工程材料课程设计教材.docx

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工程材料课程设计教材

《工程材料应用》

课程设计说明书

专业机械设计制造及其自动化

学生姓名

班级

学号

指导教师

完成日期201年1月9日

第一章任务书-------------------------------------------------------------3

第二章铸造件设计-------------------------------------------------------4

第三章锻造件设计-------------------------------------------------------7

第四章焊接件设计------------------------------------------------------10

第五章总结---------------------------------------------------------------13

第六章心得体会---------------------------------------------------------13

参考文献--------------------------------------------------------------------14

第一章任务书

一、课程设计目的

此课程设计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。

为了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一周课程设计，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。

二、课程设计的任务及要求

课程设计的指导思想应力求在提高产品质量、降低产品成本、提高生产效率的原则下，使工艺方案尽量简化、操作方便。

1.仔细读题、明确自己的任务。

2.对零件制造的总体方案进行论证与选定，包括：

毛坯制造方案的可行性分析与比较。

主要表面机械加工方案分析与选择。

3.毛坯生产工艺方案的分析，包括:

工艺性综合分析。

生产方法的确定。

工艺参数的确定及其他工艺问题的分析。

工艺图的绘制。

4.机械加工工艺方案的分析，包括：

零件机械加工工艺的分析及工艺基准的选定。

工艺过程的拟定及工艺文件的编制。

各工序机床、加工余量、工、夹、量具的选定。

刀具的设计与应用。

绘制机械加工过程中所需的工艺图。

5.完成全部工艺绘制工作。

6.撰写一份完整的说明书。

要求理论鲜明、论证严密、文理通顺、字迹清楚。

7.编写参考文献。

第二章铸造件设计

一、零件名称：

大型船用螺旋桨

二、零件的简图：

三、技术要求和生产性质：

技术要求

直径D=4000mm;螺距比为0.9;盘面比为0.66;后倾角为0b;叶数为4叶;右旋;设计成品质量约5600kg

生产性质

小批量生产

四、零件的材料选择分析：

大型船用螺旋桨的工作条件

船用铜合金螺旋桨在海水中运转而承受巨大的交变负荷,要求力学性能高、耐蚀疲劳强度高、耐空泡腐蚀性能优良,而且其桨叶形状为曲面,使得铜合金螺旋桨的铸造工艺相当繁杂。

失效分析

变形失效：

当承受的应力超过一定限度时，大型船用螺旋桨产生过量的变形，导致失效。

断裂失效：

动载荷和应力的作用力很大，在大载荷或冲击载荷作用下，发生断裂或者扭断。

疲劳断裂：

由于长期受其他零件工作时产生的交变应力，造成大型船用螺旋桨的疲劳断裂。

选材方案

选材分析：

方案一：

选用铸钢。

铸钢是一种重要的铸造合金，有较高的强度和良好的塑性，通过热处理可获得较高的硬度和能承受较大的载荷和冲击。

但大型船用螺旋桨曲面结构较复杂，一般通过铸造成型，而铸钢的铸造性能较差，易出现浇注不足、缩孔等铸造缺陷，这将大大影响成型后零件的性能。

方案二：

选用镍铝青铜。

镍铝青铜具有优良的耐蚀性和可以同钢媲美的强度和韧性,因而在工业中得到广泛应用。

工业上使用的铝青铜,含铝量一般为7%~10%（w）,强度高,适用于铸造。

实际使用中为了进一步改善铝青铜的有关性能,常用的铝青铜是在二元铝青铜的基础上添加一定量的锰、铁、镍、锌和锡等元素而形成的多元铝青铜。

镍铝青铜就是以镍、铁、锰为主要合金元素的铝青铜。

因镍铝青铜具有极佳的耐腐蚀性能,是用于船舶螺旋桨、泵、阀以及水下紧固件的重要材料。

对比以上两个方案，到考虑工作条件原因，选择方案二。

五、工艺设计

1收缩率、反变形量的确定

螺旋桨桨叶既宽且薄、叶厚分布不均匀,铸件各处的浇注温度和冷却速度不同,铸造收缩变形严重且变形各异,其影响变形的因素和规律尚未完全清楚,导边向下凹,随边向上挠,桨叶扭转变形,螺距变小;在随边（0.3~0.5）R螺距线收缩率取1.5%,（0.6~1.0）R螺距线收缩率取2%,桨叶后倾从（0.5~1.0）R加放0.2mm的反变形量[3];整个桨的线收缩率取1.5%。

