南京航空航天大学《工程材料及热加工工艺》课程设计有关事项

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(3)改用锻造合金采用熔模精铸件 缺点:制造蜡模的压型结构复杂、成本高,采用组合蜡模时制成 十七个单叶片焊在涡轮盘上精度不够,焊接后蜡模变形。
优点:a. 形状复杂、要求精度极高的叶轮类不锈钢件非常适用熔 模精铸,而不能考虑压铸。尤其是批量不大、高熔点的黑色金属。 制造压铸模具成本太高,寿命低。 b. 比模锻的模具制造费低很多,压蜡型用模具可采用铝、低熔点 易熔合金,起型方便。
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、选择毛坯的生产方法,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。
1.2课程设计的选题、内容及步骤
(1)零件选用的材质,基本决定了毛坯的种类。零件的材质 是根据设计要求的使用性能、金属材料的工艺性能及其经济 性能的综合考虑选定的。 (2)零件的结构形状,决定了毛坯的制造方法。例如薄壁复 杂件只能用铸造(最好为压力铸造),大截面简单件不宜用 铸造,适用于自由锻。特大的薄壁结构宜用焊接结构。 (3)零件的生产类型,对毛坯的选择也起决定作用。 (4)零件不加工表面的精度与粗糙度不仅决定于毛坯类型, 而且可进一步选用精密铸造或精密锻造等少余量或无余量的 精密零件或毛坯。
4. 切削加工性能:指材料的切削加工性、磨削加工性等, 一般用切削抗力、零件的表面粗糙度值的大小、刀具磨 损和切削排除的难易程度来衡量其好坏。 5.热处理工艺性:包括淬透性、淬硬性、回火稳定性、 氧化脱碳倾向、变形开裂倾向等。
材料
流动性 收缩性
铸造性能
偏析 熔点 对壁厚冷却敏感性 其他
灰铸铁 铸钢
(5)必须方便地从铸型中取出铸件。
(6)必须能清除铸件内外型砂及芯砂、浇冒系统 及附在铸件上的一切多余部分。
2. 铸造毛坯举例
无人机发动机用轴流转子。毛坯原用材料为1Cr13马氏体 不锈钢锻件,现改为ZGCr18NiCu3沉淀硬化不锈钢精密铸造 件。 零件的毛坯选择时,考虑以下3种方案: (1)选镦粗成圆盘类自由锻件,进行切削加工。 优点:毛坯制造方便, 1Cr13铸造性能尚可。 缺点:毛坯加工量极大,金属消耗多。
c. 采用高达900℃左右的铸型浇注,提高了金属的流动性, 能铸出叶尖上仅1mm厚的形状,铸件尺寸精确、表面粗糙 度低、轮廊清晰。
d. 解决了锻件切削时切断纤维组织的弊病,叶片性能无方向 性。 e. 锻件改铸件,锻造合金改为铸造合金。
二、锻造毛坯
1.锻造毛坯的选用条件 凡受重载、交变载荷、高速旋转的重要零件,不适宜采用 铸造毛坯,因为铸造毛坯缺陷较多,质量也不易控制。多采用 锻件。航空锻造零件根据工作重要性分以下四类: 1) 特别重要的高载荷零件。如涡轮轴、桨轴等,对锻造质量 要求极为严格。 2) 较为重要的中载零件。涡轮盘、叶片等,需做低倍、高倍 显微组织观察,做硬度检查。 3)低载零件,抽样机械性能与金相。 4)普通零件,仅检查硬度。
四、选材实例
1. 零件名称:某汽车变速齿轮 2. 齿轮简图略(尺寸)
3. 技术要求与生产性质
(1)技术要求:齿表面要求有较高的硬度(58~64HRC)、 耐磨性和疲劳强度,而心部则要求较高的强度与韧性。心部强 度σb >1000MPa ak >60J/cm2 (2)生产性质:大批量生产。
4. 选材分析
2.机械零件按使用要求选材的基本步骤
(1)分析零件的工作条件与环境,确定零件的技术要求。 (2)通过分析实验,结合同类零件失效分析结果提出失效抗 力指标,并以此作为选材的基本依据。 (3)根据力学计算,确定零件的主要力学指标。 (4)决定热处理及其他表面强化方法。
