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机械制造基础

日期:2014-10-26 12:51  来源:  作者:

  

  第一章金属材料

  第一节金属材料的力学性能

  一、教学目的:

  通过本节的学习使同学们理解金属材料的几项重要的力学性能指标,如强度、硬度、冲击韧性和疲劳轻度等,为后续机械零件的设计和选材提供必备的力学性能依据。

  二、教学重点:

      了解掌握金属的力学性能包括:强度、刚度与塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等内容。

  三、教学难点:

       金属的强度与塑性

  四、教学方法:

   讲授法

  五、教学过程设计:

  材料的性能:

  使用性能:物理性能、化学性能、力学性能(机械性能)。

  工艺性能:热处理性能、铸造性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能。

  力学性能的定义:材料在外力作用下,表现出(静载荷、动载荷、交变载荷)的性能。

  一、 强度与塑性

  概念:静载荷、应力

  试验:拉伸实验 试样-低碳钢、L0=5d0、L0=10d0  GB(6397-86)

  要求同学们实验指导书(图书馆查资料,锻炼学生的自学能力)。

  分析:(从中导出材料的强度和塑性)

  P:Fe、ΔLe。S:FS、ΔLs。 S'→Fs'、 ΔLs→ΔLs'。 b→ΔLb、F→Fb。………              

  

  

  (1)F=0、ΔL=0

  (2)F≤Fe 、ΔLo~e≤ΔLe

  Fo~e=ΔLo~e×tgα=ΔLo~e×K

  O~ΔLe:弹性变形阶段。

  (3)Fe<F<Fs  、 ΔLe<ΔL<ΔLs

  Fe~s≠ΔLe~s×tgα

  ΔLe~ΔLs 塑性变形阶段(永久变形)(微量塑性变形)。

  (4)F=Fs> Fs' 、  ΔL=ΔLs→ΔLs'  ,S屈服点 (“屈服”现象)。

  ΔLs→ΔLs' 塑性变形阶段(屈服变形)

  (5)Fs'<F<Fb  、  ΔLs'<ΔL<ΔLb

  ΔLs'~ΔLb塑性变形阶段(大量塑性变形阶段)

  (6)F=Fb  、 ΔL=ΔLb  , Fb最大载荷 、b缩颈点。

  (7)Fk<F<Fb 、 ΔLb<ΔL<ΔLk  , 塑性变形(“缩颈”现象)。

  (8)F=Fk    断开。

  1.强度:

  定义:塑性变形、断裂的能力。

  衡量指标:屈服强度、抗拉强度。

  (1) 屈服点:

  定义:发生屈服现象时的应力。

  公式:σs=Fs/Ao  (MPa)

  Fs-材料发生屈服现象时的力。

  So-材料的原始横截面面积。

  条件屈服强度规定:σr0.2=F0.2/Ao  (无明显的屈服现象的材料)

  应用:汽缸盖和汽缸体之间的密封性(螺栓联接)超过螺栓材料本身的屈服强度。

  (2)抗拉强度:

  定义:最大应力值。

  公式:σb=Fb/Ao

  Fb-最大的载荷。

  So-材料的原始截面面积。

  应用:汽缸的密封、钢绳吊重物、机车的牵引等。

  σs/σb 屈强比:越小,可靠性越高;越大,可靠性越低。

  2.塑性:

  定义:发生塑性变形,不破坏的能力。

  衡量指标:伸长率、断面收缩率。

  (1)伸长率:

  定义:

  公式:δ=(L1-L0)/L0 ×100%

  L1-拉断后的长度。

  L0-原来的试样长度。

  注意:长、短试样测出的δ值不相等(比较大小,要同样的试样)。

  L0=5d0                 δ5

  L0=10d0          δ10=δ

  δ5>5% -塑性材料、δ5<5%-脆性材料。

  45:δ5≈18.7%   δ1<δ5

  (2)断面收缩率:

  定义:

  公式:Ψ=(A0-A1)/A0×100%

  S0-原截面面积。

  S1-断口处断面面积。

  Ψ5         Ψ10

  Ψ值越大,塑性越好。

  总结:δ Ψ越大,塑性越好,越易变形但不会断裂。

  二、 硬度

  硬度:

  定义:抵抗更硬物体压入的能力。

  衡量:布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

  1.布氏硬度:HB

  试验:GB84。一定直径的钢球HBS(硬质合金HBW),规定的载荷及时间后。              

  HB=F/S  (N/mm2)    <650

  举例:钢球直径:10mm,载荷:30KN(F=30D2),时间:规定10(s)。

  材料:压痕直径:d0=3.92mm   查表: HBS=239

   (1)应用范围:铸铁、有色金属、非金属材料。

  (2)优缺点: 精确、方便、材料限制、非成品检验和薄片。

  2.洛氏硬度:HR、(HRA、HRB、HRC)

  试验:GB83。一定锥形的金刚石(淬火钢球),在规定载荷和时间后,测出的压痕深度差即硬度的大小(表盘表示)。

  HRA、HRB、HRC。一般通常习惯用HRC(无单位)。

  (1)应用范围:钢及合金钢。

  (2)优缺点:测成品、薄的工件,无材料限制,但不精确。

  3.维氏硬度:

  试验:GB83。一定锥形的金刚石,在规定的载荷、时间后。

  HV=F/S

  (1)应用范围:测薄片和镀层。

  (2)优缺点:数值精确,但操作麻烦。

  4.肖氏硬度HS、锉氏硬度、显微硬度HM

  总结:数值越大,硬度越高。但相互之间不能比较,必须查表为同单位才行。              

  

  三、 韧性

  概念:动载荷、“梅氏”试样(金属夏比试验)。

  冲击韧度:

  定义:抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

  衡量指标:αk=Ak/A (J/cm2)

  αk-一次性冲击试验的标准。

  多次冲击:Ak↓→σs、 σb。 Ak↑→Ψ、δ

  αk和温度有关:温度越低,αk越小。(低温易冲断)脆性临界转变温度。

       四、 疲劳强度

  概念:交变载荷、疲劳现象

  试验:疲劳实验法。

  衡量指标:疲劳强度σ-1

  钢:107、有色金属:108。σmax=σ-1

  第一章金属材料

  第二节掌握金属材料的特点及选用

  一、教学目的:

  通过本节的学习使同学们掌握常用钢的分类及性质,理解铸铁的种类及特性,了解其他常用的非铁合金的种类及用途

  二、教学重点:

      常用金属的分类及各金属的性能特点。

  三、教学难点:

       钢材料的分类

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  一、钢的分类

  碳钢的分类、编号和用途:

  分类:

  ①低碳钢:<0.25%C           ①亚共析钢: 0.008~0.77%C。

  ②中碳钢:0.25%≤C<0.60%    ②共析钢:      0.77%C。

  ③高碳钢:0.60%<C≤1.4%    ③过共析钢:0.77~2.11%C。

  质量:

  ①普通碳素钢:S≤0.05%、P≤0.045%。

  ②优质碳素钢:S≤0.04%、P≤0.04%。(和国际不接轨)

  ③高级优质碳素钢:S≤0.03%、P≤0.035%。

  用途:

  ①碳素结构钢:

  ②碳素工具钢:

  冶炼:

  ①平炉钢(逐渐淘汰)  ②转炉钢(使用)   ③电弧炉钢。

  酸碱性:

  ①酸性钢  ②碱性钢   ③中性钢。

  钢的分类:碳素钢和合金钢。

  二、碳素钢:

  钢中杂质含量对其性能的影响

  1.锰Mn:0.25~0.8%Mn,有益元素,脱氧剂。提高钢的强度和硬度,特别是降低钢的的脆性。

  2.硅Si:<0.4%Si,有益元素,脱氧剂。提高钢的强度。

  3.硫S:<0.050%,有害元素,热脆(红脆性)。(FeS+Fe)为共晶体,985℃为液体。

  硫的含量越高,热脆性越严重。

  4.磷P:<0.0045%,有害元素,冷脆。使钢常温下其塑性和韧性急剧下降,脆性转变温度升高,在低温时,这种现象更加严重。

  5.氢H:<0.0001%,有害元素,氢脆,白点。过多的氢分子会导致钢的开裂。

  总之,杂质元素对钢材的性能与质量影响很大,必须严格控制在所规定的范围内。

  碳素钢分如下三类:

  (1)普通碳素结构钢:

  新:Q235A(F、b、Z)、σs≥235MPa。

  旧:甲类钢:A1、A2、A3、………A7满足机械性能要求的。

      乙类钢:B1、B2、B3、……….B7满足化学性能要求的。

      特类钢:C2、C3、……..C5满足机械和化学性能要求的。

  通常用于制造型材、螺钉、铁钉、铁丝、建筑材料等。

  (2)优质碳素结构钢:

