1、第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社目目 錄錄第第7 7章章 零件的毛坯選擇零件的毛坯選擇7.1 7.1 毛坯選擇的原則毛坯選擇的原則7.2 7.2 常用毛坯成形方法的比較常用毛坯成形方法的比較7.3 7.3 常用零件的成形方法常用零件的成形方法7.3.1 7.3.1 軸桿類零件軸桿類零件7.3.2 7.3.2 盤套類零件盤套類零件7.3.3 7.3.3 機架、箱體類零件機架、箱體類零件7.4 7.4 毛坯成形方法選擇實例毛坯成形方法選擇實例7.4.1 V7.4.1 V帶輪零件成形方法的選擇帶輪零件成形方法的選擇7.4.2 7.4.2 單級齒輪減

2、速器組件成形方法的選擇單級齒輪減速器組件成形方法的選擇第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社第第7 7章章 零件的毛坯選擇零件的毛坯選擇1 材料的成形過程是機械制造的重要工藝過程。機器制造中，大部分零件是先通過鑄造成形、鍛壓成形、焊接成形或非金屬材料成形方法制得毛坯，再經過切削加工制成的。毛坯的選擇對機械制造質量、成本、使用性能和產品形象有重要的影響，是機械設計和制造中的關鍵環節之一。 通常，零件的材料一旦確定，其毛坯成形方法也大致確定了。例如，零件采用ZL202、HT200、QT600-2等，顯然其毛坯應選用鑄造成形；齒輪零件采用45鋼、LD7等

3、常采用鍛壓成形；零件采用Q235、08鋼等板、帶材，則一般選用切割、沖壓或焊接成形；零件采用塑料，則選用合適的塑料成形方法；反之，在選擇毛坯成形方法時，除了考慮零件結構工藝性之外，還要考慮材料的工藝性能能否符合要求。7.1 7.1 毛坯選擇的原則毛坯選擇的原則 1. 1. 工藝性原則工藝性原則 零件的使用要求決定了毛坯的形狀特點，各種不同的使用要求和形狀特點，形成了相應的毛坯成形工藝要求。零件的使用要求具體體現在對其形狀、尺寸、加工精度、表面粗糙度等外部質量和對其化學成分、金屬組織、力學性能、物理性能和化學性能等內部質量的要求上。對于不同零件的使用要求，必須考慮零件材料的工藝特性（如鑄造性能、

4、鍛造性能、焊接性能等）來確定采用何種毛坯成形方法。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社2. 2. 適應性原則適應性原則2 例如，不能采用鍛壓成形的方法和避免采用焊接成形的方法來制造灰鑄鐵零件；避免采用鑄造成形方法制造流動性較差的薄壁毛坯；不能采用普通壓力鑄造的方法成形致密度要求較高或鑄后需熱處理的毛坯；不能采用錘上模鍛的方法鍛造銅合金等再結晶速度較低的材料；不能用埋弧自動焊焊接仰焊位置的焊縫；不能采用電阻焊方法焊接銅合金構件；不能采用電渣焊焊接薄壁構件，等。選擇毛坯成形方法的同時，也要兼顧后續機加工的可加工性。如對于切削加工余量較大的毛坯就不能采

5、用普通壓力鑄造成形，否則將暴露鑄件表皮下的孔洞；對于需要切削加工的毛坯盡量避免采用高牌號珠光體球墨鑄鐵和簿壁灰鑄鐵，否則難以切削加工。一些結構復雜，難以采用單種成形方法成形的毛坯，既要考慮各種成形方案結合的可能性，也需考慮這些結合是否會影響機械加工的可加工性。 在毛坯成形方案的選擇中，還要考慮適應性原則。既根據零件的結構形狀、外形尺寸和工作條件要求，選擇適應的毛坯方案。 例如，對于階梯軸類零件，當各臺階直徑相差不大時，可用棒料；若相差較大，則宜采用鍛造毛坯。 形狀復雜和薄壁的毛坯，一般不應采用金屬型鑄造；尺寸較大的毛坯，通常不采用模鍛、壓力鑄造和熔模鑄造，多數采用自由鍛、砂型鑄造和焊接等方法制

