工程材料与热加工基础课程设计.docx

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工程材料与热加工基础课程设计

第一部分任务书

一、课程设计的目的

《工程材料与热加工基础》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、选择毛坯的生产方法，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。

二、课程设计要求

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。

课程设计的任务及要求如下：

1、仔细读题、明确自己的任务。

2、对零件制造的总体方案进行论证与选定，包括：

A、毛坯制造方案的可行性分析与比较。

B、主要表面机械加工方案分析与选择。

3.毛坯生产工艺方案的分析,包括:

A、工艺性综合分析。

B、生产方法的确定。

C、工艺参数的确定及其他工艺问题的分析。

D、工艺图的绘制。

4.机械加工工艺方案的分析,包括:

A、零件机械加工工艺的分析及工艺基准的选定。

B、工艺过程的拟定及工艺文件的编制。

C、各工序机床、加工余量、工、夹、量具的选定；刀具的设计与应用。

D、绘制机械加工过程中所需的工艺图。

5.完成全部工艺绘制工作

6.撰写一份完整的说明书。

要求理论鲜明、论证严密、文理通顺、字迹清楚。

7.编写参考文献。

第二部分、课程设计参考资料

一、机械零件的选材

选材是机械零件设计中不可缺少的工作，材料选择合理与否直接影响到产品的质量、寿命和生产成本。

机械零件选材的一般原则是：

1.所选材料应具有满意的使用性能，除特殊要求某些物理性能、化学性能之外，一般主要要求的是力学性能，即材料抵抗外加载荷而不致失效的抗力---失效抗力。

2.材料应具有良好的或可行的加工性能。

3.材料的价格或成本应尽可能低廉。

<一>机械零件选材应满足使用性能要求

使用性能—指零件在工作时应具备的力学、物理和化学性能。

1、分析零件的工作条件，确定使用性能。

工作条件主要是指：

零件的受力情况，包括受力形式，如载荷形式（拉、压、弯曲等），载荷性质（如静载、动载、交变载荷）及承受摩擦的状况；环境状况，如工作温度、介质等；特殊要求如导热性、导磁性等。

