工程材料课设报告.docx
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工程材料课设报告
工程材料课设报告
————————————————————————————————作者：
————————————————————————————————日期：
南京航空航天大学
《工程材料与热加工基础》课程设计
学院：
航空宇航学院
专业：
飞行器设计与工程
学号：
完成日期：
2009年6月18日
说明书目录
任务书---------------------------------------------------------------------------3
铸造件设计---------------------------------------------------------------------5
锻造件设计---------------------------------------------------------------------9
焊接件设计--------------------------------------------------------------------13
总结------------------------------------------------------------------------------17
心得体会------------------------------------------------------------------------18
参考文献------------------------------------------------------------------------18
一、课程设计任务书
课程设计任务书
1．课程设计的目标：
（1）通过课程设计的实践，使学生进一步加深了解和巩固课堂所学的有关知识，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，选择毛坯制造方法，并能合理地安排热处理工艺及零件制造工艺流程。
2.课程设计的选题：
本课程设计包括典型零件的材料选择，热处理工艺路线的安排，零件毛坯生产方法的选择（主要包括铸造（液态成型）、压力加工（塑性成形）和焊接（连接成型）三种成型方法）。
3.课程设计的主要内容：
1）根据图纸熟悉产品的结构、各零件的作用和工作条件。
2）依据零件的受力情况（或给定的条件），环境即失效形式进行零件的选材设计（即选择合适的材料成分，组织及热处理状态）。
3）根据零件的使用条件、制造精度、形状尺寸、材料及生产性质等条件，对指定的零件毛坯进行毛坯部分种类的选择（即选择锻压铸造、或焊接的方法），并进行结构工艺分析、完成工艺设计的部分内容（铸件的铸造方法、浇注位置、分型面的选择、并在零件图上示意标出冒口位置；锻件结构工艺、选择的锻造方法；零件的焊接方法、结构工艺、合理布置焊缝等）。
4）对轴类零件（或齿轮）应设计制造工艺流程，正确选择热处理工艺，工艺流程的合理安排，并作详细的说明。
5）对上述第（4）项中的零件，用相应的材料制成试样，分别用自己设计的热处理工艺进行处理，分别测其硬度、磨制试样观察其组织，判断是否达到预期效果，并作分析。
4.设计步骤：
1）对零件制造的方案的总体设计和论证选定。
2）毛坯的生产工艺方法的选择与分析。
3）机械加工方案的分析。
4）工艺过程和工艺流程过程。
5．考核与成绩评定：
指导教师签字
年月日
6.系部审查意见：
负责人签字
年月日
二、铸造课程设计——支座
1、零件名称：
支座
2、技术要求和生产性质：
（1）技术要求：
支座起支承轴、齿轮等零件的作用，要求有足够的刚度和强度，较好的稳定性，能承受一定程度的振动。
抗拉强度σb≥150Mpa,对零件表面无特殊质量要求。
