工程材料熱加工課程設計

1、工程材料與熱加工基礎課程設計說明書學 院 專 業(yè) 學 號 姓 名 指導老師 完成日期 任 務 書 工程材料與熱加工基礎（）課程設計 學生姓名 學院 學號 指導教師 題目：典型零件的選材、加工工藝路線安排與結構工藝性的分析下達時間 2011年6月20日 起訖時間 2011-6-20至2011-6-241、課程設計的目的：工程材料與熱加工基礎（）是工程類專業(yè)必修的一門工藝性、實踐性很強的綜合性技術基礎課，其內容包括工程材料學、鑄造、鍛壓、焊接等。為提高學生的工程實踐能力和綜合運用所學知識分析解決實際問題的能力，在學習該課程后進行一周的課程設計。其目的是：1）通過課程設計的實踐，使學生進一步加深了解

2、和鞏固課程所學的有關知識，提高學生綜合運用所學知識分析解決實際問題的能力。2）通過課程設計使學生初步達到在一般機械設計中能合理選擇材料、選擇毛坯生產方法，并能合理安排典型零件的熱處理工藝、零件制造工藝流程及結構工藝性分析。2、 課程設計的主要內容：本課程設計包括典型零件的材料選擇，熱處理工藝路線的安排，零件毛坯生產方法選擇主要包括鑄造（液態(tài)成型）、壓力加工（塑性成形）和焊接（連接成型）三種成型方法。 課程設計的要求：1）學生根據(jù)課程設計指導書中規(guī)定的零件或由任課教師指定的零件，任選三個零件（包括鑄件、鍛件和焊接件各一個），分析各個零件的工作條件、受力狀況、失效形式等，合理選擇各零件所用材料、選

3、擇毛坯生產方法，并能合理安排零件的熱處理工藝、制造工藝流程，按設計指導書中要求進行結構工藝性分析與工藝設計。 2）設計中制訂的工藝方案（如選材方案、毛坯選擇方案、鑄造工藝中分型面的選擇方案等）,應考慮23個方案進行比較,充分論證,選取最佳方案,并在設計說明書中詳細敘述,不能只給出簡單的結論。3）每個學生完成一份完整的課程設計報告。設計說明書是反映設計結果的技術文件，必須認真寫好。要求論述清楚，文字簡潔，書寫（或打?。┕ふ撌鲋袘郊颖匾牟鍒D說明。4）課程設計報告的格式：首頁為題目，依此為任務書，目錄（目錄應標明序號、標題和頁次），正文、體會和建議、參考資料。3、課程設計的完成情況：教學內容

4、由課程設計布置（23學時）、輔導（23單元）、綜合實驗（5學時）、自行設計大作業(yè)組成，共5天。第一部分 課程設計布置（23學時）1) 設計的目的2) 課程設計題目的選定與要求3) 課程設計的內容與步驟4) 課程設計的時間與安排5) 課程設計的要求第二部分 實驗（5學時）1、通過工程材料與熱加工基礎課程的學習，了解材料常用的力學性能試驗方法與設備，學會硬度計的使用，學會光學金相顯微鏡的使用，學會分析常用碳鋼的平衡組織，學會使用常規(guī)的熱處理爐進行常規(guī)的熱處理實驗，掌握熱處理加熱、冷卻方式對材料組織與性能的影響等。2、在以上基礎實驗的基礎上，任課老師同意的情況下，歡迎同學進行一些綜合性和設計性的實驗

5、，并寫出預備實驗報告、實驗題目、實驗目的、實驗所用材料與設備，并對實驗的結果進行必要的分析等，交給任課老師審閱，確定實驗時間后由任課老師或實驗老師指導進行實驗。第三部分 學生自行設計與教師指導（34天）1、三種零件（鑄件、鍛件、焊接件）確定后，學生要查閱相關的資料，了解各個零件的工作條件（受力大小、力的性質、環(huán)境是否有腐蝕等），根據(jù)零件的工作條件和結構特點制定23個選材方案，并進行分析比較，再安排其他加工工藝路線，并分析各熱處理工序的作用與處理后材料的組織與性能特點。2、分別對三種零件（鑄件、鍛件、焊接件）制定23個毛坯生產的具體方案進行分析比較，確定一個最佳方案畫出三種零件的生產工藝圖。4考

