《工程材料與熱加工基礎(chǔ)》課程設(shè)計說明書

1、南 京 航 空 航 天 大 學(xué)工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書 完成日期 2011年6月22日 目錄第一篇 任務(wù)書 3第二篇 零件設(shè)計一、 鑄造課程設(shè)計（輸送機底座） 61、零件名稱 62、零件簡圖 63、技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì) 64、零件的選材分析 75、毛坯選擇分析 86、澆注位置及分形面的選擇 107、鑄件的鑄造工藝圖 11二、 鍛造課程設(shè)計（汽車半軸） 12 1、零件名稱 122、零件簡圖 123、技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì) 124、零件的選材分析 125、毛坯選擇分析 146、工藝流程 15三、 焊接零件的設(shè)計（乙炔氣瓶） 161、零件名稱 162、零件簡圖 163、技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì) 174

2、、零件的選材分析 185、焊接方法的選擇 196、焊接結(jié)構(gòu)的工藝性設(shè)計 207、生產(chǎn)工藝流程 20第三篇 課程設(shè)計感想與體會 21第四篇 參考資料 231 課程設(shè)計的目的：工程材料與熱加工基礎(chǔ)（）是工程類專業(yè)必修的一門工藝性、實踐性很強的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容包括工程材料學(xué)、鑄造、鍛壓、焊接等。為提高學(xué)生的工程實踐能力和綜合運用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力，在學(xué)習(xí)該課程后進行一周的課程設(shè)計。其目的是：1）通過課程設(shè)計的實踐，使學(xué)生進一步加深了解和鞏固課程所學(xué)的有關(guān)知識，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力。2）通過課程設(shè)計使學(xué)生初步達到在一般機械設(shè)計中能合理選擇材料、選擇毛坯生產(chǎn)

3、方法，并能合理安排典型零件的熱處理工藝、零件制造工藝流程及結(jié)構(gòu)工藝性分析。2 課程設(shè)計的主要內(nèi)容：本課程設(shè)計包括典型零件的材料選擇，熱處理工藝路線的安排，零件毛坯生產(chǎn)方法選擇主要包括鑄造（液態(tài)成型）、壓力加工（塑性成形）和焊接（連接成型）三種成型方法。 課程設(shè)計的要求：1) 學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計指導(dǎo)書中規(guī)定的零件或由任課教師指定的零件，任選三個零件（包括鑄件、鍛件和焊接件各一個），分析各個零件的工作條件、受力狀況、失效形式等，合理選擇各零件所用材料、選擇毛坯生產(chǎn)方法，并能合理安排零件的熱處理工藝、制造工藝流程，按設(shè)計指導(dǎo)書中要求進行結(jié)構(gòu)工藝性分析與工藝設(shè)計。 2) 設(shè)計中制訂的工藝方案（如選材方案

4、、毛坯選擇方案、鑄造工藝中分型面的選擇方案等）,應(yīng)考慮23個方案進行比較,充分論證,選取最佳方案,并在設(shè)計說明書中詳細敘述,不能只給出簡單的結(jié)論。3) 每個學(xué)生完成一份完整的課程設(shè)計報告。設(shè)計說明書是反映設(shè)計結(jié)果的技術(shù)文件，必須認真寫好。要求論述清楚，文字簡潔，書寫（或打?。┕ふ?，論述中應(yīng)附加必要的插圖說明。4) 課程設(shè)計報告的格式：首頁為題目，依此為任務(wù)書，目錄（目錄應(yīng)標明序號、標題和頁次），正文、體會和建議、參考資料。3 課程設(shè)計的完成情況：教學(xué)內(nèi)容由課程設(shè)計布置（23學(xué)時）、輔導(dǎo)（23單元）、綜合實驗（5學(xué)時）、自行設(shè)計大作業(yè)組成，共5天。第一部分 課程設(shè)計布置（23學(xué)時）1) 設(shè)計的目

5、的2) 課程設(shè)計題目的選定與要求3) 課程設(shè)計的內(nèi)容與步驟4) 課程設(shè)計的時間與安排5) 課程設(shè)計的要求第二部分 實驗（5學(xué)時）1、 通過工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，了解材料常用的力學(xué)性能試驗方法與設(shè)備，學(xué)會硬度計的使用，學(xué)會光學(xué)金相顯微鏡的使用，學(xué)會分析常用碳鋼的平衡組織，學(xué)會使用常規(guī)的熱處理爐進行常規(guī)的熱處理實驗，掌握熱處理加熱、冷卻方式對材料組織與性能的影響等。2、 在以上基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，任課老師同意的情況下，歡迎同學(xué)進行一些綜合性和設(shè)計性的實驗，并寫出預(yù)備實驗報告、實驗題目、實驗?zāi)康摹嶒炈貌牧吓c設(shè)備，并對實驗的結(jié)果進行必要的分析等，交給任課老師審閱，確定實驗時間后由任課老師或