（2）生产性质：
为中批量生产
3、零件图：
4、选材分析：
支座属于箱体类支承零件，是机器中的基础零件。
轴和齿轮等零件安装在箱体中固定位置并与其它零件协调运动，机器上的各个零部件的重量都由箱体和支承件承担，因此，支座主要受压应力，部分受一定的弯曲应力。
此外，支座还要承受工作时的动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力，承受振动。
因此，它要求：
有足够的强度和刚度，良好的减震性及尺寸稳定性。
由于支座形状较复杂，体积较大，具有中空壁薄的特点，选用的材料应具有良好的加工性能，以利于加工成型。
根据上述要求，选材方案如下：
方案一：
在铸钢中选择。
铸钢是一种重要的铸造合金，承受较大载荷和较强冲击的箱体支承类部件经常采用铸钢制造，其中ZG35Mn和ZG40Mn应用最多。
可是，铸钢的铸造性较差，由于工艺性的限制，所制部件往往壁厚较大，形体笨重。
该支座有中空壁薄的特点，对铸造工艺性有一定要求，所以铸钢不合适。
方案二：
在有色金属中选择。
有色金属及其合金中的各种有色元素都具有各自的独特性能，现代科技的材料发展中起着重要作用。
其铸造工艺性能优良，强度好，韧性好。
一般重量轻、散热性能良好的箱体可用有色金属及其合金铸造。
例如，飞机发动机上的箱体多采用铸造铝合金生产。
但支座是一般箱体类支承零件，无需用及各种金属的独特性能，采用有色金属会造成经济上的浪费，而且支座有较大的重量，要求有良好的减震性，所以有色金属及其合金也不合适。
方案三：
在铸铁中选择。
铸铁的铸造性好，价格低廉，消振性能好。
所以形体复杂、工作平稳、中等载荷的箱体类支承件一般都采用灰口铸铁或球墨铸铁制作。
其中，灰铸铁的的力学性能较差，抗拉强度较低，塑性几乎为零。
但抗拉强度与钢相近，并且有良好的铸造性能，如：
流动性好，收缩小等。
球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有良好的塑性和韧性及耐磨性。
但关键一点是，球墨铸铁的消振能力比灰铸铁低很多，而且查表得，灰铁相比球铁便宜。
所以，综合看来，选用灰口铸铁，其性价比优于球墨铸铁。
根据支座的技术要求，选用HT200，HT200在10mm＜壁厚≤30mm的状态下抗拉强度σb≥170Mpa,完全满足σb≥150Mpa的强度要求，且其减震性能良好。
其次，HT200的铸造性能良好，满足加工性能。
此外，灰铸铁价格便宜，充分考虑了选材的经济性。
综合上述分析，该支座应选用HT200制造。
5、毛坯选择分析：
支座这类零件大都承受压应力，只要求一定的强度和韧性，但该类零件形状复杂，因此最适宜采用铸造毛坯。
它可以使金属一次成型，灵活性大，适用于形状复杂内腔的零件。
铸造可分为砂型铸造、熔模铸造、金属性铸造、压力铸造和离心铸造等。
方案一：
熔模铸造，铸件精度高、表面质量好，可制造形状复杂的铸件，铸造合金种类不受限制，生产批量也基本不受限制，既可大批量生产也可单件、小批量生产。
但是，熔模铸造存在工序繁杂、生产周期长、生产成本高等缺点，且铸件不易太大、太长，一般限于25kg以下，而支座重量显然较大，所以不合适。
方案二：
离心铸造，不用型芯即可铸出中空铸件，简化套筒类生产过程；可以提高金属液充填铸型的能力；改善补缩条件，但由于离心作用，金属中的气体、熔渣等夹杂物，因密度较大儿集中在铸件内表面上，使内孔的尺寸不精确，质量较差，铸件易产生成分偏析和密度偏析等，由于该支座不是套筒、管等零件，所以离心铸造不合适。
方案三：
砂型铸造，是传统的铸造方法，内部组织疏松，易产生缩孔、缩松、气孔、沙眼等缺陷，但其工艺简单，有很大的灵活性，适用于各种形状、大小、批量及各种常用合金铸件的生产，特别适合于内腔复杂的铸件。
砂型铸造成本低廉，因为该支座对零件表面没有质量要求，所以没有必要花大投资去选择能使表面质量好的熔模铸造、压力铸造等。
