Materialauswahl und Verarbeitungstechniken für gängige mechanische Teile

 

Im Bereich der mechanischen Konstruktion und Fertigung ist die Auswahl geeigneter Materialien und geeigneter Verarbeitungstechniken entscheidend für die Gewährleistung der Leistung, Qualität und Kosteneffizienz mechanischer Teile. Dieser Artikel bietet eine ausführliche Analyse der Materialauswahlprinzipien, Materialtypen und Verarbeitungstechniken für gängige mechanische Teile und soll Maschinenbauingenieuren und verwandten Fachleuten wertvolle Erkenntnisse bieten.

 

 

IGrundsätze der Materialauswahl

 

Die Auswahl von Materialien für mechanische Teile erfordert eine umfassende Berücksichtigung mehrerer Faktoren, darunter Leistungsanforderungen, Verarbeitbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Zu den Hauptprinzipien der Materialauswahl gehören insbesondere die folgenden:

 

1. Leistungsanforderungen

Das Material muss zunächst die spezifischen Leistungsanforderungen unter den Betriebsbedingungen des Teils erfüllen, wie z. B. Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit. Dies erfordert vom Konstrukteur ein umfassendes Verständnis der Arbeitsbedingungen des Teils, einschließlich der Kräfte, denen es ausgesetzt ist, der Arbeitsumgebung (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Einwirkung bestimmter Substanzen) und etwaiger besonderer Anforderungen (z. B. Wärmeleitfähigkeit). , elektrische Leitfähigkeit und magnetische Eigenschaften).

 

2. Verarbeitbarkeit

Die Verarbeitbarkeit des Materials wirkt sich direkt auf die einfache Herstellung, Produktionseffizienz und Kosten aus. Zu einer guten Verarbeitbarkeit gehören Faktoren wie Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und Bearbeitbarkeit, die dazu beitragen, Herstellungsschwierigkeiten und -kosten zu reduzieren und die Produktionseffizienz zu verbessern.

 

3. Wirtschaftliche Effizienz

Bei der Erfüllung der Leistungs- und Verarbeitbarkeitsanforderungen ist es wichtig, Materialien auszuwählen, die möglichst kostengünstig sind, um die Gesamtproduktkosten zu minimieren. Dies erfordert von Designern eine umfassende Betrachtung von Materialpreisen, Verarbeitungskosten sowie daraus resultierenden Wartungs- und Nutzungskosten.

 

 

▲ Schritte zur Materialauswahl in mechanischen Teilen

 

 

II Gängige Materialtypen

 

Zu den häufig verwendeten Materialien für mechanische Teile gehören hauptsächlich die folgenden Kategorien:

 

1. Stahl

Stahl ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien für mechanische Teile und zeichnet sich durch hohe Festigkeit, gute Plastizität und Zähigkeit sowie hervorragende Zerspanungsleistung aus. Abhängig von der Anwendung und den Leistungsanforderungen kann Stahl unter anderem in gewöhnlichen Kohlenstoffbaustahl, hochwertigen Kohlenstoffbaustahl, legierten Baustahl und Gussstahl unterteilt werden.

 

2. Gusseisen

Gusseisen weist eine gute Gießbarkeit, Vibrationsdämpfung und Verschleißfestigkeit auf, seine Festigkeit und Zähigkeit sind jedoch relativ gering. Daher wird Gusseisen häufig zur Herstellung von Teilen verwendet, die statischen Belastungen und Reibungsverschleiß standhalten, wie beispielsweise Maschinenbetten und Gehäuse.

 

3. Nichteisenmetalle

Nichteisenmetalle wie Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen haben eine geringere Dichte und eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, weshalb sie in den Bereichen Elektrik, Elektronik und Luft- und Raumfahrt weit verbreitet sind. In mechanischen Teilen werden Nichteisenmetalle häufig zur Herstellung von Leichtbauteilen, Gleitlagern usw. verwendet.

 

4. Technische Kunststoffe

Mit der Entwicklung der Materialwissenschaften wird der Einsatz technischer Kunststoffe in mechanischen Teilen immer weiter verbreitet. Technische Kunststoffe sind leicht, korrosionsbeständig und verfügen über gute Isolationseigenschaften, wodurch sie sich für die Herstellung nichttragender, korrosionsbeständiger oder isolierter Teile eignen.

 

 

III Analyse von Bearbeitungsprozessen

 

Die Bearbeitungsverfahren für mechanische Teile sind vielfältig und umfassen üblicherweise Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Schmieden und Spritzgießen. Für unterschiedliche Materialien und Teileformen eignen sich unterschiedliche Bearbeitungsverfahren, die im Folgenden gesondert vorgestellt werden.

