1、第一章工程材料及熱加工工藝課程設(shè)計的有關(guān)事項,1.1 課程設(shè)計的目的,工程材料與熱加工基礎(chǔ)是工程類專業(yè)必修的一門工藝性、實踐性很強的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容包括工程材料學(xué)、鑄造、鍛壓、焊接等。為提高學(xué)生的工程實踐能力和綜合運用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力，在學(xué)習該課程后進行為期一周的課程設(shè)計，其目的是：,1.通過課程設(shè)計的實踐，使學(xué)生進一步加深了解和鞏固課程所學(xué)的有關(guān)知識，提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力。 2.通過課程設(shè)計使學(xué)生初步達到在一般機械設(shè)計中能合理選擇材料、選擇毛坯的生產(chǎn)方法，并能合理安排典型零件的熱處理工藝、零件制造工藝流程及結(jié)構(gòu)工藝性分析。,1.2課程設(shè)計的選題

2、、內(nèi)容及步驟,1. 課設(shè)題目的選定：指導(dǎo)教師與學(xué)生自選相結(jié)合 供選零件 設(shè)計指導(dǎo)書中提供的典型零件 選題要求 要求有3個零件如：軸、齒類；底座、減速箱蓋；一個容器類零件。,2. 設(shè)計內(nèi)容及步驟,1)學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計指導(dǎo)書中規(guī)定的零件或由任課教師指定的零件，任選三個零件（包括鑄件、鍛件和焊接件各一個），分析各個零件的工作條件、受力狀況、失效形式等，合理選擇各零件所用材料、選擇毛坯生產(chǎn)方法，并能合理安排零件的熱處理工藝、制造工藝流程，按設(shè)計指導(dǎo)書中要求進行結(jié)構(gòu)工藝性分析與工藝設(shè)計。,2）設(shè)計中制訂的工藝方案（如選材方案、毛坯選擇方案、鑄造工藝中分型面的選擇方案等）,應(yīng)考慮23個方案進行比較,充分論

3、證,選取最佳方案,并在設(shè)計說明書中詳細敘述,不能只給出簡單的結(jié)論。,4）課程設(shè)計報告的格式：首頁為題目，依此為任務(wù)書，目錄（目錄應(yīng)標明序號、標題和頁次），正文、體會和建議、參考資料。,3）每個學(xué)生完成一份完整的課程設(shè)計報告。 設(shè)計說明書是反映設(shè)計結(jié)果的技術(shù)文件，必須認真寫好。要求論述清楚，文字簡潔，書寫（或打?。┕ふ?，論述中應(yīng)附加必要的插圖說明。,1.4 課程設(shè)計的時間安排,第2章 工程材料及熱加工工藝課程設(shè)計參考資料,2.1機械零件的選材 選材是機械零件設(shè)計中不可缺少的工作，材料選擇合理與否直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和生產(chǎn)成本。機械零件選材的一般原則是： 1. 所選材料應(yīng)具有滿意的使用性能，

4、除特殊要求某些物理性能、化學(xué)性能之外，一般主要要求的是力學(xué)性能，即材料抵抗外加載荷而不致失效的抗力-失效抗力。 2. 材料應(yīng)具有良好的或可行的加工性能。 3. 材料的價格或成本應(yīng)盡可能低廉。,一、機械零件選材應(yīng)滿足使用性能要求 什么是使用性能指零件在工作時應(yīng)具備的力學(xué)、物理和化學(xué)性能。 1.機械零件選材的基本分析方法 （1）分析零件的工作條件，確定使用性能。 工作條件主要是指：零件的受力情況，包括受力形式，如載荷形式（拉、壓、彎曲等），載荷性質(zhì)（如靜載、動載、交變載荷）及承受摩擦的狀況；環(huán)境狀況，如工作溫度、介質(zhì)等；特殊要求如導(dǎo)熱性、導(dǎo)磁性等。,（2）進行失效分析，確定使用性能。 舉例：長期以

5、來人們認為，汽車柴油發(fā)動機曲軸的主要使用性能是高的沖擊抗力和耐磨性，應(yīng)選用45鋼。 通過失效分析發(fā)現(xiàn)，曲軸的失效形式主要為疲勞斷裂，其主要使用性能為疲勞抗力。因此，以疲勞強度為主要使用性能指標設(shè)計、制造的曲軸，不僅質(zhì)量和壽命顯著提高，而且可以選用價格低的球墨鑄鐵制造。,（3）從零件使用性能要求提出對材料的性能的要求。 明確了零件的使用性能后，把使用性能的要求，通過分析、計算量化成具體數(shù)值，再按這些數(shù)值從手冊的材料性能數(shù)據(jù)大致應(yīng)用范圍選材。 常見的力學(xué)性能指標有HRC或HBS，s , b ； 非常規(guī)力學(xué)性能指標如KIC及腐蝕介質(zhì)中的力學(xué)性能； 對特殊性能要求的零件，如電性能、磁性能、熱性能等。,

