机械设计制造及其自动化专业金属工艺学设计.docx
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机械设计制造及其自动化专业金属工艺学设计
工程技术学院
课程设计
课程:
金属工艺学
专业:
机械设计制造及其自动化
年级:
学号:
姓名:
指导教师:
日期:
绪论.............................................................三
铸造.............................................................四
铸造工艺性分析................................................四
铸造件的选材..................................................四
铸造工艺图....................................................五
铸件图........................................................七
机械加工工艺..................................................七
热处理........................................................八
锻造.............................................................八
锻件的工艺性分析..............................................八
选材..........................................................九
锻造方法......................................................九
确定坯料质量..................................................九
加热温度及加热时间的确定......................................十
锻件图........................................................十
机械加工......................................................十
锻后热处理....................................................十
焊接.........................................................十一
油罐材料的选取...............................................十一
焊接工艺.....................................................十一
热处理方法分为...............................................十三
焊接注意事项.................................................十三
焊接工序.....................................................十五
刀具设计........................................................十五
外圆尖头刀的标注角度.........................................十六
对刀具材料的基本要求.........................................十六
用的刀具材料.................................................十七
分析刀具的角度变化对刀具在工作中的的影响.....................十七
刀具参数的选取...............................................十八
刀具结构分析.................................................十八
设计心得........................................................二十
参考文献......................................................二十一
绪论
金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科｡它主要研究:
各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系;金属机件的加工工艺过程和结构工艺性;常用金属材料性能对加工工艺的影响;工艺方法的综合比较等｡研究在机械制造中金属材料（或坯料､半成品等）的冶炼､铸造､锻压､焊接､金属热处理､切削加工､机械装配等的工艺过程和方法的一门学科｡
