工程材料與熱加工課設(shè)

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(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué) 院：航空宇航學(xué)院專 業(yè)：飛行器設(shè)計(jì)與工程 學(xué) 號(hào)：姓 名：指導(dǎo)老師：完成日期：2011年6月25日 工程材料及熱加工基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名 學(xué)院 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 題 目： 典型零件的選材、加工工藝路線安排與結(jié)構(gòu)工藝性分析下達(dá)時(shí)間2011年6月21日 起訖時(shí)間：2011年6月21日至6月27日1 課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)：工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程是工程類專業(yè)必修的一門(mén)工藝性、實(shí)踐性很強(qiáng)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(shí)踐能力和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，在學(xué)習(xí)該課程后進(jìn)行一周的課程設(shè)計(jì)，其目

2、的是：1）通過(guò)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐，使學(xué)生進(jìn)一步加深了解和鞏固課程所學(xué)的有關(guān)知識(shí)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。2）通過(guò)課程設(shè)計(jì)使學(xué)生初步達(dá)到在一般機(jī)械設(shè)計(jì)中，能合理選擇材料、選擇毛坯制造方法，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(jì)的主要內(nèi)容：課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想應(yīng)力求在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、提高生產(chǎn)效率的原則下，使工藝方案盡量簡(jiǎn)化、操作方便。零件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括機(jī)械零件工作環(huán)境、受力分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選用，毛坯的選擇，工藝設(shè)計(jì)及其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面。零件結(jié)構(gòu)主要包括其形狀，尺寸，加工精度，表面粗糙度等。材料的選用主要指選擇材料及可能處于

3、加工過(guò)程中的某些位置的強(qiáng)化，改性等；工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是選擇成形工藝（包括毛坯類型）并確定工藝路線（各類加工工藝，工序的總體安排）。 本課程設(shè)計(jì)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)方法的選擇主要包括鑄造（液態(tài)成形）、壓力加工（塑性成形）和焊接（連接成形）三種成型方法。課程設(shè)計(jì)的要求：（1） 學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)中規(guī)定的零件（或由任課教師指定的零件），任選三個(gè)零件（包括鑄件、鍛件和焊接件各一個(gè)），分析各個(gè)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(jì)指導(dǎo)書(shū)中要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝性分析與工藝設(shè)計(jì)

4、。（2） 設(shè)計(jì)中制訂的工藝方案（如選材方案、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(gè)方案進(jìn)行比較,充分論證,選取最佳方案,并在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中詳細(xì)敘述,不能只給出簡(jiǎn)單的結(jié)論。（3） 每個(gè)學(xué)生完成一份完整的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是反映設(shè)計(jì)結(jié)果的技術(shù)文件，必須認(rèn)真寫(xiě)好。要求論述清楚，文字簡(jiǎn)潔，書(shū)寫(xiě)（或打?。┕ふ撌鲋袘?yīng)附加必要的插圖說(shuō)明。（4） 工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的格式：封面，然后依此為任務(wù)書(shū)，目錄（目錄應(yīng)標(biāo)明序號(hào)、標(biāo)題和頁(yè)次），正文、體會(huì)和建議、參考資料等。3 課程設(shè)計(jì)的完成情況：教學(xué)內(nèi)容由課程設(shè)計(jì)布置（2學(xué)時(shí)），工程材料實(shí)驗(yàn)，本課程設(shè)計(jì)組成。其中工程材料實(shí)驗(yàn)包括

5、材料性能與組織的的基本測(cè)試方法、碳鋼熱處理以及寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)工程材料實(shí)驗(yàn)，了解了材料常用的力學(xué)性能試驗(yàn)方法與設(shè)備，掌握了硬度計(jì)及光學(xué)金相顯微鏡的使用，并且學(xué)會(huì)了分析常用碳鋼的平衡組織。學(xué)習(xí)使用了常規(guī)的熱處理爐，并進(jìn)行了常規(guī)的熱處理試驗(yàn)，深入理解了熱處理加熱、冷卻方式對(duì)材料組織與性能的影響等。課程設(shè)計(jì)包括：(1) 分組，定題， 熟悉圖紙，了解產(chǎn)品及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2) 設(shè)計(jì)；(3) 設(shè)計(jì)，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；(4) 繼續(xù)寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；(5) 考核。4考核與成績(jī)?cè)u(píng)定： 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 系部審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人簽字_ 年 月 日 目錄零件設(shè)計(jì)1一、鑄造零件設(shè)計(jì)11.1零件名稱：輸送機(jī)底座11

