工程材料熱加工課程設(shè)計(jì)(南航)

1、工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)南 京 航 空 航 天 大 學(xué)工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)學(xué) 院 航空宇航學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 飛行器設(shè)計(jì)與工程 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)老師 完成日期 2013年6月27日 第一部分 任務(wù)書(shū) 工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué)院 航空宇航學(xué)院 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 題目：典型零件的選材、加工工藝路線安排與結(jié)構(gòu)工藝性的分析下達(dá)時(shí)間 2013-6-24 起訖時(shí)間 2013-6-242013-6-271 課程設(shè)計(jì)的目的：工程材料與熱加工基礎(chǔ)是工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)工藝性、實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容包括工程材料學(xué)、鑄造、鍛壓、焊接等。為提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合運(yùn)用

2、所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，在學(xué)習(xí)該課程后進(jìn)行一周的課程設(shè)計(jì)。其目的是：1）通過(guò)課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐，使學(xué)生進(jìn)一步加深了解和鞏固課程所學(xué)的有關(guān)知識(shí)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。2）通過(guò)課程設(shè)計(jì)使學(xué)生初步達(dá)到在一般機(jī)械設(shè)計(jì)中能合理選擇材料、選擇毛坯生產(chǎn)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(jié)構(gòu)工藝性分析。2 課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：本課程設(shè)計(jì)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(chǎn)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(shè)計(jì)的要求：1) 學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)中規(guī)定的零件或由任課教師指定的零件

3、，任選三個(gè)零件（包括鑄件、鍛件和焊接件各一個(gè)），分析各個(gè)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、選擇毛坯生產(chǎn)方法，并能合理安排零件的熱處理工藝、制造工藝流程，按設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)中要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝性分析與工藝設(shè)計(jì)。 2) 設(shè)計(jì)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(yīng)考慮23個(gè)方案進(jìn)行比較,充分論證,選取最佳方案,并在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中詳細(xì)敘述,不能只給出簡(jiǎn)單的結(jié)論。3) 每個(gè)學(xué)生完成一份完整的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是反映設(shè)計(jì)結(jié)果的技術(shù)文件，必須認(rèn)真寫(xiě)好。要求論述清楚，文字簡(jiǎn)潔，書(shū)寫(xiě)（或打?。┕ふ?，論述中應(yīng)附加必要的插圖說(shuō)明。4) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告的格

4、式：首頁(yè)為題目，依此為任務(wù)書(shū)，目錄（目錄應(yīng)標(biāo)明序號(hào)、標(biāo)題和頁(yè)次），正文、體會(huì)和建議、參考資料。3 課程設(shè)計(jì)的完成情況：教學(xué)內(nèi)容由課程設(shè)計(jì)布置（23學(xué)時(shí)）、輔導(dǎo)（23單元）、綜合實(shí)驗(yàn)（5學(xué)時(shí)）、自行設(shè)計(jì)大作業(yè)組成，共5天。第一部分 課程設(shè)計(jì)布置（23學(xué)時(shí)）1) 設(shè)計(jì)的目的2) 課程設(shè)計(jì)題目的選定與要求3) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟4) 課程設(shè)計(jì)的時(shí)間與安排5) 課程設(shè)計(jì)的要求第二部分 實(shí)驗(yàn)（5學(xué)時(shí)）1、 通過(guò)工程材料與熱加工基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，了解材料常用的力學(xué)性能試驗(yàn)方法與設(shè)備，學(xué)會(huì)硬度計(jì)的使用，學(xué)會(huì)光學(xué)金相顯微鏡的使用，學(xué)會(huì)分析常用碳鋼的平衡組織，學(xué)會(huì)使用常規(guī)的熱處理爐進(jìn)行常規(guī)的熱處理實(shí)驗(yàn)，掌握熱處