金属工艺学课程是在教师的指导下,学生应用金属工艺学的知识进行一次从选择材料､结构分析到制定生产工艺方案的综合性工和实践训练｡
金属工艺学设计的作用
金属工艺学是实践性很强的课程,它有利于对学生进行技能训练,有利于培养学生具有更高的实际能力和开拓精神｡有人把技能仅仅理解为能动手操作工具和设备,或者能够进行实验,这样的理解是不够的｡其实,技能训练除操作技能外,还有工程实践和工程意识的训练｡
金工课程是工科学生的技术基础课,实践性强,应用范围广,涉及到机械制造的各种生产方法｡在金工课教学过程中安排课程设计是对学生进行素质培养､能力训练的有效方法｡
（1）通过课程设计,学生把所学过的知识有机地综合､分析,灵活地运用,进行一次工程师基本素质的训练｡
（2）通过课程设计,可以使学生充分认识机械制造各专业间的内在联系,并处理好互相间的关系,做到扬长避短,优势互补,培养学生综合归纳的能力｡
（3）通过课程设计,使学生加深理解从事工艺设计应遵循的基本原则,即实用性､先进性和经济性原则｡
（4）通过不同工艺方案的分析､对比,使学生初步具有优化加工方案的能力｡
（5）通过实践,使学生深刻体会理论应密切联系实际的含义｡
金属工艺学课程设计的要求
（1）通过实习或调研,了解加工零件时所选用的设备､工装及机床的切削运动｡
（2）工艺参数的确定应有可靠的依据,说清确定参数的方法､使用资料的来源､参数修正的原因和方法｡
（3）说明书的形式允许自选,但禁用文学体裁,应使用工程技术语言､国家标准规定的名词术语｡
（4）微机辅助完成的内容,要在计算机上通过｡
（5）经济性分析应以分析讨论为主,计算步骤可以简化｡
铸造
下图为一零件的方案,编写零件铸造工艺设计
一.铸造工艺性分析
铸件结构工艺性分析是从铸造生产的角度分析其结构是否符合铸造生产的工艺性要求,以及技术经济方面是否合理｡
既能满足使用要求,又能简化工艺､保证质量､降低成本的产品结构,要通过采取工艺措施来加以保证｡
二.铸造件的选材
根据零件特点采用铸造方式制造毛坯,由于HT200的抗拉强度和塑性低,但是铸造性能和减震性能好的特点,选择HT200作为铸造此零件毛坯的材料｡
三.工艺方案的确定
（一）铸造方法的选择
铸造方法可选砂型铸造､熔模铸造､离心铸造等,根据零件图选取砂型铸造,因为砂型铸造适合用于各种形状､大小､批量及各种合金铸件的生产｡､
（二）造型及造芯方法的选择
1.手工造型选取砂箱造型,在专制的砂箱内造型,操作比较方便,劳动量较小｡
2.手工造芯选取芯盒造芯,用芯盒的内表面形成砂芯的形状,砂芯尺寸准确｡
3.机器造型选取射压式,用射砂填实砂箱,再用高比压压实铸型｡生产效率高,易于自动化｡
（三）浇注位置的选择
浇注位置是指浇注时铸件在型腔内所处的空间位置｡多数情况下分型面水平面,水平浇注,称为平浇｡
根据选择原则,如图所示
（四）分型面的选择
选择原则:
（1）应保证模样能顺利的从铸型中取出;
（2）应尽量较少分型面的数量:
（3）应尽量是分型面是一个平直的面;
（4）应使铸件的全部或大部分置入同一砂箱;
（5）应使铸件的全部或大部分置入下箱;
（6）应尽量使型芯和活块的数量减少｡
四.工艺参数的确定
（一）加工余量的确定
铸件各个面都要加工,故都应有余量｡砂型铸造灰铸铁件的公差及配套的加工余量等级为14/H｡顶面和孔的加工余量等级降一级（取J级）,加工余量数值可查｡GB/T11350-1989选取,
160mm和
104mm圆周面双侧加工,每侧余量为6.0mm,底面的加工余量为6.0mm,顶面的加工余量为7.0mm,内孔的每侧的加工余量为6.0mm｡
（二）起模斜度的确定外斜度:
~
内斜度:
~
（三）收缩率
为了保证铸件应有的尺寸,模样尺寸必须较铸件放大一个该合金的收缩量｡在铸铁冷却过程中,其线收缩率不仅受到铸型和型芯的机械阻碍,而且还受到铸件各部分的相互制约｡灰铸铁为0.7%~1.0%｡
（四）型芯头
型芯头的形状和尺寸,对型芯装配的工艺性和稳定性有很大影响｡垂直型芯一般都有上､下芯头,芯头必须留有一定的斜度α｡下芯头的斜度应小些（
~
）,上芯头的斜度为便于合型应大些（
~
）
5．铸造工艺图
六.铸件图
七.机械加工工艺
（1）车:
1）夹外圆
104mm找正,车外圆
160mm及尺寸40mm的端面,车内孔
48及尺寸30mm的端面Ø
2）调头,夹外圆
160mm找正,车外圆
104mm､外圆
80､外圆
130及端面｡
（2）铣:
铣出
104mm､
160mm的两端平面
（3）划:
划两孔的中心线
（4）钻:
钻出
8,深30mm的孔｡
（5）钳:
去毛刺,打件号,拭去紫色｡
（6）抛光
八.热处理
灰铸铁铸件一般不需进行热处理,通常对灰口铸铁进行热处理的目的是为了减少铸件中的内应力:
消除薄壁铸件或铸件薄断面不分的白口组织,提高铸件工作表面的硬度和耐磨性等｡常用的热处理方法有时效处理､降低硬度的退火､正火和表面淬火｡
对此灰铸铁铸件采用时效处理（低温退火）｡其目的是消除铸件冷却凝固工程中所产生的内应力,以防止铸件在后续工序中,由于内应力而引起变形和裂纹｡
机械加工后对零件进行表面淬火,使其达到应有的硬度和耐磨性｡
锻造
下图为主轴的方案,编写主轴自由锻造工艺设计图
00..00.