2加工余量的确定

为了消除铸件的表面缺陷,得到尺寸精度高、表面质量好的螺旋桨,仅靠补缩和反变形量还不能补偿和修正螺旋桨的收缩变形,还必须加放加工余量。

桨叶的加工余量确定如下:

桨叶叶面加工余量取5mm,叶背加工余量取4mm,导边及随边均加长加宽20mm;桨毂外径加10mm,桨毂轴孔单边减20mm,桨毂大端加长30mm、小端加长20mm。

3浇冒口系统的确定

螺旋桨的浇注系统,应保证金属液能平稳地充型,应有合理的浇注速度、热分布均匀、挡渣除渣能力强,其浇注系统示意图见图2。

采用底注式浇道,拔塞浇口杯,封闭式直浇道<45mm,开放式方型横浇道,采用过滤网（过滤网横截面积取2500mm2）、集渣包除渣结构,采用圆柱形10孔内浇道。

4螺旋桨质量的估算

按盘面比估算法（算法偏大）计算螺旋桨质量公式如下[4]:

桨叶总质量G=π*D²/4*盘面比*0.6R截面最大厚度@密度=4028kg;桨毂质量为1565kg;螺旋桨的成品总质量约为5593kg。

4m的Kaplan螺旋桨的浇注质量约为8t。

六刮板造型

1型砂的选择

造型材料的配方选择和混制工艺的确定,决定着铸件品质和轮廓精度形状。

砂型铸造时,必须承受液体金属的冲击、收缩和膨胀的机械作用和热作用,以及型砂和液体之间的物理化学作用,因此型砂必须具有好的透气性、低的发气性、高的强度和良好的退让性等工艺性能。

选用优质硅砂、陶土作原砂,水玻璃为粘结剂,机械搅拌配砂,吹二氧化碳硬化,砂型表面涂刷稳定性和覆盖性好、抗裂纹性强、附着强度高的醇基快干涂料,以防止粘砂、夹砂、砂眼等表面缺陷。

国外某厂2005年就采用呋喃树脂作铸造螺旋桨的粘结剂,即将松木加热后分解并提取其中的液体呋喃树脂,将其与铸造型砂混拌,制成砂型。

利用这种技术,可浇注直径为6m、质量为20t以下的船用螺旋桨,而且铸造时间缩短、铸造速度加快,可节省劳动力,另外,型砂还可继续使用。

2铸型的造型方法

铸型的刮板造型过程如下:

型砂配制、冒口泥芯和内浇道泥芯的制作;桨毂木模、截面样板的木模制作;叶面轮廓纸样板的准备;螺距三角板的制作安装;下型托板刮板造型;假叶制作;上型盖板架造型;开箱修型、刷涂料;用专用的芯轴底座和底盘固定造型,造型体固定在熔炼和浇注的吊机车间,合箱联体采用压铁和螺栓紧固,防止抬箱跑火。

图3为铸型的造型示意图。

图3螺旋桨刮板造型示意图

1.芯轴2.桨毂3.螺距三角板4.刮板5.横臂

3铸型的干燥和冷却

铸型干燥是造型的重要工序,干燥使砂层的残余水分达到要求。

铸型干燥不好易产生气孔、氧化夹渣等缺陷,为了减少烘烤变形,采用电热风炉进行铸型干燥,热风炉的送风和金属液的走向一致,比烘炉从外向内加热铸型可能更合理一些;为使铸型干燥均匀,叶梢出气口开设在桨叶随边最低处;铸型干燥加热方式为:

100e时保温约8h,250e保温约24h;安置好浇口杯浇注系统后,进行第二次热风炉保温送风时,型腔内温度保持在100e左右。

第三章锻造件设计

一、零件名称：

高速轴

二、零件简图：

三、技术要求和生产性质

技术要求

转速30000~40000r/min，σb≥800MPa,表面硬度59~62HRC

生产性质

大批量生产件

四、选材：

高速轴工作条件

承受较大的摩擦；承受一定的冲击载荷；轴承受一定的交变弯矩

失效形式

疲劳断裂、断裂失效和磨损失效，其中由于受较高强度的摩擦和冲击载荷的长期作用，造成轴疲劳断裂，这是最主要的实效形式。

选材方案

方案一：

调制钢.

