题 图非.舯零件 }酚的}}帮非肉轮 44蔚科的静究 新材料包括新的工具材料(、磨》和被工材料。鞘密工税超精密加工的被树 料萁质的六。萁化学分:扫学租性能均有严格求,待僻究 :寗駟工齷獠蠻鐲急靄兖窯爾牝、灬豔成黪比發熟的鷔 密剩解精密工較术r到实中去。联酯技术的水翠,生产的朝械产品质量 好、生产率
第1篇精密切削、磨削及其机床 第1章精密加工常用材料 随科学、术和生产的发展、密工在航空、航天、;龟子“精密机床。精密仪 器等诸彦面都得對了更擗疒鏝鹎羶洇。在潑诗靼造过,料酧萚和得裰为盦 要。任何灬个癃密产晶的设计,都是要涵紂材的加工髓作诸实觐锵。套制蹬过 中,设、工艺和材料三者均是相互影的因素,为了能够既保证质量,又符合经斜地进行生 产。邃二者之阁必须验的配合。设许时,豺料的选不仅夔考材料的使用能、性 能,还要考虑排工工艺对零件结构的要求。图11示意说明了它们之间的关系,可就着出,正 确的选择材料和合理的細xx艺是精密加工零件达到质量的保证。这一间题如解决得好,哥以 产品創名牌,场;相反,很多题也是由于材料及其工艺过程引起的y材料选择不 蛏或其王艺不綢,不影产的風、鬻,丽且关系劉产齬的成本,葚还会素 诉讼等间题。所以材料是实现精密零件设计要求的前提。因此,材料的选择和使用在精蜜 工中占有卡分重的地位。 材料 球性 产品 条辨 艺过棍 限的x方器 材影 图1谢计、其艺与材料之阀的美藥 本露主娑从精密零件的设计、制造需整出发,论述有关精密工零件腐用材料中的 蕪本阀题、使读者能正确择材料、使用材翱、以铿在精密鯽工时能达预期的緲蠙度 要球 精密加工对材料的要求 巒鑾加一般对材料的基本要求最的,但由于糖密L零件要求工精度忧较 瘸,腥霽鉎在鼴逹韁申仍要较蠃的籟度。閎此,鞘密鰥工对材释的某些要求比一蟹
工对材料的要求要高。主要有以下三方面的基本要求 l)材料使用性能(力学性能物理性能化学性能)应与零件的工作条件(机械负荷热负荷 环境介质……)相适应,满足使用方面提出的寿命、精度、尺寸和重量限制等要求。 2)材料的工艺性能(铸造性能、塑性成形加工性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性 能……)应与零件的结构设计相适应,以保证零件成品的性能、精糟度和表面质量的要求。 3)在满足前两项要求的前提下,采用便宜的材料和低的零件制造成本,以便把总成本降 至最低,使成品在市场上具有最强的竞争力。 实际上,一个零件往往有多种可适用的材料,对于精密加工的零件优先选用对保证零件精 度和表面质量有利的材料。 1.1精密加工对材料使用性能的要求 材料在使用过程中的表现即为使用性能,主要使用性能有力学性能、物理性能、化学性能 等,如图12所示。图12中所列的各种性能指标,是用材料的标准试样在标准试验条件下测 定出来的,各种材料的性能可以从一些有关的设计手册或材料手册中查出。 匚使用性能 力学性能」 匚化掌牲能 崖性度度度 导电性 耐雠性 导热性 抗氧化 热聯胀 吸水性 咐磨性 可燃性 工作 图1-2材料的使用性能 1.各类工程材料的特性 常用的工程材料有金属材料、工程陶瓷材料、工程塑料和复合材料。金属有良好的塑性 导电、导热;工程陶瓷质硬耐磨;工程塑料质轻耐腐蚀。各类材料间性能之所以有如此大的差 异,主要由于它们的结合键类型是不同的(如金属为金属键陶瓷为离子键或共价键…),材料 中的原子在固体中的排列方式也是不同的。