南京航空航天大学《工程材料与热加工基础》课程设计⑤.docx

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南京航空航天大学《工程材料与热加工基础》课程设计⑤

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

班级：

学号：

姓名：

指导老师：

完成日期：

2 0 1 3 年 6 月 2 6 日

南京航空航天大学

《工程材料与热加工基础》课程设计

学生姓名：

学院：

学号：

指导老师：

题目：

典型零件的选材、加工工艺路线与结构工艺性分

析

起止时间：

2013-6-23 至 2013-6-26

1、课程设计的目的

《工程材料与热加工基础》是工程类专业的必修技术基础课，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。

（2）通过课程设计使学生初步达到在一般机械设计中，能合理地选择材料，

选择毛坯制造方法，并合理地安排热处理工艺及零件制造工艺流程。

2、课程设计的主要内容

（1）根据图纸熟悉机械产品的结构、各零件的作用和工作条件。

（2）依据零件的受力状况，环境及失效形式进行零件的选材设计（即选择合适

的材料成分、组织及热处理工艺）。

（3）依据零件的使用条件、制造精度、形状尺寸、材料及生产性质（批量）等

条件，对指定零件进行毛坯种类的选择，并进行结构工艺性分析、完成工艺设计

的主要内容（如：

对于铸件，要求确定铸造方法、浇注位置、分型面、并在零件

图上用引线示意标出浇冒口位置，要求画出铸造工艺图）。

（4）对轴类零件还应设计其制造工艺流程，正确选择热处理工艺并在工艺流程

中合理安排其位置，要求做详细分析说明。

3、课程设计要求

（1）根据任务书中零件，按设计指导书中有关要求进行设计。

（2）设计中制定某项方案是，应考虑 2~3 中方案进行比较，充分论证后，选

择最佳方案，并在设计说明中详细叙述该内容，不允许只给出简单结论。

（3）必需独立完成一份课程设计说明书，要求论述清楚，文字简洁，论述中附

加必要的插图。

（4）按格式书写课程设计说明书。

包括：

封面、目录、正文、体会、建议和参

考资料等。

4、课程设计完成情况

教学内容由课程设计布置（2-3 学时）、辅导（2-3）学时、综合实

验（5 学时）、自行设计大作业组成。

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和要求

③ 课程设计的内容和步骤

④ 课程设计的时间和安排

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

验方法和设备，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、在上述实验的基础上，任课老师的同意下，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、实验所用的材料与设

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，并分析各种热处理工序的作用以及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

案并进行比较，确定一个最佳方案画出三种零件的生产工艺图。

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5、考核与成绩评定情况

由课程设计报告（80%）和平时成绩（20%）两部分组成。

指导老师签字年月日

6、系部审查意见

评审老师签字年月日

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第一章序篇

1、任务书·········································································

第二章正文——零件设计实例

一、接合螺母（锻件）

1、零件简介···································································

2、零件简图···································································

3、技术要求及生产性质···············································

4、零件选材···································································

5、毛坯选择···································································

6、锻造结构工艺性分析及锻造方法的选择···············

7、工艺流程···································································

二、轴座（铸件）

1、零件简介···································································

2、零件简图··································································

3、技术要求及生产性质··············································

4、零件选材··································································

5、毛坯选择··································································

6、浇注位置及分型面的选择······································

7、工艺流程··································································

三、压缩空气贮存罐（焊件）

1、零件简介··································································

2、零件图·····································································

3、技术要求及生产性质·············································

4、零件选材·································································

5、焊接方法选择·························································

6、毛坯的生产方案·····················································

7、焊接结构设计·························································

8、工艺流程·································································

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第三章课程设计总结

一、课程设计体会

二、课程建议

附录：

参考资料·······················································································

