工程材料课设报告 2 / 25 南 京 航 空 航 天 大 学 《工程材料与热加工基础》课程设计
学院：航空宇航学院 专业：飞行器设计与工程 学号：
完成日期：2009年6月18日
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说 明 书 目 录 任务书---------------------------------------------------------------------------3 铸造件设计---------------------------------------------------------------------5 锻造件设计---------------------------------------------------------------------9 焊接件设计--------------------------------------------------------------------13 总结------------------------------------------------------------------------------17 心得体会------------------------------------------------------------------------18 参考文献------------------------------------------------------------------------18
一、课程设计任务书 课程设计任务书 4 / 25
1． 课程设计的目标： （1）通过课程设计的实践，使学生进一步加深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，能合理选择材料，选择毛坯制造方法，并能合理地安排热处理工艺及零件制造工艺流程。
2.课程设计的选题： 本课程设计包括典型零件的材料选择，热处理工艺路线的安排，零件毛坯生产方法的选择（主要包括铸造（液态成型）、压力加工（塑性成形）和焊接（连接成型）三种成型方法）。
3.课程设计的主要内容： 1）根据图纸熟悉产品的结构、各零件的作用和工作条件。 2）依据零件的受力情况（或给定的条件），环境即失效形式进行零件的选材设计（即选择合适的材料成分，组织及热处理状态）。
3）根据零件的使用条件、制造精度、形状尺寸、材料及生产性质等条件，对指定的零件毛坯进行毛坯部分种类的选择（即选择锻压铸造、或焊接的方法），并进行结构工艺分析、完成工艺设计的部分内容（铸件的铸造方法、浇注位置、分型面的选择、并在零件图上示意标出冒口位置；锻件结构工艺、选择的锻造方法；零件的焊接方法、结构工艺、合理布置焊缝等）。
4）对轴类零件（或齿轮）应设计制造工艺流程，正确选择热处理工艺，工艺流程的合理安排，并作详细的说明。
5）对上述第（4）项中的零件，用相应的材料制成试样，分别用自己设计的热处理工艺进行处理，分别测其硬度、磨制试样观察其组织，判断是否达到预期效果，并作分析。 5 / 25
4.设计步骤： 1）对零件制造的方案的总体设计和论证选定。 2）毛坯的生产工艺方法的选择与分析。 3）机械加工方案的分析。 4）工艺过程和工艺流程过程。
5．考核与成绩评定：
指导教师签字 年 月 日 6 / 25
6.系部审查意见： 负责人签字 年 月 日
二、铸造课程设计——支座 1、零件名称：支座 2、技术要求和生产性质： (1) 技术要求：支座起支承轴、齿轮等零件的作用，要求有足够的刚度和强度，较好的稳定性，能承受一定程度的振动。抗拉强度σb≥150Mpa,对零件表面无特殊质量要求。 (2) 生产性质：为中批量生产
3、零件图： 7 / 25
4、选材分析： 支座属于箱体类支承零件，是机器中的基础零件。轴和齿轮等零件安装在箱体中固定位置并与其它零件协调运动，机器上的各个零部件的重量都由箱体和支承件承担，因此，支座主要受压应力，部分受一定的弯曲应力。此外，支座还要承受工作时的动载荷以及稳定在机架或基础上的紧固力，承受振动。因此，它要求：有足够的强度和刚度，良好的减震性及尺寸稳定性。由于支座形状较复杂，体积较大，具有中空壁薄的特点，选用的材料应具有良好的加工性能，以利于加工成型。 根据上述要求，选材方案如下： 方案一： 在铸钢中选择。铸钢是一种重要的铸造合金，承受较大载荷和较强冲击的箱体支承类部件经常采用铸钢制造，其中ZG35Mn和ZG40Mn应用最多。可是，铸钢的铸造性较差，由于工艺性的限制，所制部件往往壁厚较大，形体笨重。该支座有中空壁薄的特点，对铸造工艺性有一定要求，所以铸钢不合适。 8 / 25
