工程材料课程设计---铸造造件设计.docx

工程材料与热加工基础课程设计 工程材料与热加工基础课程设计 学院：航空宇航学院 专业：飞行器设计与工程 学号： 姓名： 指导教师： 说 明 书 目 录任务书-3铸造件设计-5锻造件设计-8焊接件设计-13总结-16心得体会-16参考文献-16一、 课程设计任务书 课程设计任务书学生姓名： 学院： 学号： 指导老师： 题目：典型零件的选材、加工工艺路线安排与结构工艺性分析下达时间：2011-6-21 起止时间：2011-6-212011-6-271 课程设计的目标：（1）通过课程设计的实践，使学生进一步加深了解和巩固课堂所学的有关知识，提高学生综合运用所学知识的能力。（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，选择毛坯制造方法，并能合理地安排热处理工艺及零件制造工艺流程。2.课程设计的选题：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，零件毛坯生产方法的选择（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）。3.课程设计的主要内容：1） 根据图纸熟悉产品的结构、各零件的作用和工作条件。2） 依据零件的受力情况（或给定的条件），环境即失效形式进行零件的选材设计（即选择合适的材料成分，组织及热处理状态）。3） 根据零件的使用条件、制造精度、形状尺寸、材料及生产性质等条件，对指定的零件毛坯进行毛坯部分种类的选择（即选择锻压铸造、或焊接的方法），并进行结构工艺分析、完成工艺设计的部分内容（铸件的铸造方法、浇注位置、分型面的选择、并在零件图上示意标出冒口位置；锻件结构工艺、选择的锻造方法；零件的焊接方法、结构工艺、合理布置焊缝等）。4） 对轴类零件（或齿轮）应设计制造工艺流程，正确选择热处理工艺，工艺流程的合理安排，并作详细的说明。5） 对上述第（4）项中的零件，用相应的材料制成试样，分别用自己设计的热处理工艺进行处理，分别测其硬度、磨制试样观察其组织，判断是否达到预期效果，并作分析。4. 设计步骤：1） 对零件制造的方案的总体设计和论证选定。2） 毛坯的生产工艺方法的选择与分析。3） 机械加工方案的分析。4） 工艺过程和工艺流程过程。5考核与成绩评定： 指导教师签字 年 月 日 6.系部审查意见： 负责人签字 年 月 日 铸造造件设计一、 零件名称：万能磨床内圆磨头主轴二、零件简图：三、 技术要求和生产性质技术要求转速 21600r/min，b800mpa, 12%,内孔及 25处表面硬度59hrc生产性质20件四、 选材：万能磨床内圆磨头主轴工作条件递一定扭矩，承受一定的交变弯矩和拉压载荷；劲承受较大的摩擦；承受一定的冲击载荷。失效形式疲劳断裂、断裂失效和磨损失效，其中由于受扭转疲劳和弯曲交变载荷的长期作用，造成轴疲劳断裂，这是最主要的实效形式。选材方案方案一：调制钢.调制钢经调制后有较好的综合性能，但对该主轴来说其心部塑性，韧性均嫌低，比如40cr，优点是此类钢种在滑动轴承内运转，精度要求较高，有较高的冲击和交变载荷综合性能很好，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。不足之处在于成本高，表面硬度（4655）hrc、以及线收缩率不符合要求。方案二：滚动轴承钢用滚动轴承钢的优点是经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达5058hrc，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。