6、實驗老師指導(dǎo)進行實驗。第三部分 學(xué)生自行設(shè)計與教師指導(dǎo)（34天）1、 三種零件（鑄件、鍛件、焊接件）確定后，學(xué)生要查閱相關(guān)的資料，了解各個 零件的工作條件（受力大小、力的性質(zhì)、環(huán)境是否有腐蝕等），根據(jù)零件的工作條件和結(jié)構(gòu)特點制定23個選材方案，并進行分析比較，再安排其他加工工藝路線，并分析各熱處理工序的作用與處理后材料的組織與性能特點。2、 分別對三種零件（鑄件、鍛件、焊接件）制定23個毛坯生產(chǎn)的具體方案進行分析比較，確定一個最佳方案畫出三種零件的生產(chǎn)工藝圖。4考核與成績評定： 課程設(shè)計報告和平時成績（%80+%20）兩部分。 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 系部審查意見： 負責(zé)人簽字_ 年 月

7、日 第二篇 零件設(shè)計一、軸座設(shè)計（鑄造零件）1、 零件名稱：輸送機底座2、 零件的簡圖：3、 技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)：技術(shù)要求100Mpa，尺寸穩(wěn)定，是基礎(chǔ)件生產(chǎn)性質(zhì)單件4、 零件的選材分析：（1）、工作條件：輸送機底座是輸送機的基礎(chǔ)零件 ，軸和齒輪等安裝在底座之上，保持相互間的位置并協(xié)調(diào)運動。機器上的各個零件的重量都由底座來承受，因此底座主要受到壓應(yīng)力，局部受到彎曲應(yīng)力。此外，在輸送機工作室產(chǎn)生的震動，是動載荷和交變載荷的主要來源。整個機器的穩(wěn)定性，與底座關(guān)系密切。此外，底座還承受部分的裝配應(yīng)力，但影響太大。（2）、失效形式：變形失效：當承受的應(yīng)力超過一定限度時，支座產(chǎn)生過量的變形，導(dǎo)致失效疲勞

8、斷裂：由于長期受其他零件工作時產(chǎn)生的交變應(yīng)力，造成支座的疲勞斷裂（3）、選材方案：根據(jù)支座的工作條件和失效形式，選材時應(yīng)重點考慮材料的強度和剛度，同時兼顧材料的沖擊韌性和硬度，初步得以下兩個方案。方案一：在鑄鋼中進行選擇可以考慮鑄鋼（ZG35Mn）具有較高的強度、塑性和韌性，成本較低，在重型機械中用于制造承受大負荷的零件。；具有較大的沖擊韌性，并能通過熱處理獲得更好的機械性能。但是鑄鋼鑄造性較差，易出現(xiàn)澆不足，縮孔，晶粒粗大等缺陷。由于工藝性的限制，所制部件往往壁厚較大、形體笨重。切削加工較為困難。而且價格比灰口鑄鐵要高出許多。方案二：在鑄鐵中進行選擇。灰口鑄鐵（HT150）如選用灰口鑄鐵HT

9、150。HT150在鑄件壁厚為20mm30mm時抗拉強度大于130MPa，而該零件最厚處為20mm，因此完全可以滿足強度要求。HT150鑄鐵有較好的鑄造性能和較低的缺口敏感性，強度較高，耐熱耐磨性好，減震性良好，經(jīng)過人工時效可以承受較大的載荷。而且，經(jīng)過孕育處理后，石墨得到細化，可以改善灰口鑄鐵的強度和其他性能。切削加工也比較便利。雖然焊接性能較差但是沒有焊接的需求，作為耐壓零部件，灰鑄鐵的抗壓強度時抗拉強度的2.54倍，非常適合用作機床床身等部件，加之成本低廉，是該零件較好的選擇。所以選擇方案二灰口鑄鐵HT150比較合適.5、毛坯選擇分析：由于支座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且選擇的材料為HT150，故應(yīng)選擇

