工程材料課程設(shè)計

1、 工程材料應(yīng)用課程設(shè)計說明書專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成日期 201 年1月9日 目 錄第一章 任務(wù)書-3第二章 鑄造件設(shè)計-4第三章 鍛造件設(shè)計-7第四章 焊接件設(shè)計-10第五章 總結(jié)-13第六章 心得體會-13參考文獻(xiàn)-14第一章 任務(wù)書一、課程設(shè)計目的此課程設(shè)計是工程類專業(yè)的必修技術(shù)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容包括工程材料學(xué)、鑄造、鍛壓、焊接等。為了提高學(xué)生的工程實踐能力和綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力，在學(xué)習(xí)該課程后進(jìn)行一周課程設(shè)計，其目的是：1.通過課程設(shè)計的實踐，使學(xué)生進(jìn)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(yùn)用所學(xué)知識分析解決實際問題的能力。 2

2、.通過課程設(shè)計使學(xué)生初步達(dá)到在一般機(jī)械設(shè)計中能合理選擇材料、選擇毛坯生產(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。二、課程設(shè)計的任務(wù)及要求 課程設(shè)計的指導(dǎo)思想應(yīng)力求在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、提高生產(chǎn)效率的原則下，使工藝方案盡量簡化、操作方便。1.仔細(xì)讀題、明確自己的任務(wù)。2.對零件制造的總體方案進(jìn)行論證與選定，包括： 毛坯制造方案的可行性分析與比較。 主要表面機(jī)械加工方案分析與選擇。3.毛坯生產(chǎn)工藝方案的分析，包括: 工藝性綜合分析。 生產(chǎn)方法的確定。 工藝參數(shù)的確定及其他工藝問題的分析。 工藝圖的繪制。4.機(jī)械加工工藝方案的分析，包括： 零件機(jī)械加工工藝的

3、分析及工藝基準(zhǔn)的選定。 工藝過程的擬定及工藝文件的編制。 各工序機(jī)床、加工余量、工、夾、量具的選定。 刀具的設(shè)計與應(yīng)用。 繪制機(jī)械加工過程中所需的工藝圖。5.完成全部工藝?yán)L制工作。6.撰寫一份完整的說明書。要求理論鮮明、論證嚴(yán)密、文理通順、字跡清楚。7.編寫參考文獻(xiàn)。第二章 鑄造件設(shè)計一、零件名稱：大型船用螺旋槳二、零件的簡圖：三、技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)：技術(shù)要求直徑D= 4000 mm; 螺距比為0. 9;盤面比為0. 66; 后傾角為0b; 葉數(shù)為4 葉; 右旋; 設(shè)計成品質(zhì)量約5 600 kg生產(chǎn)性質(zhì)小批量生產(chǎn)四、零件的材料選擇分析：大型船用螺旋槳的工作條件船用銅合金螺旋槳在海水中運(yùn)轉(zhuǎn)而承受

4、巨大的交變負(fù)荷, 要求力學(xué)性能高、耐蝕疲勞強(qiáng)度高、耐空泡腐蝕性能優(yōu)良, 而且其槳葉形狀為曲面, 使得銅合金螺旋槳的鑄造工藝相當(dāng)繁雜。失效分析變形失效：當(dāng)承受的應(yīng)力超過一定限度時，大型船用螺旋槳產(chǎn)生過量的變形，導(dǎo)致失效。斷裂失效：動載荷和應(yīng)力的作用力很大，在大載荷或沖擊載荷作用下，發(fā)生斷裂或者扭斷。疲勞斷裂：由于長期受其他零件工作時產(chǎn)生的交變應(yīng)力，造成大型船用螺旋槳的疲勞斷裂。選材方案選材分析：方案一：選用鑄鋼。 鑄鋼是一種重要的鑄造合金，有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，通過熱處理可獲得較高的硬度和能承受較大的載荷和沖擊。但大型船用螺旋槳曲面結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般通過鑄造成型，而鑄鋼的鑄造性能較差，易出現(xiàn)澆

5、注不足、縮孔等鑄造缺陷，這將大大影響成型后零件的性能。方案二：選用鎳鋁青銅。鎳鋁青銅具有優(yōu)良的耐蝕性和可以同鋼媲美的強(qiáng)度和韌性, 因而在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)上使用的鋁青銅, 含鋁量一般為7% 10% ( w ) , 強(qiáng)度高,適用于鑄造。實際使用中為了進(jìn)一步改善鋁青銅的有關(guān)性能, 常用的鋁青銅是在二元鋁青銅的基礎(chǔ)上添加一定量的錳、鐵、鎳、鋅和錫等元素而形成的多元鋁青銅。鎳鋁青銅就是以鎳、鐵、錳為主要合金元素的鋁青銅。因鎳鋁青銅具有極佳的耐腐蝕性能, 是用于船舶螺旋槳、泵、閥以及水下緊固件的重要材料。對比以上兩個方案，到考慮工作條件原因，選擇方案二。五、工藝設(shè)計1 收縮率、反變形量的確定螺旋槳

