工程材料应用课程设计指导书

1机械设计制造及其自动化专业（卓越班）《工程材料应用》课程设计指导书撰写人：曹卫审定人：倪骁骅盐城工学院机械学院二O一三年八月2目录第一章工程材料应用课程设计概述........................................................................1第一节课程设计的目的和任务.......................................................................1第二节课程设计的要求与内容.......................................................................1第三节课程设计的方法及步骤.......................................................................2第四节课程设计成绩的评定...........................................................................2第二章工程材料应用课程设计指导..........................................................................2第一节零件选材的一般原则和方法...............................................................2第二节材料成型工艺选择的原则及方法.......................................................6第三节撰写设计说明书.................................................................................14第四节典型零件的选材及材料成型工艺选择应用实例.............................151第一章工程材料应用课程设计概述第一节课程设计的目的和任务工程材料应用课程设计是在学完了材料结构及热处理、工程材料及选用、材料成型技术，以及相关实验结束后进行的一个实践教学环节，它一方面要求学生通过课程设计的实践，使学生进一步加深了解和巩固课堂所学的有关知识，提高学生综合运用所学知识的能力；另一方面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，并能合理地安排热处理工艺及零件制造工艺流程。本课程设计的目的如下：1、了解典型零件材料的选用原则2、掌握典型零件的热处理工艺和加工工艺路线3、掌握铸锻焊的基本工艺第二节课程设计的要求与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，零件毛坯生产方法的选择（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）。具体内容为：1）根据图纸熟悉产品的结构、各零件的作用和工作条件。2）依据零件的受力情况（或给定的条件），环境即失效形式进行零件的选材设计（即选择合适的材料成分，组织及热处理状态）。3）根据零件的使用条件、制造精度、形状尺寸、材料及生产性质等条件，对指定的零件毛坯进行毛坯部分种类的选择（即选择锻压铸造、或焊接的方法），并进行结构工艺分析、完成工艺设计的部分内容（铸件的铸造方法、浇注位置、分型面的选择、并在零件图上示意标出冒口位置；锻件结构工艺、选择的锻造方法；零件的焊接方法、结构工艺、合理布置焊缝等）。24）对轴类零件（或齿轮）应设计制造工艺流程，正确选择热处理工艺，工艺流程的合理安排，并作详细的说明。第三节课程设计的方法及步骤一、设计步骤1）对零件制造的方案的总体设计和论证选定。2）毛坯的生产工艺方法的选择与分析。3）机械加工方案的分析。4）工艺过程和工艺流程过程。二、编制课程设计说明书第四节课程设计成绩的评定学生在完成全部设计任务后，方案和说明书经指导教师审查签字后，在规定日期进行答辩。根据设计的方案和说明书质量，答辩时回答问题的情况，以及平时的工作态度，独立工作能力等几方面表现，来综合评定学生成绩。设计成绩分为优、良好、中、及格、不及格五级。不及格者将另行安排时间补做。第二章工程材料应用课程设计指导第一节零件选材的一般原则和方法机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重的可能导致零件的完全失效。一、选材的一般原则判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得三者之间的统一。1、零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求3材料在使用过程中的表现，即使用性能，是选材时考虑的最主要根据。不同零件所要求的使用性能是很不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性，而另外一些甚至无严格的性能要求，仅仅要求有美丽的外观。因此，在选材时，首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能。对所选材料使用性能的要求，是在对零件的工作条件及零件的失效分析的基础上提出的。零件的工作条件是复杂的，要从受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面全面分析。受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击载荷、交变载荷等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。为了更准地了解零件的使用性能，还必须分析零件的失效方式，从而找出对零件失效起主要作用的性能指标。有时，通过改进强化方式或方法，可以将廉价材料制成性能更好的零件。所以选材时，要把材料成分和强化手段紧密结合起来综合考虑。另外，当材料进行预选后，还应当进行实验室试验、台架试验、装机试验、小批生产等，进一步验证材料机械性能选择的可靠性。