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工程材料与热加工基础课程设计

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2020年4月19日
文档仅供参考
一 轴类零件 
1、 零件名称：C6132车床主轴
2、  零件图：

3、选材 
1、技术要求和生产性质 
（1）技术要求：在滚动轴承中运转，承受交变弯曲和扭转应力，σb ≥800Mpa，δ≥
9%，α≥0.6MJ/m2，内锥孔和外锥体硬度40～45HRC，其余部位220～250HBS 
（2）生产性质：大批生产
 2、选材分析 
（1）工作条件 
     车床主轴，带动工件旋转，并能承受一定的载荷。它在滚动轴承中运转，还需要
承受摩擦。因而其工作条件为：
 a． 传递扭矩，承受拉、压载荷；
 b． 轴颈承受较大的摩擦； 
c． 承受一定的冲击载荷。 
     （2）失效形式 
          轴被轴承支承的部分成为轴颈。主轴在工作时由于轴颈和轴承的接触会产生摩
擦，导致表面发热、磨损。同时交变载荷长期作用也会是轴疲劳断裂。因此车床
主轴的主要失效形式有：
a. 疲劳破坏造成断裂
 b. 过度磨损导致失效 
（3）综合分析 
          C6132车床主轴需要承受较大的抗拉强度，具有较大的冲击韧性，对局部锥孔需
要进行另外热处理，其余部位的硬度也有一定要求，而且要大批量生产，选用的
材料应比较常见且较便宜。 
     （4）选材方案           
方案一：  
从碳钢中选择。一般车床主轴多用45钢，其价格相对较便宜，在调质处理后力学性能有所改进。45钢在热处理后σb为650～800Mpa，αk≥450J/m2，硬度可达到220～250HBS。而此处要求σb ≥800Mpa，αk≥0.6MJ/m2。45钢硬度能满足要求，但其抗拉强度和冲击韧性太低，不满足要求。 
方案二： 
从合金钢中选择。选择40Cr这种中碳合金调质钢。它的价格要比普通的45钢高。但性能更好。其力学性能：σb≥1000Mpa，αk≥600 J/m2，调质后硬度达220～250HBS，局部淬硬，表面硬度可达46～55HRC。因此它具有较高的疲劳强度，能抵抗一定程度的变形。同时合金钢中Cr的加入可有效提高淬透性，整体力学性能较好。 
结论： 
综上所述，应选择40Cr作为C6132车床主轴的材料。 
4、零件毛坯生产 
    车床主轴承受重载，交变载荷，并高速旋转，适合采用锻件。锻造能使材料的力学性能更加良好。锻造毛坯有三个方案：
方案一： 
    采用自由锻。自由锻成本低，很经济。可是自由锻消耗时间厂，效率比较低，只适用于小批量生产。该车床主轴要求大批量生产，条件不符。    
方案二： 
    采用锤上模锻。与自由锻相比，生产率高，加工余量小，可锻出形状复杂的锻件，而且能节省金属材料，降低生产成本。可是其型槽复杂造价高。    
方案三： 
   采用压力机上模锻。选择平锻机上模锻，适合制造长轴和带孔零件，生产率比较高。    
结论： 
       由于车床主轴是大批量生产，因此不适合采用自由锻，自由锻劳动强度大而且生产效率低。至于锤上模锻，其锻模模膛复杂，造价高。因此采用平锻机上模锻，生产效率高，且适合长轴的生产。 
5、工艺流程 
    下料→锻造→正火→机械加工→调质→表面局部淬火，低温回火→精车→去应力退火→磨削→人工时效→精磨 
由于主轴的大批量生产，工序不宜过于复杂。正火是为了得到合适的硬度，以便于机械加工。调质处理是得到较高的韧性和足够的硬度。较高的硬度能防止轴颈的磨损失效。局部淬火则是为了保证内锥孔和外锥体的硬度。去应力退火和人工时效作用是为了消除内应力，减少零件变形，稳定尺寸。
二 轴承座零件 
1、零件名称：输送机底座 
2、零件图：      