一.锻件的工艺性分析
锻造工艺性分析应注意以下两方面问题:
1.加工目的､环境及断后现象分析
（1）分析零件铸造的目的是侧重于成行､减少加工余量,还是侧重于提高锻件的力学性能｡
（2）分析工厂的现有设备､技术力量和加工能力｡
（3）分析锻后零件性能可能变化的趋势｡
（4）分析合金钢锻造后,合金元素的烧损｡
2.零件结构形状对锻造适应性的分析
即锻件结构工艺性分析｡各种版本的金属工艺学､锻造工艺学或机械设计手册均有阐述,可参照其内容分析｡
二.选材
鉴于其强度要求,应至少选择45钢｡
轴类零件要求要有一定的强度､刚度｡轴类可以使用的材料有优质碳素钢如45钢代号为U20452,和碳素结构钢,如Q235｡
45钢是强度较高的一种中碳优质钢,因淬透性差,一般以正火状态使用,机械性能要求较高时,采用调质处理｡冷变形塑性中等,退火和正火的切削加工性比调质的好｡用于制
造强度要求较高的零件,如齿轮､轴､活塞销等和受力不很大的机械加工件､锻件､冲压件和螺栓､螺母､管接｡力学性能:
抗拉强度σb（MPa）:
600（61）屈服强度,σs（MPa）:
355（36）伸长率δ5（%）:
16,断面收缩率ψ（%）:
40,冲击功Akv（J）:
39,冲击韧性值αkv（J/cm²）:
49（5）,硬度:
未热处理,
229HB;退火钢,
197HB试样尺寸:
25mm,热处理规范:
正火,850℃;淬火,840℃;回火,600℃｡
Q235常用于金属结构件,心部强度要求不高的渗碳件和氰化零件｡屈服强度为235MPa以上,抗拉强度370-500MPa｡优点是在保证结构强度的条件下成本低,可焊接性能较好｡由于普通碳素结构钢所含硫､磷等有害元素比优质碳素结构钢高,所以不能用于承受交变载荷的重要机构｡
三.锻造方法
采用自由锻,主要工序可分为基本工序､辅助工序和精整工序三大类｡
（1）基本工序它是使金属坯料实现主要的变形要求,达到或基本达到铸件所需形状和尺寸的工序｡主要有以下几个:
敦促使坯料高度减小､横截面积增大的铸造工序｡
拔长使坯料横截面积减小､长度增加的铸造工序｡
冲孔在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序｡
扭转将坯料的一部分相对另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序｡
错移将坯料的一部分相对另一部分错移开,但仍保持轴心平行的锻造工序｡
切割将坯料分成几部分或部分地割开,或从坯料的外部割掉一部分,或从内部割出一部分的锻造工序｡
（2）辅助工序是指进行基本工序之前的预变行工序｡
（3）精整工序在完成基本工序之后,用以提高锻件尺寸及位置精度的工序｡
四.确定坯料质量
（一）坯料质量公式（单位均为kg）
——指锻件质量
——指加热时坯料表面氧化而烧损的质量
——指锻件时从锻件端部切去的金属重量（指质量）,其目的是保证端部质量以及得到平直的端面｡
——指冲孔时冲掉金属的质量
五.加热温度及加热时间的确定
（1）可查有关手册上的锻造温度范围表｡
（2）以经验公式确定加热时间
τ=KD
式中τ——加热时间,单位为h;
D——断面直径或边长,单位为:
cm
K——系数,低碳钢K取0.10~0.15,高碳钢K取0.20~0.30,一般合金钢K取0.15~0.20.
六.锻件图
七.机械加工
（1）车:
车出各外圆和两端面｡
（2）划:
划出两槽线｡
（3）铣:
铣出两槽｡
（4）钳:
去毛刺,倒钝锐边,打件号｡
（5）检:
按照图样要求检验｡
八.锻后热处理
一般情况,低碳钢采用正火;中碳钢采用完全退火;合金工具钢等锻后采用球化退火或等温退火｡
热处理的种类非常多,基本主要可分成两大类,第一类是组织构造不会经由热处理而发生变化或者也不应该发生改变的,第二则是基本的组织结构发生变化者｡第一热处理程序,主要用於消除内应力,而此内应力係在铸造过程中由於冷却状况及条件不同而引起｡组织､强度及其他机械性质等,不因热处理而发生明显变化｡对於第二类热处理而言,基地组织发生了明显的改变,可大致分為五类:
（1）软化退火:
其目的主要在於分解碳化物,将其硬度降低,而提高加工性能,对於球状石磨铸铁而言,其目的在於获得具有甚高的肥力铁组织｡