(5)试验、投产。对关键零件批量生产前要进行试验、初步 确定材料选择,热处理方法是否合理,热加工性能好坏。满意 后可批量生产。
(5)工厂现有设备、技术力量及生产能力,可改变原定 的毛坯选定方案。例如大型件原可采用整体铸件,但受设 备、厂房限制只能采用以小拼大的铸-焊结构;复杂程度 高的铸件由于技术力量与生产能力的影响,只能化难为易 采用铸—焊结构。有些情况甚至将铸件改为锻件。
(6)当毛坯几种制造方法均可制造时,应选用最佳经济 方案。
3.机械零件选材应注意的几个问题
(1)尺寸效应。尺寸效应是指钢材截面大小不同,即使热处 理状态相同,其力学性能也有差别效应。随着材料截面尺寸增 大,钢材的力学性能下降。尺寸效应不仅与冶金质量有关,而 且还与淬透性有关。 (2)力学性能与加工状态、处理条件有关。不同的加工状态 (如铸造、锻造、不同热处理,有否压力加工)其力学性能差 别。 (3)材料的力学性能对同一牌号的材料来说,由于其成分是 在一定范围内变化,因此其力学性能也是有一定的波动范围。
1.4 课程设计的时间安排
项目
工程材料实验
内容
性能、组织测试;热 处理;实验报告
时间安排
1天
课程设计
分组、定题、了解零 件、设计、编写说明 书
4天
第2章 《工程材料及热加工工艺》课 程设计参考资料
2.1机械零件的选材
选材是机械零件设计中不可缺少的工作,材料选择合理与 否直接影响到产品的质量、寿命和生产成本。机械零件选材的 一般原则是: 1. 所选材料应具有满意的使用性能,除特殊要求某些物理性能、 化学性能之外,一般主要要求的是力学性能,即材料抵抗外加 载荷而不致失效的抗力---失效抗力。 2. 材料应具有良好的或可行的加工性能。
铸造铝 合金
很好 差
小 大
小 大
较低 高
较大、壁厚处强度低 小、壁厚增加强度无明显降低


较大 比铸铁低 大、强度随壁厚增加而降低
三、机械零件选材应兼顾经济性
1. 材料价格:一般材料成本约占零件成本的 30~70%。
2. 材料的加工费用:一般加工费约占零件成 本的30%左右, 生产批量越小,所占比例越 高
该齿轮的作用是将汽车发动机功率传递到后轮倒车作用。 工作条件比较恶劣,受力大常超载和受冲击力作用。因此, 要求较高的心部强度和冲击韧性,对于齿轮来说还受摩擦力 和交变载荷作用。因此,要求齿表面有较高的硬度、耐磨性 和疲劳强度。根据上述要求选材方案如下:
方案一:选择调质钢。这类钢经调质后有较好综合性能,但 对该齿轮来说其心部塑性,韧性较低,而且再经过表面淬火 后,其表面的耐磨性不理想,因此该方案难以满足技术要求。
2.检验毛坯选择是否合理的标准
(1)使用性:满足零件使用要求。
(2)工艺性:加工方便,易获优质产品。
(3)经济性:成本最低,消耗最少。
一、铸造毛坯
1. 铸造毛坯的选用条件
(1)必须能制出与零件形状相近的,并保证尺寸正 确、轮廊清晰。
(2)必须具备熔炼设备,能熔炼出质量与温度合适 的金属。 (3)熔炼金属应平稳地进入型腔,不与铸型发生反 应;气体、夹渣易于排除,铸型充满不产生冷隔及浇 不足现象。 (4)设计的铸件在冷却凝固时,不产生铸造应力、 裂纹及变形。缩孔可以切除获完整的毛坯。
方案二:在渗碳钢中选择 选15、20Cr等渗碳钢,经渗碳、淬火、低温回火后, 表面硬度、耐磨性可以满足要求,但该齿轮的的厚度较大, 这两种材料的淬透性小,从而使齿轮心部达不到要求。因 此,必须选择淬透性较大的合金渗碳钢。 可选择20CrMnTi钢,该渗碳钢的淬透性较大,临界淬透 直径达30-40mm,经渗碳、淬火、低温回火后,表面硬度、 耐磨性可以满足要求,心部也满足要求。 因此,选择20CrMnTi钢制造齿轮。
1. 课设题目的选定:指导教师与学生自选相结合 • 供选零件 设计指导书中提供的典型零件 • 选题要求
要求有3个零件如:轴、齿类;底座、减速箱盖;一个 容器类零件。
2. 设计内容及步骤