强度、韧性和抗冲击性能好。不足之处是其表面硬度不能满足，且加工成本与材料成本高。方案三：在渗碳钢中选择选15，20cr等渗碳钢，这类渗碳钢，经渗碳，淬火，低温回火后，表面硬度，耐磨性可以满足要求。但是，由于该主轴厚度较大，这两种材料淬透性小（15钢油中淬透直径d0只几毫米，20cr也只能达12mm）,从而使主轴心部达不到要求。因此，应在淬透性较大的合金渗碳钢中选择。可选20crmnti钢，该渗碳钢淬透性较大，由手册查得该钢的临界淬透直径d0可达30-40mm,与该主轴厚度相近，可以满足要求；该钢经渗碳，淬火，低温回火后，其心部性能（查工程材料手册b1100mpa,k60j/cm2,零件表面获得回火马氏体加碳化物组织，其硬度可达5864hrc，并且有高的耐磨性，可以满足技术要求。此外，该钢的热处理工艺性也好，不易过热，渗碳后可直接淬火.它的可锻性也很好，有利于磨头主轴毛坯的锻造，它的切削加工性也好.）总结： 根据以上分析，该内圆磨头主轴应选用20crmnti合金渗碳钢制造。五、毛坯选择方案该机床主轴属轴杆类零件，通常以锻件做毛坯。1、切削加工直接采用圆柱棒切削加工，加工的精度较高，但是由于零件的复杂性而会产生较多材料浪费，增加生产成本。2、锻造自由锻，所用工具和设备简单，通用性好，工艺灵活，成本低，但精度低，加工余量大，表面质量差。 模锻，锻件形状和尺寸精度高，机械加工余量少，锻件的纤维组织分布合理，生产率高，操作简单， 综上所述，应该选择模锻六、工艺流程下料自由锻正火粗加工，半精车外圆，钻中心孔渗碳加工螺纹局部淬火（内锥孔及轴颈）加低温回火车定刀槽，粗磨外圆精磨(1)正火处理是为了得到合适的硬度，以便于机械加工，同时改善锻造组织。(2)渗碳处理是为了使材料硬度增加。 (3)淬火加低温回火是为了使内锥孔和25处同时满足高精度，高耐磨性的要求。铸造件设计一、 零件名称：支座二、零件的简图：三、技术要求和生产性质：技术要求起支承作用，对零件表面无特殊质量要求，150mpa生产性质中批生产四、零件的材料选择分析：支座的工作条件支座属于支承件，主要承受压应力，部分受一定的弯曲应力。此外，工作时，支座还需承受动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力。工作环境较为稳定。失效分析变形失效：当承受的应力超过一定限度时，支座产生过量的变形，导致失效。断裂失效：动载荷的作用力很大，在大载荷或冲击载荷作用下，发生断裂或者扭断。疲劳断裂：由于长期受其他零件工作时产生的交变应力，造成支座的疲劳断裂。选材方案选材分析：支座属于箱体类支承零件，是机器中的基础零件。轴和齿轮等零件安装在箱体中固定位置并与其它零件协调运动，机器上的各个零部件的重量都由箱体和支承件承担，因此，支座主要受压应力，部分受一定的弯曲应力。此外，支座还要承受工作时的动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力，承受振动。因此，它要求：有足够的强度和刚度，良好的减震性及尺寸稳定性。由于支座形状较复杂，体积较大，具有中空壁薄的特点，选用的材料应具有良好的加工性能，以利于加工成型。方案一：选用铸钢。 铸钢是一种重要的铸造合金，有较高的强度和良好的塑性，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。但支座结构较复杂，一般通过铸造成型，而铸钢的铸造性能较差，易出现浇注不足、缩孔等铸造缺陷，这将大大影响成型后零件的性能。方案二：选用铸铁。铸铁的铸造性好，价格低廉，消振性能好。所以形体复杂、工作平稳、中等载荷的箱体类支承件一般都采用灰口铸铁或球墨铸铁制作。其中，灰铸铁的的力学性能较差，抗拉强度较低，塑性几乎为零。