工程材料课程设计.docx

工程材料课程设计.docx

《工程材料课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料课程设计.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

工程材料课程设计

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tigerl

指导老师**********

完成日期2011年6月25日

目录

第一篇任务书

…………………………………………………………3

第二篇零件设计

一、铸造零件设计——轴承座

1、零件名称……………………………………………………7

2、零件简图……………………………………………………7

3、技术要求和生产性质………………………………………7

4、零件的选材分析……………………………………………7

5、毛坯选择分析………………………………………………8

6、铸造工艺分析………………………………………………9

7、总体工艺流程……………………………………………10

二、锻造零件设计——圆柱斜齿轮

1、零件名称……………………………………………………10

2、零件简图……………………………………………………10

3、技术要求和生产性质………………………………………10

4、零件的选材分析……………………………………………11

5、毛坯选择分析………………………………………………11

6、锻造工艺设计………………………………………………11

6、总体工艺流程……………………………………………12

三、焊接零件的设计——钢制压力容器

1、零件名称……………………………………………………12

2、零件简图……………………………………………………12

3、技术要求和生产性质………………………………………13

4、零件的选材分析……………………………………………13

5、毛坯分析……………………………………………………14

6、焊接工艺设计……………………………………………15

7、总体工艺流程………………………………………………16

第三篇课程设计感想与体会…………………………………………16

第四篇参考资料………………………………………………………17

第一篇任务书

《工程材料与热加工基础》课程设计

学生姓名tigerl学院航空宇航学院学号*********指导教师XXXXX

题目：

典型零件的选材、加工工艺路线安排与结构工艺性的分析

下达时间2011-6-21起讫时间2011-6-21～2011-6-29

1．课程设计的目的：

《工程材料与热加工基础（Ⅱ）》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。

2．课程设计的主要内容：

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]。

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）课程设计报告的格式：

首页为题目，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。

3．课程设计的完成情况：

教学内容由课程设计布置（2~3学时）、辅导（2~3单元）、综合实验（5学时）、自

行设计大作业组成，共5天。

第一部分课程设计布置（2~3学时）

1）设计的目的

2）课程设计题目的选定与要求

3）课程设计的内容与步骤

4）课程设计的时间与安排

5）课程设计的要求

第二部分实验（5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。

第三部分学生自行设计与教师指导（3~4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：

课程设计报告和平时成绩（%80+%20）两部分。

指导教师签字

年月日

系部审查意见：

负责人签字年月日

第二篇零件设计

一、铸造零件设计

1、零件名称：

轴承座

2、零件的简图：

3、技术要求和生产性质：

技术要求

，是基础件

生产性质

单件

4、零件的选材分析：

（一）工作条件及使用性能分析

该轴承座的主要作用是对轴承提供支承。

工作条件比较好，主要承受较小的压力、一定的弯曲应力及一定的振动。

工作平稳基本无冲击，受到一定的磨损。

其主要失效形式：

变形失效、磨损。

所以该零件对材料的要求是有足够的强度和硬度，较高的耐磨性，具有良好的减振性和尺寸稳定性。

（二）选材方案

根据上述的轴承座的使用性能要求，初步得以下三个方案。

（1）方案Ⅰ选用铸钢

选用ZG200—400:

