机械工程基础课件

机械工程基础吴小娟目录第一篇工程材料与热处理基础第二篇成形工艺基础第三篇机械制造基础第一篇工程材料与热处理基础第一章金属材料的分类及性能第二章铁碳合金第三章钢的热处理第四章工业用钢第五章铸铁第六章有色金属第七章新型工程材料第八章机械制造中的材料选择第一章金属材料的分类及性能 §1.材料的分类  §2.金属材料的性能§3.金属材料的晶体结构与结晶§1.材料的分类 工程上使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料。按属性分类：  一．金属材料：钢、铸铁、有色金属 二．高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维 三．陶瓷材料:普通陶瓷、特种陶瓷 四．复合材料§2.金属材料的性能一．机械性能（一）强度 1.定义：强度是金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。 拉伸试样低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸过程分三个阶段：弹性变形、塑性变形和断裂阶段。σb是抗拉强度，是试样拉断前承受的最大应力；σs是屈服强度，是弹性变形转向塑性变形的明显标志；σe是弹性极限。2.屈服强度及抗拉强度 低碳钢具有屈服阶段，对于其它无明显屈服现象的材料，如高碳钢、铸铁、铜、铝等，可用σ0.2代替屈服极限，称为名义屈服点。(二)刚度 1.定义：金属材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。 2.弹性模数E：是衡量刚度大小的指标，其值等于在弹性变形范围内，应力与应变的比值。在相同外力作用下，E越大，则弹性变形越小，刚度越大。E只与材料的本性有关。 3.刚度除了与E有关，还与零件的形状、尺寸有关。(三)塑性1.定义：金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。2.塑性通常用伸长率δ，断面收缩率ψ表示。 δ=（L—L0）/L0×100% ψ=（F0—F）/F0×100% δ、ψ越大，塑性越好。(四)硬度1．定义：金属材料抵抗其他更硬的物体压入其内的能力。2．类型：①布氏硬度（HB）：HBS、HBW。②洛氏硬度（HR）：HRC、HRA、HRB。③维氏硬度（HV）：4．硬度是一个重要的综合力学性能指标，反映了材料在小范围内抵抗变形和断裂的能力。3.硬度实验(五)冲击韧性1．定义：金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。2．冲击韧性值αk用来衡量冲击韧性的大小。αk越大，韧性越好3．摆锤冲击实验4．强度、塑性均好的材料，韧性好。(六)疲劳强度1． 疲劳断裂：在交变载荷下工作的一些构件,所受应力虽然低于其屈服强度，但使用中往往突然断裂，这种现象称为疲劳断裂。2.疲劳强度σ-1：金属材料在无数次(钢107有色金属108)重复交变载荷作用下不致引起断裂的最大应力3.疲劳强度实验二．物理性能 密度、熔点、热容、热膨胀性、导热、导电性、磁性。三．化学性能 耐腐蚀性、高温抗氧化性。四．工艺性能铸造性能、可锻性、可焊性、热处理性能、切削加工性能。§3金属的晶体结构与结晶一．金属的晶体结构1.晶体与非晶体 晶体：原子沿三维空间重复排列成有序 结构。特点： ①有序排列 ②性能各向异性 ③固定的熔点 非晶体：原子无序排列。2．晶体结构的基本概念晶格结点晶胞晶格常数，单位是Å(埃，10-10m或0.1nm)晶面、晶向3．常见晶体结构类型： 体心立方，如α-Fe　、Cr、V、W、Mo等 面心立方，如γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb等 密排六方，如Mg、Zn、Be等 不同金属，晶体结构和晶格类型不同，因而性能不同；在同一晶体内，不同晶面和晶向上原子密度不同，因而性能不同（各向异性）。二．多晶体结构与晶体缺陷1．晶粒与晶界2．晶体缺陷 ⑴点缺陷：空位、间隙原子，导致晶格畸变，使强度、硬度升高，塑性、韧性降低。⑶面缺陷：晶界，使晶体的强度、塑性、韧性提高（细化晶粒以提高材料性能），但晶界处熔点低，易腐蚀，且易聚集杂质原子。⑵线缺陷：位错，其存在及数量的变化对性能影响很大。三．合金的相结构和组织１．概念： 通过熔炼、烧结等方法，将一种金属元素与其它一种或几种元素结合一起形成的具有金属特性的新物质叫合金。 组成合金的各元素叫组元。 