金属工艺学课程设计

工程技术学院

课程设计

课程：金属工艺学

专业：机械设计制造及其自动化

年级：

学号：

姓名：

指导教师：

日期：

云南农业大学工程技术学院

（设计说明书参考）

目录

绪论 (3)

摘要 (4)

1、铸造 (5)

1.1工艺分析 (5)

1.2选材及铸造方法 (6)

1.3确定铸件的加工余量 (6)

1.4绘制铸件工艺图 (6)

1.5铸件图 (7)

1.6 机械加工工艺 (8)

2、锻造 (8)

2.1选材及锻造方法 (9)

2.2根据零件图绘制锻造工艺图 (9)

2.3确定毛坯的重量和尺寸 (11)

2.4填写锻造工艺卡 (11)

2.5锻后热处理 (12)

2.6机械加工 (13)

3、焊接 (13)

3.1焊接件的工艺性分析 (13)

3.2 焊接工艺 (13)

3.3焊接顺序 (14)

3.4工艺措施和检验 (15)

3.5焊接注意事项 (16)

4.切削加工 (17)

4.1零件材料的选择 (17)

4.2工艺分析 (17)

4.3定位基准的选择 (18)

4.4加工方法 (18)

参考文献 (20)

设计心得 (21)

指导老师评语 (22)

绪论

任何生产部门，无论属于哪一行业，都有设备与工具的制造和维修问题。要解决这类问题，必须具备有关材料和制造工艺的知识。这些知识牵涉到许多专业内容，如金属材料的热理、铸造、锻压、焊接、机械加工等等。要通过此类课程培养学生具有灵活运用所学的加工工艺知识去设计零件的制造工艺方案、分析零件结构设计的合理性的初步能力。

金属工艺学是一门专门传授有关制造金属零件工艺方法的综合性技术课，主要讲述各种工艺方法的规律性及其在机械制造中的应用与相互联系，金属零件的加工工艺过程和结构工艺性，常用金属材料的性能及其加工工艺的影响，工艺方法的综合比较等。

金属工艺学是一门传授有关制造金属零件工艺方法的综合性技术课，主要讲述各种工艺方法的规律性及其在机械制造中的应用与相互联系，金属零件的加工工艺过程和结构工艺性，常用金属材料的性能及对加工艺的影响，工艺方法的综合比较等。

现代工业应用的机械设备，如机床、汽车、拖拉机、轮船及仪表等大多数是有金属零件装配而成的。将金属材料加工成零件是机械制造的基本过程，多数零件由于形状复杂和精度和表面质量要求较高，通常先用铸造、塑性加工或焊接方法制成毛坯，在经过切削加工方法制成所需的零件。而且为了抑郁进行加工和改善零件的某些性能，中间常需穿插不同的热处理工艺，最终才能制成各种零件经过装配检验成为产品。

金属工艺学课程是在教师的指导下，学生应用金属工艺学的知识进行一次从选择材料、结构分析到制定生产工艺方案的综合性工和实践训练。

本金属工艺课程设计分别对零件的铸造、锻造、焊接、车刀设计进行列举设计，讲述了产品从简单的原材料，通过性能分析、工艺规程分析、具体制造方法分析、论述、纸绘制到理论性的成形产品。通过学生的自己动手设计，有利于培养学生的自我思考能力，分析能力，发现问题，解决问题的能力，有利于学生具有更高的实际能力和开拓精神。有人把技巧仅仅理解为动手操作和设备，或者能进行试验，这样的理解是不够的。其实，技能训练除操作技能外，还有工程实践和工程意识训练。通过学生自主进行课程设计，即使增强学生的工程实践和工程意识训练，也是有效的将学习和实践结合起来。同时也能将理论知识落实到实践，将大学以来学得的知识融会贯通，以便将后就业搞设计打基础。