6、.2輸送機(jī)底座簡(jiǎn)圖11.3零件概述11.4零件技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)11.5零件的選材分析21.6零件毛坯的生產(chǎn)方案21.7工藝設(shè)計(jì) 3 二、鍛造零件設(shè)計(jì)42.1零件名稱：主軸42.2零件簡(jiǎn)圖42.3技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)42.4零件的選材分析42.5零件毛坯的生產(chǎn)52.6工藝設(shè)計(jì)6三、 焊接零件設(shè)計(jì)73.1零件名稱：液化石油氣體瓶73.2零件簡(jiǎn)圖73.3零件的技術(shù)要求與生產(chǎn)性質(zhì)73.4零件的選材分析73.5零件毛坯的生產(chǎn)方案8四、 體會(huì)與建議10五、 參考文獻(xiàn)11一、 鑄造零件設(shè)計(jì)1.1 零件名稱：輸送機(jī)底座1.2 輸送機(jī)底座簡(jiǎn)圖1.3 零件概述輸送機(jī)底座是機(jī)器中的基礎(chǔ)零件，機(jī)器上各部分的重量都由支

7、撐件承擔(dān)，因此輸送機(jī)底座主要受較大的壓應(yīng)力，部分受一定的彎曲。1.4 零件技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)1.4.1 技術(shù)要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的減震性及尺寸穩(wěn)定性。輸送機(jī)底座要有良好的加工性，以利于加工成型。多用鑄造毛坯。b100MPa。1.4.2 生產(chǎn)性質(zhì)單件生產(chǎn)1.5 零件的選材分析1.5.1 失效分析一般為鑄型材料，當(dāng)受壓過(guò)大時(shí)，會(huì)發(fā)生斷裂，可能是由于縮孔、縮松、應(yīng)力集中導(dǎo)致的。各種材料失效的原因各異，但主要為斷裂。1.5.2 選材分析（1） 方案一：選用鑄鋼。選 ZG35Mn，ZG40Mn。鑄鋼承載較大，承受沖擊較強(qiáng)。但鑄鋼的鑄造性能較差，易形成縮孔、縮松、冷隔、澆不足、氣孔、夾雜等鑄造缺陷

8、，由于其工藝性的限制，所制部件壁厚較大。輸送機(jī)底座要求一定的鑄造性能，所以此方案欠佳。（2） 方案二：選用有色金屬鑄造。有色金屬質(zhì)量輕、散熱良好。輸送機(jī)底座要求一定的承載能力，而有色金屬質(zhì)量較輕，較難承受相當(dāng)載荷，而且價(jià)格較高，從可行性和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，此方案不是最佳方案。（3） 方案三：采用鑄鐵。鑄鐵的鑄造性能好，價(jià)格低廉，消震性好，故形狀較為復(fù)雜、中等載荷的輸送機(jī)底座一般采用灰口鑄鐵制作?；铱阼T鐵流動(dòng)性好，體收縮和線收縮都小，偏析傾向小，熔點(diǎn)較低。經(jīng)過(guò)孕育處理，可以制得較高強(qiáng)度和耐磨性或高氣密性的鑄件，選用HT150鑄造輸送機(jī)底座，從使用性和經(jīng)濟(jì)性的角度都可以滿足要求，此所以方案較為合理

9、。綜上所述，方案三是最為合適。1.6 零件毛坯的生產(chǎn)方案（1） 方案一：選用金屬型鑄造。優(yōu)點(diǎn)：金屬型鑄造晶粒細(xì)小，鑄件加工余量小，生產(chǎn)效率較高。缺點(diǎn)：金屬型鑄造受鑄件從金屬型中取出的限制，一般適用于大批量生產(chǎn)，以中小型鑄件為主。鑄件形狀不能過(guò)于復(fù)雜，所以此方案不行。（2） 方案二：選用壓力鑄造。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率很高，不需要再進(jìn)行加工。缺點(diǎn)：此加工方法適用于大量批量，不適合單件生產(chǎn)，價(jià)格過(guò)于昂貴。不能進(jìn)行熱處理，易鑄出小氣孔，所以此方案不合適。（3） 方案三：砂型鑄造。優(yōu)點(diǎn)：鑄造合金種類不受限制，鑄件形狀不限制。適用于單件小批量生產(chǎn)，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：表面不太平整，加工晶粒較大。輸送機(jī)底座要求加工單