合金中成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相；不同相的结合称组织。相与相之间的转变称为相变。2．固态合金的相结构⑴固溶体：溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中，并且不改变溶剂的晶格类型。如：铁素体、奥氏体。 ①置换固溶体：溶质原子占据溶剂结晶原子位置。 ②间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子晶格的间隙中。 溶质元素溶解到溶剂元素的晶格中，造成溶剂元素的晶格畸变，导致合金强度、硬度的升高,塑性、韧性下降，称为“固溶强化”。⑵金属化合物：当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相（单相），若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则它属于金属化合物 金属化合物具有较高的熔点和硬度及较大的脆性，使合金的强度、硬度上升，但塑性、韧性降低。如渗碳体Fe3C是铁碳合金中的重要强化相。 (3)机械混合物:由两种或两种以上的单相机械混合而成,各单相保持晶格结构不变。机械混合物的性能一般取决于各单相的性能和相对数量。如由铁素体和渗碳体构成的机械混合物珠光体。四.金属的结晶 (一)．结晶过程 1．定义：液态金属在冷凝过程中，原子由无序到有序，金属由液态到固态即晶体的过程，叫结晶。2．冷却曲线及过冷度 实际结晶温度低于熔点，称为过冷，其差值为过冷度。 冷却速度越大，过冷度也越大。3.结晶过程 结晶过程=晶核形成+晶核成长 晶核来源：自发形核、外来形核树枝晶的成长(二)．晶粒粗细对材料性能的影响 晶粒越细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。  (三)．细化晶粒的措施 ①增大过冷度 ②变质处理 ③附加振动(四)．金属的同素异构转变 金属在固态时改变其晶格类型的过程叫同素异构转变。第二章铁碳合金§1二元相图的基本知识§2铁碳合金相图§1二元相图的基本知识 一．相图的定义 相图又称状态图、平衡图。它表示在平衡条件下（极其缓慢加热或冷却），不同成分的合金在不同温度下有哪些相，及相变化的简明图。二．相图的建立以铜镍合金为例：§2铁碳合金相图 铁碳合金是以铁为主要元素，含少量碳及其它元素的合金，也是钢和铁的总称。含碳量Wc<2.11%是钢，2.11%~6.69%是铁。一、铁碳合金的基本组织1.铁素体F：由C固溶于α铁中形成的间隙固溶体，对碳的溶解度在0.0008%~0.0218%之间。机械性能与纯铁类似，具有良好的塑性和韧性，但强度、硬度较低。2．奥氏体A： 由C固溶于γ铁中形成的间隙固溶体，对碳的溶解度1148℃时为2.11%，727℃时为0.77%。A是高温组织，在727℃以上存在，其强度、硬度较低，塑性好。3．渗碳体Fe3C： 由铁和碳形成的化合物，含碳量6.69％。硬度高，强度低，塑性、韧性极差。是钢的主要强化相，其形状、数量、大小及分布对性能有很大影响。4．珠光体P： 由铁素体和渗碳体形成的机械混合物，含碳量0.77％。是A在727℃共析转变产物。机械性能介于铁素体和渗碳体之间，具有良好的综合机械性能。5．莱氏体Ld： 当T>727℃时,渗碳体与奥氏体的机械混合物，含碳量4.3％,是液态铁碳合金在1148℃的共晶转变产物（当T<727℃时，该产物转变为渗碳体与珠光体的机械混合物，称为低温莱氏体L’d），其机械性能类似于渗碳体。二．铁碳合金状态图(一)相图简介(二)结晶过程分析 1．共析钢的结晶过程 室温组织：P性能：良好的综合的机械性能2．亚共析钢的结晶过程室温组织：P+F性能：塑性、韧性较好，强度、硬度较低3．过共析钢的结晶过程室温组织：P+Fe3C性能：强度、硬度较高，塑性、韧性较低(Wc>1.0%时,强度及塑韧性降低)(三)含碳量与组织、性能的关系(四)相图的应用：铁碳合金相图主要用于铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的制定第三章钢的热处理§1钢的热处理原理§2钢的热处理工艺钢的热处理的定义 将钢在固态下加热到一定温度，并保持一段时间，以适当的冷却速度进行冷却，以改变钢的组织，从而获得预期性能的工艺方法。§1钢的热处理原理一．钢在加热时的组织转变1.实际转变温度、过热度与过冷度：2．钢在加热时的组织转变钢在加热到AC1以上温度时的组织转变，以共析钢为例：P(F+Fe3C)A加热温度越高或保温时间越长，奥氏体晶粒越粗的现象，称为“过热”。二．