热加工课设.doc

工程材料与热加工课程设计说明书南 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 专 业 学 号 姓 名 指导老师 完成日期 2011年6月25日 目录第一篇 任务书 3第二篇 零件设计一、 铸造零件设计（支座） 61.1、零件名称61.2、零件简图61.3、零件技术要求及生产性质61.4、零件选材分析61.5、毛坯选择分析91.6、浇注位置及分形面的选择91.7、主要工艺参数的确定 101.8、铸件的铸造工艺图 11二、 锻造零件设计（汽车半轴） 11 2.1、零件名称 112.2、零件简图 112.3、零件技术要求及生产性质 122.4、零件选材分析 122.5、毛坯选择分析 142.6、锻造工艺设计 142.7、工艺流程 14 三、 焊接零件设计（液化石油气瓶体）153.1、零件名称 153.2、零件简图 153.3、零件技术要求及生产性质 163.4、零件选材分析 163.5、零件毛坯的生产 183.6、工艺流程 20第三篇 课程设计感想与体会20第四篇 参考文献21第一篇 任务书 工程材料与热加工基础课程设计 学生姓名 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 2011-6-21 起讫时间2011-6-212011-6-251 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，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 第二篇 零件设计一、 铸造零件设计1.1、零件名称：支座1.2、零件的简图：1.3、零件技术要求及生产性质：（1） 技术要求：起支承作用，对零件表面无特殊质量要求，150Mpa。（2） 生产性质：中批生产。1.4、零件选材分析：（1）工作条件：支座主要起支承作用，主要受压应力，也承受零件工作时的动载荷。（2）失效形式：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（3）选材方案：根据支座的工作条件和失效形式，选材时应重点考虑材料的强度和刚度，同时兼顾材料的冲击韧性和硬度，初步得以下三个方案。方案一：选用铸铁灰铸铁灰铸铁是价格最便宜、应用最广泛的一种铸铁。灰铸铁的力学性能低，其抗拉强度和塑性、韧性都低于刚，抗压强度是抗拉强度的2.5倍4倍，较大，耐热耐磨性能较好，减震性能良好，铸造性能较好，切削加工性能好，缺口敏感性较弱，成本低廉。抗拉强度150Mpa，HT200（壁厚20mm30mm时170 Mpa）即可满足要求，也能承受较大的载荷。故在灰铸铁应该选HT200。球墨铸铁球墨铸铁的力学性能较好，与灰铸铁相比，具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限、良好的塑性及韧性。其铸造性能好，可制造各种受力复杂的对强度韧性和耐磨性要求较高的零件。蠕墨铸铁蠕墨铸铁的性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，即强度和韧性高于灰铸铁，但不如球墨铸铁，其耐磨性较好。蠕墨铸铁的减震能力由于球墨铸铁，铸造工艺简便，成品率高。对比三种铸铁，综合考虑技术要求、经济性等原则，应选用灰铸铁中的HT200。方案二：选用铸钢铸钢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。方案三：选用铸造铝合金铸造铝合金中铝硅合金、铝锌合金铸造性能好，铝锌合金强度较高。考虑强度、铸造性能，应该选择其中的铝锌合金，如ZL401，ZL402。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。对比以上三个方案，综合考虑工作条件，工艺性，经济性原则等，选择方案一。选用灰铸铁HT200。满足技术要求。HT200铸铁有较好的铸造性能和较低的缺口敏感性，抗压强度较高，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。灰铸铁HT200价格低廉。1.5、毛坯选择分析：由于支座结构复杂，且选择的材料为HT200，其铸造性能优良，焊接性能很差，故应采用铸造加工。 方案一：砂型铸造生产批量和铸件形状不受限制，凸台和侧凹附加费用少，生产批量不受限制。但生产效率低，加工余量大，表面粗糙度大。方案二：熔模铸造生产批量基本有限制，以批量生产为。铸件的形状不受限制，铸造合金种类不受限制，铸件表面质量好、精度高和加工余量小。但生产效率较低，凸台和侧凹加工费用较高。方案三：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。零件为中批量生产，且选用的材料为HT200，砂型铸造生产成本较低，铸型强度和透气性较高，发气量小，铸造缺陷较少，应该选用砂型铸造。1.6、浇注位置及分型面的选择浇注位置选择：将铸件上质量要求较高的表面或主要的加工面放在铸型的下面。对于需要补充的铸件，应把界面较厚的部分放在砂型的上部或侧面。具有大面积薄壁的铸件，应将薄的部分放在铸型的下部，同时尽量使薄壁立着，或是倾斜浇注，有利于金属的填充。对于大平面的铸件，应将大平面放在铸型的下面。铸造分型面的选择：分型面一般应取再铸件的最大截面上，否则难以取出模样。铸件的加工面及建功基准表面尽量放在同一砂箱中，以保证铸件的加工精度。应尽量减少分型面数量，并力求采用平面作为分型面，以减少砂箱数，简化造型工艺。应尽量减少型芯、活块得数量，以减少成本、提高工效。主要型芯应尽量放在半铸型中，以利于下芯合理和检查型腔尺寸。1.7、主要工艺参数的确定 浇注温度为13601380；线收缩率为0.7%1%；开箱时间为2h3h；加工余量较大，其数值为：顶面5mm，底面、侧面4mm；热处理采用去应力退火，加热温度为500650；底座上的四个直径为10mm的孔小于灰铁铸件的最小铸出孔直径，故这四个孔应由后续的切削加工完成。