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第 5 章 機械零件毛坯的選擇 機械零件的制造包括毛坯成形和切削加工兩個階段，毛坯成形不僅對后續(xù)的切削加工產(chǎn)生很大的影響，而且對零件乃至機械產(chǎn)品的質(zhì)量、使用性能、生產(chǎn)周期和成本等都有影響。因此，正確選擇毛坯的類型和生產(chǎn)方法對于機械制造具有重要意義。本章將著重介紹毛坯選擇的原則及典型機械零件毛坯的選擇。 5.1 毛坯選擇的原則 機械零件常用的毛坯類型有鑄件、鍛件、軋制型材、擠壓件、沖壓件、焊接件、粉末冶金件和注射成型件等，每種類型的毛坯都可以有多種成形方法，在選擇時我們遵循的原則是：在保證毛坯質(zhì)量的前提下，力求選用高效、低成本、制造周期短的毛坯生產(chǎn)方法。一般毛坯選擇步驟是：首先由設(shè)計人員提出毛坯材料和加工后要達到的質(zhì)量要求，然后再由工藝人員根據(jù)零件圖、生產(chǎn)批量，并綜合考慮交貨期限及現(xiàn)有可利用的設(shè)備、人員和技術(shù)水平等選定合適的毛坯生產(chǎn)方法。具體要考慮的因素有以下幾方面： 5.1.1 滿足材料的工藝性能要求 金屬是制造機械零件的主要材料，一旦材料確定后，其材料的工藝性能就是影響毛坯成形的重要因素，表5.1.1給出了常用金屬材料所適用的毛坯生產(chǎn)方法。 表5.1.1 常用材料的毛坯生產(chǎn)方法 材料 毛坯 生產(chǎn)方法 低 碳 鋼 中 碳 鋼 高 碳 鋼 灰 鑄 鐵 鋁 合 金 銅 合 金 不 銹 鋼 工模 具具 鋼鋼 塑料 橡膠 砂型鑄造 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 金屬型鑄造 ⊙ ⊙ ⊙ 壓力鑄造 ⊙ ⊙ 熔模鑄造 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 鍛造 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 冷沖壓 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 粉末冶金 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 焊接 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 擠壓型材 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 冷拉型材 ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 備注 可壓制及吹塑 可壓制 注：表中“⊙”表示材料適宜或可以采用的毛坯生產(chǎn)方法。 5.1.2 滿足零件的使用要求 零件的使用要求主要包括零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸要求、零件的工作條件（通常指零件的受力情況、工作環(huán)境和接觸介質(zhì)等）以及對零件性能的要求等。 1. 結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的要求 機械零件由于使用功能不同，其結(jié)構(gòu)形狀和尺寸往往差異較大，各種毛坯生產(chǎn)方法對零件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的適應能力也不相同，所以選擇毛坯時，應認真分析零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸特點，選擇與之相適應的毛坯制造方法。