從各種各樣的材料中選擇出要使用的材料,是一項(xiàng)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(jì)的重要一環(huán)。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并具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。
01 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(duì)材料選擇的影響主要有兩個(gè)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(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(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)于受應(yīng)變力的零件,應(yīng)選擇耐疲勞的材料;對(duì)于受沖擊載荷的零件,應(yīng)選擇沖擊韌性較高的材料;對(duì)于尺寸取決于強(qiáng)度而尺寸和質(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)選擇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(shí),應(yīng)同時(shí)規(guī)定其熱處理規(guī)范,并在圖樣上注明。
(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的制造方法有關(guān)。生產(chǎn)鑄造毛坯時(shí)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(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)盡可能選擇強(qiáng)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(jī)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(shí)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(duì)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(duì)外形簡(jiǎn)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(duì)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(jì)性要求
(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)用在零件總成本中會(huì)占很大比例。盡管鑄鐵比鋼板廉價(jià),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)節(jié)約材料
為了節(jié)約材料,可采用熱處理或表面強(qiáng)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(lán)等)方法,以減輕腐蝕和磨損的程度,延長(zhǎng)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(wú)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(shí)還可減少切削加工的工時(shí)。
(5)節(jié)約貴重材料
通過(guò)采用組合結(jié)構(gòu),可節(jié)約價(jià)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(jià)格貴的錫青銅,而輪芯則采用廉價(jià)的鑄鐵。
(6)節(jié)約稀有材料
在這方面,可采用在我國(guó)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(shí),應(yīng)選用本地就有且便于供應(yīng)的材料,以降低采購(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存的成本;從簡(jiǎn)化材料品種的供應(yīng)和儲(chǔ)存的角度出發(fā),對(duì)于小批量生產(chǎn)的零件,應(yīng)盡可能減少在同一臺(tái)機(jī)器上使用材料的品種和規(guī)格,以簡(jiǎn)化供應(yīng)和管理,并可在加工及熱處理過(guò)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?gòu)U品,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
(文章來(lái)源:機(jī)械工程師、金屬加工)
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