69南京航空航天大学《工程材料与热加工基础》课程设计④

1南京航空航天大学《工程材料与热加工基础》课程设计学院：航空宇航学院专业：飞行器设计与工程学号：姓名:指导教师：完成日期：2013年6月27日21、课程设计的目的：《工程材料与热加工基础（Ⅲ）》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。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。任务书33、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。44、考核与成绩评定：指导教师签字___________年月日5、系部审查意见：负责人签字__________年月日5目录任务书………………………………………………………………………2一、铸造课程设计（支座）……………………………………………61、零件名称…………………………………………………………………62、技术要求和生产性质……………………………………………………63、选材分析…………………………………………………………………74、毛坯选择分析……………………………………………………………85、工艺选择…………………………………………………………………96、铸造工艺图………………………………………………………………10二、锻造课程设计（传动轴）………………………………………111、零件名称…………………………………………………………………112、技术要求和生产性质……………………………………………………113、选材分析…………………………………………………………………124、毛坯选择分析……………………………………………………………135、锻造结构工艺性分析及锻造方法的选择………………………………146、工艺路线的制定和分析…………………………………………………15三、焊接课程设计设计（钢制压力容器）…………………………161、零件名称…………………………………………………………………162、技术要求和生产性质……………………………………………………163、选材分析…………………………………………………………………174、毛坯选择分析……………………………………………………………185、焊接结构设计……………………………………………………………186、工艺流程…………………………………………………………………19课程设计感想与体会……………………………………………………20参考资料……………………………………………………………………206铸造课程设计1、零件名称：支座2、技术要求和生产性质技术要求支座起支承轴、齿轮等零件的作用，要求有足够的刚度和强度，较好的稳定性，能承受一定程度的振动。抗拉强度σb≥150Mpa,对零件表面无特殊质量要求。生产性质中批量生产73、选材分析（1）功能支座属于箱体类支承零件，是机器中的基础零件。轴和齿轮等零件安装在箱体中固定位置并与其它零件协调运动，机器上的各个零部件的重量都由箱体和支承件承担，因此，支座主要受压应力，部分受一定的弯曲应力。此外，支座还要承受工作时的动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力，承受振动。（2）性能要求根据支承类零件的作用和载荷情况，它应具备如下性能：有足够的强度和刚度，良好的减震性及尺寸稳定性。由于支座形状较复杂，体积较大，具有中空壁薄的特点，选用的材料应具有良好的加工性能，以利于加工成型。根据零件的工作条件，选材方案如下：方案一：铸钢铸钢是一种重要的铸造合金。按照化学成分不同，铸钢可分为铸造碳钢和铸造合金钢，其中铸造碳钢应用较广，约占铸钢总产量的80%以上。优点：承受较大载荷和较强冲击的箱体支承类部件经常采用铸钢制造，其中ZG35Mn和ZG40Mn应用最多。缺点：铸钢的铸造性较差，由于工艺性的限制，所制部件往往壁厚较大，形体笨重。该支座有中空壁薄的特点，对铸造工艺性有一定要求，所以铸钢不合适。方案二：有色金属有色金属及其合金中的各种有色元素都具有各自的独特性能，现代科技的材料发展中起着重要作用。优点：其铸造工艺性能优良，强度好，韧性好。一般重量轻、散热性能良好的箱体可用有色金属及其合金铸造。例如，飞机发动机上的箱体多采用铸造铝合金生产。缺点：支座是一般箱体类支承零件，无需用及各种金属的独特性能，采用有色金属会造成经济上的浪费，而且支座有较大的重量，要求有良好的减震性，所以有色金属及其合金也不合适。8方案三：铸铁铸铁是历史上使用较早的材料，也是最便宜的金属材料之一，它具有很多的优点。优点：铸铁的铸造性好，价格低廉，消振性能好。