机械零件毛坯的选择机械零件毛坯的选择

生产批量较大时，提高生产率和材料的利用率，降低 废品率，对降低毛坯的单件生产成本将具有明显的经济意义。 因此，应采用比较先进的毛坯制造方法来生产毛坯。尽管此 时的设备造价昂贵、投资费用高，但分摊到单个毛坯上的成 本是较低的，并由于工时消耗、材料消耗及后续加工费用的 减少和毛坯废品率的降低，从而有效地降低毛坯生产成本。
机械制造基础
第5章 机械零件毛坯的选择
5.1毛坯选择的原则
5.1.1满足材料的工艺性能要求
零件材料的选择与毛坯的选择关系密切，零件材料的 工艺性能直接影响着毛坯生产方法的选择。按加工工艺方法 的不同，金属材料可分为铸造合金和压力加工合金两大类。
各种材料与毛坯生产方法的关系表
5.1.2满足零件的使用要求
• 对于尺寸较小的钢铁件，则宜选择熔模铸造（铸钢件） 或精密模锻（结构钢件）。
（4）其它方面的要求
对于具有某些特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生 产方法来满足这些要求。
• 如果零件选材为钢材，则宜选择型材（如液压油缸常采用 无缝钢管）；
• 如果零件选材为铸铁，则宜选择离心铸造（如内燃机的汽 缸套，其材料为QT600－2，毛坯即为离心铸造铸件）；
（1）生产批量较小时的毛坯选择
生产批量较小时，毛坯生产的生产率不是主要问题， 材料利用率的矛盾也不太突出，这时应主要考虑的总是是减 少设备、模具等方面的投资，即使用价格比校便宜的设备和 模具，以降低生产成本。如使用型材、砂型铸造件、自由锻 件、胎模锻件、焊接结构件等作为毛坯。
（2）生产批量较大时的毛坯选择
下料－模锻－正火－机械粗、半精加工(内孔及端面留磨量)－ 渗碳(孔防渗)淬火－低温回火－喷丸－校正花键孔－珩(或磨)齿
• 正火是为了均匀和细化组织，消除锻造应力，获得较好 的切削加工性。
• 渗碳、淬火及低温回火是为了使齿面具有高硬度及耐磨 性，而心部可得到低碳马氏体组织，有高的强度和足够 的韧性。
机械产品都是由若干零件组成的，保证零件的使用要 求是保证产品使用要求的基础。因此，毛坯选择首先必须保 证满足零件的使用性能要求。
零件的使用要求主要包括： • 零件的工作条件（通常指零件的受力情况、工作环境和接 触介质等） • 零件结构形状和尺寸的要求 • 零件性能的要求。
（1）结构形状和尺寸的要求
• 高频淬火及低温回火提高了齿轮表面硬度和耐磨性，并且 使齿轮表面产生压应力，提高了抗疲劳破坏的能力。低温 回火可消除淬火应力，对防止产生磨削裂纹和提高抗冲击 能力是有利的。
2）载重汽车的变速齿轮的选材 汽车变速箱中的齿轮主要用来调节发动机曲 轴和主轴凸轮的转速比，以改变汽车运行速度，其工作较为繁重，因此在疲 劳极限、耐磨性以及抗冲击作用等性能方面均比机床齿轮要求高。因此，变 速齿轮的材料大多选用合金渗碳钢。
• 喷丸处理是一种强化手段，可使零件渗碳表层的压应力 进一步增大，有利于提高疲劳强度，同时也可清除氧化 皮。
5.2.3箱体机架类零件的毛坯选择
箱体机架类零件是机器的基础件，它的加工质量将对 机器的精度、性能和使用寿命产生直接影响。
这类零件包括机身、齿轮箱、阀 体、泵体、轴承座等，如图所示。 由于箱体类零件的结构形状一般都 比较复杂，且内部呈腔形，为满足 减振和耐磨等方面的要求，其材料 一般都采用铸铁。为达到结构形状 方面的要求，最常见的毛坯是砂型 铸造的铸件。在单件小批生产、新 产品试制或结构尺寸很大时，也可 采用钢板焊接毛坯。
• 对于结构形状复杂的大型轴类零件，其毛坯可采用砂型 铸造件、焊接结构件或铸一焊结构毛坯。
（2）轴杆类零件的材料
常用轴类材料有： • 优质碳素结构钢，如35钢、40钢、45钢、65Mn钢等，其中
用的最多的是45钢； • 合金钢，如20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等； • 碳素结构钢，如Q235、Q275等。
