第十一章機(jī)械設(shè)計(jì)與選材

1、 第一節(jié)、機(jī)械設(shè)計(jì)與選材的關(guān)系第一節(jié)、機(jī)械設(shè)計(jì)與選材的關(guān)系 第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效 第三節(jié)、選材的思路與程序第三節(jié)、選材的思路與程序 第四節(jié)、第四節(jié)、 選材的典型實(shí)例分析選材的典型實(shí)例分析第一節(jié)、機(jī)械設(shè)計(jì)與選材的關(guān)系第一節(jié)、機(jī)械設(shè)計(jì)與選材的關(guān)系一、機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程一、機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程提出設(shè)計(jì)任務(wù)技術(shù)功能設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾何形狀設(shè)計(jì)選 材工藝過(guò)程設(shè)計(jì)(加工及組織)設(shè)計(jì)總圖服役條件分析服役條件分析失效形式估計(jì)失效形式估計(jì)確定失效抗力確定失效抗力及性能指標(biāo)及性能指標(biāo)材料設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)第一節(jié)、機(jī)械設(shè)計(jì)與選材的關(guān)系第一節(jié)、機(jī)械設(shè)計(jì)與選材的關(guān)系二、設(shè)計(jì)與制造工藝路線二、設(shè)計(jì)與制造工

2、藝路線鍛造時(shí)效處理精磨低溫回火淬火粗磨機(jī)械加工球化退火第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效 失效失效定義定義：零件或部件失去應(yīng)有的功效：零件或部件失去應(yīng)有的功效 失效失效分三類分三類是指：是指： 零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；零件完全破壞，不能繼續(xù)工作； 嚴(yán)重?fù)p嚴(yán)重?fù)p傷傷，繼續(xù)工作很不安全；，繼續(xù)工作很不安全； 雖能安全工作，但已不能滿意地起到預(yù)定的作用。雖能安全工作，但已不能滿意地起到預(yù)定的作用。 只要發(fā)生上述三種情況中的任何一種，都認(rèn)為零件已經(jīng)只要發(fā)生上述三種情況中的任何一種，都認(rèn)為零件已經(jīng)失效。一般失效。一般稱呼稱呼失效大多是特指零件的失效大多是特指零件的早期失效早期失效，即未，即

3、未達(dá)到預(yù)期的效果或壽命，提前出現(xiàn)失效的過(guò)程。達(dá)到預(yù)期的效果或壽命，提前出現(xiàn)失效的過(guò)程。 失效分析失效分析：探討零件失效的方式和原因，并提出相應(yīng)：探討零件失效的方式和原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。的改進(jìn)措施。根據(jù)失效分析的結(jié)果，改進(jìn)對(duì)零件的設(shè)計(jì)、根據(jù)失效分析的結(jié)果，改進(jìn)對(duì)零件的設(shè)計(jì)、選材、加工和使用，提高零部件的使用壽命，避免惡性選材、加工和使用，提高零部件的使用壽命，避免惡性事故的發(fā)生，帶來(lái)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。事故的發(fā)生，帶來(lái)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效一、機(jī)械產(chǎn)品失效的原因一、機(jī)械產(chǎn)品失效的原因1、設(shè)計(jì)不當(dāng)3、材質(zhì)不良4、裝配、使用不當(dāng)2、用材失

4、誤例如：在軸類零件上開槽等例如：在軸類零件上開槽等。例如：熱疲勞性能不匹配。例如：熱疲勞性能不匹配。例如：材料中存在缺欠。例如：材料中存在缺欠。例如：配合不當(dāng)、對(duì)中不良等例如：配合不當(dāng)、對(duì)中不良等第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效二、機(jī)械構(gòu)件失效的形式二、機(jī)械構(gòu)件失效的形式1、過(guò)量變形n 過(guò)量彈性變形過(guò)量彈性變形n 過(guò)量塑性變形過(guò)量塑性變形n 塑性變形后失穩(wěn)后斷裂塑性變形后失穩(wěn)后斷裂n 低應(yīng)力脆性斷裂低應(yīng)力脆性斷裂n 疲勞斷裂疲勞斷裂n 材料表面失效材料表面失效2、斷裂失效第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效第二節(jié)、機(jī)械產(chǎn)品的失效二、機(jī)械構(gòu)件失效的形式二、機(jī)械構(gòu)件失效的形式中間軸疲勞斷裂 故障現(xiàn)象

