工程材料课程设计

第一部分、课程设计参考资料

一、机械零件的选材

选材是机械零件设计中不可缺少的工作，材料选择合理与否直接影响到产品的质量、寿命和生产成本。机械零件选材的一般原则是：

1. 所选材料应具有满意的使用性能，除特殊要求某些物理性能、化学性能之外，一般主

要要求的是力学性能，即材料抵抗外加载荷而不致失效的抗力---失效抗力。

2.材料应具有良好的或可行的加工性能。

3. 材料的价格或成本应尽可能低廉。

<一>机械零件选材应满足使用性能要求

使用性能—指零件在工作时应具备的力学、物理和化学性能。

1、分析零件的工作条件，确定使用性能。

工作条件主要是指：零件的受力情况，包括受力形式，如载荷形式（拉、压、弯曲等），载荷性质（如静载、动载、交变载荷）及承受摩擦的状况；环境状况，如工作温度、介质等；特殊要求如导热性、导磁性等。

2、进行失效分析，确定使用性能。

3、从零件使用性能要求提出对材料的性能的要求。

明确了零件的使用性能后，把使用性能的要求，通过分析、计算量化成具体数值，再按这些数值从手册的材料性能数据大致应用范围选材。

常见的力学性能指标有HRC或HBS，σ

s , σ

b；

非常规力学性能指标如KIC及腐蚀介质

中的力学性能;对特殊性能要求的零件，如电性能、磁性能、热性能等。

4、机械零件按使用要求选材的基本步骤

（1）分析零件的工作条件与环境，确定零件的技术要求。

（2）通过分析实验，结合同类零件失效分析结果提出失效抗力指标，并以此作为选材的基本依据。

（3）根据力学计算，确定零件的主要力学指标。

（4）决定热处理及其他表面强化方法。

（5）试验、投产。对关键零件批量生产前要进行试验、初步确定材料选择，热处理方法是否合理，热加工性能好坏。满意后可批量生产。

5、机械零件选材应注意的几个问题

（1）尺寸效应。尺寸效应是指钢材截面大小不同，即使热处理状态相同，其力学性能也有差别效应。随着材料截面尺寸增大，钢材的力学性能下降。尺寸效应不仅与冶金质量有关，而且还与淬透性有关。

（2）力学性能与加工状态、处理条件有关。不同的加工状态（如铸造、锻造、不同热处理，有否压力加工）其力学性能差别。

（3）材料的力学性能对同一牌号的材料来说，由于其成分是在一定范围内变化，因此其力学性能也是有一定的波动范围。

<二>机械零件选材应满足加工工艺性要求

材料的工艺性是指材料适应某种加工工艺的能力。所选材料一般应先制成与成品形状相近似的各种毛坯（例如铸件、锻件、焊接件），再经切削加工和热处理，最终形成零件，因此，材料应满足这些不同工艺的要求。材料的工艺性通常指以下几个方面：

1.铸造性能：包括流动性、收缩性、偏析和吸气性等。由于接近共晶成分的合金铸造性能良好，因此铸造合金的成分一般选在共晶成分附近。

2.压力加工性能：包括冷压力加工（冷冲压、冷轧、冷挤压）和热压力加工（如锻造、热轧、热挤压等）时材料的塑性和变形抗力有可热加工的温度范围、抗氧化性和加热、

冷却要求。变形铝合金、铜合金、低碳钢的压力加工性能好、而高碳钢就差。

3. 焊接性能：焊缝处形成冷裂或热裂及形成气孔的倾向，低碳钢的焊接性能好，高碳钢及铸铁的焊接性能差。。

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、刀具磨损和切削排除的难易程度来衡量其好坏。

5.热处理工艺性：包括淬透性、淬硬性、回火稳定性、氧化脱碳倾向、变形开裂倾向等

<三>机械零件选材应兼顾经济性

1.材料价格：一般材料成本约占零件成本的30～70%。

2. 材料的加工费用：一般加工费约占零件成本的30%左右，生产批量越小，所占比例越高。

二、机械零件毛坯的选择

毛坯的选择是机械设计与制造中的一项重要任务。毛坯与零件的制造除直接用型材加工外,主要由铸造、锻压及焊接三种制造工艺方法制成。

1．影响毛坯选择的因素

毛坯选用液态成形的铸件或塑性变形的锻件、薄板冲压件或焊接连接的冲压—焊结构、轧制—焊结构、铸--焊的焊件。应取决于以下六个方面：

（1）零件选用的材质，基本决定了毛坯的种类。零件的材质是根据设计要求的使用性能、金属材料的工艺性能及其经济性能的综合考虑选定的。

（2）零件的结构形状，决定了毛坯的制造方法。例如薄壁复杂件只能用铸造（最好为压力铸造），大截面简单件不宜用铸造，适用于自由锻。特大的薄壁结构宜用焊接结构。（3）零件的生产类型，对毛坯的选择也起决定作用。