5、理加熱、冷卻方式對(duì)材料組織與性能的影響等。2、 在以上基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，任課老師同意的情況下，歡迎同學(xué)進(jìn)行一些綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，并寫(xiě)出預(yù)備實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)所用材料與設(shè)備，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行必要的分析等，交給任課老師審閱，確定實(shí)驗(yàn)時(shí)間后由任課老師或?qū)嶒?yàn)老師指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第三部分 學(xué)生自行設(shè)計(jì)與教師指導(dǎo)（34天）1、 三種零件（鑄件、鍛件、焊接件）確定后，學(xué)生要查閱相關(guān)的資料，了解各個(gè) 零件的工作條件（受力大小、力的性質(zhì)、環(huán)境是否有腐蝕等），根據(jù)零件的工作條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定23個(gè)選材方案，并進(jìn)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

6、特點(diǎn)。2、 分別對(duì)三種零件（鑄件、鍛件、焊接件）制定23個(gè)毛坯生產(chǎn)的具體方案進(jìn)行分析比較，確定一個(gè)最佳方案畫(huà)出三種零件的生產(chǎn)工藝圖。4考核與成績(jī)?cè)u(píng)定： 課程設(shè)計(jì)報(bào)告和平時(shí)成績(jī)（80%+20%）兩部分。 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 系部審查意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人簽字 年 月 日 第二部分 目錄1、 軸座零件.81、零件名稱(chēng).82、零件簡(jiǎn)圖.83、零件技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì).84、零件選材分析.85、毛坯生產(chǎn)方案.96、工藝流程.102、 軸類(lèi)零件.101、零件名稱(chēng).102、零件簡(jiǎn)圖.103、零件技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì).104、零件選材分析.115、毛坯的生產(chǎn)選擇.126、鍛造工藝設(shè)計(jì).137、工藝流程.133、

7、容器類(lèi)零件.131、零件名稱(chēng).132、零件簡(jiǎn)圖.133、零件技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì).134、零件選材分析.145、毛坯的生產(chǎn)方案.156、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).157、工藝流程.164、 體會(huì)和建議.175、 參考資料.18第三部分 零件設(shè)計(jì)一、軸座設(shè)計(jì)（鑄造零件）1.1 零件名稱(chēng)軸座1.2 零件簡(jiǎn)圖：1.3 零件技術(shù)要求與生產(chǎn)性質(zhì)：（1）技術(shù)要求：b200MPa，支撐軸件，承受振動(dòng)。（2）生產(chǎn)性質(zhì)：大批生產(chǎn)。1.4 零件選材分析：軸座是機(jī)器中的基礎(chǔ)零件，軸承的重量都由支承件承擔(dān)，因此支座主要受壓應(yīng)力，此外支座還要承受軸件工作時(shí)的動(dòng)載荷以及穩(wěn)定在機(jī)架或基礎(chǔ)上的緊固力。考慮到這些力都不是很大，且軸座對(duì)內(nèi)孔及

8、底板平面表面僅有尺寸要求，無(wú)特殊質(zhì)量要求，故該零件選材無(wú)特殊要求。這里有幾個(gè)方案可供選擇：方案一：選用鑄鋼。優(yōu)點(diǎn)是壁厚增加強(qiáng)度不會(huì)降低，機(jī)械性能比鑄鐵好，缺點(diǎn)是流動(dòng)性較差、收縮性較大。方案二：選用灰鑄鐵。該材料在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉，且工藝性能好。選用HT250澆注后，該零件抗拉強(qiáng)度在250MPa左右，機(jī)械性能符合要求。但其塑性、韌性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼。方案三：選用球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的力學(xué)性能比灰鑄鐵要好，但價(jià)格要高。綜合考慮，由于該零件壁厚不是很厚，選用HT250在力學(xué)性能上可以達(dá)到要求，且能降低成本。1.5 毛坯生產(chǎn)方案該零件形狀復(fù)雜，且大批量生產(chǎn)，應(yīng)采用材料利用率高、成本低的鑄造毛坯。選擇

