對影響機(jī)械零件性能因素的分析

馮建平

摘要： 隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，目前國內(nèi)金屬材料在材料使用中 ，主要是黑色金屬鑄鐵和有色金屬，它的材料選擇，熱處理工藝，工人的技術(shù)操作水平，設(shè)備是否先進(jìn)等多種因素將影響著機(jī)械零件的加工精度、使用性能和使用壽命，從根本上決定著企業(yè)的命脈。

Abstract： With the rapid development of China's industry， domestic metal materials are currently used in materials， mainly ferrous metal cast iron and non-ferrous metals. Its material selection， heat treatment process， technical operation level of workers， advanced equipment and other factors. It will affect the machining accuracy， performance and service life of mechanical parts， and fundamentally determine the lifeblood of the enterprise.

關(guān)鍵詞： 機(jī)械零件;性能;分析

Key words： mechanical parts;performance;analysis

中圖分類號：U464.149? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0052-02

1? 材料種類的影響

機(jī)械零件的材料有金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料。金屬材料分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料包括各種鋼、鑄鋼和鑄鐵，具有較好的力學(xué)性能（如強(qiáng)度、塑性、韌性等），價(jià)格相對便宜且容易獲得，而且能滿足多種零件使用性能和用途的要求。在各類黑色金屬中，由于合金鋼的性能優(yōu)良，因而常常用來制造重要的機(jī)械零件。有色金屬材料包括銅合金、鋁合金、軸承合金等，具有密度小、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，通常還可用于有減摩、耐磨及耐腐蝕要求的場合。

非金屬材料指塑料、橡膠、合成纖維等高分子材料及陶瓷等。高分子材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，有良好的韌性，減磨，耐磨性，耐蝕性，電絕緣性，在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)有很好的彈性等。其主要缺點(diǎn)是容易老化，易燃，總體上講，耐熱性不好。陶瓷材料的主要特點(diǎn)是硬度極高、耐磨、耐腐蝕、熔點(diǎn)高、剛度大以及密度比鋼鐵小等。目前，陶瓷材料是指用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料。它具有高熔點(diǎn)，高硬度，高耐磨性，耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，并且陶瓷材料在高溫下不易氧化，并對酸、堿、鹽具有良好的抗腐蝕能力。

復(fù)合材料是指用兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學(xué)性能的材料經(jīng)復(fù)合工藝處理而得到所需性能的一種新型材料。例如用玻璃、石墨（碳）、硼、塑料等非金屬材料可以復(fù)合成各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在普通碳素鋼板表面貼附塑料，可以獲得強(qiáng)度高而又耐腐蝕的塑料復(fù)合鋼板，主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的強(qiáng)度和彈性模量，而質(zhì)量又特別小，但也有耐熱性差、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能較差的缺點(diǎn)。此外，復(fù)合材料的價(jià)格比較貴。所以目前用的較少。

2? 材料選擇的影響

從各種各樣的材料中選擇出合適的材料，是一項(xiàng)受多方面因素所制約的工作。機(jī)械零件常用的材料有鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屬等，常用材料的牌號、性能及熱處理知識可查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。比如45號鋼，65Mn鋼，W18Cr4V，1Cr18Ni9Ti等。在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇材料是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)對零件性能的要求也在不斷提高。因此，設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)，應(yīng)充分了解材料的性能和適用條件，并考慮零件的使用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等要求。因斷裂而失效的零件，我們應(yīng)該用抗拉強(qiáng)度作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)依據(jù)，對于大多數(shù)機(jī)械零件，工作時(shí)不允許產(chǎn)生塑性變形，所以屈服強(qiáng)度是零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。下面就是金屬材料（主要是鋼鐵）的一般選用原則。