10、件，砂型鑄造在滿足其使用性能、工藝性能的同時(shí)價(jià)格低廉，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，砂型鑄造最為合適，所以此方案最佳。1.7 工藝設(shè)計(jì)澆注時(shí)輸送機(jī)底座應(yīng)如工藝簡(jiǎn)圖所以放置，沿直角邊的表面為分型面，這樣做可以避免錯(cuò)型，保證了外圓和孔的質(zhì)量。另外此零件沿兩分型面采用三箱型，整個(gè)鑄件都位于左下型，符合鑄件位于同一砂型，保證鑄件位置精度的要求。另外輸送機(jī)底座底面上的橢圓孔在鑄造時(shí)成型，而側(cè)面的4個(gè)螺孔是通過(guò)后期切削加工形成的。鑄造工藝簡(jiǎn)圖：加工工藝路線：鑄造人工時(shí)效（或自然時(shí)效）切削加工鉆孔。輸送機(jī)底座零件尺寸較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鑄造后會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，在使用期間會(huì)發(fā)生緩慢變形。因此，零件毛坯在加工前必須進(jìn)行時(shí)

11、效處理，消除粗加工造成的內(nèi)應(yīng)力的影響。二、鍛造零件設(shè)計(jì)2.1零件名稱：傳動(dòng)軸2.2零件簡(jiǎn)圖2.3技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)技術(shù)要求抗拉強(qiáng)度大于500Mpa，屈服強(qiáng)度大于300Mpa，韌性大于35J/（cm*cm），延伸率大于15%,硬度230-240HBS。生產(chǎn)性質(zhì)小批量生產(chǎn)。2.4零件的選材分析工作條件該傳動(dòng)軸是將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)皮帶輪傳遞到右端的螺紋連接件的。工作時(shí)，時(shí)速較大，常受沖擊力作用和循環(huán)載荷作用，載荷中等。同時(shí)承受交變彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。磨損也比較嚴(yán)重。失效形式疲勞破壞或過(guò)度磨損。選材方案由于要求軸要有良好的力學(xué)綜合性能，即強(qiáng)度、韌性、塑性有良好的耐磨性，防止沖擊和過(guò)載斷裂。有高的疲勞強(qiáng)

12、度，以防疲勞斷裂。另外，具有良好的切削加工性能和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)以上要求，選材方案如下：（1） 方案一：滲碳鋼中選擇。選20Cr等滲碳鋼，該鋼種強(qiáng)度和韌性都能滿足要求，但塑性不足，容易造成斷裂。故不能滿足要求。（2） 方案二：鑄鐵中選擇。如球墨鑄鐵，因?yàn)殍T鐵的組織晶粒比較粗大，內(nèi)部縮孔、縮松等缺陷比較多，塑性不好，綜合力學(xué)性能遠(yuǎn)不能滿足要求。所以，不能選鑄鐵。（3） 方案三：在調(diào)制鋼中選擇。如選40CrMn等，這種鋼由優(yōu)異的綜合性能。但他們塑性大都不夠，而塑性和韌性都過(guò)高，容易造成材料的浪費(fèi)。而且，調(diào)制合金鋼價(jià)格是非合金鋼的倍。調(diào)質(zhì)鋼45鋼，該鋼淬透性較好。查手冊(cè)得該鋼的臨界淬透直徑是12-19，