9、鑄造性能優(yōu)良的灰鑄鐵（HT250），無(wú)需考慮補(bǔ)縮。關(guān)于鑄造毛坯的生產(chǎn)有以下兩種方案：方案一：采用分開(kāi)模兩箱造型，水平澆鑄。型腔較淺，因此造型、下芯很方便，鑄件尺寸較精確。但分型面通過(guò)鑄件圓柱面，會(huì)產(chǎn)生披縫，同時(shí)鑄件在上、下箱各半，容易產(chǎn)生錯(cuò)箱缺陷，且飛邊的清理工作量較大。方案二：采用整模造型，垂直澆鑄。鑄件沿底面分型，鑄件全部在下箱，即上箱為平面，不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)箱缺陷，且使主要加工面處于鑄型側(cè)面，清理簡(jiǎn)便。采用雨淋式交口垂直澆注，可以控制金屬液呈細(xì)流流入型腔，減少?zèng)_擊力，鐵液上升平穩(wěn)，鑄件定向凝固，補(bǔ)縮效果好，氣體、熔渣易于上浮，不易產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷，逐漸組織均勻，致密、耐磨性好。但是軸孔凸臺(tái)

10、妨礙起模，必須采用活塊或下芯來(lái)克服；當(dāng)采用活塊時(shí)，軸孔又難以下芯。綜合分析，由于是大批量生產(chǎn)，機(jī)器造型難以進(jìn)行活塊造型，所以宜采用型芯克服起模的困難。所以采用方案二。1.6工藝流程：整模造型下料熔煉澆注落砂、清理檢驗(yàn)是否合格去應(yīng)力退火二、汽車(chē)半軸設(shè)計(jì)（鍛造零件）2.1 零件名稱(chēng)汽車(chē)半軸2.2 零件簡(jiǎn)圖：2.3 零件技術(shù)要求及生產(chǎn)性質(zhì)：（1）技術(shù)要求：傳遞扭矩，承受沖擊，硬度：桿部3744HRC，盤(pán)部外圓2434HRC。（2）生產(chǎn)性質(zhì)：批量生產(chǎn)2.4 零件選材分析：（1）傳動(dòng)軸的工作條件：傳遞一定的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，承受一定的交變彎曲應(yīng)力；軸頸承受較大的摩擦；承受一定的沖擊載荷。（2）傳動(dòng)軸的失效形式：

11、疲勞斷裂：由于受扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞交變載荷長(zhǎng)期作用，造成軸疲勞斷裂。這是主要的失效形式。斷裂失效：由于大載荷或沖擊載荷作用，軸發(fā)生折斷或扭斷磨損失效：軸頸處過(guò)度磨損。（3）傳動(dòng)軸的性能要求：良好的綜合力學(xué)性能，即強(qiáng)度、塑性、韌性有良好的配合，以防止沖擊或過(guò)載斷裂； 高的疲勞強(qiáng)度，以防止疲勞斷裂；良好的耐磨性，防止軸頸磨損。此外，還應(yīng)考慮剛度、切削加工性、熱處理工藝性和成本。（4）傳動(dòng)軸零件的選材：方案一：選用中碳合金調(diào)制鋼，如40CrNiMo，此類(lèi)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，且淬透性非常好，其油淬直徑可達(dá)75mm，淬硬性高。但其價(jià)格較高，約為45鋼兩倍。方案二：選用中碳鋼。雖然中碳鋼淬透性低，但

