零件毛坯
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- 零件毛坯材料应用技术课程教案
科目 金属材料应用技术 授课教师 高琪妹
课型 专业基础综合型 学校 辽宁石化职业技术学院
课题 第十一章 典型工件的选材及实际用材
第一节 选材的一般原则
第二节 典型工件的选材及热处理工艺路线设计
教学目标 1、了解选材的一般原则
2、初步了解典型工件的选材及热处理工艺路线设计
3、培养学生的综合实践能力
教学重点 选材及热处理工艺路线设计 教学难点 选材及热处理工艺路线设计
教学方法 采用启发式、共同分析、讨论、总结式
教学工具 计算机、投影仪、课件
教学内容及步骤 教学方法的应用 能力培养
一、组织教学
二、导入新课
三、讲授新课
第十一章 典型工件的选材及实际用材
第一节选材的一般原则
一般原则是：①使用性能原则
②工艺性能原则
③经济性原则
使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。在大多数情况下，这是选材首先要考虑的问题。使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。力学性能要求，一般是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出的。
材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。在选材中，同使用性能相比材料的工艺性能常处于次要地位，但在某些特殊情况下，工艺性能也可成为选材考虑的主要依据。如切削加工中，大批量生产时，为保证材料的切削加工性，而选用易切削钢便是一个例子。当某一材料的性能很理想，但极难加工或加工成本较高时，则该材料是不可选的。因此，选材时必须考虑材料的工艺性能。
金属材料（主要是钢铁材料）的加工工艺路线大体可分为以下三大类。
① 性能要求不高的一般零件：
毛坯—正火或退火—切削加工—零件
毛坯由铸造或锻轧加工获得。如果用型材直接加工成零件，则因材料出厂前已经退火或正火处理，可不必再进行热处理。一般情况下的毛坯的正火或退火，不单是为了消除铸造、锻造的组织缺陷和改善加工性能，还赋予零件以必要的力学性能，因而也是最终热处理。由于零件性能要求不高，多采用比较普通的材料如铸铁或碳钢制造。它们的工艺性能都比较好。
② 性能要求较高的零件：
毛坯—预先热处理（正火、退火）—粗加工—最终热处理（淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等）—精加工—零件
预先热处理是为了改善机加工性能，并为最终热处理作好组织准备。大部分性能要求较高的零件，如各种合金钢、高强铝合金制造的轴、齿轮等，均采用这种工艺路线。它们的工艺性能不一定都是很好的，所以要重视这些性能的分析。
③ 要求较高的精密零件：
毛坯—预先热处理（正火、退火）—粗加工—最终热处理（淬火、低温口火、固溶、时效或渗碳）—半精加工—稳定化处理或氮化—精加工—稳定化处理—零件
这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。在半精加工后进行一次或多次精加工及尺寸的稳定化处理。要求高耐磨性的零件还需进行氮化处理。由于加工路线复杂，性能和尺寸的精度要求很高，零件所用材料的工艺性能应充分保证。这类零件有精密丝杠、镗床主轴等。
三、经济性原则
材料的经济性是选材的重要原则之一，零件材料的价格无疑应该尽量低。材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30％～70％。
第二节 典型工件的选材及热处理工艺路线设计
一、典型工件的工作条件、失效形式和性能要求
1．齿轮的工作条件、失效形式及性能要求
齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况如下：
① 由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力；
② 齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生强烈的摩擦；
③ 由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。
由于齿轮的工作特点，其主要失效形式有以下几种：
① 疲劳断裂 主要发生在齿根，常常一齿断裂引起数齿、甚至更多的齿断裂。它是齿轮最严重的失效形式；
② 齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小，齿隙增大；
③ 齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹并逐渐发展，引起点状剥落；
④ 过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。
根据工作条件和失效形式，对齿轮用材提出如下性能要求：
① 高的弯曲疲劳强度；
② 高的接触疲劳强度和耐磨性；
③ 轮齿心部要有足够的强度和韧性。
2.轴的工作条件、失效形式及性能要求
轴是机器中最基本的零件之一，其主要作用是支承传动零件，并传递运动和动力。轴的质量好坏，直接影响机器的精度与寿命。一般轴的工作条件为：
① 传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷；
② 轴颈承受较大的摩擦；
③ 承受一定的冲击载荷。
由于轴的工作特点，其主要失效形式有以下几种：
① 疲劳断裂 由于受扭转和弯曲交变载荷长期作用，造成轴疲劳断裂。这是最主要的失效形式；
② 断裂失效 由于大载荷或冲击载荷作用，轴发生折断或扭断；
③ 磨损失效 轴颈或花键处过度磨损。
根据工作条件和失效形式，对轴用材料提出如下性能要求：
① 良好的综合力学性能，即强度、塑性、韧性有良好的配合，以防止冲击或过载断裂；
② 高的疲劳强度，以防疲劳断裂；
③ 良好的耐磨性，防止轴颈磨损。
此外，还应考虑刚度、切削加工性、热处理工艺性和成本。
3. 滚动轴承的工作条件、失效形式及性能要求
滚动轴承是一个组件，有多种标准件可以选购。根据滚动轴承的工作条件，滚动体与内外圈滚道的接触理论上为点接触或线接触，受载后接触应力较大，所以要求主要零件的材料有高的硬度、接触疲劳强度、耐磨性和高的冲击韧性和强度等。
4.箱体的工作条件、失效形式及性能要求
缸体在工作中承受气压力的拉伸和气压力与惯性力联合作用下的倾覆力矩的扭转和弯曲以及螺栓预紧力的综合作用。因此缸体材料必须满足下列要求：
① 有足够的强度和刚度。特别是要有足够的刚度，以减小变形，保证尺寸的稳定性；
② 良好的铸造性和切削性；
③ 价格低廉。
5．螺栓、铆钉等零件工作条件、失效形式及性能要求
汽车结构中的螺栓和铆钉等冷镦零部件，主要起连接、紧固、定位以及密封汽车各零部件的作用。在汽车行驶过程中，由于螺栓连接的零部件不同，而这些零部件所受的载荷各不相同，故不同螺栓的应力状态也不相同。有的承受弯曲或剪切应力；有的承受反复交变的拉应力和压应力；也有的承受冲击载荷；或同时承受上述几种载荷。此外，由于螺栓的结构及其所传递的载荷的特性，螺栓具有很高的应力集中。因此，应根据螺栓的受力状态合理地选用材料。
二、典型工件的选材及热处理工艺的设计
1.齿轮的选材及热处理工艺的设计
根据分析齿轮选20CrMnTi硬度在56~60HRC左右，它的工艺路线为：
下料—锻造—正火—切削加工—渗碳、淬火及低温回火—喷丸—磨削加工
2.轴的选材及热处理工艺的设计
根据以上分析，轴可选用45钢。热处理工艺为调质处理，硬度要求为220 HB～250HB；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为 52HRC。它的工艺路线如下：
锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削加工
锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削加工
3. 滚动轴承的选材及热处理工艺的设计
4. 箱体的选材及热处理工艺的设计
5. 螺栓、铆钉等的选用
四、总结
五、布置综合作业
教师讲授
电脑播放课件
头脑风暴法
学生进行分类、组合
启发式、比较式教学法
教师讲授
学生归纳总结
实物展示
学生讨论教师讲解并总结
答疑式
分析概括能力能力
分析能力
应用能力
分析能力
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