10、鑄造方案。 方案一：砂型鑄造。砂型鑄造具有以下特點：對合金種類不限制，對鑄件的質(zhì)量范圍以及形狀均不限制，所以鑄造靈活簡便。砂型鑄造所用的造型材料價廉易得，鑄型制造簡便對鑄件的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)均能適應(yīng)。但是鑄件晶粒粗大，鑄件表面粗糙，需要進一步處理。生產(chǎn)率較低，機械化程度不高。對于該零件來說，因為只需要單件生產(chǎn)，所以砂型鑄造顯得較為簡便，而且零件對表面的精度要求不高，可以通過進一步加工解決，因此砂型鑄造比較適合。方案二： 壓力鑄造優(yōu)點： 1. 高壓和高速充填壓鑄型是壓鑄的兩大特點。鑄件尺寸精度高，表面光潔度好，強度和硬度較高，尺寸穩(wěn)定，互換性好；可壓鑄薄壁復(fù)雜的鑄件。 2.生產(chǎn)效率高

11、，易實現(xiàn)機械化和自動化。3.經(jīng)濟效果優(yōu)良，由于壓鑄件尺寸精確，表泛光潔等優(yōu)點。一般不再進行機械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金屬利用率，又減少了大量的加工設(shè)備和工時；鑄件價格便易；可以采用組合壓鑄以其他金屬或非金屬材料。既節(jié)省裝配工時又節(jié)省金屬。缺點： 1.壓鑄時由于液態(tài)金屬充填型腔速度高，流態(tài)不穩(wěn)定，故采用一般壓鑄法，鑄件易產(chǎn)生氣孔，不能進行熱處理。2.對內(nèi)凹復(fù)雜的鑄件，壓鑄較為困難。3.不宜小批量生產(chǎn)，其主要原因是壓鑄型制造成本高，壓鑄機生產(chǎn)效率高，小批量生產(chǎn)不經(jīng)濟。因為該零件是單件生產(chǎn)，砂型鑄造生產(chǎn)成本低，鑄型強度和透氣性較高，發(fā)氣量小，鑄造缺陷較少，應(yīng)該選用砂型鑄造。砂型鑄

12、造的方案選擇方案一：采用分開模兩箱造型，水平澆鑄。型腔較淺，因此造型、下芯很方便，鑄件尺寸較精確。但分型面通過鑄件圓柱面，會產(chǎn)生披縫，同時鑄件在上、下箱各半，容易產(chǎn)生錯箱缺陷，且飛邊的清理工作量較大。方案二：采用整模造型，垂直澆鑄。鑄件沿底面分型，鑄件全部在下箱，即上箱為平面，不會產(chǎn)生錯箱缺陷，且使主要加工面處于鑄型側(cè)面，清理簡便。采用雨淋式交口垂直澆注，可以控制金屬液呈細流流入型腔，減少沖擊力，鐵液上升平穩(wěn)，鑄件定向凝固，補縮效果好，氣體、熔渣易于上浮，不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷，逐漸組織均勻，致密、耐磨性好。但是軸孔凸臺妨礙起模，必須采用活塊或下芯來克服；當采用活塊時，軸孔又難以下芯。綜合考

13、慮選擇方案二整模造型比較合適。6.澆注位置及分型面的選擇：（1）、澆注位置選擇：1、鑄件的重要加工面應(yīng)朝下或位于側(cè)面2、對于需要補充的鑄件，應(yīng)把界面較厚的部分放在砂型的上部或側(cè)面。3、具有大面積薄壁的鑄件，應(yīng)將薄的部分放在鑄型的下部，或使其處于垂直或傾斜位置，有利于金屬的填充，防止產(chǎn)生澆不足或冷隔等缺陷。4、鑄件的大平面應(yīng)該朝下（2）、鑄造分型面的選擇：1、分型面一般應(yīng)取再鑄件的最大截面上，否則難以取出模樣。2、鑄件的加工面及建功基準表面盡量放在同一砂箱中，以保證鑄件的加工精度。3、應(yīng)盡量減少分型面數(shù)量，并力求采用平面作為分型面，以減少砂箱數(shù)，簡化造型工藝。4、應(yīng)盡量減少型芯、活塊得數(shù)量，以減

