除载荷,试样能完全恢复到原来的形状和尺寸,即试样处于弹性
8、变形阶段。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,当载荷超过Fe时,试样除产生弹性变形外,还开始出现塑性变形(或称永久变形),即卸除载荷后,试样不能恢复到原来的形状和尺寸。当载荷加到Fs 时,在曲线上开始出现水平线段,即表示载荷不增加,试样却继续伸长,这种现象称为屈服现象。S点称做屈服点。载荷超过Fs 后,试样的伸长量又随载荷的增加而增大,此时试样已产生大量的塑性变形。当载荷继续增加到某一最大值Fb 时,试样的局部直径变小,通常称为“缩颈”现象。当到达K点时,试样就在缩颈处被拉断。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,无论何种材料,其内部原子之间都具有平衡的原子力相互作用,以使其保持固定的形状。材料在外力作
9、用下,其内部会产生相应的作用力以抵抗变形,此力的大小和外力相等,方向相反,这种作用力称为内力。材料单位截面上承受的内力称为应力,用表示。金属材料的强度是用应力来表示的,即 =F S0 式中 应力,MPa; F载荷,N; S0 试样的原始截面面积,mm2 。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(1)屈服强度 试样屈服时的应力为材料的屈服点,称为 屈服强度。用s 表示。 s 表示金属抵抗微小量 塑性变形的能力,即 s =Fs S0 式中 s 屈服强度,MPa; Fs 试样屈服时的载荷,N; S0 试样的原始截面面积,mm2 。 有些金属材料,如铸铁、高碳钢等的拉伸曲 线不出现平台,没有明显的屈服现象,
10、因此工程 上规定以试样发生某一微量塑性变形(0.2%)时 的应力作为该材料的屈服强度,称为材料的条件 屈服强度,用0.2 表示。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(2)抗拉强度 抗拉强度是指试样在拉断前所承受的最大拉应力,即 b = Fb S0 式中 b抗拉强度,MPa; Fb 试样断裂前的最大载荷,N; S0 试样原始截面面积,mm2 。 在机械设计时常采用s 或0.2 作为强度指标,并适当加上安全系数。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,2.塑性 塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不被破坏的能力。 衡量塑性的指标主要有延伸率和断面收缩率。 (1)延伸率 试样通过拉伸试验断裂时,总的伸长量
11、和 原始长度比值的百分率(即相对伸长)称为延伸 率,用符号表示,即 式中 l1 试样拉断时的标距长度,mm; l0 试样原始的标距长度,mm。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(2)断面收缩率 试样通过拉伸试验断裂时,断面缩小的截面积和原始截面积比值的百分率称为断面收缩率,用符号表示,即 式中 S0 试样原始横截面积,mm2 ; S1 试样断口处横截面积,mm2 。 断面收缩率与试样尺寸无关,能比较可靠地代表材料的塑性。材料的或 越大,其塑性越好。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,1.1.3 硬度 硬度是指金属材料抵抗比它更硬的物体压入其表面的能力,即抵抗局部塑性变形的能力。一般来说,硬度越高,耐
12、磨性越好,强度也比较高。 最常用的测定硬度的方法是压入测试法。生产中广泛应用的有布氏硬度和洛氏硬度测试法。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,1.布氏硬度 如图1-3所示为布氏硬度实验原理。淬火钢球作压头用符号 HBS 表示,硬质合金球作压头用 HBW 表示。布氏硬度的计算公式为,图1-3 布氏硬度试验 原理示意图,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,试验时用刻度放大镜测出压痕平均直径 d 后,就可以通过计算或查布氏硬度表(表1-1)得出相应的硬度值。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,2.洛氏硬度 洛氏硬度试验也是一种压入硬度试 验,它是测量压痕的深度,以深度大小表 示材料的硬度值。图1-4 所示为洛氏硬
13、度试 验原理 。,图1-4 洛氏硬度试验原理示意图,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,洛氏硬度用符号 HR 表示,可以直 接由硬度计表盘上读出,无单位。 HR = K bd / 0.002 式中,K 为常数。用金刚石圆锥体作压头 时,K 为100; 用淬火钢球作压头时,K 为 130。洛氏硬度表示的方法为在符号前写 出硬度值,可采用不同的压头和载荷来组 成几种不同的洛氏硬度标尺,其中最常用 的是 HRA、HRB、HRC三种。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,洛氏硬度试验测试过程简单、迅速, 适用硬度范围广。但是,其测量结果不如 布氏硬度精确,故一般需在被测金属的不 同部位测量数点,取其平均值。,学习