6、坯。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社3. 3. 生產條件兼顧原則生產條件兼顧原則3 零件的工作條件不同，選擇的毛坯類型也不同。如機床主軸和手柄都是軸類零件，但主軸是機床的關鍵零件，尺寸形狀和加工精度要求很高，受力復雜且在長期使用過程中只允許發生很微小的變形，因此要選用具有良好綜合力學性能的45鋼或40Cr，經鍛造制坯及嚴格切削加工和熱處理制成；而機床手柄則采用低碳鋼圓棒料或普通灰鑄鐵件為毛坯，經簡單的切削加工即可完成，不需要熱處理。再如內燃機曲軸在工作過程中承受很大的拉伸、彎曲和扭轉應力，應具有良好的綜合力學性能，故高速大功率內燃機曲軸一般采

7、用強度和韌性較好的合金結構鋼鍛造成形，功率較小時可采用球墨鑄鐵鑄造成形或用中碳鋼鍛造成形。對于受力不大且為圓形曲面的直軸，可采用圓鋼下料直接切削加工成形。 毛坯的成形方案要根據現場生產條件選擇。現場生產條件主要包括現場毛坯制造的實際工藝水平、設備狀況以及外協的可能性和經濟性，但同時也要考慮因生產發展而采用較先進的毛坯制造方法。 為此，毛坯選擇時，應分析本企業現有的生產條件，如設備能力和員工技術水平，盡量利用現有生產條件完成毛坯制造任務。若現有生產條件難以滿足要求時，則應考慮改變零件材料和（或）毛坯成形方法，也可通過外協加工或外購解決。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版

8、社高等教育電子音像出版社4. 4. 經濟性原則經濟性原則4 經濟性原則就是使零件的制造材料費、能耗費、工資費用等成本最低。在選擇坯件的類型和具體的制造方法時，應在滿足零件使用要求的前提下，把幾個預選方案做經濟性比較，從中選出整體生產成本低廉的方案。一般來說，選擇毛坯的種類和制造方法時，應使毛坯尺寸、形狀盡量與成品零件相近，從而減少加工余量，提高材料的利用率，減少機械加工工作量。但是毛坯越精確，制造就越困難，費用也越高。因此，生產綱領大時，應采用精度高、生產率高的毛坯制造方法，這時雖然一次投資較大，但增大的毛坯制造費用可由減少的材料消耗及機械加工費用得到補償。一般的規律是，單件小批生產時，可采用

9、手工砂型鑄造、自由鍛造、手工電弧焊、鈑金鉗工等成形方法，在批量生產時可采用機器造型、模鍛、埋弧自動焊或其他自動焊接方法和板料沖壓等成形方法制造毛坯。5. 5. 可持續性發展原則可持續性發展原則 環境惡化和能源枯竭已是21世紀人類必須解決的重大問題，在發展工業生產的同時，必須考慮環保和節能問題，不能干圈一塊廠房，毀一片山林的蠢事。在工藝流程設計中應考慮可持續發展的原則，應保護子孫后代的生存環境。必須做到：第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社5. 5. 可持續性發展原則續可持續性發展原則續5 (1)盡量減少能源消耗，在制定工藝流程中應考慮選擇能耗小的

10、成形方案，并盡量選用低能耗成形方法的材料，合理進行工藝設計，盡量采用凈成形、凈終成形的新工藝。 (2)不使用對環境有害和會產生對環境有害物質的材料，采用加工廢棄物少、容易再生處理、能夠實現回收利用的材料。 (3)少用或不用煤、石油等直接作為加熱燃料，避免排出大量CO2氣體，導致地球溫度升高。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社7.2 7.2 常用毛坯成形方法的比較常用毛坯成形方法的比較6 (1) 鑄造 鑄造是液態金屬充填型腔后凝固成形的成形方法，要求熔融金屬流動性好、收縮性好，鑄造材料利用率高，適用于制造各種尺寸和批量且形狀復雜尤其具有復雜內腔的

11、零件，如支座、殼體、箱體、機床床身等。手工砂型鑄造是單件、小批生產鑄件的常用方法；大批大量生產常采用機器造型；特種鑄造常用于生產特殊要求或有色金屬鑄件。 (2)鍛造 鍛造是固態金屬在壓力下塑性變形的成形方法，要求金屬的塑性較好、變形抗力小。鍛造方法適用于制造受力較大、組織致密、質量均勻的鍛件，如轉軸、齒輪、曲軸和叉桿等。自由鍛鍛造工裝簡單、準備周期短，但產品形狀簡單，是單件生產和大型鍛件的唯一鍛造方法；胎模鍛是在自由鍛設備上采用胎模進行鍛造的方法，可鍛造較為復雜、中小批量的中小型鍛件；模鍛的鍛件可較復雜，材料利用率和生產率遠高于自由鍛，但只能鍛造批量較大的中小型鍛件。 (3)粉末冶金 粉末冶金