對于結(jié)構(gòu)形狀復雜的中小型零件，為了使毛坯形狀與零件較為接近，應先確定以鑄件作為毛坯，然后再根據(jù)使用性能要求等選擇砂型鑄造、金屬型鑄造或熔模鑄造。對于結(jié)構(gòu)形狀很復雜且輪廓尺寸不大的零件，宜選擇熔模鑄造；對于結(jié)構(gòu)形狀較為復雜，且抗沖擊能力、抗疲勞強度要求較高的中小型零件，宜選擇模鍛件毛坯；對于那些結(jié)構(gòu)形狀相當復雜且輪廓尺寸又較大的零件，宜選擇組合毛坯。 2. 力學性能的要求 對于力學性能要求較高，特別是工作時要承受沖擊和交變載荷的零件，為了提高抗沖擊和抗疲勞破壞的能力，一般應選擇鍛件，如機床、汽車的傳動軸和齒輪等；對于由于其它方面原因需采用鑄件的，但又要求零件的金相組織致密、承載能力較強的零件，應選擇相應的能滿足要求的鑄造方法，如壓力鑄造、金屬型鑄造和離心鑄造等。 3. 表面質(zhì)量的要求 為降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)代機械產(chǎn)品上的某些非配合表面有盡量不加工的趨勢，即實現(xiàn)少、無切屑加工。為保證這類表面的外觀質(zhì)量，對于尺寸較小的有色金屬件，宜選擇金屬型鑄造、壓力鑄造或精密模鍛；對于尺寸較小的鋼鐵件，則宜選擇熔模鑄造（鑄鋼件）或精密模鍛（結(jié)構(gòu)鋼件）。 4. 其它方面的要求 對于具有某些特殊要求的零件，必須結(jié)合毛坯材料和生產(chǎn)方法來滿足這些要求。例如，某些有耐壓要求的套筒零件，要求零件金相組織致密，不能有氣孔、砂眼等缺陷，則宜選擇型材（如液壓油缸常采用無縫鋼管）；如果零件選材為鑄鐵，則宜選擇離心鑄造（如內(nèi)燃機的汽缸套，其材料為QT600－2，毛坯即為離心鑄造鑄件），對于在自動機床上進行加工的中小型零件，由于要求毛坯精度較高，故宜采用冷拉型材，如微型軸承的內(nèi)、外圈是在自動車床上加工的，其毛坯采用冷拉圓鋼。 5.1.3滿足降低生產(chǎn)成本的要求 要降低毛坯的生產(chǎn)成本，必須認真分析零件的使用要求及所用材料的價格、結(jié)構(gòu)工藝性、生產(chǎn)批量等各方面情況。首先，應根據(jù)零件的選材和使用要求確定毛坯的類型，再根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小和毛坯的結(jié)構(gòu)工藝性及生產(chǎn)批量大小確定具體的生產(chǎn)方法，必要時還可按有關(guān)程序?qū)υO(shè)計提出修改意見，以利于降低毛坯生產(chǎn)成本。 1. 生產(chǎn)批量較小時的毛坯選擇 生產(chǎn)批量較小，毛坯生產(chǎn)的生產(chǎn)率不是主要問題，材料利用率的矛盾也不太突出，這時應主要考慮的是減少設(shè)備、模具等方面的投資，即使用價格比校便宜的設(shè)備和模具，以降低生產(chǎn)成本。如使用型材、砂型鑄造件、自由鍛件、胎模鍛件、焊接結(jié)構(gòu)件等作為毛坯。 2. 生產(chǎn)批量較大時的毛坯選擇 生產(chǎn)批量較大，提高生產(chǎn)率和材料的利用率，降低廢品率，對降低毛坯的單件生產(chǎn)成本將具有明顯的經(jīng)濟意義。因此，應采用比較先進的毛坯制造方法來生產(chǎn)毛坯。