第二章零件设计实例

一、锻件设计（接合螺母）

1、零件简介

接合螺母主要用来防止振动，用于承受较大载荷或承受变载荷的连接。

2、零件简图

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3、技术要求及生产性质

（1）、技术要求：

承受 700MPa 的高压力，硬度要求为 26~32HRC

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（2）、生产性质：

小批量生产

4、零件选材

工作条件：

（1）承受一定的压载荷。

（2）由于振动会承受一定的动载荷。

（3）承受一定冲击载荷。

主要失效形式：

（1）疲劳断裂：

由于交变载荷长期作用，造成螺母疲劳断裂。

这是最主要的失

效形式。

（2）变形失效：

由于大载荷和冲击载荷作用，螺母发生变形。

（3）磨损失效：

过度磨损。

性能要求：

根据工作条件和失效形式，对螺母的选材提出以下性能要求：

（1）良好的综合力学性能，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螺母磨损。

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韧性和表面耐磨性。

强度

设计应保证螺母的承载能力，防止变形失效为了兼顾强度和韧性，同时考虑疲

劳抗力，一般用中碳钢或中碳合金调质钢制造。

主要钢种是

45、40Cr、40MnB、30CrMnSi、35CrMo 和 40CrNiMo 等。

具体根据载荷类型和

淬透性要求来决定。

进一步分析如下：

方案一：

中碳合金调质钢，根据要求选择 40MnB

40MnB 调质后局部淬硬可满足硬度要求。

在其工作过程中可以承受中

等载荷，很好的满足所需要的要求。

但是它不能承受较大的冲击和交

变载荷。

方案二：

低碳钢，根据要求选择 25 钢

25 钢的各项力学性能均达到要求。

其机械性能较好，冷热加工性能良

好，而且价格较低，来源较广。

但是它的淬透性低，截面尺寸大和要

求比较高的工件不宜采用。

综合分析：

螺母的受力主要是交变载荷和冲击。

并且螺母的尺寸较小，无需选

用淬透性很高的钢种。

所以选用 25 钢。

5、毛坯选择：

（1）铸造毛坯：

铸造毛坯一般组织粗大，力学性能不如锻件，且内部常存在缩孔、气孔、

砂眼等缺陷。

容易在工作中形成裂纹，传递扭矩能力不佳，易引起零件的失效。

铸件质量不稳定，难以控制，废品率高。

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（2）锻造毛坯：

锻造有着良好的综合性能，而螺母要求综合机械性能好、缺陷少。

该接合

螺母，形状规则结构简单，锻造结构工艺性良好。

零件选材为 25 钢，为低碳

钢，有着良好的锻造性。

综上所述，应该选择锻造毛坯。

6、锻造结构工艺性分析及锻造方法的选择：

（1）锻造方法的选择

方案一：

自由锻

自由端虽然工艺灵活，工具和设备简单，成本较低，但是其精度低，

加工余量大。

不适宜大批量生产。

方案二：

模型锻

模型锻尺寸精度高，加工余量小，锻件纤维分布合理，组织致密，锻

件强度高，可进一步提高零件的使用寿命。

但是其成本较高，生产准

备周期长。

摩擦压力机上模锻表面质量好，能够完成校正等后续工序，

生产精度高。

适合大批量生产。

综上应选择摩擦压力机上模锻。

7、工艺流程

（1）工艺流程为：

下料→锻造→正火→机械加工→半粗加工→调质→局部淬火→回火→人工时效

→终检

（2）热处理工艺分析

正火：

得到合适硬度，以便于机械加工，同时改善锻造组织，为调质处理做

准备。

调质处理：

使螺母得到较高的韧性和足够的强度使其具有良好的综合机械性

能和疲劳强度。

调质后组织为回火索氏体。

为了更好的发挥调质效果，

将调制安排在粗加工后进行。

局部淬火：

淬火温度 900~910℃左右，盐浴中冷却。

淬火后经 560-600℃高温

回火，空气冷却，表面获得回火索氏体组织。

具有高硬度和耐磨性，

以满足工作需求。

人工时效：

消除内应力，减小零件变形，稳定尺寸，对精度要求较高的螺母

更为重要。

二、铸件设计（轴座）

1、零件简介

轴座是机器中的基础零件，主要用来支撑轴承。

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2、零件简图（如下图所示）

3、技术要求和生产性质

技术要求：

σb≥200MPa，支承轴件，承受振动，对 Ψ40mm 内孔表面及底

板平面有尺寸要求。

生产性能：

大批量生产

4、零件选材

（1）工作条件用来支撑轴承，所以主要受压应力。

此外轴座还要承受轴件工作

时的动载荷（振动）以及稳定在机架或基础上的紧固力。

（2）失效形式

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

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断裂

（3）选材

方案一：

选用铸钢。

铸钢具有较高的强度，成本较低，在重型机械中用于制

造承受大负荷的零件。

具有较大的冲击韧性，并能通过热处理获得

更好的机械性能。

但是铸钢流动性较差，收缩性差，易出现浇不足，

缩孔，晶粒粗大等缺陷。

由于工艺性的限制，所制部件往往壁厚较

大、形体笨重。

切削加工较为困难。

方案二：

选用灰铸铁。

HT250 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。

切削加工也比较便利。

虽然焊接性能较差但是没有焊接的需

求，作为耐压零部件，灰铸铁的抗压强度时抗拉强度的 2.5～4 倍，

非常适合用作机床床身等部件，加之成本低廉，是该零件较好的选

择。

方案三：

选用球墨铸铁。

球墨铸铁的力学性能比灰铸铁要好，但价格要高。

综合考虑，由于该零件壁厚不是很厚，选用 HT250 在力学性能上可以达

到要求，且能降低成本。

5、毛坯选择

该零件形状复杂，且大批量生产，应采用材料利用率高、成本低的铸造毛

坯。

选择铸造性能优良的灰铸铁（HT250），无需考虑补缩。

关于铸造毛坯的生

产有以下两种方案：

方案一：

采用分开模两箱造型，水平浇铸。

型腔较浅，因此造型、下芯很

方便，铸件尺寸较精确。

但分型面通过铸件圆柱面，会产生披缝，

同时铸件在上、下箱各半，容易产生错箱缺陷，且飞边的清理工

作量较大。

方案二：

采用整模造型，垂直浇铸。

铸件沿底面分型，铸件全部在下箱，

即上箱为平面，不会产生错箱缺陷，且使主要加工面处于铸型侧

面，清理简便。

采用雨淋式交口垂直浇注，可以控制金属液呈细

流流入型腔，减少冲击力，铁液上升平稳，铸件定向凝固，补缩

效果好，气体、熔渣易于上浮，不易产生夹渣、气孔等缺陷，逐

渐组织均匀，致密、耐磨性好。

但是轴孔凸台妨碍起模，必须采

用活块或下芯来克服；当采用活块时，轴孔又难以下芯。

综合分析，由于是大批量生产，机器造型难以进行活块造型，所以宜采用

型芯克服起模的困难。

所以采用方案二。

6.浇注位置及分型面的选择：

（1）浇注位置选择：

1、铸件的重要加工面应朝下或位于侧面

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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，或使其处于垂