该材料有较高的强度和良好的韧性，通过热处理可获得较高的硬度和能承受较大的载荷和冲击，故可满足零件对强度和耐磨性的要求。

同时可以利用其焊接性能好的特点通过铸—焊结合制造工件，从而降低铸造的复杂性。

但其缺点是铸造性能较差，易出现浇注不足、缩孔等铸造缺陷，工艺出品率低，对造型材料的品质要求高，所以生产成本较高。

另外铸钢的减振性能也不好。

（2）方案Ⅱ选用型材

选用20钢：

由于该零件只生产1件，故可以考虑用20钢型材经过锻造加工后再进行焊接成型，可省去铸造的许多工序。

20钢具有良好的塑性和韧性，也能满足强度要求，且其焊接性能良好。

但其缺点是耐磨性不足，而且减振效果也不理想。

（3）方案Ⅲ选用铸铁

首先考虑灰口铸铁，由于其在几种铸铁中铸造性最好，且铸造工序最简单，价格最便宜，只要灰铸铁可满足要求，即不用考虑其它类型铸铁。

选用HT300：

该材料可承受较高的弯曲应力（小于500MPa）及抗拉应力，抗压强度大，耐热耐磨性能较好，减振性能良好。

由于灰铸铁含碳量高，接近共晶成分，熔点比较低，流动性良好，收缩率小，缺口敏感性较低，铸造性能优越。

且其切削性能优于钢。

另外其成本非常低廉。

结论：

对比以上三个方案，综合考虑工作条件，经济性原则等，选择方案Ⅲ——即选用HT—300。

5、毛坯选择分析：

根据所选用的材料知，锻造和焊接均可排除，只能在铸造的方法中选择。

由于是单件生产，故可在砂型铸造和熔模铸造中选择其一。

（1）方案Ⅰ熔模铸造

该方法对铸件的形状不限制，可铸造形状复杂的零件，铸件表面粗糙度和加工余量小。

一般适合生产量较多的零件。

零件不宜太长太大，一般限于25kg以下。

其缺点是工序繁杂，生产周期长，原辅材料费用比砂型铸造高，因而生产效率低，成本高。

（2）方案Ⅱ砂型铸造

该方法对生产批量和铸件形状不限制，凸台和侧凹附加费用少。

但生产效率低，加工余量大，表面粗糙度大。

其主要优点是铸造成本低。

且由于此零件的形状较简单，故适于用砂型铸造。

结论：

对比以上两个方案，综合考虑生产周期、零件形状、经济性原则等，选择方案Ⅱ——即选用砂型铸造。

6、铸造工艺设计

主要根据浇注位置及分型面的不同来做决定，根据零件的形状，初步得到以下两个方案：

（1）方案Ⅰ

采用四箱造型，垂直浇注。

分型面及分模面如图所示。

由于孔的直径太小，故不铸出。

加工面均位于铸型最下部，取加工余量为4mm，起模斜度取1°，铸造圆角R6～8，采用水平整体芯。

其优点是铸件的的最重要位置位于铸型下部，能保证该处的质量，做到组织致密，无沙眼、气孔等铸造缺陷。

在铸件上端面的分型面开一个横浇道，多个内浇道，可减轻由于铸型过深带来的冲击。

其缺点是采用四箱造型，型砂的耗用量和造型工时大大增加，且有三个分型面和三个个分模面，铸件的精度难以保证，造模也比较困难。

由于铸型较深，浇注时熔融金属对铸型的冲击较大。

轴承座铸造工艺方案Ⅰ

（2）方案Ⅱ

采用分模造型，水平浇注。

如下图所示。

由于孔的直径太小，故不铸出。

铸件对称线为为水平位置，过对称线的纵剖面为分型面，分型面与分模面一致，有利于下芯、起模，以及砂芯的固定、排气和检验等。

两端加工面位于侧壁，加工起模余量均为4mm，起模斜度取1°，铸造圆角R6～8，内孔采用整体芯。

横浇道开在下型分型面上，内浇道开在下型分型面上，熔融金属从右端注入。

该方案由于将加工表面置于侧壁位置，质量容易得到保证。

内孔表面虽然有一侧面位于上面，但由于模型的左端孔实际上位于整体的中间，故对浇注的质量影响不大。

其缺点是采用分模造型，易产生错型缺陷，铸型的外型精度较差。

轴承座铸造工艺方案Ⅱ

结论：

对比以上两个方案的复杂度与经济效果，选择方案Ⅱ更合理。

7、总体工艺流程

铸造→人工时效→切削加工

二、锻造零件设计

1、零件名称：

圆柱斜齿轮

2、零件简图：

3、技术要求和生产性质：

技术要求

汽车后桥主动传动圆柱斜齿轮，齿表面耐磨，硬度58~62

，心部硬度35~40

，

生产性质

大批生产

4、零件的选材分析：

（一）工作条件及使用性能分析

该齿轮是汽车发动机功率输出到后轮上的传动装置，其工作条件较恶劣，轴的部分承受一定的交变弯矩，齿根承受很大的交变弯曲应力，齿部承受较大的冲击载荷，齿面有时承受很大的接触应力，并发生强烈摩擦。