14、少成本、提高工效。5、主要型芯應(yīng)盡量放在半鑄型中，以利于下芯合理和檢查型腔尺寸。7、鑄件的鑄造示意圖：分型面的選擇主要工藝流程：去應(yīng)力退火切削加工時效鑄造二、鍛造課程設(shè)計1、零件名稱：汽車半軸2、零件簡圖：3、技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)：技術(shù)要求傳遞扭矩，承受沖擊，硬度：桿部3744HRC，盤部外圓2434HRC。生產(chǎn)性質(zhì)批量生產(chǎn)4、零件的選材分析：1、工作條件：（1）、傳遞一定的扭矩，承受一定的交變彎矩和拉壓載荷；（2）、軸頸承受較大的摩擦；（3）、承受一定的沖擊載荷。2、失效形式：（1）、疲勞斷裂：由于受扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞交變載荷長期作用，造成軸疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。（2）、斷裂失效：由

15、于大載荷和沖擊載荷作用，軸發(fā)生折斷或扭轉(zhuǎn)。（3）、磨損失效：軸頸處過渡磨損。3、選材方案： 汽車半軸的選材主要考慮強度，良好的綜合力學(xué)性能，即強度、塑性、韌性有良好的配合，以防止沖擊或過載斷裂；高的疲勞強度，以防止疲勞斷裂；良好的耐磨性，防止軸頸磨損。此外，還應(yīng)考慮剛度、切削加工性、熱處理工藝性和成本。方案一：在調(diào)質(zhì)合金鋼中選擇考慮40Cr。 這類鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)后有著較好的綜合性能。40Cr的強度和淬透性比45鋼高且沖擊韌性良好，有較高疲勞強度，這都很符合軸類的要求。但是價格比碳鋼貴，所以不適合。方案二： 在超高強度鋼中選擇考慮18Ni 超高強度鋼有著非常優(yōu)越的性能，可以滿足該零件的對強度和韌性的

16、要求，但是超高強度鋼價格過高，不能滿足經(jīng)濟性要求，所以不適合作為選材。方案三：在碳鋼中選擇考慮45鋼。45鋼有較高的強度和沖擊韌性和良好的塑性且有較好的切削加工性，這些都滿足汽車半軸對材料的要求。雖然45鋼的淬透性較差，在水介質(zhì)中的淬透直徑僅為15mm左右，由于汽車半軸對硬度要求不高，且無需大的淬透性，45鋼水淬已可滿足。汽車半軸主要受扭矩作用，這類軸在整個截面上所受的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力較大，心部應(yīng)力較小。且它冷熱加工性能都不錯，機械性能較好，價格低，來源廣。綜上分析，選擇45鋼5、毛坯選擇分析： 在機械制造業(yè)中，凡承受重載零件，如主軸、連桿等，常使用鍛件毛坯。鍛件晶粒細小，組織致密，且

17、熱加工使纖維分布合理。另外由于選用的是中碳鋼，該材料的鑄造、焊接性能都較差，故選用鍛造毛坯比較合適。 方案一：選用自由鍛，優(yōu)點是應(yīng)用設(shè)備和工具有很大的通用性，且工具簡單，適合生產(chǎn)大型鍛件，但是其操作強度大，生產(chǎn)率低，且依靠操作者控制其尺寸形狀，鍛件精度低，表面質(zhì)量差，金屬消耗也比較多，如果是單件生產(chǎn)缺點還可以忍受，考慮到零件需要批量生產(chǎn)，自由鍛的方案是行不通的方案二：選用接近零件形狀的模鍛件制造毛坯，再用精密模鍛保證加工精度，后期再進行拋光處理。該方案的優(yōu)點是材質(zhì)機械性能好，纖維組織不切斷，生產(chǎn)效率較高，加工余量小，節(jié)省金屬，精度高，并且可鍛造出形狀復(fù)雜的鍛件。缺點是成本太高，尤其是精密鍛造模

18、具成本更高，且需要精度高、壓力大的專用設(shè)備，不適合小批量生產(chǎn)，且由于受模鍛設(shè)備限制，模鍛件不能太大。比較而言，還是采用方案二較為合理。6、工藝流程：切削加工去應(yīng)力退火模鍛淬火高溫回火三、 焊接零件設(shè)計1、零件名稱 乙炔氣瓶2、零件簡圖3、零件的技術(shù)要求與生產(chǎn)性質(zhì)技術(shù)要求壁厚4.5mm，設(shè)計壓力6MPa 生產(chǎn)性質(zhì)大量生產(chǎn)4、選材分析1、工作條件乙炔氣瓶是一種焊接構(gòu)建，廣泛用于石油，化工，機械，熱力等行業(yè)，運行條件苛刻，一旦破壞，后果嚴重。承受的壓力較大，工作溫度可在-200以下或500以上；工作介質(zhì)可以是堿性，酸性或其他腐蝕介質(zhì)。2、失效形式（1）,脆性破壞：大部分發(fā)生在較低溫度，在焊接缺陷，內(nèi)