6、（1）分析零件的工作條件與環(huán)境，確定零件的技術(shù)要求。 （2）通過分析實驗，結(jié)合同類零件失效分析結(jié)果提出失效抗力指標，并以此作為選材的基本依據(jù)。 （3）根據(jù)力學(xué)計算，確定零件的主要力學(xué)指標。 （4）決定熱處理及其他表面強化方法。 （5）試驗、投產(chǎn)。對關(guān)鍵零件批量生產(chǎn)前要進行試驗、初步確定材料選擇，熱處理方法是否合理，熱加工性能好壞。滿意后可批量生產(chǎn)。,2.機械零件按使用要求選材的基本步驟,3.機械零件選材應(yīng)注意的幾個問題 （1）尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)是指鋼材截面大小不同，即使熱處理狀態(tài)相同，其力學(xué)性能也有差別效應(yīng)。隨著材料截面尺寸增大，鋼材的力學(xué)性能下降。尺寸效應(yīng)不僅與冶金質(zhì)量有關(guān)，而且還與淬透性有

7、關(guān)。 （2）力學(xué)性能與加工狀態(tài)、處理條件有關(guān)。不同的加工狀態(tài)（如鑄造、鍛造、不同熱處理，有否壓力加工）其力學(xué)性能差別。 （3）材料的力學(xué)性能對同一牌號的材料來說，由于其成分是在一定范圍內(nèi)變化，因此其力學(xué)性能也是有一定的波動范圍。,二、機械零件選材應(yīng)滿足加工工藝性要求,材料的工藝性是指材料適應(yīng)某種加工工藝的能力。所選材料一般應(yīng)先制成與成品形狀相近似的各種毛坯（例如鑄件、鍛件、焊接件），再經(jīng)切削加工和熱處理，最終形成零件，因此，材料應(yīng)滿足這些不同工藝的要求。材料的工藝性通常指以下幾個方面： 1.鑄造性能：包括流動性、收縮性、偏析和吸氣性等。由于接近共晶成分的合金鑄造性能良好，因此鑄造合金的成分一般

8、選在共晶成分附近。,2. 壓力加工性能：包括冷壓力加工（冷沖壓、冷軋、冷擠壓）和熱壓力加工（如鍛造、熱軋、熱擠壓等）時材料的塑性和變形抗力。有可熱加工的溫度范圍、抗氧化性和加熱、冷卻要求。變形鋁合金、銅合金、低碳鋼的壓力加工性能好、而高碳鋼就差。 3. 焊接性能：焊縫處形成冷裂或熱裂及形成氣孔的傾向，低碳鋼的焊接性能好，高碳鋼及鑄鐵的焊接性能差。,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、刀具磨損和切削排除的難易程度來衡量其好壞。 5.熱處理工藝性：包括淬透性、淬硬性、回火穩(wěn)定性、氧化脫碳傾向、變形開裂傾向等。,三、機械零件選材應(yīng)兼顧經(jīng)濟性

9、,1. 材料價格：一般材料成本約占零件成本的3070%。 2. 材料的加工費用：一般加工費約占零件成本的30%左右， 生產(chǎn)批量越小，所占比例越高,四、選材實例,1. 零件名稱：某汽車變速齒輪 2. 齒輪簡圖略（尺寸） 3. 技術(shù)要求與生產(chǎn)性質(zhì) （1）技術(shù)要求：齒表面要求有較高的硬度（5864HRC）、耐磨性和疲勞強度，而心部則要求較高的強度與韌性。心部強度b 1000MPa ak 60J/cm2 （2）生產(chǎn)性質(zhì)：大批量生產(chǎn)。,4. 選材分析 該齒輪的作用是將汽車發(fā)動機功率傳遞到后輪倒車作用。工作條件比較惡劣，受力大常超載和受沖擊力作用。因此，要求較高的心部強度和沖擊韌性，對于齒輪來說還受摩擦力

10、和交變載荷作用。因此，要求齒表面有較高的硬度、耐磨性和疲勞強度。根據(jù)上述要求選材方案如下： 方案一：選擇調(diào)質(zhì)鋼。這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后有較好綜合性能，但對該齒輪來說其心部塑性，韌性較低，而且再經(jīng)過表面淬火后，其表面的耐磨性不理想，因此該方案難以滿足技術(shù)要求。,選15、20Cr等滲碳鋼，經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后，表面硬度、耐磨性可以滿足要求，但該齒輪的的厚度較大，這兩種材料的淬透性小，從而使齒輪心部達不到要求。因此，必須選擇淬透性較大的合金滲碳鋼。 可選擇20CrMnTi鋼,該滲碳鋼的淬透性較大,臨界淬透直徑達30-40mm,經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后，表面硬度、耐磨性可以滿足要求,心部也滿足要求。 因此

