工程材料与热加工课设.docx
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工程材料与热加工课设
南京航空航天大学
《工程材料与热加工基础》
课程设计说明书
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：
2011年6月25日
工程材料及热加工基础课程设计
任务书
学生姓名学院学号指导老师
题目：
典型零件的选材、加工工艺路线安排与结构工艺性分析
下达时间2011年6月21日起讫时间：
2011年6月21日至6月27日
1．课程设计的目标：
《工程材料与热加工基础》课程是工程类专业必修的一门工艺性、实践性很强的综合性技术基础课，其内容包括工程材料学、铸造、锻压、焊接等。
为提高学生的工程实践能力和综合运用所学知识分析解决实际问题的能力，在学习该课程后进行一周的课程设计，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分析解决实际问题的能力。
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。
2．课程设计的主要内容：
课程设计的指导思想应力求在提高产品质量、降低产品成本、提高生产效率的原则下，使工艺方案尽量简化、操作方便。
零件设计主要内容包括机械零件工作环境、受力分析，结构设计，材料选用，毛坯的选择，工艺设计及其经济指标等方面。
零件结构主要包括其形状，尺寸，加工精度，表面粗糙度等。
材料的选用主要指选择材料及可能处于加工过程中的某些位置的强化，改性等；工艺设计的主要内容是选择成形工艺（包括毛坯类型）并确定工艺路线（各类加工工艺，工序的总体安排）。
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（液态成形）、压力加工（塑性成形）和焊接（连接成形）三种成型方法]。
课程设计的要求：
（1）学生根据课程设计指导书中规定的零件（或由任课教师指定的零件），任选三个零件（包括铸件、锻件和焊接件各一个），分析各个零件的工作条件、受力状况、失效形式等，合理选择各零件所用材料、选择毛坯生产方法，并能合理安排零件的热处理工艺、制造工艺流程，按设计指导书中要求进行结构工艺性分析与工艺设计。
（2）设计中制订的工艺方案（如选材方案、毛坯选择方案、铸造工艺中分型面的选择方案等）,应考虑2～3个方案进行比较,充分论证,选取最佳方案,并在设计说明书中详细叙述,不能只给出简单的结论。
（3）每个学生完成一份完整的课程设计报告。
设计说明书是反映设计结果的技术文件，必须认真写好。
要求论述清楚，文字简洁，书写（或打印）工整，论述中应附加必要的插图说明。
（4）《工程材料与热加工基础》课程设计报告的格式：
封面，然后依此为任务书，目录（目录应标明序号、标题和页次），正文、体会和建议、参考资料等。
3．课程设计的完成情况：
教学内容由课程设计布置（2学时），工程材料实验，本课程设计组成。
其中工程材料实验包括材料性能与组织的的基本测试方法、碳钢热处理以及写实验报告。
通过工程材料实验，了解了材料常用的力学性能试验方法与设备，掌握了硬度计及光学金相显微镜的使用，并且学会了分析常用碳钢的平衡组织。
学习使用了常规的热处理炉，并进行了常规的热处理试验，深入理解了热处理加热、冷却方式对材料组织与性能的影响等。
课程设计包括：
（1）分组，定题，熟悉图纸，了解产品及零件结构设计；
（2）设计；
（3）设计，编写设计说明书；
（4）继续写设计说明书；
（5）考核。
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
目录
零件设计1
一、铸造零件设计1
1.1零件名称：
输送机底座1
1.2输送机底座简图1
1.3零件概述1
1.4零件技术要求和生产性质1
1.5零件的选材分析2
1.6零件毛坯的生产方案2
1.7→工艺设计3
二、锻造零件设计4
2.1零件名称：
主轴4
2.2零件简图4
2.3技术要求和生产性质4
2.4零件的选材分析4
2.5零件毛坯的生产5
2.6工艺设计6
三、焊接零件设计7
3.1零件名称：