13、大于該軸直徑，滿足要求。該鋼經(jīng)局部表面淬火和低溫回火表面形成回火馬氏體，心部是回火索氏體?？估瓘?qiáng)度大于800Mpa,屈服強(qiáng)度大于500Mpa，韌性大于50J/cm，延伸率大于19%。表面硬度高而且耐磨性好，此外，該鋼價(jià)格便宜，經(jīng)濟(jì)。根據(jù)以上分析，綜合考慮材料的基本性能和價(jià)格因素，最后選擇45鋼制造。2.5零件毛坯的生產(chǎn)要求用45鋼材料制成，生產(chǎn)數(shù)量為小批量，毛坯的生產(chǎn)方案有：1） 圓柱鋼切削加工2） 鑄造毛坯3） 模鍛毛坯4） 胎模鍛毛坯5） 自由鍛毛坯分析方案：1） 圓柱切削加工。直接用直徑為100mm的圓柱鋼進(jìn)行切削加工。該方案的優(yōu)點(diǎn)為能全部通過(guò)水壓試驗(yàn)。缺點(diǎn)是材料利用率低，切削加工量大，

14、從而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。2） 鑄造毛坯。由材料選擇方案三得，所以不能滿足要求。3） 模鍛毛坯。選用45鋼模鍛成型，模鍛時(shí)，工件可以臥放。模鍛毛坯的主要優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，但設(shè)備投資大，對(duì)這里的小批量生產(chǎn)成本太高。4） 胎模鍛毛坯。截取45鋼，加熱后在空氣中錘上心軸拔長(zhǎng)。與模鍛相比，該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是毛坯接近于零件的結(jié)構(gòu)形狀，切削加工量小，成本低，但生產(chǎn)效率也低。5） 自由鍛毛坯。截取45鋼，加熱后在空氣錘上鐓粗、心軸拔長(zhǎng)。與胎模鍛和模鍛相比優(yōu)點(diǎn)是工藝更簡(jiǎn)單，小批量生產(chǎn)成本最低。毛坯接近于零件的結(jié)構(gòu)形狀，切削加工量小。2.6工藝設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸零件材料為45鋼

15、，小批量生產(chǎn)，自由鍛工藝規(guī)程如下：1）零件結(jié)構(gòu)分析:該零件系帶頭軸桿件，結(jié)構(gòu)較為合理，有些部位難以鍛出，可通過(guò)機(jī)械加工制出。2）繪制鍛件圖3）確定變形工序4）計(jì)算坯料重量和尺寸工藝流程：下料鍛造正火磨削加工表面淬火噴丸高溫回火切削加工工藝作用：正火：調(diào)整硬度，以便切削加工。表面淬火及高溫回火：提高表面硬度與耐磨性，表面回火馬氏體，心部回火索氏體。噴丸：增大表面壓應(yīng)力，有利于提高疲勞強(qiáng)度，并清除氧化皮。三、 焊接零件設(shè)計(jì)3.1零件名稱：液化石油氣體瓶3.2零件簡(jiǎn)圖3.3零件的技術(shù)要求與生產(chǎn)性質(zhì)技術(shù)要求壁厚4.5mm，設(shè)計(jì)壓力為6MPa生產(chǎn)性質(zhì)大批量生產(chǎn)。3.4零件的選材分析工作條件液化石油氣瓶是

16、用來(lái)儲(chǔ)存與運(yùn)輸液態(tài)液化石油的重要容器。液化石油是一種重要的能源，是一種可燃性氣體，因此存放液化石油的氣瓶一定要嚴(yán)格密封以保證安全。所以從安全角度考慮要求液化石油氣瓶具有良好的氣密性、耐蝕性、耐磨性以及能承受較大的壓應(yīng)力，并且還需要一定的沖擊韌性。選材方案由安全角度對(duì)液化石油氣瓶要求有優(yōu)良的氣密性，要求選材具有耐磨、耐蝕和較好的抗壓性能，并且還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性，以保證安全。而我們知道鋼具有較好的壓、耐腐蝕性，因而可以選碳鋼、合金鋼、不銹鋼等。由內(nèi)壓為6MPa則可算出靜載時(shí)壓應(yīng)力為167MPa方案如下：材料特點(diǎn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼查表綜合考慮20鋼的綜合性能最好，不僅綜合力學(xué)性能好，以