6、槳葉既寬且薄、葉厚分布不均勻, 鑄件各處的澆注溫度和冷卻速度不同, 鑄造收縮變形嚴(yán)重且變形各異, 其影響變形的因素和規(guī)律尚未完全清楚, 導(dǎo)邊向下凹, 隨邊向上撓, 槳葉扭轉(zhuǎn)變形, 螺距變小; 在隨邊( 0. 3 0. 5) R 螺距線收縮率取1. 5%, ( 0. 6 1. 0) R螺距線收縮率取2%, 槳葉后傾從( 0. 5 1. 0) R 加放0. 2 mm 的反變形量 3 ; 整個槳的線收縮率取1. 5%。2 加工余量的確定為了消除鑄件的表面缺陷, 得到尺寸精度高、表面質(zhì)量好的螺旋槳, 僅靠補(bǔ)縮和反變形量還不能補(bǔ)償和修正螺旋槳的收縮變形, 還必須加放加工余量。槳葉的加工余量確定如下: 槳

7、葉葉面加工余量取5 mm, 葉背加工余量取4 mm, 導(dǎo)邊及隨邊均加長加寬20 mm; 槳轂外徑加10 mm, 槳轂軸孔單邊減20 mm, 槳轂大端加長30 mm、小端加長20 mm。3 澆冒口系統(tǒng)的確定螺旋槳的澆注系統(tǒng), 應(yīng)保證金屬液能平穩(wěn)地充型,應(yīng)有合理的澆注速度、熱分布均勻、擋渣除渣能力強(qiáng), 其澆注系統(tǒng)示意圖見圖2。采用底注式澆道, 拔塞澆口杯, 封閉式直澆道<45mm, 開放式方型橫澆道, 采用過濾網(wǎng)( 過濾網(wǎng)橫截面積取2 500 mm2 ) 、集渣包除渣結(jié)構(gòu), 采用圓柱形10 孔內(nèi)澆道。4 螺旋槳質(zhì)量的估算按盤面比估算法( 算法偏大) 計算螺旋槳質(zhì)量公式如下 4 : 槳葉總質(zhì)量

8、G= *D²/ 4*盤面比*0. 6R 截面最大厚度 密度= 4 028 kg; 槳轂質(zhì)量為1 565 kg; 螺旋槳的成品總質(zhì)量約為5 593 kg 。4 m 的Kaplan 螺旋槳的澆注質(zhì)量約為8 t。六刮板造型1 型砂的選擇造型材料的配方選擇和混制工藝的確定, 決定著鑄件品質(zhì)和輪廓精度形狀。砂型鑄造時, 必須承受液體金屬的沖擊、收縮和膨脹的機(jī)械作用和熱作用, 以及型砂和液體之間的物理化學(xué)作用, 因此型砂必須具有好的透氣性、低的發(fā)氣性、高的強(qiáng)度和良好的退讓性等工藝性能。選用優(yōu)質(zhì)硅砂、陶土作原砂, 水玻璃為粘結(jié)劑, 機(jī)械攪拌配砂, 吹二氧化碳硬化, 砂型表面涂刷穩(wěn)定性和覆蓋性好、抗

9、裂紋性強(qiáng)、附著強(qiáng)度高的醇基快干涂料, 以防止粘砂、夾砂、砂眼等表面缺陷。國外某廠2005 年就采用呋喃樹脂作鑄造螺旋槳的粘結(jié)劑, 即將松木加熱后分解并提取其中的液體呋喃樹脂, 將其與鑄造型砂混拌, 制成砂型。利用這種技術(shù), 可澆注直徑為6 m、質(zhì)量為20 t 以下的船用螺旋槳, 而且鑄造時間縮短、鑄造速度加快, 可節(jié)省勞動力, 另外, 型砂還可繼續(xù)使用。2 鑄型的造型方法鑄型的刮板造型過程如下: 型砂配制、冒口泥芯和內(nèi)澆道泥芯的制作; 槳轂?zāi)灸?、截面樣板的木模制? 葉面輪廓紙樣板的準(zhǔn)備; 螺距三角板的制作安裝; 下型托板刮板造型; 假葉制作; 上型蓋板架造型; 開箱修型、刷涂料; 用專用的芯