12、是通過成形、燒結等工序，利用金屬粉末和（或）非金屬粉末間的原子擴散、機械楔合、再結晶等獲得零件或毛坯的。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社3.粉末冶金；4.沖壓 7 要求粉料的流動性好，壓縮性大。粉末冶金材料利用率和生產率高，制品精度高，適合于制造有特殊性能要求的材料和形狀較復雜的中、小型零件。如制造減磨材料、結構材料、摩擦材料、硬質合金、難熔金屬材料、特殊電磁性材料、過濾材料等板、帶、棒、管、絲各種型材，以及齒輪、鏈輪、棘輪、軸套類等各種零件；可以制造重量僅百分之幾克的小制品，也可制造近2 t重的大型坯料。 (4)沖壓 沖壓是借助沖模使金屬產

13、生分離或變形的成形方法，要求金屬塑性成形時塑性好、變形抗力小。沖壓可獲得各種尺寸且形狀較為復雜的零件，材料利用率和生產率高。沖壓廣泛應用于汽車、儀表行業，是大批量制造質量輕、剛度好的零件和形狀復雜的殼體的首選成形方法。 (5)焊接 焊接是通過加熱和（或）加壓使被焊材料產生共同熔池或塑性變形或原子擴散而實現連接的，要求材料在焊接時的淬硬傾向以及產生裂紋和氣孔等缺陷的傾向較小。焊接可獲得各種尺寸且形狀較復雜的零件，材料利用率高，采用自動化焊接可達到很高的生產率，適用于形狀復雜或大型構件的連接成形，也可用于異種材料的連接和零件的修補。 (6)塑料成形 塑料成形可在較低的溫度下（一般在400 以下）采

14、用注射、擠出、模壓、澆注、燒結、真空成形、吹塑等方法制成制品。由于塑料的原料來源豐富易得，制取方便，成形加工簡單，可以少無切削加工，成本低廉，性能優良，所以塑料在國民經濟中得到廣泛的應用。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社表7-1 常用的材料成形方法比較8 精密零件或特殊性能的制品，如軸承、金剛石工具、硬質合金、活塞環、齒輪等較高高可較復雜中小件 粉末流動性較好，壓縮性較大 粉末間原子擴散、再結晶，有時重結晶粉末冶金 重量輕且剛度好的零件以及形狀較復雜的殼體，如箱體、罩殼、汽車覆蓋件、儀表板、容器等較高或高較高可較復雜各種沖壓 受力較大或較復雜

15、，且形狀較復雜的制件，如齒輪、閥體、叉桿、曲軸等較高或高較高可較復雜中小件模鍛 傳動軸、齒輪坯、炮筒等低較低簡單各種 變形抗力較小，塑性較好 固態金屬塑性變形自由鍛 型腔較復雜尤其是內腔復雜的制件，如箱體、殼體、床身、支座等低高較高可復雜各種 流動性好，集中縮孔 液態金屬填充型腔鑄造結構尺寸主要應用生產率材料利用率制件特征對材料的工藝要求成形特點成形方法第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社續表焊接 通過金屬熔池液態凝固，或塑性變形或原子擴散實現連接 淬硬、裂紋、氣孔等傾向較小各種可復雜較高低高 形狀復雜或大型構件的連接成形，異種材料間的連接，零件

16、的修補等塑料成形 采用注射、擠出、模壓、澆注、燒結、真空成形、吹塑等方法制成制品 流動性好、收縮性、吸水性、熱敏性小各種可復雜較高較低或較高 一般結構零件、一般耐磨傳動零件，減摩自潤滑零件，耐腐蝕零件等。如化工管道、儀表殼罩等陶瓷成形 陶瓷材料通過制粉、配料、成形、高溫燒結獲得制品 坯體結構均勻并有一定的致密度中小件可較復雜較高低較高 高硬度，耐高溫、耐腐蝕絕緣零件，如刀具、高溫軸承、泵、閥復合材料成形 基體材料和增強材料復合而成的一類多相材料，材料與結構一次成形 纖維有高強度和剛度，有合理的含量、尺寸和分布；基體有一定的塑性、韌性 各種可復雜較高低較高 高比強度、比模量、化學穩定性和電性能好