12、由于汽車(chē)半軸主要受扭矩作用，這類(lèi)軸在整個(gè)截面上所受的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力較大，心部應(yīng)力較小。且它冷熱加工性能都不錯(cuò)，機(jī)械性能較好，價(jià)格低，來(lái)源廣。由于汽車(chē)半軸對(duì)硬度要求不高，且無(wú)需大的淬透性，45鋼水淬已可滿足。綜合考慮，選用方案二。2.5 毛坯的生產(chǎn)選擇在機(jī)械制造業(yè)中，凡承受重載零件，如主軸、連桿等，常使用鍛件毛坯。鍛件晶粒細(xì)小，組織致密，且熱加工使纖維分布合理。另外由于選用的是中碳鋼，該材料的鑄造、焊接性能都較差，故選用鍛造毛坯比較合適。方案一：先采用拔長(zhǎng)，再進(jìn)行切削、拋光加工。該方案的優(yōu)點(diǎn)是毛坯制造簡(jiǎn)單，需要設(shè)備簡(jiǎn)單，且應(yīng)用設(shè)備和工具有很大通用性。缺點(diǎn)是毛坯加工量大，金屬消耗多，毛坯

13、加工后傳動(dòng)軸的鍛造纖維組織被切斷，降低了傳動(dòng)軸的力學(xué)性能。方案二：選用接近零件形狀的模鍛件制造毛坯，再用精密模鍛保證加工精度，后期再進(jìn)行拋光處理。該方案的優(yōu)點(diǎn)是材質(zhì)機(jī)械性能好，纖維組織不切斷，生產(chǎn)效率較高，加工余量小，節(jié)省金屬，精度高，并且可鍛造出形狀復(fù)雜的鍛件。缺點(diǎn)是成本太高，尤其是精密鍛造模具成本更高，且需要精度高、壓力大的專(zhuān)用設(shè)備，不適合小批量生產(chǎn)，且由于受模鍛設(shè)備限制，模鍛件不能太大。綜合考慮，由于是批量生產(chǎn)，且半軸盤(pán)部形狀復(fù)雜，采用自由鍛難以加工，故宜采用方案二較為合理。2.6 鍛造工藝設(shè)計(jì)采用“鐓粗拔長(zhǎng)預(yù)鍛終鍛切除毛邊修整”工序去應(yīng)力退火表面處理精加工正火模鍛下料2.7 工藝流程三

14、、鋼制壓力容器設(shè)計(jì)（焊接零件）3.1 零件名稱(chēng)鋼制壓力容器3.2 零件簡(jiǎn)圖：3.3 零件技術(shù)要求及生產(chǎn)性質(zhì)：（1）技術(shù)要求：現(xiàn)有鋼板尺寸為1200mmX600mmX8mm，容器工作壓力為20個(gè)大氣壓，工作溫度為-4060，接管外徑65mm，壁厚10mm，高約60mm。（2）生產(chǎn)性質(zhì)：大批生產(chǎn)。3.4 零件選材分析： 該結(jié)構(gòu)對(duì)焊接性要求較高，要有較好的氣密性和耐腐蝕性，能承載一定的沖擊。在滿足結(jié)構(gòu)使用要求的條件下，盡量選擇焊接性能較好的材料。一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.25%的碳素鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.20%的低合金鋼都具有良好的焊接性,應(yīng)盡量采用。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.50%的碳素鋼和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大

15、于0.40%的合金鋼焊接性不好，盡量避免采用。同一構(gòu)件焊接時(shí)盡量選用同種金屬材料。方案一：選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，如Q235-A，有良好的塑性、韌性、焊接性及冷加工性，而且價(jià)格便宜，適合用于批量生產(chǎn)。但是力學(xué)性能一般，淬火性能差。方案二：普通低合金鋼。普通低合金鋼中有許多適合用于制作壓力容器的材料。如16Mn，其力學(xué)性能優(yōu)良，b1440MPa，s1200MPa，是壓力容器常用材料之一，且其塑性也很好，適于沖壓。方案三：奧氏體鋼。奧氏體鋼中的1Cr18Ni9也是壓力容器的常用材料，其b550MPa，s40MPa。缺點(diǎn)是不銹鋼很昂貴不適合批量生產(chǎn)。分析以上三種材料，由于1Cr18Ni9過(guò)于昂貴，其價(jià)格