5、故障現(xiàn)象 中間軸零件形狀見圖1，在做臺(tái)架試驗(yàn)的過(guò)程中，累計(jì)運(yùn)行18.9萬(wàn)次后發(fā)生斷裂，其部位在螺紋與齒部臺(tái)階的根部。 中間軸設(shè)計(jì)技術(shù)要求中間軸設(shè)計(jì)技術(shù)要求 1材料：42CrMo2 熱處理：調(diào)質(zhì)，硬度 255-285HB, 花鍵部分感應(yīng)淬火：53-55HRC3 臺(tái)架試驗(yàn)，輸入扭矩20000 N.M，要求壽命40萬(wàn)次 宏觀形貌 疲勞條帶中間軸疲勞斷裂 主要分析結(jié)論主要分析結(jié)論 1 造成疲勞斷裂的主要原因是臺(tái)階處跟部圓角半徑太小，只有R1, 引起極大的應(yīng)力集中，實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于疲勞極限，造成裂紋源易形成，并形成多疲勞源。2 螺紋部分本身也相當(dāng)于一個(gè)裂紋源，應(yīng)力集中程度大，而且離臺(tái)階根部太近，只有2-3

6、mm。故有兩處疲勞裂紋從螺紋根部萌生。斷口分析表明臺(tái)階根部和螺紋根部是兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，多疲勞源的形成和擴(kuò)展主要是這兩個(gè)部位應(yīng)力集中程度太大。 宏觀形貌 疲勞條帶第三節(jié)、選材的思路與程序第三節(jié)、選材的思路與程序一、選材的思路一、選材的思路 材料力學(xué)性能：材料力學(xué)性能： 材料的工藝性能；材料的工藝性能； 材料的經(jīng)濟(jì)性能；材料的經(jīng)濟(jì)性能； 材料的比重；材料的比重； 機(jī)械零件選材的一般程序機(jī)械零件選材的一般程序第三節(jié)、選材的思路與程序第三節(jié)、選材的思路與程序一、選材的思路一、選材的思路 材料力學(xué)性能：材料力學(xué)性能： 第四節(jié) 選材的典型實(shí)例分析一、一、軸類零件的選材及工藝路線軸類零件的選材及工藝路線 1。

7、軸類零件的性能要求。軸類零件的性能要求 軸類零件工作時(shí)支承傳動(dòng)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)軸類零件工作時(shí)支承傳動(dòng)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，因此應(yīng)有較高的綜合力學(xué)性能（強(qiáng)韌性），力，因此應(yīng)有較高的綜合力學(xué)性能（強(qiáng)韌性），局部承受摩擦的部位局部承受摩擦的部位 如花鍵、軸頸等處要求較高如花鍵、軸頸等處要求較高的硬度，以提高耐磨性。的硬度，以提高耐磨性。 包括各類軸、連桿、絲杠、高強(qiáng)度螺栓等。包括各類軸、連桿、絲杠、高強(qiáng)度螺栓等。2。選材及熱處理。選材及熱處理 一般選用中碳鋼或中碳合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理使一般選用中碳鋼或中碳合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理使零件整體得到滿意的強(qiáng)韌性，如選零件整體得到滿意的強(qiáng)韌性，如選45, 40Cr等。