2.1 使用要求

①對零件的工作環(huán)境和受載情況進(jìn)行分析，以避免相應(yīng)的失效形式。在機(jī)械制造中有許多零件是在高速、重載、較強(qiáng)的沖擊和受磨損的條件下工作，比如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、十字軸以及內(nèi)燃機(jī)凸輪軸等，這些零件的表面具有高硬度、高耐磨性，而心部具有足夠的韌性，為此我們可以選擇合金滲碳鋼，如：20CrMnTi是應(yīng)用最廣泛的合金滲碳鋼。在濕熱環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中工作的零件，其材料應(yīng)有良好的緩蝕和耐腐蝕的能力，例如選用不銹鋼20Cr13、銅合金HPb59-1等。工作溫度對材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線脹系數(shù)不能相差過大，以免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力或者使配合松動;另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。比如那些在重載荷、受沖擊條件下工作的零件，如機(jī)床主軸，汽車后橋半軸、連桿等，選擇合金調(diào)質(zhì)鋼是最合適不過了。而40Cr鋼是合金調(diào)質(zhì)鋼中最常用的一種，其強(qiáng)度比40鋼高20，并有良好的韌性。還有各種彈簧機(jī)構(gòu)和儀表等重要零件，在工作中會產(chǎn)生彈性變形，在工作中起緩和沖擊和吸收震動的作用，那么就應(yīng)該選擇合金彈簧鋼，合金彈簧鋼具有高的彈性極限、疲勞強(qiáng)度、足夠的塑性和韌性，良好的表面質(zhì)量。合金彈簧鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.45-0.75之間，加入了錳、硅、鉻等元素。例如滾動軸承，應(yīng)選擇適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種或選用減摩和耐磨性能好的材料。因?yàn)闈L動軸承在工作時(shí)，承受著高而集中的交變應(yīng)力的作用，還伴有強(qiáng)烈的摩擦，因此滾動軸承鋼應(yīng)具有高得硬度，高得耐磨性和疲勞強(qiáng)度，足夠的韌性和淬透性，以及一定的耐腐蝕性。金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理的手段來發(fā)揮材料的潛力。對于最常用的不同類型的鋼材，由于其回火溫度的不同，可得到力學(xué)性能不同的毛坯?；鼗饻囟仍礁撸牧系挠捕群蛷?qiáng)度將越低，而塑性越好。所以在選擇材料的品種時(shí)。應(yīng)同時(shí)規(guī)定其熱處理規(guī)范，并在圖樣上加以注明。比如曲軸是內(nèi)燃機(jī)的心臟部件，經(jīng)受交變彎曲，拉伸，扭轉(zhuǎn)，高溫，高壓，磨損，沖擊等復(fù)雜的工作條件，因此要求制造曲軸的材料必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，韌性，疲勞強(qiáng)度和耐磨性及平衡性，所以選擇鍛鋼曲軸或球墨曲軸，代號QT。

2.2 工藝要求

要考慮所用的材料從毛坯到成品都能方便地制造出來。例如，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的零件難以鍛造，可以采用鑄造或焊接，其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能。依據(jù)所選的工藝過程，考慮材料對該工藝的加工可能性。比如鑄造，目前出現(xiàn)很多的鑄造方法，如低壓鑄造、連續(xù)鑄造、陶瓷鑄造等。我國這幾年在精密鑄造技術(shù)、連續(xù)鑄造技術(shù)、特種鑄造技術(shù)、鑄造自動化以及鑄造成形模擬技術(shù)等方面發(fā)展迅速，工藝程序要求較高。液態(tài)金屬流動的快慢、溫度的高低控制，產(chǎn)生縮孔和偏析的可能性等等都是影響零件性能的重要因素。對于焊接，要考慮材料的焊接性和產(chǎn)生裂紋的傾向等;對于鍛造，要考慮材料的延伸性、熱脆性和變形能力等;通過外力使材料產(chǎn)生塑性變形，改變其尺寸、形狀及性能。可以采用膜鍛、胎模鍛、自由鍛等方法。對于需要熱處理的零件，要考慮材料的淬透性、淬硬性、淬火變形的傾向性等;對于需經(jīng)切削加工的零件，要考慮材料的硬度。

2.3 經(jīng)濟(jì)要求

①材料本身的相對價(jià)格在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量選用價(jià)格低廉的材料。這一點(diǎn)對于大批量制造的零件尤其重要。

②金屬材料中的碳鋼和鑄鐵的價(jià)格低廉，在滿足其他要求下，應(yīng)首選碳鋼鑄鐵，能用碳鋼，鑄鐵的不用合金鋼;能用低合金鋼的，不用高合金鋼;能用普通鋼的，不用不銹耐熱鋼。加工費(fèi)用當(dāng)零件質(zhì)量不大而加工量很大時(shí)，加工費(fèi)用在零件總成本中要占很大比例。此外，還應(yīng)考慮國內(nèi)條件和國家資源，盡量減少材料的品種、規(guī)格以及采購費(fèi)用。最后進(jìn)行成本核算。

