材料成形技术方案拟订的一般原则

12.1　材料成形技术方案拟订的一般原则

每个零件在机器中所承担的任务不同，其大小、形状和品质的要求不同，它们的选材及相应的材料成形技术都要满足零件的使用性能和品质要求。成功制造一种零件一般有好几种成形方案，虽然可以用先进的净形或近似净形加工新方法直接从原材料制成成品，但目前绝大多数零件的获得是通过普通的铸造、锻造、冲压或焊接等成形技术方法先制成毛坯，再经切削加工或其他加工处理而得到零件。

因此，毛坯的选择及其制造的品质直接影响成品的品质，如何正确地选择毛坯、正确地拟订成形技术方案不仅直接影响零件的力学性能、制造加工精度及表面品质，而且涉及生产过程、周期乃至整部机器的使用性能、制造成本及市场竞争能力。故正确地拟订材料成形技术方案及控制好其品质是机械产品的设计与制造中的首要问题。

12.1.1　零件所选材料与成形过程的关系（适应性原则）

设计中零件所选材料与成形加工过程是互为依赖、相互影响的。一定的材料必定选择相对应的成形工艺；一定的工艺也必须配合选择相对应的材料。一般而言，零件的材质决定其毛坯成形技术的类别，若零件选择脆性材质如灰铸铁，则一定采用液态成形技术（铸造方法）或粉末压制成形技术；而零件选择韧性材质如钢或塑性非铁合金，则可选用的有塑性成形技术（锻造）、液态成形技术（铸造）、固态连接技术（焊接）等。

所选择的零件（毛坯）材料，应保证供应上有可能，符合本国资源情况及市场供应的可能性，尽可能用国产材料代替进口材料，尽量用库房里已有的材料。

毛坯选择还应考虑成形后能否获得一定的显微组织结构以满足预期的性能要求，例如齿轮毛坯的锻造成形，可形成流线状纤维组织，有利于提高使用性能，而利用铸造成形或型钢切削成形是无法得到上述组织的。

刃具、模具的毛坯采用锻造，不仅是为了成形，更重要的是为了打碎晶粒，细化、均匀其碳化物，改善性能，避免崩刃、开裂的趋向。

有些耐热零件，选择定向冷却的铸造方法生产毛坯，有利于提高其耐热性能。

常用机械零件（标准件除外）按其形状结构特征和用途不同一般可分为轴杆类、套类、轮盘类和箱座类四大类零件。由于各类零件形状结构的差异和材料、生产批量及用途的不同，其毛坯的成形方法也不同，许多零件可用一类成形技术生产毛坯，而有些零件则需用不同成形技术相组合来制作毛坯。

1.轴杆类零件

轴杆类零件以轴为多，其长度大于直径，多数呈回转体，常见的有光滑轴、阶梯轴、凸轮轴和曲轴等。在机械中，轴类零件主要用来支承传动件（如齿轮、带轮等）和传递扭矩，它是机械中重要的受力零件。

轴杆类零件材料一般为韧性材质（如钢），多采用塑性成形技术即锻造工艺，例如光滑轴毛坯一般采用热轧圆钢和冷轧圆钢；阶梯轴毛坯，根据产量和各阶梯直径之差，可选用圆钢料或锻件，若阶梯直径相差越大，则采用锻件较有利；当要求阶梯轴毛坯有较高力学性能时，若单件小批生产，采用自由锻；在成批大量生产时，采用模锻。对某些具有异形断面或弯曲轴线的轴，如凸轮轴、曲轴等，在满足使用条件的前提下，可采用球墨铸铁毛坯，用铸造的方法来降低制造成本。在有些情况下，还可以来用锻－焊或铸－焊结合的方法来制造轴类零件毛坯。图12－2所示为汽车排气阀，将合金耐热钢的阀帽与普通碳素钢的阀杆焊成一体，节约了合金钢材料。图12－3所示为12　000t水压机立柱毛坯，该立柱长18m，净重80t，采用ZG270－500分成6段铸造，粗加工后采用电渣焊焊成整体毛坯。