14、情境一阶梯轴的毛坯热加工,3.硬度与抗拉强度的关系 材料硬度与强度之间存在一定内在 联系,强度越高,硬度值也越高,下列经 验公式可供参考: 低碳钢(175HBS) b 3.45HBS(MPa)合金调质钢 b 3.25HBS(MPa) 灰铸铁 b 0.98HBS(MPa),学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,1.1.4 冲击韧性 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏 的能力称为冲击韧性。测量冲击韧性最普 通的方法是摆锤一次冲击试验。将材料制 成带缺口的标准试样,如图1-5 所示。,图1-5 冲击试样,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,摆锤一次冲击试验原理如图1-6所示。 ak = Ak /S = G(H-h)
15、/S 式中 ak冲击韧性,Jcm-2 ; S试样缺口处的横截 面积,cm2 ; Ak冲击吸收功,J; G摆锤重力,N; H摆锤初始高度,m; h摆锤冲断试样后 上升的高度,m。,图1-6 摆锤一次冲击 试验原理图,1摆锤;2机架;3试样; 4表盘;5指针;6支座,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,冲击韧性值大小与温度有关。如图 1-7所示,冲击韧性值随温度的降低而减小,在某一温度范围内显著降低,使试样呈现脆性,这个温度范围称为韧脆转变温度范围。韧脆转变温度越低,材料的低温冲击韧性越好。冲击韧性值的大小还受试样的形状、表面粗糙度和内部组织等因素的影响。,图1-7 温度对冲击韧性值的影响,学习情境一阶
16、梯轴的毛坯热加工,1.1.5 疲劳强度 一些机器零件,如齿轮、连杆、轴、弹 簧等,在交变载荷长期作用下,往往在工作 应力低于屈服强度的情况下突然破坏,这种 现象称为疲劳破坏。 金属在交变应力作用下产生疲劳裂纹并使 其扩展而导致的断裂称为疲劳断裂。 交变应力是指大小、方向随时间呈周期性 变化的应力,疲劳强度是指材料经受无数次 的应力循环仍不断裂的最大应力。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,材料的疲劳曲线,如图1-8 所示。其中的曲 线1,表示在该应力作用下,材料经无数次 应力循环也不会发生断裂。,图1-8 金属材料的疲劳曲线,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,1.1.6碳钢,碳钢价格低廉,加工容易,通
17、过不同的热处理工艺可以满足一定的力学性能,因此碳钢在机器制造业中得到广泛应用。但是碳钢淬透性不好,热硬性低,不能用于大尺寸、受重载荷的零件,也不能用于耐热、耐磨、耐蚀等方面的零件,因而其使用受到了一定的限制。为了满足现代科学技术的发展,在碳钢的基础上加入一些合金元素,形成合金钢。 碳的质量分数(C)小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢,简称碳钢。由于碳钢具有一定的力学性能和良好的工艺性能,且价格低廉,因此碳钢是工业中用量最大的金属材料,在机械制造、建筑及交通运输工业中得到广泛应用。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,1.碳钢的分类 (1)根据钢中碳的质量分数的多少,可分为低碳钢(C 0.60%)。
18、(2)根据钢中有害杂质硫、磷含量的多少,可分为普通质量钢(S0.05%,P0.045%)、优质钢(S0.035%,P0.035%)和高级优质钢(S0.02%,P0.03%)。 (3)根据钢的用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢。前者主要用于制作各种机器零件和工程结构件,一般属于低碳钢和中碳钢;后者主要用于制作各种量具、刃具和模具等,一般属于高碳钢。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,2.碳钢的牌号、性能和用途 (1)碳素结构钢 碳素结构钢的牌号是由代表钢材屈服强度的字母、屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成的。 (2)优质碳素结构钢 优质碳素结构钢中磷、硫有害杂质的含量较低,广泛用