所以形体复杂、工作平稳、中等载荷的箱体类支承件一般都采用灰口铸铁或球墨铸铁制作。其抗拉强度与钢相近，并且有良好的铸造性能，如：流动性好，收缩小等。球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有良好的塑性和韧性及耐磨性。但关键一点是，球墨铸铁的消振能力比灰铸铁低很多，而且查表得，灰铁相比球铁便宜。缺点：灰铸铁的的力学性能较差，抗拉强度较低，塑性几乎为零。但这些都对支座工作影响不大。所以，综合看来，选用灰口铸铁。根据支座的技术要求，选用HT200，HT200在10mm＜壁厚≤30mm的状态下抗拉强度σb≥170Mpa,完全满足σb≥150Mpa的强度要求，且其减震性能良好。其次，HT200的铸造性能良好，满足加工性能。此外，灰铸铁价格便宜，充分考虑了选材的经济性。综合上述分析，该支座应选用HT200制造。4、毛坯选择分析支座这类零件大都承受压应力，只要求一定的强度和韧性，但该类零件形状复杂，因此最适宜采用铸造毛坯。它可以使金属一次成型，灵活性大，适用于形状复杂内腔的零件。方案一：压力铸造压铸件尺寸精度高，表面质量好，可以压铸必薄、形状复杂的以及具有很小孔和螺纹的铸件，强度和表面硬度高，可实现半自动化及自动化生产。但由于充型速度快，气体难以排出，易产生气孔，金属凝固快，易产生缩孔和缩松。另外，设备投资大，铸型制造周期长，造价高，不宜中、小批量生产，根据支座的技术9要求，用此法经济上过于浪费，故不合适。方案二：离心铸造离心铸造不用型芯即可铸出中空铸件，简化套筒类生产过程；可以提高金属液充填铸型的能力；改善补缩条件，但由于离心作用，金属中的气体、熔渣等夹杂物，因密度较大儿集中在铸件内表面上，使内孔的尺寸不精确，质量较差，铸件易产生成分偏析和密度偏析等，由于该支座不是套筒、管等零件，所以离心铸造不合适。方案三：砂型铸造砂型铸造是传统的铸造方法，内部组织疏松，易产生缩孔、缩松、气孔、沙眼等缺陷，但其工艺简单，有很大的灵活性，适用于各种形状、大小、批量及各种常用合金铸件的生产，特别适合于内腔复杂的铸件。砂型铸造成本低廉，因为该支座对零件表面没有质量要求，所以没有必要花大投资去选择能使表面质量好的熔模铸造、压力铸造等。并且该支座生产性质为中批生产，砂型铸造足以满足所有要求，同时极大节约成本。综上所述，所铸毛坯形状复杂，对表面质量没有特殊要求，中批生产，应选择砂型铸造。5、工艺选择浇铸位置的选择：(1)铸件的重要加工面应朝下或位于侧面。(2)铸件的大平面应朝下。(3)面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或是其处于垂直或倾斜位置，可以有效防止铸件产生浇铸不足或冷隔等缺陷。(4)对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安装冒口，使之实现自上而下的定向凝固。10铸型分型面的选择：(1)应尽可能使铸件的全部或大部分置于同一砂型中，以保证铸件的精度。(2)应时铸件的加工面和加工基准面处于同一砂型中。(3)应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直的分型面，最好只有一个分型面。(4)应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合型等工序。(5)应尽量使行腔及主要型芯位于下型，以便于造型、下芯、合型和检验壁厚。6、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。11锻造课程设计1、零件名称：传动轴2、技术要求和生产性质技术要求σb≥500MPa,σs≥300MPa,δ≥15%,αk≥35J/cm2，硬度230～240HBS生产性质小批量生产123、选材分析轴的工作条件：（1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷；（2）轴颈承受较大摩擦；（3）承受一定冲击载荷。轴的主要失效形式：（1）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。（2）断裂时效：由于大载荷和冲击载荷作用，轴发生这段或扭断；（3）磨损失效：轴颈处过度磨损轴的性能要求：根据工作条件和失效形式，对轴的选材提出吐下性能要求；（1）良好的综合理学性能，即强度、塑性、韧性有良好的配合，以防止冲击和过载断裂；（2）高的疲劳强度以防疲劳断裂；（3）良好的耐磨性以防止轴颈磨损此外，对刚度、切削加工性、热处理工艺和成本等因素也应综合考虑。轴类零件选材时主要考虑强度，同时兼顾材料的冲击热性和表面耐磨性。强度设计