方案二： 在有色金属中选择。 有色金属及其合金中的各种有色元素都具有各自的独特性能，现代科技的材料发展中起着重要作用。其铸造工艺性能优良，强度好，韧性好。一般重量轻、散热性能良好的箱体可用有色金属及其合金铸造。例如，飞机发动机上的箱体多采用铸造铝合金生产。但支座是一般箱体类支承零件，无需用及各种金属的独特性能，采用有色金属会造成经济上的浪费，而且支座有较大的重量，要求有良好的减震性，所以有色金属及其合金也不合适。 方案三： 在铸铁中选择。铸铁的铸造性好，价格低廉，消振性能好。所以形体复杂、工作平稳、中等载荷的箱体类支承件一般都采用灰口铸铁或球墨铸铁制作。其中，灰铸铁的的力学性能较差，抗拉强度较低，塑性几乎为零。但抗拉强度与钢相近，并且有良好的铸造性能，如：流动性好，收缩小等。球墨铸铁的力学性能优于灰铸铁，具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有良好的塑性和韧性及耐磨性。但关键一点是，球墨铸铁的消振能力比灰铸铁低很多，而且查表得，灰铁相比球铁便宜。所以，综合看来，选用灰口铸铁，其性价比优于球墨铸铁。
根据支座的技术要求，选用HT200，HT200在10mm＜壁厚≤30mm的状态下抗拉强度σb≥170Mpa,完全满足σb≥150Mpa的强度要求，且其减震性能良好。其次，HT200的铸造性能良好，满足加工性能。此外，灰铸铁价格便宜，充分考虑了选材的经济性。 综合上述分析，该支座应选用HT200制造。
5、毛坯选择分析： 9 / 25
支座这类零件大都承受压应力，只要求一定的强度和韧性，但该类零件形状复杂，因此最适宜采用铸造毛坯。它可以使金属一次成型，灵活性大，适用于形状复杂内腔的零件。 铸造可分为砂型铸造、熔模铸造、金属性铸造、压力铸造和离心铸造等。 方案一：熔模铸造，铸件精度高、表面质量好，可制造形状复杂的铸件，铸造合金种类不受限制，生产批量也基本不受限制，既可大批量生产也可单件、小批量生产。但是，熔模铸造存在工序繁杂、生产周期长、生产成本高等缺点，且铸件不易太大、太长，一般限于25kg以下，而支座重量显然较大，所以不合适。 方案二：离心铸造，不用型芯即可铸出中空铸件，简化套筒类生产过程；可以提高金属液充填铸型的能力；改善补缩条件，但由于离心作用，金属中的气体、熔渣等夹杂物，因密度较大儿集中在铸件内表面上，使内孔的尺寸不精确，质量较差，铸件易产生成分偏析和密度偏析等，由于该支座不是套筒、管等零件，所以离心铸造不合适。 方案三：砂型铸造，是传统的铸造方法，内部组织疏松，易产生缩孔、缩松、气孔、沙眼等缺陷，但其工艺简单，有很大的灵活性，适用于各种形状、大小、批量及各种常用合金铸件的生产，特别适合于内腔复杂的铸件。砂型铸造成本低廉，因为该支座对零件表面没有质量要求，所以没有必要花大投资去选择能使表面质量好的熔模铸造、压力铸造等。并且该支座生产性质为中批生产，砂型铸造足以满足所有要求，同时极大节约成本。 方案四：压力铸造，压铸件尺寸精度高，表面质量好，可以压铸必薄、形状复杂的以及具有很小孔和螺纹的铸件，强度和表面硬度高，可实现半自动化及自动化生产。但由于充型速度快，气体难以排出，易产生气孔，金属凝固快，易产生缩孔和缩松。另外，设备投资大，铸型制造周期长，造价高，不宜中、小批量生产，根据支座的技术要求，用此法经济上过于浪费，故不合适。 综上所述，所铸毛坯形状复杂，对表面质量没有特殊要求，中批生产，应选择砂型铸造。 10 / 25
6、工艺选择： 一、浇铸位置的选择： (1)铸件的重要加工面应朝下或位于侧面。 (2)铸件的大平面应朝下。 (3)面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或是其处于垂直或倾斜位置，可以有效防止铸件产生浇铸不足或冷隔等缺陷。 (4)对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面，以便在铸件厚壁处直接安装冒口，使之实现自上而下的定向凝固。 二、铸型分型面的选择： (1)应尽可能使铸件的全部或大部分置于同一砂型中，以保证铸件的精度。 (2)应时铸件的加工面和加工基准面处于同一砂型中。 (3)应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直的分型面，最好只有一个分型面。 (4)应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合型等工序。 (5)应尽量使行腔及主要型芯位于下型，以便于造型、下芯、合型和检验壁厚。 7、铸造工艺图： 由下图分析可得：分型面选在最大截面处，易于拔模，上砂箱高度、较低，零件下部截面较大，放在砂型上部，并在上部设置冒口，用来补缩。 图转下页