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1、BKBS-06典型件的设计及工艺分析工 学 部 工学二部专 业机械设计制造及其自动化（机械电子工程）班 级学 号姓 名指导教师负责教师 2011年6月 摘要本文详细地阐述了支架典型零件的设计和工艺分析的过程。此零件为一小型支架，用Auto CAD软件完成了二维工程图，在设计过程中用UG软件进行了三维实体建模。本文共分为六部分，第一部分对所设计零件进行了整体分析，并对零件的质量做了近似计算；第二部分通过零件的强度校核，选择零件的材料；第三部分根据零件的材料制定合理的热处理工艺；第四部分根据公差配合的选用原则和相关标准，结合所设计零件的使用要求，选择了合理的公差等级、配合种类、形位公差和粗糙度要求
2、；第五部分根据零件的加工要求和使用要求确定毛坯的种类、形状以及尺寸；第六部分根据毛坯的形状、尺寸和所涉及零件的要求以及当前的生产条件制定合理的加工工艺规程。该设计过程与实际生产中的设计过程相接近，提高了我理论联系实际的能力，为以后走向工作岗位打下了坚实的基础。关键词：零件设计；强度校核及选材；热处理；公差；工艺规程AbstractThis article elaborated the support typical components design and process study process in detail. This components are a small flask p
3、lace, has carried on the three dimensional entity modeling in the design process with the UG software has completed the two-dimensional engineering plat with Auto the CAD. This article altogether divides into six parts, the first part to designed the components to carry on the overall analysis, and
4、has made the approximate calculation to the components quality; The second part through components intensity examination, choice components material; Third part of basis components material formulation reasonable heat treatment craft; The fourth part selects the principle and the related standard ac
5、cording to the common difference coordination, unifies designs the components the operation requirements, has chosen the reasonable grade of tolerance, the coordinate type, the shape position common difference and roughness request; Fifth part of basis components processing request and operation req
6、uirements determination semi- finished materials type, shape as well as size; The sixth part of basis semi-finished materials shape, the size and involve the components the request as well as the current working condition formulation reasonable processing technological process.Key word: Components d
7、esign; Intensity examination and selection; Heat treatment; Common difference; Technological process目录1零件结构设计 11.1 零件的外形结构设计1 1.2 估算零件质量12零件的强度校核及材料的选用 4 2.1 零件的强度校核6 2.2 零件材料的选用63零件的热处理 8 3.1 钢的热处理8 3.2 钢在热处理过程中的组织结构性能变化8 3.2.1 钢在加热时的组织结构、性能转变8 3.2.2 钢在冷却时的组织结构、性能转变10 3.3 制定钢的热处理工艺12 3.3.1 退火的工艺12