金属和陶瓷材料的原子在固体中具有三维规则重复 排列结构,所以金属和陶瓷材料均为晶体,塑料是不具有重复的三维排列原子的固体,塑料为 非晶体。结合键类型和原子在固体中的排列方式决定了各类工程材料所具有的特性。 (1)金属材料金属是由公有化的自由电子与各正离子间产生的强烈的静电引力(金属键) 将金属原子结合在一起。这种结合是比较强的,故金属具有较高的强度;当一块金属晶体的两 鄙分发生相对位移时,金属键不会受到破坏,因而能承受塑性变形而不断裂,所以金属有很好 的延展性;由于公有化的自由电子在整个金属中可以自由运动,故金属还具有良好的导电性
30 导热性。 金属的塑性变形是通过金属晶体中的位错(晶体中的一种线型缺陷)运动进行的。对金属的 晶体结构采取某种措施以阻止位错运动,就可以使金属得到强化,主要措施为: 1)添加其他元素组成合金(如铁碳合金钢铸铁;铜锌合金黄铜等) 2)形变强化(如冷轧钢板及冷拔钢丝等)。 3)细晶强化。 4)沉淀第二相的热处理(如硬铝的时效处理等) 5)由于温度引起晶体结构的变化(如奥氏体淬火得到马氏体)来进行强化。许多钢可以在 不硬状态下进行成形和机被加工,然后再经过淬火硬化获得高的强度和硬度。正是由于这种强 化机制才使钢得到如此广泛的应用。 金属材料具有强度高,塑性、韧性好等优良的综合力学性能。与其他材料相比,其耐磨 性、耐热性和耐腐蚀性尚显不足 2)工程陶瓷材料工程陶瓷是由人工制取的高纯度化合物(氧化物、碳化物氮化物等)粉 料烧结而成。陶瓷的结合键是离子键或共价键,实际上往往是两种键的混合。这决定了陶瓷材 料的特性,破坏这种键需要很高的能量,故陶瓷熔点高、硬度高;有高的室温和高温强度;抗 腐蚀性好;在外力作用下难以变形,塑性差,对缺口敏感,易发生性断裂。在结合键中电子 处于“受束缚”状态,不能在晶体中自由运动,所以工程陶瓷是良好的电绝缘体。 工程陶瓷可通过添加其他元素进行强化,但一般效果不大,某些陶瓷可以用改变晶体结构 的方法进行强化,如六方氮化硼较软,而立方氯化硼的硬度接近金刚石,是优良的耐磨材料 (3)工程塑料工程塑料是高分子合成材料,它是由重复的长链分子(由一些简单有机物 单体聚合面成)组成的物质。重复分子中的原子之间是共价键结合,而长链分子间的结合力是 较弱的分子键结合,也有一定的数量的共价键交联结合。这些长链分子在空间任意地或有规则 地堆积而构成塑料。这种结合决定了塑料的特性,由于分子键很弱,故其弹性模量很低;没有 固定的熔点,软化温度稍高于室温;在室温下使用时也容易发生蛹变(在载荷不变的情况下随 时间的延长,变形不断增加的现象)。 除结合键外,分子链的长度即单体的数目(以囊合度n表示)也明显影响塑料的性能,强 度随聚合度增大而升高,而加工性能(模压注射成形等)随聚合度增高而降低。商用塑料聚合 度一般为10~105。同一种塑料的聚合度随生产方法和加工工艺而异,因此它们的性能在很大 范围变化,这一点与金属材料不同,不同工厂生产的同一牌号的金属材料,它们的性能基本接 工程塑料具有优良的化学稳定性,对酸、碱均有良好的抗腐蚀性,良好的绝缘性,密度 小,其不足之处是弹性模量小,热影胀系数大,易发生蠕变等。 (4)复合材料复合材料可以由金属、陶瓷或高分子材料中任意两者人工合成,也可以由 两种或多种金属、陶瓷或高分子材料来制备,复合的范围很广。复合材料的最大优越性是它们 的性能比其组成材料的性能好得多。