（4）零件不加工表面的精度与粗糙度不仅决定于毛坯类型，而且可进一步选用精密铸造

或精密锻造等少余量或无余量的精密零件或毛坯。

（5）工厂现有设备、技术力量及生产能力，可改变原定的毛坯选定方案。例如大型件原可采用整体铸件，但受设备、厂房限制只能采用以小拼大的铸-焊结构；复杂程度高的铸件由于技术力量与生产能力的影响，只能化难为易采用铸—焊结构。有些情况甚至将铸件改为锻件。

（6）当毛坯几种制造方法均可制造时，应选用最佳经济方案。

2.检验毛坯选择是否合理的标准

（1）使用性：满足零件使用要求。

（2）工艺性：加工方便，易获优质产品。

（3）经济性：成本最低，消耗最少。

（2）选接近零件形状的模锻件

<一>铸造毛坯

（1）必须能制出与零件形状相近的，并保证尺寸正确、轮廓清晰。

（2）必须具备熔炼设备，能熔炼出质量与温度合适的金属。

（3）熔炼金属应平稳地进入型腔，不与铸型发生反应；气体、夹渣易于排除，铸型充满不产生冷隔及浇铸不足现象。

（4）设计的铸件在冷却凝固时，不产生铸造应力、裂纹及变形。缩孔可以切除获完整的毛坯。

（5）必须方便地从铸型中取出铸件。

（6）必须能清除铸件内外型砂及芯砂、浇冒系统及附在铸件上的一切多余部分

<二>锻造毛坯

凡受重载、交变载荷、高速旋转的重要零件，不适宜采用铸造毛坯，因为铸造毛坯缺陷

较多，质量也不易控制。多采用锻件。航空锻造零件根据工作重要性分以下四类：（1）特别重要的高载荷零件。如涡轮轴、桨轴等，对锻造质量要求极为严格。（2）较为重要的中载零件。涡轮盘、叶片等，需做低倍、高倍显微组织观察，做硬度检查。

（3）低载零件,抽样机械性能与金相。

（4）普通零件,仅检查硬度。

<三>焊接毛坯

焊接结构重量轻，节约金属；可以简化大型火形状复杂的结构的制造工艺；焊接头力学性能高；易于操作。

但应该做到：

选择合理的材料；

确定焊缝位臵；

设计接头型式；

选择焊接方法和焊接材料；。

第三部分、零件设计

一、轴类零件

1.1名称：万能磨床内圆磨头主轴

1.2零件图及相关数据

内锥孔

生产性质技术要求

1.3载荷、工作环境分析

轴类零件是机器中最基本的零件之一，主要作用是支撑传动，传递动力和运动。作为万

能磨床的主轴，其质量的好坏直接影响磨床的寿命与精度，磨削加工一般为最后一道冷处理工序，如果精度有问题将直接导致零件的报废，由此可见我们对主轴的要求是很高的。主轴的工作条件为：

（1）传递较大的扭矩，自身也承受扭矩，并承受一定的交变载荷、弯矩、拉应力和压应力

（2）承受较大的摩擦，根据力学原理，磨损的同时还产生扭矩

（3）冲击载荷，主要由高速旋转引起

（4）工作要求：

高旋转精度；高转速；转速范围宽；高刚性；低温性；高可靠性

其主要失效形式：

（1）疲劳由于长期承受交变载荷（磨削力）产造成疲劳

（2）断裂承受较大的载荷，折断或扭断

（3）磨损长期的摩擦导致交接处磨损

（4）弯曲受到冲击载荷、装配应力等作用导致主轴弯曲

（5）尺寸变化长期的恒温恒应力导致弹性形变变成塑性形变，即蠕变（该影响较小）1.4轴的性能要求

(1) 良好的综合力学性能，以防过载断裂、冲击断裂

(2) 高疲劳强度，降低应力集中敏感性，以防疲劳断裂

(3) 足够的刚度，以防工作过程中，发生过量弹性变形而降低加工

(4) 精度，面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效

1．5材料的选择

（1）渗碳钢

为了满足内韧外硬的要求，渗碳钢一般都为低碳钢，经渗碳处理后，表面变为高碳，而内部为低碳，再过淬火+低温回火后，表面组织为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体，硬度高，耐磨性好；心部为马氏体，韧性好。根据其力学性能要求，20CrMn可能满足其要求。渗碳淬火硬度≥59HRC,σb≥950Mpa,δ≥12%.