8、等。 局部承受摩擦的部位則進(jìn)行局部表面淬火或局部承受摩擦的部位則進(jìn)行局部表面淬火或氮化處理。氮化處理。 須氮化處理的零件宜選用氮化專用鋼，如須氮化處理的零件宜選用氮化專用鋼，如38CrMoAl等。等。 一些形狀復(fù)雜而對(duì)力學(xué)性能要求不是很高的一些形狀復(fù)雜而對(duì)力學(xué)性能要求不是很高的零件（如低速內(nèi)燃機(jī)曲軸）可選用球墨鑄鐵。零件（如低速內(nèi)燃機(jī)曲軸）可選用球墨鑄鐵。 軸類軸類第四節(jié)第四節(jié) 選材的典型實(shí)例分析選材的典型實(shí)例分析機(jī)床主軸機(jī)床主軸工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)： 受力不大，有時(shí)受到?jīng)_擊載荷作用，要求較高的剛受力不大，有時(shí)受到?jīng)_擊載荷作用，要求較高的剛度，軸頭錐面和錐孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑動(dòng)軸度，軸

9、頭錐面和錐孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑動(dòng)軸承的軸頸則需要高的耐磨性。承的軸頸則需要高的耐磨性。選材：選材：由于材料的受力不大可用普通由于材料的受力不大可用普通4545鋼，對(duì)高精度機(jī)床為鋼，對(duì)高精度機(jī)床為保證氮化可靠性，應(yīng)選用保證氮化可靠性，應(yīng)選用38CrMoAlA38CrMoAlA專用氮化鋼為好。專用氮化鋼為好。下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 精車精車 消除應(yīng)力處理消除應(yīng)力處理 噴砂噴砂 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨精磨 軸類軸類第四節(jié)第四節(jié) 選材的典型實(shí)例分析選材的典型實(shí)例分析汽車半軸汽車半軸工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)： 驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)件，承受驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)件，承

10、受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，在啟動(dòng)、顛簸、特別是緊較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，在啟動(dòng)、顛簸、特別是緊急制動(dòng)時(shí)受到更大的沖擊應(yīng)力，對(duì)材料的抗急制動(dòng)時(shí)受到更大的沖擊應(yīng)力，對(duì)材料的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和韌性提出較高的要求。彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和韌性提出較高的要求。選材：選材：調(diào)質(zhì)鋼，中型載重車輛可選用調(diào)質(zhì)鋼，中型載重車輛可選用40Cr40Cr鋼，而重型載重車鋼，而重型載重車輛則選用性能更高的輛則選用性能更高的40CrMnMo40CrMnMo鋼。鋼。工藝路線：工藝路線： 下料下料 鍛造鍛造退火退火粗加工粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精車精車表面淬火及低溫回火表面淬火及低溫回火精磨精磨二、齒輪類零件的選材及工藝路線二、齒輪類零件的選材及工藝路線第

11、四節(jié)第四節(jié) 選材的典型實(shí)例分析選材的典型實(shí)例分析機(jī)床齒輪機(jī)床齒輪工作特點(diǎn)：工作特點(diǎn)： 工作負(fù)荷不太大，中速運(yùn)轉(zhuǎn)，較平穩(wěn)。工作負(fù)荷不太大，中速運(yùn)轉(zhuǎn)，較平穩(wěn)。選材：選材： 常用常用4545鋼或鋼或40Cr40Cr鋼等鋼等調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 精加工精加工 高頻淬火及低溫回火高頻淬火及低溫回火 精磨精磨二、齒輪類二、齒輪類第四節(jié)第四節(jié) 選材的典型實(shí)例分析選材的典型實(shí)例分析汽車變速箱齒輪汽車變速箱齒輪工作特點(diǎn)工作特點(diǎn)： 受力較大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，受沖擊頻繁。其耐磨性、疲受力較大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，受沖擊頻繁。其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌性等要求均比機(jī)床用齒輪高。勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌性等要求均比機(jī)床用齒輪高。一般調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)高頻淬火不能滿足要求，并且這類齒輪大多成一般調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)高頻淬火不能滿足要求，并且這類齒輪大多成批生產(chǎn)，對(duì)批量大、標(biāo)準(zhǔn)化