盡管此時的設(shè)備造價昂貴、投資費用高，但分攤到單個毛坯上的成本是較低的，并由于工時消耗、材料消耗及后續(xù)加工費用的減少和毛坯廢品率的降低，從而有效地降低毛坯生產(chǎn)成本。 5.1.4符合生產(chǎn)條件 為了兼顧零件的使用要求和生產(chǎn)成本兩個方面，在選擇毛坯時還必須與本企業(yè)的具體生產(chǎn)條件相結(jié)合。當對外訂貨的價格低于本企業(yè)生產(chǎn)成本，且又能滿足交貨期要求時，應當向外訂貨，以降低成本。還要認真分析以下三方面的情況： 1． 當代毛坯生產(chǎn)的先進技術(shù)與發(fā)展趨勢，在不脫離我國國情及本廠實際的前提下，盡量采用比較先進的毛坯生產(chǎn)技術(shù)； 2． 產(chǎn)品的使用性能和成本方面對毛坯生產(chǎn)的要求； 3． 本廠現(xiàn)有毛坯生產(chǎn)能力狀況，包括生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)力量（含工程技術(shù)人員和技術(shù)工人）、廠房等方面的情況。 總之，毛坯選擇應在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，獲得最好的經(jīng)濟效益。 5.2 典型零件的毛坯選擇 根據(jù)毛坯的選擇原則，下面分別介紹軸桿類、盤套類和機架箱體類等典型零件的毛坯的選擇方法。 圖5.2.1 軸桿類零件 5.2.1軸桿類零件的毛坯選擇 軸桿類零件是機械產(chǎn)品中支承傳動件、承受載荷、傳遞扭矩和動力的常見典型零件，其結(jié)構(gòu)特征是軸向（縱向）尺寸遠大于徑向（橫向）尺寸，包括各種傳動軸、機床主軸、絲杠、光杠、曲軸、偏心軸、凸輪軸、齒輪軸、連桿、搖臂、螺栓、銷子等，如圖5.2.1所示。 軸類零件最常用的毛坯是型材和鍛件，對于某些大型的、結(jié)構(gòu)形狀復雜的軸也可用鑄件或焊接結(jié)構(gòu)件。 對于光滑的或有階梯但直徑相差不大的一般軸，常用型材（即熱軋或冷拉圓鋼）作為毛坯。 對于直徑相差較大的階梯軸或要承受沖擊載荷和交變應力的重要軸，均采用鍛件作為毛坯。當生產(chǎn)批量較小時，應采用自由鍛件；當生產(chǎn)批量較大時，應采用模鍛件。 對于結(jié)構(gòu)形狀復雜的大型軸類零件，其毛坯可采用砂型鑄造件、焊接結(jié)構(gòu)件或鑄一焊結(jié)構(gòu)毛坯。 下面舉例說明幾種軸桿類零件毛坯的選擇： 例1 如圖5.2.2所示為減速器傳動軸，工作載荷基本平衡，材料45鋼，小批量生產(chǎn)。由于該軸工作時不承受沖擊載荷，工作性質(zhì)一般，且各階梯軸徑相差不大，因此，可選用熱軋圓鋼作為毛坯。下料尺寸為Ф45㎜×220㎜。 減速器傳動軸的加工路線可設(shè)計為： 熱軋棒料下料一粗加工一調(diào)質(zhì)處理一精加工一磨削。 圖5.2.2 減速器傳動軸 例2 如圖5.2.3所示為磨床砂輪主軸，生產(chǎn)批量中等。砂輪主軸主要用于傳遞動力。該零件精度要求高，工作中將承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等載荷，要求具有較高的強度；同時,砂輪主軸與滑動軸承相配合,由于主軸轉(zhuǎn)速高容易導致軸頸與軸瓦磨損，故要求軸頸具有較高的硬度和耐磨性；另外，砂輪在裝拆過程中易使外圓錐面拉毛，影響加工精度，所以要求這些部位具有一定的耐磨性。根據(jù)以上要求，材料選擇為65Mn，毛坯采用模鍛件。 圖5.2.3磨床主軸簡圖 砂輪主軸的加工路線設(shè)計為： 下料一鍛造一退火一粗加工一調(diào)質(zhì)處理一精加工一表面淬火一粗磨一低溫人工時效一精磨。 