摘要

金属工艺学课程是在教师指导下，学生应用金属工艺学的知识进行一次从选择材料、结构分析到制造生产工艺方案的综合性和实践训练，其实践性强，应用范围广。金工工艺课程是工科学生的技术课程，实践性强，应用范围广，涉及到机械制造的各种生产方法。在课余教学过程中安排课程设计对学生进行素质培养、能力训练的有效方法：

1、金属工艺学设计的作用

（1）通过课程设计，学生把所学知识有机的综合、分析，灵活地运用，进行一次工程师基本素质的训练；

（2）通过课程设计，可使学生充分认识机械制造各专业之间的内在联系，并处理好相互间的作用，做好扬长避短，优势互补，培培养学生综合归纳的能力；（3）通过课程设计，使学生加深理解从事工艺设计应遵循的基本原则，及实

用性、先进性和经济性；

（4）通过不同工艺方案的分析、对比，使学生初步具有优化加工方案的能力；

（5）通过实践，使学生深刻体会理论应密切联系实际的含义。

2.金属工艺学的课程设计要求：

（1）工艺参数的确定应有可靠的依据，说请确定参数的方法（如查××标

准，查××图，利用××公式计算等）、使用资料的来源（如××图在××书上）、

参数修正的原因及方法；

（2）说明书的形式允许自选，但禁止用文学体裁，应使用工程技术语言、

国家标准规定的名词术语；

（3）微机辅助完成的内容，要在计算机上完成；

（4）经济性分析应以分析讨论为主，计计算步骤可以简化。

1、铸造

下图为一零件的方案，编写零件铸造工艺设计图（生产50件，材料HT200）

1.1工艺分析

铸件结构工艺性分析是从铸造生产的角度分析其结构是否符合铸造生产的工艺性要求，以及技术经济方面是否合理。

既能满足使用要求，又能简化工艺、保证质量、降低成本的产品结构，要通过采取工艺措施来加以保证。

此零件为衬套类零件，衬套的使用灵活性比较高，它能起到的作用也很多，概括来说衬套是对设备进行保护的一类部件。衬套的使用能减少设备的磨损、振动和噪音，并有防腐蚀的效果。衬套的使用还能方便机械设备的维修、简化设备的结构和制造工艺。衬套在实际工作中起到的作用和它的应用环境与目的有很大关系。在阀门应用领域，衬套被装置在阀盖内套住阀杆，以此来减少阀门的泄露，达到密封作用。在轴承应用领域，衬套的使用能减少轴承和轴座之间的磨损，避免轴和孔之间的间隙增大等作用。

1.2选材及铸造方法

选材：HT200;

灰铸铁具有:优良的减震性、耐磨性好、缺口敏感性小，抗拉强度和塑性低，易切削，铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件.。高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性均较好，进行人工时效处理后，减振性良好

铸造方法：由于生产量小，加工要求不高，因此采用砂型铸造，小批量生产；

1.3确定铸件的加工余量

根据铸件的最大尺寸为170mm,加工面与基准面的距离为170mm,查表选取底侧的加工余量为4.0~4.5mm，顶面及孔加工余量为5.0~5.5mm。

对于中小件，铸铁件孔径小于30，可以不予铸出，由机械加工出来。

拔模斜度，外垂直壁为0.25~3度，内垂直壁为3~10度。

铸造圆角半径，可取相邻两壁厚平均值的1/3~1/5。

收缩率，灰铸铁约为0.7~1.0%。

1.4绘制铸件工艺图

（一）铸造方法的选择

根据零件图选取砂型铸造，因为砂型铸造适合用于各种形状、大小、批量及各种合金铸件的生产。

（二）造型及造芯方法的选择

1. 手工造型选取砂箱造型，在专制的砂箱内造型，操作比较方便，劳动量

较小。

2. 手工造芯选取芯盒造芯，用芯盒的内表面形成砂芯的形状，砂芯尺寸准

确。

3. 机器造型选取射压式，用射砂填实砂箱，再用高比压压实铸型。生产效

率高，易于自动化。

（三）分型面的选择

整模造型

（四）铸件工艺图

根据选择原则，如图所示

1.5铸件图

1.6 机械加工工艺

(1)车：1）夹外圆φ104mm找正，车外圆φ160mm及尺寸40mm的端面，车

内孔φ48及尺寸36mm的端面?