6、核與成績評定： 課程設計報告和平時成績（%80+%20）兩部分。 指導教師簽字_ 年 月 日 系部審查意見： 負責人簽字_ 年 月 日 目 錄一、軸類零件 61、零件名稱2、零件圖3、選材4、零件毛坯生產5、工藝流程二、軸承座零件7 1、零件名稱2、零件圖3、選材4、零件毛坯生產5、澆注位置及分型面的選擇6、鑄件的鑄造工藝及圖示 三、容器類零件101、零件名稱2、零件圖3、選材4、零件毛坯生產5、加工工藝6、工藝流程四、參考資料11正 文一 軸類零件1、零件名稱：c6132車床主軸2、零件圖：此處畫圖3、選材1、技術要求和生產性質（1）技術要求：在滾動軸承中運轉，承受交變彎曲和扭轉應力， 80

7、0mpa，9%，0.6mj/m，內錐孔和外錐體硬度4045hrc，其余部位220250hbs（2）生產性質：大批生產2、選材分析（1）工作條件 車床主軸，帶動工件旋轉，并能承受一定的載荷。它在滾動軸承中運轉，還需要承受摩擦。因而其工作條件為：a 傳遞扭矩，承受拉、壓載荷；b 軸頸承受較大的摩擦；c 承受一定的沖擊載荷。 （2）失效形式 軸被軸承支承的部分成為軸頸。主軸在工作時由于軸頸和軸承的接觸會產生摩擦，導致表面發(fā)熱、磨損。同時交變載荷長期作用也會是軸疲勞斷裂。所以車床主軸的主要失效形式有：a. 疲勞破壞造成斷裂b. 過度磨損導致失效 （3）綜合分析 c6132車床主軸需要承受較大的抗拉強度

8、，具有較大的沖擊韌性，對局部錐孔需要進行另外熱處理，其余部位的硬度也有一定要求，而且要大批量生產，選用的材料應比較常用且較便宜。 （4）選材方案 方案一： 從碳鋼中選擇。一般車床主軸多用45鋼，其價格相對較便宜，在調質處理后力學性能有所改善。45鋼在熱處理后為650800mpa，450j/m，硬度可達到220250hbs。而此處要求 800mpa，0.6mj/m。45鋼硬度能滿足要求，但其抗拉強度和沖擊韌性太低，不滿足要求。方案二：從合金鋼中選擇。選擇40cr這種中碳合金調質鋼。它的價格要比普通的45鋼高。但性能更好。其力學性能：1000mpa，600 j/m，調質后硬度達220250hbs，

9、局部淬硬，表面硬度可達4655hrc。因此它具有較高的疲勞強度，能抵抗一定程度的變形。同時合金鋼中cr的加入可有效提高淬透性，整體力學性能較好。結論：綜上所述，應選擇40cr作為c6132車床主軸的材料。4、零件毛坯生產 車床主軸承受重載，交變載荷，并高速旋轉，適合采用鍛件。鍛造能使材料的力學性能更加良好。鍛造毛坯有三個方案：方案一： 采用自由鍛。自由鍛成本低，很經濟。但是自由鍛消耗時間廠，效率比較低，只適用于小批量生產。該車床主軸要求大批量生產，條件不符。 方案二： 采用錘上模鍛。與自由鍛相比，生產率高，加工余量小，可鍛出形狀復雜的鍛件，而且能節(jié)省金屬材料，降低生產成本。但是其型槽復雜造價高

