工程材料与热加工基础课程设计.docx

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：011210114 姓 名：徐张凡 指导老师：陈文华完成日期：2014年6月20日目 录第一篇 任务书 3第二篇 零件设计一、轴承座零件设计（支座） 61、零件名称 62、零件图 63、技术要求和生产性质 64、零件的选材分析 65、毛坯选择分析 86、浇注位置及分形面的选择 87、零件生产工艺流程 9二、轴类零件设计（汽车半轴） 9 1、零件名称 92、零件简图 93、技术要求和生产性质 94、零件的选材分析 95、毛坯选择分析 106、零件生产工艺流程 11三、容器类零件设计（乙炔气瓶） 111、零件名称 112、零件简图 113、技术要求和生产性质 124、零件的选材分析 125、毛坯生产方案 136、焊接结构的工艺性设计 137、零件生产工艺流程 14第三篇 课程设计感想与体会 14第四篇 参考资料 23第一篇 任务书1 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）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。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）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。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、轴承座零件设计1、零件名称：支座2、零件图：3、技术要求以及生产性质：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4、零件的选材分析：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： a.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 b.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 a.灰口铸铁:灰口铸铁的硬度低，性质较软，抗压强度大，耐热耐磨性能较好，减震性能良好，铸造性能较好，缺口敏感性较弱，成本低廉。 b.球墨铸铁:球墨铸铁的力学性能较好，接近于碳钢，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。 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。对比以上三个方案，综合考虑工作条件，经济性原则等，选择方案一。选用灰口铸铁HT200。因为支座作为支承件，主要作用是承压，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。5、毛坯选择分析：由于支座结构复杂，且选择的材料为HT200，故应选择以下三种铸造方案之一。 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。但生产效率低，加工余量大，表面粗糙度大。 方案二：熔模铸造要求批量生产，铸件的形状不受限制，铸件表面粗糙度和加工余量小。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，砂型铸造生产成本低，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。6、浇注位置及分型面的选择：1）浇注位置选择：a.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。b.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。c.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。d.对于大平面的铸件，应将大平面放在铸型的下面。2）铸造分型面的选择：a.分型面一般应取再铸件的最大截面上，否则难以取出模样。b.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。c.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。d.应尽量减少型芯、活块得数量，以减少成本、提高工效。e.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。7、零件生产工艺流程：铸造时效切削加工局部淬火回火去应力退火二、轴类零件设计1、零件名称：汽车半轴2、零件简图：3、技术要求和生产性质：技术要求传递扭矩，承受冲击，硬度：杆部3744HRC，盘部外圆2434HRC。生产性质批量生产4、零件的选材分析：1）工作条件： a.传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉压载荷； b.轴颈承受较大的摩擦； c.承受一定的冲击载荷。2）失效形式： a.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。 b.断裂失效：由于大载荷和冲击载荷作用，轴发生折断或扭转。 c.磨损失效：轴颈处过渡磨损。3）选材方案： 汽车半轴的选材主要考虑强度，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。 方案一：选用调质合金钢 这类钢经过调质后有着较好的综合性能。这类钢强度较高且冲击韧性良好，有较高疲劳强度，与碳钢相比淬透性良好。这些性能符合轴类零件的要求。但是价格与碳钢相比较为昂贵，不满足经济性原则。 方案二： 选用超高强度钢 超高强度钢有着非常优越的性能，能够满足该零件的对强度和韧性的要求，但是超高强度钢价格过高，不能满足经济性要求，不适合作为选材。 方案三：选用碳钢碳钢有较高的强度和冲击韧性和良好的塑性且有较好的切削加工性，这些都满足汽车半轴对材料的要求。 对比以上三个方案，综合考虑工作条件，经济性原则等，选择方案三。虽然45钢的淬透性与调质合金钢相比较差，在水介质中的淬透直径仅为15mm左右，但由于汽车半轴对硬度要求不高，且无需大的淬透性。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。5、毛坯选择分析：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：自由锻 应用设备和工具有很大的通用性，且工具简单，适合生产大型锻件，但是其操作强度大，生产率低，且依靠操作者控制其尺寸形状，锻件精度低，表面质量差，金属消耗也比较多。方案二：模锻 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。该零件采用批量生产，而且对精度和表面质量要求较高，因此不宜选用自由锻，应选模锻。6、零件生产工艺流程：模锻去应力退火切削加工淬火高温回火三、容器类零件设计1、零件名称：钢质压力容器2、零件简图：3、零件技术要求及生产性质：技术要求钢板尺寸为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。生产性质大批量生产4、零件的选材分析： 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：奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢中的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。 对比以上三个方案，综合考虑工作条件，经济性原则等，选择方案一 由于奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9）过于昂贵，其价格约为普通低合金钢（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。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。6、焊接结构的工艺性设计：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。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。7、零件生产工艺流程：1）接管：下料切削加工钻孔2）大小保护翼：剪板下料冲压焊纵缝3）封头：气割下料拉深切边除锈钻接管孔4）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三篇 课程设计感想和体会 连续几天的艰苦奋斗，最终完成了这份工程材料课程设计，由于这次的课程设计只是完成一份设计报告，并没有实际操作，因此，在这份报告中难免会有一些问题出现。