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精密加工对材料工艺性能的要求

发布时间:2020-11-26发布人:豫磨精饰

对任何零件都是用不同的工程材料经过各种加工工艺制造出来的,因此材料的工艺性即加工零件的难易程度,自然是设计、加工所必须考虑的问题。
1.各类工程材料的工艺性能
对材料工艺性能的要求与生产零件的加工工艺路线有密切的关系,工艺性能的具体要求就是从工艺路线中提出来的,下面简介各类材料的一般工艺路线及有关的工艺性能。
(1)金属材料的工艺性能 精密加工金属制件的工艺路线如图1-3所示,由图1-3看出,金属材料加工成零件的主要加工工艺有五类,即铸造、塑性成形加工、焊接、切削加工和热处理。前三类是毛坯成形工艺,切削加工是最终成形工艺,热处理则安排在各工序之间,以改善切削加工性能和使零件达到所要求的力学性能等,有的热处理工艺安排在最后工序以达到加工零件最后的性能和精度要求。零件所用的材料不同,其加工工艺路线也不同,对材料工艺性能的要求也不同。
1)铸造性能 铸造性能包括熔化温度、流动性、缩孔性质、偏析等。由于共晶成分的合金熔化温度低、流动性较好、形成集中缩孔、偏析倾向小因而铸造性能最好。铸造合金大多为共晶成分的合金或接近共晶成分的合金。
由于铸态组织较粗大及存在各种铸造缺陷(如疏松、气孔、偏析、夹杂等),一般来说,铸件的力学性能低于材料成分相同的锻件。因而铸造工艺适用于制造形状复杂、壁薄而性能要求不高的零件(如箱体、支架等)。常用的几种金属材料的铸造性能如表1-4所示,可以看出,灰铸铁、铝合金的铸造性能最好,应用最广。采用金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造和压铸等铸造方法,可铸造出精密的铸件。
2)塑性成形 加工性能塑性成形加工分为热塑性成形加工(如锻造、压轧、热挤压等)和冷塑性成形加工(如冷冲压、冷挤压等)两类。
热塑性成形加工是指材料加热到某一定温度(高于再结晶温度)时进行的塑性成形加工,其塑性成形加工性是指变形抗力、变形能力、加热温度等。低、中碳钢具有较好的热塑性成形加工性能,高碳钢和合金钢尤其是高碳高合金钢热塑性成形加工性能较差。钢合金热塑性成形性能一般。铝合金由于锻造温度范围窄热塑性成形加工性能并不好。热塑性成形加工可使材料致密、成分均匀、金相组织细化,成形后可提高材料的性能。在热塑性成形加工的钢制件中,杂质按一定的方向分布,形成所调纤维组织。纤维组织分布的方向对力学性能有较大的影响。试验证明,当旋转式弯曲疲劳试样的轴线与纤维组织方向垂直时,钢的疲劳极限比纤维组织成轴向的试样下降30%。说明合理的锻造工艺可使纤维组织与应力方向一致,因而可提高零件的性能。所以像曲轴、连杆、齿轮等在交变载荷下工作的零件不用棒料直接切削加工,而是先将棒料锻造成毛坯,使纤维方向与主应力方向相一致。
冷塑性成形加工一般是在常温下进行,其加工成形性是指变形能力、变形抗力、硬化指数钢的焊接性能与钢的成分密切相关,等。低碳钢、铜合金和铝合金等,其硬度低、变形抗力小、变形能力大,冷塑性成形加工性能好。冷塑性成形后材料的硬度、强度提高,而塑性、冲击韧度下降,这是由于形变引起强化的结果,故冷塑性成形加工也是提高这类材料力学性能的重要手段。
3)焊接性能焊接性能是指焊接时形成冷裂、热裂以及形成气孔的倾向,焊接性能也和接区的性能好坏有关。
铝合金由于线膨胀系数大,易吸氢等原因,焊接后易形成气孔、收缩大易形成裂纹,故它们的焊接性能并不好。采用钨极气体保护焊可获得优良的焊接接缝。
近几十年发展起来的电子束焊接已在民用工业中得到应用,它的焊接速度快,焊缝非常窄,且熔透层深,使焊接变形尽可能减小,可用于精密焊接。激光焊是用聚集的激光束进行焊接、焊接速度快,变形小,也是一种新发展的精密焊接方法。
4)切削加工性能切削加工性能是指切削的难易程度和加工的表面质量,通常可由四个方面进行衡量:切削时消耗的动力;刀具的磨损;表面粗糙度;切屑的形态。切削加工性能的高低常用“切削加工性能指数来表示,该指数越高,切削加工性能越好。表1-5中列出了一些材料加工性能指数,可以看出,铝及铝合金具有优良的切削加工性能。