（2）调质钢

调质钢的含碳量在0.3%--0.5%之间，属于中碳钢，在一定程度上能够保证刚的综合性能。淬火后得到位错与孪晶马氏体的混合组织，以及残奥氏体和碳化物，高温回火后，

得到回火索氏体，具有了良好的力学性能。为了保证足够的淬透性，采用合金调质钢。

根据力学性能要求，38CrMoAlA可满足要求。调质硬度≤260HBS,渗氮处理硬度≥850HV,σb≥1000Mpa,δ≥14%.

（3）铸铁

铸铁是近年来兴起的一种轴类零件材料。球墨铸铁的缺口敏感性小，实际球墨铸铁的疲劳强度较高。但铸铁的塑、韧性远低于锻钢，无法满足要求。

综上所述：

A、20CrMn、38CrMoAlA在力学性能上都能够满足要求，但由于万能磨床内圆磨头主轴有极高的精度要求，同时还要有很高的可靠性以及微变形，因此我们选择38CrMoAlA作为磨头主轴材料。

B、虽然38CrMoAlA的价格略高，且渗氮处理几个也很高，但是考虑到磨头主轴甚为重要，影响较大，但从长远的角度来讲，成本与管理费用相抵消，因此从价格上来讲也较为合理。

1.6毛坯选择

凡受重载、交变载荷、高速旋转的重要零件，不适宜采用铸造毛坯，因为铸造毛坯缺陷多，质量也不易控制。这类零件一旦损坏会产生极为严重的后果。该轴的要求极高，因此选用锻件。锻造可以获得高性能纤维组织，改善性能。

从加工方面来说，该轴外表为阶梯轴，内部为锥孔，我们也可以选择棒料和锻件。但从其性能要求来说选择锻件。

（1）自由锻：劳动强度大，生产率低，金属利用率低，适用于形状简单的零件

（2）膜锻：生产率高，金属利用率高，使用与形状复杂的零件锻造，模具造价高，大批量的情况下可大大的减少成本。

我们需要锻造的数量只有20件，数量较少，而且形状较为简单，因此以自由锻为宜。

1.7工艺处理流程

下料→下料局部→镦粗→拔长→切肩→锻台阶→退火→粗加工→车孔→调质→半精加工→粗磨（外圆、锥孔）→渗氮→精磨（外圆、锥孔）

二、容器类零件

2.1零件名称： 中压容器 2.2零件图及相关数据

2.3中压容器的工作条 1、零件的工作条件

A 、内压，中压容器主要受到内压力的作用，载荷性质是静载荷。

中压容器

B、腐蚀，容器暴露在外界环境中，易受腐蚀。

C、偶然冲击载荷，主要由外界的突然碰撞引起

2、零件失效分析

失效形式主要是空气腐蚀或外力作用下造成的气密性下降和内压过大造成的容器破裂。

3、确定材料的性能要求

中压容器用于储存气体，必须有很好的气密性；同时易受腐蚀应该把气密性，耐腐蚀性作为主要考虑因素。

A、材料必须具备一定的强度、塑性、韧性

B、耐腐蚀性，也必须具有一定冲击韧性，加工过程要保证气密性的要求。

2.4选材方案分析

1、低碳钢，低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织。这种钢的塑性和冲击韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。焊接时一般不需预热和后热，不需采取特殊的工艺措施，即可获得质量满意的焊接接头，故低碳钢钢具有优良的焊接性能，是所有钢材中焊接性能最好的钢种。

2、低合金高强钢，在钢中除碳外少量加入一种或多种合金元素(合金元素总量在5％以下)，以提高钢的力学性能，使其屈服强度在275 MPa以上，并具有良好的综合性能，这类钢称之为低合金高强钢，其主要特点是强度高、塑性和韧性也较好。

Q235钢塑性好、焊接性能好，屈服强度达235MPa，Q235C、Q235D可用于制作重要焊接结构件。Q345具有良好的力学性能和加工性能，使用温度为-40~475°C,焊接性能好，在常温下焊接时一般可不预热，焊接后不需热处理，Q345(16Mn)钢的屈服强度比20钢优质碳素钢高30%左右，其耐腐蚀性也比20钢高，主要用于制造中高压管道和容器。