退火的目的是消除鍛造應力及組織不均勻性，降低硬度，改善加工性。 調(diào)質(zhì)處理是為了提高主軸的綜合性能，以滿足心部的強度要求，同時在表面淬火時能獲得均勻的硬化層。 表面淬火是為了使軸頸和外圓錐部分獲得高硬度，提高耐磨性。 人工時效的作用是進一步穩(wěn)定淬硬層組織和消除磨削應力，以減少主軸的變形。 圖5.2.4 汽車排氣閥示意圖 例3 如圖5.2.4所示為汽車排氣閥的外形簡圖。該零件在高溫狀態(tài)下工作，要求材料為耐熱鋼，大批量生產(chǎn)。在保證滿足零件的使用要求的前提下，為節(jié)約較貴重的耐熱鋼，故采用焊接件毛坯。閥桿部分采用耐熱鋼，閥帽部分采用碳素結(jié)構(gòu)鋼，焊接方法采用電阻焊。 5.2.2盤套類零件的毛坯選擇 圖5.2.5 盤套類零件 盤套類零件是指直徑尺寸較大而長度尺寸相對較小的回轉(zhuǎn)體零件（一般長度與直徑之比小于1），如圖5.2.5所示。屬于這類零件的有各種齒輪、帶輪、飛輪、聯(lián)軸節(jié)、套環(huán)、軸承環(huán)、端蓋及螺母、墊圈等。 盤類零件由于其用途不同，所用的材料也不相同，毛坯生產(chǎn)方法也較多。下面主要討論幾種盤套類零件的毛坯選擇問題。 1. 帶輪的毛坯選擇 帶輪是通過中間撓性件（各種帶）來傳遞運動和動力的，一般載荷比較平穩(wěn)。因此，對于中小帶輪多采用HT150制造，故其毛坯一般采用砂型鑄造，生產(chǎn)批量較小時用手工造型；生產(chǎn)批量較大時可采用機器造型；對于結(jié)構(gòu)尺寸很大的帶輪，為減輕重量可采用鋼板焊接毛坯。 2．鏈輪的毛坯選擇 鏈輪是通過鏈條作為中間撓性件來傳遞動力和運動的，其工作過程中的載荷有一定的沖擊，且鏈齒的磨損較快。鏈輪的材料大多使用鋼材，最常用的毛坯為鍛件。單件小批生產(chǎn)時，采用自由鍛造；生產(chǎn)批量較大時使用模鍛；對于新產(chǎn)品試制或修配件，亦可使用型材；對于齒數(shù)大于50的從動鏈輪也可采用強度高于HT150的鑄鐵，其毛坯可采用砂型鑄造，造型方法視生產(chǎn)批量決定。 3 圓柱齒輪的毛坯選擇 齒輪的毛坯選擇取決于齒輪的選材、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、使用條件及生產(chǎn)批量等因素。對于鋼制齒輪，如果尺寸較小且性能要求不高，可直接采用熱軋捧料，除此之外，一般都采用鍛造毛坯。生產(chǎn)批量較小或尺寸較大的齒輪采用自由鍛造；生產(chǎn)批量較大的中小尺寸齒輪采用模鍛。對于直徑比較大，結(jié)構(gòu)比較復雜的不便于鍛造的齒輪，采用鑄鋼毛坯或焊接組合毛坯。 5.2.6車床主軸箱中三聯(lián)滑動齒輪簡圖 例1 機床齒輪 一般來說，機床齒輪載荷不大，運動平穩(wěn)，工作條件好，故對齒輪的耐磨性及沖擊韌度要求不高，材料選用中碳鋼，用熱軋圓鋼作為毛坯。圖5.2.6為C620—1車床主軸箱中Ⅲ軸上的三聯(lián)滑動齒輪簡圖，該齒輪主要用來傳遞動力并改變轉(zhuǎn)速，通過撥動箱外手柄使齒輪在Ⅲ軸上作滑移運動，與Ⅱ軸上的不同齒輪嚙合，以獲得不同的轉(zhuǎn)速?？紤]到整個齒輪較厚，采用中碳鋼難以淬透，生產(chǎn)中也可選用中碳合金鋼如40Cr，齒面經(jīng)高頻淬火提高表面硬度和耐磨性。 