17、及有一定的沖擊韌性，并且較便宜低碳馬氏體結(jié)構(gòu)鋼此類鋼經(jīng)淬火、回火后的綜合力學(xué)性能好，如16Mn、20Mn綜合力學(xué)性能較好否能滿足液化石油容器的性能要求馬氏體不銹鋼耐腐蝕性很好，綜和力學(xué)性能較好，且價(jià)格很貴，不經(jīng)濟(jì)，故不采用。經(jīng)查表可知20鋼410MPa， 245MPa16Mn的1440 MPa，1220 MPa顯然16Mn的力學(xué)性能遠(yuǎn)好于20鋼，價(jià)格方面16Mn只比20鋼貴一點(diǎn)，因?yàn)橐夯蜌馄筷P(guān)系重大，一旦出現(xiàn)事故將是很嚴(yán)重的，所以從安全經(jīng)濟(jì)的角度應(yīng)該選16Mn。3.5零件毛坯的生產(chǎn)方案由于本題為密封氣體瓶,采用鍛造和鑄造都不能得到成品,故只能焊接而得。確定焊接位置根據(jù)零件的特點(diǎn)可有下列方案

18、：方案一：先用沖壓的方法生產(chǎn)1分界面上中下的3個(gè)瓶體元件，其中2個(gè)是半球殼，另一個(gè)是圓筒（圖中較直觀），焊縫在1處（共兩處）；方案二：先沖壓出2分界面2邊的半槽形零件，再對(duì)焊。然后切削出瓶口在焊上瓶嘴；方案三：先沖壓出3分界面2邊的元件，其中一個(gè)做瓶嘴。焊好瓶嘴之后再在3出對(duì)焊即可。方案一沖壓深度較深，加工剛才需再結(jié)晶并且多次沖壓才能成型；方案二只有一條焊縫，加工較簡(jiǎn)單，但焊縫較長(zhǎng)；方案3的焊縫在應(yīng)力集中部位不宜采用。綜合各方面的性能，雖方案二焊縫較長(zhǎng)但仍能滿足瓶放入性能要求，且工藝比較簡(jiǎn)單，故采用方案二較好。焊接方法對(duì)于焊接方法可由以下選擇方案：1） 手工電弧焊適用于小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，

19、勞動(dòng)強(qiáng)度大工作條件差，不適用于本次生產(chǎn)。2） 埋弧焊，這種生產(chǎn)效率高，適用于批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量好。3） 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，這種焊接生產(chǎn)效率很高，適用于要求致密、耐腐蝕、耐熱的焊接。結(jié)合本次生產(chǎn)要求，選擇埋弧焊，焊接電流為80-100A。焊條的選擇1） 強(qiáng)度原則：焊縫金屬與木材強(qiáng)度相同。2） 同成分原則：焊接金屬的化學(xué)成分與母材的化學(xué)成分相同或相近。3） 抗裂紋原則：宜抗裂紋好的堿性焊條。4） 抗氣孔原則：宜抗氣孔能力強(qiáng)的堿性焊條。5） 低成本原則：綜合分析以上原則與生產(chǎn)要求查表可知E4303焊條最能滿足要求，該焊條為酸性焊條具有較好的力學(xué)性能和抗裂性能。工藝流程下料沖壓焊接切削射線探X（探測(cè)

20、物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）消X（消除x對(duì)液化石油氣的影響）水壓實(shí)驗(yàn)氣密性實(shí)驗(yàn)工藝分析：焊接得到符合條件的焊件。二、 體會(huì)與建議通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步加深了對(duì)各種鋼材的了解，對(duì)其特性，用途，優(yōu)缺點(diǎn)有著更全面的認(rèn)識(shí)。本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)我所學(xué)知識(shí)的一次大的總結(jié)和融合，讓我了解到實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的各種問(wèn)題，以及怎樣用所學(xué)的知識(shí)去解決這些問(wèn)題。通過(guò)實(shí)踐，我才能發(fā)現(xiàn)自己的不足以及在動(dòng)手操作中獲得成就感和樂(lè)趣。在畫(huà)圖時(shí)，因?yàn)檫\(yùn)用到以前學(xué)的autocad，自己有點(diǎn)記不得了，還要在溫習(xí)一遍，花了較長(zhǎng)時(shí)間，不過(guò)收獲很大，讓自己對(duì)CAD更加熟悉了。在完成課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最有感觸的是初期的查找資料。因?yàn)橐郧皬臎](méi)有做過(guò)類似的作業(yè)，剛上手就如同在黑暗