從各種各樣的材料中選擇出要使用的材料,是一項受多方面因素所制約的工作。因此,如何選擇零件的材料是零件設(shè)計的重要一環(huán)。選擇機械零件材料的原則是:所需材料應(yīng)滿足零件的使用要求并具有良好的工藝性和經(jīng)濟性等。
01 使用要求
機械零件的使用要求表現(xiàn)為以下幾點:
(1)零件的工作狀況和受載情況以及為避免相應(yīng)的失效形式而提出的要求。
工作狀況是指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度及摩擦和磨損的程度等。在濕熱環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中工作的零件,其材料應(yīng)具有良好的防銹和耐腐蝕能力,在這種情況下,可先考慮使用不銹鋼、銅合金等。工作溫度對材料選擇的影響主要有兩個方面:一方面要考慮互相配合的兩零件材料的線膨脹系數(shù)不能相差過大,以免在溫度變化時產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力或者使配合松動;另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。在滑動摩擦下工作的零件,要提高其表面硬度,以增強耐磨性,應(yīng)選擇適于進行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種或選用減摩和耐磨性能好的材料。
受載情況是指零件受載荷、應(yīng)力的大小和性質(zhì)。脆性材料原則上只適用于制造在靜載荷下工作的零件;在有沖擊的情況下,應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料;對于表面受較大接觸應(yīng)力的零件,應(yīng)選擇可以進行表面處理的材料,如表面硬化鋼;對于受應(yīng)變力的零件,應(yīng)選擇耐疲勞的材料;對于受沖擊載荷的零件,應(yīng)選擇沖擊韌性較高的材料;對于尺寸取決于強度而尺寸和質(zhì)量又受限的零件,應(yīng)選擇強度較高的材料;對于尺寸取決于剛度的零件,應(yīng)選擇彈性模量較大的材料。
金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善,因此,要充分利用熱處理的手段來發(fā)揮材料的潛力;對于最常用的調(diào)制鋼,由于其回火溫度的不同可得到力學(xué)性能不同的毛坯。回火溫度越高,材料的硬度和剛度將越低,而塑性越好。所以在選擇材料的品種時,應(yīng)同時規(guī)定其熱處理規(guī)范,并在圖樣上注明。
(2)對零件尺寸和質(zhì)量的限制。
零件尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯的制造方法有關(guān)。生產(chǎn)鑄造毛坯時一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制;而生產(chǎn)鍛造毛坯時,則需注意鍛壓機械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。此外,零件尺寸和質(zhì)量的大小還和材料的強重比有關(guān),應(yīng)盡可能選擇強重比大的材料,以便減小零件的尺寸及質(zhì)量。
(3)零件在整機及部件中的重要程度。
(4)其他特殊要求(如是否需要絕緣、抗磁等)。
02
工藝要求
為使零件便于加工制造,選擇材料時應(yīng)考慮零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、尺寸大小及毛坯類型。對于外形復(fù)雜、尺寸較大的零件,若考慮采用鑄造毛坯,則需選擇鑄造性能好的材料;若考慮采用焊接毛坯,則應(yīng)選擇焊接性能好的低碳鋼。對外形簡單、尺寸較小、批量較大的零件,適合沖壓和模鍛,應(yīng)選擇塑性較好的材料。對需要熱處理的零件,材料應(yīng)具有良好的熱處理性能。此外,還應(yīng)考慮材料本身的易加工性以及熱處理后的易加工性。
03 經(jīng)濟性要求
(1)材料本身的相對價格
在滿足使用要求的前提下,應(yīng)盡量選用價格低廉的材料。這一點對于大批量制造的零件尤其重要。
(2)材料的加工費用
當零件質(zhì)量不大而加工量很大時,加工費用在零件總成本中會占很大比例。盡管鑄鐵比鋼板廉價,但對于某些單件或小批量生產(chǎn)的箱體類零件來說,采用鑄鐵比采用鋼板焊接的成本更高,因為后者可以省掉模具的制造費用。
(3)節(jié)約材料
為了節(jié)約材料,可采用熱處理或表面強化(噴丸、碾壓等)工藝,充分發(fā)揮和利用材料潛在的力學(xué)性能;也可采用表面鍍層(鍍鉻、鍍銅、發(fā)黑、法藍等)方法,以減輕腐蝕和磨損的程度,延長零件的使用壽命。
(4)材料的利用率
為了提高材料的利用率,可采用無切削或少切削加工,如模鍛、精鑄、沖壓等,這樣不但可以提高材料的利用率,同時還可減少切削加工的工時。
(5)節(jié)約貴重材料
通過采用組合結(jié)構(gòu),可節(jié)約價格較高的材料,如組合式結(jié)構(gòu)的蝸輪齒圈采用減摩性較好但價格貴的錫青銅,而輪芯則采用廉價的鑄鐵。
(6)節(jié)約稀有材料
在這方面,可采用在我國資源較豐富的錳硼系列合金鋼代替資源較少的鉻鎳系合金鋼,以及采用鋁青銅代替錫青銅等方法。
(7)材料的供應(yīng)情況
在選擇材料時,應(yīng)選用本地就有且便于供應(yīng)的材料,以降低采購、運輸、儲存的成本;從簡化材料品種的供應(yīng)和儲存的角度出發(fā),對于小批量生產(chǎn)的零件,應(yīng)盡可能減少在同一臺機器上使用材料的品種和規(guī)格,以簡化供應(yīng)和管理,并可在加工及熱處理過程中更容易掌握最合理的操作方法,從而提高制造質(zhì)量,減少廢品,提高勞動生產(chǎn)率。
(文章來源:機械工程師、金屬加工)
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