但抗拉强度与钢相近，并且有良好的铸造性能，如：流动性好，收缩小等。球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有良好的塑性和韧性及耐磨性。但关键一点是，球墨铸铁的消振能力比灰铸铁低很多，而且查表得，灰铁相比球铁便宜。所以，综合看来，选用灰口铸铁，其性价比优于球墨铸铁。方案三：选用合金。 铸造铝合金铸造性能优良，有足够的强度。但是，铝合金密度小、减震性能差，不宜用作基础零件，且价格较高，不满足经济性原则。总结：对比以上三个方案，综合考虑工作条件，经济性原则等，选择方案二。选用灰口铸铁ht200。因为支座为一般支承件，对材料的力学性能主要是承压，仅要求抗拉强度不低于150mpa，而ht200的抗拉强度完全可以满足其强度要求。ht200铸铁有较好的铸造性能和较低的缺口敏感性，强度较高，耐热耐磨性好，减震性良好，经过人工时效可以承受较大的载荷。而且，经过孕育处理后，石墨得到细化，可以改善灰口铸铁的强度和其他性能。五、毛坯选择分析：支座这类零件大都承受压应力，只要求一定的强度和韧性，但该类零件形状复杂，因此最适宜采用铸造毛坯。它可以使金属一次成型，灵活性大，适用于形状复杂内腔的零件。铸造可分为砂型铸造、熔模铸造、金属性铸造、压力铸造和离心铸造等。方案一：熔模铸造，铸件精度高、表面质量好，可制造形状复杂的铸件，铸造合金种类不受限制，生产批量也基本不受限制，既可大批量生产也可单件、小批量生产。但是，熔模铸造存在工序繁杂、生产周期长、生产成本高等缺点，且铸件不易太大、太长，一般限于25kg以下，而支座重量显然较大，所以不合适。方案二：压力铸造，压铸件尺寸精度高，表面质量好，可以压铸必薄、形状复杂的以及具有很小孔和螺纹的铸件，强度和表面硬度高，可实现半自动化及自动化生产。但由于充型速度快，气体难以排出，易产生气孔，金属凝固快，易产生缩孔和缩松。另外，设备投资大，铸型制造周期长，造价高，不宜中、小批量生产，根据支座的技术要求，用此法经济上过于浪费，故不合适。方案三：砂型铸造，是传统的铸造方法，内部组织疏松，易产生缩孔、缩松、气孔、沙眼等缺陷，但其工艺简单，有很大的灵活性，适用于各种形状、大小、批量及各种常用合金铸件的生产，特别适合于内腔复杂的铸件。砂型铸造成本低廉，因为该支座对零件表面没有质量要求，所以没有必要花大投资去选择能使表面质量好的熔模铸造、压力铸造等。并且该支座生产性质为中批生产，砂型铸造足以满足所有要求，同时极大节约成本。方案四：金属型铸造。适合大批量生产，表面粗糙度和加工余量较小，生产效率高，凸台和侧凹可以铸出。但铸件形状不宜太复杂，生产成本较高。总结：综上所述，所铸毛坯形状复杂，对表面质量没有特殊要求，中批生产，应选择砂型铸造。六、工艺选择：一、浇铸位置的选择：(1)铸件的重要加工面应朝下或位于侧面。(2)铸件的大平面应朝下。(3)面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或是其处于垂直或倾斜位置，可以有效防止铸件产生浇铸不足或冷隔等缺陷。(4)对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安装冒口，使之实现自上而下的定向凝固。二、铸型分型面的选择：(1)应尽可能使铸件的全部或大部分置于同一砂型中，以保证铸件的精度。(2)应时铸件的加工面和加工基准面处于同一砂型中。(3)应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直的分型面，最好只有一个分型面。(4)应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合型等工序。