2）调头，夹外圆φ160mm找正，车外圆φ130及端面，外圆φ104mm、

外圆φ80。

(2)铣：铣出φ104mm、φ160mm的两端平面

(3)划：划两孔的中心线

(4)钻：钻出φ8，深30mm的孔。

(5)钳：去毛刺，打件号，拭去紫色。

(6)抛光

2、锻造

下图为主轴的方案，编写主轴自由锻造工艺设计图（生产30件，材料45钢）

2.1选材及锻造方法

2.1.1选材

选材：材料45钢

坯料不允许表面存在裂纹或发裂等缺陷。一般需进行锻前退火处理，以消除残余内应力及均化内部组织、降低硬度、提高塑性。

轴应具有足够的疲劳强度、韧度、刚度、震动稳定性等方面的要求。轴类零件的材料可以有45钢、Q235、合金钢以及其他常用的调制钢、碳素钢等。

45钢是强度较高的一种中碳优质钢，因淬透性差，一般以正火状态使用，机械性能要求较高时，采用调质处理。冷变形塑性中等，退火和正火的切削加工性比调质的好。用于制造强度要求较高的零件，如齿轮、轴、活塞销等和受力不很大的机械加工件、锻件、冲压件和螺栓、螺母、管接。

2.1.2锻造方法

使用自由锻造：自由锻实用与小批量的生产和轴类的生产并且节省材料。自由锻所用工具和设备简单，通用性好，成本低。同

铸造毛坯相比，自由锻消除了缩孔、缩松、气孔等缺陷，使毛坯

具有更高的力学性能。锻件形状简单，操作灵活。因此，它在重型

机器及重要零件的制造上有特别重要的意义。自由锻可锻造的锻件

质量有不足1kg到300t。再重型机械制造中，他是生产大型和特

大型锻件的唯一成形方法。

自由锻造的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接等

2.2根据零件图绘制锻造工艺图

2.2.1确定锻件的形状

锥形面无法直接锻出，该成圆柱形。键槽无法锻出，须保留余块

，如下图所示

2.2.2确定余量和公差

此图可以看成是台阶类零件，锻件长度为110mm,于是查表有

D=φ40+（1

25+-）； L=110+(125+-);