钢在冷却时的组织转变等温冷却与连续冷却(一)．过冷奥氏体的等温转变 1．转变产物 ①高温转变产物：过冷到727℃~550℃，发生珠光体转变。 727℃~650℃：珠光体P 650℃~600℃：索氏体S600℃~550℃：屈氏体T随着晶粒细化,强度、硬度及塑韧性越来越好。 ②中温转变产物：过冷到550℃~230℃，发生贝氏体转变。贝氏体：含过饱和碳的铁素体及渗碳体。550℃~350℃：上贝氏体B上，性能差。350℃~230℃：下贝氏体B下，综合性能好。③低温转变产物：过冷到230℃~-50℃，发生马氏体转变。马氏体：含过饱和碳的α铁。具有硬度大、脆性大、耐磨等特点。马氏体中含碳量越高,硬度越大。2．过冷奥氏体的等温转变曲线：Ｃ曲线孕育期越长,过冷奥氏体越稳定(二)．过冷奥氏体的连续冷却§2钢的热处理工艺 一.退火把钢加热到一定温度，经过适当保温，再缓冷下来的工艺过程叫退火 1．完全退火 工艺：亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃ 组织：细化的、均匀的（P+F） 目的：消除锻造过热组织2．球化退火 工艺：共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~40℃ 组织：球粒状Fe3C+F 目的：消除片状Fe3C，改善切削加工性及淬火易开裂性。3．再结晶退火工艺：加热到再结晶温度与Ac1之间组织：再结晶组织目的：消除加工硬化4．低温退火工艺：加热到500~600℃目的：消除铸、锻、焊及机加工造成的内应力二．正火1．工艺加热到Ac3或Accm以上30~50℃，保温、空冷。2．目的 ①细化晶粒，提高性能锻件正火后的组织变化 ②改善低碳钢的切削加工性 ③球化退火前的预处理  三．淬火1．工艺：加热至Ac3或Ac1以上30~50℃，保温，快速冷却。2．目的获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。3．淬火方法四．回火工艺：将淬火工件重新加热到低于A1的某一温度，保温，空冷。目的：消除内应力、稳定尺寸并获得所需组织和性能1.低温回火：温度150~250℃组织:回火马氏体目的:消除内应力,不降低硬度.用途:刀具、模具2.中温回火：温度350~500℃组织:回火屈氏体目的:获得高弹性、高屈服强度用途：弹簧钢3.高温回火：温度500~600℃组织:回火索氏体目的:获得良好的综合的机械性能，又称调质处理用途：轴、齿轮五．钢的表面热处理1．表面淬火 （1）感应加热表面淬火 （2）火焰加热表面淬火2．表面化学热处理　(1) 渗碳　(2)渗氮。六.先进热处理技术激光淬火、渗碳生产线、自动热处理第四章工业用钢§1钢的分类§2合金元素对钢性能的影响§3牌号及用途§1钢的分类1．按成分分类： ⑴碳素钢： ①低碳钢：C%<0.25% ②中碳钢:0.25%<C%<0.6% ③高碳钢:C%>0.6% ⑵合金钢 ①低合金钢:合金元素总量<5% ②合金钢:合金元素总量≥5%2.按用途分类 ①结构钢 ②工具钢 ③特殊用途钢3.按杂质含量分类(常存杂质:Si,Mn,P,S)①普通钢：Ws≤0.055％,Wp≤0.045％②优质钢：Ws、Wp≤0.0354.按金相组织分类§2合金元素对钢性能的影响 常用合金元素有：Si,Mn,Cr,Ni,Mo,V,W,Ti等其作用：1.对钢中基本相的影响（1）形成合金铁素体（2）形成碳化物2.对相图的影响（1）扩大奥氏体区：Ni、Mn、C、N等（2）缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、Si等3.对热处理的影响1）对加热转变的影响减缓奥氏体化的速度；阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。（2）对冷却转变的影响使C曲线右移，提高淬透性；降低马氏体转变温度，使残留奥氏体增加；阻碍马氏体分解和碳化物析出，提高回火稳定性；回火中的二次硬化或弥散强化作用；高温回火脆性。§3牌号及用途一．碳钢 1.结构钢：结构件及零部件①普通碳素结构钢Q235-A.F②优质碳素结构钢08，10，15，…60…2.工具钢：手动低速刀具、模具、量具等。 T7～T13二．合金钢1.合金结构钢 牌号：数字+化学元素+数字碳万分含量合金合金百分含量如：60Si2Mn①渗碳钢：15，20，20Cr，20MnVB②调质钢:45，40Mn，40B，35SiMn③弹簧钢:65，65Mn，60Si2Mn2.合金工具钢①低合金工具钢：模具，量具，低速刀具 当Wc>1.0%时，牌号前无碳含量。