16、約為16Mn的十倍，因此不宜選用。由于鋼制壓力容器為低壓容器，故選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼即可符合要求。3.5 毛坯的生產(chǎn)方案：由于鋼制壓力容器的形狀比較簡(jiǎn)單，工作條件要求較高的安全性，加之材料厚度小且需要進(jìn)行批量生產(chǎn)，所以可采用沖壓與焊接的方法加工。3.6 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：選擇氣瓶材料：接管、大小保護(hù)翼選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼10，切削加工后焊到瓶體上。上、下封頭用現(xiàn)有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板沖壓成形，筒身用低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼板卷圓后焊成。確定焊縫位置：瓶體焊縫布置有兩種方案，如下所示。方案一：瓶體由上、下兩部分經(jīng)沖壓成形后焊在一起，焊接工作量小，但由于瓶體細(xì)長(zhǎng)，難以沖壓成形，且現(xiàn)有鋼板規(guī)格難以滿足，故此方案不可取。

17、方案二：瓶體由上、下封頭及簡(jiǎn)身三部分組成。上、下封頭沖壓成形，簡(jiǎn)身由鋼板卷圓后焊好，再將上、下封頭與簡(jiǎn)身焊在一起。受鋼板規(guī)格所限，封頭需要由兩塊鋼板沖壓后焊接而成，筒身需要八塊鋼板多次焊接而成，瓶體共有13條焊縫，雖然焊接工作量大。但上、下封頭易沖壓成形，故應(yīng)選用此方案。焊接接頭設(shè)計(jì)：接管與瓶體的焊縫采用不開(kāi)坡口的角焊縫；大小保護(hù)翼與瓶體的焊縫采用開(kāi)坡口的角焊縫；因氣瓶為壓力容器，為保證焊接質(zhì)量，筒身的縱向焊縫及上、下封頭與簡(jiǎn)身的環(huán)形焊縫均采用I形開(kāi)坡口雙面焊：選擇焊接方法和焊接材料：接管、大小保護(hù)翼與容器體焊接，因焊縫直徑很小，長(zhǎng)度均較短，且大部分焊縫在弧面上，故采用焊條電弧焊方法，為保證焊

18、接質(zhì)量，常采用堿性焊條J507。容器筒體環(huán)形焊縫、縱向焊縫的焊接，可采用氣焊、手弧焊、埋弧自動(dòng)焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、氬弧焊等多種焊接方法進(jìn)行?？紤]到是大批生產(chǎn)，且產(chǎn)品是壓力容器，為保證焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，常選用埋弧自動(dòng)焊。焊絲選用H08A，配合焊劑HJ43l。3.7 工藝流程接管：下料切削加工鉆孔大小保護(hù)翼：剪板下料沖壓焊縱縫封頭：氣割下料拉深切邊除銹鉆接管孔筒身：剪切下料卷圓焊接內(nèi)縱縫焊接外縱縫筒身與上下封頭拼裝組對(duì)焊接內(nèi)環(huán)縫焊接外環(huán)縫射線探傷接管、大小保護(hù)翼、筒身裝配與焊接清理水壓試驗(yàn)氣密性實(shí)驗(yàn)第四部分 課程設(shè)計(jì)的體會(huì)和建議此次課程設(shè)計(jì)給我們提供了一次回顧所學(xué)知識(shí)并應(yīng)用創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)了我們綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我遇到了很多問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)自己對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，許多地方一知半解。通過(guò)這次課程，我從中體會(huì)到了做一件事情之前的準(zhǔn)備工作要比實(shí)際的做更重要。前期的設(shè)計(jì)工作是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，也是最艱難的事情，因?yàn)樵O(shè)計(jì)工作可以決定一個(gè)項(xiàng)目的成敗。雖然我們做的只是幾個(gè)小小的零件，但是這中間的選材，熱處理工藝，加工工藝一個(gè)也不能落下。每項(xiàng)都需要我們?nèi)ゲ殚嗁Y料，并結(jié)合所學(xué)知識(shí)來(lái)確定加工方案。我個(gè)人感覺(jué)，由