工程材料课设报告

工程材料课设报告工程材料课设报告 南京航空航天大学 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完成日期xx年6月18日说明书目录 任务书 3铸造件设计 5锻造件设计 9焊接件设计 13总结 17心得体会 18参考文献 18 一 课程设计任务书课程设计任务书1 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 二 铸造课程设计 支座 1 零件名称支座 2 技术要求和生产性质 1 技术要求支座起支承轴 齿轮等零件的作用 要求有足够的刚度 和强度 较好的稳定性 能承受一定程度的振动 抗拉强度 b 150Mpa 对零件表面无特殊质量要求 2 生产性质为中批量生产 3 零件图 4 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 根据上述要求 选材方案如下方案一在铸钢中选择 铸钢是一种重要的铸造合金 承受较大载荷和较强冲击的箱体支承 类部件经常采用铸钢制造 其中ZG35Mn和ZG40Mn应用最多 可是 铸钢的铸造性较差 由于工艺性的限制 所制部件往往壁厚 较大 形体笨重 该支座有中空壁薄的特点 对铸造工艺性有一定要求 所以铸钢不 合适 方案二在有色金属中选择 有色金属及其合金中的各种有色元素都具有各自的独特性能 现代 科技的材料发展中起着重要作用 其铸造工艺性能优良 强度好 韧性好 一般重量轻 散热性能良好的箱体可用有色金属及其合金铸造 例如 飞机发动机上的箱体多采用铸造铝合金生产 但支座是一般箱体类支承零件 无需用及各种金属的独特性能 采 用有色金属会造成经济上的浪费 而且支座有较大的重量 要求有 良好的减震性 所以有色金属及其合金也不合适 方案三在铸铁中选择 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 根据支座的技术要求 选用HT200 HT200在10mm 壁厚 30mm的状 态下抗拉强度 b 170Mpa 完全满足 b 150Mpa的强度要求 且其 减震性能良好 其次 HT200的铸造性能良好 满足加工性能 此外 灰铸铁价格便宜 充分考虑了选材的经济性 综合上述分析 该支座应选用HT200制造 5 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 方案二离心铸造 不用型芯即可铸出中空铸件 简化套筒类生产过 程 可以提高金属液充填铸型的能力 改善补缩条件 但由于离心 作用 金属中的气体 熔渣等夹杂物 因密度较大儿集中在铸件内 表面上 使内孔的尺寸不精确 质量较差 铸件易产生成分偏析和 密度偏析等 由于该支座不是套筒 管等零件 所以离心铸造不合 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 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 6 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 7 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 图转下页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 三 锻造课程设计 传动轴1 技术要求与生产性生产性质小批量生产技术要求 b 500M Pa s 300MPa 15 k 35J cm240HBS2 硬度230 2零件图 3 工作条件及分析轴的工作条件 1 传递一定的扭矩 承受一定的交变弯矩和拉 压载荷 2 轴颈承受较大摩擦 3 承受一定冲击载荷 轴的主要失效形式 1 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 2 断裂时效由于大载荷和冲击载荷作用 轴发生这段或扭断 3 磨损失效轴颈处过度磨损轴的性能要求根据工作条件和失效形 式 对轴的选材提出吐下性能要求 1 良好的综合理学性能 即强度 塑性 韧性有良好的配合 以 防止冲击和过载断裂 2 高的疲劳强度以防疲劳断裂 3 良好的耐磨性以防止轴颈磨损此外 对刚度 切削加工性 热 处理工艺和成本等因素也应综合考虑 4 传动轴选材轴类零件选材时主要考虑强度 同时兼顾材料的冲击 热性和表面耐磨性 强度设计一方面应保证轴的承载能力 防止变形失效 另一方面由 于疲劳强度与拉伸度大致成正比关系 也能保证轴的耐疲劳性能 并且还对耐磨性有力 为了兼顾强度和韧性 同时考虑疲劳抗力 轴一般用中碳钢或中碳 合金调质钢制造 主要钢种是 45 40Cr 40MnB 30CrMnSi 