工程材料与热加工课程设计1

南京航空航天大学
《工程材料与热加工基础》课程设计说明书
学院航空宇航学院
专业飞行器设计与工程
学号011010817
姓名毛绍文
指导老师陈文华
完成日期2012年6月20日
工程材料与热加工基础（Ⅱ）课程设计
学生姓名毛绍文学院航空宇航学院学号011010817 指导教师陈文华
题目典型零件的选材、加工工艺路线安排与结构工艺分析
下达时间2012年6月18日起讫时间2012年6月18日至6月20日1．课程设计的目标：
《工程材料与热加工基础（Ⅱ）》是工程类专业必修技术基础课，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，选择毛坯制造方法，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。

（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。

4．考核与成绩评定：
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
目录
一、铸造课程设计 (1)
1、零件名称 (1)
2、零件图 (1)
3、技术要求和生产性质 (1)
4、零件的选材分析 (1)
5、毛坯选择分析 (2)
6、浇注位置及分型面的选择 (3)
7、选择冒口与型芯及型芯头 (4)
8、铸造工艺图 (4)
9、加工工艺 (5)
二、锻造课程设计 (6)
1、零件名称 (6)
2、零件图 (6)
3、技术要求和生产性质 (6)
4、零件的选材分析 (6)
5、毛培选择方案 (7)
6、工艺流程 (7)
三、焊接课程设计 (8)
1、零件名称 (8)
2、零件简图 (8)
3、零件技术要求及生产性质 (8)
4、零件选材分析 (9)
5、毛坯的生产方案 (9)
6、焊接结构设 (9)
7、生产工艺流程 (10)
四、体会和建议 (10)
五、参考文献 (11)
一、铸造课程设计
1、零件名称
支承台
2、零件图
3、技术要求和生产性质：
生产性质技术要求
40件承受中等静载荷，起支承作用，处于压应力状态，σ
≥150MPa
b
4、零件的选材分析：
（1）工作条件：
机器支承台主要用于承受中等静载荷，即在工作时起支撑机器上及其它部件的作用，经常处于压应力状态，此外支座还要承受轴件工作时的动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力。

