【正文】 化學(xué)成分鋼可分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼的性能主要取決于含碳量，含碳量越多，其 硬 度越高，但塑性越低。碳素鋼包括普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（如Q21 Q235）一般只保證機械強度而不保證化學(xué)成分，不宜進(jìn)行熱處理，通常用于不太重要的零件和機械結(jié)構(gòu)中。低碳鋼的含碳量低于 %，其強度極限和屈服極限較低，塑性很高，可焊性好，通常用于制作螺釘、螺母、 墊圈和焊接件等。含碳量在 %~%的低碳鋼零件可通過滲碳淬火使其表面硬而心部韌，一般用于制造齒 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 5 輪、鏈輪等要求表面耐磨而且耐沖擊的零件。中碳鋼的含碳量在 %~%之間，它的綜合力學(xué)性能較好，因此可用于制造受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸等零件。含碳量在 %~%的高碳鋼具有高的強度和剛性，通常用于制作普通的板彈簧、螺旋彈簧和鋼絲繩。合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳鋼中加入某些合金元素冶煉而成。每一種合金元素低于 2%或合金元素總量低于 5%的稱為低合金鋼。每一種合金元素含量為2%~5%或合金元素總含量 為 5%~10%的稱為中合金鋼。每一種合金元素含量高于 5%或合金元素總含量高于 10%的稱為高合金鋼。加入不同的合金元素可改變鋼的機械性能并具有各種特殊性質(zhì)。例如鉻能提高鋼的硬度，并在高溫時防銹耐酸；鎳使鋼具有良好的淬透性和耐磨性。但合金鋼零件一般都需經(jīng)過熱處理才能提高其機械性能；此外，合金鋼較碳素鋼價格高，對應(yīng)力集中亦較敏感，因此只用于碳素鋼難于勝任工作時才考慮采用。 用碳素鋼和合金鋼澆鑄而成的鑄件稱為鑄鋼，通常用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大的零件，但鑄鋼的液態(tài)流動性比鑄鐵差，且其收縮率的鑄鐵件大，故鑄鋼的壁厚常大于 10ｍｍ，其圓角和不同壁厚的過渡部分應(yīng)比鑄鐵件大。表 11 是常用的金屬材料的機械性能。 表 11 常用鋼鐵材料的機械性能 材料 機械性能 名稱 牌號 抗拉強度 ?b(N/mm2) 屈服強度 ?s(N/mm2) 硬度 (HBS) 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q215 Q235 Q255 Q275 335~410 375~460 410~510 490~610 215 235 255 275 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 20 35 45 410 530 600 245 315 355 156 197 220 合金結(jié)構(gòu)鋼 18Cr2Ni4W 35SiMn 40Cr 40CrNiMo 20CrMnTi 118 785 981 980 1079 835 510 785 835 834 260 229 247 269 ?217 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 6 65Mn 735 430 285 鑄鋼 ZG230450 ZG270500 ZG310570 450 550 570 230 270 310 ?130 ?143 ?153 灰鑄鐵 HT150 HT200 HT250 145 195 240 — — — 150~200 170~220 190~240 球墨鑄鐵 QT45010 QT5007 QT6003 QT7002 450 500 600 700 310 320 370 420 160~210 170~230 190~270 225~305 二、 材料選用的原則 從各種各樣的材料中選擇出合用的材料是一項受到多方面因素制約的工作，通常應(yīng)考慮下面的原則： （ 1） 載荷的大小和性質(zhì)，應(yīng)力的大小、性質(zhì)及其分布狀況 對于承受拉伸載荷為主的零件宜選用鋼材，承受壓縮載荷的零件應(yīng)選鑄鐵。脆性材料原則上只適用于制造承受靜載荷的零件，承受沖擊載荷時應(yīng)選擇塑性材料。 （ 2） 零件的工作條件 在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料，在高溫下工作的零件應(yīng)選耐熱材料，在濕熱環(huán)境下工作的零件，應(yīng)選防銹能力好的材料，如不銹鋼、銅合金等。