南京航空航天大學(xué)《工程材料及熱加工工藝》課程設(shè)計(jì)有

1

.

1

課

程

設(shè)

計(jì)

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(shí)踐性很強(qiáng)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(shí)踐能力和

綜合運(yùn)用

所學(xué)

知

識(shí)

分

析

解決

實(shí)際問題的能力，在學(xué)習(xí)該

課

程

后進(jìn)行為期一周的課程設(shè)計(jì)，其目的是：第一章《工程材料及熱加工工藝》課程設(shè)

計(jì)

的有

關(guān)

事

項(xiàng)1.通

過

課

程

設(shè)

計(jì)

的

實(shí)

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(shí)

，

提

高

學(xué)

生

綜

合

運(yùn)

用

所

學(xué)

知識(shí)分析解決實(shí)際問題的能力。2.通

過

課

程

設(shè)

計(jì)

使

學(xué)

生

初

步

達(dá)

到

在

一

般

機(jī)

械

設(shè)

計(jì)

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(jì)

的

選

題

、

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(jì)指導(dǎo)書中提供的典型零件●

選題要求要求有3個(gè)零件如：軸、齒類；底座、減速箱蓋；一個(gè)

容器類零件。1)學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計(jì)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(gè)

零

件(

包

括

鑄

件

、

鍛

件

和

焊

接

件

各

一

個(gè)),

分析各個(gè)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(jì)指導(dǎo)書中要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝性分析與工藝設(shè)計(jì)。2)設(shè)計(jì)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2～3個(gè)方案進(jìn)行比較，充分論證，選取最佳方案，并在設(shè)計(jì)說明書中詳細(xì)

敘述，不能只給出簡單的結(jié)論。2.

設(shè)

計(jì)

內(nèi)

容

及

步

驟3)每個(gè)學(xué)生完成一份完整的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)說明書是反映設(shè)計(jì)結(jié)果的技術(shù)文件，必須認(rèn)真寫好。

要求論述清楚，

文字簡潔，

書寫(或打印)工整，

論述中應(yīng)

附加必要的插圖說明。4)課程設(shè)計(jì)報(bào)告的格式：首頁為題目，依此為任務(wù)書，

目錄(目錄應(yīng)標(biāo)明序號(hào)、標(biāo)題和頁次),正文、體會(huì)和建議、參考

資

料

。項(xiàng)目內(nèi)容時(shí)間安排工

程

材

料

實(shí)

驗(yàn)性

能

、

組

織

測

試

；

熱

處

理

；

實(shí)

驗(yàn)

報(bào)

告1天課程設(shè)計(jì)分組

、

定題

、

了解零

件

、

設(shè)

計(jì)

、

編

寫

說

明

書4天1

.

4

課

程

設(shè)

計(jì)

的

時(shí)

間

安

排2

.

1

機(jī)

械

零

件

的

選

材選材是機(jī)械零件設(shè)計(jì)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(jī)械零件選材的

一般原則是：力，

、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(jià)格或成本應(yīng)盡可能低廉。料些即求是能要要求的使用性選化1.第2

章《

工

程

材

料

及

熱

加

工

工

藝

》

課

程設(shè)計(jì)參考資料一

、機(jī)械零件選材應(yīng)滿足使用性能要求什么是使用性能一指零件在工作時(shí)應(yīng)具備的力學(xué)、物理和化

學(xué)性能

。1.機(jī)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(dòng)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(jìn)行失效分析，確定使用性能。舉例：長期以來人們認(rèn)為，汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度為主要使用性能指標(biāo)

設(shè)計(jì)、制造的曲軸，不僅質(zhì)量和壽命顯著提高，而且可以選用價(jià)

格低的球墨鑄鐵制造。(

3

)

從

零

件

使

用

性

能

要

求

提

出

對(duì)

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(jì)算量化成具體數(shù)值，再按這些數(shù)值從手

冊(cè)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(biāo)有HRC

或HBS,σs,Gb;非常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)如KIC

及腐蝕介質(zhì)中的力學(xué)性能；對(duì)特殊性能要求的零件，如電性能、磁性能、熱性能

等

。(

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(shí)驗(yàn)，結(jié)合同類零件失效分析結(jié)果提出失效抗

力指標(biāo)

，

并以此作為選材的基本依據(jù)

。(3)根據(jù)力學(xué)計(jì)算，確定零件的主要力學(xué)指標(biāo)。(4)決定熱處理及其他表面強(qiáng)化方法。確(5定)

，產(chǎn)熱前加要工進(jìn)性行能試好驗(yàn)壞、。初滿步意后可批量生產(chǎn)。理生否批理關(guān)熱。選、2.機(jī)

械

零

件

按

使

用

要

求

選

材

的

基

本

步

驟(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

與淬透性有關(guān)。(2)力學(xué)性能與加工狀態(tài)、處理?xiàng)l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(duì)同一牌號(hào)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(dòng)范圍。3.機(jī)

械

零

件

選

材

應(yīng)

注

意

的

幾

個(gè)

問

題材

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(gè)

方

面

：1.

