從各種各樣的材料中選擇出要使用的材料,是一項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計的重要一環。選擇機械零件材料的原則是:所需材料應滿足零件的使用要求并具有良好的工藝性和經濟性等。
01 使用要求
機械零件的使用要求表現為以下幾點:
(1)零件的工作狀況和受載情況以及為避免相應的失效形式而提出的要求。
工作狀況是指零件所處的環境特點、工作溫度及摩擦和磨損的程度等。在濕熱環境或腐蝕介質中工作的零件,其材料應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。工作溫度對材料選擇的影響主要有兩個方面:一方面要考慮互相配合的兩零件材料的線膨脹系數不能相差過大,以免在溫度變化時產生過大的熱應力或者使配合松動;另一方面也要考慮材料的力學性能隨溫度而改變的情況。在滑動摩擦下工作的零件,要提高其表面硬度,以增強耐磨性,應選擇適于進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、應力的大小和性質。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,應以塑性材料作為主要使用的材料;對于表面受較大接觸應力的零件,應選擇可以進行表面處理的材料,如表面硬化鋼;對于受應變力的零件,應選擇耐疲勞的材料;對于受沖擊載荷的零件,應選擇沖擊韌性較高的材料;對于尺寸取決于強度而尺寸和質量又受限的零件,應選擇強度較高的材料;對于尺寸取決于剛度的零件,應選擇彈性模量較大的材料。
金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善,因此,要充分利用熱處理的手段來發揮材料的潛力;對于最常用的調制鋼,由于其回火溫度的不同可得到力學性能不同的毛坯。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,應同時規定其熱處理規范,并在圖樣上注明。
(2)對零件尺寸和質量的限制。
零件尺寸及質量的大小與材料的品種及毛坯的制造方法有關。生產鑄造毛坯時一般可以不受尺寸及質量大小的限制;而生產鍛造毛坯時,則需注意鍛壓機械及設備的生產能力。此外,零件尺寸和質量的大小還和材料的強重比有關,應盡可能選擇強重比大的材料,以便減小零件的尺寸及質量。
(3)零件在整機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,選擇材料時應考慮零件結構的復雜程度、尺寸大小及毛坯類型。對于外形復雜、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,則應選擇焊接性能好的低碳鋼。對外形簡單、尺寸較小、批量較大的零件,適合沖壓和模鍛,應選擇塑性較好的材料。對需要熱處理的零件,材料應具有良好的熱處理性能。此外,還應考慮材料本身的易加工性以及熱處理后的易加工性。
03 經濟性要求
(1)材料本身的相對價格
在滿足使用要求的前提下,應盡量選用價格低廉的材料。這一點對于大批量制造的零件尤其重要。
(2)材料的加工費用
當零件質量不大而加工量很大時,加工費用在零件總成本中會占很大比例。盡管鑄鐵比鋼板廉價,但對于某些單件或小批量生產的箱體類零件來說,采用鑄鐵比采用鋼板焊接的成本更高,因為后者可以省掉模具的制造費用。
(3)節約材料
為了節約材料,可采用熱處理或表面強化(噴丸、碾壓等)工藝,充分發揮和利用材料潛在的力學性能;也可采用表面鍍層(鍍鉻、鍍銅、發黑、法藍等)方法,以減輕腐蝕和磨損的程度,延長零件的使用壽命。
(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,同時還可減少切削加工的工時。
(5)節約貴重材料
通過采用組合結構,可節約價格較高的材料,如組合式結構的蝸輪齒圈采用減摩性較好但價格貴的錫青銅,而輪芯則采用廉價的鑄鐵。
(6)節約稀有材料
在這方面,可采用在我國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)材料的供應情況
在選擇材料時,應選用本地就有且便于供應的材料,以降低采購、運輸、儲存的成本;從簡化材料品種的供應和儲存的角度出發,對于小批量生產的零件,應盡可能減少在同一臺機器上使用材料的品種和規格,以簡化供應和管理,并可在加工及熱處理過程中更容易掌握最合理的操作方法,從而提高制造質量,減少廢品,提高勞動生產率。
(文章來源:機械工程師、金屬加工)