17、，如船、艇、車身及配件，管道、閥門、儲罐、高壓氣瓶等快速成形 通過離散獲得堆積的路徑和方式，通過堆積材料疊加起來成形三維實體 有利于快速精確地加工原型零件；當原形直接用作制件、模具時，原型的力學性能和物理化學性能要滿足使用要求；當原形間接使用時，其性能要有利于后續處理工藝各種可復雜高單件成形速度快 產品設計、方案論證、產品展示、工業造型、模具、家用電器、汽車、航空航天、軍事裝備、材料、工程、醫療器具、人體器官模型、生物材料組織等9第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社7.3 7.3 常用零件的成形方法常用零件的成形方法7.3.1. 7.3.1. 軸

18、桿類零件軸桿類零件10 軸桿類零件的軸向尺寸遠大于徑向尺寸，主要有各種實心軸、空心軸、曲軸、桿件等。軸桿類零件主要作為傳動元件或受力元件，除光軸外，一般大多為鍛件毛坯，斷面直徑相差越大的階梯軸或有部分異型斷面的軸，采用鍛件毛坯越有利。如發動機曲軸、連桿、汽車前梁等都采用鍛件毛坯。 對光軸、直徑變化較小的軸和力學性能要求不高的軸，一般采用軋制圓鋼作為毛坯進行機械加工制造。 對于鍛造軸，受力較小時采用中碳鋼制造，承載較大時采用中碳合金鋼（如40Cr、40CrNi等）制造并調質處理；受較大沖擊且承受摩擦時采用滲氮鋼（38CrMoAl等）制造且滲氮處理，或采用滲碳鋼（如20Cr、20CrMnTi等）制

19、造并滲碳、淬火處理。 某些具有異形截面或彎曲軸線的軸，如凸輪軸、曲軸等，采用鑄鋼(如ZG270-500等)，在滿足使用要求的前提下，也可采用球墨鑄鐵毛坯(如QT450-10等)，以鐵代鋼，降低制造成本。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社圖7-1 汽車排氣閥11 對于一些大型構件、特殊性能要求的軸、桿類零件的毛坯等，還可采用鍛造焊接或鑄造焊接的工藝完成。如圖7-1所示的汽車排氣閥，將鍛造的耐熱合金鋼閥帽與軋制的碳素結構鋼閥桿焊成一體，節約了合金鋼材料。圖7-2所示的120 000 kN水壓機立柱，長18 m，凈重80 t，采用ZG270-500分

20、6段鑄造，粗加工后采用電渣焊焊成整體毛坯。圖7-2 水壓機立柱鑄-焊結構第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社7.3.2. 7.3.2. 盤套類零件盤套類零件圖7-3 盤套類零件12 盤套類零件的軸向尺寸遠小于徑向尺寸，或者兩個方向的尺寸相差不大，如圖7-3所示。如各種齒輪、帶輪、飛輪、套環、軸承環以及螺母、墊圈等。盤套類零件的用途和工作條件差異很大，故材料和成形方法也有很大的差別。 (1)齒輪 齒輪作為重要的機械傳動零件，工作時齒面承受接觸壓應力和摩擦力，齒根承受彎曲應力，有時還要承受沖擊力，故輪齒須有較高的強度和韌性，齒面須有較高的硬度和耐磨性

21、。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社圖7-4 不同類型的齒輪13 受力小的儀表齒輪在大批生產時，可采用板料沖壓和非鐵合金(如Zl202)壓鑄成形，也可用塑料（如尼龍）注射成形。在低速且受力不大或在多粉塵工作環境下的齒輪，可用灰鑄鐵（如HT200）鑄造成形。低速、輕載齒輪常用45、50Mn2、40Cr等中碳結構鋼，經正火或調質提高綜合力學性能。高速、重載齒輪常采用20CrMnTi、20CrMo等合金結構鋼制造且齒部經滲碳、淬火處理，也可采用38CrMoAl等滲氮鋼制造且齒部經滲氮處理，從而獲得良好的內韌外硬的性能。大批量生產齒輪時可采用熱軋或精密

22、模鍛的方法生產齒輪毛坯，以提高齒輪的力學性能。 單件或小批量生產時，直徑100mm以下的形狀簡單的小齒輪可用圓鋼作為毛坯（圖7-4a）。直徑大于400500 mm的大型齒輪，鍛造比較困難，可用鑄鋼或球墨鑄鐵件作為毛坯，鑄造齒輪一般以輻條結構（圖7-4c）代替模鍛齒輪的輻板結構（圖7-4b），在單件生產下，也可采用焊接方式制造大型齒輪的毛坯（圖7-4d）。 第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社盤套類零件盤套類零件14 (2)帶輪、飛輪、手輪等 這類零件受力不大或僅承受壓力，通常可采用灰鑄鐵、球墨鑄鐵等材料鑄造成形；單件生產時，也可采用Q215、Q2