8、3.3.2 正火的工艺123.3.3 淬火的工艺12 3.3.4 回火的工艺144公差等级配合种类和配合公差的选用 16 4.1 尺寸公差与配合的选用16 4.1.1 基准制的选择16 4.1.2 公差等级的选用16 4.1.3 配合种类的选用17 4.2 形位公差及零件表面粗糙度的选用175零件毛坯的确定 196零件加工工艺规程的制定 21 6.1 零件工艺分析21 6.2 零件定位基准的确定22 6.2.1 精基准的选择22 6.2.2 粗基准的选择23 6.3 零件加工工艺路线的确定24结束语34致谢35参考文献36IV 1 零件的结构设计1.1零件的外形结构设计本次毕业设计所设计的零件
9、为一支架，它是由一个小型板材毛坯加工而成。零件外形结构如图1-1所示：图1-1 零件外形图零件的底座形状近似为方形，四个圆角为R10，而且有四个螺栓孔，用来连接其它零件，厚度为10。为了加强其强度，故减少了底座中间的厚度，约为5。零件的左右两侧都有一个壁厚为8的壁板，而其内部均有一个直径为20的孔，用来与轴配合，实现其工作要求。两个壁板之间用两个筋连接，形状类似长方形，壁厚约为6。为了提高周期性和强度，在零件上设计了四个厚度为6的肋板。此外，零件各部份连接的地方都有半径较小的圆角，如图所示。1.2估算零件质量根据零件的外形结构尺寸及零件的材料（此零件材料为45，密度为7.8g/cm3）。零件的
10、外形结构尺寸如图1-2、图1-3、图1-4所示：图1-2 图1-3图1-41.零件底座的质量计算，底座尺寸如图1-2、图1-3所示。 计算底座的体积时可将其底面和底面的凹槽看作是矩形。 矩形底座的体积v1=1007010mm3=703 凹槽的体积v2=707053=24.53 四个螺栓孔的体积v3=43.142.5210mm3=0.7853 底座的实际体积V=v1-v2-v3=70-24.5-0.785cm3=44.72cm3 底座的质量为m1=v=7.844.72g=348.8g2.筋的质量计算，尺寸如图1-2、图1-3所示。 两个筋的体积V=230256mm3=9cm3 筋的质量为m2=v
11、=7.89g=70.2g3.肋板的质量计算，尺寸如图1-2、图1-3所示。 四个肋板的体积V=425106mm3=6cm3 肋板的质量为m3=v=7.86g=46.8g4.薄壁板的质量计算，尺寸如图1-2、图1-3、图1-4所示。可将其近似看做一个矩形。壁板的体积v1=250658mm3=52cm320的孔的体积v2=23.141028mm3=5.024cm3壁板的实际体积V=v1-v2=5-5.024cm3=46.98cm3 壁板的质量为m4=v=7.846.98g=366.4g综上所诉，该零件的近似总质量m=m1+m2+m3+m4=348.8+70.2+46.8+366.4g=832.2g
12、2 零件的强度校核及材料的选用2.1概述 1各种材料因强度不足引起的失效现象是不同的。塑性材料如普通碳钢，以发生屈服现象出现塑性变形为失效标志。脆性材料如铸铁失效现象是突然断裂。所以要分析零件的受力情况，分析其能够承受多大的力，何时失效、何时变形。对工业产品来说是非常重要的，可以降低生产成本，并提高产品质量。 2确定安全因数应该考虑以下几点（1）材料的素质，包括材料的均匀程度，质地好坏是塑性还是脆性的。（2）载荷情况，包括对载荷的估计是否准确，是静载荷还是动载荷。（3）实际构件简化过程和计算方法。（4）零件在设备中的重要性，工作条件，损坏后造成后果的严重程度，制造和修配的难易程度。（5）对减轻
13、设备自重和提高设备机动性的要求。2.2零件的强度校核根据零件的结构、形状、以及工作时的受力情况对其进行强度校核。图2-1 零件受力图对20的孔壁厚进行校核，根据受力情况可知其仅需弯曲校核。受力分析如图2-2所示：轴的受力情况：零件受力情况： 图4-2 受力分析图（1）已知零件工作时轴受力F1为2000N。对轴进行分析：由受力平衡可得：F1+F2=2F F1=F2解得： F1=2000 N F2=2000 N零件所受的力F3、F4与轴所受力F1、F2大小相等方向相反，因此F3=2000 N F4=2000 N截面A所受的弯矩 M=F38即M=20008=16000Nmm=16Nm截面A的抗弯截面
14、系数W=d3/32由图4-1可知d=20mm所以W=3.140.023/32=0.78510-6零件工作时的弯曲应力=M/W所以1=16/（0.78510-6）=20.38MPa同理可得截面B所受的弯矩 M=F48即M=20008=16000Nmm=16Nm截面B的抗弯截面系数W=d3/32由图4-1可知d=20mm所以W=3.140.023/32=0.78510-6零件工作时的弯曲应力=M/W所以2=16/（0.78510-6）=20.38MPa2.3零件材料的选用表2-1中列出几种常用材料及主要力学性能。材 料牌 号毛 坯直 径/mm硬度/HBS抗拉强度极限B/MPa屈服强度极限S/MPa