3、选材 
    1、技术要求和生产性质      
（1）技术要求：σb≥100Mpa，尺寸稳定，作为基础件，主要起支撑和减震的作用 
（2）生产性质：单件    
2、选材分析 
     （1）工作条件 
主要起支承作用，受压应力，也需要承受零件工作时的动载荷和稳定在机架或基础上的紧固力。 
（2）失效形式 
变形失效：承受的应力超过极限时，底座变形过大，失效； 
疲劳断裂：长期受交变应力的影响，造成底座的疲劳断裂。 
（3）综合分析 
          根据底座的作用和载荷情况，它应有足够的强度和良好的减震性以及尺寸稳定性。选材时应重点考虑材料的强度和刚度，兼顾材料的冲击韧性和硬度。 
（4）选材方案          
方案一： 
      选用铸钢。铸钢强度较高，塑性较好，热处理后可获得较高的硬度，并能承受
较大的载荷和冲击。但底座一般经过铸造成型，而铸钢的铸造性能较差，易出现浇注不足、缩孔等铸造缺陷，这将影响成型后零件的性能和使用。 
方案二： 
选用灰铸铁。底座壁厚20mm，选用壁厚20～30mm的HT150，σb ≥170Mpa，满足强度要求。灰铸铁和普通碳钢相比，虽然抗拉强度较低，可是抗压强度是抗拉强度的2.5～4倍，而且耐磨性和消震性好。 
 方案三： 
      选用球墨铸铁。与灰铸铁相比，球墨铸铁有更高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，刚性好，但消震能力要低得多。 
  结论： 
      综上所述，铸钢的铸造性能差，不适合作为底座。因此只能选择铸铁。又因为灰铸铁的消震效果更好而且实际生产中其成本比球墨铸铁更低，因此选用 HT150作为输送机底座的材料。 
4、零件毛坯生产 
底座选用的材料为HT150，而且底座的结构比较复杂，故应选择铸造。   
方案一： 
砂型铸造。铸件形状不受限制，成本较低。但生产效率低，加工余量大，表面粗糙度大。 
方案二： 
特种铸造。如采用熔模铸造或金属型铸造。一般要求批量生产，铸件表面粗糙度和加工余量小。但成本较高，不适宜小批量生产。    
结论： 
      输送机底座为单件生产，从成本考虑应选用砂型铸造。 
5、浇注位置及分型面的选择： 
浇注位置选择： 
（1）重要加工面朝下或位于侧面； 
（2）铸件的大平面应朝下； 
（3）具有大面积薄壁的铸件，应将薄的部分放在铸型的下部，同时尽量使薄壁立着，或是倾斜浇注，有利于金属的填充； 
（4）对于易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面。 
铸造分型面的选择： 
（1）分型面一般应取在铸件的最大截面上； 
（2）铸件的加工面及加工基准表面尽量放在同一砂箱中，以保证铸件的加工精度； 
（3）应尽量减少分型面数量，并采用平面作为分型面，以减少砂箱数，简化造型工艺； 
（4）应尽量减少型芯、活块的数量，以减少成本、提高工效； 
（5）主要型芯应尽量放在半铸型中，以利于下芯合理和检查型腔尺寸。 
6、铸件的铸造工艺及图示 
 主要工艺参数：铸造收缩率0.7%。起模斜度为1，机械加工余量为4mm。   
  加工工艺路线：铸造→人工时效→切削加工→局部淬火→回火→去应力退火            
三 容器类零件 
1、 零件名称：液化石油气瓶体
 2、零件图：       
此处画图      