 

1. Drehen

Drehen ist eine Bearbeitungsmethode, bei der das Werkstück in einer rotierenden Haltevorrichtung fixiert wird und Werkzeuge nach und nach Material vom Werkstück abschneiden, um die gewünschte Form und Größe zu erreichen. Das Drehen eignet sich zur Herstellung zylindrischer Teile wie Wellen und Hülsen. Genauigkeit und Oberflächenrauheit beim Drehen hängen von der Wahl des Werkzeugs und der Einstellung der Schnittparameter ab.

 

2. Fräsen

Fräsen ist eine Bearbeitungsmethode, bei der mithilfe eines rotierenden Werkzeugs Material von der Oberfläche eines Werkstücks geschnitten wird, um flache Oberflächen, konkave und konvexe Oberflächen, Zahnräder und andere komplex geformte Teile herzustellen. Das Fräsen kann in Typen wie Planfräsen, Vertikalfräsen, Schaftfräsen, Zahnradfräsen und Konturfräsen unterteilt werden, wobei jeder Typ für unterschiedliche Bearbeitungsanforderungen geeignet ist.

 

3. Bohren

Bohren ist eine Bearbeitungsmethode, bei der mithilfe eines rotierenden Bohrers Material aus einem Werkstück geschnitten wird, um Löcher mit dem erforderlichen Durchmesser und der erforderlichen Tiefe zu bilden. Bohren wird üblicherweise zur Herstellung lochartiger Teile wie Bolzenlöcher und Lagerlöcher verwendet. Die Präzision und Effizienz des Bohrens hängt von der Auswahl der Bohrer, der Einstellung der Schnittparameter sowie der Umsetzung von Kühl- und Schmiermaßnahmen ab.

 

4. Schleifen

Schleifen ist eine Bearbeitungsmethode, bei der mithilfe von Schleifwerkzeugen nach und nach Material von der Oberfläche eines Werkstücks abgeschnitten oder abgeschliffen wird, um die gewünschte Form, Größe und Oberflächenqualität zu erreichen. Schleifen eignet sich für die Bearbeitung von Teilen mit hohen Anforderungen an Präzision und Oberflächenqualität, wie z. B. Formen, feinmechanische Teile und Werkzeuge. Die Präzision und Oberflächenqualität des Schleifens hängt von der Wahl der Schleifwerkzeuge, der Einstellung der Schleifparameter und der Spannart des Werkstücks ab.

 

5. Schmieden

Schmieden ist eine Metallverarbeitungsmethode, bei der heißverarbeitete Metallmaterialien durch Pressen in die gewünschte Form gebracht werden. Schmieden eignet sich zur Herstellung von Teilen mit komplexen Formen und hohen mechanischen Leistungsanforderungen, wie z. B. Zahnrädern und Wellen. Schmieden kann die interne Organisationsstruktur von Materialien verbessern und die Festigkeit und Zähigkeit von Teilen erhöhen.

 

6. Spritzguss

Beim Spritzgießen handelt es sich um einen Prozess, bei dem geschmolzener Kunststoff in eine Form eingespritzt und verfestigt wird, um die benötigten Teile herzustellen. Das Spritzgießen eignet sich für die Herstellung großer Mengen komplex geformter Kunststoffteile wie Handyhüllen und Automobilkomponenten. Präzision und Oberflächenqualität beim Spritzgießen hängen von der Formgestaltung, der Leistung der Spritzgießmaschine und der Wahl der Kunststoffmaterialien ab.

 

 

IV Detaillierter Entwurf typischer Pfeil- und Bogen-Prozessrouten

 

Wellenteile

 

Die üblicherweise für Wellenteile verwendeten Materialien variieren stark und werden in erster Linie aufgrund von Faktoren wie Festigkeit, Steifigkeit, Verschleißfestigkeit, Herstellbarkeit und wirtschaftlichen Überlegungen ausgewählt. Nachfolgend sind einige gängige Materialien für Wellenteile und ihre Eigenschaften aufgeführt:

 

1. Kohlenstoffstahl

• Hochwertiger Kohlenstoffbaustahl:Diese Stähle wie die Sorten 35, 45, 50 usw. weisen insgesamt gute mechanische Eigenschaften auf und werden häufig verwendet. Unter diesen wird 45-Stahl aufgrund seiner guten Leistung am häufigsten verwendet. Um seine mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern, werden häufig Normalisierungs- oder Abschreck- und Anlassbehandlungen durchgeführt.
• Gewöhnlicher Kohlenstoffbaustahl:Diese Stähle wie Q235, Q275 usw. eignen sich für Wellen, die relativ geringe oder weniger kritische Belastungen tragen.