10、軸底座和底盤固定造型, 造型體固定在熔煉和澆注的吊機(jī)車間, 合箱聯(lián)體采用壓鐵和螺栓緊固, 防止抬箱跑火。圖3 為鑄型的造型示意圖。圖3 螺旋槳刮板造型示意圖1. 芯軸 2. 槳轂 3. 螺距三角板 4. 刮板 5. 橫臂3 鑄型的干燥和冷卻鑄型干燥是造型的重要工序, 干燥使砂層的殘余水分達(dá)到要求。鑄型干燥不好易產(chǎn)生氣孔、氧化夾渣等缺陷, 為了減少烘烤變形, 采用電熱風(fēng)爐進(jìn)行鑄型干燥, 熱風(fēng)爐的送風(fēng)和金屬液的走向一致, 比烘爐從外向內(nèi)加熱鑄型可能更合理一些; 為使鑄型干燥均勻, 葉梢出氣口開設(shè)在槳葉隨邊最低處; 鑄型干燥加熱方式為: 100 e時保溫約8 h, 250 e 保溫約24 h; 安置

11、好澆口杯澆注系統(tǒng)后, 進(jìn)行第二次熱風(fēng)爐保溫送風(fēng)時, 型腔內(nèi)溫度保持在100 e 左右。 第三章 鍛造件設(shè)計一、零件名稱：高速軸二、零件簡圖：三、 技術(shù)要求和生產(chǎn)性質(zhì)技術(shù)要求轉(zhuǎn)速 3000040000r/min，b800MPa,表面硬度5962HRC生產(chǎn)性質(zhì)大批量生產(chǎn)件四、選材：高速軸工作條件承受較大的摩擦；承受一定的沖擊載荷；軸承受一定的交變彎矩失效形式疲勞斷裂、斷裂失效和磨損失效，其中由于受較高強(qiáng)度的摩擦和沖擊載荷的長期作用，造成軸疲勞斷裂，這是最主要的實效形式。選材方案方案一：調(diào)制鋼.調(diào)制鋼經(jīng)調(diào)制后有較好的綜合性能，但對該主軸來說其心部塑性，韌性均嫌低，比如40Cr，優(yōu)點是此類鋼種在滑動軸

12、承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，精度要求較高，有較高的沖擊和交變載荷綜合性能很好，這類鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和淬火后，具有較好的綜合機(jī)械性能。不足之處在于成本高，表面硬度（4655）HRC、以及線收縮率不符合要求。方案二：滾動軸承鋼用滾動軸承鋼的優(yōu)點是經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面高頻淬火后，表面硬度可達(dá)5058HRC，并具有較高的耐疲勞性能和較好的耐磨性能，可制造較高精度的軸。強(qiáng)度、韌性和抗沖擊性能好。不足之處是其表面硬度不能滿足，且加工成本與材料成本高。方案三：在滲碳鋼中選擇選15，20Cr等滲碳鋼，這類滲碳鋼，經(jīng)滲碳，淬火，低溫回火后，表面硬度，耐磨性可以滿足要求。但是，由于該主軸厚度較大，這兩種材料淬透性?。?5鋼油中淬透直徑D0只幾毫米

13、，20Cr也只能達(dá)12mm）,從而使主軸心部達(dá)不到要求。因此，應(yīng)在淬透性較大的合金滲碳鋼中選擇?？蛇x20CrMnTi鋼，該滲碳鋼淬透性較大，由手冊查得該鋼的臨界淬透直徑D0可達(dá)30-40mm,與該主軸厚度相近，可以滿足要求；該鋼經(jīng)滲碳，淬火，低溫回火后，其心部性能（查工程材料手冊b1100Mpa,k>60J/cm2,零件表面獲得回火馬氏體加碳化物組織，其硬度可達(dá)5864HRC，并且有高的耐磨性，可以滿足技術(shù)要求。此外，該鋼的熱處理工藝性也好，不易過熱，滲碳后可直接淬火.它的可鍛性也很好，有利于磨頭主軸毛坯的鍛造，它的切削加工性也好.）總結(jié)： 根據(jù)以上分析，該高速軸應(yīng)選用20CrMnTi合

14、金滲碳鋼制造。五、毛坯選擇方案該機(jī)床主軸屬軸桿類零件，通常以鍛件做毛坯。1、切削加工直接采用圓柱棒切削加工，加工的精度較高，但是由于零件的復(fù)雜性而會產(chǎn)生較多材料浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。2、鍛造自由鍛，所用工具和設(shè)備簡單，通用性好，工藝靈活，成本低，但精度低，加工余量大，表面質(zhì)量差。 模鍛，鍛件形狀和尺寸精度高，機(jī)械加工余量少，鍛件的纖維組織分布合理，生產(chǎn)率高，操作簡單。綜上所述，應(yīng)該選擇模鍛六、工藝流程下料自由鍛正火粗加工，半精車外圓，滲碳局部淬火，加低溫回火車定刀槽，粗磨外圓精磨(1)正火處理是為了得到合適的硬度，以便于機(jī)械加工，同時改善鍛造組(2)滲碳處理是為了使材料硬度增加。(3)淬火加低溫