如：CrWMn 当Wc<1.0%时，牌号前为碳的千分含量。如9SiCr②高速钢：车刀、铣刀、钻刀等 牌号前不标碳含量。如：W18Cr4V③硬质合金：高速切削刀具 钨钴合金：YG3,YG6等 钨钴钛合金：YT5,YT15等3．特殊用途钢牌号同于低合金工具钢 ①  不锈钢：1Cr18Ni9Ti，1Cr13，2Cr13 ②  耐热钢：4Cr9Si2 ③耐磨钢：ZGMn13第五章铸铁§1铸铁的分类§2灰口铸铁的分类§1铸铁的分类1．白口铸铁：C以渗碳体形式存在2．灰口铸铁：C以游离态石墨形式存在3．影响铸铁石墨化因素①化学成分工业用铸铁的成分范围C 2.5％～4.0％Si 1.0％～3.5％ Mn 0.5～1.5％P≤0.2 S≤0.15％余下为Fe②冷却速度冷却速度越慢，越有利于石墨析出。§2灰口铸铁的分类1．（普通）灰口铸铁石墨形态：片状特点：力学性能差，消震性好，耐磨好，切削加工性能好，铸造性能好，价格便宜 牌号： HT 100 灰铸铁 抗拉强度最低 (MPa) 牌号 用途 HT100 低压力零件，如轴承盖、手轮、支架等 HT200 机床床身、低压气缸、低速轴瓦等。 HT350 气缸、飞轮、齿轮等重要零件2．可锻铸铁石墨形态：团絮状特点：力学性能比灰铸铁好。适宜做薄壁、形状复杂的小型铸件。工艺复杂，不能锻造 牌号： KT H 300 -6 可锻铸铁 组织基体 抗拉强度最低 最小延伸率 H:铁素体Z:珠光体 (MPa) (δ%) 牌号 用途 KTH300-6 管道的弯头、接头、三通等 KTH370-12 农机的犁刀、犁柱、汽车拖拉机的前后轮壳等 KTZ650-2 曲轴、凸轮轴、连杆等3．球墨铸铁石墨形态：球状特点：基体利用率高达70％～90％，抗拉强度、塑性、韧性高。可代替钢在静载荷或冲击不大的条件工作的凸轮、曲轴等 牌号： QT 400 -18 球墨铸铁 抗拉强度最低 最小延伸率 (MPa) (δ%) 牌号 用途 QT400-18 泵、阀体、受压容器、受冲击零件等 QT500-7 支器底坐、齿轮、支架等 QT800-2 曲轴、凸轮、齿轮等高强度零件第六章有色金属§1铝及铝合金§2铜及铜合金§1铝及铝合金 1．工业纯铝： L1、L2、…… 重量轻，耐腐蚀，强度低，塑性好，适合冷、热压力加工。2．铝合金 加入Si,Cu,Zn,Mn,Sn等元素，可提高强度⑴形变铝合金：加热形成单相固溶体，塑性好，适 `合压力加工⑵铸造铝合金：具有共晶组织，铸造性能良好§2铜及铜合金1．工业纯铜T1、T2……导电性、导热性好，耐腐蚀。塑性好、强度低，适合冷、热压力加工2．铜合金⑴黄铜（普通）黄铜：Cu-Zn合金 耐蚀性、耐磨性好，铸造性能好，机械性能与Zn的含量有关特殊黄铜：在黄铜基础上加入Pb,Sn,Mn,Al,Fe,Ni,Si,……等元素，以提高强度，改善耐蚀性、耐磨性、切削加工性等⑵青铜 锡青铜：Cu-Sn 良好的耐腐蚀性、耐磨性及铸造性能，机械性能与Sn的含量有关 无锡青铜Cu-Al,Si,Mn,Pb,Cr,Be,Ni第七章新型工程材料§1高分子材料§2陶瓷材料§3复合材料§1高分子材料一.塑料特点：质量轻良好的耐蚀性电绝缘性减磨性、耐磨性吸震性二.橡胶三.合成纤维§2陶瓷材料1.普通陶瓷2.特种陶瓷§3复合材料 复合材料是由两种以上化学性质不同的材料组合而成，一般包括增强材料和基体材料。一、纤维增强复合材料1.玻璃纤维增强复合材料2.碳纤维增强复合材料二、层状复合材料1.双层金属复合材料2.塑料－金属多层复合材料三、颗粒复合材料1.颗粒－树脂2.陶瓷－金属第八章机械制造中的材料选择实例一机床主轴的选材分析材料：45号钢热处理：整体调质，表面淬火性能要求：整体硬度220～240HBS；表面硬度52HRC工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精 加工→表面淬火及低温回火→磨削实例二汽车变速齿轮的选材分析材料：20CrMnTi钢热处理：渗碳、淬火和低温回火性能要求：齿轮心部硬度为33～48HRC；齿面硬 度为58～62HRC工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→精加工 →渗碳→淬火→低温回火→精磨第二篇成形制造技术基础第一章铸造第二章锻造第三章焊接第一章铸造§1铸造工艺基础§2.砂型铸造§3特种铸造铸造：将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，冷却凝固，即得铸件毛坯。§1铸造工艺基础 一．合金的流动性（充型能力） 若充型能力差，将产生浇不足、冷隔、气孔等缺陷。影响因素有： 1．