工程材料热加工课设.docx

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工程材料热加工课设

《工程材料与热加工基础》课程设计书

学院：

航空宇航学院

专业：

飞行器设计与工程

学号：

姓名：

指导老师：

完成日期：

第一部分任务书

工程材料课程设计

学生姓名：

学院：

航空宇航学院学号：

指导教师：

题目零件的选材、加工工艺路线的安排、结构工艺性的分析

下达时间2015年6月18日

起讫时间2015年6月18日至6月24日

1．课程设计的目的：

《工程材料与热加工基础》课程是工程类专业的必修技术基础课，其内容包括：

工程材料学、铸造、锻压、焊接等。

为了提高学生的工程实践能力和综合运用所学知识的能力，在学习该课程后进行为期一周的课程设计，其目的是：

（1）通过课程设计的实践，使学生进一步加深了解和巩固课程所学的有关知识，提高学生综合运用所学知识的能力。

（2）通过课程设计使学生初步达到在一般机械设计中，能合理选择材料、选择毛坯生产方法，并能合理安排典型零件的热处理工艺、零件制造工艺流程及结构工艺性分析。

3．课程设计的完成情况：

教学内容由课程设计布置（2学时）、辅导（2学时）、综合实验（4学时）、零件设计组成，共一周。

第一部分课程设计布置（2学时）

1）设计目的

2）课程设计题目的选定与要求

3）课程设计的内容和步骤

4）课程设计的时间安排

5）课程设计的要求

第二部分实验（4学时）

1、通过《工程材料与热加工基础》课程的学习，了解材料常用的力学性能试验方法与设备，学会硬度计的使用，学会光学金相显微镜的使用，学会分析常用碳钢的平衡组织，学会使用常规的热处理炉进行常规的热处理实验，掌握热处理加热、冷却方式对材料组织与性能的影响等。

2、在以上基础实验的基础上，任课老师同意的情况下，欢迎同学进行一些综合性和设计性的实验，并写出预备实验报告、实验题目、实验目的、实验所用材料与设备，并对实验的结果进行必要的分析等，交给任课老师审阅，确定实验时间后由任课老师或实验老师指导进行实验。

第三部分零件设计与教师指导（4~5天）

1、三种零件（铸件、锻件、焊接件）确定后，学生要查阅相关的资料，了解各个零件的工作条件（受力大小、力的性质、环境是否有腐蚀等），根据零件的工作条件和结构特点制定2~3个选材方案，并进行分析比较，再安排其他加工工艺路线，并分析各热处理工序的作用与处理后材料的组织与性能特点。