直或倾斜位置，有利于金属的填充，防止产生浇不足或冷隔等缺陷。

4、铸件的大平面应该朝下。

（2）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、工艺流程

整模造型

下料熔炼→浇注→落砂、清理→检验是否合格→去应力退火

三、焊接件设计（压缩空气贮存罐）

1、零件简介

压缩空气贮存罐可以用于汽车刹车。

2、零件图

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3、技术要求及生产性质

技术要求：

罐体壁厚 2mm，端盖厚 3mm，4 个管接头为标准件 M10，工作

压力 0.6MPa。

生产性质：

大批量生产。

（1）工作条件：

压缩空气贮存罐要承受各种静（如重力、支座反力）、动载

荷或交变载荷，附加机械或温度载荷；多数容器容内压缩气体或饱和液

体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极

大。

另外由于其形状复杂，壁薄，从而必需采用冷压力加工和焊接成形

工艺。

（2）失效形式：

①过度变形失效：

由于气瓶是薄壁容器，并且承受内压和外力共同作用，

所以有可能由于过载产生鼓胀、弯曲、扭转、失稳等现象从而产生过度变形失

效。

②断裂失效：

断裂失效主要包括韧性断裂，脆性断裂， 疲劳断裂，环境

断裂，蠕变断裂五种

4、零件选材

该结构对焊接性要求较高，要有较好的气密性和耐腐蚀性，

能承载一定的冲击。

在满足结构使用要求的条件下，尽量选择焊接性能较好的

材料。

一般碳的质量分数小于 0.25%的碳素钢和碳的质量分数小于 0.20%的低合

金钢都具有良好的焊接性,应尽量采用。

碳的质量分数大于 0.50%的碳素钢和碳

质量分数大于 0.40%的合金钢焊接性较差，尽量避免采用。

同一构件焊接时尽

量选用同种金属材料。

方案一：

选用普通碳素结构钢，如 Q235-A，有良好的塑性、韧性、焊接性及冷

加工性，而且价格便宜，适合用于批量生产。

但是力学性能一般，淬

火性能差。

方案二：

普通低合金钢。

普通低合金钢中有许多适合用于制作压力容器的材料。

如 16Mn，其力学性能优良，σb≥1440MPa，σs≥1200MPa，是压力

容器常用材料之一，且其塑性也很好，适于冲压。

对焊接加热和冷却

不敏感，焊缝和热影响区不容易产生裂纹，具有良好的焊接性能、工

艺性能及低温冲击韧性。

方案三：

奥氏体不锈钢。

奥氏体钢中的 1Cr18Ni9 也是压力容器的常用材料，其

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σb≥550MPa，σs≥40MPa。

奥氏体型的钢板的综合性能最好，既有

足够的强度、良好的耐腐蚀性，又有极好的塑性同时硬度也不高，而

且焊接性较好，焊接时一般不需要采取特殊的工艺措施缺点是不锈钢

很昂贵不适合批量生产。

分析以上三种材料，由于使用 1Cr18Ni9 成本较高，不宜优先考虑。

普通碳素结

构钢虽然承受压力的能力很大，但此零件对承压的能力要求并不高。

故选择

16Mn 即可符合要求。

5、焊接方法选择

由于其形状复杂，壁薄，从而必需采用冷压力加工和焊接成形工艺。

要达

到高的焊接力学性能所以这里采用氩弧焊。

方案一：

先把圆筒状料裁下来为两部分，一部分冲压胀形为圆形，另一部

分冲压胀形为方形，且充好接口，再把两部分横向焊接起来。

对焊接性能的要

求相对要低一些，但冲压也不易使两边成形配合。

方案二：

先把板料冲裁出来，弯曲后沿纵向焊接，再打磨滚压焊缝，通过

胀形的方法成形为上圆下方的形状。

易于实现冲压成形。

缺点是先焊后冲压，

对焊接性能要求更高。

６、毛坯的生产方案：

由于钢制压力容器的形状比较简单，工作条件要求较高的安全性，加之材

料厚度小且需要进行批量生产，所以可采用冲压与焊接的方法加工。