合金本身的流动性 共晶成分的合金流动性最好，越远离共晶成分，流动性越差。 2．浇注条件 ①浇注温度越高，充型能力越强。 ②充型压力越高，充型能力越强。 3．铸型条件二．合金的收缩 液态合金从浇注温度冷却到室温，要经过三个收缩阶段：液态收缩、凝固收缩、固态收缩。前二者称为体收缩，后者称为线收缩。 （一）缩孔、缩松的形成及防止1．形成由于铸件的体收缩得不到液态金属的补充而在铸件最后凝固部位形成的集中孔洞叫缩孔；形成的分散孔洞叫缩松。  2．措施实现铸件的顺序凝固：在厚大部位增设冒口，并使冒口最后凝固。（二）铸造应力与变形、裂纹1．铸造应力的形成铸件的固态收缩受到阻碍，将产生内应力（1）热应力：由于壁厚不均、冷速不等、收缩不一而产生的应力。铸件的心部及厚壁处受拉应力；表面及薄壁处受压应力。（2）机械应力：由于机械阻碍而产生的应力2．变形与裂纹的产生应力超出材料的屈服强度和抗拉强度,将产生变形和裂纹3.防止变形的措施（1）实现铸件的同时凝固:结构设计采用均匀的壁厚和对称的结构;厚大部位安置冷铁，薄壁处开内浇口。（2） 大型铸铁件用自然时效、铸钢件用退火消除内应力。4.防止裂纹的措施提高铸型的退让性及控制含磷量.三.铸件中的气孔 1.侵入气孔 2.析出气孔 3.反应气孔§2.砂型铸造一．工艺过程二．造型方法1．手工造型（1）整模造型：最大截面位于一端的铸件（2）分模造型：最大截面位于中间的铸件（3）挖砂造型：最大截面为曲面的铸件(4)假箱造型：大批量需挖砂造型的铸件(5)活块造型(6)三箱造型2.机器造型 定义：将紧砂、起模工序用造型机来完成，或配以机械化的砂处理、浇注、落砂等三.浇注系统 1.浇口杯：缓和金属液浇入时的冲刷力 2.直浇道：断面为圆形并具有一定锥度的铅垂通道，其高度产生静压力，即充型压力。 3.横浇道：开在分型面上的水平通道，断面多为梯形。作用是将金属液分配流入内浇道，并起挡渣作用。 4.内浇道：直接与型腔相通，断面为扁梯形。可控制液态金属流入型腔的方向和速度，调节铸件各部分温度即冷速。四.工艺参数 1.机械加工余量 2.拔模斜度 3.收缩率五．工艺特点1.可铸出结构形状复杂的铸件2.适应性广3.成本低4.铸件精度低，表面粗糙度大，易产生内在缺陷5.劳动强度大§3特种铸造 一．熔模铸造 1.工艺过程2．特点 （1）可铸出形状十分复杂及薄壁铸件 （2）精度高，IT11~IT14，Ra12.5~Ra1.6 （3）工序复杂，生产周期长，成本高，铸件不能太大 （4）适于各类合金，尤其是高熔点合金及难以切削加工的合金的铸造 二．金属型铸造  1．工艺过程 2．特点 （1）一型多铸 （2）精度高，IT12~IT14,Ra12.5~6.3 （3）晶粒细，机械性能较好 （4）铸件易产生浇不足、气孔、裂纹、白口组织 （5）适于大批量形状简单的有色金属中小型铸件三．压力铸造 1．工艺过程2．特点（1）充型能力强，可铸出薄而复杂的精密铸件 （2）精度高，IT11~IT13;Ra3.2~Ra0.8 （3）生产率高 （4）压型成本高 （5）铸件易含气孔 （6）适于大批量不需热处理的薄璧、复杂的小型有色金属铸件四．离心铸造 1．工艺过程2．特点（1）无需型芯和浇注系统，省工省料（2）组织致密（3）充型好（4）内表面质量差（5）易出现比重偏析（6）适于生产长圆筒形件及双金属铸件第二章锻造§1金属的塑性变形§2压力加工工艺§1金属的塑性变形一.金属的塑性变形的实质1．单晶体的塑性变形 单晶体的塑性变形是以滑移的方式进行的,即：在切应力的作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面（滑移面），相对于另一部分发生滑动。 2．多晶体的塑性变形（1）晶界的作用晶粒越细，晶界面积越大，塑性变形抗力越大（2）晶粒位向的差别晶粒越细，晶粒数目越多，对滑移的阻碍越大，塑性变形抗力越大(3)晶粒度对机械性能的影响综上所述，晶粒越细，塑性变形抗力越大，即强度越高；同时，晶粒越细，总变形量相同情况下，变形可分散在更多晶粒内进行，减少应力集中，使其在断裂前能承受较大的变形量，即提高了塑性和韧性。二．塑性变形后金属的组织和性能1．组织的变化： （1）晶粒沿变形最大的方向伸长。 （2）点阵畸变，产生内应力 （3）产生碎晶，即亚晶粒 （4）变形量很大时，产生形变织构，导致各向异性2．加工硬化（1）金属冷变形后，强度、硬度升高，而塑性、韧性降低的现象叫加工硬化（2）加工硬化可通过再结晶退火消除（3）有色金属等材料可通过冷变形提高性能，并降低表面粗糙度3．回复：T回=0.25T熔 目的：消除内应力，部分消除加工硬化4．再结晶：T再=0.4T熔 目的：消除加工硬化三．