 

2. Legierter Stahl

Legierter Stahl verfügt über gute mechanische Eigenschaften, ist jedoch relativ teuer und wird häufig für Wellen mit besonderen Anforderungen verwendet. Beispielsweise wird bei Wellen, die unter Hochgeschwindigkeits-, Schwerlast- oder Hochtemperaturbedingungen betrieben werden, häufig legierter Stahl verwendet, um bestimmte Leistungsanforderungen zu erfüllen. Zu den gängigen legierten Stählen gehören 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA usw., die nach Aufkohlen, Abschrecken und anderen Wärmebehandlungen die Verschleißfestigkeit, Schlagzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit der Wellen erheblich verbessern können.

 

3. Gusseisen

Sphäroguss:Aufgrund seiner guten Gießleistung lässt es sich leicht in komplexe Formen gießen und verfügt über eine gute Vibrationsdämpfung und eine geringe Spannungskonzentrationsempfindlichkeit. Es wird häufig zur Herstellung komplex geformter Wellen verwendet. Insbesondere das in China entwickelte duktile Eisen aus seltenen Erden und Magnesium wird aufgrund seiner hervorragenden Schlagzähigkeit, Reibungsreduzierung und Vibrationsabsorptionseigenschaften häufig bei der Herstellung wichtiger Wellenteile in der Automobil-, Traktoren- und Werkzeugmaschinenindustrie eingesetzt.

 

4. Hochfestes Gusseisen

Es verfügt außerdem über gute Guss- und Vibrationsdämpfungseigenschaften und eignet sich daher für die Herstellung komplex geformter Wellen.

 

 ▲ 38CrMoAIA-Beispiel

 

 

Getriebeteile

 

Die Auswahl von Getriebematerialien ist ein komplexer Prozess, der die Berücksichtigung verschiedener Faktoren erfordert, darunter Lastanforderungen, Geschwindigkeit, Umgebungsbedingungen, Geräusch- und Vibrationsanforderungen sowie wirtschaftliche Überlegungen.

 

1. Geschmiedeter Stahl

Geschmiedeter Stahl wird im Schmiedeverfahren hergestellt und weist im Vergleich zu gewöhnlichem Stahl bessere Eigenschaften auf. Geschmiedete Stahlzahnräder zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und gute Schlagfestigkeit aus, was sie zu einem der am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung von Zahnrädern macht. Zu den gebräuchlichen geschmiedeten Stahlmaterialien gehört 45-Stahl, dessen mechanische Eigenschaften durch Wärmebehandlung weiter verbessert werden können.

 

2. Stahlguss

Für die Herstellung größerer Zahnräder wird häufig Gussstahl verwendet, da Zahnräder mit großem Durchmesser nicht zum Schmieden geeignet sind. Zahnräder aus Gussstahl weisen eine gute Festigkeit und Zähigkeit auf, ihre innere Struktur ist jedoch möglicherweise nicht so dicht wie die von geschmiedetem Stahl und erfordert möglicherweise eine Wärmebehandlung, um ihre Leistung zu verbessern.

 

3. Legierter Stahl

Legierter Stahl wird durch Zugabe einer bestimmten Menge an Legierungselementen zu gewöhnlichem Stahl hergestellt, was zu einer höheren Festigkeit und Härte führt. Zahnräder aus legiertem Stahl werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die größere Lasten tragen und bei höheren Geschwindigkeiten arbeiten.

 

4. Grauguss

Grauguss ist relativ spröde und weist eine geringe Schlagfestigkeit und Verschleißfestigkeit auf, verfügt jedoch über gute Antifress- und Anti-Pitting-Eigenschaften. Daher werden Getriebe aus Grauguss häufig in Situationen eingesetzt, in denen der Betrieb reibungslos verläuft, die Geschwindigkeit niedrig ist und die Leistung nicht hoch ist.

 

5. Sphäroguss

Sphäroguss wird durch ein spezielles Wärmebehandlungsverfahren behandelt, wodurch sich der Graphit in seiner inneren Struktur in einer Kugelform verteilt, was die Festigkeit und Zähigkeit des Gusseisens verbessert. Zahnräder aus duktilem Gusseisen weisen eine gute Gesamtleistung auf und eignen sich für Anwendungen mit höheren Leistungsanforderungen.

 

6. Nichtmetallische Materialien

Kunststoffe, Pulvermetalle usw.:Unter bestimmten besonderen Umständen, wie z. B. bei geringer Belastung, niedriger Geschwindigkeit oder wenn eine Geräusch- und Vibrationsreduzierung erforderlich ist, können nichtmetallische Materialien zur Herstellung von Zahnrädern verwendet werden. Diese Werkstoffe sind zwar leicht, geräuscharm und gut zu verarbeiten, ihre Tragfähigkeit und Verschleißfestigkeit sind jedoch schlechter als bei metallischen Werkstoffen.