所以齿轮的主要失效形式是疲劳断裂、齿面磨损、齿面接触疲劳和过载断裂。

故其对材料的要求是要有高的弯曲疲劳强度、高的接触疲劳强度和很高的耐磨性，同时要具有较高的强度和高的冲击韧性。

（二）选材方案

（1）方案Ⅰ选用调质钢

调质钢具有很好的综合力学性能，但是其心部的塑性和韧性却不够高，大多数的调质钢不能满足韧性要求，即使如35CrMo，38CrSi能满足韧性要求，但其硬度仍然不够。

而且即使通过高频表面淬火后，其表面耐磨度仍然不能达到要求。

因此，该方案难以满足要求。

（2）方案Ⅱ选用渗碳钢

由于所要求的齿轮承受的载荷很高，普通渗碳钢难满足要求，故选用合金渗碳钢。

合金渗碳钢淬透性好，心部性能也能满足要求。

通过查表知20CrMnTi，20SiMnVB，12CrNi4A等均能满足要求。

由于我国的Si，Mn,B,V资源比较丰富，故选用20SiMnVB钢。

结论：

选用渗碳钢中的20SiMnVB。

5、毛坯选择分析：

由于所选的材料为渗碳钢，具有良好的锻造性，而且零件对力学性能要求很高，通过铸造等难以满足要求，故选用锻造的方法。

（1）方案Ⅰ冲压+自由锻+焊接

由于齿轮不太好加工，故考虑先由自由锻锻出齿轮的圆轴的部分，通过冲压的各道工序形成齿轮的齿，齿比较小，冲压的效率应比较高。

然后再把齿轮焊接到轴的中间部分。

其优点是投资较小，工序较简单。

缺点是自由锻以及焊接的效率都很低，而零件是大批生产。

而且通过焊接的齿根部容易受焊接影响而达不到使用要求，焊接工作量大，质量无法保证。

（2）方案Ⅱ自由锻+模锻（摩擦压力机）

先将棒料通过自由锻制坯，基本符合齿轮的形状，并使纤维组织流线符合图纸要求，然后再在摩擦压力机上预锻和终锻，再经冷切边，热校正，切削加工，淬火即可。

其优点是摩擦压力机的投资不大，生产率较高。

产出的零件表面质量好，切削加工余量少，适合中小批量生产。

其缺点是自由锻过程的生产效率低，由此影响整体的效率。

（3）方案Ⅲ锤上模锻

锤上模锻的优点是生产效率很高，锻造后零件的加工余量少，质量好。

其缺点是制造模具复杂，设计多型槽的模具比较困难，且难于制造，因而投资大，成本高。

适合于大批量生产。

结论：

由于是大批量生产，故选用方案Ⅲ——锤上模锻。

6、锻造工艺设计

锻件图

通过计算估计该锻件的质量越为15Kg，故选用锤上模锻机的吨为3t，机械加工余量和公差分别为高度方向

，水平方向（

。

7、总体工艺流程：

下料→锻造→正火→粗加工→渗碳，预冷淬火→低温回火→磨齿

三、焊接零件设计

1、零件名称：

钢制压力容器

2、零件简图：

3、技术要求和生产性质：

技术要求

现有钢板尺寸为1200mm×600mm×8mm,容器工作压力为20个大气压，工作温度为－40℃～60℃，接管外径65mm,壁厚10mm,高约60mm

生产性质

大批生产

4、零件的选材分析：

（一）工作条件及使用性能分析

根据已有数据计算：

20个大气压约为

，得贮存罐的轴向应力为

；周向应力为

；由于安全性要求较高，可令安全系数为

；则许用应力为

。

所以

。

该压力容器主要用来盛装压缩气体。

其工作条件较为恶劣，最低工作温度可达－40℃，承受的压力不是很大，有可能受到冲击载荷的作用。

根据已有的材料只能通过焊接得到该容器，故其对材料的要求是具有良好的低温性能，好的焊接性能，并具有好的塑性和韧性。

（二）选材方案

（1）方案Ⅰ选择低碳钢中

由于所要制造的压力容器所受载荷比较小，低碳钢即可满足强度要求，且具有良好的塑性和韧性，具有好的冲击韧性。

但是低碳钢一般存在明显的韧性－脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。

例如含碳0.2％碳钢的转变温度在-20℃左右。

因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用。

所以不宜采用低碳钢。

（2）方案Ⅱ选择铁素体低温钢

低温钢中有低碳锰钢、低镍钢（Ni2～4％）、锰镍钼钢（Mn0.6～1.5％,Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％）、镍铬钼钢、中（高）合金钢中的6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni钢等。

由于铁素体中加入了Mn、Ni等合金元素，降低了间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等,使铁素体钢的韧性-脆性转变温度降低。

其中低碳锰钢如16Mn，15MnNi，09MnNi的最低使用温度及强度均可达到要求，而其价格比其它合金便宜，故可选用16Mn。

（3）方案Ⅲ选择奥氏体低温钢

奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性－脆性转变温度。

按合金成分不同，可分为三个系列：

Fe-Cr-Ni系、Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N系、Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢。