金属的热变形后的组织和性能 在金属的再结晶温度以上的加工变形称为热变形 1．通过再结晶，改变了铸锭中粗大的铸造组织，同时将气孔、缩松等压缩，提高气密性，及力学性能2．使铸锭中的枝晶偏析和非金属夹杂物沿着变形方向细碎拉长，形成热加工纤维组织（锻造流线），使性能各向异性。锻造流线不能通过热处理消除，必须采用正确的热加工工艺，使流线分布合理，以保证金属的机械性能。四．金属的可锻性(一）定义：金属的可锻性由塑性和变形抗力来综合评定 ：塑性好、变形抗力低，则可锻性好。 （二）影响可锻性的因素：1．化学成分（1）纯金属比合金好（2）合金中含碳化物元素（W,Mo,V,Ti等），可锻性下降2．组织单相固溶体比化合物好3.加工条件① 变形温度：温度越高，可锻性越好；但温度过高，易造成过热、过烧、氧化等缺陷。 碳钢的锻造温度范围：始锻温度比固相线低200℃；终锻温度为800℃②　变形速度：如图③  应力状态：压应力数量越多，塑性越好；拉应力数量越多，塑性越差。1－变形抗力曲线；2－塑性变化曲线§2压力加工工艺 压力加工生产方式有：轧制、拉拔、挤压、自由锻、模锻、板料冲压。前三者主要用来生产原材料，后三者又称锻压，用来生产毛坯或零件。一.轧制：使金属坯料通过两个旋转轧辊间的特定空间，以获得一定截面形状的塑性成形方法。 二.挤压：在金属坯料一端加压，使金属从模孔中挤出，以获得所需截面形状的塑性成形方法。三.拉拔：将金属坯料拉过拉拔模的模孔而变形四.自由锻 1.定义：利用冲击压力或压力使金属坯料在上下铁砧之间变形，以获得所需形状、尺寸的锻造方法2． 基本工序镦粗、拔长、冲孔等3．特点（1）设备及工具简便通用（2）人工控制零件的尺寸、形状，精度差。（3）劳动强度大，适于单件小批量生产五．模锻1．定义：金属坯料在锻模内受压变形2．特点： ① 用锻模控制形状、尺寸，精度高，Ra小，并能加工形状复杂件 ②零件力学性能高 ③适于中小件的大批量生产胎模锻 1．定义：在自由锻设备上，采用不固定的胎模来生产锻件 2．特点：生产率、精度比自由锻高，且成本低六．板料冲压（冷冲压）（一）基本工序 1．分离工序 ①剪切：板料沿直线相互分离 ②冲裁：板料沿封闭轮廓相互分离落料或冲孔利用冲模使板料产生分离或变形，从而获得毛坯或零件冲裁件的排样2．变形工序（1）弯曲①  曲率半径Rmin=(0.25~1)δ②  折线需与板料的纤维方向垂直 ③  模具角度需比零件角度小一个回弹角度（2）拉深①  防止拉穿②  防止起皱（3）翻边、收口（4）成形(5)胀形(二)特点及用途: 1．可冲压出形状复杂、质量轻、强度刚度高 的零件 2．零件精度高，表面粗糙度小 3．操作简单，易实现机械化、自动化。4.用途：用于机械、汽车、仪表、生活用品等第三章  焊接§1.熔化焊的基础知识§2.焊接工艺§3.常用金属材料的焊接§4.焊缝质量检验常用焊接方法熔化焊： 将焊件接头处局部加热到熔化状态，通常还需加入填充金属（如焊丝、电焊条）以形成共同的熔池，冷却凝固后完成焊接钎焊 采用比母材熔点低的金属材料作钎料，加热使钎料熔化，填充接头间隙，润湿母材表面，使液相与固相之间相互扩散而实现工件的连接。压力焊： 将焊件接头处局部加热到高温塑性状态或接近熔化状态，然后施加压力，使接头处紧密接触并产生一定塑性变形而完成焊接§1.熔化焊的基础知识一．熔化焊的冶金特点1． 冶金特点①  高温导致金属烧损；形成有害杂质②  液态时间短，导致成分偏析、气孔、夹渣等缺陷2． 措施：利用焊药①   隔绝空气②   弥补烧损③   脱氧、硫、磷二．焊接接头组织与性能的变化以低碳钢为例焊缝处热影响区晶粒粗大，且易淬火钢种易产生马氏体组织，因而热影响区易产生焊接裂纹。三．焊接应力与变形 1．应力及变形产生的原因 焊接过程中的不均匀加热和冷却是产生焊接应力与变形的原因 2．变形类型3.减少应力与变形的措施①    合理的结构设计及焊接 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 、焊接次序②    使用焊接夹具与反变形法③    焊前预热④    焊后去应力退火§2.焊接工艺 一．手工电弧焊 1．过程 ①电弧的产生 电弧是在电极与焊件之间的气体中产生持续而有力的放电现象②焊接过程 2．电弧热 阳极区：2600oK 阴极区：2400oK 弧柱区：6000oK~8000oK3．电焊条（1）焊条的组成及作用 ①焊条芯 ②药皮（2）焊条的种类及编号 （3）焊条的选用根据所焊材料类型、焊接结构要求、工艺特点来选用4．工艺（1）焊前准备 ①接头形式 ② 开坡口（2）焊缝的空间位置平焊、横焊、立焊、仰焊（3）焊接规范①焊条直径②焊接电流（4）工艺特点及应用范围①设备简单，操作灵活，使用范围广②适合于各类钢材、铸铁、有色金属的焊接③适合于单件、空间小的焊接二．