15、弯曲疲劳极限-1/MPa剪切疲劳极限-1/MPa许用弯曲应力-1 /MPaQ235-A1004004202251701054010025037539021545100170217590295255140551003001622175702852451352002172556403552751556040Cr1002412867355403552007010030068549033518540CrNi1002703009007354302607510030024027078557037021038SiMnMo10022928673559036521070100300217269685540345
16、19538SiMoAlA60293321930785440280756010027730283568541027010016024127778559037522020Cr60渗碳5662HRC640390305160603Crl310024183563539523075表2-1 几种常用材料及主要力学性能综合考虑以上几种材料的各项性能指标以及零件的经济性等方面的因素，此次设计的零件选用45钢。45号钢的许用弯曲应力为60MPa，经校核所设计的零件此处壁厚可以满足强度要求。综上所述，所设计的零件强度能够满足使用要求。3 零件的热处理3.1 钢的热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温
17、和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。热处理之所以能使钢的性能发生很大变化，主要是由于钢经过不同的加热与冷却后，使其组织结构发生了变化。3.2 钢在热处理过程中的组织结构性能变化3.2.1 钢在加热时的组织结构、性能转变 图3-1 FeFe3C钢加热到Ac1点以上时，会发生珠光体向奥氏体转变，加热到Ac3和Accm点以上便全部转变为奥氏体，热处理加热最主要的目的就是为了得到奥氏体，因此，这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。奥氏体是碳溶于-Fe中所形成的一种间隙式固溶体。通常用字母“A”表示。由于面心立方晶格的最大间隙半径为0.535,略小于碳原子半径，因此，它的溶碳
18、能力比-Fe大。碳溶入-Fe后将引起晶格畸变，使其周围的间隔不能（或减少）再容纳碳原子，因此，碳在-Fe中只能是有限的溶解。在1148时，溶解读最大，为2.11，随着温度的下降，溶解度也逐渐下降，在727时，溶碳量为0.77。在铁碳合金中，奥氏体是在727以上存在的高温相。奥氏体溶有较多的碳，故其力学性能的特点是具有一定的强度和硬度，良好的韧性，低的塑性变形抗力，易于锻造变形。所以在生产中常把钢加热到获得单相奥氏体组织的温度进行塑性变形。 图3-2 加热（或冷却）时Fe-Fe3C相图上各临界点的位置有Fe-Fe3C相图可知，将共析钢加热到A1点以上全部变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢必须加热至
19、A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。实际情况下，钢在加热时的相变并不按照相图上所示的临界温度进行，大多有不同程度的滞后现象产生，即实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。 共析钢的原始组织为片状珠光体，当加热到Ac1（730左右）以上时将会发生珠光体向奥氏体的转变，它可分为四个基本阶段：（1）奥氏体形核 （2）奥氏体晶核长大 （3）残留渗碳体的溶解 （4）奥氏体均匀化 对于亚共析钢和过共析钢来说，加热至Ac1以上并保温足够长时间，只能使原始组织中的珠光体完成奥氏体化，仍会保留先共析铁素体或先共析渗碳体，这种奥氏体化过程被称为是“部分奥
20、氏体化”或“不完全奥氏体化”。只有进一步加热至Ac3或Accm以上保温足够时间，才能获得均匀的单相奥氏体，这又被称为是非共析钢的“完全奥氏体化”。3.2.2钢在冷却时的组织结构、性能转变 图3-3 两种冷却示意图a等温冷却 b连续冷却1.热处理时常用的冷却方式有两种：（1）连续冷却 即将奥氏体化后的钢件以一定的冷却速度从高温一直连续冷却至室温，在连续冷却过程中完成的组织转变称为连续冷却转变；（2）等温冷却即把奥氏体化后的钢件迅速冷却到临界点以下某一温度，等温保持一定时间后在再冷至温室，在保温过程中完成的组织转变称为等温转变。共析钢奥氏体在A1线以上是稳定的，在A1线以下则处于不稳定状态，必然要
21、发生转变。但过冷到Ar1线以下的奥氏体并不立即转变，要经过一段孕育期才开始转变，这种在孕育期暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体。在实际生产中，普遍采用的冷却方式是连续冷却，因此，研究过冷奥氏体在连续冷却过程中的组织转变规律具有很大的实际意义。图3-4 共析钢的连续冷却曲线示意图2.共析钢的连续冷却转变v1冷却速度线相当于随炉冷却的速度，过冷奥氏体将转变为珠光体，其转变温度较高，珠光体呈粗片状，硬度为170HB-220HB。v2冷却速度线相当于在空气中冷却的速度，过冷奥氏体转变为索氏体，为细片状组织，硬度为25HRC-35HRC。v3冷却速度线相当于再油中冷却的速度，过冷奥氏体先有一部分转变为屈氏体