因此，所选材料能够承受中等压力，且有一定的吸震性和尺寸精度。

（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，初步得以下三个方案。

方案一：选用铸铁。

(1)灰口铸铁
灰口铸铁的硬度低，性质较软，抗压强度大，耐热耐磨性能较好，减震性能良好，铸造性能较好，缺口敏感性较弱，成本低廉。

灰铸铁液态流动性好，凝固收缩性小，抗压强度高，使用时有充分的强度和刚性，能够满足且适合支承台工作要求，而且价格适宜。

(2)球墨铸铁
球墨铸铁的力学性能较好，接近于碳钢，铸造性能好，可制造各种受力复杂的对强度韧性和耐磨性要求较高的零件，但其材料费及加工费较高。

方案二：选用铸钢
铸钢有较高的强度和良好的塑性，通过热处理可获得较高的硬度和能承受较大的载荷和冲击。

但支座结构较复杂，一般通过铸造成型，而铸钢的抗震能力弱，且流动性较差、收缩性较大，铸造时易出现浇注不足、缩孔等铸造缺陷，这将大大影响成型后零件的性能。

方案三：选用铸造铝合金。

铸造铝合金铸造性能优良，有足够的强度。

但是，铝合金密度小、减震性能差，不宜用作基础零件，且价格较高，不满足经济性原则。

对比以上三个方案，综合考虑工作条件，经济性原则等，选择方案一。

支座的外形轮廓尺寸为 160mm*200mm*200mm，主要壁厚 18mm，最大壁厚20mm，为一小型铸件，选用灰口铸铁HT200。

因为支座为一般支承件，对材料的力学性能主要是承压，仅要求抗拉强度不低于150MPa，而HT200的抗拉强度完全可以满足其强度要求。

HT200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。

5、毛坯选择分析：
由于支座结构复杂，且选择的材料为HT200，故应选择以下三种铸造方案之一。

方案一：砂型铸造。

生产批量和铸件形状不受限制，凸台和侧凹附加费用少。

但生产效率低，加工余量大，表面粗糙度大。

方案二：熔模铸造。

要求批量生产，铸件的形状不受限制，铸件表面粗糙度和加工余量小。

但生产效率较低，凸台和侧凹加工费用较高。

方案三：金属型铸造。

适合大批量生产，表面粗糙度和加工余量较小，生产效率高，凸台和侧凹可以铸出。

但铸件形状不宜太复杂，生产成本较高。

零件为中批量生产，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，支承台零件具有锥度、内腔及小孔等结构，形状较复杂但无特殊表面质量要求，由于支承台零件为回转体结构体，且有平直分型面，宜选用砂型铸造成型。

此铸件可供选择的主要铸造工艺方案有两种。

方案一：采用分模造型，水平浇铸
铸件轴线为水平位置，过中心轴线的纵剖面为分型面（下图的轴线C对应的平面），使分型面与分模面一致，有利于下芯、起模，以及砂芯的固定、排气、起模和检验等。

两端的加工面处于侧壁。

横浇道开在上分型面上，内浇道开在下分型面上，熔融的金属从两端法兰的外圆中间注入。

该方案由于将两端加工面置于侧壁位置，质量易得到保证。

内孔表面虽有一侧外圆上面，但对铸造质量影响不大。

此方案浇铸时熔融金属充型平稳，但由于分模造型，易产生错型缺陷，铸件外形精度较差。

方案二：采用三箱造型，垂直浇铸
铸件两端均为分型面和分模面（上图，分别在A端面和B下法兰端面）。

采用垂直式整体芯，。

整个铸型位于中箱，外形精度较高。

但是，在铸件上端面的分型面开一内浇道，切向导入，不设横浇道，熔融金属对铸型冲击较大。

由于采用三箱造型，多用一个沙箱，型砂用量和造型工时同时增加；上端面加工余量加大，金属耗费和切削工时增加，费用明显高于方案一。

综合分析，由于支承台零件为回转体结构体，且有平直分型面，方案一更合理。

又因其生产批量小，宜采用湿砂型手工分模造型。

型采用湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。

6、浇注位置及分型面的选择：
浇注位置选择：
(1)将铸件上质量要求较高的表面或主要的加工面放在铸型的下面。

(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，同时尽量使薄
壁立着，或是倾斜浇注，有利于金属的填充。

(4)对于大平面的铸件，应将大平面放在铸型的下面。

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、选择冒口与型芯及型芯头
通常采用以热节圆半径作为冒口基本参数的计算方法。

热节圆直径可用作图法求解，最后带入经验公式中求解。

在造芯用料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料成本较低，但是烘干后容易产生裂纹，容易变形。

在大批量生产的条件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及保证铸件质量。

选择使用射芯工艺生产砂芯。

采用热芯盒制芯工艺热芯盒法制芯，是用液态固性树脂粘结剂和催化剂制成的一种芯砂，填入加热到一定的芯盒内，贴近芯盒表面的砂芯受热，其粘结剂在很短的时间内硬化。

而且只要砂芯表层有数毫米的硬壳即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余热可自行硬化。

8、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。

9、加工工艺
铸造→时效→切削加工→局部淬火→回火→去应力退火
二、 锻造课程设计
1、零件名称：传动轴
2、零件简图：
3、技术要求和生产性质： 技术要求
b σ〉500Mpa ，P a s M 300>σ，%15≥δ，cm J k 2
/35≥α，硬度为
230~240HBS
生产性质
小批生产
4、零件的选材分析： ○
1工作条件： 传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉压载荷；
轴颈承受较大的摩擦； 承受一定的冲击载荷。