2.2.3绘制锻件图

2.3确定毛坯的重量和尺寸

2.3.1毛坯重量的计算

坯料质量公式（单位均为kg）

m坯料=m锻件+m烧损+m料头+m芯料

m锻件——指锻件质量

m锻件=ρV总，ρ为材料密度，V为锻件各部分几何形状的体积之和。

m烧损——指加热时坯料表面氧化而烧损的质量。其计算方法参照下表

坯料种类火次

占坯料质量（%）水压机锻锤

钢锭

第一火 2.5—3.0 2.0—2.5 以后各火 2.0—2.5 1.5—2.0

钢坯

第一火 2.0—2.5 以后各火 1.5—2.0

m料头——指锻件时从锻件端部切去的金属重量（指质量），其目的是保证端部质量以及得到平直的端面。

m芯料——指冲孔时冲掉的金属质量。

2.3.2毛坯尺寸的确定

毛坯尺寸的确定与所采用的第一个工序有关，所采用的工序不同，确定的方法也不一样。

1）采用镦粗法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定

对于钢坯，为避免镦粗时产生弯曲，应使毛坯高度H不超过其直径D的

2.5倍，但为了在截料时便于操作，毛坯高度H不应小于1.25D,

2）采用拔长法锻制锻件时，毛坯尺寸的确定

2.4填写锻造工艺卡

名称主轴

钢号45钢

锻件重量

坯料重量

锻件占总重

坯料规格

2.5锻后热处理

一般情况，低碳钢采用正火；中碳钢采用完全退火；合金工具钢等锻后采用球化退火或等温退火。

热处理的种类非常多，基本主要可分成两大类，第一类是组织构造不会经由热处理而发生变化或者也不应该发生改变的，第二则是基本的组织结构发生变化者。第一热处理程序，主要用於消除内应力，而此内应力係在铸造过程中由於冷却状况及条件不同而引起。组织、强度及其他机械性质等，不因热处理而发生明显变化。对於第二类热处理而言，基地组织发生了明显的改变，可大致分為五类：

(1)软化退火：其目的主要在於分解碳化物，将其硬度降低，而提高加工性能，对於球状石磨铸铁而言，其目的在於获得具有甚高的肥力铁组织。

(2)正常化处理：主要用改进或是使完全是波来铁组织的铸品获得均匀分布的机械性质。

(3)淬火：主要為了获得更高的硬度或磨耗强度，同时的到甚高的表面耐磨特性。

(4)表面硬化处理：主要为获得表面硬化层，同时得到甚高的表面耐磨特性。 (5)析出硬化处理：主要是為获得高强度而伸长率并不因而发生激烈的改变。

冷却方法 空冷

顺序

温度

操作说明

变形过程图 设备

1

1200~800

下料

2

1200~800

拔长后切头

空气锤

3 1200~800 切肩、拔长后切头

空气锤 4

1200~800

切肩后拔长

空气锤 5

1200~800

切肩后拔长

空气锤 6

1200~800

切肩后拔长

空气锤

2.6机械加工

（1）车：车出各外圆和两端面。

（2）划：划出两槽线。

（3）铣：铣出两槽。

（4）钳：去毛刺，倒钝锐边，打件号。

（5）检：按照图样要求检验。

3、焊接

下图为油罐焊缝布置的方案，编写焊缝工艺设计图（生产10件，材料45钢）

3.1焊接件的工艺性分析

焊接件名称：油罐

焊接件选材选择：45钢

焊接对于机床上的一些重要零件如床身、工作台、立柱等。已相当广泛的使用焊接结构，尤其是在单件或新产品试制生产中，焊接生产周期短、成本底、经济效益好。强度等级低的低合金钢，焊接性与低碳钢基本相同，钢材价格也不贵，而且强度却能显著提高，条件允许时应该优先选择。强度等级低的较高的低合金钢，焊接性能虽然差些，但只要采取合适的焊接材料与工艺，也能获得满意的焊接接头。所以选择强度低的合金钢为油罐的焊接材料，这样既能满足强度要求而求相对经济。

焊接方法的分类：焊接方法的种类繁多，且新的方法有层出不穷目前最基本最常用的分类是族系法，即根据某些特征将焊接方法分为若干大类，再根据其他特征细分为若干小部分，故可把焊接方法分为熔焊、压力焊和钎焊。熔焊又分为电弧焊、气焊、电渣焊。

3.2 焊接工艺

3.2.1焊接方法的选择

选择焊接方法实际上是针对焊接材料及结构特点选出的一种比较合适的焊接方法，原则仍是适用性，先进性和经济性

焊接方法的适用性主要是母材种类的适用性和母材厚度的适用性。母材种类不同，其物理、化学性能力学性能也不同，起相适用的焊接方法，如镁、铝及其

合等活泼有色金属金就不宜采用氧化性强的二氧化碳气体保护焊，而选用氩弧焊方法就很合适。对于低碳钢母材，由于其焊接性能很好几乎所有焊接方法都采用。母材的厚度对所适用的焊接方法也有很大影响。即每种焊接方法都有一定的适用材料厚度。如气焊的能量分散、温度低，就是用于单件薄板的焊接而埋弧焊温度较高、热输入较大就适宜进行中厚板的焊接。对于高强度钢、铸钢、铸铁和非铁金属，其焊接接头与工件（母材）的强度相近，电弧焊是其最广泛的焊接方法，可全位置焊接，可焊接各种形状的焊缝。焊件厚度大于6mm时要开坡口。而选材为45钢的油罐，正是母材与焊接接头相同的材料，使用电弧焊最为恰当。