11、,選擇20CrMnTi鋼制造齒輪。,方案二：在滲碳鋼中選擇,2.2 機械零件毛坯的選擇,概述 毛坯的選擇是機械設(shè)計與制造中的一項重要任務(wù)。毛坯與零件的制造除直接用型材加工外,主要由鑄造、鍛壓及焊接三種制造工藝方法制成。毛坯分為：鑄件、鍛件、焊件和型材件。 1。影響毛坯選擇的因素 毛坯選用液態(tài)成形的鑄件或塑性變形的鍛件、薄板沖壓件或焊接連接的沖壓焊結(jié)構(gòu)、軋制焊結(jié)構(gòu)、鑄-焊的焊件。應(yīng)取決于以下六個方面：,（1）零件選用的材質(zhì)，基本決定了毛坯的種類。零件的材質(zhì)是根據(jù)設(shè)計要求的使用性能、金屬材料的工藝性能及其經(jīng)濟性能的綜合考慮選定的。 （2）零件的結(jié)構(gòu)形狀，決定了毛坯的制造方法。例如薄壁復(fù)雜件只能用鑄

12、造（最好為壓力鑄造），大截面簡單件不宜用鑄造，適用于自由鍛。特大的薄壁結(jié)構(gòu)宜用焊接結(jié)構(gòu)。 （3）零件的生產(chǎn)類型，對毛坯的選擇也起決定作用。 （4）零件不加工表面的精度與粗糙度不僅決定于毛坯類型，而且可進一步選用精密鑄造或精密鍛造等少余量或無余量的精密零件或毛坯。,（5）工廠現(xiàn)有設(shè)備、技術(shù)力量及生產(chǎn)能力，可改變原定的毛坯選定方案。例如大型件原可采用整體鑄件，但受設(shè)備、廠房限制只能采用以小拼大的鑄-焊結(jié)構(gòu)；復(fù)雜程度高的鑄件由于技術(shù)力量與生產(chǎn)能力的影響，只能化難為易采用鑄焊結(jié)構(gòu)。有些情況甚至將鑄件改為鍛件。 （6）當毛坯幾種制造方法均可制造時，應(yīng)選用最佳經(jīng)濟方案。,2.檢驗毛坯選擇是否合理的標準 （

13、1）使用性：滿足零件使用要求。 （2）工藝性：加工方便，易獲優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。 （3）經(jīng)濟性：成本最低，消耗最少。,一、鑄造毛坯,1. 鑄造毛坯的選用條件 （1）必須能制出與零件形狀相近的，并保證尺寸正確、輪廊清晰。 （2）必須具備熔煉設(shè)備，能熔煉出質(zhì)量與溫度合適的金屬。 （3）熔煉金屬應(yīng)平穩(wěn)地進入型腔，不與鑄型發(fā)生反應(yīng)；氣體、夾渣易于排除，鑄型充滿不產(chǎn)生冷隔及澆不足現(xiàn)象。 （4）設(shè)計的鑄件在冷卻凝固時，不產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、裂紋及變形?？s孔可以切除獲完整的毛坯。,（5）必須方便地從鑄型中取出鑄件。 （6）必須能清除鑄件內(nèi)外型砂及芯砂、澆冒系統(tǒng)及附在鑄件上的一切多余部分。,2. 鑄造毛坯舉例,無人機發(fā)動機用

14、軸流轉(zhuǎn)子。毛坯原用材料為1Cr13馬氏體不銹鋼鍛件，現(xiàn)改為ZGCr18NiCu3沉淀硬化不銹鋼精密鑄造件。 零件的毛坯選擇時，考慮以下3種方案： （1）選鐓粗成圓盤類自由鍛件，進行切削加工。 優(yōu)點：毛坯制造方便， 1Cr13鑄造性能尚可。 缺點：毛坯加工量極大，金屬消耗多。 毛坯加工后，葉片處鍛造纖維組織被切斷，使葉片受力部位處于不良狀態(tài)，且葉片具有方向性。,優(yōu)點：材質(zhì)機械性能好，纖維組織基本不切斷。 缺點： a.軸流轉(zhuǎn)子形狀復(fù)雜，不能容易從鍛模中取出。葉片間整模塊無法起模。 b.采用分塊的鍛造模具，成本太高，精密程度達不到，仍需加工，留加工余量。精密鍛造模具成本更大，且需用精度高，壓力大的專