这几种钢不仅低温性能良好，而且具有良好的韧性和焊接性。

但其价格较之铁素体低温钢贵。

结论：

对比以上三个方案，综合考虑工作条件，经济性原则等，选择方案Ⅱ——即选用16Mn。

5、毛坯选择分析：

由已有材料知只能用焊接，并借助于冲压的的方法成型。

由于已有材料均为1200mm×600mm×8mm的钢板，通过合适的计算，选择如下的分配方法：

5块钢板分为一组，切割方法如下：

数量

尺寸

切割后尺寸

数量

4块

1200mm×600mm×8mm

942mm×600mm×8mm

4块

256mm×600mm×8mm

4块

1块

1200mm×600mm×8mm

817mm×230mm×8mm

1块

817mm×100mm×8mm

1块

817mm×270mm×8mm

1块

382mm×600mm×8mm

1块

分配方案：

数量

尺寸

用途

4块

942mm×600mm×8mm

拼焊成2节筒体

1块

817mm×230mm×8mm

大护翼

1块

817mm×100mm×8mm

小护翼

其余

切割，拼焊成700mm×700mm，胀形

2个封头

筒体、护翼：

通过钢板冷卷成形然后焊接纵缝。

封头：

先将剩余钢板切割成合适的形状，再拼焊成700mm×700mm的方形，然后通过冲压成形即得。

（虽然多块钢板焊接后的的性能不如整块钢板焊接的性能好，但考虑到封头主要承受轴向力，受力较小，故性能应该能满足要求。

）

6、焊接工艺性设计：

（一）焊接结构及焊接顺序

综合焊缝选择的原则，选择下图所示的焊缝位置。

从焊接操作的方便性和减小焊接变形和焊接应力选择焊接顺序依次为：

焊缝1至焊缝11。

（二）焊接工艺规范参数

焊缝名称

焊接方法

接头形式及坡口

母材材料

焊接材料

热处理

筒体纵缝

埋弧焊

对接接头，I形接口

16Mn，厚度8mm

焊丝：

H08MnA，

焊剂：

HJ430

─—

筒体环缝

埋弧焊

对接接头，I形接口

16Mn，厚度8mm

焊丝H08MnA

焊剂：

HJ430

─—

护翼纵缝

埋弧焊

对接接头，I形接口

16Mn，厚度8mm

焊丝：

H08MnA

焊剂：

HJ430

─—

护翼与筒体环缝

焊条电弧焊

角接头，护翼开单边V形坡口

16Mn，厚度8mm

焊条：

J507R

─—

接口管环缝

焊条电弧焊

角接头，单边V形接口

16Mn，厚度8mm

与16Mn，厚度10mm

焊条：

J507R

─—

7、总体工艺流程：

筒体、护翼：

剪切下料→卷圆→焊接

封头：

下料→切割→焊接→冲压成形→切边→开接管孔

装配及试验：

