機(jī)械零部件是指組成機(jī)器的不可拆分的基本單元,如螺栓、螺釘、鍵、帶、齒輪、軸、彈簧、銷等。機(jī)械零件分為通用零件和專用零件。通用零件是指能在各種機(jī)器中廣泛使用的零件,專用零件是指只能在某一類特定的機(jī)器中使用的零件。
一、機(jī)械零件常用材料
機(jī)械零件的材料有金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料。
金屬材料分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料包括各種鋼、鑄鋼和鑄鐵,具有較好的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、塑性、韌性等),價(jià)格相對(duì)便宜且容易獲得,而且能滿足多種性能和用途的要求。在各類黑色金屬中,由于合金鋼的性能優(yōu)良,因而常常用來(lái)制造重要的零件。有色金屬材料包括銅合金、鋁合金、軸承合金等,具有密度小、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn),通常還可用于有減摩、耐磨及耐腐蝕要求的場(chǎng)合。
非金屬材料指塑料、橡膠、合成纖維等高分子材料及陶瓷等。高分子材料有許多優(yōu)點(diǎn),如原料豐富、密度小,在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)有很好的彈性,耐腐蝕性好等。其主要缺點(diǎn)是容易老化,其中不少材料阻燃性差,總體上講,耐熱性不好。陶瓷材料的主要特點(diǎn)是硬度極高、耐磨、耐腐蝕、熔點(diǎn)高、剛度大以及密度比鋼鐵小等。目前,陶瓷材料已應(yīng)用于密封件、滾動(dòng)軸承和切削刀具等結(jié)構(gòu)中。其主要缺點(diǎn)是比較脆,斷裂韌度低,價(jià)格昂貴,加工工藝性差等。
復(fù)合材料是指用兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學(xué)性能的材料經(jīng)復(fù)合工藝處理而得到所需性能的一種新型材料。例如用玻璃、石墨(碳)、硼、塑料等非金屬材料可以復(fù)合成各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在普通碳素鋼板表面貼附塑料,可以獲得強(qiáng)度高而又耐腐蝕的塑料復(fù)合鋼板,主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的強(qiáng)度和彈性模量,而質(zhì)量又特別小,但也有耐熱性差、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能較差的缺點(diǎn)。此外,復(fù)合材料的價(jià)格比較貴。所以目前復(fù)合材料主要用于航空、航天等高科技領(lǐng)域,在民用產(chǎn)品中,復(fù)合材料也有一些應(yīng)用。
二、機(jī)械零件材料選擇原則
從各種各樣的材料中選擇出適用的材料,是一項(xiàng)受多方面因素所制約的工作。機(jī)械零件常用的材料有鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屬等,常用材料的牌號(hào)、性能及熱處理知識(shí)可查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇材料是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展,機(jī)械制造業(yè)對(duì)零件的要求在提高。因此,設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí),應(yīng)充分了解材料的性能和適用條件,并考慮零件的使用、工藝和經(jīng)濟(jì)性等要求。下面就金屬材料(主要是鋼鐵)的一般選用原則作一簡(jiǎn)介。
選擇機(jī)械零件材料的原則是:所需材料應(yīng)滿足零件的使用要求,有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。
1、使用要求
機(jī)械零件的使用要求表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):
(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(diǎn)、工作溫度、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)有良好的緩蝕和耐腐蝕的能力,例如選用不銹鋼、銅合金等。
工作溫度對(duì)材料選擇的影響,一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線脹系數(shù)不能相差過(guò)大,以免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力或者使配合松動(dòng);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(dòng)摩擦下工作的零件,要提高其表面硬度,以增強(qiáng)耐磨性,應(yīng)選擇適于進(jìn)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;在多少有些沖擊的情況下,應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料;對(duì)于表面受較大接觸應(yīng)力的零件,應(yīng)選擇可以進(jìn)行表面處理的材料,如表面硬化鋼;對(duì)于受變應(yīng)力的零件,應(yīng)選擇耐疲勞的材料;對(duì)于受沖擊載荷的零件,應(yīng)選擇沖擊韌度較高的材料;對(duì)于尺寸取決于強(qiáng)度,且尺寸和質(zhì)量又受限的零件,應(yīng)選擇強(qiáng)度較高的材料;對(duì)于尺寸取決于剛度的零件,應(yīng)選用彈性模量較大的材料。