综上所述，封头和筒身材料选用低合金高强度结构钢Q345钢，以保证足够的强度和韧性；管接头和入孔，孔选用Q235-C钢以保证焊接性。

2.5毛坯选用

封闭容器无法用铸锻地方法得到，只能采用焊接的方法。

方案一：将板材卷圆，焊接成圆筒状，再和两个封头焊接。如下图所示：

方案二：将板材直接冲压成下图形式，再将拉伸好的另一封头焊上去

因零件承受高压，且尺寸较大，方案二易使半球形封头和直筒部分接口处产生破裂，形成废品，方案一更合理。。 （1）

中压容器装配焊接分析：筒节、两个封头焊合成筒体，容器有筒体及两个管接口和一个入孔构成。

（2）

根据技术参数，考虑到封头拉深、筒节卷圆、焊接工艺及成本，筒节、封头选用低合金高强度结构钢Q345钢，两个管接口和入孔选用塑性和焊接性好、价格较便宜的Q235-C 钢。

（3）

设计焊缝位置及焊接接头、坡口形式：筒节的纵焊缝和筒节与封口相连处的两条环焊缝均采用对接Ⅰ形坡口双面焊，管接口、入孔与筒体焊合采用开坡口角焊缝。

（4）

选择焊接方法和焊接材料：由于各条角焊缝长度均较短，且大部分焊缝在弧面上，故采用焊条电弧焊方法。焊接三条纵、环焊缝，为保证质量，提高生产率，采用埋弧焊方法。

2.6主要制造工艺流程如下：

管接头、入孔：下料→切削加工→热卷成型→焊接

筒体：A、封头：气割下料→热压成型→切边→开入口

B、筒节：下料→卷圆→焊接纵缝→筒节与封头→焊接环缝→焊接管接

头等→热处理（回火）→射线探伤→清理→水压试验→气密性试验。

三、箱体类零件

3.1零件名称：轴承座

3.2零件图及相关数据

3.3轴承座的工作环境及要求

轴承座主要用来稳定轴承及其所连接的回转轴，确保轴和轴承内圈平稳回转

避免因承载回转引起的轴承扭动或跳动！

轴承座的工作条件为：

（1）承受径向压力，包括外载荷和轴的重量引起的压应力。

（2）承受轴向力，主要是装配应力。根据力学原理，该种力会产生一定的弯矩。

（3）承受轴引起的震动及动载荷、交变载荷。

（4）对轴及轴承定位装固应力，有拉应力、压应力，也还可能有扭矩。其失效形式为：

（1）断裂，主要由轴向力、动载荷、交变载荷引起

（2）裂纹，主要是震动及装配应力引起

3.4轴承座的性能要求：

轴承座为整体结构，需要较大的承载力和刚性。

（1）有足够的强度和刚度，足够支撑压应力，也要能承受一定的拉应力（2）较强的减震性能，避免因震动而产生破坏

（3）较高的尺寸稳定性，避免因尺寸的变化导致其定位变化

3.5轴承座材料选择

A、铸铁，铸铁工艺性能良好，铸造性能好，价格低廉，消振性能好，耐磨性能好，塑性韧性较低，但抗压刚度好。HT300即可满足条件（10≤壁厚≤16σb≥250Mpa）

B、铸钢，铸钢性能比铸铁好，但其铸造性能较差，适用于厚壁铸件，要生产的轴承座厚度最大为16mm，不适合。从原料费用、使用性能上来说也可以作为轴承座的材料。但从实际铸造性能机加工工艺性上来说轴承座以铸铁为

佳。

C、有色金属，使用性能较高，重量轻，由于我们是单件生产而且要求很高的减震性能，有色金属并不适合做轴承座，而且从费用上讲也不适合做单件。

D、焊接件，重量轻，力学性能良好，如Q235焊接件等。但是无法达到减震性能的要求。

综上所述，单件轴承座材料选用铸铁HT300，从性能、费用、加工工艺上都为上选。

3.6毛坯选择

1、锻造，力学性能好，但由于轴承座形状较为复杂锻造困难。

2、铸造

A、砂型铸造，分为手工造型和机器造型。手工造型灵活方便，适应性

强，模样生产时间短，劳动强度大，效率低。机器造型效率高，劳

动强度小，但是其设备投资较大，生产准备周期长。我们只生产一

件产品，因此以手工造型较好。

B、熔模铸造，铸件质量高，适用于形状复杂的铸件，而且不受数量的

影响，但是对于单件产品而言，工序复杂，辅料多，成本高。

C、金属造型，铸件尺寸精度高，表面质量好，铸件性能好，金属利用

率高，但对于单件产品而言成本较高。

D、压力铸造成本高，离心铸造不适合轴承座的铸造。

综上所述，从成本、性能、工作量、加工性能等方面综合考虑，选择砂型铸造手工造型。由于其形状较为复杂，无法用完整模样铸造。由于轴承座对称，我们可以考虑分模造型。

3.7工艺流程

造模→造型→铸造→去除毛刺→切削加工→顶部M10内螺纹加工

从中间对称面上截开成为两个对成部分，采用两箱分模造型