15、用鍛壓設(shè)備。 c.飛機結(jié)構(gòu)件批量不大。每一件攤派的模具成本費用不小。,（2）選接近零件形狀的模鍛件,缺點：制造蠟?zāi)５膲盒徒Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，采用組合蠟?zāi)r制成十七個單葉片焊在渦輪盤上精度不夠，焊接后蠟?zāi)Ｗ冃巍?優(yōu)點：a. 形狀復(fù)雜、要求精度極高的葉輪類不銹鋼件非常適用熔模精鑄，而不能考慮壓鑄。尤其是批量不大、高熔點的黑色金屬。制造壓鑄模具成本太高，壽命低。 b. 比模鍛的模具制造費低很多，壓蠟型用模具可采用鋁、低熔點易熔合金，起型方便。,（3）改用鍛造合金采用熔模精鑄件,c. 采用高達900左右的鑄型澆注，提高了金屬的流動性，能鑄出葉尖上僅1mm厚的形狀，鑄件尺寸精確、表面粗糙度低、輪廊清晰。

16、d. 解決了鍛件切削時切斷纖維組織的弊病，葉片性能無方向性。 e. 鍛件改鑄件，鍛造合金改為鑄造合金。,二、鍛造毛坯,1.鍛造毛坯的選用條件 凡受重載、交變載荷、高速旋轉(zhuǎn)的重要零件，不適宜采用鑄造毛坯，因為鑄造毛坯缺陷較多，質(zhì)量也不易控制。多采用鍛件。航空鍛造零件根據(jù)工作重要性分以下四類： 1) 特別重要的高載荷零件。如渦輪軸、槳軸等，對鍛造質(zhì)量要求極為嚴格。 2) 較為重要的中載零件。渦輪盤、葉片等，需做低倍、高倍顯微組織觀察，做硬度檢查。 3)低載零件,抽樣機械性能與金相。 4)普通零件,僅檢查硬度。,鍛造毛坯舉例,飛機搖臂,為飛機上的中載受力件，材質(zhì)LD7鍛鋁，形狀復(fù)雜，鍛造有3種方案:

17、 (1) 全部用自由鍛毛坯件，成本低，較經(jīng)濟，但腹板與深筋無法鍛成。 (2) 全部用模鍛毛坯件，必須設(shè)計多型槽的模鍛，但成本高，鋁合金LD7的變形流動性差，不適宜進行拔長、滾擠。 （3）自由鍛制坯-然后摩擦壓力機預(yù)鍛（腹板與深筋），使形狀、尺寸與終鍛基本相同-摩擦壓力機最終成型。,三、焊接毛坯,1. 焊接毛坯選用注意事項及舉例,例 現(xiàn)需大量生產(chǎn)一種乙炔氣瓶，該氣瓶的壁厚為4.5mm。設(shè)計壓力為6MPa，結(jié)構(gòu)如右圖所示。 要求：選擇合理的氣瓶材料；確定焊縫位置；設(shè)計接頭型式；選擇焊接方法和焊接材料；擬定主要工藝過程。,焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計： (1)選擇氣瓶材料：瓶頸和易熔塞座選20鋼，切削加工后焊到瓶體

18、上。上、下封頭用鋼板沖壓成形，筒子用鋼板卷圓后焊成。根據(jù)產(chǎn)品使用要求，考慮到?jīng)_壓、卷圓和焊接工藝，選用塑性和焊接性好的低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345(16MnR、R表示壓力容器用鋼)。,(2)確定焊縫位置：瓶體焊縫布置有兩種方案，如圖11-2所示。方案a：瓶體由上、下兩部分經(jīng)沖壓成形后焊在一起，瓶體上只有一條環(huán)形焊縫焊接工作量小，但由于瓶體細長，難以沖壓成形，此方案不可??；方案b：瓶體由上、下封頭及筒身三部分組成，上、下封頭沖壓成形，筒身由鋼板卷圓后焊好，再將上、下封頭與筒身焊在一起，瓶體共有三條焊縫(二條環(huán)形焊縫和一條縱向焊縫)，雖然焊接工作量大，但上、下封頭易沖壓成形，故應(yīng)選用此方案。,(3)焊接接頭設(shè)計：瓶頸、易熔塞座與瓶體的焊縫采用不開坡口的角焊縫：氣瓶為壓力容器，又裝有可燃性氣體，為保證焊接質(zhì)量，筒身的縱向焊縫及上、下封頭與簡身的環(huán)形焊縫均采用I形焊縫雙面焊。,(4)選擇焊接方法和焊接材料：瓶頸、易熔塞座與瓶體焊接，因焊縫直徑很小、故采用手弧焊，為保證焊接質(zhì)量，常采用堿性焊條J507。瓶體環(huán)形焊縫、