2、分别对三种零件（铸件、锻件、焊接件）制定2~3个毛坯生产的具体方案进行分析比较，确定一个最佳方案画出三种零件的生产工艺图。

4．考核与成绩评定：

指导教师签字：

年月日

系部审查意见：

负责人签字：

年月日

第二部分目录

1、齿轮零件

1、零件名称…………………………………………7

2、零件简图…………………………………………7

3、零件技术要求与生产……………………………8

4、零件选材分析……………………………………8

5、毛坯生产方案……………………………………11

6、加工工艺路线……………………………………12

2、箱体类零件……………………………………13

1、零件名称…………………………………………13

2、零件简图…………………………………………13

3、零件技术要求与生产……………………………13

4、铸件的工艺分析…………………………………14

5、分型面选择………………………………………15

6、确定出最佳浇铸位置……………………………17

7、工艺参数的确定……………………………………18

8、加工工艺流程………………………………………19

3、容器类零件····················20

1、零件名称…………………………………………20

2、零件简图…………………………………………20

3、零件技术要求与生产……………………………21

4、零件选材分析……………………………………21

5、毛坯选择方案……………………………………22

6、设计焊缝位置……………………………………22

7、焊接接头及坡口设计……………………………23

8、焊接工艺措施及要求……………………………24

9、焊接工艺及流程…………………………………25

4、体会和感想····················26

5、参考资料······················26

第三部分零件设计

一、齿轮设计（锻造零件）

1.1零件名称：

双联齿轮

1.2零件简图

1.3零件技术要求与生产

技术要求：

齿轮表面需耐磨，心部有一定强度、塑性和韧性，

生产性质：

大批量生产

1.4零件选材分析

1.4.1工作条件

双联齿轮主要用于一些机械设备变速箱中，通过与操作机构的结合，滑动齿轮从而实现变速。

圆柱齿轮一般分为齿圈和轮体两部分，根据齿轮轮体的结构形状来划分可知上图中的双联齿轮为盘类齿轮，有两个齿圈，在齿圈上切出直齿齿形，在轮体上带有花键孔。

受力情况如下：

由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；

换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；

齿面相互滚动或滑动接触，承受接触应力，并发生强烈摩擦；

花键槽承受转动轴的接触应力，时间长后会冲击载荷。

1.4.2失效形式

疲劳断裂：

主要从根部发生,这是齿轮最严重的失效形式，常常一齿断裂引起数齿甚至所有齿的断裂。

齿面磨损：

由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；

齿面接触疲劳破坏：

在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落；

（4）过载断裂：

主要是冲击载荷过大引起的断齿。

1.4.3性能要求

根据工作条件及失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求：

（1）高的弯曲疲劳强度；

（2）高的接触疲劳强度和耐磨性；

（3）较高的强度和冲击韧性。

此外，还要求有较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，或成型有一定规律等。

1.4.4零件选材

根据公式计算出轮齿上的作用力，选择合适材料作为轮齿。

此外双联齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。

一般，表面硬度越高，疲劳强度也越高。

齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。

（1）方案一：

在渗碳钢中选择

经渗碳淬火后的齿轮齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有很好的韧性，表面硬化后产生残余压应力，大大提高了齿根强度，可以达到62HRC，可获得较高精度的齿轮。

但考虑到该齿轮是需要大批量生产的，不需要较高精度的齿轮，而渗碳淬火回火过程太过麻烦，成本也较高，不适合作为该齿轮材料。

（2）方案二：

在调质钢中选择

该齿轮直径较大，为保证淬透性，应采用高淬透性调质钢，淬透性可以达到100mm以上。

例如典型的40CrNiMoA,热处理后可以得到较好的综合力学性能。

完全符合零件要求。

也具有良好的韧性和硬度，能够抵抗较强的载荷和冲击，疲劳强度较高。

相比较渗碳而言，调质处理的价格低许多，因此选择高淬透性调质钢，如40CrNiMoA。

1.5双联齿轮毛坯的选择

机械工业中常用的毛坯有：

铸件，锻件，焊件和各种轧制型材件。

齿轮是承受重载、交变载荷、高速旋转的重要零件，不宜采用铸造毛坯，因为铸造毛坯缺陷较多，质量也不易控制。

为防止损坏后出现严重的后果，该齿轮采用锻件。

同时锻件还可以细化晶粒，使齿轮拥有较好的性能。

方案一：

自由锻

自由锻造所用工具和设备简单，通用性好，成本低。

同铸造毛坯相比，自由锻消除了缩孔、缩松、气孔等缺陷，使毛坯具有更高的力学性能。

锻件形状简单，操作灵活。

因此，它在重型机器及重要零件的制造上有特别重要的意义。

自由锻造是靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸的，所以锻件精度低，加工余量大，劳动强度大，生产率也不高，因此它主要应用于单件、小批量生产。

