南京航空航天大学《工程材料与热加工基础》课程设计②.docx

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南京航空航天大学《工程材料与热加工基础》课程设计②

南京航空航天大学

《工程材料和热加工基础》课程设计说明书

完成日期2011年6月22日

第一篇任务书

……………………………………………………………3

第二篇零件设计

一、铸造课程设计（输送机底座）…………………………………6

1、零件名称……………………………………………………6

2、零件简图……………………………………………………6

3、技术要求和生产性质………………………………………6

4、零件的选材分析……………………………………………7

5、毛坯选择分析………………………………………………8

6、浇注位置及分形面的选择…………………………………10

7、铸件的铸造工艺图…………………………………………11

二、锻造课程设计（汽车半轴）…………………………………12

1、零件名称……………………………………………………12

2、零件简图……………………………………………………12

3、技术要求和生产性质………………………………………12

4、零件的选材分析……………………………………………12

5、毛坯选择分析………………………………………………14

6、工艺流程……………………………………………………15

三、焊接零件的设计（乙炔气瓶）…………………………………16

1、零件名称……………………………………………………16

2、零件简图……………………………………………………16

3、技术要求和生产性质………………………………………17

4、零件的选材分析……………………………………………18

5、焊接方法的选择……………………………………………19

6、焊接结构的工艺性设计……………………………………20

7、生产工艺流程………………………………………………20

第三篇课程设计感想和体会……………………………………………21

第四篇参考资料…………………………………………………………23

1．课程设计的目的：

《工程材料和热加工基础（Ⅱ）》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和工艺设计。

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。

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（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和要求

3）课程设计的内容和步骤

4）课程设计的时间和安排

5）课程设计的要求

第二部分实验（5学时）

1、通过《工程材料和热加工基础》课程的学习，了解材料常用的力学性能试验方法和设备，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和性能的影响等。

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、实验所用材料和设备，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和教师指导（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和处理后材料的组织和性能特点。

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。

4．考核和成绩评定：

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、轴座设计（铸造零件）

1、零件名称：

输送机底座

2、零件的简图：

3、技术要求和生产性质：

技术要求

≥100Mpa，尺寸稳定，是基础件

生产性质

单件

4、零件的选材分析：

（1）、工作条件：

输送机底座是输送机的基础零件，轴和齿轮等安装在底座之上，保持相互间的位置并协调运动。

机器上的各个零件的重量都由底座来承受，因此底座主要受到压应力，局部受到弯曲应力。

此外，在输送机工作室产生的震动，是动载荷和交变载荷的主要来源。

整个机器的稳定性，和底座关系密切。

此外，底座还承受部分的装配应力，但影响太大。

（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，初步得以下两个方案。

方案一：

在铸钢中进行选择

可以考虑铸钢（ZG35Mn）

具有较高的强度、塑性和韧性，成本较低，在重型机械中用于制造承受大负荷的零件。

；具有较大的冲击韧性，并能通过热处理获得更好的机械性能。

但是铸钢铸造性较差，易出现浇不足，缩孔，晶粒粗大等缺陷。

由于工艺性的限制，所制部件往往壁厚较大、形体笨重。

切削加工较为困难。

而且价格比灰口铸铁要高出许多。

方案二：

在铸铁中进行选择。

灰口铸铁（HT150）

如选用灰口铸铁HT150。

HT150在铸件壁厚为20mm～30mm时抗拉强度大于130MPa，而该零件最厚处为20mm，因此完全可以满足强度要求。

HT150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。

切削加工也比较便利。

虽然焊接性能较差但是没有焊接的需求，作为耐压零部件，灰铸铁的抗压强度时抗拉强度的2.5～4倍，非常适合用作机床床身等部件，加之成本低廉，是该零件较好的选择。

所以选择方案二灰口铸铁HT150比较合适.