零件在工作中有可能發(fā)生磨損之處，要提高其表面硬度，以增強耐磨性，應(yīng)選擇適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼。金屬材料的性能可通過熱處理和表面強化（如噴丸、滾壓等）來提高和改善，因此要充分利用熱處理和表面處理的手段來發(fā)揮材料的潛力。 （ 3） 零件的尺寸及質(zhì)量 零件尺寸的大小及質(zhì)量的好壞與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)，對外形復(fù)雜、尺寸較大的零件，若考慮用鑄造毛坯 ，則應(yīng)選用適合鑄造的材料；若考慮用焊接毛坯，則應(yīng)選用焊接性能較好的材料；尺寸小、外形簡單、批量大的零件，適于沖壓和模鍛，所選材料就應(yīng)具有較好的塑性。 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 7 （ 4） 經(jīng)濟(jì)性 選擇零件材料時，當(dāng)用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不應(yīng)選擇價格高的材料，這對于大批量制造的零件尤為重要。此外還應(yīng)考慮加工成本及維修費用。為了簡化供應(yīng)和儲存的材料品種，對于小批制造的零件，應(yīng)盡可能減少同一部設(shè)備上使用材料的品種和規(guī)格，使綜合經(jīng)濟(jì)效益最高。 各零部件的材料選擇及工藝分析 靠模桿 材料及熱處理對 靠模桿 的使用性能和壽命 有很大的影響。 40Gr 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的 綜合力學(xué)性能、低溫沖擊韌度及底的缺口敏感性，淬透性良好，油冷時可得到較好的疲勞強度，水冷時復(fù)雜形狀的零件易產(chǎn)生裂紋，冷彎塑性中等，正火或調(diào)質(zhì)后具有良好的切削性能，一般在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，還可以進(jìn)行 碳氮共滲和高頻表面淬火處理。 考慮材料的綜合性能及經(jīng)濟(jì)性，本課題所設(shè)計的 靠模桿 的材料選用 40Gr， 因其在機構(gòu)中起傳遞作用，則需要有較高的強度、硬度和耐磨性。因此，采用淬火 4045HRC。其加工工藝路徑為： 毛坯及其熱處理 — 預(yù)加工 — 粗 車外圓 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 8 和內(nèi)孔 輪廓 — 熱處理 — 精車外圓和內(nèi)孔輪 廓及 螺紋 — 鉆孔和銑鍵槽 。 本課題所設(shè)計的 鍵 采用 45，因為 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后 ,具有良好的綜合力學(xué)性能 ,滿足 較大 的 強度 、 塑性和韌性要求 。 加工工藝路線：鉆孔 — 銑削外形 。 3. 靠模螺母 QAl94 是含鐵的鋁青銅。有較高的強度和減摩性， 良好的耐蝕性。 可 制作在高 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 9 負(fù)荷下工作的抗磨耐蝕零件，也制作雙金屬耐磨零件。 因此 ， 本課題所設(shè)計的 靠模螺母 選用 QAl94。 加工工藝路線：車削其外形 — 鉆孔 、車內(nèi)孔和螺紋 — 鉆孔 。 4. 壓板 Q235 因為具有良好的塑性、韌性和冷沖壓性能，以及一定的強度和好的冷彎性能， 它完全符合壓板的工作需要和加工工藝要求，所以，壓板材料選用 Q235。 加工工藝路線： 落料 — 壓彎 — 沖孔。 以上 是本課題主要零件的材料選擇和數(shù)控加工工藝路線，材料選擇是根據(jù)組合機床加工環(huán)境和材料的力學(xué)性能，同時兼顧經(jīng)濟(jì)性來進(jìn)行選擇的 ；工藝路線是根據(jù)數(shù)控加工工藝和材料的切削性能進(jìn)行選擇。在選擇的過程中力求耐用、經(jīng)濟(jì)、方便。 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 10 3. 主要零件的參數(shù)設(shè)置及加工路徑分析 概述 軸是機械加工中常見的典型零件之一。它在機械中主要用于支承齒輪、帶輪、凸輪以及連桿等傳動件，以傳遞扭矩。按結(jié)構(gòu)形式不同，軸可 以分為階梯軸、錐度心軸、光軸、空心軸、曲軸、凸輪軸、偏心軸、各種絲杠等，其中階梯傳動軸應(yīng)用較廣，其加工工藝能較全面地反映軸類零件的加工規(guī)律和共性。 