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1、鹽織工摩院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
2、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。
3、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：图】舞琥桨形状示世图三、技术要求和生产性质:技术要求直径D二4000 mm;螺距比为0. 9;盘面比为0. 66;后倾角为Ob; 叶数为4叶；右旋；设计成品质量约5 600 kg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 力学性能咼、耐蚀疲劳强度咼、耐空泡腐蚀
4、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
5、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 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
6、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. 2 mm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5 mm，叶背加工余量取4 mm，导边及 随边均加长加宽20 mm;桨
7、毂外径加10 mm,桨毂轴孔单边减20 mm,桨毂大端加 长30 mm、小端加长20 mm。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。11 10图2 论注泵统示意图技輕浇口杯 Z旨口 3.直浇逋 4一舞癡浆 5.盹芯 亞內滝逍孔启潼包 乩过激网 9-横浇道 IG浇注砂台 丨1.阖定曉盘12.13. T型 羞板黑 15一上型采用底注式浇道，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2 500 mm2 ）、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
8、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= n*D2/ 4*盘面比*0. 6R截面最大厚度密度二4 028 kg;桨毂质量为1 565 kg;螺旋桨的成品总质量约为5 593 kg。4 m的Kaplan螺旋桨的浇注质量约为8 t。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
9、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年就采用咲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咲喃树脂，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6 m、质量为20 t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
10、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：100 e时保温约8 h，250 e保温约24 h；安置好浇口杯浇注系统后， 进行第二次热风炉保温送
11、风时，型腔内温度保持在100 e左右。第三章锻造件设计、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 3000040000r/min, ab800MPa，表面硬度 5962HRC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 定的冲击载荷；轴承受 定的交变弯矩失效形式疲劳断裂、断裂失效和磨损失效，其中由于受较咼强度的摩擦和冲 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， 精度要求较咼，有较咼的冲击和父变
12、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（4655） 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5058HRC，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
13、），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 a b1100Mpa, a k60J/cm2,零件表面获得回火马氏体加碳化物 组织，其硬度可达5864HRC，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。
14、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f自由锻f正火f粗加工，半精车外圆，渗碳f局部淬火，加低温回火f车定刀槽，粗磨外圆f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
15、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、零件名称：双相不锈钢管二、零件简图：12三、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Rb750MPa,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：工作压力过咼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