2.套类零件

套类零件的结构特点是，具有同轴度要求较高的内、外旋转表面，壁薄而易变形，端面和轴线要求垂直，零件长度一船大于直径。套类零件主要起点支承或导向作用，在工作中承受径向力或轴向力和摩擦力。例如，滑动轴承、导向套和油缸等。

图12－2　锻－焊接构排气阀

图12－3　铸－焊结构的水压机立柱毛坯

套类零件材料一般为钢、铸铁、青铜和黄铜。当孔径＜20mm时，毛坯常选用热轧或冷拉棒料，也可采用实心铸件；当孔径＞20mm，时，采用无缝钢管或带孔的铸件和锻件。大批量生产时，也可采用冷挤压和粉末冶金方法制坯。某些套类零件也可用工程塑料件。

3.轮盘类零件

轮盘类零件的轴向尺寸一般小于径向尺寸，或两个尺寸相接近。属于这一类的零件有齿轮、带轮、飞轮、法兰盘和联轴节等。由于这类零件在机械中的使用要求和工作条件有很大差异，因此，所用材料和毛坯成形方法各不相同。以齿轮为例，工作时齿面承受很大的接触应力和摩擦力，齿根要承受较大的弯曲应力，有时还要承受冲击力。故中、小齿轮一般选用锻造毛坯（见图12－4（a）），大量生产时可采用热轧或精密模锻的方法。在单件或小批量生产的条件下，直径在100mm以下的小齿轮也可用圆钢为毛坯（见图12－4（b））；直径在500mm以上的大型齿轮，锻造比较困难，可用铸钢或球墨铸铁件为毛坯，铸造齿轮一般以辐条结构代替锻钢齿轮的辐板结构（见图12－4（c））。在单件生产的条件下，常采用焊接方式制造大型齿轮的毛坯（见图12－4（d））。在低速运动且受力不大或在多粉尘的环境下开式运转的齿轮，也可用灰铸铁件或工程塑料件为毛坯。仪表齿轮在大量生产时，则用压力铸造或冲压方法成形。

带轮、飞轮、手轮和垫块等受力不大或以承压为主的零件，一般采用灰铸铁件，单件生产时也可采用低碳钢焊接件。

法兰、套环等零件，根据受力情况及形状、尺寸等，可分别采用铸铁件、锻钢件或圆钢为毛坯。厚度较小者在单件或小批量生产时，也可直接用钢板下料。

4.箱座类零件

箱座类零件一般结构较为复杂，通常有不规则的外形和内腔，壁厚不均。箱座类零件包括各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台，以及齿轮箱、轴承座、阀体、泵体等。质量从几千克到数十吨不等，工作条件相差很大。对于一般的基本件如机身、底座等，以承受压力为主，并要求有较好的刚度和减振性；有些机械机身、支架往往同时承受压、拉和弯曲应力的联合作用，或者还有冲击载荷；工作台和导轨则要求有较好的耐磨性；有些箱座类零件虽然受力不大，但要求有较好的刚性或密封性。

鉴于这类零件的结构特点和使用要求，毛坯一般采用铸件，由于铸铁的铸造性能良好，价格便宜，并有良好的耐磨、耐压和吸振性能而得到广泛使用；受力复杂或受较大冲击载荷的箱座类零件，则采用铸钢件；有些箱座类零件为减轻自重，在刚度和强度允许的情况下，采用铝合金铸件。对于单件生产或生产周期要求很短的箱座类，可采用焊接方式，焊接式箱座类件的结构相对简单，成形快，但焊接结构存在较大的内应力，若内应力消除不好易产生变形，其吸振性、切削加工性不如铸件。

图12－4　不同毛坯类型的齿轮

12.1.2　零件技术特征与成形技术的经济性与现实可能性（可行性原则）

1.毛坯加工方法

零件的结构形状和尺寸、生产批量、精度、表面粗糙度要求等技术特征在很大程度上决定了毛坯加工方法的选择，例如形状复杂的薄壁件，毛坯生产不能采用金属型铸造方式或自由锻造方式；尺寸大的毛坯采用模锻加工或金属型铸造是不合适的；精度要求较高、表面粗糙度要求低的毛坯可选用特种铸造、精密模锻、冷挤压等成形方法。