。

3.2.2焊接接头的选择

采用焊条电弧焊方法来焊接油罐

接头形式手工电弧焊的接头形式有对接、搭接、角接和丁字接等。选择依据是：弓工件的结构形状，被焊部位厚度或相对厚度，使用条件及施工方法等。对接接头受力比较均匀，是最常用的接头形式，重要的受力焊缝应尽量选用，因此本图中接头形式选用对接接头。

坡口形式焊条电弧焊对板厚1至6mm对接接头施焊时，一般不开坡口，当板厚增大时为保证焊透接头处应根据工件厚度预制出各种形式的坡口。油罐板厚为8mm,所以选择开坡口为Y形坡口。

3.2.3焊条选择及工艺参数的确定

（1）焊件材料的力学性能和化学成分

油罐材料为45钢，属于中碳钢。中碳钢的焊接性差，焊接区容易冷裂，焊接时要预热，焊后要缓冷，可选用J507焊条。

（2）焊条直径的选择

焊条直径和焊接电流的大小是影响焊接质量和生产率的重要因素。焊条直径d 取决于工件厚度、接头型式和焊缝在空间的位置，通常是按工件厚度选取，如平焊低碳钢时，焊条直径可按下表选取。

焊条直径的选择（mm）

焊条厚度 2 3 4~7 8~12 ＞12

焊条直径 1.6~2 2.5~3.2 3.2~4 4~5 4~5.8

焊件厚度为8mm，所以选焊条直径为4mm的焊条

（3）焊接电流的选择

焊接电流一般可按经验公式：I=(30~50)d 确定，式中，I为焊接电流（单位为A），d为焊条直径（单位为mm）。厚件可取大值，立焊、横焊、仰焊应取小值。

3.3焊接顺序

各焊缝的焊接顺序以能使焊件各部分受热比较均匀，产生的变形和应力都比较小为原则。焊缝分布对称的结构，尽量在对称位置轮流交错施焊。焊缝分布不

均匀的结构，尽量在焊缝数量少的一侧先施焊。长焊缝尽量从中央向两端施焊，或逆向分段焊。

3.4工艺措施和检验

3.4.1焊前工艺措施

焊前常用焊点、短焊缝或焊接夹具先将各有关坯料装配固定起来，然后再焊接。对于截面对称，焊缝布置也对称的简单焊接结构，可以整体装配后焊接。对于形状复杂，收缩量大的焊件，可以分成几个组件装配焊接。最后总装焊接。

焊接接头要除锈、除油，用小电流、细焊条，焊前要预热。

3.4.2焊后工艺措施

焊后冷缓，高温回火或调质处理。热处理应在焊后立即进行，尽量使用低氢焊条，直流反接。

3.4.3.热处理方法：

（一）正火：

目的：细化晶粒，提高母材及常化处理焊缝的综合机械性能，消除冷作硬化，便于切削加工。

方法：把要正火的零件放入加热炉中加热到一定温度按每毫米1.5分～2.5分保温出炉空冷，风冷或雾冷。

（二）调质处理：

目的：提高零件的综合机械性能。

方法：淬火+高温回火（500℃以上），得到索氏体。

（三）固溶处理：（针对奥氏体不锈钢）即在室温条件下保留奥氏体。

目的：将零件加热使碳化物溶到奥氏体中，再以足够快的冷却速度将碳化物固定在奥氏体中。具有最低的强度、最高塑性、最好的耐蚀性。

方法：加热到1000℃～1150℃，以2分到4分/㎜保温后快冷，然后水冷，再进行空冷。

（四）焊后热处理：消除应力，退火

目的：A.改善焊接接头及热影响区的组织和性能。

B.消除焊接和冷作硬化的应力。

C.防止产生焊接裂纹。

方法：A.优先采用炉内整体消除应力方法;