○
2失效形式： 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。

断裂失效：由于大载荷和冲击载荷作用，轴发生折断或扭转。

磨损失效：轴颈处过渡磨损。

○
3选材方案： 传动轴的选材主要考虑强度，同时兼顾材料的冲击韧性、表面耐磨性和疲劳抗力。

因此，可以选用中碳钢或中碳合金钢制造。

方案一：选用40钢。

40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。

但是40钢的淬透性较差，在水介质中的淬透直径仅为10~15mm ，而传动轴直径为20~90mm ，硬度也稍有不足。

方案二：选用40
C r 。

40C r 的强度和淬透性比40钢高且冲击韧性良好，有较高疲劳强度，这都很符合传动
轴的要求。

但是其
%95≥δ与传动轴要求%15≥δ相比相差较大，并且硬度为207HBS 不符合要求。

方案三：选用40
M n 。

40M n 的淬透性比40钢稍高，经热处理后的强度、硬度及韧性都比40钢高，切削加工
性良好，且%175≥δ符合要求，适合在疲劳负载下工作。

综上，并由传动轴工作时心部所受应力较小，可知应选40
M n 。

5、毛坯选择分析：
由于40M n 强韧性较好，故可从以下三种锻造方案中选择。

方案一：模锻。

模锻生产效率高，可锻造比较复杂的零件，且锻件质量好。

但是拔长和滚挤操作比较困难，模具造价比较高，适合大批量生产。

方案二：自由锻。

生产成本低，拔长和滚挤操作比较简单，不使用模具。

但是生产效率底，锻件表面特别粗糙，适合小批量生产简单的零件。

传动轴为小批量生产，结构比较简单，且精度要求较高，可见以上三种方案均不是很理想。

可以利用自由锻生产成本低，拔长和滚挤操作比较简单的优势和模锻锻件质量好结合起来，而胎模锻生产成本低，模具造价较低。

因此，采用自由锻预锻成型，再用胎模终锻较为理想。

6、工艺流程：
下料→自由锻造→胎模锻造→正火→机械加工→半粗加工→调质→表面淬火，低温回火→粗磨外圆→人工时效→精磨
热处理分析：
正火是为了得到合适的硬度，以便于机械加工。

调质处理是为了使传动轴得到较高的韧性和足够的硬度。

人工时效作用是为了消除内应力，减少零件变形，稳定尺寸。

三、焊接课程设计
1、零件名称：压缩空气贮存罐
2、零件简图：
3、技术要求和生产性质：
技术要求汽车刹车用压缩空气贮存罐，罐体壁厚2mm，端盖厚3mm，4个管接头为标准件M10，工作压力为0.6MPa。

生产性质大批生产
4、零件的选材分析：
○1工作条件：
汽车刹车用压缩空气贮存罐是汽车刹车时用于压缩和贮存空气的。

对其安全性要求很高。

汽车刹车用压缩空气贮存罐的工作条件为：承受较大的压力，反映到材料上为拉应力；承受较大的冲击载荷。

○2失效形式：
疲劳断裂：由于长期多次使用汽车刹车造成贮存罐开裂而使压缩空气泄露；
断裂失效：由于刹车时受到大的冲击载荷的作用，贮存罐破裂。

○3选材方案：
贮存罐的轴向应力为P 14.25M 4/PD 1a ==δσ；周向应力为P a M 5.28212==σσ；由于安全性要求较高，可令安全系数为n=8；则许用应力为[]p a M n 2282==σσ。

