工程材料热加工课程设计(南航)

1、工程材料与热加工基础课程设计南 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 指导老师 完成日期 2013年6月27日 第一部分 任务书 工程材料与热加工基础课程设计 学生姓名 学院 航空宇航学院 学号 指导教师 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 2013-6-24 起讫时间 2013-6-242013-6-271 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

2、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

3、，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23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

4、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（23学时）、辅导（23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（23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

5、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（34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23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

6、特点。2、 分别对三种零件（铸件、锻件、焊接件）制定23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 第二部分 目录1、 轴座零件.81、零件名称.82、零件简图.83、零件技术要求和生产性质.84、零件选材分析.85、毛坯生产方案.96、工艺流程.102、 轴类零件.101、零件名称.102、零件简图.103、零件技术要求和生产性质.104、零件选材分析.115、毛坯的生产选择.126、锻造工艺设计.137、工艺流程.133、

7、容器类零件.131、零件名称.132、零件简图.133、零件技术要求和生产性质.134、零件选材分析.145、毛坯的生产方案.156、焊接结构设计.157、工艺流程.164、 体会和建议.175、 参考资料.18第三部分 零件设计一、轴座设计（铸造零件）1.1 零件名称轴座1.2 零件简图：1.3 零件技术要求与生产性质：（1）技术要求：b200MPa，支撑轴件，承受振动。（2）生产性质：大批生产。1.4 零件选材分析：轴座是机器中的基础零件，轴承的重量都由支承件承担，因此支座主要受压应力，此外支座还要承受轴件工作时的动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力。考虑到这些力都不是很大，且轴座对内孔及

8、底板平面表面仅有尺寸要求，无特殊质量要求，故该零件选材无特殊要求。这里有几个方案可供选择：方案一：选用铸钢。优点是壁厚增加强度不会降低，机械性能比铸铁好，缺点是流动性较差、收缩性较大。方案二：选用灰铸铁。该材料在工业上应用广泛，价格低廉，且工艺性能好。选用HT250浇注后，该零件抗拉强度在250MPa左右，机械性能符合要求。但其塑性、韧性都远远低于钢。方案三：选用球墨铸铁。球墨铸铁的力学性能比灰铸铁要好，但价格要高。综合考虑，由于该零件壁厚不是很厚，选用HT250在力学性能上可以达到要求，且能降低成本。1.5 毛坯生产方案该零件形状复杂，且大批量生产，应采用材料利用率高、成本低的铸造毛坯。选择

9、铸造性能优良的灰铸铁（HT250），无需考虑补缩。关于铸造毛坯的生产有以下两种方案：方案一：采用分开模两箱造型，水平浇铸。型腔较浅，因此造型、下芯很方便，铸件尺寸较精确。但分型面通过铸件圆柱面，会产生披缝，同时铸件在上、下箱各半，容易产生错箱缺陷，且飞边的清理工作量较大。方案二：采用整模造型，垂直浇铸。铸件沿底面分型，铸件全部在下箱，即上箱为平面，不会产生错箱缺陷，且使主要加工面处于铸型侧面，清理简便。采用雨淋式交口垂直浇注，可以控制金属液呈细流流入型腔，减少冲击力，铁液上升平稳，铸件定向凝固，补缩效果好，气体、熔渣易于上浮，不易产生夹渣、气孔等缺陷，逐渐组织均匀，致密、耐磨性好。但是轴孔凸台

10、妨碍起模，必须采用活块或下芯来克服；当采用活块时，轴孔又难以下芯。综合分析，由于是大批量生产，机器造型难以进行活块造型，所以宜采用型芯克服起模的困难。所以采用方案二。1.6工艺流程：整模造型下料熔炼浇注落砂、清理检验是否合格去应力退火二、汽车半轴设计（锻造零件）2.1 零件名称汽车半轴2.2 零件简图：2.3 零件技术要求及生产性质：（1）技术要求：传递扭矩，承受冲击，硬度：杆部3744HRC，盘部外圆2434HRC。（2）生产性质：批量生产2.4 零件选材分析：（1）传动轴的工作条件：传递一定的扭转应力，承受一定的交变弯曲应力；轴颈承受较大的摩擦；承受一定的冲击载荷。（2）传动轴的失效形式：

11、疲劳断裂：由于受扭转疲劳和弯曲疲劳交变载荷长期作用，造成轴疲劳断裂。这是主要的失效形式。断裂失效：由于大载荷或冲击载荷作用，轴发生折断或扭断磨损失效：轴颈处过度磨损。（3）传动轴的性能要求：良好的综合力学性能，即强度、塑性、韧性有良好的配合，以防止冲击或过载断裂； 高的疲劳强度，以防止疲劳断裂；良好的耐磨性，防止轴颈磨损。此外，还应考虑刚度、切削加工性、热处理工艺性和成本。（4）传动轴零件的选材：方案一：选用中碳合金调制钢，如40CrNiMo，此类钢具有良好的综合力学性能，且淬透性非常好，其油淬直径可达75mm，淬硬性高。但其价格较高，约为45钢两倍。方案二：选用中碳钢。虽然中碳钢淬透性低，但

12、由于汽车半轴主要受扭矩作用，这类轴在整个截面上所受的应力分布不均匀，表面应力较大，心部应力较小。且它冷热加工性能都不错，机械性能较好，价格低，来源广。由于汽车半轴对硬度要求不高，且无需大的淬透性，45钢水淬已可满足。综合考虑，选用方案二。2.5 毛坯的生产选择在机械制造业中，凡承受重载零件，如主轴、连杆等，常使用锻件毛坯。锻件晶粒细小，组织致密，且热加工使纤维分布合理。另外由于选用的是中碳钢，该材料的铸造、焊接性能都较差，故选用锻造毛坯比较合适。方案一：先采用拔长，再进行切削、抛光加工。该方案的优点是毛坯制造简单，需要设备简单，且应用设备和工具有很大通用性。缺点是毛坯加工量大，金属消耗多，毛坯