35CrMo和40CrNiMo等 具体根据载荷类型和淬透性要求来决定 进一步分析如下方案一中碳合金调质钢 根据要求选择40MnB40MnB 调质后局部淬硬可使HBS达到220 250 满足硬度要求 在其运转过程中可以承受中等载荷及较高的转速 很好的满足所需 要的精度要求 但是它不能承受较大的冲击 交变载荷 方案二中碳钢 根据要求选择45钢45钢的各项力学性能均达到要求 其机械性能较好 冷热加工性能良好 而且价格较低 较广 应用 广泛 但是它的淬透性低 截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用 综合分析传动轴主要承受的是弯曲和扭转力矩 这样轴在整个界面上所受应力分布不均匀 表面应力较大 内部应 力较小 因此无需选用淬透性很高的钢种 综上分析选用45钢 5 毛坯选择 1 铸造毛坯铸造毛坯一般组织粗大 力学性能不如锻件 切内部 常存在缩孔 气孔 砂眼等缺陷 容易在工作中形成裂纹 传递扭矩能力不佳 易引起零件的失效 逐渐质量不稳定 难以控制 废品率高 2 锻造毛坯锻造有着良好的综合性能 而传动轴要求综合机械性 能好 缺陷少 该轴是回转体零件 形状规则结构简单 锻造结构工艺性良好 且 为小批量生产 零件选材为45钢 为中碳钢 有着良好的段造型 综上所述 应该选择锻造毛坯 6 锻造结构工艺性分析及锻造方法的选择传动轴是较为重要的零件 一旦损坏将严重影响其精度 甚至产生严重后果 1 锻造方法的选择方案一自由锻自由端虽然工艺灵活 工具和设 备简单 成本较低 但是其精度低 加工余量大 方案二模型锻模型锻尺寸精度高 加工余量小 锻件纤维分布合理 可进一步提高零件的使用寿命 但是其成本较高 生产准备周期长 摩擦压力机上模锻表面质量好 能够完成校正 精整等后续工序 生产精度高 适合小批量生产切设备简单 投资少 综上应选择摩擦压力机上模锻 2 锻造结构工艺性分析该轴是一个实心体回转体零件 结构简单 没有复杂内墙 零件结构对称 锻模和设备受力均匀 分型面的选择应过轴线 这样上下模结构对称 取模制模容易 综上该零件的锻造结构工艺性较好 7 工艺路线的制定和分析 1 工艺流程为下料 锻造 正火 机械加工 半粗加工 调质 局部淬火 回火 粗磨外圆 人工时效 精磨 2 热处理工艺分析正火得到合适硬度 170 320HBS 以便于机械加工 同时改善锻造组织 为调质处理做准 备 调质处理使传动轴得到较高的韧性和足够的强度使其具有良好的综 合机械性能和疲劳强度 调质后硬度为HB200 230 组织为回火索氏体 为了更好的发挥调质效果 将调制安排在粗加工后进行 局部淬火淬火温度820 840 左右 盐浴中冷却 淬火后经560 600 高温回火 空气冷却 表面获得回火索氏体组织 硬度达220 250HBS 具有高硬度和耐磨性 以满足工作需求 人工时效消除内应力 减小零件变形 稳定尺寸 对精度要求较高 的传动轴更为重要 四 焊接课程设计 液化石油气瓶体 1 零件名称液化石油气瓶体 2 技术要求和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 零件图4 选材设计 1 工作条件及受力分析 1液化石油气瓶要承受各种静 如重力 支座反力 动载荷或交变载荷 和附加机械或温度载荷 多数 容器容纳压缩气体或饱和液体 若容器破裂 导致介质突然卸压膨 胀 瞬间释放出来的破坏能量极大 2液化石油气有一定的腐蚀性 所以气瓶要有一定的抗腐蚀能力 2 主要失效形式 过度变形失效由于气瓶是薄壁容器 并且承受 内压和外力共同作用 所以有可能由于过载产生鼓胀 弯曲 扭转 失稳等现象从而产生过度变形失效 断裂失效断裂失效主要包括韧性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 环 境断裂 蠕变断裂五种 产生的主要原因如下韧性断裂其原因有三 个1 液化气体压力容器充装过量 2 压力容器在使用中超压 3 压 力容器维护不良以致壁厚减薄 脆性断裂结构中存在缺陷和材料的韧 性差是造成脆性破坏的内因 而压力 温度和介质是促成脆性破坏 的外因 疲劳断裂在交变应力的作用下 位于容器的某些局部区域 受力最 大的金属晶粒将会产生滑移并逐渐发展成为微小裂纹 且裂纹两端 不断扩展 最终导致容器的疲劳断裂失效 环境断裂介质与应力引起的应力腐蚀断裂 蠕变断裂由于气瓶温度大于0 4T熔 K 表面损伤失效 表面损伤失效主要是由于气瓶受到腐蚀 磨损而造 成的 由上面的分析 材料应具有以下性能 1气瓶承受压力或其它载荷 气瓶的材料应具有足够的强度 强度过低势必使气瓶过厚 而强度 过高又将影响材料的其它力学性能 2气瓶须具有良好的韧性 以使其具有足够的安全使用寿命 3液化石油气瓶的制造采用冷加工卷板和焊接 因此气瓶的材料必 