而压缩空气贮存罐对冲击韧性和塑性要求较高，可从低碳钢中选择。

方案一：选用15钢
15钢的塑性、韧性、焊接性能和冷冲压性能均极为良好，且价格低廉。

但是其强度较低(MP a s 225≥σ)，切削加工性差。

方案二：选用20
M n 20
M n 的塑性、韧性、焊接性能和冷冲压性能均为优良，并且其强度比15钢高(MP a s 275≥σ)，满足选材要求。

方案三：选用C 20r
C 20r 有良好的综合力学性能，焊接性能较好。

但是其塑性与20M n 相比稍有不足，并且其强度（屈服强度MP a s 540≥σ）与[]σ相比大得多，易造成性能浪费。

综上所述，从性能和价格两方面来看，选用20
M n 较合适
5、焊接方法的选择： 由压缩空气贮存罐要求的性能和所选的材料（20M n ），可见应由焊接成型为主，并由锻造辅助成型。

可从以下方案中选择：
方案一：用冲压的方法生产两个外径为19mm ，壁厚为2mm ，两端各有半个球冠的半罐体形元件，按要求开孔后焊接成型。

方案二：用合适的钢板卷成外径为19mm ，壁厚为2mm ，长为990mm 的圆筒形罐体，用拉深的方法制成壁厚为3mm 的两个封头，并在封头上开孔，最后焊接成型。

由于方案一中冲压成型的曲率过大易产生开裂，同时难以保证罐体壁厚为2mm ，封头壁厚为3mm 。

而方案二操作简单，生产效率高而又很容易保证壁厚等应有的性能。

可见应选择方案二的方式。

6、焊接结构的工艺性设计：
○1焊缝位置及焊接顺序
综合焊缝选择的原则，选择下图所示的焊缝位置。

从焊接操作的方便性和减小焊接变形和焊接应力选择焊接顺序为：焊缝2焊缝1焊缝3。

②焊接接头、坡口形式
由于气密性要求较高，焊缝1和焊缝3应用双面焊，但贮存罐直径较小不易操作，且壁厚较小，可用 U型坡口单面对焊。

焊缝2应采用开坡口单面角焊。

③焊接方法和焊接材料
由于各角焊缝长度较短，且大部分焊缝在弧面上，故焊缝2采用焊条电弧焊方法。

由于壁
CO2气体保护焊，厚较小仅为2~3mm，并考虑到生产效率和成本，故焊缝1和焊缝3可采用
采用直流反接。

7、生产工艺流程：
封头：气割下料拉深切边开接头孔焊接焊缝2；
罐体：剪切下料卷圆焊接焊缝1焊接焊缝3射线探伤清理水压试验气密性试验。

四、体会和建议
此次课程设计给我们提供了一次回顾所学知识并应用创新的机会，培养了我们综合运用所学的知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力。

在课程设计的过程中，我遇到了很多问题，发现自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

《工程材料与热加工基础》这门课我们已经学完了，考试也刚刚过去，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与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。

在进行课程设计的时候，不断查阅资料，让我们受益匪浅。

对课本知识的应用，让我们更进一步理解了课上所学的知识，之前的理论终于可以应用到实践上，很有成就感。

并且在查阅资料时，开阔了视野，也增强了自学能力，不但让我们学习到很多课本上没有的知识，
也让我们周密的考虑零件设计，细心认真的进行设计研究。

我们还从中体会到了运用掌握的知识解决实际问题，这是我们对综合分析实际问题的一个尝试，可以尝试着设计出性能和经济性较好结合的工件。

个人认为课程设计以实验报告的形式还是显得过于单薄，可以尝试发放材料，让同学们做出实物，这样能够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。

总的来说，这次课程设计是成功的，它锻炼了我们分析问题、解决问题的能力，并且使我们对已有的知识掌握得更加牢固。

五、参考文献
1、王少刚.《工程材料与成形技术基础》.北京.国防工业出版社.2010
2、温建萍、刘子利.《工程材料与成形工艺基础学习指导》.北京.化学工业出版社.2007
3、王少刚、郑勇.《工程材料与热加工基础课程设计指导书》.南京.南京航空航天大学2009
4、郑修麟.《工程材料的力学行为》.西安.西北工业大学出版社,2004.
5、GB/T6416-1999。