金屬材料的性能一般可通過(guò)熱處理加以提高和改善,因此,要充分利用熱處理的手段來(lái)發(fā)揮材料的潛力。對(duì)于常用的調(diào)質(zhì)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,材料的硬度和強(qiáng)度將越低,而塑性越好。所以在選擇材料的品種時(shí)。應(yīng)同時(shí)規(guī)定其熱處理規(guī)范,并在圖樣上加以注明。
(2)對(duì)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制取方法有關(guān)。用鑄造材料制造毛坯時(shí),一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制;而用鍛造材料制造毛坯時(shí),則需注意鍛壓機(jī)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(qiáng)重比有關(guān),應(yīng)盡可能選用強(qiáng)重比大的材料,以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。
(3)零件在整機(jī)或部件中的重要程度。
2、工藝要求
要考慮所用的材料從毛坯到成品都能方便地制造出來(lái)。例如,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的零件難以鍛造,可以采用鑄造或焊接,其材料需要具有良好的鑄造性能或焊接性能。
根據(jù)所選的工藝,要考慮材料對(duì)該工藝的加工可能性。對(duì)于鑄造,要考慮材料的液態(tài)流動(dòng)性、產(chǎn)生縮孔和偏析的可能性等;對(duì)于焊接,要考慮材料的焊接性和產(chǎn)生裂紋的傾向等;對(duì)于鍛造,要考慮材料的延伸性、熱脆性和變形能力等;對(duì)于需要熱處理的零件,要考慮材料的淬透性、淬火變形的傾向性等;對(duì)于需經(jīng)切削加工的零件,要考慮材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度和切削后能達(dá)到的表面粗糙度等。
3、經(jīng)濟(jì)要求
(1)材料本身的相對(duì)價(jià)格在滿足使用要求的前提下,應(yīng)盡量選用價(jià)格低廉的材料。這一點(diǎn)對(duì)于大批量制造的零件尤其重要。
(2)材料的加工費(fèi)用當(dāng)零件質(zhì)量不大而加工量很大時(shí),加工費(fèi)用在零件總成本中要占很大比例。盡管鑄鐵比鋼板價(jià)廉,但對(duì)于某些單件或小批量生產(chǎn)的箱體類零件來(lái)說(shuō),采用鑄鐵反而比采用鋼板焊接的成本更高,因?yàn)楹笳呖梢允〉裟>叩闹圃熨M(fèi)用。
(3)材料的利用率采用無(wú)屑或少切屑加工,如模鍛、精鑄、沖壓等,可以提高材料的利用率。
(4)局部品質(zhì)原則在很多情況下,零件在其不同的部位上對(duì)材料有不同的要求。要想選用一種材料滿足不同的要求,事實(shí)上是不可能的,即使可能,價(jià)格也非常昂貴。這時(shí),可根據(jù)局部品質(zhì)原則,在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理工藝,使各局部的要求分別得到滿足。例如蝸輪的輪齒需要具有優(yōu)良的耐磨性和較高的抗膠合能力,其他部分只需具有一般的強(qiáng)度即可,故在鑄鐵輪芯外套用青銅齒圈,以滿足這些要求。又如滑動(dòng)軸承只在其和軸頸接觸的表面處要求有減摩性,所以只需用減摩材料制成軸瓦,而不必把整個(gè)軸承都用減摩材料制造。局部品質(zhì)也可以用滲碳、表面淬火、表面噴鍍、表面輾壓等方法獲得。
(5)材料代用以節(jié)約貴重、稀有材料由于供應(yīng)上的原因或經(jīng)濟(jì)性的要求,可以對(duì)所選材料用其他材料代用。例如,當(dāng)強(qiáng)度為主要要求時(shí),可選用強(qiáng)度較高而價(jià)格較貴的材料,也可用強(qiáng)度較差而價(jià)廉的材料代替,而將結(jié)構(gòu)尺寸適當(dāng)加大;當(dāng)耐磨或耐腐蝕為主要要求時(shí),可以不選用耐磨性或防腐性好的材料而選用較差的材料進(jìn)行各種表面硬化處理或防腐處理;對(duì)于稀有材料,也可以用普通材料代替,例如用鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦。
(6)材料供應(yīng)情況從簡(jiǎn)化材料品種的供應(yīng)和儲(chǔ)存出發(fā),對(duì)于小批量生產(chǎn)的零件,應(yīng)盡可能減少同一臺(tái)機(jī)器上使用材料的品種和規(guī)格。
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