19、来制造较重要的机器零件,其牌号用两位数字表示,这两位数字表示钢中平均含碳万分之几。例如45钢,表示钢中平均碳的质量分数为0.45% 中碳钢的综合力学性能较好,可用于制造受力较大的零件,如主轴、曲轴、齿轮、链杆、活塞销等 高碳钢有较高的强度、弹性和耐磨性,主要用于制造凸轮、车轮、板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳等。 渗碳钢一般常用的有15钢和20钢。这些低碳优质碳素结构钢经渗碳淬火后,导致心部强度、韧性不足,因此只能用来制造承受载荷较小、形状简单、不太重要,但要求耐磨的小型零件。 碳素工具钢中碳的质量分数一般为0.65%1.35%。根据钢中有害杂质硫、磷的含量,碳素工具钢分为优质碳素工具钢和高级优质碳素
20、工具钢,其编号是在T(碳)字母后面附以数字,表示钢中碳的质量分数平均为千分之几,碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能等见表1-3。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,表1-3碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和用途举例,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(4)铸钢 铸钢碳的质量分数一般为0.15%0.60%。在生产中,有些形状复杂的零件很难用锻压方法成形,用铸铁又难以满足性能要求,此时可采用铸钢。铸钢件均需进行热处理。其牌号冠以“铸钢”两字的汉语拼音字首“ZG”,后面有两组数字,第一组表示屈服强度,第二组表示抗拉强度。如牌号ZG310-570表示屈服强度为310MPa,抗拉强度为570MPa的工程铸
21、钢。常用的铸钢有ZG200-400、ZG230-450等。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,1.1.7 合金钢 1.合金钢的分类 合金钢的种类繁多,按主要用途可分为如下几种: (1)合金结构钢 结构钢又分为以下两种: 机械制造用结构钢:它主要用于制造机械设备上的结构零件,这类钢基本上属于优质钢或高级优质钢,它包括合金结构钢、易切削结构钢。 (2)合金工具钢 指用于制造各种工具的钢,包括合金工具钢和高速工具钢等。 (3)特殊性能钢 指具有特殊的物理或化学性能的钢。它包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超高强度钢等。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,2.合金结构钢 合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一种或几
22、种合金元素,以满足各种使用性能要求的结构钢,它是应用最广、用量最大的金属材料。合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号+数字”表示。前面两位数字表示钢中碳的质量分数平均为万分之几;元素符号表示钢中所含的合金元素;元素符号后面的数字表示该元素平均含量为百分之几。如55Si2Mn钢,其碳的质量分数平均为0.55%,Si的质量分数为1.5%2.5%,Mn的质量分数小于1.5%。 合金结构钢又分为普通低合金钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢、易切削钢等几类。 (1)普通低合金钢 普通低合金钢实质上是低碳低合金工程结构用钢。这类钢含合金元素比较少,碳的质量分数较低,多数为0.1%0.2%,
23、其屈服强度比普通低碳钢高25%50%,并有良好的耐蚀性和焊接性,一般是在正火或热轧状态下使用。主要用于桥梁、船舶、车辆、管道、起重运输机械等。常用普通低合金钢有12Mn、16Mn等。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(2)合金渗碳钢 按合金元素含量的不同,可将合金渗碳钢分为低淬透性合金渗碳钢、中淬透性合金渗碳钢和高淬透性合金渗碳钢三类。 低淬透性合金渗碳钢:如20Cr、20MnV,用于制造受力不太大,不需要很高强度的耐磨零件,如截面尺寸在30mm2 以下的形状复杂、心部要求较高、工作表面承受磨损的机床变速箱齿轮、凸轮、蜗杆、活塞销等。 中淬透性合金渗碳钢:如20CrMnTi、12CrNi3,主要
24、用来制造中等载荷的耐磨零件。如在汽车、拖拉机工业中用于截面尺寸在30mm2 以下,承受高速、中或重载荷以及受冲击、摩擦的重要渗碳件,如齿轮、轴、齿轮轴、蜗杆等。 高淬透性合金渗碳钢:这类钢即使空冷也能获得马氏体组织,用来制作承受重载荷及强烈磨损的重要大型零件。属于此类钢的有12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。,学习情境一阶梯轴的毛坯热加工,(3)合金调质钢 合金调质钢通常指经调质处理的结构钢,一般为中碳的优质碳素结构钢、合金结构钢。其主要用于制造承受大循环载荷及冲击载荷作用的零件。这些零件要求具有高强度和良好的塑性与韧性相配合的综合力学性能。这类钢碳的质量分数为0.25%
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