    普通含锰量钢:0.25~0.8%Mn。

    较高含锰量钢:0.70~1.20%Mn。

  举例:45:      0.45%C左右、  0.50~0.80%Mn左右。

       45Mn :   0.45%C左右、  0.70~1.00%Mn左右。

  常用于齿轮、主轴、连杆→45。

  弹簧、板簧、发条→65、65Mn。

  (3).碳素工具钢:

    优质碳素工具钢:T+数字。

   高级优质碳素工具钢:T+数字+A。

  举例:T7、T8、T9、……….T14。含义:0.7%、0.80%、0.9%…….1.4%              

  T7A、T8A、T9A、……….T14A。主要用于剪刀、斧头、锯子、锉刀等。

  

  三、合金钢:

  钢:非合金钢、低合金钢、合金钢。

  合金钢:低合金钢、合金钢。

  碳钢在200℃时,机械性能剧烈下降,而合金钢在650℃时,其机械性能才略为下降。

  质量:优质钢、高级优质钢(A)、特级优质钢(E)。

  1.合金结构钢

  起首两位数字表示平均含碳量的万分之几,其后的符号表示所含的主要元素;若元素含量<1.5%,不标数,元素含量≥1.5%,其后的数表示其百分含量。最后标“A”则称为高级优质合金结构钢(滚动轴承钢除外)。

  例:12CrNi3:0.12%C、Cr<1.5%、3%Ni

  20CrMnTi:0.20%C、Cr、Mn、Ti<1.5%

  15Cr、20Mn2B、55Si2MnA

  2.合金工具钢

  当含碳量≥1.0%时,不标含碳量数当含碳量<1.0%时,起首数表示含碳量的千分之几。合金元素同上。

  例:9Mn2V:0.9%C、2%Mn、V<1.5%

  CrWMn:C≥1.0%、Cr、W、Mn<1.5%。

  W18Cr4V、W12Cr4V4Mo、9SiCr。

  3.特殊性能钢

  起首数表示含碳量的千分之几,若起首为“0”,则表示含碳量<0.10%;若起首数为“00”,则表示含碳量为≤0.03%,合金元素同上。

  例:9Cr18: 0.9%C、18%Cr。

  1Cr18Ni9Ti:0.1%C、18%Cr、9%Ni、Ti<1.5%。

  0Cr17Mn13Mo2V:C<0.1%、17%Cr、13%Mn、2%Mo、N<1.5%              

  0Cr18Ni9Ti、1Cr13、1Cr28、0Cr17Ti。

  选择材料的一般原则如下:

  1.应能满足零件的工作要求:安全第一。

  2.应能满足工艺性能要求:质量第一。

  3.必须重视材料的经济性:效率第一。(以铁代钢,以铸代锻)

  本章小结

      本课题主要研究金属材料的力学性能及常用金属材料的类别、特点和应用场合。通过学习使同学们理解金属材料的硬度、强度、冲击韧性和疲劳强度等力学性能,掌握常见金属材料的特性及适用场合,为机械设计制造及选材提供理论依据。

  第二章金属的热处理

  第一节理解金属及合金的晶体结构与结晶

  一、教学目的:

  通过本节的学习使学生们理解金属的结晶过程,了解金属的同素异构转变,理解合金在固态时的三种结构。

  二、教学重点:

      金属的结晶,金属的同素异构转变和合金的结构。

  三、教学难点:

       钢材料的分类

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  复习旧课:材料的力学性能。

   一、金属的结晶

  结晶:液态金属凝结成固态金属的现象。

  概念:理论结晶温度-金属在无限缓冷冷却下结晶得到的结晶温度To。 (计算出来的)              

  实际结晶温度-金属以实际冷却速度冷却结晶得到的结晶温度Tn。(实际测量出来的)(平时浇注的温度)

  一、金属结晶的过冷现象:

  过冷现象:

  金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度,Tn<To。

  过冷度:To=Tn=?T(变量)。

  冷却速度越大,过冷度越大。

  金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度,Tn<To。

  过冷度:To=Tn=?T(变量)。

  冷却速度越大,过冷度越大。

  金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度,Tn<To。

  过冷度:To=Tn=?T(变量)。

  冷却速度越大,过冷度越大。

  1.在ab段:金属均呈现液体,

  2.在bc段:液体中某些原子结成晶核(自发晶核)(晶坯)晶核不断长大形成枝晶直到晶粒。

  3.在cd段:每一个晶核形成一个晶粒,从而形成含有多晶体的金属固体。

  概念: 晶粒、  晶界。

  晶核-枝晶-晶粒-多晶体。

  晶核-枝晶-晶粒

  晶界;晶粒。晶粒越多,晶界也越多,则晶粒移动所受的阻力越大,宏观来看,材料越不容易发生变形,即材料的硬度越高,强度越好。

  总结:晶粒越小,则材料的力学性能越好。

  采用的主要途径是:

  晶核数目越多-晶粒越多-晶粒越细小,从而提高材料的力学性能。

  (1)提高过冷度: (>107℃/s 非晶态金属)

  实验测出:冷却速度越大,生核速率越大>长大速率。

  (2)变质处理(孕育处理):在液态金属中,加入一些细小的金属粉末(变质剂)

  (孕育剂)形成非自发晶核,使晶核数目增多,晶粒变细小。

  (3)机械振动:使枝晶破碎成为几个晶核,使晶核数目增多(超生波振动等)。

  二、纯金属的晶体结构

  概念:原子球、结点、晶格、晶胞、晶格常数(a、b、c、α、β、γ)

  致密度:晶胞中原子占有的体积与晶胞体积之比。

  纯金属的晶格类型:

  1.体心立方晶胞

  例如:纯铁(α-Fe)912℃↓、W、Mo、V、Cr(β-Ti)882℃↑              

  立方体: a=b=c ; α=β=γ=90o

  原子数:8×1/8+1=2

  致密度:0.68

  原子的晶格结构不同,则性能不同,即使原子的晶格结构相同,但由于原子的质量不同,性能也不同。

  2.面心立方晶格

  立方体 a=b=c  α=β=γ=90o

  原子数:8×1/8+6×1/2=4

  致密度:0.74

  举例:铜:a=b=c=3.608×108、铜原子M=63.54×1.67×10-24g

  铜原子的直径:D=2.5505?,计算铜的密度?

  纯铁(γ-Fe)912~1394℃、Al、Cu、Ag、Mn等。

  三、纯铁的同素异晶转变(举列钻石和石墨)

  纯铁:α-Fe→(912℃)γ-Fe(1394℃)→δ-Fe(1538℃)→L

        二次结晶或重结晶。

  

  第二章金属的热处理

  第二节理解铁碳合金相图

  一、教学目的:

  1.熟悉简化的Fe-Fe3C状态图、分析:特性点、线和区域组织。

  2.熟悉典型成分铁碳合金的结晶过程分析及其在室温下的组织。

  二、教学重点:

      掌握铁碳合金状态图。

  三、教学难点:

       掌握铁碳合金状态图。

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  复习旧课:铁碳合金组织及其力学性能。


       一、铁碳合金状态图的建立

       (1)配制不同成分的铁碳合金,用热分析法测定各合金的冷却曲线。

       (2)从各冷却曲线上找出临界点,并将各临界点分别画到成分-温度坐标中。

       (3)将意义相同的临界点连接起来。

  二、Fe-Fe3C合金状态图的分析:

  1.点(特性点):

  A  1538℃   100%Fe的熔点  ;   D  1227℃   100%Fe3C的熔点;

  G  912℃    100%Fe的同素异晶转变点(重结晶温度点);

  C  1148℃   4.3%C 共晶点L→Ld(A+C) 共晶反应;

  F  1148℃   6.69%C 虚点   ;    P   727℃   100%Fe虚点;

  K  727℃    6.69%C虚点、E  1148℃  2.11%C  碳在γ-Fe中的最大固溶量;

  S  727℃   0.77%C 碳在γ-Fe中的最小固溶量,共析点A→P 共析反应。              

  2.线(特性线):

  (1)AC线:液相线 开始结晶出奥氏体:L→L+A。DC线:液相线 开始结晶出渗碳体:L→L+C。

  (2)AE线:固相线 奥氏体结晶终了线:L+A→A。ECF线:固相线(共晶线):共晶反应 L→Ld。

  (3)GS线-A3线:从奥氏体中开始析出铁素体线。

  (4)ES线—Acm线:从奥氏体中开始析出渗碳体线(碳在奥氏体中的固溶线)。

  (5)PSK线-A1线:共析线; 共析反应 A→P(F+C)共晶体。

  (6)PQ线-碳在铁素体中的溶解度曲线。这种由铁素体中析出的渗碳体为三次渗碳体。

  3.分类:

  含碳量分类:

    工业纯铁:C≤0.0218%C

    钢:0.0218%<C≤2.11%

    白口铁:2.11%<C<6.69%

  钢分类:

    共析钢:0.77%  P

    亚共析钢: C<0.77% P+F

    过共析钢: C>0.77% P+C

  共晶白口铁分类:

    共晶白口铁:4.3%C   Ld′

    亚共晶白口铁:C<4.3%C  Ld′+P+C

  过共晶白口铁:C>4.3%C  Ld′+C

  

  三、钢在结晶过程中的组织转变

  实验:热分析法-(C:0-6.69%)实用价值。

  1.共析钢:

  0.77%C:L→L+A→A→P

  分析:在727℃发生共析反应,A中含碳多少?P中含碳多少?