22、，而剩余的过冷奥氏体，在冷却到Ms点一下转变为马氏体(无贝氏体转变)，冷却到室温时，还会有少量未转变的奥氏体保留下来，这种残留的奥氏体称为残余奥氏体。因此，转变后得到的组织为屈氏体、残余奥氏体和马氏体，硬度为45HRC-55HRC。v5冷却速度线相当于再水中的冷却速度，奥氏体将过冷到Ms点以下，发生马氏体转变，冷却到室温也会保留部分残余奥氏体，转变后得到的组织是马氏体和残余奥氏体。过冷奥氏体快速冷却至Ms点以下（共析钢Ms230），便发生马氏体转变，马氏体以符号“M”表示。这种转变在低温区（Ms以下）进行，所以也称为低温转变。由于转变在低温范围进行，过冷度很大，此时铁原子和碳原子的扩散被抑制，
23、奥氏体向马氏体转变时只发生-Fe-Fe的晶格改组，固溶与奥氏体中的碳原子全部被保留在-Fe中，因此，马氏体实质上是碳在-Fe中的过饱和的固溶体。马氏体转变有以下几个特点：（1）非扩散型 （2）高速长大 （3）马氏体是在一个温度范围内形成 （4）转变的不完全性 3.亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变与共析钢不同，亚共析钢过冷奥氏体在高温时有一部分将转变为铁素体，亚共析钢过冷奥氏体在中温转变区会有少量贝氏体产生，但铁素体和贝氏体量少，有时也予以忽略。过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变过程中，在高温区，过冷奥氏体首先析出二次渗碳体，而后转变为其体组织组成物。由于奥氏体中含碳量高，所以油冷，水冷
24、后的组织中应包括残余奥氏体。与共析钢一样，其冷却过程中无贝氏体转变。而在钢的冷却过程中，我们最终要得到大量的马氏体，因此，生产中常采用水冷的方法。3.3制定钢的热处理工艺热处理工艺是指通过加热、保温和冷却来改变材料组织，以获得所需性的方法。根据钢在加热和冷却的组织与性能变化规律，热处理工艺有退火、正火、淬火和回火及化学热处理等。退火或正火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后, 以缓慢的速度冷却下来,使之获得达到或接近平衡状态的组织的热处理工艺.退火和正火在工艺上的主要区别是前者一般随炉冷却,而后者一般在空气中冷却;在组织上的区别是前者获得接近平衡状态的组织,而后者则获得较细的珠光体型组织.工
25、业上采用退火或正火的目的在在于消除工作的内应力、改善组织、提高加工性能、为下道工序做好组织与性能的准备等.所以,退火和正火是一种先行工艺、具有承上启下的作用,又被称其为预备热处理.对于一些受力不大、性能要求不高的零件及一些普通铸件、焊件、退火或正火可作为最终热处理.而淬火和回火是工厂里应用最广泛的最重要的两种热处理工艺方法。淬火与不同温度的回火相配合，使钢获得不同的马氏体分解物，具有良好的使用性能。淬火与回火常常是最终热处理，因而它对保证工件质量和成平率非常重要。3.3.1退火的工艺退火是钢的热处理工艺中应用最广、种类最多的一种工艺,不同种类的退火其目的也各不相同.完全退火等温退火 球化退火
26、均匀化退火 去应力退火 再结晶退火 3.3.2正火的工艺正火的加热温度为Ac3或Accm以上3050,即处于完全奥氏体化状态;保温时间的确定要保证奥氏体成分大致均匀;保温以后的冷却方式为在空气中进行,对大件也可用吹风、喷雾和调节工件堆放距离等方式控制钢的冷却速度,以获得所需的组织和性能.由于正火比退火的冷却速度大,故珠光体的片层间距较小,因而正火后强度、硬度较高.3.3.3淬火的工艺淬火是将钢件加热加热到Ac3或Ac1点以上3050，经适当保温后，然后以大于vk的冷却速度冷却而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。它是钢的重要强化手段，是随后回火时调整和改善性能的前提。1.淬火温度的选择 为使淬
27、火后能的得到均匀细小的马氏体，首先要在淬火加热时得到细小而均匀的奥氏体，否则，淬火组织的脆性增大，在淬火冷却时会引起变形和开裂。 对于亚共析钢，适宜的淬火温度一般为Ac3以上3050，即800-820这样可获得均匀细小的板条状马氏体。如果淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组织，同时引起钢件叫严重的变形。如果淬火温度过低，则在淬火组织中将出现铁素体，造成钢的硬度不足，强度不高。 对于过共析钢，适宜的淬火的温度一般为Ac1以上3050，即860-880，这样可获得均匀细小马氏体和粒状渗碳体的混合组织。高硬度的粒状渗碳体的存在可显著提高钢件的硬度和耐磨性。如果淬火温度过高，则获得粗片状马氏体组织，同时