鑄

造

性

能

：

包

括

流

動(dòng)

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選在共晶成分附近。

機(jī)

械

零

件

選

材

應(yīng)

滿

足

加

工

工

藝

性

要

求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(shí)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。材

料流

動(dòng)

性

收

縮

性偏

析鑄造性能熔

點(diǎn)對(duì)壁

厚

冷

卻

敏

感

性

其

他灰鑄鐵很好

小

小

較

低

較

大

、

壁

厚

處

強(qiáng)

度

低鑄鋼差

大

大

高小、

壁

厚

增

加

強(qiáng)

度

無明

顯降

低鑄造鋁合金好

小

較

大比

鑄

鐵

低

大、強(qiáng)

度隨

壁

厚

增

加

而降

低1.

材

料

價(jià)

格

：

一

般

材

料

成

本

約

占

零

件

成

本的30～700/0。2.

材料的加工費(fèi)用：

一般加工費(fèi)約占零件成

本

的

3

0

%

左

右

，

生

產(chǎn)

批

量

越

小

，

所

占

比

例

越高三

、

機(jī)

械

零

件

選

材

應(yīng)

兼

顧

經(jīng)

濟(jì)

性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(58～64HRC

)、

耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部則要求較高的強(qiáng)度與韌性。心部強(qiáng)

度σ。>1000MPa

ak>60J/cm2(2)生產(chǎn)性質(zhì)：大批量生產(chǎn)。四

、

選

材

實(shí)

例4.

選

材

分

析該齒輪的作用是將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度和沖擊韌性，對(duì)于齒輪來說還受摩擦力和交

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(qiáng)度。根據(jù)上述要求選材方案如下：火，其表面的耐磨性不理想，因此該方案難以滿足技術(shù)要求。后但而且再經(jīng)過表面淬后有較好綜合性能韌性較類鋼經(jīng)塑性鋼。齒輪來說其心案一：選擇調(diào)方案二：在滲碳鋼中選擇選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(dá)不到要求。因此，

必須選擇淬透性較大的合金滲碳鋼?？蛇x擇20CrMnTi

鋼，該滲碳鋼的淬透性較大，臨界淬透

直徑達(dá)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，選擇20CrMnTi

鋼制造齒輪。概述毛坯的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的一項(xiàng)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(gè)方面：2

.

2

機(jī)

械

零

件

毛

坯

的

選

擇(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(jì)要求的使用性能、金屬材料的工藝性能及其經(jīng)濟(jì)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(duì)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(jìn)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?cè)ǖ拿鬟x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

采用鑄一焊結(jié)構(gòu)。有些情況甚至將鑄件改為鍛件。(6)當(dāng)毛坯幾種制造方法均可制造時(shí)，應(yīng)選用最佳經(jīng)濟(jì)

方

案

。2.檢

驗(yàn)

毛

坯

選

擇

是

否

合

理

的

標(biāo)

準(zhǔn)(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(jì)

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(jìn)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(jì)的鑄件在冷卻凝固時(shí)，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。無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用軸流轉(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(shí)，考慮以下3種方案：(1)選鐓粗成圓盤類自由鍛件，進(jìn)行切削加工。優(yōu)點(diǎn)：毛坯制造方便，

1

Cr13

鑄造性能尚可。缺點(diǎn)：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。2.

鑄

造

毛

坯

舉

例(2)選接近零件形狀的模鍛件優(yōu)點(diǎn)：材質(zhì)機(jī)械性能好，纖維組織基本不切斷。缺點(diǎn)：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(dá)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

專用鍛壓設(shè)備。c.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件批量不大。每一件攤派的模具成本費(fèi)用不小。(3)改用鍛造合金采用熔模精鑄件缺點(diǎn)：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(shí)制成十七個(gè)單葉片焊在渦輪盤上精度不夠，焊接后蠟?zāi)Ｗ冃巍?/p>

.

慮、

屬熔。制造壓鑄模具成本太高，壽命低。b.比模鍛的模具制造費(fèi)低很多，壓蠟型用模具可采用鋁、低熔點(diǎn)

易熔合金，起型方便。而形鑄：c.采用高達(dá)900℃左右的鑄型澆注，提高了金屬的流動(dòng)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。d.

解決了鍛件切削時(shí)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。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?yàn)殍T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(duì)鍛造質(zhì)量要

求極為嚴(yán)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(jī)械性能與金相。4)普通零件，僅檢查硬度。二、

鍛

造

毛

坯飛機(jī)搖臂，為飛機(jī)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：(1)全部用自由鍛毛坯件，成本低，較經(jīng)濟(jì)，但腹板與深筋無

法

鍛

成

。(2)全部用模鍛毛坯件，必須設(shè)計(jì)多型槽的模鍛，但成本高，鋁合金LD7的變形流動(dòng)性差，不適宜進(jìn)行拔長、滾擠。(3)自由鍛制坯-----然后摩擦壓力機(jī)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(jī)最終成型。鍛造毛坯舉例1.

焊接毛坯選用注意事項(xiàng)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(jì)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(jì)接頭型式；選擇焊

接方法和焊接材料；擬定主要工藝過

程

。三

、焊接毛坯圖11-1

乙

炔

氣瓶簡圖焊

接

結(jié)

構(gòu)

設(shè)

計(jì)

：(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(xì)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。

+0.5

a)

b)[1!-2

瓶體焊縫位腎

a)

方案

I

b)

方

案Ⅱ(3)焊接接頭設(shè)計(jì)：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