3、选材 
   1、技术要求与生产性质 
（1）技术要求：壁厚3mm，设计压力4Mpa（约40个大气压）      
（2）生产性质：大量生产 
   2、选材分析 
（1）工作条件 
          液化石油气瓶体是用来储存和运输液化石油气的。液化石油气遇明火易燃，因此对其瓶体的安全性要求比较高。同时瓶体需要有一定的耐蚀性和耐磨性以防止液化石油气外泄。应能承受较大的压力和有一定的硬度、强度，且应有很好的塑性，在钢瓶爆炸前能有很大的塑性变形。      
（2）失效形式 
          运输过程中的颠簸可能使瓶内液化石油气对瓶体产生冲击载荷，从而可能出现疲劳断裂和断裂失效。      
（3）选材方案 
          液化石油气瓶体的轴向应力为σ1= pD/4δ=104.7MPa 周向应力为σ2=2σ1=209.3MPa 
     方案一： 
          选用低合金钢。16Mn抗拉强度为419MPa，具有良好的焊接性，成本相对也比较低一些。可是用来储存石油气其强度和塑性还不够。 
     方案二： 
          选用不锈钢。奥氏体型不锈钢1Cr18Ni9Ti常见于制造压力容器，σb≥520MPa，耐腐蚀，可是其价格昂贵，不适合大批量生产。 
     方案三： 
          选用渗碳钢。20Mn2的力学性能σb≥820MPa，而且其塑性、韧性、焊接性能和冷冲压性能均为优良，价格也较不锈钢便宜。 
     方案四： 
          选用调质钢。35CrMo的抗拉强度1000MPa，屈服强度850MPa，其屈强比大约为0.8，塑性较好，可是它作为合金钢，焊接性可能不够好。 
      结论： 
              综上所述，应选择20Mn2作为瓶体材料比较合适。35CrMo可作为其替代品。
 4、零件毛坯生产 
   由液化石油气瓶体要求的性能和所选的材料，可见应由焊接成型为主，锻造辅助成型。
 方案一： 
用冲压的方法生产两个外径为314mm，壁厚为3mm，两端各有半球壳状体形元件,一端开 口作为瓶嘴，按要求开孔后焊接成型。为加强气密性，可使用氩弧焊。 
方案二： 
用合适的钢板热卷成形，制成外径为314mm，壁厚为3mm，宽为334mm的圆筒形瓶体，冲压两个外径为314mm，深度为94mm，壁厚为3mm的封头原件，并在一端封头上开孔，最后焊接成型。
 结论： 
由于方案一中冲压成型的曲率过大易产生开裂，同时难以保证瓶体壁厚为3mm，且加工过程需进行再结晶退火。而方案二焊缝较多，但容易保证壁厚等应有的性能，不需再结晶退火，生产效率可提高。可见应选择方案二的方式。 
5、加工工艺 
（1）焊缝位置及焊接顺序 
       先焊纵向的瓶体与封头之间的环缝，由于对其安全性要求较高，应采用双面焊，但
其直径小，操作困难，故采用U型坡口单面对焊。再焊瓶嘴部分，此处采用开坡口单面角焊。 
（2）焊接方法 
由于角焊缝长度较短，且焊缝在弧面上，故瓶嘴部分的焊接采用焊条电弧焊方法。 又由于壁厚较小仅为3mm，并考虑到其大量生产，对生产效率和成本有一定要求， 故瓶体与封头之间采用CO2气体保护焊或埋弧自动焊。 
6、工艺流程 
（1）封头：此处结构比较复杂，采用水压机热压成形，成型后再加工出其边缘。 
（2）瓶体：瓶体成形后应为精确的圆柱状。热卷成形后，焊接焊缝，焊后切除定位板、引弧板和引出板，进行热校正及热处理。 
（3）装配焊接：瓶体在总装前进行端面机械加工，制备所需坡口。 
（4）热处理及检验 
       a.焊后，进行去应力退火，将局部或整体加热至550℃～650℃，保温一段时间后，
缓慢冷却，可去除大部分焊接应力。 
       b.对焊缝进行外观检查、X光探伤检查、水压试验。  

四 参考资料 
1、《工程材料与成形技术基础》 王少刚主编  国防工业出版社 
2、《工程材料与成形工艺基础 学习指导》 温建萍 刘子利主编  化学工业出版社 
3、工程材料与热加工基础《课程设计指导书》 王少刚 郑勇编  南京航空航天大学