材料成形方法选择

第六章材料成形方法选择

问题：

1、任何材料都必须成形，制成制品后才具有使用价值。

2、设计人员应该考虑的问题：

① 功能、条件、外观、表面等； ② 用什么材料； ③ 如何成形

3、应用举例

① 火车轮：冲击震动、圆形、液态成形（ZG）、塑性成形（45钢）、切削加工

② 模锻件：

③ 哑铃的设计

④ 机加工的要求

零件设计时，应根据零件的工作条件、所需功能、使用要求及其经济指标（经济性、生产条件、生产批量等）等方面进行零件结构设计（确定形状、尺寸、精度、表面粗糙度等）、材料选用（选定材料、强化改性方法等）、工艺设计（选择成形方法、确定工艺路线等）等。

第一节材料成形方法选择的原则与依据

一、材料成形方法的选择原则

正确选择材料成形方法具有重大的技术经济意义，选择时必须合理考虑以下原则：

（一）适用性原则

适用性原则是指要满足零件的使用要求及对成形加工工艺性的适应。

1．满足使用要求零件的使用要求包括对零件形状、尺寸、精度、表面质量和材料成分、组织的要求，以及工作条件对零件材料性能的要求。不同零件，功能不同，其使用要求也不同，即使是同一类零件，其选用的材料与成形方法也会有很大差异。例如，机床的主轴和手柄，同属杆类零件，但其使用要求不同，主轴是机床的关键零件，尺寸、形状和加工精度要求很高，受力复杂，在长期使用中不允许发生过量变形，应选用45钢或40Cr钢等具有良好综合力学性能的材料，经锻造成形及严格切削加工和热处理制成；而机床手柄则采用低碳钢圆棒料或普通灰铸铁件为毛坯，经简单的切削加工即可制成。又如燃气轮机叶片与风扇叶片，虽然同样具有空间几何曲面形状，但前者应采用优质合金钢经精密锻造成形，而后者则可采用低碳钢薄板冲压成形。

另外，在根据使用要求选择成形方法时，还必须注意各种成形方法能够经济获得的制品尺寸形状精度、结构形状复杂程度、尺寸重量大小等。

2．适应成形加工工艺性成形加工工艺性的好坏对零件加工的难易程度、生产效率、生产成本等起着十分重要的作用。因此，选择成形方法时，必须注意零件结构与材料所能适应的成形加工工艺性。例如，当零件形状比较复杂、尺寸较大时，用锻造成形往往难以实现，如果采用铸造或焊接，则其材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能，在零件结构上也要适应铸造或焊接的要求。

（二）经济性原则

选择成形方法时，在保证零件使用要求的前提下，对几个可供选择的方案应从经济上进行分析比较，从中选择成本低廉的成形方法。如生产一个小齿轮，可以从圆棒料切削而成，也可以采用小余量锻造齿坯，还可用粉末冶金制造，至于最终选择何种成形方法，应该在比较全部成本的基础上确定。

首先，应把满足使用要求与降低成本统一起来。脱离使用要求，对成形加工提出过高要求，会造成无谓的浪费；反之，不顾使用要求，片面强调降低成形加工成本，则会导致零件达不到工作要求、提前失效、甚至造成重大事故。因此，为能有效降低成本，应合理选择零件材料与成形方法。例如，汽车、拖拉机发动机曲轴，承受交变、弯曲与冲击载荷，设计时主要是考虑强度和韧度的要求，曲轴形状复杂，具有空间弯曲轴线，多年来选用调质钢（如40、45、40C r、35CrMo 等）模锻成形。现在普遍改用疲劳强度与耐磨性较高的球墨铸铁（如QT600-3、QT700-2等），砂型铸造成形，不仅可满足使用要求，而且成本降低了50%～80%，加工工时减少了30%～50%，还提高了耐磨性。

其次，为获得最大的经济效益，不能仅从成形工艺角度考虑经济性，而应从降低零件总成本考虑，即应从所用材料价格、零件成品率、整个制造过程加工费、材料利用率与回收率、零件寿命成本、废弃物处理费用等方面进行综合考虑。例如，手工造型的铸件和自由锻造的锻件，虽然毛坯的制造费用一般较低（生产准备时间短、工艺装备的设计制造费用低），但原材料消耗和切削加工费用都比机器造型的铸件和模锻的锻件高，因此在大批量生产时，零件的整体制造成本反而高。而某些单件或小批量生产的零件，采用焊接件代替铸件或锻件，可使成本较低。再如螺钉，在单件小批量生产时，可选用自由锻件或圆钢切削而成。但在大批量制造标准螺钉时，考虑加工费用在零件总成本中占很大比例，应采用冷镦、搓丝方法制造，使总成本大大下降。

（三）与环境相宜原则

现在，环境已成为全球关注的大问题。地球温暖化，臭氧层破坏，酸雨，固体垃圾，资源、能源的枯竭，等等，环境恶化不仅阻碍生产发展，甚至危及人类的生存。因此，人们在发展工业生产的同时，必须考虑环境保护问题，力求做到与环境相宜，对环境友好。下面简述几个有关问题：

1．对环境友好的含义对环境友好就是要使环境负载小，“小”主要指：

产生少（以煤、石油等化工燃料为主的能源，会大量排（1）能量耗费少，CO

2

气体，导致地球温度升高）；

出CO

2

（2）贵重资源用量少；

（3）废弃物少，再生处理容易，能够实现再循环；

（4）不使用、不产生对环境有害的物质。

2．环境负载性的评价要考虑从原料到制成材料，然后经成形加工成制品，再经使用至损坏而废弃，或回收、再生、再使用（再循环），在这整个过程中所消耗的全部能量（即全寿命消耗能量），CO

气体排出量，以及在各阶段产生的废

2

弃物，有毒排气、废水等情况。这就是说，评价环境负载性，谋求对环境友好，不能仅考虑制品的生产工程，而应全面考虑生产、还原两个工程。所谓还原工程就是指制品制造时的废弃物及其使用后的废弃物的再循环、再资源化工程。这一点，将会对材料与成形方法的选择产生根本性的影响。例如汽车在使用时需要燃料并排出废气，人们就希望出现尽可能节能的汽车，故首先要求汽车轻，发动机效率高，这必然要通过更新汽车用材与成形方法才可能实现。

3．成形加工方法与单位能耗的关系材料经各种成形加工工艺成为制品，生产系统中的能耗就由此工艺流程确定。据有关报导，钢铁由棒材到制品的几种成形加工方法的单位能耗与材料利用率如表6-1所示。

表6-1 几种成形加工方法的单位能耗、材料利用率比较

制品耗能量

成形加工方法

材料利用率（%

/106J·kg-1

铸造30～38 90

冷、温变形41 85

热变形46～49 75～80