并且该支座生产性质为中批生产，砂型铸造足以满足所有要求，同时极大节约成本。
方案四：
压力铸造，压铸件尺寸精度高，表面质量好，可以压铸必薄、形状复杂的以及具有很小孔和螺纹的铸件，强度和表面硬度高，可实现半自动化及自动化生产。
但由于充型速度快，气体难以排出，易产生气孔，金属凝固快，易产生缩孔和缩松。
另外，设备投资大，铸型制造周期长，造价高，不宜中、小批量生产，根据支座的技术要求，用此法经济上过于浪费，故不合适。
综上所述，所铸毛坯形状复杂，对表面质量没有特殊要求，中批生产，应选择砂型铸造。
6、工艺选择：
一、浇铸位置的选择：
（1）铸件的重要加工面应朝下或位于侧面。
（2）铸件的大平面应朝下。
（3）面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或是其处于垂直或倾斜位置，可以有效防止铸件产生浇铸不足或冷隔等缺陷。
（4）对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安装冒口，使之实现自上而下的定向凝固。
二、铸型分型面的选择：
（1）应尽可能使铸件的全部或大部分置于同一砂型中，以保证铸件的精度。
（2）应时铸件的加工面和加工基准面处于同一砂型中。
（3）应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直的分型面，最好只有一个分型面。
（4）应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合型等工序。
（5）应尽量使行腔及主要型芯位于下型，以便于造型、下芯、合型和检验壁厚。
7、铸造工艺图：
由下图分析可得：
分型面选在最大截面处，易于拔模，上砂箱高度、较低，零件下部截面较大，放在砂型上部，并在上部设置冒口，用来补缩。
图转下页
分析：
分型面选在最大截面处，易于拔模，上砂箱高度较低，零件下部截面较大，放在砂型上部，并在上部设置冒口，用来补缩。
三、锻造课程设计——传动轴
1.技术要求与生产性
生产性质：
小批量生产
技术要求：
σb≥500MPa,σs≥300MPa,δ≥15%,αk≥35J/cm2，硬度230～240HBS
2：
零件图
3、工作条件及分析：
轴的工作条件：
（1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷；
（2）轴颈承受较大摩擦；
（3）承受一定冲击载荷。
轴的主要失效形式：
（1）疲劳断裂：
由于受扭转疲劳和弯曲疲劳交变载荷长期作用，造成轴疲劳断裂。
这是最主要的失效形式。
（2）断裂时效：
由于大载荷和冲击载荷作用，轴发生这段或扭断；
（3）磨损失效：
轴颈处过度磨损
轴的性能要求：
根据工作条件和失效形式，对轴的选材提出吐下性能要求；
（1）良好的综合理学性能，即强度、塑性、韧性有良好的配合，以防止冲击和过载断裂；
（2）高的疲劳强度以防疲劳断裂；
（3）良好的耐磨性以防止轴颈磨损
此外，对刚度、切削加工性、热处理工艺和成本等因素也应综合考虑。
4、传动轴选材：
轴类零件选材时主要考虑强度，同时兼顾材料的冲击热性和表面耐磨性。
强度设计一方面应保证轴的承载能力，防止变形失效；另一方面由于疲劳强度与拉伸度大致成正比关系，也能保证轴的耐疲劳性能，并且还对耐磨性有力。
为了兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力，轴一般用中碳钢或中碳合金调质钢制造。
主要钢种是45、40Cr、40MnB、30CrMnSi、35CrMo和40CrNiMo等。
具体根据载荷类型和淬透性要求来决定。
进一步分析如下：
方案一：
中碳合金调质钢，根据要求选择40MnB
40MnB调质后局部淬硬可使HBS达到220~250，满足硬度要求。