2、进行失效分析，确定使用性能。

3、从零件使用性能要求提出对材料的性能的要求。

明确了零件的使用性能后，把使用性能的要求，通过分析、计算量化成具体数值，再按这些数值从手册的材料性能数据大致应用范围选材。

常见的力学性能指标有HRC或HBS，σs,σb；非常规力学性能指标如KIC及腐蚀介质中的力学性能;对特殊性能要求的零件，如电性能、磁性能、热性能等。

4、机械零件按使用要求选材的基本步骤

（1）分析零件的工作条件与环境，确定零件的技术要求。

（2）通过分析实验，结合同类零件失效分析结果提出失效抗力指标，并以此作为选材的基本依据。

（3）根据力学计算，确定零件的主要力学指标。

（4）决定热处理及其他表面强化方法。

（5）试验、投产。

对关键零件批量生产前要进行试验、初步确定材料选择，热处理方法是否合理，热加工性能好坏。

满意后可批量生产。

6、机械零件选材应注意的几个问题

（1）尺寸效应。

尺寸效应是指钢材截面大小不同，即使热处理状态相同，其力学性能也有差别效应。

随着材料截面尺寸增大，钢材的力学性能下降。

尺寸效应不仅与冶金质量有关，而且还与淬透性有关。

（2）力学性能与加工状态、处理条件有关。

不同的加工状态（如铸造、锻造、不同热处理，有否压力加工）其力学性能差别。

（3）材料的力学性能对同一牌号的材料来说，由于其成分是在一定范围内变化，因此其力学性能也是有一定的波动范围。

<二>机械零件选材应满足加工工艺性要求

材料的工艺性是指材料适应某种加工工艺的能力。

所选材料一般应先制成与成品形状相近似的各种毛坯（例如铸件、锻件、焊接件），再经切削加工和热处理，最终形成零件，因此，材料应满足这些不同工艺的要求。

材料的工艺性通常指以下几个方面：

1.铸造性能：

包括流动性、收缩性、偏析和吸气性等。

由于接近共晶成分的合金铸造性能良好，因此铸造合金的成分一般选在共晶成分附近。

2.压力加工性能：

包括冷压力加工（冷冲压、冷轧、冷挤压）和热压力加工（如锻造、热轧、热挤压等）时材料的塑性和变形抗力有可热加工的温度范围、抗氧化性和加热、冷却要求。

变形铝合金、铜合金、低碳钢的压力加工性能好、而高碳钢就差。

3.焊接性能：

焊缝处形成冷裂或热裂及形成气孔的倾向，低碳钢的焊接性能好，高碳钢及铸铁的焊接性能差。

。

4.切削加工性能：

指材料的切削加工性、磨削加工性等，一般用切削抗力、零件的表面粗糙度值的大小、刀具磨损和切削排除的难易程度来衡量其好坏。

5。

热处理工艺性：

包括淬透性、淬硬性、回火稳定性、氧化脱碳倾向、变形开裂倾向等

<三>机械零件选材应兼顾经济性

1.材料价格：

一般材料成本约占零件成本的30～70%。

2.材料的加工费用：

一般加工费约占零件成本的30%左右，生产批量越小，所占比例越高。

二、机械零件毛坯的选择

毛坯的选择是机械设计与制造中的一项重要任务。

毛坯与零件的制造除直接用型材加工外,主要由铸造、锻压及焊接三种制造工艺方法制成。

1．影响毛坯选择的因素

毛坯选用液态成形的铸件或塑性变形的锻件、薄板冲压件或焊接连接的冲压—焊结构、轧制—焊结构、铸--焊的焊件。

应取决于以下六个方面：

（1）零件选用的材质，基本决定了毛坯的种类。

零件的材质是根据设计要求的使用性能、金属材料的工艺性能及其经济性能的综合考虑选定的。

（2）零件的结构形状，决定了毛坯的制造方法。

例如薄壁复杂件只能用铸造（最好为压力铸造），大截面简单件不宜用铸造，适用于自由锻。

特大的薄壁结构宜用焊接结构。

（3）零件的生产类型，对毛坯的选择也起决定作用。

（4）零件不加工表面的精度与粗糙度不仅决定于毛坯类型，而且可进一步选用精密铸造或精密锻造等少余量或无余量的精密零件或毛坯。

（5）工厂现有设备、技术力量及生产能力，可改变原定的毛坯选定方案。

例如大型件原可采用整体铸件，但受设备、厂房限制只能采用以小拼大的铸-焊结构；复杂程度高的铸件由于技术力量与生产能力的影响，只能化难为易采用铸—焊结构。

有些情况甚至将铸件改为锻件。

（6）当毛坯几种制造方法均可制造时，应选用最佳经济方案。

2.检验毛坯选择是否合理的标准

（1）使用性：

满足零件使用要求。

（2）工艺性：

加工方便，易获优质产品。

（3）经济性：

成本最低，消耗最少。

（2）选接近零件形状的模锻件

<一>铸造毛胚

1）必须能制出与零件形状相近的，并保证尺寸正确、轮廓清晰。

（2）必须具备熔炼设备，能熔炼出质量与温度合适的金属。

（3）熔炼金属应平稳地进入型腔，不与铸型发生反应；气体、夹渣易于排除，铸型充满不产生冷隔及浇不足现象。

（4）设计的铸件在冷却凝固时，不产生铸造应力、裂纹及变形。

缩孔可以切除获完整的毛坯。

（5）必须方便地从铸型中取出铸件。

（6）必须能清除铸件内外型砂及芯砂、浇冒系统及附在铸件上的一切多余部分

二、锻造毛坯

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

多采用锻件。

航空锻造零件根据工作重要性分以下四类：

（1）特别重要的高载荷零件。

如涡轮轴、桨轴等，对锻造质量要求极为严格。

（2）较为重要的中载零件。

涡轮盘、叶片等，需做低倍、高倍显微组织观察，做硬度检查。

（3）低载零件,抽样机械性能与金相。

（4）普通零件,仅检查硬度。

<四>焊接毛坯

焊接结构重量轻，节约金属；可以简化大型火形状复杂的结构的制造工艺；焊接头力学性能高；易于操作。

但应该做到：

选择合理的材料；确定焊缝位置；设计接头型式；选择焊接方法和焊接材料；。

第三部分、零件设计

一、轴类零件

1.1名称：

传动轴

1.2零件简图

1.3零件技术要求与生产

生产性质

技术要求

小批

σb>500Mpa,σs≥300Mpa,δ≥15%,αk≥35J/cm2,硬度230~240HBS

1.4零件选材分析

1.4．1工作条件

该轴是用于传递扭矩的传动轴，其承受一定的交变弯矩和拉、压载荷；轴的颈部承受较大的摩擦；承受一定的冲击载荷。

1.4.2失效形式

①疲劳断裂由于受扭疲劳和弯曲疲劳交变载荷长期作用，造成轴发生疲劳断裂，这是最主要的失效形式；

②断裂失效由于大载荷或冲击载荷作用，轴发生折断或扭断；

③磨损失效轴颈或键连接出过度磨损。

1.4.3性能要求

①由于轴的工作强度大，应使用良好的综合力学性能材料，强度、塑性、韧性有良好的搭配，以防止冲击或过载断裂；

②考虑到其长期受到交变力作用，应有较高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。

③具有良好的耐磨性，防止颈部或键连接出过度磨损。

1.4.4选材方案

方案一：

在调质钢中选择

45钢：

45钢经过调制处理后硬度达到220-250HBS，抗拉强度大于800Mpa，屈服强度大于550Mpa，基本符合要求，且综合力学性能良好，易于切屑加工。

但其耐磨性不强，对此有欠缺。

40Cr:

力学性能要强于45钢，最重要的是其耐磨性更强，但价格比较贵。

抗疲劳强度达标，有良好的淬透性，切屑加工之前，应对其退火。

方案二:

在铸铁中选择

球墨铸铁QT450-10：

虽然球墨铸铁耐磨性很高，但是硬度160-210HBS，屈服强度450MPa未能达标。

综上所述，该传动轴的最佳选材应为40Cr。

1.5传动轴毛坯的选择

由于传动轴受扭矩，且是重要的零件，使用锻造可以细化晶粒，弥合材料内部缺陷，故选择锻造来获得毛坯，有两种方案。

方案一：

锤上模锻

加工尺寸精度比较高，切屑余量小。

易于一次成型，节省时间，效率高。

但是设备比较贵，模具制造麻烦。

方案二：

自由锻

虽然自由锻的加工精度不高，但设备通用性强，适用于小批量或单件生产，加工成本低。

且适用于加工形状比较简单的零件。

综上所述传动轴是小批量生产的形状简单的零件，应用棒料在自由锻上锻造。

1.6加工工艺路线

40Cr经过锻造后，里面组织得到强化，但此时硬度高，不易切屑加工，故应当正火来降低硬度。

在对其进行初加工，完后用调制来恢复其性能。

由于其颈部耐磨性能要求高，应对颈部进行局部的表面淬火。

处理完毕后进行最后一道工序--精加工即可。

下料→自由锻锻造→正火→初加工→调制→颈部表面淬火→精加工

二、箱体类零件

2.1名称：

输送机底座

2.2零件简图

2.3零件技术要求与生产

（1）技术要求：

σb≥100MPa尺寸稳定，是基础件。

（2）生产性质：

单件

2.4零件选材分析

2.4.1工作条件

输送机底座是输送机的基础零件，轴和齿轮等安装在底座之上，保持相互间的位置并协调运动。

机器上的各个零件的重量都由底座来承受，因此底座主要受到压应力，局部受到弯曲应力。

此外，在输送机工作室产生的震动，是动载荷和交变载荷的主要来源。

整个机器的稳定性，与底座关系密切。

此外，底座还承受部分的装配应力，但影响不太大。

2.4．2失效形式

断裂：

由于受到冲击载荷而使机座薄处容易断裂破坏。

裂纹：

由于材料的内部构成不够致密在交变载荷下易形成裂纹，最终导致底座失效。

2.4.3性能要求

根据输送机底座的作用和承载情况，应具备以下要求：

有足够的强度和刚度，有良好的减震性和尺寸稳定性。

由于底座形状比较复杂，且有些部分需要进行切屑加工，故应该有一定的加工性能，以利于加工成型。

2.4.4选材方案

方案一：

从铸铁中选择

（1）球墨铸铁，其综合力学性能比较好σb≥400MPa，承受交变应力的能力强。

（2）灰铸铁，其中HT150的σb≥120MPa。

灰铸铁中的石墨有助于润滑及储油而具有良好的耐磨性和消振性。

且流动性好，收缩率小，因此适用于铸造结构复杂或薄壁铸件。

另外，其切屑性能好，便于加工。

最后，价格低廉也是一大优势。

方案二：

从铸钢中选择

用于载荷较大，承受载荷较强的支持件，常用ZG35Mn。

但铸钢的铸造性较差，不适用于薄壁器件，抗震性能没有灰铸铁好。

综上所述，用灰铸铁是最优的方案。

2.5输送机底座的毛坯件选择

选用HT150，即选择铸造来得到毛坯件。

根据零件的用途，最终有三种方案。

（1）溶模铸造:

是采用易溶材料制成模样，然后再摸样上涂上耐火材料，经硬化之后，再将模样排出型外，从而获得无分型面的铸型。

铸件精密度高，表面质量好，可制造形状复杂的铸件。

但工序繁杂，生产周期长，原辅料费用高。

（2）金属型铸造：

是将液态的金属浇入金属型中，冷却结晶以获得铸件的铸造方法。

其特点是铸件有较高的尺寸精度和较好的表面粗糙度，由于金属型导热性能好，冷却速度快，力学性能好。

但成本高，不适于单件生产。

（3）砂型铸造：

是在砂型中生产铸型的方法。

适用于各种形状、大小、批量的铸件生产。

造型时操作方便，模样生产容易。

生产成本比较低，适用于单件或小批量生产。

综上所述：

底座是单件，选择成本低廉的砂型铸造。

2.6加工工艺路线

型砂配制→模样准备→造型-→合型、浇注→落砂清理→铸件→人工时效→切除余量→铣削加工

铸型的分型面

因为分型面尽量使铸件在一个砂型中，故采用以上分型面。

三、容器类零件

3.1名称：

乙炔气瓶

3.2零件简图

3.3零件技术要求与生产

技术要求：

壁厚4.5mm，设计压力6MPa。

生产性质：

大量生产。

3.4零件选材分析

3.4.1工作条件

乙炔气瓶是储存和运输有高压的乙炔气体的必要容器。

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

由于乙炔气体易燃易爆，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。

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

由于气瓶主体和易熔塞座的受力特性不同，则选用不同材料。

主体部分从以下选择：

Q235A，金属结构件，具有良好的焊接性、塑性，价格低廉。

Q345屈服强度高，塑性良好，焊接性好。

适用于制造压力容器，特别是高压容器。

易熔塞座：

20钢，强度低，塑性好，易于冲压和焊接，一般用于制造受力不大的零件，经过渗碳或氰化处理后可用于制造表面要求耐磨、耐腐蚀的零件。

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，用20钢制造短管。

3.5乙炔气瓶的毛坯件选择

乙炔气瓶属于大型容器，不能用铸造，只能用焊接而成。

焊接接头、坡口形式，筒节的纵焊缝和筒节与封头相连处的环焊缝均采用对接Ⅰ形坡口双面焊，法兰与易熔塞座焊合采用不开坡口角焊缝，法兰管座与筒体焊合采用开坡口角焊缝。

确定焊缝位置瓶体焊缝布置有两种方案。

左边方案：

瓶体由上、下两部分经冲压成形后焊在一起，瓶体上只有一条环形焊缝。

焊接工作量小，但由于瓶体细长，难以冲压成形，此方案不可取；右边方案：

瓶体由上、下封头及筒身三部分组成，上、下封头冲压成形，筒身由钢板卷圆后焊好，再将上、下封头与筒身焊在一起，瓶体共有三条焊缝（二条环形焊缝和一条纵向焊缝），虽然焊接工作量大，但上、下封头易冲压成形。

综上所述,也采用三条焊缝的方案。

选择焊接方法和焊接材料：

瓶颈、易熔塞座与瓶体焊接，因焊缝直径很小、故采用焊条电弧焊，为保证焊接质量，常采用碱性焊条J507。

瓶体环形焊缝、纵向焊缝的焊接，可采用气焊、焊条电弧焊、埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊、氩弧焊等多种焊接方法进行。

考虑到是大批生产，且产品是压力较大的容器，又装有可燃性气体，为保证焊接质量，常选用埋弧自动焊。

焊丝H08A、H08MnA或H08Mn2A焊剂HJ43l。

易熔塞座制造：

用20钢锻造加工后切屑加工得到。

3.6加工工艺路线

法兰易熔塞座：

法兰：

下料→切屑加工→钻孔

易熔塞座：

下料→锻造加工→切屑加工

筒体：

封头：

气割下料→拉深→切边→开易熔塞座孔

筒节：

剪切下料→卷圆→焊接内纵缝→焊接外纵缝→筒节与封头组对→开管座孔→焊接内环缝→射线探伤→法兰、短管、筒体装配与焊接→清理→水压试验→气密性试验

第四部分心得与体会

通过这几天的课程设计，我从中体会到了做一件事情之前的准备工作要比实际的做更重要。

前期的设计工作是一个从无到有的过程，也是最艰难的事情，因为设计工作可以决定一个项目的成败。

虽然我们做的只是几个小小的零件，但是这中间的选材，热处理工艺，加工工艺一个也不能落下。

从已知的材料中选择符合要求的，也并不是一件容易的事。

我们必须翻阅资料，上网查询相关的参数以了解具体的状况。

课设使我更好的复习了工程材料与热加工的知识，为我们以后的工作打下了一定的基础。

第五部分参考资料

【1】王少刚.工程材料与成形技术基础.北京.国防工业出版社

【2】黄如林.樊曙天.金工实习.南京.东南大学出版社