（4）应用举例
1）机床齿轮的选材 一般来说，机床齿轮载荷不大，运动平稳，工作条件 好，故对齿轮的耐磨性及冲击韧度要求不高，一般可选用中碳钢制造。为 了提高淬透性也可选用中碳合金钢，经高频淬火，基本上能满足机床工作 条件。
图为C620－1车床主轴箱中Ⅲ轴上的三联滑 动齿轮简图，该齿轮承受载荷不大，运动也 较平稳，所以可选用中碳钢来制造。但考虑 到整个齿轮较厚，采用中碳钢难以淬透，于 是选用中碳合金钢更好，如40Cr并经高频表 面淬火。其加工工艺路线为：
具体加工工艺路线如下：
图为解放牌汽车变速齿轮，采用 20CrMnTi钢，有较高的力学性能，经渗 碳淬火处理及低温回火后表面硬度为58～ 62HRC，心部硬度为30～45HRC，这种 钢还具有良好的工艺性能，这对大量生产 来说极为重要。20CrMnTi钢经锻造及正 火后，其切削加工性尚可，同时热处理工 艺性也较好，如良好的淬透性、过热倾向 小、渗碳速度快及淬火变形小等。
下料－锻造－正火－粗加工－调质－ 半精加工－齿轮高频淬火及回火－精磨
• 正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，它可消除 锻造压力，均匀组织，改善切削加工性。对于一般齿轮， 正火也可作为高频淬火前的最后热处理工序。
• 调质处理可以使齿轮获得较高的综合力学性能，齿轮可承 受较大的弯曲应力和冲击力，并可减少淬火变形。
• 对于在自动机床上进行加工的中小型零件，由于要求毛坯 精度较高，故宜采用冷拉型材（如微型轴承的内、外圈是在 自动车床上加工的，其毛坯采用冷拉圆钢）。
5.1.3满足降低生产成本的要求
要降低毛坯的生产成本，在选择毛坯时，必须认真分 析零件的使用要求及所用材料的价格、结构工艺性、生产批 量的大小等各方面情况。首先，应根据零件的选材和使用要 求确定毛坯的类别，再根据零件的结构形状、尺寸大小和毛 坯生产的结构工艺性及生产批量大小确定具体的制造方法， 必要时还可按有关程序对原设计提出修改意见，以利于降低 毛坯生产成本。
5.2.1轴杆类零件的毛坯选择
轴杆类零件是机械产品中 支承传动件、承受载荷、传递 扭矩和动力的常见典型零件， 其结构特征是轴向（纵向）尺 寸远大于径向（横向）尺寸， 包括各种传动轴、机床主轴、 丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、 凸轮轴、齿轮轴、连杆、摇臂、 螺栓、销子等，如图所示。
（1）轴杆类零件的毛坯
• 对于由于其它方面原因需采用铸件，但又要求零件的金相 组织致密、承载能力较强的零件，应选择相应的能满足要 求的铸造方法，如压力铸造、金属型铸造和离心铸造等。
（3）表面质量的要求
为降低生产成本，现代机械产品上的某些非配合表面 有尽量不加工的趋势，即实现少、无切屑加工。
• 对于尺寸较小的非铁金属件，宜选择金属型铸造、压力 铸造或精密模锻；
带轮是通过中间挠性件（各种带）来传递运动和动力 的，一般载荷比较平稳。 • 对于中小带轮多采用HT150制造，故其毛坯一般采用砂 型铸造，生产批量较小时用手工造型；生产批量较大时可采 用机器造型； • 对于结构尺寸很大的带轮，为减轻重量可采用钢板焊接毛 坯。
（2）链轮的毛坯选择
链轮是通过链条作为中间挠性件来传递动力和运动的， 其工作过程中的载荷有一定的冲击，且链齿的磨损较快。链 轮的材料大多使用钢材，最常用的毛坯为锻件。 • 单件小批生产时，采用自由锻造； • 生产批量较大时使用模锻； • 对于新产品试制或修配件，亦可使用型材； • 对于齿数大于50的从动链轮也可采用强度高于HT150的 铸铁，其毛坯可采用砂型铸造，造型方法视生产批量决定。
除了上述碳钢和合金钢外，近年来越来越多地采用球墨铸 铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，尤其是曲轴的材料。