在其运转过程中可以承受中等载荷及较高的转速，很好的满足所需要的精度要求。
但是它不能承受较大的冲击、交变载荷。
方案二：
中碳钢，根据要求选择45钢
45钢的各项力学性能均达到要求。
其机械性能较好，冷热加工性能良好，而且价格较低，来源较广，应用广泛。
但是它的淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
综合分析：
传动轴主要承受的是弯曲和扭转力矩。
这样轴在整个界面上所受应力分布不均匀，表面应力较大，内部应力较小。
因此无需选用淬透性很高的钢种。
综上分析选用45钢。
5、毛坯选择：
（1）铸造毛坯：
铸造毛坯一般组织粗大，力学性能不如锻件，切内部常存在缩孔、气孔、砂眼等缺陷。
容易在工作中形成裂纹，传递扭矩能力不佳，易引起零件的失效。
逐渐质量不稳定，难以控制，废品率高。
（2）锻造毛坯：
锻造有着良好的综合性能，而传动轴要求综合机械性能好、缺陷少。
该轴是回转体零件，形状规则结构简单，锻造结构工艺性良好，且为小批量生产。
零件选材为45钢，为中碳钢，有着良好的段造型。
综上所述，应该选择锻造毛坯。
6、锻造结构工艺性分析及锻造方法的选择：
传动轴是较为重要的零件，一旦损坏将严重影响其精度，甚至产生严重后果。
（1）锻造方法的选择
方案一：
自由锻
自由端虽然工艺灵活，工具和设备简单，成本较低，但是其精度低，加工余量大。
方案二：
模型锻
模型锻尺寸精度高，加工余量小，锻件纤维分布合理，可进一步提高零件的使用寿命。
但是其成本较高，生产准备周期长。
摩擦压力机上模锻表面质量好，能够完成校正、精整等后续工序，生产精度高。
适合小批量生产切设备简单，投资少。
综上应选择摩擦压力机上模锻。
（2）锻造结构工艺性分析
该轴是一个实心体回转体零件，结构简单，没有复杂内墙。
零件结构对称，锻模和设备受力均匀。
分型面的选择应过轴线，这样上下模结构对称，取模制模容易。
综上该零件的锻造结构工艺性较好。
7、工艺路线的制定和分析
（1）工艺流程为：
下料→锻造→正火→机械加工→半粗加工→调质→局部淬火→回火→粗磨外圆→人工时效→精磨
（2）热处理工艺分析
正火：
得到合适硬度（170-320HBS），以便于机械加工，同时改善锻造组织，为调质处理做准备。
调质处理：
使传动轴得到较高的韧性和足够的强度使其具有良好的综合机械性能和疲劳强度。
调质后硬度为HB200~230，组织为回火索氏体。
为了更好的发挥调质效果，将调制安排在粗加工后进行。
局部淬火：
淬火温度820-840℃左右，盐浴中冷却。
淬火后经560-600℃高温回火，空气冷却，表面获得回火索氏体组织，硬度达220-250HBS。
具有高硬度和耐磨性，以满足工作需求。
人工时效：
消除内应力，减小零件变形，稳定尺寸，对精度要求较高的传动轴更为重要。
四、焊接课程设计——液化石油气瓶体
1、零件名称
液化石油气瓶体
2、技术要求和生产性质
技术要求：
壁厚3mm，设计压力4Mpa。
生产性质：
大量生产
3．零件图
4．选材设计
（1）工作条件及受力分析
液化石油气瓶要承受各种静（如重力、支座反力）、动载荷或交变载荷，和附加机械或温度载荷；多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大
液化石油气有一定的腐蚀性，所以气瓶要有一定的抗腐蚀能力。
（2）主要失效形式
⑴过度变形失效：
由于气瓶是薄壁容器，并且承受内压和外力共同作用，所以有可能由于过载产生鼓胀、弯曲、扭转、失稳等现象从而产生过度变形失效。
⑵断裂失效：
断裂失效主要包括韧性断裂，脆性断裂，疲劳断裂，环境断裂，蠕变断裂五种，产生的主要原因如下：
韧性断裂：
其原因有三个：
1．液化气体压力容器充装过量;
2．压力容器在使用中超压;
3．压力容器维护不良以致壁厚减薄.