须具有良好的加工性和焊接性 根据上面的分析有以下方案方案一HT300HT300具良好的切削加工性 另外具有耐磨性和消震性良好 价格低等优点 但其含炭量高 杂质多 并具有塑性低 焊接性差 对冷却速度敏 感等缺点 焊补后容易出现白口组织和产生裂纹 再见内压大于0 8MPa 方案二1Cr18Ni9奥氏体型的钢板的综合性能最好 既有足够的强度 良好的耐腐蚀性 又有极好的塑性同时硬度也不高 而且焊接性 较好 焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施 但价格比较贵 而 且当焊接工艺选择不当时 容易出现以下缺陷 1 容易出现热裂纹 2 晶间腐蚀根据贫铬理论 焊缝和热影响区在加热到450 850 敏化温度区时在晶界上析出碳化铬 造成贫铬的晶界 不足以 抵抗腐蚀的程度 3 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸 应力作用时所产生的延迟开裂现象 奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效 形式 表现为无塑性变形的脆性破坏 4 焊缝金属的低温脆化对于奥氏体不锈钢焊接接头 在低温使用时 焊缝金属的塑韧性是关键问题 此时 焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性 5 焊接接头的 相脆化焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝 中析出一种脆性的 相 导致整个接头脆化 塑性和韧性显著下降 方案三16Mn16Mn是压力容器常用材料之一 其优点如下 1 强度 韧性 耐腐蚀性等均比较好 具有优良的力学性能 2 对焊接加热和冷却不敏感 焊缝和热影响区不容易产生裂纹 具有良好的焊接性能 工艺性能及低温冲击韧性 3 能够减轻气瓶的重量 4 一般焊前不需要预热 5 杂质少 偏析很小 6 可采用交 直流电源 工艺简单 16Mn的缺点 1 热影响区的淬硬倾向比较大 2 容易出现冷裂纹 3 但工艺选择不当 热影响区的晶粒会长大结合力学性能的分析 铸铁焊接性差首先淘汰 对于奥氏体不锈钢1Cr18Ni9和低合金钢1 6Mn 性能都符合要求 但奥氏体不锈钢价格比较昂贵 所以选择低 合金钢16Mn 5 毛坯的选择液化石油气瓶形状比较简单 而且是薄壁容器 有一 定的性能要求 铸锻不好满足 就算满足 代价太大 不可取再加 之 安全性要求比较高 而且是大批量生产 所以可采用冲压与焊 接的方法 6 焊接设计 确定焊缝的位置方案一 如图 共有三条焊缝 其中包括两条环焊缝和一条轴向焊缝 方案二 如图 只有一 条环焊缝 方案一的优点是上下封头的拉伸变形小 容易成型 缺点是焊缝多 焊接工作量大 同时 因为筒体上的轴向焊缝处于拉应力最高的位 置 根据材料力学径向拉应力为轴向拉应力的两倍 破坏的可能 性很大 方案二只有中部有一条环焊缝 完全避免了方案一的缺点 因此选 方案二 图 图 设计焊接接头连接瓶体与瓶嘴的焊缝 采用不开破 口的角焊缝即可 而瓶体主焊缝的接头形式 宜采用衬环对接 如 图二 这样便于上下封头定位装配 为确保焊透 尽管焊件厚度不大 仍应开 形破口 图一甁嘴与瓶体的连接 不开破口的角焊缝 图二衬环对接 选择焊接方法和焊接材料由于液化石油气瓶是大批量生产 所以瓶 体的焊接采用生产率高 焊瓶体焊缝衬环甁嘴焊缝瓶体接质量稳定 的埋弧自动焊 焊接材料可用焊丝H08MnA 并配合HJ431焊剂使用 甁嘴的焊接因焊缝直径小 用手弧焊焊接 比较方便 精准 构件 选料为16Mn钢时 焊条可取E5015 主要工艺措施 1 上下封头拉深成型后 因开口端变形大 冷变形强化严重 加 上板材纤维组织的影响 在残余应力作用下很容易产生裂纹 为防 止裂纹产生 拉深后应进行再结晶退火 2 为减少焊接缺陷 焊件接缝附近 必须严格清除铁锈 油污 3 为取出焊接残余应力并改善焊接接头的组织与性能 瓶体焊接 后应进行整体正火处理 至少要进行去应力退火 7 主要工艺过程落料 拉伸 再结晶退火 冲孔 除锈 装焊 衬环 甁嘴 装配上下封头 除锈 焊主环缝 正火 水压试验 气密试验 五 总结本次课程设计加深了我对于工程材料与热加工基础知识的 理解 更重要的让我了解了机械零件设计的主要内容 包括结构设 计 选材 工艺设计及其经济指标等诸方面 由于我选用的零件于课设指导书 在结构设计这一方面也就并未有 所创造 但却不曾满足于完成课设 所以积极查阅相关结构设计的 关键及注意点 以下便是些许所得结构主要包括形状 尺寸 加工精度 表面粗糙 度等 比如在设计轴的结构时 从轴的功能和性能要求出发 一般 注意以下几点1 使轴的形状接近于等强度条件 以充分利用材料的 承载能力 对于只受转矩的传动轴 常制成