23、35等低碳鋼型材焊接成形。 (3)法蘭、墊圈等 可根據其受力情況及零件形狀，分別采用鑄鐵件、鍛件或沖壓件為毛坯。 (4)模具 熱鍛模要求高強度、高韌性，常用5CrMnMo、5CrNiMo等合金工具鋼制造并經淬火和高溫回火處理。沖模要求高硬度、高耐磨性，常用Cr12、Cr12MoV等合金工具鋼制造并經淬火和低溫回火處理。模具的成形方法通常采用鍛造。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社 7.3.3. 7.3.3. 機架、箱體類零件機架、箱體類零件15 機架、箱體類零件包括各種機械的床身、底座、支架、橫梁、工作臺、齒輪箱、軸承座、閥體等。該類零件的特點

24、是形狀不規則，結構較復雜，質量從幾千克到數十噸，工作條件相差很大。而其工作臺和導軌要求有一定的耐磨性。因此，其毛坯往往以鑄鐵件為主。 (1)一般基礎件 如床身、底座、支架、工作臺和箱體等，受力狀況以承壓為主，抗拉強度和塑性、韌性要求不高，但要求較好的剛度和減振性，有時還要求較好的耐磨性，故通常采用灰鑄鐵（如HT150、HT200等）鑄造成形。 (2)受力復雜件 有些機械的機架、箱體等受力較大或較復雜，如軋鋼機機架、模鍛錘錘身等往往同時承受較大的拉、壓和彎曲應力，有時還受沖擊，要求有較高的綜合力學性能，故常選用鑄鋼（如ZG200-400等）鑄造成形。有些零件較大，為簡化工藝，常采用鑄焊、鑄螺紋連

25、結結構。單件、小批生產時，也可采用型鋼焊接，以降低制造成本。 (3)比強度、比模量要求件 有些箱體結構如航空發動機的缸體、缸蓋和曲軸等，轎車發動機機殼等，要求比強度、比模量較高且有良好的導熱性和耐蝕性，常采用鋁合金或鋁鎂合金（如ZL105、ZL105A等）鑄造成形。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社7.4 7.4 毛坯成形方法選擇實例毛坯成形方法選擇實例7.4.1.V7.4.1.V帶輪零件的成形方法選擇帶輪零件的成形方法選擇16 V帶輪應滿足以下要求：重量輕，質量分布均勻，安裝對中性好，消除制造中的內應力，在v5m/s時，應進行動平衡試驗。外徑

26、、孔徑、寬度和傳動功率是V帶輪的重要使用參數 。成形方案及相應的結構選擇就是建立在滿足這些使用參數的要求上的。 1. 1. 基準直徑基準直徑d dd d 100 mm 100 mm的小帶輪成形方案的小帶輪成形方案 dd 100 mm的帶輪屬于小帶輪，這類帶輪一般傳遞功率不大，加工的工時量也不大，金屬切除量相對較小，成形方法選擇相對比較靈活，可以采用以下四種方法成形，并進行可靠性和經濟性比較，擇優選取。 (1)金屬切削直接成形 用45鋼圓棒料直接車出，若無減輕重量要求時，可設計成實心圓柱形，其外圓、V帶槽和軸孔均可車出。 (2)鑄造成形 當V帶輪最大圓周速度小于25 m/s時，采用灰鑄鐵（HT150、HT200）成形，當帶輪最大圓周速度在2545 m/s時應采用孕育鑄鐵（HT300）或鑄鋼(ZG340640)成形，若要求帶輪質量較小時,可采用鑄鋁件（ZL102、ZL202）。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社動畫5 各種V帶輪17 鑄造成形的V帶輪毛坯，兩端面設計成環形凹腔，主要是為了減少熱節，避免鑄造時產生晶粒粗大和縮孔缺陷。帶輪中心孔和兩端面環形凹腔均可用型芯鑄出，而V帶槽影響起模，不鑄出，留待車削加工。第第 頁頁高等教育出版社高等教育出版社 高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社18 (3)沖壓焊接成形 當V帶輪最