（2）正常化处理:
主要用改进或是使完全是波来铁组织的铸品获得均匀分布的机械性质｡
（3）淬火:
主要為了获得更高的硬度或磨耗强度,同时的到甚高的表面耐磨特性｡
（4）表面硬化处理:
主要为获得表面硬化层,同时得到甚高的表面耐磨特性｡
（5）析出硬化处理:
主要是為获得高强度而伸长率并不因而发生激烈的改变｡
焊接
下图为油罐焊缝布置的方案,编写焊缝工艺设计图
一.油罐材料的选取
可选用Q235A,Q235A有一定的伸长率､强度,良好的韧性和铸造性,易于冲压和焊接｡
二.焊接工艺
1.焊接方法的选择
常用的焊接方法很多,每种方法都有适用范围｡选择焊接方法实际是针对焊件材料及结构特点选出一种比较合适的焊接方法｡原则仍是使用性､先进性和经济性｡有时可选两种以上方法时,应按企业设备､工艺习惯而优化选择｡下面分析常用焊件方法的适用场合｡
气焊适用于低碳钢薄板和有色金属的焊件､铸件的焊补,以及火焰钎焊､局部加热､变形矫正､局部热处理等方面｡
电弧焊中以手工电弧焊应用最广,七主要原因是设备简单､操作方便､灵活,适用于2mm以上各种金属结构的焊接｡
电渣焊应用在大厚度的钢板､大截面的轴及环形件的焊接上,是以小拼大,实现以焊代锻､以焊代铸的工艺法｡
焊缝无密封要求的薄板可采用点焊,有密封要求的薄板容器可采用缝焊,杆件可采用对焊｡
在焊缝力学性能要求不高或只承受压应力等情况下可以选择钎焊｡
2.焊接接头与坡口形式的选择
采用焊条电弧焊方法来焊接油罐
（1）接头形式手工电弧焊的接头形式有对接､搭接､T型接和角接等｡选择依据是:
弓工件的结构形状,被焊部位厚度或相对厚度,使用条件及施工方法等｡
（2）坡口形式焊件较厚（δ>8mm）是不易焊透,要开坡口｡有Y形､带钝边U形和双V形坡口,其中双V形坡口用于双面焊｡从保证焊件质量上说,带钝边U形坡口容易保证根部焊透,但加工比较困难一些｡Y形和双V形坡口比较好加工｡
选择坡口的依据是:
被焊工件的厚度和结构形式､坡口加工手段以及焊接条件等｡
3.焊条选择及工艺参数的确定
（1）焊件材料的力学性能和化学成分低碳钢和强度等级较低的低合金结构钢,如Q235､16Mn等可根据被焊工件材料的强度等级,按等强原则选取相同强度等级的焊条,如J422､J507焊条｡焊件厚度不大时可不用预热｡焊件的厚度较大或结构刚度较大时,如低碳焊件板厚大于50mm,16Mn焊件板厚大于20mm,焊件环境温度较低时,应选用碱性低氢焊条,并预热100℃~150℃｡
强度等级较高的低合金结构钢,焊接性较差,容易冷裂,一般都要预热,并选用相应强度等级的碱性低氢焊条｡
中碳钢的焊接性差,焊接区容易冷裂,焊接时要预热,焊后要缓冷,可选用J507焊条｡
不锈钢､耐热钢的焊件要注意焊件的化学成分,手工电弧焊是应选用与焊件相同化学成分类型的奥氏体不锈钢焊条的耐热钢焊条｡
如果焊件材料含S､P等杂质较高,则必须选用抗裂性较好的碱性低氢焊条｡
（2）焊条直径的选择
焊条直径和焊接电流的大小是影响焊接质量和生产率的重要因素｡焊条直径d取决于工件厚度､接头型式和焊缝在空间的位置,通常是按工件厚度选取,如平焊低碳钢时,焊条直径可按下表选取｡
焊条直径的选择（mm）
焊条厚度
2
3
4~7
8~12
>12
焊条直径
1.6~2
2.5~3.2
3.2~4
4~5
4~5.8
焊缝厚度为10mm,所以选直径为4mm的焊条
（3）焊接电流的选择
焊接电流是焊条电弧焊的主要工艺参数,焊工在操作过程中需要调节的只有焊接电流,而焊接速度和电弧电压都是由焊工控制的｡焊接电流的选择直接影响着焊接质量和劳动生产率｡
焊接电流越大,熔深越大,焊条熔化快,焊接效率也高,但是焊接电流太大时,飞溅和烟雾大,焊条尾部易发红,部分涂层要失效或崩落,而且容易产生咬边､焊瘤､烧穿等缺陷,增大焊件变形,还会使接头热影响区晶粒粗大,焊接接头的韧性降低;焊接电流太小,则引弧困难,焊条容易粘连在工件上,电弧不稳定,易产生未焊透､未熔合､气孔和夹渣等缺陷,且生产率低｡因此,选择焊接电流时,应根据焊条类型､焊条直径､焊件厚度､接头形式､焊缝位置及焊接层数来综合考虑｡首先应保证焊接质量,其次应尽量采用较大的电流,以提高生产效率｡板厚较的,T形接头和搭接头,在施焊环境温度低时,由于导热较快,所以焊接电流要大一些｡但主要考虑焊条直径､焊接位置和焊道层次等因素｡