液化石油气体瓶7
3.2零件简图7
3.3零件的技术要求与生产性质7
3.4零件的选材分析7
3.5零件毛坯的生产方案8
四、体会与建议10
五、参考文献11
一、铸造零件设计
1.1零件名称：
输送机底座
1.2输送机底座简图
1.3零件概述
输送机底座是机器中的基础零件，机器上各部分的重量都由支撑件承担，因此输送机底座主要受较大的压应力，部分受一定的弯曲。
1.4零件技术要求和生产性质
1.4.1技术要求
有足够的强度和刚度，良好的减震性及尺寸稳定性。
输送机底座要有良好的加工性，以利于加工成型。
多用铸造毛坯。
σb≥100MPa。
1.4.2生产性质
单件生产
1.5零件的选材分析
1.5.1失效分析
一般为铸型材料，当受压过大时，会发生断裂，可能是由于缩孔、缩松、应力集中导致的。
各种材料失效的原因各异，但主要为断裂。
1.5.2选材分析
（1）方案一：
选用铸钢。
选ZG35Mn，ZG40Mn。
铸钢承载较大，承受冲击较强。
但铸钢的铸造性能较差，易形成缩孔、缩松、冷隔、浇不足、气孔、夹杂等铸造缺陷，由于其工艺性的限制，所制部件壁厚较大。
输送机底座要求一定的铸造性能，所以此方案欠佳。
（2）方案二：
选用有色金属铸造。
有色金属质量轻、散热良好。
输送机底座要求一定的承载能力，而有色金属质量较轻，较难承受相当载荷，而且价格较高，从可行性和经济性的角度考虑，此方案不是最佳方案。
（3）方案三：
采用铸铁。
铸铁的铸造性能好，价格低廉，消震性好，故形状较为复杂、中等载荷的输送机底座一般采用灰口铸铁制作。
灰口铸铁流动性好，体收缩和线收缩都小，偏析倾向小，熔点较低。
经过孕育处理，可以制得较高强度和耐磨性或高气密性的铸件，选用HT150铸造输送机底座，从使用性和经济性的角度都可以满足要求，此所以方案较为合理。
综上所述，方案三是最为合适。
1.6零件毛坯的生产方案
（1）方案一：
选用金属型铸造。
优点：
金属型铸造晶粒细小，铸件加工余量小，生产效率较高。
缺点：
金属型铸造受铸件从金属型中取出的限制，一般适用于大批量生产，以中小型铸件为主。
铸件形状不能过于复杂，所以此方案不行。
（2）方案二：
选用压力铸造。
优点：
生产效率很高，不需要再进行加工。
缺点：
此加工方法适用于大量批量，不适合单件生产，价格过于昂贵。
不能进行热处理，易铸出小气孔，所以此方案不合适。
（3）方案三：
砂型铸造。
优点：
铸造合金种类不受限制，铸件形状不限制。
适用于单件小批量生产，价格低廉。
缺点：
表面不太平整，加工晶粒较大。
输送机底座要求加工单件，砂型铸造在满足其使用性能、工艺性能的同时价格低廉，从经济性的角度考虑，砂型铸造最为合适，所以此方案最佳。
1.7工艺设计
浇注时输送机底座应如工艺简图所以放置，沿直角边的表面为分型面，这样做可以避免错型，保证了外圆和孔的质量。
另外此零件沿两分型面采用三箱型，整个铸件都位于左下型，符合铸件位于同一砂型，保证铸件位置精度的要求。
另外输送机底座底面上的椭圆孔在铸造时成型，而侧面的4个螺孔是通过后期切削加工形成的。
铸造工艺简图：
加工工艺路线：
铸造→人工时效（或自然时效）→切削加工→钻孔。
输送机底座零件尺寸较大，结构较复杂，铸造后会产生较大的内应力，在使用期间会发生缓慢变形。
因此，零件毛坯在加工前必须进行时效处理，消除粗加工造成的内应力的影响。
二、锻造零件设计
2.1零件名称：
传动轴
2.2零件简图
2.3技术要求和生产性质
2.3.1技术要求
抗拉强度大于500Mpa，屈服强度大于300Mpa，韧性大于35J/（cm*cm），延伸率大于15%,硬度230-240HBS。
2.3.2生产性质
小批量生产。
2.4零件的选材分析
2.4.1工作条件
该传动轴是将电动机的转动通过皮带轮传递到右端的螺纹连接件的。
工作时，时速较大，常受冲击力作用和循环载荷作用，载荷中等。
同时承受交变弯曲应力和扭转应力。
磨损也比较严重。
2.4.2失效形式
疲劳破坏或过度磨损。
2.4.3选材方案
由于要求轴要有良好的力学综合性能，即强度、韧性、塑性有良好的耐磨性，防止冲击和过载断裂。
有高的疲劳强度，以防疲劳断裂。
另外，具有良好的切削加工性能和经济性。
根据以上要求，选材方案如下：
（1）方案一：