调制钢经调制后有较好的综合性能，但对该主轴来说其心部塑性，韧性均嫌低，比如40Cr，优点是此类钢种在滑动轴承内运转，精度要求较高，有较高的冲击和交变载荷综合性能很好，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。

不足之处在于成本高，表面硬度（46~55）HRC、以及线收缩率不符合要求。

方案二：

滚动轴承钢

用滚动轴承钢的优点是经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。

强度、韧性和抗冲击性能好。

不足之处是其表面硬度不能满足，且加工成本与材料成本高。

方案三：

在渗碳钢中选择

选15，20Cr等渗碳钢，这类渗碳钢，经渗碳，淬火，低温回火后，表面硬度，耐磨性可以满足要求。

但是，由于该主轴厚度较大，这两种材料淬透性小（15钢油中淬透直径D0只几毫米，20Cr也只能达12mm）,从而使主轴心部达不到要求。

因此，应在淬透性较大的合金渗碳钢中选择。

可选20CrMnTi钢，该渗碳钢淬透性较大，由手册查得该钢的临界淬透直径D0可达30-40mm,与该主轴厚度相近，可以满足要求；该钢经渗碳，淬火，低温回火后，其心部性能（查工程材料手册σb≈1100Mpa,αk>60J/cm^2,零件表面获得回火马氏体加碳化物组织，其硬度可达58~64HRC，并且有高的耐磨性，可以满足技术要求。