其加工工藝路線為： 下料一鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)一精加工一齒輪高頻淬火及回火一精磨 正火處理對鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，它可消除鍛造壓力，均勻組織，改善切削加工性。對于一般齒輪，正火也可作為高頻淬火前的最后熱處理工序。 調(diào)質(zhì)處理可以使齒輪獲得較高的綜合力學性能，齒輪可承受較大的彎曲應力和沖擊力，并可減少淬火變形。 高頻淬火及低溫回火提高了齒輪表面硬度和耐磨性，并且使齒輪表面產(chǎn)生壓應力，提高了抗疲勞破壞的能力。低溫回火可消除淬火應力，對防止產(chǎn)生磨削裂紋和提高抗沖擊能力是有利的。 例2 載重汽車的變速齒輪 汽車變速箱中的齒輪主要用來調(diào)節(jié)發(fā)動機曲軸和主軸凸輪的轉(zhuǎn)速比，以改變汽車的運行速度，其工作較為繁重，因此在疲勞極限、耐磨性以及抗沖擊等性能方面均比機床齒輪要求高，因此變速齒輪的材料大多選用合金滲碳鋼。圖5.2.7為解放牌汽車變速齒輪，采用20CrMnTi鋼，經(jīng)滲碳淬火處理及低溫回火后表面硬度為58～62HRC，心部硬度為30～45HRC，這種鋼具有良好的工藝性能，這對大量生產(chǎn)來說極為重要。毛坯生產(chǎn)方法采用模鍛。20CrMnTi鋼經(jīng)鍛造及正火后，切削加工性較好，同時有良好的淬透性、過熱傾向小、滲碳速度快及淬火變形小等熱處理工藝性能。 圖5.2.7為解放牌汽車變速齒輪 具體加工工藝路線如下： 下料一模鍛一正火一機械粗、半精加工(內(nèi)孔及端面留磨量)一滲碳(孔防滲)淬火、 低溫回火一噴丸一校正花鍵孔一珩(或磨)齒 正火是為了均勻和細化組織，消除鍛造應力，獲得較好的切削加工性。 滲碳、淬火及低溫回火是為了使齒面具有高硬度及耐磨性，而心部可得到低碳馬氏體組織，有高的強度和足夠的韌性。 噴丸處理是一種強化手段，可使零件滲碳表層的壓應力進一步增大，有利于提高疲勞強度，同時也可清除氧化皮。 5.2.3箱體機架類零件的毛坯選擇 箱體機架類零件是機器的基礎(chǔ)件，這類零件包括機身、齒輪箱、閥體、泵體、軸承座等，如圖5.2.8所示。 圖5.2.8 箱體、機架類零件 由于箱體類零件的結(jié)構(gòu)形狀一般都比較復雜，且內(nèi)部呈腔形，為滿足減振和耐磨等方面的要求，其材料一般都采用鑄鐵。為達到結(jié)構(gòu)形狀方面的要求，最常見的毛坯是砂型鑄造的鑄件。在單件小批生產(chǎn)、新產(chǎn)品試制或結(jié)構(gòu)尺寸很大時，也可采用鋼板焊接毛坯。 如圖5.2.9所示為泵體零件圖，材料為HT150，大批生產(chǎn)?？紤]到該零件是泵的支承件，結(jié)構(gòu)比較復雜，材料為灰鑄鐵，而且生產(chǎn)批量大等因素，選擇機器造型的砂型鑄造方法生產(chǎn)零件毛坯比較適宜。 圖5.2.9 泵體零件圖 復習與思考題 5—1 常用的毛坯形式有哪幾類？選擇毛坯應遵循的基本原則是什么？ 5—2 影響毛坯生產(chǎn)成本的主要因素有哪些？根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模，如何降低毛坯的生產(chǎn)成本？ 5—3 軸類零件的常用毛坯有哪幾種？生產(chǎn)實際中如何選擇？ 5—4 箱體機架類零件的常用毛坯有哪幾種？生產(chǎn)實際中如何選擇？ a) 車床進給箱體，材料HT200，中批量生產(chǎn) 5—5 試為下圖所示的零件選擇合適的材料和毛坯生產(chǎn)方式。 b) 階梯軸，材料45鋼，小批生產(chǎn) c) 雙聯(lián)齒輪，材料40Cr，大批生產(chǎn) 題5—5圖 232