切削加工性能与所加工材料的硬度有密切关系,最适合切削加工的硬度范围为170~230HBS。若硬度过低, 切削时金属易粘刀而形成切削瘤, 加工后零件表面粗糙度高; 硬度过高,则切削抗力大,刀具磨损量也大,使加工变得困难。被加工材料的金相组织对切削加工性也有很大的影响,当组织中含有大量硬而脆的化合物,尤其是含有大片状、网状、针状化合物时,切削加工困难,这种情况可通过热处理等工艺来改善组织,以利于切削加工。
5)热处理工艺性能热处理是通过对金属制件加热、保温和冷却过程,改变材料的组织从而获得所需性能的工艺。钢可以通过各种热处理工艺在较大范围内改变钢的性能,所以钢的热处理工艺性能是十分重要的。钢的热处理工艺性能包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火稳定性及氧化、脱碳倾向等,其中最重要的是淬透性。
淬透性是钢在淬火时获得淬透层深度的能力。钢的淬透性对机械设计很重要。例如用淬透性不同的两种钢材制成相同直径的轴,进行淬火(淬火介质为水)后再经高温回火(或总称调质处理),比较其力学性能如图1-5所示。淬透性高的钢制轴整个截面被淬透,淬火后由表面至中心的组织全为马氏体,回火后为回火索氏体(渗碳体呈细颗粒状),由表面至中心的力学性能是相同的,回火索氏体有较高的冲击韧度和强度,如图1-5a所示;淬透性低的钢制轴心部没淬透(图1-5b中影线部分所示),调质处理后,只有表层的组织为回火索氏体,而未淬透的心部为-HRC片状索氏体,其强度尤其是冲击韧度较低,如图1-5b所示。对于承受拉、压下工作的重要零件,如螺栓、拉杆、锻模等常常要求全部淬透。车刀、钻头等切削工具由于不断磨刃也要求全部淬透。对于承受弯曲、扭转应力的轴类零件,由于最大表面表面应力分布于外层,淬透层深度为半径的1/3~1/2就可满足要求了。
为了便于测量,一般规定从表面至半马氏体淬透性不同的钢调质区(组织中马氏体体积分数为50%处)的距离为淬后力学性能的比较透层深度。
淬透性常用端淬法测得的淬透性曲线表示。图1-6是40、40Cr、40CrNiMo三种钢的淬透性曲线。已知40、40Cr和40CrNiMo三种钢的半马氏体的硬度分别为40HRC、45HRC和45HRC,可以由图上查出三种钢半马氏体区处至水冷端的距离,分别为3.5mm、6mm和7.5mm,距水冷端的距离越大表明钢的淬透性越好, 对比三种钢的淬透性可知, 40CrNiMo钢的淬透性最好,合金钢比碳钢的淬透性好。当零件要求淬透层深度一定时,采用合金钢就可以用较低的冷却速度进行淬火得到所需的力学性能,而产生裂纹和变形的危险性将减少。
(2)工程陶瓷材料的工艺性能 工程陶瓷材料的加工工艺路线如图1-7所示,与金属材料工程塑料的加工工艺路线如图1-8所示。从图中可以看出,其相比其工艺路线比较简单。工程陶瓷是通过化学反应等工艺特别制取的某些化合物(常用的有氧化铝、碳化硅、氮化硅等)粉料,经不同的成形工艺(见表1-7)和烧结工艺(见表1-8)而制成。陶瓷材料的性能是由原材料的成分、粉料粒度、成形工艺和烧结工艺所决定的。经烧结后陶瓷的性能基本不变,成形加工后只需机械加工即可成为零件,由于陶瓷材料很硬,而且很脆,只能用碳化硅或金刚石砂轮进行磨削加工或采用电子束、激光、超声波等特种加工进行加工。由于陶瓷材料对缺陷和应力集中都很敏感,故陶瓷件的表面粗糙度比金属件要求的要严,所以有些陶瓷零件磨加工后,还要求研磨或抛光。
(3)工程塑料的工艺性能工艺路线也是比较简单的。塑料成形后可进行机械加工。
塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料的特点是,受热时软化,冷却后变硬,这一过程可反复进行,可以多次成形,废品可以回收利用。热固性塑料的特点是,受热时软化,但加热到--定温度范围并经历一定的时间后,由于它们的化学结构发生变化而固化。再加热时不再软化,如果温度过高则分解,只能塑制成形一次。不同类型的塑料其成形工艺是不同的,热塑性塑料的成形过程(从加料到塑制件的获得)多数是连续的,成形的方法多采用注射成形和挤压成形。热固性塑料多数是间歇的,成形的方法多采用模压成形和铸压成形。塑料切削加工性能较好,与金属材料基本相同。由于它的导热性较差,在切削过程中热量不易散出,使工件表面温度急剧升高,使其烧焦(热固性塑料)或变软(热塑性塑料)致使加工时变形较大,这一点在加工时要特别引起注意。

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