③局部品質(zhì)原則在很多情況下，零件在其不同的部位上對材料有不同的要求。要想選用一種材料滿足不同的要求，事實(shí)上是不可能的，即使可能，有時(shí)價(jià)格也不允許。這時(shí)，可根據(jù)局部品質(zhì)原則，在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理工藝，使各局部的要求分別得到滿足。例如蝸輪的輪齒必須具有優(yōu)良的耐磨性和較高的抗膠合能力，其他部分只壁面或全部壁面可以用陶瓷材料制成。局部品質(zhì)也可以用滲碳、表面淬火、表面噴鍍、表面輾壓等方法獲得。

④材料代用以節(jié)約貴重、稀有材料由于供應(yīng)上的原因或經(jīng)濟(jì)性的要求，可以對所選材料用其他材料代用。例如，當(dāng)強(qiáng)度為主要要求時(shí)，可選用強(qiáng)度較高而價(jià)格較貴的材料，也可用強(qiáng)度較差而價(jià)廉的材料代替，而將結(jié)構(gòu)尺寸適當(dāng)加大;當(dāng)耐磨或耐腐蝕為主要要求時(shí)，可以不選用耐磨性或防腐性好的材料而選用較差的材料進(jìn)行各種表面硬化處理或防腐處理;對于稀有材料，也可以用普通材料代替，例如用鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦。

3? 熱處理的影響

材料的熱處理分普通熱處理和化學(xué)熱處理，普通熱處理又分退火、正火、淬火和回火。一旦選好零件材料，那么熱處理就顯得尤其重要。不同材料選擇不同的熱處理，會得到不同的性能。一般的毛坯退火或者正火，必須安排在粗加工之前，在半精加工和精加工之間安排一次調(diào)質(zhì)熱處理，這樣使材料獲得良好的綜合機(jī)械性能，比如軸類零件。如果對于具有高的硬度，高的耐磨性要求的零件，可以再安排一次表面滲碳熱處理，比如軸承。再比如內(nèi)燃機(jī)的氣門主要承受反復(fù)沖擊的機(jī)械負(fù)荷，還會受到高溫氧化性氣體的腐蝕以及熱應(yīng)力的共同作用，所以對此可以用碳氮共滲熱處理工藝。大功率柴油機(jī)使用最多的是鍛鋼曲軸，采用的熱處理方式是：調(diào)質(zhì)鋼+滾壓，調(diào)質(zhì)鋼+軸徑淬火+滾壓，調(diào)質(zhì)鋼+圓角淬火，調(diào)質(zhì)+氮化+滾壓。如果是球墨鑄鐵曲軸可以采用鑄態(tài)+軸頸淬火+滾壓，等溫淬火+滾壓（球墨鑄鐵曲軸圓角淬火較少用）。曲軸、齒輪、萬向節(jié)、半軸等一般采用感應(yīng)熱處理，目前感應(yīng)熱處理以高效、節(jié)能、清潔、靈活性等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、工程機(jī)械、石油化工等行業(yè)。

4? 操作工人技術(shù)水平的影響

人是機(jī)械加工中的主體，相關(guān)人員的技術(shù)水平直接影響機(jī)械零件的加工精度，這就對相關(guān)的操作人員提出了更高的要求，制定嚴(yán)格的管理制度，必須經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)考核方能入職。在制定考核標(biāo)準(zhǔn)中，要求同一車間的所有相關(guān)人員掌握操作標(biāo)準(zhǔn)與技能，工人對機(jī)床部件熟練操作，對各種刀具的裝夾定位夾緊，對材料工藝路線的制定，對數(shù)控編程的熟練程度等都必須嚴(yán)格把關(guān)。公司領(lǐng)導(dǎo)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，把不合格或是廢品降低到最低?，F(xiàn)在都是人機(jī)交互管理，采用的是流水線作業(yè)，一人操作幾臺機(jī)器，只有熟練的技術(shù)操作工人才能提高機(jī)械零件生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

5? 結(jié)束語

材料的種類、選擇、采用的熱處理以及工人的操作水平對機(jī)械零件的性能和使用壽命影響最大，在加工過程中要嚴(yán)把這幾關(guān)，這是提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵所在，同時(shí)也基本上決定著企業(yè)的盛衰。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建華，丁峰，季斌.大功率內(nèi)燃機(jī)曲軸材料及熱處理趨勢[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2013（02）：22-24.

[2]張朝國.機(jī)械加工工藝對零件加工精度的影響及控制[J].阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，31（01）：43.

[3]王凡，孟立凡.關(guān)于機(jī)械加工中操作者技能水平的研究[J].人類工效學(xué)，2005，11（03）：4-6.