对于这种需要大批量生产的齿轮，生产效率太低。

所以该锻造方法不适合。

方案二：

平锻机上模锻

平锻机上模锻能锻造热模锻压力机和模锻锤不能锻造的具有通孔或长杆类锻件，能直接锻出通孔，能节约大量金属，获得的成品机械性能好。

同时加工效率较高，适合加工大批量产品，劳动强度低。

虽然初期投资较高，但可以在以后的产品加工中获得加工优势。

故该齿轮采用平锻机上模锻。

1.6加工工艺路线

40CrNiMoA，经过锻造后，力学性能提高，但切削性不好，需进行正火处理，调整硬度，消除缺陷，改善锻造组织。

而后进行调质处理，提高材料硬度和韧性。

再进行精加工，淬火、油冷回火，改善组织结构。

精磨得到齿轮。

下料——锻造——预备热处理（正火）——粗加工——调质处理——精加工——高频淬火及回火——精磨

二、箱体类零件（铸造零件）

2.1零件名称：

支座

2.2零件简图

2.3零件技术要求与生产

（1）技术要求：

（2）生产性质：

单件。

2.4零件选材分析

功能：

箱体支承类零件是机器中的基础零件。

轴和齿轮等零件安装在箱体中，以保持相互的位置并协调地运动。

机器上各个零部件的重量都由箱体和支承件承担，因此箱体支承类零件主要受压应力，部分受一定的弯曲应力。

此外，箱体还要承受各零件工作时的动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力。

性能要求：

根据箱体支承类零件的作用及载荷情况，它应具备如下性能：

有足够的强度和刚度，良好的减震性及尺寸稳定性。

由于箱体一般形状复杂，体积较大，且具有中空薄壁的特点，因此箱体材料应具有良好的加工性能，以利于加工成型。

通常多用铸造毛坯。

方案一：

选用铸钢。

载荷较大、承受冲击较强的箱体支承类部件常采用铸钢制造，其中ZG35Mn和ZG40Mn应用最多。

铸钢的铸造性较差，由于其工艺性的限制，所制部件往往壁厚较大、形体笨重。

方案二：

有色合金。

要求重量轻、散热良好的箱体可用有色金属及其合金制造。

但加工要求高，成本昂贵。

方案三：

灰铸铁。

灰铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁。

灰铸铁有良好的耐磨性，液态流动性好，凝固收缩性小，抗压强度高，吸震性好，使用时有充分的强度和刚性，能够满足且适合支承台工作要求，而且价格适宜，故选择灰铸铁作为铸件材料。

2.5铸件的工艺分析

根据支座的使用要求和条件进行分析、研究，总结出自己的设计方案。

由于支座的结构简单在综合考虑过其经济性、工艺性和使用性后，对支座的工艺性进行深入的分析。

支座零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。

审查、分析应考虑如下几个方面：

1.铸件应有合壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄；

2.铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷；

3.铸件内壁应薄于外壁铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂；。

4.壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节；

5.利于补缩和实现顺序凝固；

6.防止铸件翘曲变形；

7．避免浇注位置上有水平的大平面结构。

2.6分型面选择

分型面是指上、下砂型的接触面或铸造模样的分合面，分型面的选择应在保证质量前提下，尽量简化工艺过程，节省人力物力。

对于零件质量要求不高、外形复杂且批量不大的支撑台铸件，为简化工艺操作，可优先考虑分型面，并找出零件的可分型方案

选择分型面的原则有：

（1）、应使铸件全部或大部分置于同一半型内；

（2）、应尽量减

少分型面的数目；（3）、分型面应尽量选用平面；（4）、便于下芯、合箱和检测；（5）、不使砂箱过高；（6）、受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度；（7）、注意减轻铸件清理和机械加工量。

该零件可能的分型方案有三种，

一.以支架的底面为分型面

二.以凸台为分型面三.

三.以110mm的对称中心线为分型面分析比较各方案的特点并确定方案

一.以支架的底面为分型面

在分型面少儿平的原则中，其分型面数量不仅少而且还平直，铸件全部放在下型，既便于型芯安放和检验，又可以使上型高度减低而便于合箱和检验壁厚，还有利于起模及翻箱操作。

顶面粗糙的要求为6.3的面可以向下方，以保证其表面粗糙度。

凸台后端面向上放置，可以实现顺序凝固，分型面为底面时便于起模。

二.以凸台为分型面

不利于起模及翻箱操作，大面应该向下方，易保证质量。

三.以110mm的对称中心线为分型面

分模两箱造型易产生错箱，从而影响铸件精度。

综合分型方案原则及各方面的分析，方案III为最佳选择，如图所示

图3.2.1

2.7确定出最佳浇注位置

浇注位置确定应符合铸件凝固方式，保证铸型充填及铸件质量，而尽量置于有理部位，因此讲支撑台水平浇注，可使两端加工面处于侧立位置，以利于保证铸件质量及精度，并利于型芯稳固、排气落砂和检验。

铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。

确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量，铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。

浇注位置的确定有一下原则：

1.铸件的重要部分应尽量置于下部；

2.重要加工面应朝下或直立状态；

3.使铸件的答平面朝下，避免夹砂结疤内缺陷；

4.应保证铸件能充满；

5.应有利于铸件的补缩；

6.避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验。

根据铸件技术要求，需先找出支架铸件上高质量要求的重要面及受力面，易产生缺陷的的厚壁和薄壁处及大平面，再按照宽大平面向下放的浇注原则，铸件型芯应放置牢固并尽量减少其数量，必要时可自带型芯，以保证铸型充满，又能置于有利位置，保证铸件质量。

最佳浇注位置如图2.4所示

图2.4浇注位置

2.8工艺参数的确定

铸造工艺设计参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些数据，这些工艺数据一般都与模样及芯盒尺寸有关，及与铸件的精度有密切关系，同时也与造型、制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。

这些工艺数据主要是指加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔、型芯头尺寸、铸造圆角等。

工艺参数选取的准确、合适，才能保证铸件尺寸精确，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生产率，降低成本。

支座的尺寸公差为CT8～12级，取CT9级。

支座的轮廓尺寸为200mm*110mm*100mm，由《铸造工艺设计》得：

支座尺寸公差数值为2.5mm。

下图为铸件的基本尺寸及尺寸公差数值图3.1；

图3.1

2.9加工工艺流程

箱体支承类零件尺寸较大、结构复杂，铸造后形成较大的内应力，在使用期间会发生缓慢变形。

因此，箱体类零件毛坯在加工前必须进行时效处理：

对精度要求很高或形状特别复杂的箱体，在粗加工以后和精加工以前增加一次人工时效，消除粗加工所造成的内应力影响。

去应力退货一般在550℃加热，保温数小时后随炉缓冷至200℃以下出炉。

三、容器类零件（焊接零件）

3.1零件名称：

液化石油气瓶体

3.2零件简图

3.3零件技术要求与生产

技术要求：

壁厚3mm，设计压力4MPa。

生产性质：

大量生产。

3.4零件选材分析

3.4.1工作条件

液化石油气瓶是储存和运输液化石油气的必要容器。

由于存储物有易燃易爆的性质，因此其安全性和稳定性是重点考虑的因素。

所以要求该零件有良好的气密性、耐腐蚀性、耐应力和耐冲击性等性能，。

3.4.2失效形式

由于液化石油气易燃易爆，气瓶容易爆炸。

高压气体容易渗漏，气瓶易开裂。

由于受到撞击而爆炸破坏或者因腐蚀而气密性变差。

因材料缺陷导致无法抵抗高压强。

3.4.3性能要求

材料具有良好的气密性、耐腐蚀性、耐应力和耐冲击性等性能。

3.4.4选材方案

气瓶主体需要较高的耐应力、耐冲击性，密封性要求高，焊接性能好，可在以下两种材料中选择：

Q235：

碳素结构钢，具有一定的强度和伸长率，韧性良好，且有较好的铸造性、冲压和焊接性，价格低廉，是一般机械制造中常用的材料。

广泛用于制造一般机械零件，如轴、销、气缸等。

Q345：

综合力学性能良好，低温性能尚可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动载荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件。

综上所述，根据技术参数，封头拉伸，筒节卷圆，焊接工艺及成本，应选用Q345制造容器的主体。

3.5毛坯的选择方案

由于钢制压力容器的形状比较简单，工作条件要求有较高的安全性，加之材料厚度小且需要进行大量生产，所以可采用冲压与焊接的方法加工。

冲压一般采取两次压制成型为好，这样可以控制好冲压温度，防止因又一次成形时间过长、温度较低而导致局部减薄量过大的现象发生。

当成形中的封头温度下降到800℃以下应终止冲压，封头的脱模温度应控制在700℃以下，待封头完全冷却后，方可吊运，以免变形

3.6设计焊缝位置

有两种方案可供选择

在图a）方案中，将筒体布置成两条环形焊缝和一条轴向直焊缝且均为对接焊缝。

在此方案上下封头拉深变形较小，容易成形，但焊缝多，焊接工作量大，且轴向焊缝处于拉应力最高位置，则瓶体受到破坏的可能性很大。

图b）方案中，则仅在中部设有一条环缝，由于径向拉应力一般为轴向拉应力的2倍，若去掉了轴向拉应力则完全可避免方案a）的缺点，因此对这种瓶体尺寸不大的焊接件，可优先选用方案b）的焊缝位置比较合理。