19、部缺陷或應(yīng)力集中處產(chǎn)生。（2）過量的塑性變形：在高溫下的壓力容器發(fā)生蠕變或工作壓力過高引起容器局部變形（3）疲勞：在循環(huán)載荷的作用下，由于工作應(yīng)力往往在局部地方超過材料的屈服強度，使壓力容器產(chǎn)生較大的反復(fù)塑性變形，導(dǎo)致最后發(fā)生破壞。（4）應(yīng)力腐蝕：在應(yīng)力和引起應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的共同作用下，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋而導(dǎo)致壓力容器破壞。（5）氫腐蝕破壞：在具有一定壓力的氫和溫度的共同作用下，氫和鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)而生成氫腐蝕裂紋，導(dǎo)致壓力容器的破壞。3、選材方案對壓力容器用材的要求是：有足夠的強度，塑性和韌性，又要有良好的冷熱加工性能和焊接性能；對于在腐蝕介質(zhì)條件下工作的壓力容器，又必須有良好的耐腐蝕和抗氫能力

20、；在高溫條件下工作的容器必須保證組織穩(wěn)定；在低溫下工作的容器，要保證在工作溫度下有足夠的韌性。方案一：低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼16Mn。力學(xué)性能優(yōu)良，有高強度，良好的耐磨性和高硬度，完全滿足該容器的要求而且價格上比較適中。方案二:滲碳鋼20Cr。滲碳鋼表面硬度高，高耐磨性。低含碳量可以確保焊接性能良好，Cr元素可以有效的抑制腐蝕。但其塑性和韌性較差，并不適合支撐圓筒狀容器。方案三：奧氏體不銹鋼1Gr18Ni9。該型號的不銹鋼常用作壓力容器的材料，其b500MPa ，0.2200MPa。對于此容器，該不銹鋼可以滿足其性能要求，但價格較為昂貴。綜上各點，選用低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼16Mn。5、零件毛坯的生產(chǎn)：形

21、狀較為簡單，且大量生產(chǎn)，所以選用焊接方法加工。方案一：用沖壓的方式生產(chǎn)兩個氣瓶原件，并在其中一個的頂部沖壓出一個入孔。入孔圈和接頭可冷卷或熱卷。瓶體由上下兩部分經(jīng)沖壓成型后焊接在一起，瓶體上只有一條環(huán)形焊縫，焊縫，焊接工作量小。但是要沖壓出兩個管身細長，不易加工成型，所以一般不采用。方案二：用沖壓形成兩個封頭。筒身用鋼板冷卷，按實際尺寸可分為三節(jié)。為避免焊縫密集，筒身縱焊縫相互交錯180度。封頭熱壓成形，與筒身連接處有3050cm的直徑以使焊縫避開轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中位置。入孔圈和接頭可冷卷。再將上下封頭與筒身焊接在一起。共七條焊縫，焊接工作量比較大。但上下封頭易沖壓形成，易操作，筒身性能比較好，

22、所以選用此方案。焊接方法：方案一：手工電弧焊。焊條電弧使用的設(shè)備簡單，方法靈活，適用面廣，可焊接各種焊接位置，但對焊工技術(shù)要求高，生產(chǎn)小路低，焊接勞動條件差，勞動強度大。方案二：埋弧自動焊。生產(chǎn)效率高，成本低，焊接質(zhì)量好。但是適應(yīng)條件較差，設(shè)備較復(fù)雜，設(shè)備投資費用大。適用于大批量生產(chǎn)。由于鋼制壓力容器為大批量生產(chǎn)，宜采用埋弧自動焊。此外瓶體和瓶頸的焊接原因焊縫直徑較小，長度較短，可采用手工電弧焊。綜合考慮，選用手工電弧焊焊接材料：焊條選用E5015焊絲選用H08MnA焊劑選用HJ401-H08MnA工藝流程法蘭易熔塞座：法蘭：下料切屑加工鉆孔易熔塞座：下料鍛造加工切屑加工筒體：封頭：氣割下料拉深切邊開易熔塞座孔筒節(jié)：剪切下料卷圓焊接內(nèi)縱縫焊接外縱縫筒節(jié)與封頭組對開管座孔焊接內(nèi)環(huán)縫射線