 

Zum Beispiel Getriebe, die in Autos oder Traktoren verwendet werden.

 

▲ 20CrMnTi-Beispiel

 

Werkzeugteile

 

Die Auswahl der Materialien für Werkzeuge ist entscheidend für deren Leistung und Lebensdauer. Bei der Auswahl der Werkzeugmaterialien müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, darunter der Zweck des Werkzeugs, die Eigenschaften der zu bearbeitenden Materialien, die Schnittbedingungen und wirtschaftliche Überlegungen. Nachfolgend finden Sie einige gängige Werkzeugmaterialien:

 

1. Schnellarbeitsstahl

 

Eigenschaften:

• Hohe Festigkeit und gute Zähigkeit ermöglichen scharfe Schnittkanten.
• Gute Bearbeitbarkeit, leicht zu schmieden und zu bearbeiten.
• Unterteilt in gewöhnlichen Schnellarbeitsstahl und Hochleistungs-Schnellarbeitsstahl. Gewöhnlicher Schnellarbeitsstahl hat niedrigere Schnittgeschwindigkeiten, während Hochleistungs-Schnellarbeitsstahl durch Erhöhung des Kohlenstoff- und Vanadiumgehalts und die Zugabe von Elementen wie Kobalt und Aluminium hergestellt wird, was zu einer höheren Haltbarkeit führt.

 

Anwendungen:

• Wird im Allgemeinen für komplex geformte Werkzeuge wie Spiralbohrer, Gewindebohrer, Reibahlen, Zahnradfräser und Formwerkzeuge verwendet, die häufig aus Schnellarbeitsstahl hergestellt werden.

 

2. Hartmetall

 

Eigenschaften:

• Extrem hohe Härte mit einer Härte von 74–82 HRC bei Raumtemperatur und einer Hitzebeständigkeit von bis zu 900–1000 Grad, was eine hervorragende Schneidleistung bietet.
• Hohe Schnittgeschwindigkeiten von über 100 m/min beim Schneiden von Kohlenstoffstahl.
• Allerdings weist es eine geringe Zähigkeit sowie eine schwache Schlag- und Vibrationsfestigkeit auf, und die Kanten lassen sich nicht leicht auf extreme Schärfe schärfen, was zu einer schlechteren Bearbeitbarkeit führt.

 

Klassifizierung und Anwendungen:

• Hartmetall wird nach GB2075-87 in die Typen P, M und K eingeteilt. Der P-Typ wird für die Bearbeitung langer Späne aus Schwarzmetallen verwendet; M-Typ wird für die Verarbeitung von Schwarzmetallen und Nichteisenmetallen verwendet; Der K-Typ ist für die Verarbeitung kurzer Späne aus Schwarzmetallen, Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Materialien vorgesehen.

 

3. Edelstahl

 

Eigenschaften:

• Pflegeleicht, starke Korrosionsbeständigkeit, geeignet für den Einsatz in feuchten oder korrosiven Umgebungen.
• Seine Härte und Schärfe sind jedoch möglicherweise nicht so hoch wie die von Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und er ist in der Regel teurer.

 

Anwendungen:

• Wird in Haushaltsküchenmessern, medizinisch-chirurgischen Instrumenten und anderen Situationen verwendet, die eine häufige Reinigung und Hygiene erfordern.

 

4. Kohlenstoffreicher Stahl

 

Eigenschaften:

• Hohe Härte und gute Schärfe, geeignet für Präzisionsbearbeitung und Schneiden.
• Allerdings ist es anfällig für Rost und erfordert regelmäßige Wartung und Pflege.

 

Anwendungen:

• Wird in Rasierern, Outdoor-Messern und anderen Anwendungen verwendet, die eine hohe Härte und Schärfe erfordern.

 

 

▲ Zahnradkochfelder

 

 

▲ Beschreibung des Hauptprozesses von Gear Hobs

 

 

V Fazit

 

Die Auswahl von Materialien und Verarbeitungsmethoden für gängige mechanische Teile ist ein komplexer und systematischer Prozess, der die Berücksichtigung mehrerer Faktoren erfordert. Bei der Auswahl der Materialien sollten die Leistung, die Verarbeitungsfähigkeiten und die wirtschaftlichen Aspekte der Teile berücksichtigt werden. Bei der Auswahl der Verarbeitungsmethoden sollten Entscheidungen nach Form, Größe, Oberflächenanforderungen der Teile und den Eigenschaften der Materialien getroffen werden. Durch eine rationelle Auswahl von Materialien und Verarbeitungstechniken können Leistung, Qualität und Kosteneffizienz mechanischer Teile optimiert werden.