埋弧自动焊1．过程2． 特点及应用① 焊缝质量高，成型美观②生产率高，劳动条件好，省时省料③焊缝要求形状规则，不适合于狭窄位置及薄板焊④适合于各类钢的焊接，不适于铸铁、有色金属三．气体保护焊（一）氩弧焊1． 过程 2．特点及应用 ①适用于有色金属及其合金、稀有金属、不锈钢等的焊接 ②表面无熔渣，焊缝致密，美观 ③焊接速度快，热影响区小，变形小（二）二氧化碳保护焊1.电流大，焊接速度快，生产率高2.成本低3.操作性能好，可全位置焊接4.二氧化碳具有氧化性，产生飞溅和气孔5.适于焊接低碳钢和低合金钢四．气焊1．气焊的 过程2．气焊的 应用 焊接薄钢板、有色金属及其合金、铸铁的焊补、钎焊刀具。五．等离子弧焊接与切割 1．原理 利用各种装置使自由电弧的弧柱受到压缩，使弧柱区的气体完全电离，则成为等离子弧。2．产生过程 3．特点及应用 ① 焊接温度高，速度快，适于焊难熔、易氧化的合金 ② 切割变形小，切口细，用于不能用氧气切割的金属六．电阻焊（一）点焊 1．焊接过程 2．分流（二）缝焊 1．过程 2．特点（三）对焊 1．电阻对焊   2．闪光对焊七．钎焊1．硬钎焊 钎料熔点在450℃以上，接头强度在200MPa以上2．软钎焊 钎料熔点在450℃以下，接头强度在70MPa以下§3.常用金属材料的焊接 一．金属的可焊性 1． 定义 2． 估算钢的可焊性  C当量=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ① C当量<0.4%：可焊性良好，无需特殊措施 ② C当量=0.4%~0.6%：可焊性较差，需预热、缓冷 ③ C当量>0.6%：可焊性差，需采取严格工艺措施二．碳钢的焊接（一）低碳钢的焊接 1．各类焊接方法均适用 2.低温焊接刚度大的厚板件，应预热，焊后去应力退火（二）中碳钢的焊接1．预热2．低氢型焊条3．细焊条、小电流，开坡口多层焊（三）高碳钢的焊接采用更高的预热温度，及更严格的工艺措施，一般只限于焊补三．合金钢的焊接 1．合金钢的可焊性由其碳当量来定 2．易产生延迟裂纹 3．焊后应去氢处理 4．选低氢型焊条 四．铸铁的焊接（一）热焊法1.工艺 （1）预热温度600~700℃ （2）气焊、手工电弧焊 （3）铸铁芯焊条 2.特点及应用 （1）防止白口产生 （2）成本高，生产率低 （3）焊补重要铸件(二)冷焊法1.工艺 （1）不预热或预热温度低于400℃ （2）气焊、手工电弧焊 （3）专用焊条：高钒铸铁焊条，Ni基、Cu基铸铁焊条2.特点及应用 （1）成本低，质量低 （2）用于某些不能加热的铸件五．有色金属的焊接（一）铜及其合金的焊接1．特点 导热性高，散热快，造成焊不透易热裂易产生气孔2．工艺 （1）紫铜、青铜采用氩弧焊 （2）黄铜采用气焊（二）铝及其合金的焊接 1．特点 （1）易氧化，生成Al2O3，造成夹渣、焊不透 （2）易产生气孔 （3）导热系数、热膨胀系数大，易开裂 2．工艺采用氩弧焊、气焊，焊前清除氧化膜§4.焊缝质量检验 1．磁粉检验 2．超声波检验 3．X射线检验 4．CT技术第四章  毛坯成形方法的选择一．选用原则 使用性能 工艺性能 经济性原则二.毛坯成型方法的比较三．实例轿车车身及零部件的选材和毛坯的生产方法材料：Q235或16Mn板料毛坯：板料冲压——电阻点焊变速轴材料：45钢毛坯：圆钢下料－自由锻或模锻变速齿轮材料：20CrMnTi毛坯：模锻材料：铝合金毛坯：金属型铸造材料：40MnV毛坯：模锻材料：球铁毛坯：铸造材料：优质灰铁或球铁毛坯：铸造第三篇切削加工 第一章   金属切削加工的基础知识 第二章   切削加工工艺 第三章   机械制造自动化概论第一章   金属切削加工的基础知识§1切削运动与切削用量§2金属的切削过程§1切削运动与切削用量一．切削运动1．主运动：完成最基本的切削动作。2．进给运动：保证切削的连续性。二．切削用量1．切削速度v（m/s）：单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。2．切削深度ap(mm)：待加工表面和已加工表面间的垂直距离。3．进给量f（mm/r,mm/str）：主运动的一个循环内，工件和刀具沿进给运动方向的相对位移。§2刀具材料与刀具几何形状一．刀具材料1．性能要求①高硬度，HRC>60②足够的强度、韧性。③耐磨④热硬性2．材料类型①碳素工具钢②合金工具钢③高速钢④硬质合金⑤其它二．刀具切削部分的组成§3金属的切削过程一．切屑种类1．带状屑精车塑性材料时易产生2．