此外，该钢的热处理工艺性也好，不易过热，渗碳后可直接淬火.它的可锻性也很好，有利于磨头主轴毛坯的锻造，它的切削加工性也好.）

总结：

根据以上分析，该高速轴应选用20CrMnTi合金渗碳钢制造。

五、毛坯选择方案

该机床主轴属轴杆类零件，通常以锻件做毛坯。

1、切削加工

直接采用圆柱棒切削加工，加工的精度较高，但是由于零件的复杂性而会产生较多材料浪费，增加生产成本。

2、锻造

自由锻，所用工具和设备简单，通用性好，工艺灵活，成本低，但精度低，加工余量大，表面质量差。

模锻，锻件形状和尺寸精度高，机械加工余量少，锻件的纤维组织分布合理，生产率高，操作简单。

综上所述，应该选择模锻

六、工艺流程

下料→自由锻→正火→粗加工，半精车外圆，渗碳→局部淬火，加低温回火→车定刀槽，粗磨外圆→精磨

（1）正火处理是为了得到合适的硬度，以便于机械加工，同时改善锻造组

（2）渗碳处理是为了使材料硬度增加。

（3）淬火加低温回火是为了高速轴表面满足高精度，高耐磨性的要求。

第四章焊接件设计

一、零件名称：

双相不锈钢管

二、零件简图：

三、零件的生产要求与生产性质

技术要求

屈服强度Rs>550MPa,抗拉强度Rb>750MPa,维氏硬度HV>220。

生产性质

大批生产

四、零件的选材分析

双相不锈钢管的工作条件分析

应用于近海结构、石油和天然气的管道输送中，需要具有优良韧性和焊接性，同时还需具备较高强度和耐氯化物应力腐蚀性

失效分析

过量的塑性变形：

工作压力过高引起钢管局部过量塑性变形。

疲劳：

在循环使用过程中，工作应力往往在局部地方超过材料的屈服强度，使不锈钢管产生较大的反复塑性形变，导致最后发生破坏。

脆性破坏：

大部分发生在较低温度，在焊接缺陷、内部缺陷或应力集中处产生。

应力腐蚀：

在应力和引起应力腐蚀介质的共同作用下，产生应力腐蚀裂纹而导致压力容器破坏。

选材方案

选材分析：

根据上述要求选材方案如下：

方案一：

铁素体不锈钢。

但铁素体不锈钢的焊接热影响区，由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低

方案二：

奥氏体不锈钢。

在保持高的抗蚀前提下，具有超高强度水平，如1Cr18Ni9Ti。

但铁素体不锈钢对焊接热裂纹比较敏感

方案三：

铁素体相和奥氏体相约各占一半

具备良好的焊接性能，同时拥有铁素体和奥氏体的优良性能

总结：

根据以上分析，选择铁素体相和奥氏体相约各占一半的材料

五、零件毛坯的生产

焊接方法：

（1）方案一：

手工焊条电弧焊（MMA）。

设备简单，方法简便灵活，适应强，但对焊工操作技术要求高。

焊条劳动条件差，生产率低。

（2）方案二：

钨极惰性气体保护焊（GTAW）。

降低在焊接过程中由于不平衡的加热和冷却不而导致钢中各合金元素的不平衡分布及两相比例的改变。

分析：

1）焊接工艺线能量的大小对焊接接头中两相比例影响较大。

具有较高线能量和使用含N2保护气体的GTAW焊接接头具有比MMA焊接接头更优异的两相比例。

2）尽管GTAW焊接接头与MMA焊接接头的抗拉强度相近,但无论塑性指标,抗弯强度,冲击韧性前者都优于后者。

3）GTAW焊接接头具有比MMA焊接接头更优异的断裂韧性。

综上所诉：

选择钨极惰性气体保护焊（GTAW）。

GTAW选用手工钨极氩弧焊丝22.8.3.L，规格为<2.0mm*1000mm。

焊接工艺参数如表2所示。

六、工艺流程：

GTAW焊接工艺要求全位置焊接,符合5G规范要求:

管道轴线与水平面平行,在焊接过程中不转动管子,按先正半周后负半周的顺序完成一道焊缝,在进行打底定位焊时,就要求使用纯N2作为背面的保护气体。

GTAW采用钨极惰性气体保护焊打底,单面焊双面成形,然后采用焊丝填充盖面。

使用Ar+2%N2作为电弧保护气体。

第五章总结

这次工程材料课程设计是大学里的第一次课程设计，它给我带来了巨大的收获，一是教我们把所学知识应用到实践之中。

学的再多不如会用一点，对于平时所学的工程材料知识通过这次的课程设计更加系统全面化的呈现了一次，并且是我们可是更好的掌握这些；二是学会了应用学校的图书馆资源，更好的了解和理解了当代现代化的工程材料新技术，是我们的知识不在局限于书本知识。

由于完成时间是在金工实习期间，所以会有一些瑕疵在这次的课程设计上，但我已经努力的去完成这次的课程设计了。

第六章心得体会

这次的课程设计把我们所学的工程材料应用到了实践中，通过对比毛坯和热加工处理方式，知道了每一种毛坯和热加工处理方式的优缺点，从而是我们在将来的设计中可以更好地掌握和应用。

这次课程设计我最深的感触就是“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。

虽然学了一学期的材料，可是真正要把学到的知识从考卷搬到实际生活中，对我们来说是一个很大的挑战。

当然我们同时也学会了在图书馆中自己查询资料，通过网络的资源优越性来了解到当代最新的新型材料，从而可以设计出更完美的产品。

由于时间的仓促，难免出现纰漏，但下次的课程设计会吸取教训，提早着手，拥有充分的时间去准备资料。

第七章参考文献

（1）曹卫，倪骁骅.《工程材料应用》课程设计指导书.盐城:

盐城工学院机械学院,2013.

（2）向延平，《大型船用螺旋桨铸造工艺的探讨》.特种铸造及有色合金2009年第29卷第8期

（3）刘俊，霍立兴，金晓军，白秉仁，李晓巍，曹军.《焊接工艺SAF2205管道焊接接头组织和力学性能的影响》.焊管-第27卷第3期-2004年5月

（4）徐健,邢建东,李镜银.《镍铝青铜的熔铸工艺特点》.材料开发与应用第19卷第2期

（5）李书伟,曹卫，汪洪林《工程材料与热加工工艺》.南京:

南京大学出版社,2011.

（6）