渗碳钢中选择。
选20Cr等渗碳钢，该钢种强度和韧性都能满足要求，但塑性不足，容易造成断裂。
故不能满足要求。
（2）方案二：
铸铁中选择。
如球墨铸铁，因为铸铁的组织晶粒比较粗大，内部缩孔、缩松等缺陷比较多，塑性不好，综合力学性能远不能满足要求。
所以，不能选铸铁。
（3）方案三：
在调制钢中选择。
如选40CrMn等，这种钢由优异的综合性能。
但他们塑性大都不够，而塑性和韧性都过高，容易造成材料的浪费。
而且，调制合金钢价格是非合金钢的1.7-2.9倍。
调质钢45钢，该钢淬透性较好。
查手册得该钢的临界淬透直径是12-19，大于该轴直径，满足要求。
该钢经局部表面淬火和低温回火表面形成回火马氏体，心部是回火索氏体。
抗拉强度大于800Mpa,屈服强度大于500Mpa，韧性大于50J/cm，延伸率大于19%。
表面硬度高而且耐磨性好，此外，该钢价格便宜，经济。
根据以上分析，综合考虑材料的基本性能和价格因素，最后选择45钢制造。
2.5零件毛坯的生产
要求用45钢材料制成，生产数量为小批量，毛坯的生产方案有：
1）圆柱钢切削加工
2）铸造毛坯
3）模锻毛坯
4）胎模锻毛坯
5）自由锻毛坯
分析方案：
1）圆柱切削加工。
直接用直径为100mm的圆柱钢进行切削加工。
该方案的优点为能
全部通过水压试验。
缺点是材料利用率低，切削加工量大，从而提高了产品的生产成本。
2）铸造毛坯。
由材料选择方案三得，所以不能满足要求。
3）模锻毛坯。
选用45钢模锻成型，模锻时，工件可以卧放。
模锻毛坯的主要优点是
质量好，生产效率高，操作简单，容易实现机械化和自动化，但设备投资大，对这里的小批量生产成本太高。
4）胎模锻毛坯。
截取45钢，加热后在空气中锤上心轴拔长。
与模锻相比，该方案的
主要优点是毛坯接近于零件的结构形状，切削加工量小，成本低，但生产效率也低。
5）自由锻毛坯。
截取45钢，加热后在空气锤上镦粗、心轴拔长。
与胎模锻和模锻相
比优点是工艺更简单，小批量生产成本最低。
毛坯接近于零件的结构形状，切削加工量小。
2.6工艺设计
传动轴零件材料为45钢，小批量生产，自由锻工艺规程如下：
1）零件结构分析:
该零件系带头轴杆件，结构较为合理，有些部位难以锻出，可通过机械加工制出。
2）绘制锻件图
3）确定变形工序
4）计算坯料重量和尺寸
工艺流程：
工艺作用：
正火：
调整硬度，以便切削加工。
表面淬火及高温回火：
提高表面硬度与耐磨性，表面回火马氏体，心部回火索氏体。
喷丸：
增大表面压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。
三、焊接零件设计
3.1零件名称：
液化石油气体瓶
3.2零件简图
3.3零件的技术要求与生产性质
3.3.1技术要求
壁厚4.5mm，设计压力为6MPa
3.3.2生产性质
大批量生产。
3.4零件的选材分析
3.4.1工作条件
液化石油气瓶是用来储存与运输液态液化石油的重要容器。
液化石油是一种重要的能源，是一种可燃性气体，因此存放液化石油的气瓶一定要严格密封以保证安全。
所以从安全角度考虑要求液化石油气瓶具有良好的气密性、耐蚀性、耐磨性以及能承受较大的压应力，并且还需要一定的冲击韧性。
3.4.2选材方案
由安全角度对液化石油气瓶要求有优良的气密性，要求选材具有耐磨、耐蚀和较好的抗压性能，并且还应具有一定的强度、刚度、塑性、韧性，以保证安全。
而我们知道钢具有较好的压、耐腐蚀性，因而可以选碳钢、合金钢、不锈钢等。
由内压为6MPa则可算出静载时压应力为167MPa方案如下：
材料
特点
优质碳素结构钢
查表综合考虑20钢的综合性能最好，不仅综合力学性能好，以及有一定的冲击韧性，并且较便宜
低碳马氏体结构钢
此类钢经淬火、回火后的综合力学性能好，如16Mn、20Mn综合力学性能较好否能满足液化石油容器的性能要求
马氏体不锈钢
耐腐蚀性很好，综和力学性能较好，且价格很贵，不经济，故不采用。
经查表可知20钢
≥410MPa，σ
≥245MPa
16Mn的
≥1440MPa，σ
≥1220MPa
显然16Mn的力学性能远好于20钢，价格方面16Mn只比20钢贵一点，因为液化石油气瓶关系重大，一旦出现事故将是很严重的，所以从安全经济的角度应该选16Mn。