７、焊接结构设计：

选择气瓶材料：

接管选用优质碳素结构钢 10，切削加工后焊到瓶体上。

上、

下封头用现有普通碳素结构钢钢板冲压成形，筒身用低合金结构钢钢板卷圆后

焊成。

确定焊缝位置：

瓶体焊缝布置有两种方案，如下所示。

方案一：

瓶体由上、下两部分经冲压成形后焊在一起，焊接工作量小，但

由于瓶体细长，难以冲压成形，且现有钢板规格难以满足，故此方

案不可取。

方案二：

瓶体由上、下封头及简身三部分组成。

上、下封头冲压成形，件

身由钢板卷圆后焊好，再将上、下封头与件身焊在一起。

受钢板

规格所限，封头需要由两块钢板冲压后焊接而成，筒身也需要多

次焊接而成，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。

焊接接头设计：

接管与瓶体的焊缝采用不开坡口的角焊缝.因气瓶为压力容

器，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 形开坡口双面焊：

选择焊接方法和焊接材料：

接管与容器体焊接，因焊缝直径很小，长度均

较短，且大部分焊缝在弧面上，故采用焊条电弧焊方法，为保证焊接质量，常

采用碱性焊条 J507。

容器筒体环形焊缝、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

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是大批生产，且产品是压力容器，为保证焊接质量，提高生产率，常选用埋弧

自动焊。

焊丝选用 H08A，配合焊剂 HJ43l。

主要工艺措施：

（1）上下封头拉深成型后，因开口端变形大，冷变形强化严重，加上板

材纤维组织的影响，在残余应力作用下很容易产生裂纹，为防止裂纹产生，拉

深后应进行再结晶退火。

（2）为减少焊接缺陷，焊件接缝附近，必须严格清除铁锈、油污。

（3）为取出焊接残余应力并改善焊接接头的组织与性能，瓶体焊接后应

进行整体正火处理，至少要进行去应力退火。

８、工艺流程

落料→拉伸→再结晶退火→（冲孔）→除锈→装焊衬环、甁嘴→装配上下封

头→除锈→焊主环缝→正火→水压试验→气密试验

第三章课程设计总结

一、课程设计体会

①课程设计帮助我把课本上工程材料、铸造、锻造、焊接的理论知识联系在一

起，并在实际应用中得到验证和巩固。

②课程设计中我们从零件图纸开始，选材，设计制造毛坯，选取工艺路线，这

是一个综合的过程，培养了我们综合运用知识的能力，和整体考虑事情的能力。

而这些能力在以后的工作中是至关重要的。

③课程设计让我体会到自学能力的重要性，老师布置完课设的题目，你必须在

规定的时间内完整的做出来，要不断的去查找资料然后去比较，在这个过程中，

我们也在慢慢地丰富我们的头脑。

④课程设计中需要的零件图要有ＣＡＤ去画，是我们努力去回忆大一所学。

在

一个一个零件图中我不断完善，画的第一张图只有中心线和轮廓线，第二张图

就知道要提前画好中心线，轮廓线，尺寸线，填充线等。

⑤课程设计的实验部分使我们能直观地看到各种钢的组织，淬火，回火等加工

工艺。

有利于我们理解课本的知识。

二、课程建议

①课程设计只是在纸质文档上体现，希望只有更多实践部分。

②课设安排时间不够合理，建议安排在课程讲完之后，考试之前，这样更有利

于我们对课程内容的学习，和对考试复习的帮助。

课程设计的时间短，而且安

排在期末复习期间，这无疑增大了同学们的压力。

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附录

参考资料 ：

①王少刚.工程材料与成形技术基础.北京：

国防工业出版社，2008.

②温建萍.工程材料与成形技术基础——学习指导.北京：

化学工业出版社，2007.

③王少刚.工程材料与成形技术基础——课程设计指导书.南京：

南京航空航天大

学，2009.

④部分资源来自XX百科