2.毛坯加工批量

毛坯的加工批量决定了加工的机械化、自动化程度。批量越大，越有利于机械化、自动化程度的提高。单件、小批量生产往往与手工生产相联系，应选用廉价材料，通用设备和工具，生产率不太高，但节约了生产准备时间和工装的设计制造费用，总的成本降低。而成批、大量生产则选生产率高、精度高、品质好的加工方法，选择专用的生产设备和专用的生产工具，尽管增加了设计制造的专用工装费用，但进行下一步加工的工作量大大降低，节约工时，使设备、工模具等一次性投资随年产量的增加而分摊到单件产品上的费用减少，总经济效益提高。所以铸件应选机器造型、砂型铸造或金属型压铸，锻件应选模型锻造，焊接结构件应选易焊材料和自动焊，薄壁件则可考虑生产率高、精度高的冲压方法、压铸方法等制造毛坯。

3.毛坯选择应取经济的方案

毛坯选择要全面考虑生产过程的总成本，结合分析设计试验费、材料费、毛坯加工费、切削加工费、使用维修费等，分析相互的联系和制约，全面权衡利弊，选择最佳的经济方案。

金属材料毛坯成形方法的比较如表12－1所示。

表12－1　金属材料毛坯成形方法比较

续表

选择材质便宜、加工费用大的方法，还是选择材质贵、加工费用小的方法；是选用精度高、余量小、形状尺寸接近成品、费用多数花费在毛坯上的加工方法，还是选择精度低、余量大、粗糙易制而大量费用花在切削上的毛坯加工方法，则应将多种方案在经济上进行综合分析比较，选择最经济的方案。

零件技术特征与成形过程还要考虑生产现实的可能性。所选的毛坯成形方法应该能在本单位本系统的生产工厂、车间小组实际生产可行。在统一主观需要与客观可能的基础上确定的生产方案才是真正合理的。毛坯的生产应符合本单位的设备条件，包括车间面积、炉子容量、天车的吨位、设备的功能及先进性等，还应和实际的技术水平和现有的加工状况相吻合，尽量应用先进设备、新型材料、先进的加工方法，尽可能向净形和近似净形加工方向发展。当本单位无法解决或生产不合算时要考虑外协加工或外购毛坯，要打破“小而全”、“大而全”的小农经济自给自足的小生产观念，应向生产协作、专业化的方向发展。

12.1.3　材料成形技术的安全生产（安全性原则）

在工业实践中，不仅要从技术观点来研究各种制造技术，而且必须对诸如经济性、能源材料利用和安全等因素认真分析，才能对加工方法作出正确的选择。能源及材料利用与经济性密切相关，而安全问题对经济性具有不同性质的重要意义，必须强调在开始规划与设计阶段就应当考虑建立一个安全的工作场地。

近几年来，由于工业社会的迅速发展；工业技术在各种生产部门的作用与日俱增，因而工业安全观念也变得越来越重要。主要由于现在社会要求工业企业适应环境、资源和安全等方面的某些要求，不能以产生环境污染，损坏自然环境为代价。

在工业生产中，必须用可能引起不良后果的事件的可能性及发生率来表示安全性，事件的后果可能是死亡、伤残、疾病和长期病休、工时损失、环境污染赔偿费、生产损失、设备损坏等。在工业生产中，应把危险性定义为预计损失和预计后果。当然危险性小就是安全性高。所谓“危险性”问题主要受工业生产系统本身与系统的运转操作过程影响，这两个因素都在一定程度上与人们的失误有关，安全可靠的工业生产系统由于人为的管理不善或操作不当也可能变得不安全。

工业生产系统中典型的不安全因素有:生产系统过载（生产率过高），由于设计不当，在长期过载或无载运转后造成损坏；或可靠性差；或由于维修不善、人机误差，机器在人机方面控制不当或人为误差；缺乏技术培训，管理不善，工作环境欠佳等。

怎样才能建设起工业生产的安全状态呢？设计工程师及制造工程师必须进行危险性分析，首先要进行定性分析，以确定可能产生故障的种类及可能导致重大事故的多种故障组合的类型。通常要求对生产系统最重要的部位进行初步分析，定量分析是在定性分析以后，要求确定故障的可能性及出现率，预计损失的大小及对安全系统优化。