28、引起较严重变形，淬火开裂倾向增大；还由于渗碳体溶解过多，淬火后钢中残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性。如果淬火温度低，则可能得到非马氏体组织，钢的硬度达不到要求。对于合金钢，因大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大（Mn、P除外），所以淬火温度允许比碳钢稍高一些，这可使合金元素中分溶解和均匀化。以便取得较好淬火效果。2淬火冷却介质的选择图3-5 理想淬火冷却曲线示意图淬火冷却既要保证工件获得马氏体组织，又要减少变形和避免开裂。理想的淬火冷却如图3-5所示，它在过冷奥氏体最不稳定的鼻尖温度区应该快冷，以防止过冷奥氏体分解；在其它温度区，特别是在马氏体转变的温度区，应该快冷，以减少热应力和相变应力，
29、从而减少变形和开裂。目前还没找到一种理想的淬火冷却介质，为使淬火效果比较理想，可从两个方面入手：一是选择比较合适的淬火介质，二是改进淬火的方法。水是目前应用最为广泛的淬火冷却介质。因为它不但经济，而且冷却能力有较强。它的缺点是，冷却能力在650550范围内不够大，而在300200范围内有偏大，冷却特性很不理想。所以，主要用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工作。使用温度一般控制在30以下，淬火时加强冷却的循环与搅拌，或在水中加入10%左右的NaCI、NaOH、或Na2CO3成为盐和碱的水溶，以改善水的冷却能力。油也是应用很广泛的一种淬火冷却介质。目前淬火用油主要是各种矿物油，如锭子油、变压器油、机
30、油、柴油等。油的冷却能力比水小得多，不利于碳钢的淬硬，但在300200范围内的冷却速度较低。有利于减少工件的变形和开裂，故主要用于形状复杂的中、小合金钢工件的淬火。适当提高油温（一般控制在80以下），强力搅拌循环及加入添加剂等，可以改善油的冷却能力。还有其他多种淬火介质，如冷却能力介于水、油之间的硝盐水溶液和水玻璃水溶液，常用于感应加热淬火的乳化液和聚乙烯醇水溶液，以及用等温淬火和分级淬火的熔融状态的硝盐和烧碱。3.常用的淬火冷却方法的选择为了达到理想的淬火冷却和保证淬火质量，除了选用合适的介质外，还要选择适当的淬火方法。常用的淬火方法有以下几种。（1）单介质淬火 （2）双介质淬火 （3）马氏
31、体分级淬火（4）贝氏体等温淬火 （5）局部淬火3.3.3回火的工艺将淬火后的钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。一般淬火件（除等温淬火）必须经过回火才能使用。1.回火的目的（1）降低脆性，消除或减少淬火内应力钢件（特别是高碳钢件）具有高的硬度、耐磨性、脆性大，工件在交变载荷及冲击载荷作用易产生开裂。另外，淬火钢中存在很大的内应力，在随后的机械加工或温室停留时，也易发生变形和开裂，因此，工件淬火后要及时回火。（2）获得工件所需要的力学性能 为了满足各种工件的不同性能要，可通过回火来调整硬度，减少脆性，得到所需的力学性能。（3）稳定工件尺寸淬火组织中的马
32、氏体及残余奥氏体都是不稳定的组织，在温室下会发生缓慢分解，引起工件尺寸的形状的变化。利用回火，可稳定组织，防止工件尺寸和形状的变化。2.回火的种类及其应用根据工件的不同性能要求，按其回火温度的范围，可将回火大致分为以下三种：(1)低温回火（150250）这种回火主要是为了降低淬火钢的内应力和脆性，保持淬火马氏体的高硬度和高耐磨性。各种高碳工具、冷作模具、滚动轴承、渗碳或表面淬火的零件，经常采用低温回火。低温回火后的组织为回火马氏体。当马氏体中wc1.0%时，回火马氏体形态为片状；硬度一般为（5864）HRC；而wc0.2%时，回火马氏体保持板条形态；wc=（0.21.0）%时，回火马氏体为板条
33、状和片状形态。(2)中温回火（350500）中温回火所得的组织为回火屈氏体，硬度为（3545）HRC。中温回火后具有高的弹性极限和屈服强度，同时有较好的韧性，故主要用弹簧。弹簧夹头及某些强度要求较高的零件，如枪械击针、刀杆、销钉、扳手、螺丝刀等。(3)高温回火（500650）高温回火所得的组织为回火索尸体，它的渗碳体颗粒比回火屈氏体粗。高温回火后的钢件具有强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。生产中常把“淬火+高温回火”称为调制处理。调制处理后的力学性能（强度、韧性）比相同硬度的正火好，这是因为前者的渗碳体呈现粒状。后者为片状。调制处理后的硬度与高温回火的温度，钢的回火稳定性及工件截面尺寸有关，一般为（2535）HRC。除以上三种常用回火方法外，某些精密的工件，为了保持淬火后的高硬度及尺寸的稳定性，常进行低温（100150）长时间（10h15h）保温回火，称为时效处理。综上所述，此零件材料45的热处理工艺如下：淬火工艺（加热至800820，保持五分钟，水冷充分）+回火工艺（高温回火，加热至500650，保温1520分钟，水冷）。因此，零件材料经过上述热处理的过程，其刚度、硬度、强度、塑性，韧性和脆都性达到最佳，可获得很好的综合力学性能。