(5)应尽量使行腔及主要型芯位于下型，以便于造型、下芯、合型和检验壁厚。七、铸造工艺图：由下图分析可得：分型面选在最大截面处，易于拔模，上砂箱高度较低，零件下部截面较大，放在砂型上部，并在上部设置冒口，用来补缩。分析：分型面选在最大截面处，易于拔模，上砂箱高度较低，零件下部截面较大，放在砂型上部，并在上部设置冒口，用来补缩。8、工艺流程铸造失效切削加工局部淬火回火去应力退火焊接件设计一、零件名称：压缩空气贮存罐二、零件简图：图三 压缩空气贮存罐三、零件的生产要求与生产性质技术要求汽车刹车用压缩空气贮存罐，罐体壁厚2mm,端盖厚3mm,4个管接头为标准件m10，工作压力0.6mpa.生产性质大批生产四、零件的选材分析压缩空气贮存罐的工作条件分析压力容器是一种焊接构建，广泛用于石油、化工、机械、热力等行业，运行条件苛刻，一旦破坏，后果严重。承受的压力较大，工作温度可在-200以下或500以上；工作介质可以是酸性，碱性或其他腐蚀介质。失效分析过量的塑性变形：工作压力过高引起容器局部过量塑性变形。疲劳：在循环使用过程中，工作应力往往在局部地方超过材料的屈服强度，使压力容器产生较大的反复塑性形变，导致最后发生破坏。脆性破坏：大部分发生在较低温度，在焊接缺陷、内部缺陷或应力集中处产生。应力腐蚀：在应力和引起应力腐蚀介质的共同作用下，产生应力腐蚀裂纹而导致压力容器破坏。选材方案选材分析：压缩空气贮存罐是用于仪表气源和其他用途气源贮备气体的压力容器。在系统中可起到稳定气源压力和贮备气量的作用。该零件要贮存气体，就要承受一定压力，故需有一定的强度和刚度，而且需要有一定的抗蚀性，压缩空气凝结出液态水，易引起电化学腐蚀。根据上述要求选材方案如下：方案一：结构钢。 普通碳素结构钢q235-a，塑性、焊接性好，价格也低廉，筒节和封头可以用此材料。标准件m10用优质碳素结构钢10。方案二：奥氏体不锈钢。 在保持高的抗蚀前提下，具有超高强度水平，如1cr18ni9ti。但价格昂贵，使生产成本增加。方案三：渗碳钢 渗碳钢零件表面高硬度，高耐磨性。低含碳量可以确保焊接性能良好，cr元素可以有效的抑制腐蚀。但其塑性韧性较差，不适合支撑圆筒状容器。总结：根据以上分析，该零件筒节和封头用普通碳素结构钢q235-a，标准件m10用优质碳素结构钢10。五、零件毛坯的生产焊接方法：(1)方案一：焊条电弧焊。设备简单，方法简便灵活，适应强，但对焊工操作技术要求高。焊条劳动条件差，生产率低。(2)方案二：埋弧自动焊。生产效率高、成本低，焊接质量好而且稳定，劳动条件好。但是埋弧自动焊适应性差，设备较复杂，用于批量生产。根据上述分析，由于压缩空气贮存罐大批生产，生产率低下的手工电弧焊不适合，采用埋弧自动焊。此外，标准件与封头因焊缝直径小，长度较短，故用焊条电弧焊。标准件与瓶身采用角接，不开坡口，筒身的纵向焊缝，采用坡口单面焊接。焊接结构的工艺性设计：焊缝位置及焊接顺序瓶体由上、下封头及封头筒身部分组成。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。如图： 图四 焊缝布置方案三条焊缝和直接在中部焊接比虽然增加了焊接工作量，但是上、下封头易于成形，焊接更为可靠。焊接接头、坡口形式由于气密性要求较高，焊缝1和焊缝3应用双面焊，但贮存罐直径较小不易操作，且壁厚较小，可用 u型坡口单面对焊。焊缝2应采用开坡口单面角焊。焊接方法和焊接材料由于各角焊缝长度较短，且大部分焊缝在弧面上，故焊缝2采用焊条电弧焊方法。由于壁厚较小仅为23mm，并考虑到生产效率和成本，故焊缝1和焊缝3可采用co2气体保护焊。六、工艺流程：筒身：减板下料预弯卷圆纵向焊接校圆车筒身两端面封头：减板下料