增大焊接电流能提高生产率,但电流过大易造成焊缝咬边､烧穿等缺陷,同时金属组织也会因为过热而发生变化,而电流过小易造成夹渣､未焊透等缺陷,降低了焊接接头的机械性能｡
三.热处理方法分为
（一）正火
目的:
细化晶粒,提高母材及常化处理焊缝的综合机械性能,消除冷作硬化,便于切削加工｡
方法:
把要正火的零件放入加热炉中加热到一定温度按每毫米1.5分~2.5分保温出炉空冷,风冷或雾冷｡
（二）调质处理:
目的:
提高零件的综合机械性能｡
方法:
淬火+高温回火（500℃以上）｡得到索氏体｡
（三）固溶处理:
（针对奥氏体不锈钢）即在室温条件下保留奥氏体｡
目的:
将零件加热使碳化物溶到奥氏体中,再以足够快的冷却速度将碳化物固定在奥氏体中｡具有最低的强度､最高塑性､最好的耐蚀性｡
方法:
加热到1000℃~1150℃,以2分到4分/㎜保温后快冷,然后水冷,再进行空冷｡
（四）焊后热处理:
（消除应力,退火）
目的:
A.改善焊接接头及热影响区的组织和性能｡
B.消除焊接和冷作硬化的应力｡
C.防止产生焊接裂纹｡
方法:
A.优先采用炉内整体消除应力方法;
B.分段热处理:
一端在炉内,采取保温措施以防有害温度梯度;
C.对环缝进行局部消除应力处理→加热宽度｡
焊后热处理工艺:
采取正火
许多材料焊接后应进行热处理,以防止工件发生裂纹,减少工件焊后的残余应力,保证工件以后的使用寿命｡热处理包括焊前的预热和焊后热处理,焊件焊前预热目的是避免焊缝及热影响的急冷､硬化与导致裂缝,使熔透深度保持稳定｡通常在焊接规范中指明层间焊接预热温度时,必考虑母材､尺寸､厚度､焊接方法､焊接参数､热影响区淬硬性､焊缝含氢量等因素｡焊接后热是指焊接以后直接在焊接区加热,使焊接区硬化部位软化,并使氢溢出,但必须防止再热裂缝的出现｡
表面处理
表面处理之前,所有的焊接修补工作应该结束,压力容器表面的焊接飞溅物､溶渣､氧化皮､焊疤､凹坑､油污等杂质均应清除干净｡
焊缝加工和清根
焊后将焊缝的毛刺用砂轮打磨掉,毛刺多;可用机械加工这样可提高效率｡坡口表面用丙酮清洗干净,清理后焊缝应该光滑过渡｡
四.焊接注意事项
（1）焊接切割作业时,尤其是气体切割时,由于使用压缩空气或氧气流的喷射,使火星､熔珠和铁渣四处飞溅（较大的熔珠和铁渣能飞溅到距操作点5m以外的地方）,当作业环境中存在易燃､易爆物品或气体时,就可能会发生火灾和爆炸事故｡
（2）在高空焊接切割作业时,对火星所及的范围内的｡易燃易爆物品未清理干净,作业人员在工作过程中乱扔焊条头,作业结束后未认真检查是否留有火种｡
（3）气焊､气割的工作过程中未按规定的要求放置乙炔发生器,工作前未按要求检查焊（割）距､橡胶管路和乙炔发生器的安全装置｡
（4）气瓶存在制定方面的不足,气瓶的保管充灌､运输､使用等方面存在不足,违反安全操作规程等｡
（5）乙炔､氧气等管道的制定､安装有缺陷,使用中未及时发现和整改其不足｡
（6）在焊补燃料容器和管道时,未按要求采取相应措施｡在实施置换焊补时,置换不彻底,在实施带压不置换焊补时压力不够致使外部明火导入等｡
焊接作业中发生火灾､爆炸事故的防范措施
1.焊接切割作业时,将作业环境lOm范围内所有易燃易爆物品清理干净,应注意作业环境的地沟､下水道内有无可燃液体和可燃气体,以及是否有可能泄漏到地沟和下水道内可燃易爆物质,以免由于焊渣､金属火星引起灾害事故｡
2.高空焊接切割时,禁止乱扔焊条头,对焊接切割作业下方应进行隔离,作业完毕应做到认真细致的检查,确认无火灾隐患后方可离开现场｡
3.应使用符合国家有关标准､规程要求的气瓶,在气瓶的贮存､运输､使用等环节应严格遵守安全操作规程｡
4对输送可燃气体和助燃气体的管道应按规定安装､使用和管理,对操作人员和检查人员应进行专门的安全技术培训｡
5.焊补燃料容器和管道时,应结合实际情况确定焊补方法｡实施置换法时,置换应彻底,工作中应严格控制可燃物质的含影实施带压不置
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