10、。 方案三： 采用壓力機上模鍛。選擇平鍛機上模鍛，適合制造長軸和帶孔零件，生產率比較高。 結論： 由于車床主軸是大批量生產，因此不適合采用自由鍛，自由鍛勞動強度大而且生產效率低。至于錘上模鍛，其鍛模模膛復雜，造價高。因此采用平鍛機上模鍛，生產效率高，且適合長軸的生產。5、工藝流程 下料鍛造正火機械加工調質表面局部淬火，低溫回火精車去應力退火磨削人工時效精磨由于主軸的大批量生產，工序不宜過于復雜。正火是為了得到合適的硬度，以便于機械加工。調質處理是得到較高的韌性和足夠的硬度。較高的硬度能防止軸頸的磨損失效。局部淬火則是為了保證內錐孔和外錐體的硬度。去應力退火和人工時效作用是為了消除內應力，減少零

11、件變形，穩(wěn)定尺寸。二 軸承座零件1、零件名稱：輸送機底座2、零件圖： 此處畫圖3、選材 1、技術要求和生產性質 （1）技術要求： 100mpa，尺寸穩(wěn)定，作為基礎件，主要起支撐和減震的作用 （2）生產性質：單件 2、選材分析 （1）工作條件主要起支承作用，受壓應力，也需要承受零件工作時的動載荷和穩(wěn)定在機架或基礎上的緊固力。（2）失效形式變形失效：承受的應力超過極限時，底座變形過大，失效；疲勞斷裂：長期受交變應力的影響，造成底座的疲勞斷裂。 （3）綜合分析 根據(jù)底座的作用和載荷情況，它應有足夠的強度和良好的減震性以及尺寸穩(wěn)定性。選材時應重點考慮材料的強度和剛度，兼顧材料的沖擊韌性和硬度。 （4）

12、選材方案 方案一： 選用鑄鋼。鑄鋼強度較高，塑性較好，熱處理后可獲得較高的硬度，并能承受較大的載荷和沖擊。但底座一般通過鑄造成型，而鑄鋼的鑄造性能較差，易出現(xiàn)澆注不足、縮孔等鑄造缺陷，這將影響成型后零件的性能和使用。 方案二：選用灰鑄鐵。底座壁厚20mm，選用壁厚2030mm的ht150， 170mpa，滿足強度要求。灰鑄鐵和普通碳鋼相比，雖然抗拉強度較低，但是抗壓強度是抗拉強度的2.54倍，而且耐磨性和消震性好。 方案三： 選用球墨鑄鐵。與灰鑄鐵相比，球墨鑄鐵有更高的抗拉強度和彎曲疲勞極限，剛性好，但消震能力要低得多。 結論： 綜上所述，鑄鋼的鑄造性能差，不適合作為底座。因此只能選擇鑄鐵。又

13、因為灰鑄鐵的消震效果更好而且實際生產中其成本比球墨鑄鐵更低，所以選用ht150作為輸送機底座的材料。4、零件毛坯生產底座選用的材料為ht150，而且底座的結構比較復雜，故應選擇鑄造。方案選擇如下： 方案一：砂型鑄造。鑄件形狀不受限制，成本較低。但生產效率低，加工余量大，表面粗糙度大。方案二：特種鑄造。如采用熔模鑄造或金屬型鑄造。一般要求批量生產，鑄件表面粗糙度和加工余量小。但成本較高，不適宜小批量生產。 結論： 輸送機底座為單件生產，從成本考慮應選用砂型鑄造。5、澆注位置及分型面的選擇：澆注位置選擇：（1）重要加工面朝下或位于側面；（2）鑄件的大平面應朝下；（3）具有大面積薄壁的鑄件，應將薄的

14、部分放在鑄型的下部，同時盡量使薄壁立著，或是傾斜澆注，有利于金屬的填充；（4）對于易產生縮孔的鑄件，應將厚大部分放在分型面附近的上部或側面。鑄造分型面的選擇：（1）分型面一般應取在鑄件的最大截面上；（2）鑄件的加工面及加工基準表面盡量放在同一砂箱中，以保證鑄件的加工精度；（3）應盡量減少分型面數(shù)量，并采用平面作為分型面，以減少砂箱數(shù)，簡化造型工藝；（4）應盡量減少型芯、活塊的數(shù)量，以減少成本、提高工效；（5）主要型芯應盡量放在半鑄型中，以利于下芯合理和檢查型腔尺寸。6、鑄件的鑄造工藝及圖示 主要工藝參數(shù)：鑄造收縮率0.7%。起模斜度為1，機械加工余量為4mm。 加工工藝路線：鑄造人工時效切削加