1.8、铸件的铸造工艺图分型面确定后，铸件芯头的形状和尺寸、加工余量、起模斜度及浇注系统等就可以确定，根据这些资料就可以绘出铸造工艺图。铸造时效切削加工局部淬火回火去应力退火二、锻造零件设计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 轴是机器中最基本的零件之一，其主要作用是支承传动零件，并传递运动和动力。轴的质量好坏，直接影响机器的精度与寿命。一般轴的工作条件为: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：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。这是最主要的失效形式。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：中碳合金调质钢中碳合金调质钢，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：中碳钢虽然中碳钢淬透性低，但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，且无需选用淬透性很高的钢种，通常选用中碳钢，如45钢、40Cr。45钢调质后轴颈局部表面淬火，可以承受一定的冲击、交变载荷，且能满足硬度要求。40Cr比45钢的性能更好，但成本比45钢高。综合考虑，选用45钢。2.5 毛坯选择分析锻件晶粒细小，组织致密，且热加工使纤维分布合理。因此，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。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：自由锻 自由锻只能锻造形状简单的锻件，劳动强度大，生产率低。锻件精度低，表面质量差，主要用于单件小批量生产，也可用于模锻前的制坯工序。方案二：胎锻模胎锻模适用于中小批量生产，可锻造较复杂的零件，表面质量能满足要求，磨具简单不固定，但生产效率低。方案三：锤上模锻模锻件尺寸精度高，机械的加工余量小，可锻造复杂的零件，锻件的机械性能高，纤维组织分布更为合理，可提高零件的使用寿命。模锻生产率很高，适合大批量生产。综合考虑，由于是批量生产，且半轴盘部形状复杂，故采用方案三较为合理。先用自由锻制坯，再进行锤上模锻。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2.7 工艺流程下料锻造退火粗机加工调质精机加工装配三焊接零件设计3.1 零件名称：液化石油气瓶体3.2 零件简图：3.3 零件技术要求及生产性质技术要求：壁厚3mm，设计压力4Mpa。生产性质：大量生产。3.4 零件选材分析1、工作条件液化石油气钢瓶是特种设备，在国民经济各个领域和人民群众生活中有广泛的使用，其制造质量对确保液化石油气钢瓶安全使用具有重要意义，液化石油气钢瓶制造行业对保证液化石油气钢瓶的制造质量和确保其安全性能肩负着重要使命。液化石油气钢瓶主要工作在高压条件下，需要有一定的耐腐蚀性和耐冲击性。2、 失效形式脆性破坏：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。过量的塑性变形：在高温下的压力容器发生蠕变或工作压力过高引起容器局部过量塑性变形。疲劳：在循环载荷的作用下，由于工作应力往往在局部地方超过材料的屈服强度，是压力容器产生较大的反复塑性变形，导致最后发生破坏。应力腐蚀：在应力和引起应力腐蚀介质的共同作用下，产生盈利腐蚀裂纹而导致压力容器破坏。晶间腐蚀：主要出现在奥氏体不锈钢中。防止其产生的措施有两个，其一为降低钢的含碳量，其二为添加能够形成稳定碳化物的元素，如钛、铌等。3、 选材方案对压力容器用材的要求是：有足够的强度、塑性和韧性，又要有良好的冷热加工性能和焊接性能；对于在腐蚀介质条件下工作的压力容器，又必须有良好的耐蚀性和抗氢能力；在高温下工作的容器，必须保证组织稳定；在低温下工作的容器，要保证在工作温度下有足够的韧性。 压力容器可按二向应力计算，由=pD/(4)及=pD/(2),代入数据:p=4Mpa,D=314mm, =3mm，得=314 Mpa，=628 Mpa。所以，max=628Mpa，选用的材料应满足628Mpa。(1)方案一：奥氏体不锈钢选用1Cr18Ni9Ti，可防止晶间腐蚀。该型号的不锈钢常用作压力容器的材料，满足技术要求，但价格较为昂贵，在含有氯化物的介质中常产生应力腐蚀。(2)方案二：低合金高强度结构钢选用Q390（15MnV），可用作中等压力的压力容器的材料，其力学性能优良，有高强度，良好的耐磨性和高硬度，基本上满足中压容器的要求，价格适中。综合以上各点，选用低合金高强度结构钢15MnV。3.5零件毛坯的生产：形状较为简单，所选材料为低合金高强度结构钢15MnV，其焊接性很好，所以选用焊接方法加工。生产方案：（1） 方案一：用冲压的方式生产两个气瓶元件，并在其中一个的顶部冲压出一个入孔。入孔圈和管接头可冷卷或热卷。瓶体由上、下两部分经冲压成形装配后焊在一起，瓶体上只有一条环形焊缝，焊接工作量小，但是要冲压出两个管身细长，不易加工成形，所以一般不采用。（2） 方案二：用冲压形成两个封头。筒身用钢板冷卷，按实际尺寸可分为三节。为避免焊缝密集，筒身纵焊缝相互交错180度。封头热压成形，与筒身连接处有30mm50mm的直径以使焊缝避开转角处的应力集中位置。入圈孔和管接头可冷卷或热卷。再将上、下封头与筒身焊在一起。瓶体总共有七条焊缝（三条纵向焊缝和四条环形焊缝），焊接工作量较大。但是上、下封头易冲压成形，易操作，同声性能比较好，所以选用此方案。焊接方法：方案一：手工电弧焊焊条电弧焊使用的设备简单，方法灵活，适用面广，可焊接各种焊接位置，但对焊工的技术要求高，生产效率低，焊条劳动条件差，劳动强度大。方案二：埋弧自动焊埋弧自动焊生产率高、成本低，焊接质量好，劳动条件好。但是埋弧自动焊适应条件较差，设备较复杂，设备费用一般投资比较大，适用于大批量生产。由于钢制压力容器焊接量较大，而且要求为大批量生产，埋弧焊更有优势。此外瓶体和瓶颈的焊接