（3）应用举例
1）减速器传动轴，工作载荷基本平衡，材料45钢，小批量生产。由于该 轴工作时不承受冲击载荷，工作性质一般，且各阶梯轴径相差不大，因此， 可选用热轧圆钢作为毛坯。下料尺寸为Ф45㎜×220㎜。
• 产品的使用性能和成本方面对毛坯生产的要求；
• 本厂现有毛坯生产能力状况，包括生产设备、技术力量 （含工程技术人员和技术工人）、厂房等方面的情况。
总之，毛坯选择应在保证毛坯质量的前提下，力求选用高效、低成本、制造 周期短的毛坯生产方法。选择毛坯制造方法的考虑因素见图所示。
毛坯制造方法的选择
5.2典型零件的选材及工艺路线
（3）圆柱齿轮的毛坯选择
齿轮的毛坯选择取决于齿轮的选材、结构形状、尺寸 大小、使用条件及生产批量等因素。
• 对于钢制齿轮，如果尺寸较小且性能要求不高，可直接 采用热轧捧料，除此之外，一般都采用锻造毛坯。 • 生产批量较小或尺寸较大的齿轮采用自由锻造； • 生产批量较大的中小尺寸的齿轮采用模锻。 • 对于直径比较大，结构比较复杂的不便于锻造的齿轮， 采用铸钢毛坯或焊接组合毛坯。
5.1.4符合生产条件
为兼顾零件的使用要求和生产成本两方面的原则，在选 择毛坯时还必须与本企业的具体生产条件相结合。当对外订 货的价格低于本企业生产成本，且又能满足交货期要求时， 应当向外订货，以降低成本。
此外还要认真分析以下三方面的情况：
• 当代毛坯生产的先进技术与发展趋势，在不脱离我国国情 及本厂实际的前提下，尽量采用比较先进织不均匀性，降低硬度， 改善加工性。
• 调质处理是为了提高主轴的综合性能，以满足心部的强度 要求，同时在表面淬火时能获得均匀的硬化层。图11.3.3 磨床主轴简图
• 表面淬火是为了使轴颈和外圆锥部分获得高硬度，提高耐 磨性。
• 人工时效的作用是进一步稳定淬硬层组织和消除磨削应力， 以减少主轴的变形。
5.2.2盘套类零件的毛坯选择
盘套类零件是指直径尺寸较大而长度尺寸相对较小的 回转体零件（一般长度与直径之比小于1）。
属于这类零件的有各种 齿轮、带轮、飞轮、联轴节、 套环、轴承环、端盖及螺母、 垫圈等。盘类零件由于其用 途不同，所用的材料也不相 同，毛坯生产方法也较多。 如图所示。
（1）带轮的毛坯选择
• 对于结构形状较为复杂，且抗冲击能力、抗疲劳强度要 求较高的中小型零件，宜选择模锻件毛坯；
• 对于那些结构形状相当复杂且轮廓尺寸又较大的大型零 件，宜选择组合毛坯。
（2）力学性能的要求
• 对于力学性能要求较高，特别是工作时要承受冲击和交变 载荷的零件，为了提高抗冲击和抗疲劳破坏的能力，一般 应选择锻造毛坯，如机床、汽车的传动轴和齿轮等；
减速器传动轴轴的加工路线为： 热轧棒料下料一粗加工一调质处理一半精加工一磨削
2）磨床砂轮主轴“生产批量中等。砂轮主轴主要用于传递动力。该零件精度 要求高，工作中将承受弯曲、扭转、冲击等载荷，要求具有较高的强度。选 择65Mn，采用模锻件。
砂轮主轴的加工路线为： 下料－锻造－退火－粗加工－调质处理－精加工－表面淬火－ 粗磨－低温人工时效－精磨
轴类零件最常用的毛坯是型材和锻件，对于某些大型 的、结构形状复杂的轴也可用铸件或焊接结构件。
• 对于光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴，常用型 材（即热轧或冷拉圆钢）作为毛坯。
• 对于直径相差较大的阶梯轴或要承受冲击载荷和交变应 力的重要轴，均采用锻件作为毛坯。当生产批量较小时，应 采用自由锻件；当生产批量较大时，应采用模锻件。
机械零件由于使用功能的不同,其结构形状和尺寸往往 差异较大,各种毛坯制造方法对零件结构形状和尺寸的适应 能力也不相同。所以，选择毛坯时，应认真分析零件的结构 形状和尺寸特点，选择与之相适应的毛坯制造方法。
• 对于结构形状复杂的中小型零件,应选择铸件毛坯。可选 择砂型铸造、金属型铸造或熔模铸造等；
• 对于结构形状很复杂且轮廓尺寸不大的零件，宜选择熔 模铸造。