南京航空航天大学工程材料与热加工基础课程设计④

11/11南京航空航天大学工程材料与热加工基础课程设计④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：

姓名:

指导教师：

完成日期：2013年6月27日任务书

1、课程设计的目的：

《工程材料与热加工基础（Ⅲ）》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2~3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。

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4)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（2~3学时）、辅导（2~3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（2~3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（3~4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2~3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2~3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。

3

4、考核与成绩评定：

指导教师签字___________年月日

5、系部审查意见：

负责人签字__________年月日

目录

任务书(2)

一、铸造课程设计（支座）6……………

61、零件名称…………………

62、技术要求和生产性质……………………

73、选材分析…………………

8、毛坯选择分析(4)

9、工艺选择(5)

106、铸造工艺图………………

二、锻造课程设计（传动轴）11………

111、零件名称…………………112、技术要求和生产性质……………………123、选材分析…………………

13、毛坯选择分析(4)

14、锻造结构工艺性分析及锻造方法的选择(5)

156、工艺路线的制定和分析…………………

焊接课程设计设计（钢制压力容器）三、16…………

16、零件名称(1)

16、技术要求和生产性质(2)

173、选材分析…………………

18、毛坯选择分析(4)

185、焊接结构设计……………196、工艺流程…………………

课程设计感想与体会20……………………参考资料20……………………

5

铸造课程设计

1、零件名称：支座

2、技术要求和生产性质

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。抗拉强度技术要求σb≥150Mpa,对零件表面无特殊质量要求。

生产性质中批量生产

3、选材分析

（1）功能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。

（2）性能要求根据支承类零件的作用和载荷情况，它应具备如下性能：

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。

根据零件的工作条件，选材方案如下：

方案一：铸钢

铸钢是一种重要的铸造合金。按照化学成分不同，铸钢可分为铸造碳钢和

铸造合金钢，其中铸造碳钢应用较广，约占铸钢总产量的80%以上。

优点：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。

缺点：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：有色金属

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。

优点：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。

缺点：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。

7．

方案三：铸铁

铸铁是历史上使用较早的材料，也是最便宜的金属材料之一，它具有很多

的优点。

优点：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。

缺点：灰铸铁的的力学性能较差，抗拉强度较低，塑性几乎为零。但这些

都对支座工作影响不大。

所以，综合看来，选用灰口铸铁。

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σb≥170Mpa,完全满足σb≥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。

4、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。

方案一：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。

方案二：离心铸造

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

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。

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。

5、工艺选择

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。

9．

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。

6、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。

锻造课程设计

1、零件名称：传动轴

2、技术要求和生产性质

技术要求2，硬度≥15%,α≥35J/cmδσσ≥500MPa,≥300MPa,kbs240HBS～230

生产性质小批量生产

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3、选材分析

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。

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

采用调质处理，即淬火+高温回火，可以得到外硬内韧的调质钢。根据要求

考虑选择40MnB。

优点：40MnB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。缺点：40MnB不能承受较大的冲击、交变载荷，此乃致命硬伤。

方案二：中碳钢

根据要求考虑选择45钢。45钢的各项力学性能均达到要求。

优点：45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，

这些都满足传动轴对材料的要求。其机械性能较好，冷热加工性能良好，而且价格较低，来源较广，应用广泛。

缺点：它的淬透性低，在水介质中的淬透直径仅为15mm左右。截面尺寸大

和要求比较高的工件不宜采用。

方案三：超高强度钢

超高强度钢有着非常优越的性能，有一定的塑性、冲击韧性及断裂韧性。

这类钢的最终热处理是淬火并低温回火，依靠马氏体强化达到超高强度。

优点：可以满足该零件的对强度和韧性的要求。

缺点：超高强度钢价格过高，不能满足经济性要求，所以不适合作为选材。

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。

4、毛坯选择分析

13．

方案一：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。

方案二：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。

5、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

自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两个砧铁接触的金属部分受到

约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部的限制，故无法精确控制变形的发展。

优点：自由端虽然工艺灵活，工具和设备简单，成本较低。

缺点：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。

6、工艺路线的制定和分析

（1）工艺流程为：

机械加工半粗加工下料锻造正火

精磨人工时效粗磨外圆回火局部淬火调质

（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。

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焊接课程设设计

、零件名称：钢制压力容器1

、技术要求和生产性质2

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-40℃～60℃，接管外径技术要求65mm，壁厚10mm，高

约60mm。

生产性质大批量生产

3、选材分析

1、工作条件

钢制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?C以下或500?C以上；工作介质可以是碱性，酸性或其他腐蚀介质。

2、失效形式

（1）,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。

（2）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变形

（3）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，使压力容器产生较大的反复塑性变形，导致最后发生破坏。

（4）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。

（5）氢腐蚀破坏：在具有一定压力的氢和温度的共同作用下，氢和钢中的碳发生反应而生成氢腐蚀裂纹，导致压力容器的破坏。

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：普通碳素结构钢

普通碳素结构钢对钢中碳含量及硫、磷杂质含量限制较宽，冶炼质量较差，

但可焊性较好。如Q235-A等。

优点：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。

缺点：力学性能一般，淬火性能差。

方案二：普通低合金钢

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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，16Mn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

方案三：奥氏体不锈钢

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σ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σ相，导致整个接头脆化，塑性和韧性显著下降。

分析以上三种材料，由于1Cr18Ni9过于昂贵，其价格约为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。

4、毛坯选择分析

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。．

5、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。

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。