B.分段热处理：一端在炉内，采取保温措施以防有害温度梯度；

C.对环缝进行局部消除应力处理→加热宽度。

许多材料焊接后应进行热处理,以防止工件发生裂纹，减少工件焊后的残余应力,保证工件以后的使用寿命。热处理包括焊前的预热和焊后热处理，焊件焊前预热目的是避免焊缝及热影响的急冷、硬化与导致裂缝，使熔透深度保持稳定。通常在焊接规范中指明层间焊接预热温度时，必考虑母材、尺寸、厚度、焊接方法、焊接参数、热影响区淬硬性、焊缝含氢量等因素。焊接后热是指焊接以后直接在焊接区加热，使焊接区硬化部位软化，并使氢溢出，但必须防止再热裂缝的出现。

3.4.4表面处理

表面处理之前，所有的焊接修补工作应该结束，压力容器表面的焊接飞溅物、溶渣、氧化皮、焊疤、凹坑、油污等杂质均应清除干净。

焊后将焊缝的毛刺用砂轮打磨掉，毛刺多；可用机械加工这样可提高效率。坡口表面用丙酮清洗干净，清理后焊缝应该光滑过渡。

3.4.5检验

主要检验方法：

外观检查：主要检查焊缝的形状，尺寸和表面可见的缺陷。

致密性试验：主要有煤油试验法、水压试验法、气压试验法等。

焊缝内部缺陷检验：如超声波法、X射线透视法，γ射线透视法、磁力探伤、荧光检验等。此外还有焊接接头金相检验和焊接接头机械性能试验等。3.5焊接注意事项

焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。

现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。

对接接头焊缝的横截面形状，决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。

厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的焊接。

搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。一般来说，搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。

采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝，这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。

角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。

4、切削加工

下图为一杆类零件，编制该零件的工艺图（生产10件，材料45钢）

4.1零件材料的选择

材料采用优质碳素结构钢的45钢，淬火硬度为40~45HRC。在φ18这段轴上表面对轴线的径向圆跳动允差为0.017mm

4.2工艺分析

该零件的各表面都有一定的精度和粗糙度的要求，对轴线的径向圆跳动也有一定的要求。根据对各表面的具体要求，可采用如下加工方案：

粗车—半精车—热处理—粗磨—精磨

端面的孔可由钻床钻出，螺纹由车床加工出。

4.3定位基准的选择

为了保证各配合表面的位置精度，用轴两端的中心孔作为粗精加工的定位基准。在单件小批生产情况下，坯料直径、长度又不大时，可以在普通车床上加工出所需的中心孔，为保证中心孔定位准确，在粗车后精车前，一端要重新加工出带保护锥的中心孔。

4.4加工方法

1.下料φ36x175，车端面，钻中心孔

2.粗车一端外圆至φ20x150；半精车该端面至φ16x28，φ18.4x150;切槽φ13x3；φ13x3；倒角2x45°;

3.掉头加工另一端，粗车至φ3

4.4x25，半精车φ2

5.4x20，倒角2x45°，K向，削去该面两端3.5x20

4.钻出左端面孔φ4x8.1，掉头车出右端面螺纹。

5.淬火回火40~45HRC

6.粗磨出外圆φ016

.0033.006.18+-x150，φ34.06x5，φ25.06x20； 精磨出外圆φ016.0033.018+-x150，φ34x5，φ25x20。

1、高等教育出版社，邓文英、郭晓鹏主编，《金属工艺学》上册第

五版；

2、高等教育出版社，邓文英、宋力宏主编，《金属工艺学》下册第

五版；

3、机械工业出版社，丁殿忠主编，《金属工艺学课程设计》；

4、华南理工大学出版社，刘友和主编，《金工工艺设计》；