脆性断裂：
结构中存在缺陷和材料的韧性差是造成脆性破坏的内因，而压力、温度和介质是促成脆性破坏的外因。
疲劳断裂：
在交变应力的作用下，位于容器的某些局部区域，受力最大的金属晶粒将会产生滑移并逐渐发展成为微小裂纹，且裂纹两端不断扩展，最终导致容器的疲劳断裂失效。
环境断裂：
介质与应力引起的应力腐蚀断裂。
蠕变断裂：
由于气瓶温度大于0.4T熔/K。
⑶表面损伤失效:
表面损伤失效主要是由于气瓶受到腐蚀，磨损而造成的。
由上面的分析，材料应具有以下性能：
气瓶承受压力或其它载荷，气瓶的材料应具有足够的强度，强度过低势必使气瓶过厚，而强度过高又将影响材料的其它力学性能。
气瓶须具有良好的韧性，以使其具有足够的安全使用寿命。
液化石油气瓶的制造采用冷加工卷板和焊接，因此气瓶的材料必须具有良好的加工性和焊接性。
根据上面的分析有以下方案：
方案一HT300
HT300具良好的切削加工性。
另外具有耐磨性和消震性良好，价格低等优点。
但其含炭量高、杂质多，并具有塑性低、焊接性差、对冷却速度敏感等缺点，焊补后容易出现白口组织和产生裂纹。
再见内压大于0.8MPa。
方案二1Cr18Ni9
奥氏体型的钢板的综合性能最好，既有足够的强度、良好的耐腐蚀性，又有极好的塑性同时硬度也不高，而且焊接性较好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施，但价格比较贵，而且当焊接工艺选择不当时，容易出现以下缺陷：
1、容易出现热裂纹。
2、晶间腐蚀：
根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450-850℃敏化温度区时在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度。
3、应力腐蚀：
开裂应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。
奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。
4、焊缝金属的低温脆化：
对于奥氏体不锈钢焊接接头，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性是关键问题。
此时，焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。
5、焊接接头的σ相脆化：
焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相，导致整个接头脆化，塑性和韧性显著下降。
方案三16Mn
16Mn是压力容器常用材料之一，其优点如下：
（1）强度、韧性、耐腐蚀性等均比较好，具有优良的力学性能。
（2）对焊接加热和冷却不敏感，焊缝和热影响区不容易产生裂纹，具有良好的焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。
（3）能够减轻气瓶的重量。
（4）一般焊前不需要预热
（5）杂质少，偏析很小
（6）可采用交、直流电源，工艺简单。
16Mn的缺点：
（1）热影响区的淬硬倾向比较大
（2）容易出现冷裂纹
（3）但工艺选择不当，热影响区的晶粒会长大
结合力学性能的分析，铸铁焊接性差首先淘汰；对于奥氏体不锈钢1Cr18Ni9和低合金钢16Mn，性能都符合要求，但奥氏体不锈钢价格比较昂贵，所以选择低合金钢16Mn。
5．毛坯的选择
液化石油气瓶形状比较简单，而且是薄壁容器，有一定的性能要求，铸锻不好满足，就算满足，代价太大，不可取再加之，安全性要求比较高，而且是大批量生产，所以可采用冲压与焊接的方法。
6．焊接设计
（１）确定焊缝的位置
方案一（如图ａ）：
共有三条焊缝，其中包括两条环焊缝和一条轴向焊缝；
方案二（如图ｂ）：
只有一条环焊缝。
方案一的优点是上下封头的拉伸变形小，容易成型；缺点是焊缝多焊接工作量大，同时，因为筒体上的轴向焊缝处于拉应力最高的位置（根据材料力学径向拉应力为轴向拉应力的两倍），破坏的可能性很大。
方案二只有中部有一条环焊缝，完全避免了方案一的缺点，因此选方案二。
图ａ 图ｂ
（２）设计焊接接头