15、回火是為了高速軸表面滿足高精度，高耐磨性的要求。第四章 焊接件設(shè)計一、零件名稱：雙相不銹鋼管二、零件簡圖：三、零件的生產(chǎn)要求與生產(chǎn)性質(zhì)技術(shù)要求屈服強(qiáng)度Rs > 550MPa, 抗拉強(qiáng)度Rb>750MPa, 維氏硬度HV> 220。生產(chǎn)性質(zhì)大批生產(chǎn)四、零件的選材分析雙相不銹鋼管的工作條件分析應(yīng)用于近海結(jié)構(gòu)、石油和天然氣的管道輸送中，需要具有優(yōu)良韌性和焊接性，同時還需具備較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性失效分析過量的塑性變形：工作壓力過高引起鋼管局部過量塑性變形。疲勞：在循環(huán)使用過程中，工作應(yīng)力往往在局部地方超過材料的屈服強(qiáng)度，使不銹鋼管產(chǎn)生較大的反復(fù)塑性形變，導(dǎo)致最后發(fā)生破壞。脆性

16、破壞：大部分發(fā)生在較低溫度，在焊接缺陷、內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中處產(chǎn)生。應(yīng)力腐蝕：在應(yīng)力和引起應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的共同作用下，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋而導(dǎo)致壓力容器破壞。選材方案選材分析：根據(jù)上述要求選材方案如下：方案一：鐵素體不銹鋼。 但鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)，由于晶粒嚴(yán)重粗化而使塑韌性大幅降低方案二：奧氏體不銹鋼。 在保持高的抗蝕前提下，具有超高強(qiáng)度水平，如1Cr18Ni9Ti。但鐵素體不銹鋼對焊接熱裂紋比較敏感方案三：鐵素體相和奧氏體相約各占一半 具備良好的焊接性能，同時擁有鐵素體和奧氏體的優(yōu)良性能總結(jié)：根據(jù)以上分析，選擇鐵素體相和奧氏體相約各占一半的材料五、零件毛坯的生產(chǎn)焊接方法：(1)方案一：手工焊

17、條電弧焊( MMA)。設(shè)備簡單，方法簡便靈活，適應(yīng)強(qiáng)，但對焊工操作技術(shù)要求高。焊條勞動條件差，生產(chǎn)率低。（2）方案二：鎢極惰性氣體保護(hù)焊( GTAW)。降低在焊接過程中由于不平衡的加熱和冷卻不而導(dǎo)致鋼中各合金元素的不平衡分布及兩相比例的改變。分析：1) 焊接工藝線能量的大小對焊接接頭中兩相比例影響較大。具有較高線能量和使用含N2保護(hù)氣體的GTAW 焊接接頭具有比MMA 焊接接頭更優(yōu)異的兩相比例。2) 盡管GTAW 焊接接頭與MMA 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度相近, 但無論塑性指標(biāo), 抗彎強(qiáng)度, 沖擊韌性前者都優(yōu)于后者。 3) GTAW 焊接接頭具有比MMA 焊接接頭更優(yōu)異的斷裂韌性。綜上所訴：選擇鎢極

18、惰性氣體保護(hù)焊( GTAW)。GTAW 選用手工鎢極氬弧焊絲22. 8. 3. L，規(guī)格為<2. 0 mm * 1 000 mm。焊接工藝參數(shù)如表2 所示。六、工藝流程：GTAW焊接工藝要求全位置焊接, 符合5G 規(guī)范要求: 管道軸線與水平面平行, 在焊接過程中不轉(zhuǎn)動管子, 按先正半周后負(fù)半周的順序完成一道焊縫, 在進(jìn)行打底定位焊時, 就要求使用純N2 作為背面的保護(hù)氣體。GTAW 采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊打底, 單面焊雙面成形, 然后采用焊絲填充蓋面。使用Ar+2%N2 作為電弧保護(hù)氣體。第五章 總結(jié)這次工程材料課程設(shè)計是大學(xué)里的第一次課程設(shè)計，它給我?guī)砹司薮蟮氖斋@，一是教我們把所學(xué)知識應(yīng)用到實踐之中。學(xué)的再多不如會用一點，對于平時所學(xué)的工程材料知識通過這次的課程設(shè)計更加系統(tǒng)全面化的呈現(xiàn)了一次，并且是我們可是更好的掌握這些；二是學(xué)會了應(yīng)用學(xué)校的圖書館資源，更好的了解和理解了當(dāng)代現(xiàn)代化的工程材料新技術(shù)，是我們的知識不