节状屑粗加工中等强度钢时易产生3．崩碎屑切削脆性材料时易产生二．切削力1．主切削力Fz：切削力在切削平面上的分力。2．径向力Fy：切削力垂直与进给方向上的分力。3．轴向力Fx：切削力在进给方向上的分力。三．切削热和刀具磨损1． 切削热及切削液2． 刀具磨损和刀具耐用度四．工件材料的切削加工性1．衡量指标 刀具寿命、加工表面质量、切屑的控制及断屑难易程度、切削力2．影响因素 力学性能、导热性3．改善切削加工性的途径 调整化学成分、热处理§4金属切削机床的基本知识1． 机床基本结构①    主传动部件②    进给传动部件③    工件安装装置④    刀具安装装置2． 机床传动机构种类①    机械传动②    液压传动第二章   切削加工艺 §1车削 §2钻削与镗削§3刨削和拉削§4铣削§5磨削§6典型表面的加工方法及加工顺序§7典型零件的加工工艺过程§1车削车床的组成工件的安装装置：三爪卡盘、四爪卡盘、花盘、顶尖车床的种类一．切削运动 1．主运动：工件的旋转运动 2．进给运动：刀具的直线运动。二．特点1．切削平稳，精度高，Ra小2．可保证各加工面的同轴性3．加工材料：碳钢、合金钢、铸铁、有色金属三．工艺 1.车外圆 ①粗车：IT13~IT10，Ra50~12.5μm ②半精车：IT10~IT9，Ra6.3~3.2μm ③精车：IT6~IT5，Ra0.8~0.2μm 2．车锥面 3．钻孔、镗孔 4．车螺纹 ①单线螺纹车刀车螺纹 ②梳刀车螺纹 5.车成形面§2钻削与镗削 一．钻削1．切削运动 主运动为刀具的旋转； 进给运动为刀具的直线运动。2．特点①易“引偏”②排屑困难③散热困难3.工艺 ①钻孔：孔的粗加工 ②扩孔：孔的半精加工 ③ 铰孔：孔的精加工 ④攻丝：加工内螺纹二.镗削1．切削运动主运动：刀具旋转进给运动：工件或刀具直线运动  2．工艺①镗孔②钻、扩、铰孔③车外圆、端面、螺纹④铣平面3．特点① 位置精度较高②   镗孔适应性强③   加工范围广④   生产率较低⑤   可加工HRC30以内的金属材料§3刨削和拉削一．刨削1．切削运动主运动：刀具往复直线运动进给运动：工件直线运动 2．特点①加工精度较低：IT8~IT7，Ra6.3~1.6μm②生产率低③成本低 3．工艺①平面加工②斜面加工③沟槽加工二.拉削1．切削运动 主运动：拉刀的直线移动 进给运动：由齿升量af实现2．特点 ①加工质量较高，IT8~IT7，Ra0.8~0.4 ②生产率高 ③刀具制作成本高3．工艺：可加工平面、各种截面形状的孔、键槽§4铣削一．切削运动主运动：刀具旋转进给运动：工件直线运动二．特点1．半精加工：IT9~IT8，Ra6.3~1.62．生产率较高3．刀齿散热条件较好一．工艺1．平面加工①端铣加工质量高于周铣②端铣生产率高于周铣③周铣的适应性高于端铣2．铣斜面旋转刀具或工件3．铣台阶面4．铣沟槽、成形面5．齿形的加工6．铣床镗孔§5磨削一．切削运动主运动为砂轮的旋转 二．特点1．精度高：IT8~IT6，Ra1.6~0.12．温度高3．砂轮的“自锐”性4．适于磨硬的材料，如淬火钢的精加工。三．工艺可加工外圆、内圆、平面、螺纹、齿形。§6典型表面的加工方法及加工顺序 一．外圆的加工二．孔的加工三．平面的加工四．齿形加工（一）成形法加工：用与齿槽形状相同的成形刀具加工1．铣齿特点：成本低、生产率低、精度低2．磨齿休整砂轮外圆成齿间状。精度低，应用少。 （二）展成法加工：利用齿间啮合运动，把其中一个齿轮制成刀具 1．插齿 ①运动合成 ②加工特点精度高：IT6，Ra1.6生产率比铣齿高2．滚齿特点①精度高：IT8~IT7，Ra3.2~1.6②生产率比插齿高③应用广3．剃齿和磨齿：齿轮的精加工（1）剃齿 （2）磨齿用于淬硬齿轮的加工§7典型零件的加工工艺过程一.机械加工工艺规程的制定 1.毛坯的选择 2.选择定位基准 3.工艺路线的拟定 4.形成工艺卡片二.典型零件的加工工艺过程实例 1.轴类零件加工 工艺路线：锻造→正火→粗车→调质→精车→ 表面淬火及低温回火→磨削2.箱体零件加工工艺路线：铸造→退火→粗铣→调质→精加工→ 表面淬火及低温回火→磨削第三章机械制造自动化概论一．刚性自动化 特点:适于生产大批量生产形状简单、精度较低的小型零件。 1.自动机床 2.自动生产线二.柔性自动化 特点:适于生产小批量、多品种的零件1.数控机床NC（及加工中心） 2.计算机数控CNC 3.柔性制造系统FMS三．计算机集成制造系统CIMS特点:具有集成化、自动化、模块化及柔性化1.管理信息系统MIS2.技术信息系统TISCAD/CAM/CAPP3.制造自动化系统MAS4.质量保证系统CAQ5.支撑系统：通讯网络系统和数据库系统