根據(jù)軸類零件的功用和工作條件，其技術(shù)要求主要在以下方面： ⑴ 尺寸精度 軸類零件的主要表面常為兩類：一類是與軸承的內(nèi)圈配合的外圓軸頸，即支承軸頸，用于確定軸的位置并支承軸，尺寸精度要求較高，通常為 IT 5～I(xiàn)T7；另一類為與各類傳動件配合的軸頸，即配合軸頸，其精度稍低，常為 IT6～ IT9。 ⑵ 幾何形 狀精度 主要指軸頸表面、外圓錐面、錐孔等重要表面的圓度、圓柱度。其誤差一般應(yīng)限制在尺寸公差范圍內(nèi)，對于精密軸，需在零件圖上另行規(guī)定其幾何形狀精度。 ⑶ 相互位置精度 包括內(nèi)、外表面、重要軸面的同軸度、圓的徑向跳動、重要端面對軸心線的垂直度、端面間的平行度等。 ⑷ 表面粗糙度 軸的加工表面都有粗糙度的要求，一般根據(jù)加工的可能性和經(jīng)濟(jì)性來確定。支承軸頸常為 ～ m，傳動件配合軸頸為 ～ m。 ⑸ 其他 熱處理、倒角、倒棱及外觀修飾等要求。 軸類零件的材料、毛坯及熱處理 1．軸類零件的材料 ⑴ 軸類零件材料 常用 45 鋼，精度較高的軸可選用 40Cr、軸承鋼 GCr1彈簧鋼 65Mn，也可選用球墨鑄鐵；對高速、重載的軸，選用 20CrMnTi、 20Mn2B、 20Cr等低碳合金鋼或 38CrMoAl 氮化鋼。 ⑵ 軸類毛坯 常用圓棒料和鍛件；大型軸或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸采用鑄件。毛坯經(jīng)過加熱鍛造后，可使金屬內(nèi)部纖維組織沿表面均勻分布，獲得較高的抗拉、 抗彎及抗 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 11 扭強度。 2．軸類零件的熱處理 鍛造毛坯在加工前，均需安排正火或退火處理，使鋼材內(nèi)部晶粒細(xì)化，消除鍛造應(yīng)力，降低材料硬度，改善切削加工性能。 調(diào)質(zhì)一般安排在粗車之后、半精車之前，以獲得良好的物理力學(xué)性能。 表面淬火一般安排在精加工之前，這樣可以糾正因淬火引起的局部變形。 精度要求高的軸，在局部淬火或粗磨之后，還需進(jìn)行低溫時效處理。 經(jīng)綜合考慮，本課題所設(shè)計的軸采用 40Gr， 毛坯采用圓棒料， 因其在機構(gòu)中起傳遞作用，則需要有較高的強度、硬度和耐磨性。因此，采用淬火 4045HRC。 工藝裝備的選 擇 工 藝裝備選擇的合理與否，將直接影響工件的加工精度、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)根據(jù)地生產(chǎn)類型、具體加工條件、工件結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求等選擇工藝裝備。 一、夾具的選擇 單件、小批生產(chǎn)應(yīng)首先采用各種通用夾具和機床附件，如卡盤、機床用平口虎鉗、分度頭等；對于大批和大量生產(chǎn)，為提高生產(chǎn)率應(yīng)采用專用高效夾具；多品種中、小批量生產(chǎn)可采用可調(diào)夾具或成組夾具。 因為本課題所要加工 三爪卡盤 的軸形狀較簡單， 屬 小批生產(chǎn)， 采用通用夾具即可，因此選用三爪卡盤、分度頭和 V形鐵 。 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué)（北京） 畢 業(yè) 設(shè) 計 12 二、 刀具的選擇 刀具材料的分類： (1)普通高速鋼 :鎢系高速鋼 ,鎢鉬系高速鋼 ； (2)高性能高速鋼 ； (3)粉末冶金高速鋼 。 (1)鎢轱類 ； (2)鎢鈦轱類 ； (3)鎢鈦鉭鈷類 ； (4)碳化鈦基類 。 刀具材料的選擇 ： 金屬加工時 ,刀具受到很大切削壓力 ,摩擦力和沖擊力 ,產(chǎn)生很高的切削溫度 .在這種高溫 ,高壓和劇烈的摩擦環(huán)境下 ,刀具材料需滿足一些基本要求 . (1)高硬度 刀具是從工件上去除材料 ,所以刀具材料的硬度應(yīng)在 60HRC 以上 .對于碳素工具鋼材料 ,在溫室條件下硬度應(yīng)在 62HRC以上 。高速鋼硬度為 6370HRC。硬 質(zhì)合金刀具硬度應(yīng)為 8993HRC. (2)高強度與強韌性 刀具材料在切削時受到很大的切削力與沖擊力 ,如 。車削 45鋼 ,在背吃刀量為 4mm時 ,進(jìn)給量 f=,刀片所承受的切削力達(dá)到 4000N,可見刀具材料必須具有較高的強度和較強的韌性 . (3)較強的耐磨性和耐熱性 刀具耐磨性是指刀具抵抗磨損的能力 .一般刀具硬度較高 ,耐磨性越好 .刀具今相組織中硬質(zhì)點 (如碳化物 ,氮化物 )越多 ,顆粒越小 ,分布越均勻 ,則刀具耐磨性越好 . 刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標(biāo)志 ,通常用高溫下保持高 硬度的性能來痕量 ,也稱熱硬性 .刀具材料高溫硬度越高 ,則耐熱性