制造所需坡口→依照焊接顺序焊接→外观检查→射线探伤→清理→水压试验→气密性试验

第三篇课程设计感想与体会

通过这次课程设计，我对工程材料与成型基础这门课有了新的理解。

就我们所学而言，这门课的确与“基础”二字相符合，因为我们平时所学的完全是关于材料与成型的基础。

“书到用时方方恨少”很贴合我一开始的心情。

比如说铸造的那个零件吧，一开始在确定材料的时候，发觉真的很困难。

因为，这不再是一个很单纯的问题，也不是背背书就能解决的。

我一开始就想到要用铸造的方法——铸铁或者铸钢。

但是哪一个更好呢？

我知道一般的支座类会承受一定的振动，但是轴承座还会受到哪些载荷呢？

这个具体的工作条件我又不太清楚了。

于是我只好到XX去搜，但是搜到很多的卖轴承座的广告，却很难找到轴承座具体工作在什么条件，只能从网上的只言片语中发掘到一些信息。

于是我又到图书馆去找资料。

当我找到厚厚的《机械设计手册》时，我很兴奋。

终于，我在书里看到了关于轴承座的较详细的工作条件。

这才解决了第一个小问题。

在铸造工艺设计时我又一次卡壳了。

我发现上课时听起来很简单的分型面选择等一点也不简单。

而且我对于具体的铸造方法的概念是模模糊糊的。

于是我又只好到书里去寻找答案。

看书之后我才基本弄懂了铸造的细节。

在随后的锻造和焊接零件设计时，我又陆续遇到好多的困难，同时我也掌握了分析这类问题的基本方法。

掌握具体的分析方法之后，感觉就好多了。

无论再难的事，都可以分解为许多的简单的步骤。

步骤虽然多，但只要细心地一步步脚踏实地做，就能把它做好。

另外，我觉得分析问题的方法还是最重要的。

面对零件选材或毛坯选择的时候，必须首先找到一个大的方向。

如果方向错了的话，就会大费周折，事倍功半。

大学教的课程应该就是让我们能有基本的判断能力，在遇到问题之后能快速地找到解决问题的大致方向。

我知道我们学的是基础，但只有打好基础，才能有好的发展空间。

做课程设计的过程中，我发现我们平时所学的还是太过于“书本化”了。

当面对一些基础的零件时，我却感到了很陌生的感觉。

我想是我们平时接触的零件太少了吧。

比如学工程图学时，我们画了好多的零件，但当时完全是一种纸上谈兵的感觉，面对了许许多多零件，最后却没有记住一点儿。

所以我觉得我们的课程还是应该多接触一些实际的东西比较好。

第四篇参考文献

[1]王少刚,郑勇.《工程材料与热加工基础》课程设计指导书.南京:

南京航空航天大学,2006.

[2]王少刚.工程材料与成型技术基础.北京:

国防工业出版社,2008.

[3]于家茂，薛修治,金广明.铸钢件生产指南.北京:

化学工业出版社，2008.

[4]陈裕川.焊接工艺设计与实例分析.北京:

机械工业出版社，2009.

[5]彭福泉.金属材料实用手册.北京:

机械工业出版社,1987.