连接瓶体与瓶嘴的焊缝，采用不开破口的角焊缝即可，而瓶体主焊缝的接头形式，宜采用衬环对接（如图二），这样便于上下封头定位装配。
为确保焊透，尽管焊件厚度不大，仍应开Ｖ形破口。
图一甁嘴与瓶体的连接（不开破口的角焊缝）
焊缝
瓶体
衬环
图二衬环对接
（３）选择焊接方法和焊接材料
由于液化石油气瓶是大批量生产，所以瓶体的焊接采用生产率高，焊接质量稳定的埋弧自动焊。
焊接材料可用焊丝H08MnA，并配合HJ431焊剂使用。
甁嘴的焊接因焊缝直径小，用手弧焊焊接，比较方便、精准，构件选料为16Mn钢时，焊条可取E5015。
（４）主要工艺措施
（1）上下封头拉深成型后，因开口端变形大，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产生裂纹，为防止裂纹产生，拉深后应进行再结晶退火。
（2）为减少焊接缺陷，焊件接缝附近，必须严格清除铁锈、油污。
（3）为取出焊接残余应力并改善焊接接头的组织与性能，瓶体焊接后应进行整体正火处理，至少要进行去应力退火。
7.主要工艺过程
落料→拉伸→再结晶退火→（冲孔）→除锈→装焊衬环、甁嘴→装配上下封头→除锈→焊主环缝→正火→水压试验→气密试验
五、总结：
本次课程设计加深了我对于工程材料与热加工基础知识的理解，更重要的让我了解了机械零件设计的主要内容，包括结构设计、选材、工艺设计及其经济指标等诸方面。
由于我选用的零件来自于课设指导书，在结构设计这一方面也就并未有所创造，但却不曾满足于完成课设，所以积极查阅相关结构设计的关键及注意点。
以下便是些许所得：
结构主要包括形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等，比如在设计轴的结构时，从轴的功能和性能要求出发，一般注意以下几点：
1）使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。
对于只受转矩的传动轴，常制成光轴的形状；对于受交变弯曲载荷的轴一般制成阶梯轴。
2）尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。
3）轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以对阶梯轴相邻轴段直径不宜相差太大，在轴径变化处的过渡圆角半径不宜过小。
尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹。
在重要结构中可采用凹切圆角、过渡肩环，以增加轴肩处过渡圆角半径和减小应力集中。
上述谈到的结构设计、材料选用、工艺、经济性等要素既相互关联、又相互影响，但也会有矛盾，所以权衡利弊，选择最优，进行工艺设计。
比如在经济性与材料选用上，总体性能优良的材料价格一般较高，所以要综合考虑，选择较合理的方案。
六．心得体会：
这次课设，一开始，就让我明白了，工材考试考的不错，可对课设对无所适从。
我不要做考试的机器，所以积极主动的查阅相关工艺资料，很快就领会了许多，也理清了课设的头绪。
但在设计过程中，仍遇到一些问题:
例如，在材料选取方案上，总会出现定向思维，惯性的认为某结构就要用某材料，容易受工程材料与热加工书上的典型选材的影响。
但经过自己的查阅和同学的帮助，具体问题具体分析，这个问题总算解决了。
撇开以上的专业设计，我意识到，材料课设是如此的贴近生活，真所谓无孔不入，使我明白了为什么生活中那么多奇奇怪怪的材料，是材料造就了非同一般的人类文明。
通过课设，加深了我对身边材料的理解，如支座与床身、汽车半轴、传动轴、液化石油压力气瓶等，为什么就选用不同的材料。
虽然有了一些收获，但我人忐忑不安，因为还有两年就要毕业了，这次课设也就基本代表了我现在对于设计理念的理解水平，客观反映了前两年自行动手能力锻炼的结果。
不过，这到底离工作的设计能力还有多远？
我也不知道，但我可以肯定，我做的还远远不够，所以在后期学习中要继续扎实学习，独立思考，培养自己的创造力。
七：
参考文献
《工程材料与热加工基础》王少刚、郑勇编
《材料成型及机械制造工艺基础》董幸生
《材料成型技术基础》机械工业
《工程材料与热加工基础》课程设计指导书
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