13、加工后传动轴的锻造纤维组织被切断，降低了传动轴的力学性能。方案二：选用接近零件形状的模锻件制造毛坯，再用精密模锻保证加工精度，后期再进行抛光处理。该方案的优点是材质机械性能好，纤维组织不切断，生产效率较高，加工余量小，节省金属，精度高，并且可锻造出形状复杂的锻件。缺点是成本太高，尤其是精密锻造模具成本更高，且需要精度高、压力大的专用设备，不适合小批量生产，且由于受模锻设备限制，模锻件不能太大。综合考虑，由于是批量生产，且半轴盘部形状复杂，采用自由锻难以加工，故宜采用方案二较为合理。2.6 锻造工艺设计采用“镦粗拔长预锻终锻切除毛边修整”工序去应力退火表面处理精加工正火模锻下料2.7 工艺流程三

14、、钢制压力容器设计（焊接零件）3.1 零件名称钢制压力容器3.2 零件简图：3.3 零件技术要求及生产性质：（1）技术要求：现有钢板尺寸为1200mmX600mmX8mm，容器工作压力为20个大气压，工作温度为-4060，接管外径65mm，壁厚10mm，高约60mm。（2）生产性质：大批生产。3.4 零件选材分析： 该结构对焊接性要求较高，要有较好的气密性和耐腐蚀性，能承载一定的冲击。在满足结构使用要求的条件下，尽量选择焊接性能较好的材料。一般碳的质量分数小于0.25%的碳素钢和碳的质量分数小于0.20%的低合金钢都具有良好的焊接性,应尽量采用。碳的质量分数大于0.50%的碳素钢和碳质量分数大

15、于0.40%的合金钢焊接性不好，尽量避免采用。同一构件焊接时尽量选用同种金属材料。方案一：选用普通碳素结构钢，如Q235-A，有良好的塑性、韧性、焊接性及冷加工性，而且价格便宜，适合用于批量生产。但是力学性能一般，淬火性能差。方案二：普通低合金钢。普通低合金钢中有许多适合用于制作压力容器的材料。如16Mn，其力学性能优良，b1440MPa，s1200MPa，是压力容器常用材料之一，且其塑性也很好，适于冲压。方案三：奥氏体钢。奥氏体钢中的1Cr18Ni9也是压力容器的常用材料，其b550MPa，s40MPa。缺点是不锈钢很昂贵不适合批量生产。分析以上三种材料，由于1Cr18Ni9过于昂贵，其价格

16、约为16Mn的十倍，因此不宜选用。由于钢制压力容器为低压容器，故选用普通碳素结构钢即可符合要求。3.5 毛坯的生产方案：由于钢制压力容器的形状比较简单，工作条件要求较高的安全性，加之材料厚度小且需要进行批量生产，所以可采用冲压与焊接的方法加工。3.6 焊接结构设计：选择气瓶材料：接管、大小保护翼选用优质碳素结构钢10，切削加工后焊到瓶体上。上、下封头用现有普通碳素结构钢钢板冲压成形，筒身用低合金结构钢钢板卷圆后焊成。确定焊缝位置：瓶体焊缝布置有两种方案，如下所示。方案一：瓶体由上、下两部分经冲压成形后焊在一起，焊接工作量小，但由于瓶体细长，难以冲压成形，且现有钢板规格难以满足，故此方案不可取。

17、方案二：瓶体由上、下封头及简身三部分组成。上、下封头冲压成形，简身由钢板卷圆后焊好，再将上、下封头与简身焊在一起。受钢板规格所限，封头需要由两块钢板冲压后焊接而成，筒身需要八块钢板多次焊接而成，瓶体共有13条焊缝，虽然焊接工作量大。但上、下封头易冲压成形，故应选用此方案。焊接接头设计：接管与瓶体的焊缝采用不开坡口的角焊缝；大小保护翼与瓶体的焊缝采用开坡口的角焊缝；因气瓶为压力容器，为保证焊接质量，筒身的纵向焊缝及上、下封头与简身的环形焊缝均采用I形开坡口双面焊：选择焊接方法和焊接材料：接管、大小保护翼与容器体焊接，因焊缝直径很小，长度均较短，且大部分焊缝在弧面上，故采用焊条电弧焊方法，为保证焊

18、接质量，常采用碱性焊条J507。容器筒体环形焊缝、纵向焊缝的焊接，可采用气焊、手弧焊、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，且产品是压力容器，为保证焊接质量，提高生产率，常选用埋弧自动焊。焊丝选用H08A，配合焊剂HJ43l。3.7 工艺流程接管：下料切削加工钻孔大小保护翼：剪板下料冲压焊纵缝封头：气割下料拉深切边除锈钻接管孔筒身：剪切下料卷圆焊接内纵缝焊接外纵缝筒身与上下封头拼装组对焊接内环缝焊接外环缝射线探伤接管、大小保护翼、筒身装配与焊接清理水压试验气密性实验第四部分 课程设计的体会和建议此次课程设计给我们提供了一次回顾所学知识并应用创新的机会，培养了我们综合运用所学的知识，发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力。在课程设计的过程中，我遇到了很多问题，发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，许多地方一知半解。通过这次课程，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。每项都需要我们去查阅资料，并结合所学知识来确定加工方案。我个人感觉，由