2、零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。材料的工艺性能包括以下内容：（1）铸造性能包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。（2）压力加工性能指材料的塑性和变形抗力等。（3）焊接性能包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其它缺陷倾向等。（4）切削加工性能指切削抗力、零件表面光洁度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。（5）热处理性能指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位；但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。当工艺性能和机械性能相矛盾时，有时正是工艺性4能的考虑使得某些机械性能显然合格的材料不得不加舍弃，此点对于大批量生产的零件特别重要。因为在大量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。例如，为了提高生产效率，而采用自动机床实行大量生产时，零件的切削性能可成为选材时考虑的主要问题。此时，应选用易切削钢之类的材料，尽管它的某些性能并不是最好的。3、零件的选材应力求使零件生产的总成本最低除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况，等等。（1）材料的价格不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，以便于核算产品的制造成本。（2）国家的资源状况随着工业的发展，资源和能源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。例如，我国缺钼但钨却十分丰富，所以我们选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢，而少用钼高速钢。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。（3）零件的总成本由于生产经济性的要求，选用材料时零件的总成本应降至最低。选材从几个方面影响零件的总成本T，这就是材料的价格m，零件的自重w，零件的寿命l、零件的加工费用p、试验研究费（为采用新材料所必须进行的研究与试验费）r及维修费a等。其经济性分析方程如下：如果准确地知道了零件总成本与上述个因素（l，w，r…）的关系，则可以精确地分析选材对零件总成本的影响，并选取使左端为极小值的材料。但是，只有在大规模工业生产中预先进行详尽的试验分析，才能找出这种关系。对于一般情况，显然不可能进行这种详细的分析、试验，但这时也应该按照上述思路，利5用手头一切可能得到的资料，逐项地进行分析，以保证使零件的总成本最低。最有价值的是生产及使用情况的统计资料。由各种统计图表，加上过去的工程经验，便可以作出较为合理的判断，必要时还可以专门进行模型试验。4、零件的选材应考虑产品的实用性和市场需求某项产品或某种机械零件的优劣，不仅仅要求能符合工作条件的使用要求。从商品的销售和用户的愿望考虑，产品还应当具有重量轻、美观、经久耐用等特点。这就要求在选材时，应突破传统观点的束缚，尽量采用先进科学技术成果，作到在结构设计方面有创新，有特色。在材料制造工艺和强化工艺上有改革，有先进性。5、零件的选材应考虑实现现代生产组织的可能性一个产品或一个零件的制造，是采用手工操作还是机器操作，是采用单件生产还是采用机械化自动流水作业，这些因素都对产品的成本和质量起着重要的作用。因此，在选材时，应该考虑到所选材料能满足实现现代化生产的可能性。二、选材的一般方法材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件，则大多数采用经验类比法来选择材料。另外，零件的选择一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。选材一般可分为以下几个步骤：1、对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要抗力指标。2、根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的技术条件。3、根据所提出的技术条件要求和工艺性、经济性方面的考虑，对材料进行预选择。材料的预选择通常是凭积累的经验，通过与类似的机器零件的比较和已有实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来进行选择。4、对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。5、材料的二次（或最终）选择。二次选择方案也不一定只是一种方案，也可以是若干种方案。66、通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理的选材方案。7、最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选材方案的合理性。第二节材料成型工艺选择的原则及方法一、材料成形方法的选择原则正确选择材料成形方法具有重大的技术经济意义，选择时必须合理考虑以下原则：（一）适用性原则适用性原则是指要满足零件的使用要求及对成形加工工艺性的适应。1、满足使用要求零件的使用要求包括对零件形状、尺寸、精度、表面质量和材料成分、组织的要求，以及工作条件对零件材料性能的要求。不同零件，功能不同，其使用要求也不同，即使是同一类零件，其选用的材料与成形方法也会有很大差异。例如，机床的主轴和手柄，同属杆类零件，但其使用要求不同，主轴是机床的关键零件，尺寸、形状和加工精度要求很高，受力复杂，在长期使用中不允许发生过量变形，应选用45钢或40Cr钢等具有良好综合力学性能的材料，经锻造成形及严格切削加工和热处理制成；而机床手柄则采用低碳钢圆棒料或普通灰铸铁件为毛坯，经简单的切削加工即可制成。又如燃气轮机叶片与风扇叶片，虽然同样具有空间几何曲面形状，但前者应采用优质合金钢经精密锻造成形，而后者则