5、毛坯选择分析：

由于支座结构复杂，且选择的材料为HT150，故应选择铸造方案。

方案一：

砂型铸造。

砂型铸造具有以下特点：

对合金种类不限制，对铸件的质量范围以及形状均不限制，所以铸造灵活简便。

砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应。

但是铸件晶粒粗大，铸件表面粗糙，需要进一步处理。

生产率较低，机械化程度不高。

对于该零件来说，因为只需要单件生产，所以砂型铸造显得较为简便，而且零件对表面的精度要求不高，可以通过进一步加工解决，因此砂型铸造比较适合。

方案二：

压力铸造

优点：

1.高压和高速充填压铸型是压铸的两大特点。

铸件尺寸精度高，表面光洁度好，强度和硬度较高，尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件。

2.生产效率高，易实现机械化和自动化。

3.经济效果优良，由于压铸件尺寸精确，表泛光洁等优点。

一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时；铸件价格便易；可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料。

既节省装配工时又节省金属。

缺点：

1.压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳定，故采用一般压铸法，铸件易产生气孔，不能进行热处理。

2.对内凹复杂的铸件，压铸较为困难。

3.不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。

因为该零件是单件生产，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。

砂型铸造的方案选择

方案一：

采用分开模两箱造型，水平浇铸。

型腔较浅，因此造型、下芯很方便，铸件尺寸较精确。

但分型面通过铸件圆柱面，会产生披缝，同时铸件在上、下箱各半，容易产生错箱缺陷，且飞边的清理工作量较大。

方案二：

采用整模造型，垂直浇铸。

铸件沿底面分型，铸件全部在下箱，即上箱为平面，不会产生错箱缺陷，且使主要加工面处于铸型侧面，清理简便。

采用雨淋式交口垂直浇注，可以控制金属液呈细流流入型腔，减少冲击力，铁液上升平稳，铸件定向凝固，补缩效果好，气体、熔渣易于上浮，不易产生夹渣、气孔等缺陷，逐渐组织均匀，致密、耐磨性好。

但是轴孔凸台妨碍起模，必须采用活块或下芯来克服；当采用活块时，轴孔又难以下芯。

综合考虑选择方案二整模造型比较合适。

6.浇注位置及分型面的选择：

（1）、浇注位置选择：

1、铸件的重要加工面应朝下或位于侧面

2、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。

3、具有大面积薄壁的铸件，应将薄的部分放在铸型的下部，或使其处于垂直或倾斜位置，有利于金属的填充，防止产生浇不足或冷隔等缺陷。

。

4、铸件的大平面应该朝下

（2）、铸造分型面的选择：

　　1、分型面一般应取再铸件的最大截面上，否则难以取出模样。

2、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。

3、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。

4、应尽量减少型芯、活块得数量，以减少成本、提高工效。

5、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、铸件的铸造示意图：

分型面的选择

主要工艺流程：

二、锻造课程设计

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37～44HRC，盘部外圆24～34HRC。

生产性质

批量生产

4、零件的选材分析：

1、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）、轴颈承受较大的摩擦；

（3）、承受一定的冲击载荷。

2、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）、断裂失效：

由于大载荷和冲击载荷作用，轴发生折断或扭转。

（3）、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：

在调质合金钢中选择

考虑40Cr。

这类钢经过调质后有着较好的综合性能。

40Cr的强度和淬透性比45钢高且冲击韧性良好，有较高疲劳强度，这都很符合轴类的要求。

但是价格比碳钢贵，所以不适合。

方案二：

在超高强度钢中选择

考虑18Ni

超高强度钢有着非常优越的性能，可以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，所以不适合作为选材。

方案三：

在碳钢中选择

考虑45钢。

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，这些都满足汽车半轴对材料的要求。

虽然45钢的淬透性较差，在水介质中的淬透直径仅为15mm左右，由于汽车半轴对硬度要求不高，且无需大的淬透性，45钢水淬已可满足。

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。

综上分析，选择45钢

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：

选用自由锻，优点是使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，如果是单件生产缺点还可以忍受，考虑到零件需要批量生产，自由锻的方案是行不通的

方案二：

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。

比较而言，还是采用方案二较为合理。

6、工艺流程：

三、焊接零件设计

1、零件名称乙炔气瓶

2、零件简图

3、零件的技术要求和生产性质

技术要求

壁厚4.5mm，设计压力6MPa

生产性质

大量生产

4、选材分析

1、工作条件

乙炔气瓶是一种焊接构建，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。

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，又必须有良好的耐腐蚀和抗氢能力；在高温条件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。

方案一：

低碳马氏体结构钢16Mn。

力学性能优良，有高强度，良好的耐磨性和高硬度，完全满足该容器的要求而且价格上比较适中。

方案二:

渗碳钢20Cr。

渗碳钢表面硬度高，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。

但其塑性和韧性较差，并不适合支撑圆筒状容器。

方案三：

奥氏体不锈钢1Gr18Ni9。

该型号的不锈钢常用作压力容器的材料，其σb≥500MPa，σ0.2≥200MPa。

对于此容器，该不锈钢可以满足其性能要求，但价格较为昂贵。

综上各点，选用低碳马氏体结构钢16Mn。

5、零件毛坯的生产：

形状较为简单，且大量生产，所以选用焊接方法加工。

方案一：

用冲压的方式生产两个气瓶原件，并在其中一个的顶部冲压出一个入孔。

入孔圈和接头可冷卷或热卷。

瓶体由上下两部分经冲压成型后焊接在一起，瓶体上只有一条环形焊缝，焊缝，焊接工作量小。

但是要冲压出两个管身细长，不易加工成型，所以一般不采用。

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，和筒身连接处有30~50cm的直径以使焊缝避开转角处的应力集中位置。

入孔圈和接头可冷卷。

再将上下封头和筒身焊接在一起。

共七条焊缝，焊接工作量比较大。

但上下封头易冲压形成，易操作，筒身性能比较好，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，但对焊工技术要求高，生产小路低，焊接劳动条件差，劳动强度大。

方案二：

埋弧自动焊。

生产效率高，成本低，焊接质量好。

但是适应条件较差，设备较复杂，设备投资费用大。

适用于大批量生产。

由于钢制压力容器为大批量生产，宜采用埋弧自动焊。

此外瓶体和瓶颈的焊接原因焊缝直径较小，长度较短，可采用手工电弧焊。

综合考虑，选用手工电弧焊

焊接材料：

焊条选用E5015

焊丝选用H08MnA

焊剂选用HJ401-H08MnA

工艺流程

法兰易熔塞座：

法兰：

下料→切屑加工→钻孔

易熔塞座：

下料→锻造加工→切屑加工

筒体：

封头：

气割下料→拉深→切边→开易熔塞座孔

筒节：

剪切下料→卷圆→焊接内纵缝→焊接外纵缝→筒节和封头组对→开管座孔→焊接内环缝→射线探伤→法兰、短管、筒体装配和焊接→清理→水压试验→气密性试验

第三篇课程设计的感想和体会

这次课程设计我最深的感触就是“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。

《工程材料和热加工基础》这门课我们已经学完了，测试也刚刚过去，在一轮期末复习后应该说现在是我们知识掌握的最好的时候，可是真正要把学到的知识从考卷搬到实际生活中，对我们来说是一个很大的挑战。

在课设中我们要靠自己所学的材料和热加工的知识来从头到尾设计出三个零件。

考验的是我们对知识融会贯通的能力。

回顾课设的过程，刚拿到这个题目时，我一点头绪也没有，仔细研读了课设的指导书后，我大概理清了思路，零件的设计过程是按时间轴展开，从零件的特性和要求选取合适的材料，选好材料后再设计零件的加工方案，最后总结零件的工艺流程，过程中我们的依据就是学到的知识。

我选取了三个零件，然后逐一分析，撰写报告。

真正投入到设计之中就会忘记时间，我有一个晚上从晚上7点一直做到了凌晨都没有察觉出时间的流逝，毕竟摆脱了死记硬背而是去理解去体会那些知识让人不知疲倦。

设计的过程也就是我再次学习的过程，也让我学会了理论联系实践的思维，培养了综合运用所学的知识去发现并解决实际问题的能力,同时也锻炼了实践能力。

课设过程中我也有了一些想法，想提出一些自己的建议：

实验报告的形式还是显得过于单薄，可以参照电子技术课程设计的方式，发放材料，让同学们做出实物，这样也可以更好的提升同学们的动手能力，也更容易发现设计中的问题，培养同学们解决问题的能力。

可以让这门课设和金工实习结合起来，利用工程训练中心的资源给同学们实践的机会。

第四篇参考资料

[1]王少刚，郑勇，《工程材料和热加工基础》课程设计指导

书，南京航空航天大学，2006

[2]王少刚，《工程材料和成形技术基础》，国防工业出版社，2008