3.5零件毛坯的生产方案
由于本题为密封气体瓶,采用锻造和铸造都不能得到成品,故只能焊接而得。
3.5.1确定焊接位置
根据零件的特点可有下列方案：
方案一：
先用冲压的方法生产1分界面上中下的3个瓶体元件，其中2个是半球壳，另一个是圆筒（图中较直观），焊缝在1处（共两处）；
方案二：
先冲压出2分界面2边的半槽形零件，再对焊。
然后切削出瓶口在焊上瓶嘴；
方案三：
先冲压出3分界面2边的元件，其中一个做瓶嘴。
焊好瓶嘴之后再在3出对焊即可。
方案一冲压深度较深，加工刚才需再结晶并且多次冲压才能成型；方案二只有一条焊缝，加工较简单，但焊缝较长；方案3的焊缝在应力集中部位不宜采用。
综合各方面的性能，虽方案二焊缝较长但仍能满足瓶放入性能要求，且工艺比较简单，故采用方案二较好。
3.5.2焊接方法
对于焊接方法可由以下选择方案：
1）手工电弧焊适用于小批量生产，生产效率低，劳动强度大工作条件差，不适用于本
次生产。
2）埋弧焊，这种生产效率高，适用于批量生产，产品质量好。
3）二氧化碳气体保护焊，这种焊接生产效率很高，适用于要求致密、耐腐蚀、耐热的
焊接。
结合本次生产要求，选择埋弧焊，焊接电流为80-100A。
3.5.3焊条的选择
1）强度原则：
焊缝金属与木材强度相同。
2）同成分原则：
焊接金属的化学成分与母材的化学成分相同或相近。
3）抗裂纹原则：
宜抗裂纹好的碱性焊条。
4）抗气孔原则：
宜抗气孔能力强的碱性焊条。
5）低成本原则：
综合分析以上原则与生产要求查表可知E4303焊条最能满足要求，该焊条为酸性焊条具有较好的力学性能和抗裂性能。
3.5.4工艺流程
下料→冲压→焊接→切削→射线探X（探测物体的内部结构）→消X
（消除x对液化石油气的影响）→水压实验→气密性实验
3.5.5工艺分析：
焊接得到符合条件的焊件。
二、体会与建议
通过本次课程设计，我进一步加深了对各种钢材的了解，对其特性，用途，优缺点有着更全面的认识。
本次课程设计是对我所学知识的一次大的总结和融合，让我了解到实际生产中所遇到的各种问题，以及怎样用所学的知识去解决这些问题。
通过实践，我才能发现自己的不足以及在动手操作中获得成就感和乐趣。
在画图时，因为运用到以前学的autocad，自己有点记不得了，还要在温习一遍，花了较长时间，不过收获很大，让自己对CAD更加熟悉了。
在完成课程设计的过程中，最有感触的是初期的查找资料。
因为以前从没有做过类似的作业，刚上手就如同在黑暗中摸索一般。
由于图书馆资源有限且不少数目已被其他同学借走，再加上自己不得其法，一开始收效甚微。
但通过不断的探索，也逐渐找出些门路，不仅是完成作业本身的也是做好以后的功课的。
其次便是看问题要全面，全面地分析问题。
如在选材时要从零件的使用性、工艺性、经济性等各方面综合考虑。
还是因为没有经验，一开始做时总有顾此失彼的情况发生。
总的来说，本次课程设计让我受益颇丰，完成作业事小，经历并掌握面对陌生课题的经验才是最大的收获。
几点建议如下：
1．希望能多一些实验课，能让我们在实践中学得更多的知识。
2.希望能在平时上课时多获取一些关于零件所属机器工作情况的知识。
如：
高速钻台主轴的转速、工作的流、工作环境、工作寿命情况、主要的经常性损坏零件……
3．希望能将设计好的零件部分投入生产，用实践来检验所设计的方案是否合理，使课设更有针对性。
4．感觉时间上还是有些紧，对于遇到的有些内容不能完全消化。
三、参考文献
[1]王少刚,郑勇编.课程设计指导书南京航空航天大学2009.1
[2]丁原福主编.工程材料武汉理工大学出版社2001
[3]云建军主编.工程材料及材料成型工艺技术基础北京:
电子工业出版社2003
[4]刘佳新主编.工程材料北京:
北京化学工业出版社2006
[5]齐乐华主编.工程材料及成形工艺基础西安:
西北工业大学出版社2002
[6]侯玉山主编.工程材料及热加工基础北京:
机械工业出版社1994
[7]吕页主编.热加工工艺与实习北京：
高等教育出版社2000
[8]王纪安主编.工程材料与材料成型工艺。
北京：
高等教育出版社2000
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