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. 压力加工性能:包括冷压力加工(冷冲压、冷轧、冷挤压) 和热压力加工(如锻造、热轧、热挤压等)时材料的塑性和 变形抗力。有可热加工的温度范围、抗氧化性和加热、冷却 要求。变形铝合金、铜合金、低碳钢的压力加工性能好、而 高碳钢就差。 3. 焊接性能:焊缝处形成冷裂或热裂及形成气孔的倾向,低 碳钢的焊接性能好,高碳钢及铸铁的焊接性能差。。
(2)进行失效分析,确定使用性能。 举例:长期以来人们认为,汽车柴油发动机曲轴的主要使用性 能是高的冲击抗力和耐磨性,应选用45钢。 通过失效分析发现,曲轴的失效形式主要为疲劳断裂,其 主要使用性能为疲劳抗力。因此,以疲劳强度为主要使用性能 指标设计、制造的曲轴,不仅质量和寿命显著提高,而且可以 选用价格低的球墨铸铁制造。
3. 材料的价格或成本应尽可能低廉。
一、机械零件选材应满足使用性能要求
什么是使用性能—指零件在工作时应具备的力学、物理和化 学性能。 1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ机械零件选材的基本分析方法
(1)分析零件的工作条件,确定使用性能。
工作条件主要是指:零件的受力情况,包括受力形式,如载 荷形式(拉、压、弯曲等),载荷性质(如静载、动载、交变载 荷)及承受摩擦的状况;环境状况,如工作温度、介质等;特殊 要求如导热性、导磁性等。
(3)从零件使用性能要求提出对材料的性能的要求。 明确了零件的使用性能后,把使用性能的要求, 通过分析、计算量化成具体数值,再按这些数值从手 册的材料性能数据大致应用范围选材。 常见的力学性能指标有HRC或HBS,σs , σb ; 非常规力学性能指标如KIC及腐蚀介质中的力学性能; 对特殊性能要求的零件,如电性能、磁性能、热 性能等。
毛坯加工后,叶片处锻造纤维组织被切断,使叶片受力部 位处于不良状态,且叶片具有方向性。
(2)选接近零件形状的模锻件
优点:材质机械性能好,纤维组织基本不切断。
缺点: a.轴流转子形状复杂,不能容易从锻模中取出。叶片间整模块无 法起模。
b.采用分块的锻造模具,成本太高,精密程度达不到,仍需加工, 留加工余量。精密锻造模具成本更大,且需用精度高,压力大的 专用锻压设备。 c.飞机结构件批量不大。每一件摊派的模具成本费用不小。
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。
2.2 机械零件毛坯的选择
概述
毛坯的选择是机械设计与制造中的一项重要任务。毛 坯与零件的制造除直接用型材加工外,主要由铸造、锻压 及焊接三种制造工艺方法制成。毛坯分为:铸件、锻件、 焊件和型材件。
1。影响毛坯选择的因素
毛坯选用液态成形的铸件或塑性变形的锻件、薄板冲压 件或焊接连接的冲压—焊结构、轧制—焊结构、铸--焊的 焊件。应取决于以下六个方面:
第一章《工程材料及热加工工艺》课程设 计的有关事项
1.1 课程设计的目的
《工程材料与热加工基础》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 后进行为期一周的课程设计,其目的是:
二、机械零件选材应满足加工工艺性要求
材料的工艺性是指材料适应某种加工工艺的能 力。所选材料一般应先制成与成品形状相近似的各 种毛坯(例如铸件、锻件、焊接件),再经切削加 工和热处理,最终形成零件,因此,材料应满足这 些不同工艺的要求。材料的工艺性通常指以下几个 方面: 1.铸造性能:包括流动性、收缩性、偏析和吸气性 等。由于接近共晶成分的合金铸造性能良好,因此 铸造合金的成分一般选在共晶成分附近。
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