例如,玻璃和树脂的强度和韧度都不高,可是它们组成的 复合材料(玻璃钢)却有很高的强度和韧度。但复合材料的价格高。 金属、陶瓷和塑料在性能上各有特性,各有其适合的应用范围。了解它们的特点对合理选 用材料和使用材料是十分重要的。各类材料的性能特点如表1-1所示。陶瓷硬度高、耐热、耐 蚀,可用来制造高温下工作的零件(如涡轮转子)、刀具和某些耐磨的零件,但脆性大不适于制 造重要的受力零件。塑料的密度小、有些塑料的摩擦因数小,减摩、耐磨性好,在机械工业中
常用于制造轻载传动齿轮、轴承和各种密封等,但塑料的强度、韧度低,目前尚不能制造重要 的机槭零件。比较起来,金属具有最优良的综合力学性能,可用于制造各种重要的机被零件。 所以它仍是目前最重要的工程材料。 豪11金属、陶瓷、盟料三类材料的性能对比 材料类型合原子排列方式 力学性物理性熊化学性能 金 金属健 靈性、甸度好,弹性模量较高,獲度铵密度大、导电性耐腐蚀性一股 高,耐麝性一般 好、导热性好 弹性模量高,硬度商,附瘤性好,高温度教低 耐廣蚀性好 共价键 不导电 分子键 耐麝性好,弹性模量低,硬度低,强度密度低、不导耐腐蚀性好 低,易蠕变 电、导热性差 2.精密加工要求的材料使用性能 不同类型的精密加工零件对材料的使用性能要求是不同的,用于机器结构件、动力传输装 置、工具等的材料,材料的力学性能是头等重要的;用于发动机中承受热负荷的零件时,材料 的高温性能、导热性和热膨胀率是首要考虑的;用于化工机被零件时,材料的耐腐蚀性是主要 的。如何确定零件材料的主要使用性能要求,最重要的是对零件的工作条件和零件失效形式有 正确的认识并进行分析,提出对零件材料要求的主要使用性能。综合各类零件的工作条件主要 包括三个方面 (1)受力状况载荷类型(动载、静载、循环载荷……)及大小;载荷的形式(拉伸、弯曲、扭 转……)及藏荷特点(均布载荷或集中载荷)等。 (2)环境状况工作源度(常温高温低温……);介质情况(是否有腐蚀潮湿、真空……) (3)特殊要求密度、导电、导热、外观……)。零件的失效形式主要有变形失效(弹性变形、 塑性变形);断裂失效(塑性断裂疲劳断裂、低应力脆性断裂……);表面损伤失效(磨损失效、 腐蚀失效……)。通过对零件的工作条件和失效形式的综合分析,确定零件对材料的主要性能 要求。其次,根据零件的形状、尺寸及工作中所承受的负荷大小,计算出零件的应力。最后根 据工作应力、使用寿命和安全性等因素确定对材料性能指标的具体要求。查手册选出满足使用 要求的几种材料。表12列举了几种常用零件要求的主要力学性能。 囊12几种常用零件要求的力学性能 工作条件 载荷性质受载状态应力形式 失效形式 要求的主要力学性能 传动轴循环荷轴领摩擦|弯曲应力旁斯高的强度和冲击韧度,刚度好,轴轴颈表面粗度要低 何冲击振动转应力过量变形|颈鞭度高,耐麝性好 应力集中轴颈磨损 传动囱轮环荷齿面摩擦|弯曲应力齿折新心部强度冲击韧度高;表面强要求齿袭面形成压应 有冲击氯动接触应力帖壽麝损度、硬度高,耐磨性好 力,齿表面糙度低,精 度高 弹赀交变荷報动扭转应力弹牲失碧屈强比(a/a)高,弹性蟹限高,弹簧表面形成压应力 有冲击 弯曲应力衰劳断褒疲劳强度高 表面无损伤,抗蚀 由上述分析可知,材料的力学性能是大多数精密加工零件对材料提出的主要要求,在精密 加工中用得最多的材料是各种钢材。因此,对有关钢材的力学性能和手册使用问题进一步作些