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1、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：,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
2、、内容及步骤,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）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23个方案进行比较,充分论
3、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。,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）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。,1.4 课程设计的时间安排,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，
4、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。 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。 1.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。,（2）进行失效分析，确定使用性能。 举例：长期以
5、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）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，s , b ； 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。,
6、（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。,2.机械零件按使用要求选材的基本步骤,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
7、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。,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
8、选在共晶成分附近。,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。,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。,三、机械零件选材应兼顾经济性
9、,1. 材料价格：一般材料成本约占零件成本的3070%。 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,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（5864HRC）、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b 1000MPa ak 60J/cm2 （2）生产性质：大批量生产。,4. 选材分析 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
10、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。,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
11、,选择20CrMnTi钢制造齿轮。,方案二：在渗碳钢中选择,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：,（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
12、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。,（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。,2.检验毛坯选择是否合理的标准 （
13、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。,（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
14、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。 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。,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
15、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）选接近零件形状的模锻件,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。,（3）改用锻造合金采用熔模精铸件,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。
16、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。,锻造毛坯举例,飞机摇臂,为飞机上的中载受力件，材质LD7锻铝，形状复杂，锻造有3种方案:
17、 (1) 全部用自由锻毛坯件，成本低，较经济，但腹板与深筋无法锻成。 (2) 全部用模锻毛坯件，必须设计多型槽的模锻，但成本高，铝合金LD7的变形流动性差，不适宜进行拔长、滚挤。 （3）自由锻制坯-然后摩擦压力机预锻（腹板与深筋），使形状、尺寸与终锻基本相同-摩擦压力机最终成型。,三、焊接毛坯,1. 焊接毛坯选用注意事项及举例,例 现需大量生产一种乙炔气瓶，该气瓶的壁厚为4.5mm。设计压力为6MPa，结构如右图所示。 要求：选择合理的气瓶材料；确定焊缝位置；设计接头型式；选择焊接方法和焊接材料；拟定主要工艺过程。,焊接结构设计： (1)选择气瓶材料：瓶颈和易熔塞座选20钢，切削加工后焊到瓶体
18、上。上、下封头用钢板冲压成形，筒子用钢板卷圆后焊成。根据产品使用要求，考虑到冲压、卷圆和焊接工艺，选用塑性和焊接性好的低合金结构钢Q345(16MnR、R表示压力容器用钢)。,(2)确定焊缝位置：瓶体焊缝布置有两种方案，如图11-2所示。方案a：瓶体由上、下两部分经冲压成形后焊在一起，瓶体上只有一条环形焊缝焊接工作量小，但由于瓶体细长，难以冲压成形，此方案不可取；方案b：瓶体由上、下封头及筒身三部分组成，上、下封头冲压成形，筒身由钢板卷圆后焊好，再将上、下封头与筒身焊在一起，瓶体共有三条焊缝(二条环形焊缝和一条纵向焊缝)，虽然焊接工作量大，但上、下封头易冲压成形，故应选用此方案。,(3)焊接接
19、头设计：瓶颈、易熔塞座与瓶体的焊缝采用不开坡口的角焊缝：气瓶为压力容器，又装有可燃性气体，为保证焊接质量，筒身的纵向焊缝及上、下封头与简身的环形焊缝均采用I形焊缝双面焊。,(4)选择焊接方法和焊接材料：瓶颈、易熔塞座与瓶体焊接，因焊缝直径很小、故采用手弧焊，为保证焊接质量，常采用碱性焊条J507。瓶体环形焊缝、纵向焊缝的焊接，可采用气焊、手弧焊、埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊、氩弧焊等多种焊接方法进行。考虑到是大批生产，且产品是压力较大的容器，又装有可燃性气体，为保证焊接质量，常选用埋弧自动焊。焊丝力H08A、H08MnA或H08Mn2A 台焊剂HJ43l 。,一、锻造零件设计 1.1 零件名称 1.2 零件简图 1.3 零件的技术要求与生产性质 1.3.1 技术要求 1.3.2 生产性质 1.4零件选材分析 1.4.1工作条件 1.4.2失效形式 1.4.3 选材方案（3选一）,1.5毛坯制备工艺分析（3选1）（浇铸位置，焊接方法、焊接位置、焊接接头、焊接材料） 1.6 工艺流程,