15、工局部淬火回火去應力退火三 容器類零件1、零件名稱：液化石油氣瓶體2、零件圖：此處畫圖3、選材 1、技術要求與生產性質 （1）技術要求：壁厚3mm，設計壓力4mpa（約40個大氣壓） （2）生產性質：大量生產 2、選材分析 （1）工作條件 液化石油氣瓶體是用來儲存和運輸液化石油氣的。液化石油氣遇明火易燃，所以對其瓶體的安全性要求比較高。同時瓶體需要有一定的耐蝕性和耐磨性以防止液化石油氣外泄。應能承受較大的壓力和有一定的硬度、強度，且應有很好的塑性，在鋼瓶爆炸前能有很大的塑性變形。 （2）失效形式 運輸過程中的顛簸可能使瓶內液化石油氣對瓶體產生沖擊載荷，從而可能出現(xiàn)疲勞斷裂和斷裂失效。 （3）選

16、材方案 液化石油氣瓶體的軸向應力為= pd/4=104.7mpa周向應力為=2=209.3mpa 方案一： 選用低合金鋼。16mn抗拉強度為419mpa，具有良好的焊接性，成本相對也比較低一些。但是用來儲存石油氣其強度和塑性還不夠。 方案二： 選用不銹鋼。奧氏體型不銹鋼1cr18ni9ti常用于制造壓力容器，520mpa，耐腐蝕，但是其價格昂貴，不適合大批量生產。 方案三： 選用滲碳鋼。20mn2的力學性能820mpa，而且其塑性、韌性、焊接性能和冷沖壓性能均為優(yōu)良，價格也較不銹鋼便宜。 方案四： 選用調質鋼。35crmo的抗拉強度1000mpa，屈服強度850mpa，其屈強比大約為0.8，塑

17、性較好，但是它作為合金鋼，焊接性可能不夠好。 結論： 綜上所述，應選擇20mn2作為瓶體材料比較合適。35crmo可作為其替代品。4、零件毛坯生產 由液化石油氣瓶體要求的性能和所選的材料，可見應由焊接成型為主，鍛造輔助成型。方案一：用沖壓的方法生產兩個外徑為314mm，壁厚為3mm，兩端各有半球殼狀體形元件,一端開口作為瓶嘴，按要求開孔后焊接成型。為加強氣密性，可使用氬弧焊。方案二：用合適的鋼板熱卷成形，制成外徑為314mm，壁厚為3mm，寬為334mm的圓筒形瓶體，沖壓兩個外徑為314mm，深度為94mm，壁厚為3mm的封頭原件，并在一端封頭上開孔，最后焊接成型。結論：由于方案一中沖壓成型的

18、曲率過大易產生開裂，同時難以保證瓶體壁厚為3mm，且加工過程需進行再結晶退火。而方案二焊縫較多，但容易保證壁厚等應有的性能，不需再結晶退火，生產效率可提高?？梢姂x擇方案二的方式。5、加工工藝 （1）焊縫位置及焊接順序 先焊縱向的瓶體與封頭之間的環(huán)縫，由于對其安全性要求較高，應采用雙面焊，但其直徑小，操作困難，故采用u型坡口單面對焊。再焊瓶嘴部分，此處采用開坡口單面角焊。（2）焊接方法由于角焊縫長度較短，且焊縫在弧面上，故瓶嘴部分的焊接采用焊條電弧焊方法。又由于壁厚較小僅為3mm，并考慮到其大量生產，對生產效率和成本有一定要求，故瓶體與封頭之間采用co氣體保護焊或埋弧自動焊。6、工藝流程（1）封頭：此處結構比較復雜，采用水壓機熱壓成形，成型后再加工出其邊