3.7焊接接头及坡口设计

焊接接头形式

根据施焊金属件的空间位置，常见的焊接接头型式有：

对接接头、

搭接接头、角接接头和丁字接头等。

其中对接接头受力均匀，是应用

最多的接头型式。

搭接接头受力时将产生附加弯矩，而且消耗金属量

大，但不需开坡口，装配尺寸要求不高。

焊件坡口

根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工出一定几何形状的沟槽称为坡口。

连接瓶体与瓶嘴的焊缝，一般采用不开坡口的角焊缝即可。

而瓶体主环缝的接头形式，宜采用衬环对接或缩口对接，这样不仅可以防止烧穿，而且便于上下封头的定位装配。

下图为衬环对接。

角焊缝 两焊件接合面构成直交或接近直交所焊接的焊缝，

角焊缝

衬环对接

同时为确保环焊缝和直焊缝焊透，尽管焊件厚度不大，仍应按对接形式并开设V形坡口。

并且瓶体环缝上装焊的内衬环或缩口厚度及宽度，均应根据V形坡口尺寸确定，而焊缝强度的校核计算省略。

3.8焊接工艺措施及要求

瓶体上下封头拉伸成形后，由于开口端变形大，冷变形强化严重，加上板材纤维组织的影响，在残余应力作用下很容易发生裂纹。

为防止裂纹的产生，拉伸后应立即进行再结晶退火工艺。

同时，为减少焊缝气孔和夹渣等焊接缺陷，焊接接缝附近必须严格清除氧化皮，铁锈及油污等，尤其对承受内压力为1.6~10Mpa的中压容器要求更为严格。

为去除焊接残余应力，并改善焊接接头的组织与性能，这类瓶体焊后应立即进行2处理，至少要进行去应力退火。

3.9焊接工艺及流程

液化气瓶的冲压及装焊等工艺过程依次为：

落料——拉深——再结晶退火——冲孔——除锈——装焊衬环，瓶嘴——装配上下封头——除锈——焊接主环缝——正火——水压试验——气密试验，如下图

装焊图

四工艺卡

衬环对接

焊接材料

焊条编号

直径

16MnR

J507

2.5mm

焊接类型

焊剂

角焊缝

HJ43

中部焊缝

电弧电压

焊接电流

焊接速度

26~27V

260~280

36m/h

焊丝超前量

母材材料

焊接方式

26~28mm

16MnR

埋弧焊

四、体会与感想

这次课程设计突然让我发现了机械零件设计时的种种困难。

从初期的选材到后期工艺流程的确定，是一件十分困难的事。

要考虑的事情方方面面。

也让我从书中了解了中国机械零件的发展现状和使用参考书的方法。

在设计过程中，我们只是掌握一点皮毛理论知识的学生，根本不知道从什么地方下手。

但是通过与同学讨论，在图书馆翻阅资料，渐渐摸清了设计的步骤，我们可能无法将零件设计的那么完美，但我们知道了如何将理论知识应用到实际设计中，懂得了那些枯燥的数据背后的含义是什么。

总而言之，我觉得这次课设给我十分多的感想。

我们钻研在死板的教科书中太久了，我们应该多实践，在实践中掌握更多的知识，激发我们对知识的渴望。

参考资料

[1]《工程材料与热加工基础》王少刚主编国防工业出版社2008.

[2]《工程材料与热加工基础课程设计指导书》王少刚、郑勇主编南京航空航天大学.2009.

[3]《材料成形技术基础》方亮、程羽、王雅生主编高等教育出版社.2004.

[4]《现代机械设计手册》（第一卷、第三卷）秦大同、谢里阳化学工业出版社.2001

[5]《铸铁件生产使用技术》胡传鼎化学工业出版社.

2006