  (727℃:F=88.78%、C=11.22%)

  2.亚共析钢:

  0.5%C:L→L+A→A→A+F→P+F

  分析:①A→A+F 在→点以上A中含碳多少?随着温度降低,A中含碳是              逐渐增加还是减少?

  ②A+F→P+F 在冷却到→点时,A中含碳增加到0.77%C,发生共析反应               A→P,727℃时,P、F各占百分多少?

  727℃: F=35.34%、P=64.66%。20℃:F=92.64%、C=7.36%。

  3.过共析钢:

  1.0%C:L→L+A→A→A+C→P+C   (P=96.1%、C=3.9%)

  分析:①A→A+C 在→点以上,A中含碳多少?C中含碳多少?在→点以下,随着温度降低,A中含碳逐渐增加还是减少?

  ②A+C→P+C 当冷却到→时,A中含碳逐渐减少到0.77%C,发生共析反应

  A→P,727℃,P、C相对含量是多少?

  Ⅵ.亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁请学生自行分析。

  铁碳合金的组织和性能:

  工业纯铁:F 塑性好。

  亚共析钢:F+P 取决于F、P的含量。

  共析钢:P 强度高。

  过共析钢:P+C 取决于P、C的含量(C为网状的二次渗碳体,脆、不合格)。

  亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁自行分析。

  

  

  4.Fe-Fe3C状态图的应用。

  正确选材:

  ①.C≤0.25%,低碳钢:塑性好,韧性好。

  ②0.25%<C<0.60%,中碳钢:综合机械性能好。

  ③.0.60%≤C≤1.4%,高碳钢:硬度高,耐磨性好。

  制定工艺性能:

  ①铸造方面:

  共晶成分的铁碳合金铸造时,组织致密,不易偏析。

  ②锻造方面:

  钢加热到固相线AE以下200℃及A3线上170℃之间,利用奥氏体塑性好。

  ③焊接方面:

  ④热处理方面:

  第二章金属的热处理

  第三节掌握钢的热处理工艺

  一、教学目的:

  1.掌握退火的目的、种类、方法及应用。

  2.掌握正火的目的、方法及应用。

  二、教学重点:

      正火和退火的应用

  三、教学难点:

       正火和退火的应用

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  

  

  复习旧课:碳素钢的分类和牌号及其应用。

  第四章 钢的热处理

  现代工业生产中,为了不断提高金属下材料的机械性能,采用两种方法:

  ①合金化法-碳钢中加入合金元素(调整钢的化学成分)。

  ②热处理法-碳钢进行工艺处理(调整钢的组织)。

  热处理:钢在固态范围内,通过加热、保温、冷却,改变金属材料的内部组织,改变材料的力学性能。

  一个条件,三个过程:Sold hot-keep-cold。

  分类:

          普通热处理:退火、正火、淬火、回火。

  热处理                 表面淬火:火焰加热和感应加热法。

          表面热处理  

                        化学热处理:渗碳、渗氮、二元、多元共渗。

  ?【第一节:热处理的基本原理】(教课书省略)

  一、钢的加热和保温时的组织转变:

  绝大多数的热处理均是把钢加热到使其转变为奥氏体组织且尽量保持细小的晶粒。

  1.钢在加热(冷却)时组织转变的温度。

  AC1-加热时,珠光体转变为奥氏体的温度。

  Ar1-冷却时,奥氏体转变为珠光体的温度。

  

  

  AC3-加热时,铁素体转变为奥氏体。

  Ar3-冷却时,奥氏体转变为铁素体的开始温度。

  ACCm-加热时,二次渗碳体在奥氏体中的溶解的终了温度。

  ArCm-冷却时,二次渗碳体从奥氏体中析出的终了温度。

  钢号: 10   25   30   50   T10   T12

  AC1: 727  735  732  727   730    730

  AC3: 876  840  813  774

  Ar3: 850  824  796  755

  Ar1: 710  710  714  718   718    713

  ACCm:                    800     820

  加热、冷却时的理想温度:A1、A3、ACm

  实际加热温度:         AC1、AC3、ACCm  (0~+20℃)

  实际冷却温度:         Ar1、Ar3、ArCm   (0~-20℃)

  2.钢加热时的变化:

  以共析钢为例:

  ①加热到AC1以下时,依然是P;

  ②加热到AC1时,A晶核产生;

  ③继续加热,A晶核长大,F→A、C溶解;

  ④残余C溶解;

  ⑤均匀化。

  亚共析钢、过共析钢分析:

 

  

  根据组织分成三个转变区:

  1.高温转变区(珠光体转变区):A1~550℃, P。

  A1~650℃, A′→P粗、HRC15~22、δ=20%、σb=550MPa。

  650~600℃, A′→P细(索氏体S)、HRC22~27、δ=18%、σb=870MPa。

  

  

  600~550℃, A′→P极细(托氏体T)、HRC27~43、δ=18%、σb=1100MPa。

  2.高温转变区(贝氏体转变区):550~Ms,A→A′→B=C粒+F。

  550~350℃, A′→B上(羽毛状)=C粒+F条状,HRC40~45。

  350~Ms,A′→B下(竹叶状)=C粒+F针,HRC45~55。

  3.低温转变区(马氏体转变区):Ms~Mf ,A→A′→M+A′残。

  M:C→α-Fe(过饱和地溶解),HRC65~66,硬度很高。

  特点:①Ms~Mf范围 ;

  ②内应力很大;

  ③A′不能100%转变为M。

  三、钢的冷却曲线应用:

    等温冷却:定性

    连续冷却:定量

  炉冷:10℃/min、空冷:10℃/s、油冷:150℃/s、水冷:600℃/s。              

         P             S+P         S+T+M        M+A′残              

  临界冷却速度Vk=V临。】

  补充内容:

  影响C曲线的因素:

  ①含碳量:C<0.77% C%↑C曲线右移。C>0.77% C%↑C曲线左移。              

  ②合金元素:除Co外所有的合金元素均使C曲线右移。

  ③加热温度:温度越高,C曲线右移。

   保温时间:时间越长,C曲线右移。

  

  

  第三章金属的热加工基础

  第一节理解铸造的基本原理、方式及种类

  一、教学目的:

  1.了解铸造的工艺。

  2.了解合理地控制铸件的凝固,从而防止缺陷。

  二、教学重点:

      铸造工艺基础

  三、教学难点:

       铸造工艺基础

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  复习旧课:表面热处理的特点及其应用。

  液态合金填充铸型的过程,简称充型。

  影响充型能力的主要因素如下:

  一、合金的流动性

  流动性:4.3%C、高温、P、铸型特点。

  • 浇注条件

  1. 浇注温度

  在保证充型能力足够的前提下,浇注温度不易太高。

  1. 充型压力

  液态合金所受的压力越大,充型能力越好

  三、铸型填充条件

  如下因素对充型能力均有影响:

  1. 铸型材料:导热系数和比热容越大,激冷越大,充型能力越差。

  2. 铸型温度:

  3. 铸型中的气体:开设出气口,增加透气性。

  

  四、铸件的凝固方式

  1. 逐层凝固:

  2. 糊状凝固:

  3. 中间凝固:大多数的凝固均是这样。

  五、铸造合金的收缩

  合金的收缩经历三阶段:

  1. 液态收缩

  2. 凝固收缩

  3. 固态收缩

  收缩率与化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。铸铁的最好。

  六、铸件中的缩孔与缩松

  1. 缩孔与缩松的形成

  1. 缩孔 它是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。

  2. 缩松 分散在铸件某区域内的细小缩孔。

  1. 缩孔和疏松的防止

  1. 定向凝固:设置冒口。

  2. 安放冷铁。

  铸造内应力、变形和裂纹

  一、内应力的形成

  1.热应力

  减少热应力的基本途径是尽量减少各个部位间的温度差,使其均匀地冷却。

  1. 机械应力

  它是合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。

  二、铸件的变形与防止

  具有残余内应力的铸件是不稳定的,它将自发地通过变形来减缓其内应力,以便趋于稳定状态。

  防止铸件变形的措施:

  使铸件壁厚均匀、形状对称,采用同时凝固和反变形。

  也可采用时效处理:自然时效和人工时效。

  一、铸件的裂纹与防止

  当铸造内应力超过金属的强度极限时,便会产生裂纹。

  两种:

  1. 热烈:

  是高温下形成的裂纹。

  影响因素:

  1. 合金性质。

  2. 铸型阻力。

  1. 冷裂:

  是低温下形成的裂纹。

  二、合金性质和含磷量。

  

  

  第三章金属的热加工基础

  第二节锻压的基本原理、内容及种类

  一、教学目的:

  1.熟悉金属锻件的特点、分类及其应用。

  2.了解金属的塑性变形,塑性变形对金属组织和性能的影响,冷变形金属在加热时组织和性能的变化,热变形对金属组织和性能的影响,金属的锻造性。

  3.了解锻造温度范围、锻件的冷却。

  4.★了解自由锻的特点,设备,基本工序(镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、错移、扭转)及其应用。

  5.熟悉自由锻造工艺设计:绘制锻件图,坯料质量及其尺寸计算。拟定锻造工序,选定锻造设备吨位,确定加热、冷却及其热处理规范,编制锻件工序卡片。能绘制简单锻件图。

  6.了解模锻及其胎模锻简介。

  二、教学重点:

  金属的塑性变形对金属组织和性能的影响

  三、教学难点:

       金属的塑性变形对金属组织和性能的影响

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  金属压力加工

  

  压力加工的特点:经过压力加工过的金属材料,具有细晶粒结构;能使粗大枝晶和各种夹杂物都沿着金属流动的方向被拉长,呈现出纤维组织;并使铸造时内部缺陷(如微裂纹、气孔、疏松等)得以压合,因而提高了金属的力学性能。很多承受重载荷的、受力复杂的零件都使用锻件。另外,锻件还具有适用范围广,使用模型锻造有较高的生产率、节省材料的特点。与焊接和铸造等方法相比,使用较广的自由锻造所获得的产品形状比较简单,若要生产外形和内腔复杂的零件较为困难,甚至是不可能的。

  金属塑性变形的实质

       塑性变形:当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点之后,既使外力停止作用,金属的变形也不消失。

      金属的塑性变形的实质是晶体内部产生滑移的结果。在切向应力的作用下,晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑移(该面称滑移面),从而造成晶体的塑性变形。

   塑性变形对金属组织和性能的影响

      金属的变形:

  弹性变形、塑性变形、颈缩变形。

  弹性变形:去除外力作用时,能恢复原形。

  塑性变形:去除外力作用时,不能恢复原形。

  颈缩变形:材料趋向接近断裂。

  加工硬化:随变形程度的增大,强度和硬度上升而塑性下降的现象。

  原理:压力加工就是利用材料的塑性变形,即使晶体中晶粒相对于另一个晶粒发生滑移或错位,达到所要求的变形程度。

  冷变形:在再结晶温度以下的变形。

  热变形:在再结晶温度以上的变形。

                   T再=0.4T熔

  例:纯铁:t熔=1538℃、   45:t熔=1450℃。

      纯铝:t熔=660℃ 、   Cu:t熔=1083℃。

            T熔=t熔+273℃    (绝对温标)

  

  加工硬化:塑性变形程度越高,强度和硬度就升高。

  消除方法:再结晶退火。

  属的锻造性

  

           金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质制品难以程度的工艺程度。

       一.金属的本质

  1.化学成分的影响:含碳量;杂质含量等。

  2.金属组织的影响:奥氏体;铁素体等组织。

  二、加工条件

  1.变形温度的影响

  锻造温度:

  碳钢:  800℃~(AE-200℃)。

  合金钢:830℃~(AE-150℃)。

  温度过低:导致锻件破裂报废。

  温度过高:将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷。

  2.变形速度的影响:一般情况下可忽略不计。

  3.应力状态的影响:压应力较拉应力为易。

  锻造方法

  一、自由锻

  1. 自由锻工序

  1. 基本工序

  镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移。

  1. 辅助工序

  1. 锻件分类及基本工序方案

  二、模锻

  1. 锤上模锻

  1. 模锻模膛

  2. 制坯模膛

  1. 曲柄压力机上模锻

  2. 摩擦压力机上模锻

  3. 胎模锻

  锻造工艺规程的制订

  一、绘制锻件图

  二、坯料重量和尺寸的确定

  三、锻造工序的确定

  四、锻造工艺规程中的其它内容

  锻件结构的工艺性

  一、自由锻件的结构工艺性

  二、模锻件的结构工艺性

  板料冲压

  板料冲压是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。

  特点:

    1. 可以冲出形状复杂的零件,且废料较少。

    2. 产品具有较高的精度和较低的表面粗糙度,冲压件的互换性较好。

    3. 能获得重量轻、材料消耗少、强度和刚度都较高的零件。

    4. 冲压操作简单,工艺过程便于机械化。

  第三章金属的热加工基础

  第三节理解焊接的基本原理、过程及种类

  一、教学目的:

  1.熟悉焊接的特点、分类及其应用。

  2.了解焊接电流,电焊机和构造,电焊条,手弧焊工艺

  二、教学重点:

  金属的焊接

  三、教学难点:

   金属的焊接

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  焊接:用加热或加压的方法,通过材料的原子扩散,使其连接成一个整体的工艺过程。

  切割:使材料切断、割离的工艺过程。

  焊接分三类:①熔化焊:熔化金属从而使接头连接起来。

  ②压力焊:金属焊件受压使接头连接起来。

  ③钎焊:熔化钎料使焊件接头连接起来。

  特点:①省料省时。

  ②拼小成大。

  ③技术高。

  ④能制双层金属。

  

  手工电弧焊

  工作原理:

  焊接电弧

  电路短路-电弧-放电-热量Q(2000~8000℃)

  工作区域:阳极、弧祝区、阴极区 (直流电)

  阳极区:42~43%Q;

  弧柱区:20~38%Q、6000~8000℃;

  阴极区:36~38%Q  2400~3200℃。

  阳极接焊件、阴极接焊条-正接法(厚焊件)。

  阳极接焊条、阴极接焊件-负接法(薄焊件)。

  电焊机(弧焊机)

  直流弧焊机:焊逢质量好。交流弧焊机:价格较低。

  焊接接头的组织与性能

  一、焊接工件上温度的变化与分布

  二、焊接接头的组织和性能

  1.焊缝

  2.焊接热影响区

  (1)熔合区

  (2)过热区

  (3)正火区

  (4)部分相变区

  焊接应力与变形

  焊条电弧焊

  一、焊条电弧焊的焊接过程

      二、电焊条

  1.焊条芯:导电、填充焊缝。

  2.药皮:稳定电弧、隔绝空气、排除渣子。

  焊芯组成:C≤0.1%、Si≤0.03%、S<0.04%、P<0.03%。

  药皮组成:稳弧剂(K2CO3、Na2CO3)+造气剂(淀粉)+造渣剂(萤石)+脱氧剂(Mn、Fe)+粘结剂(W、Fe)+合金剂(水玻璃)。

  3.焊条的种类、型号和牌号

  十种分类:

  结构钢焊条J、钼和铬钼耐热钢焊条R、低温钢焊条D、不锈钢焊条G、A、特殊用途焊条W、堆焊焊条B、铸铁焊条Z、镍及镍合金焊条N、铜及铜合金焊条T、铝及铝合金焊条L。

  4.焊条的选用原则

  埋弧焊

  一、埋弧焊的焊接过程

  二、埋弧焊的特点

  (1)生产率高

  (2)焊接质量高而且稳定

  (3)节省金属材料

  (4)改善了劳动条件

  三、埋弧焊的焊丝与焊剂

  四、埋弧焊工艺

  气体保护焊

  一、氩弧焊

  1.不熔化极氩弧焊

  2.熔化极氩弧焊

  氩弧焊的特点:

  脉冲氩弧焊的特点:

  二、二氧化碳气体保护焊

  CO2气体保护焊

  等离子弧焊接与切割

  等离子弧焊接的特点:

  (1)等离子弧焊的焊接速度高,生产率高,焊逢表面光洁。

  (2)可焊接很薄的箔材。

  其它常用焊接方法

  电阻焊、磨擦焊、钎焊、电渣焊、真空电子束焊接、激光焊接

  第三章金属的热加工基础

  第四节零件毛坯的成型方法和选择原则

  一、教学目的:

  1.熟悉焊接的特点、分类及其应用。

  2.了解焊接电流,电焊机和构造,电焊条,手弧焊工艺

  二、教学重点:

  金属的焊接

  三、教学难点:

   金属的焊接

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

   毛坯生产方式的选择需要综合考虑金属材料、加工质量、经济性等多方面因素。
一、毛坯生产方式的选择原则
  通常选择毛坯类型及其加工方法时,应考虑以下原则:
  (一)满足零件的使用要求
  零件的使用要求包括对零件形状和尺寸的要求以及工作条件对零件性能的要求。
  (二)降低制造成本
  一个零件的制造成本包括其本身的材料费以及消耗的燃料和动力费用、人工费、各项设备及工具折旧费和其他辅助性费用。
  (三)考虑生产条件
  根据零件使用要求和制造成本分析所选定的毛坯制造方法,在一个特定的企业部门是否可行。
上述三条原则中,满足零件的使用要求是第一位的,一切产品必须达到质量标准,否则就会造成严重的社会浪费。
二、典型毛坯选择举例
  (一)轴类零件毛坯
  轴是机械工业中重要的基础零件之一,一切作回转运动的零件如齿轮、带轮等都要安装在轴上
  1、轴的工作条件轴主要是传递扭矩,同时还承受一定的交变、弯曲应力。轴颈处要承受较大的摩擦。另外,大多数轴都要承受一定的过载或冲击载荷
  2、轴的失效形式根据工作特点,轴的失效形式主要包括疲劳断裂、断裂失效、磨损失效、变形失效等几种。疲劳断裂是由交变载荷长期作用,造成疲劳断裂,有扭转疲劳、弯曲疲劳。断裂失效是由于大载荷或冲击载荷的作用,轴发生折断或扭断。磨损失效是由于润滑中的杂质微粒、轴瓦材料选择不当、轴装配间隙不匀等,均造成轴的磨损失效。变形失效是对于在规定弹性变形范围内工作的轴,往往由于刚度不足引起弹性变形失效,或由于强度不足而发生塑性变形失效。
  3、对轴的性能要求根据工作条件和失效形式,轴用材料应具有优良的综合力学性能,即要求有高的强度和韧性,以防变形和断裂。应具有高的疲劳强度,防止疲劳断裂。应具有良好的耐磨性在特殊条件下工作的轴,还应有特殊的性能要求。如在高温下工作的轴,则要求有高的蠕变抗力。在腐蚀性介质环境中工作的轴,则要求由耐该介质腐蚀的材料制成。
  4、材料选择总体来说,作为轴的材料,若选用高分子材料,弹性模量小,刚度不足,极易变形。若用陶瓷材料,则太脆,韧性差。因此,作为重要的轴,几乎都选用金属材料。
对轴进行选材时,必须将轴的受力情况作进一步分析。如与锻造成形的钢轴相比,球墨铸铁有良好的减振性、切削加工性及低的缺口敏感性。此外,它还有较高的力学性能,其疲劳强度与中碳钢相近,耐磨性优于表面淬火钢,经过热处理后,还可使其强度、硬度或韧性有所提高。
5、成形工艺的选择
  (1)铸造成形采用球墨铸铁铸造成形的轴如曲轴、凸轮轴等,热处理主要采用正火处理,为了提高轴的力学性能也可采用调质或正火后进行表面淬火、等温淬火等工艺。球铁轴和锻钢轴一样均可经碳氮共渗处理,使疲劳极限和耐磨性大幅度提高,和锻钢轴相比不同的是所得碳氮共渗层较浅,硬度较高。球墨铸铁制造的曲轴,一般制造工艺路线为:
铸造→正火(或正火十高温回火)→矫直→清理→粗加工→去应力退火→表面热处理→矫直→精加工。
  (2)锻造成形铸造成形的轴最大的不足之处就在于它的韧性低,在过载或受大的冲击载荷作用时,易产生脆断。因而,对于以强度为设计依据的轴,大多采用锻造成形。锻造成形的轴常用材料为中碳钢或中碳合金调质钢,这类材料锻造性能较好,锻造后配合适当的热处理,可获得良好的综合性能、高的疲劳强度以及耐磨性,从而有效地提高轴抵抗变形、断裂及磨损的能力。 根据所要设计的轴形状,结合生产设备,生产批量,对于形状较为简单的轴,可采用自由锻成形工艺,对于批量生产形状复杂的轴,则以模型锻造为主。其制造工艺路线一般为:
  下料→锻造→正火→粗加工→调质→精车→表面淬火、低温回火→磨削。
  例如某发动机涡轮轴的材料及工艺的选择

  

  

  图中有两根涡轮轴,外轴是高压涡轮轴,与第一级涡轮盘、高压压气机相连接。内轴是低压涡轮轴,与第二级涡轮盘、低压压气机相连接。轴与涡轮盘相接的一端,工作温度为350℃,其余部位接近室温。两根轴接触的介质为大气,不受燃气腐蚀。
  涡轮轴是高速旋转的零件,向压气机传递功率,承受着巨大的扭矩。涡轮轴还承受转子的重力、惯性力等作用。两根轴的结构特点是壁薄、细而长、轮间间隙小。旋转时由于承受弯矩和振动,并且还由于发动机每经过一次启动和停车,涡轮轴都要受到交变应力作用。
  该涡轮轴的失效形式可能为疲劳断裂、过量塑性变形、过量弹性变形。根据失效分析,涡轮轴应具有高的综合力学性能,同时应具有高的疲劳强度,涡轮轴材料在350℃具有较高的屈服强度,内、外轴应具有足够的刚度。
  综上所述,选用中碳合金钢,经过模锻成形毛坯。具有较高的抗疲劳性能,可在调质后获得高的综合力学性能,在振动载荷作用下,表现出很高的抗疲劳性能。内、外轴的工艺流程:
模锻→预备热处理→粗加工→最终热处理→精加工→磁力探伤→尺寸检验→发蓝。
(二)齿轮类零件
  齿轮主要是用来传递扭矩,有时也用来改变传动方向或起分度定位作用。齿轮的转速
可以相差很大,齿轮的直径可以从几毫米到几米,工作环境也有很大的差别。因此齿轮毛坯选择比较复杂。
  大多数重要齿轮由于传递扭矩,齿轮根部承受较大的交变弯曲应力。在工作过程中,齿面相互滚动或滑动,受到强烈的摩擦和磨损,表面承受较大的接触应力。由于换档、启动或啮合不良,轮齿还会受到冲击。作为齿轮的材料应具有高的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度,齿面有高的硬度和耐磨性,齿轮心部要有足够的强度和韧性。 齿轮毛坯的选用常见有下列几种情况。在一些受力不大或无润滑条件下工作的齿轮,可选用高分子材料(如尼龙、聚碳酸脂等)来制造。一些低速运转且受力不大或者在多粉尘环境下开式运转的齿轮,也可用灰铸件作毛坯,如用HT250、 HT300、HT350、 QT600-3、 QT700-2等材料通过铸造获得。
  较为重要的齿轮,一般都用钢制造。对于由于传递功率大而承受较大接触应力、运转速度高且又受较大冲击载荷的齿轮,如精密机床的主轴传动齿轮、走刀齿轮和变速箱的高速齿轮等,通常选择低碳钢或低碳合金钢,如 20Cr、20CrMnTi等经锻造成形后,渗碳、淬火处理,最终表面硬度可达56~62HRC,或调质后进行氮化处理,硬度将进一步提高。对于小功率齿轮,如机床的变速齿轮等,通常选择中碳钢,经过锻造成形,并经表面淬火和低温回火,最终表面硬度要求为45~50HRC或52~58HRC。其中硬度较低的,用于转速较低的齿轮,而硬度较高的,用于转速较高的齿轮。在单件或小批量生产条件下,直径100毫米以下的小齿轮也可以用圆钢自由锻造作毛坯。直径500毫米以上的大型齿轮,直接锻造比较困难,也可用焊接方式加工大型齿轮毛坯,或者使用锻造和焊接结合工艺。仪器仪表中的齿轮尺寸小,受力小,则可采用冲压件。参看下图常见的齿轮毛坯类型。

  

  (三)箱体类零件
  箱体类零件如床头箱、变速箱、进结箱、溜板箱、内燃机的缸体等是机器中很重要的一类零件由于箱体结构复杂,有复杂的内腔结构,重量从几公斤到数十吨不等,主要是承受静压力作用,要求足够的强度和高的刚度。所以箱体类零件几乎都是由铸造合金浇铸而成。
  对于个别受力较大、要求高强度、高韧性,甚至在高温下工作的箱体零件,如汽轮机机壳等,应选用铸钢。大多数情况下,受力不大而且主要是承受静力,不受冲击,这类箱体都选用灰铸铁。若该零件在工作时与其它件有相对运动,因为有摩擦、磨损存在,则应选用珠光体基体的灰铸铁。受力不大,要求自重轻,或要求导热好,这时可选用铸造铝合金制造,如汽车发动机的壳体。受力很小,要求自重轻,防静点干扰等,可考虑选用工程塑料制作,如电视机、一些仪表的壳体。
  受力较大,但形状简单,这时可选用型钢和钢板焊接而成,焊接结构箱体类零件的刚度和减振性较差。如风机的壳体,焊接毛坯和铸造毛坯都有应用,但是,铸造毛坯所作的壳体,由于减振性好,产生的噪音小。
  如选用铸钢,为了消除粗大晶粒组织、成分偏析及铸造应力,对铸钢应进行完全退火或正火。对铸铁件一般要进行去应力退火。对铝合金应根据成分不同,进行退火或淬火时效等处理,消除应力,细化组织。

  第四章金属的切削加工基础

  第一节切削加工的切削运动与切削要素

  一、教学目的:

  1.了解金属切削运动与切削要素。

  2.了解金属切削过程的物理现象。

  3.了解金属的切削加工性。

  二、教学重点:

  金属切削运动与切削要素

  三、教学难点:

  金属切削运动与切削要素

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量,获得符合要求的已加工表面的过程。在这个过程中将产生许多物理现象,如切削力、切削热、刀具磨损等,这些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而生产实践中出现的积屑瘤、鳞刺、振动等问题,又都同切削过程中的变形规律有关。因此,研究和掌握切削过程中的基本规律,将有利于金属切削技术的发展,对合理选择切削用量,提高生产效率,工件的加工质量和降低生产成本都有重要的意义。

  切削加工时,工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力称为切削力。切削力是金属切削过程中的主要物理现象之一,其大小直接影响切削热、刀具磨损和刀具寿命;同时切削力又是设计和使用机床、刀具及夹具的重要依据。

  

  一、零件表面的形状及切削要素

  切削运动包括主远动和进给运动

  主运动的速度最高,消耗功率最大。

  二、切削用量

  1. 切削速度V

  2. 进给量f

  3. 背吃刀量a

  三、切削层参数

  1. 切削层公称横截面积A

  2. 切削层公称宽度b

  3. 切削层公称厚度h

  第四章金属的切削加工基础

  第二节切削加工的刀具材料及刀具构造

  一、教学目的:

  熟悉刀具材料的选择,车刀主要角度、作用及其选择原则

  二、教学重点:

  熟悉刀具材料的选择,车刀主要角度、作用及其选择原则

  三、教学难点:

  熟悉刀具材料的选择,车刀主要角度、作用及其选择原则

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  一、刀具材料

  1. 对刀具材料的基本要求

  (1)较高的硬度

  (2)足够的强度和韧度

  (3)较好的耐磨性

  (4)较高的耐热性

  较好的工艺性

  1. 常用的刀具材料

  高速钢

  硬质合金

  陶瓷刀具

  1. 其它新型刀具材料简介

  1. 高速钢的改进

  2. 硬质合金的改进

  3. 人造金刚石

  4. 立方氮化硼

  二、刀具角度

  1. 车刀切削部分的组成

  1. 前刀面

  2. 后刀面

  3. 切削刃

  1. 车刀切削部分的主要角度

  1. 刀具静止参考系

  1. 基面

  2. 切削平面

  3. 正交平面

  4. 假定工作平面

  1. 车刀主要角度

  1. 主偏角

  2. 副偏角

  3. 前角

  4. 后角

  5. 刃倾角

  1. 刀具的工作角度

  三、刀具结构

  结构形式:整体式、焊接式、机夹式

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  第四章金属的切削加工基础

  第三节金属切削过程

  一、教学目的:

  1. 了解金属切削过程的物理现象。

   2. 了解金属的切削加工性。

  二、教学重点:

  金属的切削加工性。

  三、教学难点:

  金属的切削加工性。

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  一、切削形成过程及切屑种类

  1. 切屑形成过程

  2. 切屑种类

  1. 带状切屑

  2. 节状切屑

  3. 崩碎切屑

  二、积屑瘤

  1. 积屑瘤的形成

  2. 积屑瘤对切削加工的影响

  3. 积屑瘤的控制】

  三、切屑力和切削功率

  1.切削力的构成与分解

  1. 切削力Fc

  2. 进给力Ff

  3. 背向力Fp

  这三个切削分力与总切削力F有如下关系:

     F= F+F+F

  2.切削力的估算

  3.切削功率

  四、切削热和切削温度

  1.切削热的产生、传出及对加工的影响

  (1)切屑变形所产生的热量,是切削热的主要来源

  (2)切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量

  (3)工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量

  2.切削温度及其影响因素

  

  

  

  

  五、刀具磨损和刀具耐用度

  1.刀具磨损的形式与过程

  2.影响刀具磨损的因素

  3.刀具耐用度

  切削加工技术经济简析

  一、切削加工主要技术经济指标

         下面简要介绍切削加工的几个主要技术经济指标,即产品质量、生产率和经济性。

  1. 产品质量

  1. 精度

  2. 表面质量

  1. 生产率

  2. 经济性

  一、切削用量的合理选择

  1选择切削用量的一般原则

  1. 对加工质量的影响

  2. 对生产率的影响

  1. 切削用量的选择

  1. 背吃刀量的选择

  2. 进给量的选择

  3. 切削速度的选择

  二、切削液的选用

  1. 切削液的作用和种类

  常用的切削液有以下两大类:

  1. 水基切削液:主要起冷却作用,也有一定的润滑作用。

  2. 油基切削液:主要起润滑作用,也有一定的冷却作用。

  1. 切削液的选择和使用

  通常应根据加工性质、工件材料和刀具材料等来选择合适的切削液:

  粗加工时,主要要求冷却,一般应选用冷却较好的切削液,如低浓度的乳化液等。精加工时,主要希望提高表面质量和减少刀具磨损,应选用润滑作用较好的切削液。如高浓度的乳化液或切削油。

  三、材料切削加工性的改善

  1. 材料切削加工性的概念和衡量指标

  1. 一定刀具耐用度下的切削速度VT

  2. 相对加工性Kr

  3. 已加工表面质量

  4. 切屑控制或断屑的难易

  5. 切削力

  1. 改善材料切削加工性的主要途径

  通过适当的热处理和适当的调整材料的化学成分来改善。

  

  

  

  

  第五章常见加工方法与装备

  第一节车削加工与车床的基本知识

  一、教学目的:

  1.了解CA6140型卧式车床的分类、各部分功用、运动及传动系统分析。

  2.了解车床夹具简介。

  3.熟悉卧式车床应用范围及其加工特点。

  4.了解其他车床车削简介

  二、教学重点:

  车床及其加工

  三、教学难点:

  车床及其加工

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  一、车削的工艺特点

  1.易于保证工件各加工面的位置精度

  2.切削过程比较平稳

  3.适用于有色金属零件的加工

  4.刀具简单

  二、车削的应用

  加工精度可达IT8~IT7,表面粗糙度Ra值为1.6~0.8μm。

  车削加工

  普通车床的组成CA6140A

  车床的主运动-工件的旋转运动。进给运动-由刀具的直线运动来实现的。

  机床的总布局:

  1.主轴箱:支承并传动主轴。

  2.床鞍和刀架:装夹车刀,使车刀作纵向、横向、斜向运动。

  3.尾架:用于顶尖支承工件。

  4.进给箱:改变被加工螺纹的螺距或机动进给的进给量。

  5.溜板箱:使刀架实现纵向、横向、快速移动,车螺纹。

  6.床身:车床的支承。

  第二节 车床附件

  普通车床的附件:

  1.卡盘

  ①三爪卡盘:夹持形状规则的零件,具有较高的自动定心精度。

  ②四爪卡盘:夹持形状不规则零件及偏心零件。

  2.花盘:夹持形状及其不规则的零件。

  3.顶针、拨盘、鸡心夹头。

  顶针(活顶针、死顶针):定位、支承作用。

  拨盘、鸡心夹头:带动工件旋转。

  4.中心架和跟刀架:增加工件的刚度。

  

  第三节 普通车床的工艺范围

  普通车床的工艺:

  1.打中心孔;

  2.车外圆;

  3.车端面;

  4.钻孔;

  5.镗孔;

  6.铰孔;

  7.切槽、切断;

  8.车螺纹;

  9.车锥体;

  10.滚花;

  11.车特形面;

  12.盘绕弹簧。

  车刀的种类、选用

  常用车刀的类别:

  1.外圆车刀;

  2.端面车刀;

  3.螺纹车刀;

  4.切断车刀。

  车削加工的特点

  主要特点:

  1.具有较高的生产率。

  2.工艺范围相当广泛。

  目前,在卧式车床上加工外圆的经济精度为IT7~IT9级,粗糙度为              Ra=1.6~3.2μm,加工孔时分别为IT9~IT10级和 Ra=3.2~6.3μm。加工端面时分别为IT7~IT10级和 Ra=1.6~3.2μm。

  第五章常见加工方法与装备

  第二节铣削、钻削、镗削加工的基本知识

  一、教学目的:

  1.了解铣床分类、铣削应用范围及其加工特点。

  2.了解钻床分类、钻削应用范围及其加工特点。

  3.了解镗床分类、镗削应用范围及其加工特点。

  二、教学重点:

  车床及其加工

  三、教学难点:

  车床及其加工

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  一、钻削的工艺特点

  1. 容易产生“引偏):指加工时由于钻头弯曲而引起的孔径扩大、孔不圆或孔的轴线歪斜等。

  1. 预钻锥形定心坑

  2. 用钻套为钻头导向

  3. 钻头的主切削刃刃磨对称

  1. 排削困难

  2. 切削热不易传散

  二、钻削的应用

  三、扩孔和铰孔

  1. 扩孔

  2. 铰孔

  四、镗孔

  1. 单刃镗刀镗孔

  2. 多刃镗刀镗孔

  钻削和镗削加工

  钻削、镗削的主运动-刀具的旋转运动。钻削的进给运动-刀具的轴向运动。

  镗削的进给运动-刀具的轴向运动或工件的直线运动。

  钻削加工

  钻床

  深孔钻床、摇臂钻床、台式钻床。

  钻床的工艺范围:钻孔、扩孔、铰孔

  麻花钻,钻孔

  钻头:标准刀具 经济精度一般在IT10以下,Ra=6.3~25μm。

  钻孔:D≤100mm。钻孔直径一般不超过100mm,经济精度为IT9~10级,表面粗糙度为 Ra=3.2~6.3μm。

  扩孔:

  提高钻孔的精度和表面粗糙度。

  铰孔

  铰孔:标准刀具。  铰孔:加工的孔的精度更高。经济精度IT7~IT8,粗糙度为Ra=0.8~3.2μm,加工直径为80mm以下的孔。

  

   镗削加工

  镗床:

  卧式镗床、立式镗床、深孔镗床

  卧式镗床的加工范围:镗孔、铣端面、镗大孔。

  镗孔刀具:标准刀具

  镗孔工艺:注意镗杆的刚

  镗削加工的特点:较好的保证孔之间的加工精度。

  铣削的工艺特点及其应用

  • 铣削的工艺特点

  1. 生产率较高

  2. 容易产生振动

  3. 刀齿散热条件较好

  二、铣削方式

  1.周铣法

  2.端铣法

  3.周铣法与端铣法的比较

  三、铣削的应用

  第六章其他加工方法

  一、教学目的:

  1.了解精密加工和特种加工

  二、教学重点:

  加工特点。

  三、教学难点:

  加工特点。

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  精整和光整加工

  • 研磨

  1. 加工原理

  分为手工研磨和机械研磨两种

  1. 研磨的特点及其应用

  其特点:

  1. 加工简单,不许复杂设备。

  2. 可以达到较高的尺寸精度、形状精度和小的表面粗糙度,但不能提高工件各表面间的位置精度。

  3. 生产率较低,加工余量不超过0.01~0.03mm。

  4. 研磨剂易于飞溅,污染环境。

  1. 珩磨

  1. 加工原理

  2. 珩磨的特点和应用

  1. 生产率较高

  2. 精度高

  3. 珩磨表面耐磨损

  4. 珩磨头结构较复杂

  1. 超级光磨

  1. 加工原理

  2. 超级光磨的特点及其应用

  1. 设备简单,操作方便

  2. 加工余量极小

  3. 生产率极高

  4. 表面质量好

  1. 抛光

  1. 加工原理

  2. 抛光特点及其应用

  特点;

  1. 方法简便和经济

  2. 容易对曲面进行加工

  3. 仅能减少表面粗糙度值而不能保持或提高原加工精度

  4. 劳动条件较差

  • 五、超精密加工概述

  1. 超精密加工的概念和分类

  2. 超精密加工的基本条件

  1. 机床设备

  2. 刀具或磨具

  3. 工件

  4. 环境

  5. 检验

  特种加工

  • 电火花加工

  1. 加工的基本原理

  2. 电火花加工机床简介

  1. 脉冲电源

  2. 间隙自动调节器

  3. 机床本体

  4. 工作液

  1. 电火花加工的特点及其应用

  二、电解加工

  1.加工的基本原理

  2.电解加工机床简介

  (1)机床本体

  (2)直流稳压电源

  (3)电解液系统

  3.电解加工的特点及其应用

  4.电解磨削简介

  三、超声加工

  1.加工的基本原理

  2.超声加工机床简介

  (1)超声发生器

  (2)超声振动系统

  (3)机床本体

  3.超声加工的特点及其应用

  四、高能束加工简介

  1.激光加工的基本原理、特点及其应用

  2.电子束加工的基本原理、特点及其应用

  3.离子束加工的基本原理、特点及其应用

  第七章 机械加工工艺过程

  一、教学目的:

  1.机械加工工艺过程中的基本概念

  2.机械加工工艺规程设计的方法与步骤

  二、教学重点:

  机械加工工艺规程设计的方法与步骤

  三、教学难点:

  机械加工工艺规程设计的方法与步骤

  四、教学方法:

      讲授法

  五、教学过程设计:

  一、工艺过程的基本概念

  1.生产过程和工艺过程

  生产过程:由原材料制成各种零件并装配成机器的全过程。其中包括原材料的运输、保管、生产准备、制造毛坯、切削加工、装配、检验及试车、油漆和包装等。

  工艺过程:在生产过程中,直接改变生产对象的形状、尺寸、表面质量、性质及相对位置等,使其成为成品或半成品的过程。如毛坯的制造(包括铸造工艺、锻压工艺、焊接工艺等)、机械加工、热处理和装配等。工艺过程是生产过程的核心组成部分。

  机械加工工艺过程:采用机械加工的方法按一定顺序直接改变毛坯的形状、尺寸及表面质量,使其成为合格零件的工艺过程。它是生产过程的重要内容。

  2.机械加工工艺过程的组成

  零件的机械加工工艺过程由许多工序组合而成,每个工序又可分为若干个安装、工位、工步和走刀。

  1. 工序  工序是机械加工工艺过程的基本单元,是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地,对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。

  工作地、工人、工 件与连续作业构成了工序的四个要素,若其中任一要素发生变更,则构成了另一道工序。

  一个工艺过程需要包括哪些工序,是由被加工零件的结构复杂程度、加工精度要求及生产类型所决定的。如图1-36所示的阶梯轴,因不同的生产批量,就有不同的工艺过程及工序,如表1-4与表1-5所列。

  

  图1-36  阶梯轴

  表1-4  单件生产阶梯轴的工艺过程       表1-5  大批量生产阶梯轴的工艺过程

  

  (2)安装  工件每经一次装夹后所完成的那部分工序

  在一道工序中,工件在加工位置上至少要装夹一次,但有的工件也可能会装夹几次。如表1-5中的第2、3及5工序,须调头经过两次安装才能完成其工序的全部内容。

  应尽可能减少装夹次数,多一次装夹就多一次安装误差,又增加了装卸辅助时间。

  (3)工位  工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序

  为减少装夹次数,常采用多工位夹具或多轴(多工位)机床,使工件在一次安装中 先后经过若干个不同位置顺次进行加工。

  (4)工步  工步是加工表面、切削刀具和切削用量(仅指主轴转速和进给量)都不变的情况下 所完成的那一部分工艺过程。

  变化其中的一个就是另一个工步。

  如图1-37所示车削阶梯轴Ф85 mm外圆面为第一工步,车削Ф65 mm外圆面为第二工步。这是因为加工的表面变了。有时为了提高生产率,把几个待加工表面用几把刀具同时加工,这也可看作一个工步,称为复合工步,如图1-38所示。

  

    图1-37  车削阶梯轴                图1-38  复合工步

   (5)走刀  在一个工步中,如果要切掉的金属层很厚,可分几次切削,每切削一次就称为一次走刀。

  如图1-37所示车削阶梯轴的第二工步中,就包含了两次走刀。

  3.生产纲领和生产类型

  (1)生产纲领  生产纲领是指企业在计划期内应当生产的产品产量和进度计划。

  零件在计划 期为一年的生产纲领N可按下式计算

                          

  式中:N—零件的年产量(件/年);

  Q—产品的年产量(台/年);

  n—每台产品中该零件的数量(件/台);

  α、β—备品率(%)和废品率(%)。

  当零件的生产纲领确定后,还要根据车间的情况按一定期限分批投产,每批投产的数量,称为生产批量。

  (2)生产类型  根据生产纲领的大小和产品品种的多少,机械制造企业的生产可分为单件生产、成批生产和大量生产三种生产类型。

  1)单件生产:产品的种类多而同一产品的产量很小,工件地点的加工对象完全不重复或很少重复,

  例如重型机器、专用设备或新产品试制都属于单件生产。

  2)成批生产:工作地点的加工对象,周期性地进行轮换。

  普通机床、纺织机械等的制造等多属此种生产类型。

  按照批量的大小,成批生产又可分为小批生产、中批生产和大批生产三种类型。

  3)大量生产:产品数量很大,大多数工作地点长期进行某一零件的某一道工序的加工。

  如汽车、轴承、自行车等的制造多属此种生产类型。

  生产类型取决于产品(零件)的年产量、尺寸大小及复杂程度。表1-6列出了各种生产类型的生产纲领及工艺特点。

  

  表1-6  各种生产类型的生产纲领及工艺特点          单位:件

  

  

  

  

  二、工件的安装和夹具

  1.工件的安装

  定位:在进行机械加工之前,必须将工件放在机床的工作台或夹具上,使它占有正确的位置。

  工件在定位之后,为了使它在切削过程中,不致因切削力、重力和惯性力的作用而偏离正确的位置,还需把它夹紧。

  安装:工件从定位到夹紧的全过程。

  安装工件时,一般是先定位后夹紧,而在三爪卡盘上安装工件时,定位与夹紧是同时进行的。

  安装方式:

  (1)直接安装法  工件直接安放在机床工作台或者通用夹具(如三爪卡盘、四爪卡盘、平口钳、电磁吸盘等标准附件)上,有时不另行找正即夹紧,例如利用三爪卡盘或电磁吸盘安装工件;有时则需要根据工件上某个表面或划线找正工件,再行夹紧,例如在四爪卡盘或在机床工作台上安装工件。

  用这种方法安装工件时,找正比较费时,且定位精度的高低主要取决于所用工具或仪表的精度,以及工人的技术水平,定位精度不易保证,生产率较低,所以通常仅适用于单件小批生产。

  (2)专用夹具安装法  为某一零件的加工而专门设计和制造夹具,无需进行找正,就可以迅速而可靠地保证工件对机床和刀具的正确相对位置,并可迅速夹紧。

  利用专用夹具加工工件,既可保证加工精度,又可提高生产效率,但没有通用性。专用夹具的设计、制造和维修需要一定的投资,所以只有在成批生产或大批大量生产中,才能取得比较好的效益。

  2.机床夹具的分类和组成

  机床夹具(jig and fixture for machine tool)可根据其使用范围,分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、通用可调夹具和成组夹具等类型。

  根据所使用的机床可将夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具(钻模)、镗床夹具(镗模)、磨床夹具和齿轮机床夹具等。

  根据产生夹紧力的动力源可将夹具分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、电磁夹具和真空夹具等。

                  

  图1-40  平面定位用的定位元件

  专用夹具一般由以下部分组成:

  1. 定位元件 夹具与工件选定的定位基准面接触,用以确定工件正确位置的零件。

  工件以平面定位时,用支承钉和支承板作定位元件,如图1-40所示。

  工件以外圆柱面定位时,用V形块和定位套筒作定元件,如图1-41所示。

  工件以孔定位时, 用定位心轴和定位销作定位元件。图1-42a为圆柱销,图1-42b为菱形销。

  

  图1-41  外圆柱面定位用的定位元件      图1-42  定位销

  (2) 夹紧机构  工件定位后,为了防止工件由于受切削力等外力的作用而产生位移,而将其夹牢紧固的机构。

  常用的夹紧机构有螺钉压板(图1-43a)、偏心压板(图1-43b)、斜楔夹紧机构、铰链夹紧机构等。

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  (3)导向元件  用来对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件,例如图1-39所示夹具上的钻套。其它导向元件还有导向套、对刀块等。

  钻套和导向套主要用在钻床夹具和镗床夹具上,对刀块主要用在铣床夹具上。                                        

  (4)夹具体和其它部分  夹具体是夹具的基准零件,用它来连接并固定定位元件、夹紧机构 和导向元件等,使之成为一个整体,并通过它将夹具安装在机床上。

  根据加工工件的要求,有时还在夹具上设有分度机构、导向键、平衡铁和操作件等。

  整个夹具及其零件都要具有足够的精度和刚度,并且结构要紧凑,形状要简单,装卸工件和清除切屑要方便等。

  3.基准及其选择

  在零件的设计和加工过程中,经常要用到某些点、线、面来确定其要素间的几何关系,这些作为依据的点、线、面称为基准。

  基准:分为设计基准和工艺基准两大类。

  (1)设计基准  设计基准是设计时在零件图纸上所使用的基准。

  以设计基准为依据来确定各几何要素之间的尺寸及相互位置关系如图1-44a所示,齿轮内孔、外圆和分度圆的设计基准是齿轮的轴线,两端面可以认为是互为基准。

   (2)工艺基准  工艺基准是在制造零件和装配机器的过程中所使用的基准。工艺基准又分为定位基准、测量基准和装配基准,它们分别用于工件加工时的定位、工件的测量检验和零件的装配。

  定位基准:工件在加工时,用以确定工件对于机床及刀具相对位置的表面。

  例如车削图1-44a所示齿轮轮坯的外圆和左端面时,若用已经加工过的内孔将工件安装在心轴上,则孔的轴线就是外圆和左端面的定位基准。

  

  

  图1-44  设计基准

  粗基准:最初工序中所用的定位基准,是毛坯上未经加工的表面。

  精基准:在其后各工序加工中所用的定位基准是已加工的表面。

  (3)粗基准  粗基准的选择应保证所有加工表面都具有足够的加工余量,而且各加工表面对不加工表面具有一定的位置精度。

  其选择的具体原则如下:

  1)选取不加工的表面作粗基准,如果零件上有好几个不加工的表面,则应选择与加工表面相互位置精度要求高的表面作粗基准。

  如图1-45所示,以不加工的外圆表面作为粗基准,既可在一次安装中把绝大部分要加工的表面加工出来,又能够保证外圆面与内孔同轴以及端面与孔轴线垂直。

  2)选取要求加工余量均匀的表面为粗基准,这样可以保证作为粗基准的表面加工时,余量均匀。

  例如车床床身(图1-46),要求导轨面耐磨性好,希望在加工时只切去较小而均匀的一层余量,使其表层保留均匀一致的金相组织和物理力学性能。若先选择导轨面作粗基准,加工床腿的底平面(图1-46a),然后再以床腿的底平面为基准加工导轨面(图1-46b),这样就能达到目的。

  

  图1-45  套筒法兰加工实例       图1-46  床身加工的粗基准        图1-47  阶梯轴的加工

  3)对于所有表面都要加工的零件,应选择余量和公差最小的表面作粗基准,以避免余量不足而造成废品。

  如图1-47所示阶梯轴,表面B加工余量最小,应选择表面B作为基准。

  4)为使工件定位稳定,夹紧可靠,要求所选用的粗基准尽可能平整、光洁,不允许有锻造飞边、铸造浇冒口切痕或其它缺陷,并有足够的支承面积。

  5)在同一尺寸方向上粗基准通常只允许使用一次,这是因为粗基准一般都很粗糙,重复使用同一粗基准,所加工的两组表面之间的位置误差会相当大,因此,粗基准一般不得重复使用。

   (4)精基准  精基准的选择应保证加工精度和装夹可靠方便。

  其选择的具体原则如下:

  1)尽可能选择尺寸较大的表面作为精基准,以提高安装的稳定性和精确性。

  2)基准重合原则,尽可能选用设计基准为定位基准,即。这样可以避免定位基准与设 计基准不重合而产生的定位误差。

  3)基准统一原则。零件上的某些精确表面,其相互位置精度往往有较高的要求,在精加工这些表面时,要尽可能选用同一定位基准,以利于保证各表面间的相互位置精度。

  4)互为基准原则。当工件上两个加工表面之间的位置精度要求比较高时,可以采用两个加工表面互为基准反复加工的方法。

  5)自为基准原则。当有的表面精加工工序要求余量小而均匀(如导轨磨)时,可利用被加工表面本身作为定位基准,这叫做自为基准原则。此时的位置精度应由先行工序保证。

  在生产实际中,工件上定位基准面的选择不一定能完全符合上述原则,这就要根据具体情况进行分析,并加以灵活运用。

  4.工件在夹具中的定位

  (1)工件的六点定位原理  

  任何一个工件,在其位置尚未确定前,均具有六个自由度,即沿 空间三个直角坐标轴x、y、z方向的移动与绕它们的转动,分别以表示,如图1-48a所示。要使工件在机床夹具中正确定位,必须限制或约束工件的这些自由度,如图1-48b所示。采用六个定位支承点合理布置,使工件有关定位基准面与其相接触,每一个定位支承点限制了工件的一个自由度,便可将工件六个自由度完全限制,使工件在空间的位置被唯一地确定。这就是通常所说的工件的六点定位原理。

  其中三个支承点在xOy平面上,限制三个自由度;两个支承点在xOz平面上,限制两个自由度;最后一个支承点在yOz平面上,限制一个自由度。

  工件定位时,其六个自由度并非在任何情况下都要全部加以限制,要限制的只是那些影响工件加工精度的自由度。

  如图1-50所示,若在工件上铣键槽,要求保证工序尺寸x、y、z 及键槽侧面和底面分别与工件侧面和底面平行,那么加工时必须限制全部六个自由度,采用完全定位,如图1-50a所示。

  若在工件上铣阶梯,要求保证工序尺寸y、z及其两平面分别与工件底面、侧面平行,那么加工时只要限制除以外的另五个自由度就够了,因为对工件的加工精度并无影响,如图1-50b所示。

  若在工件上铣顶平面 ,仅要求保证工序尺寸z及与底面平行,那么只限制三个自由度就行了,如图1-50c所示。

  

  图1-48  工件的六点定位                图1-49  连杆的定位

  不完全定位:按加工要求,允许有一个或几个自由度不被限制的定位称为。在实际生产中,工件被限制的自由度数一般不少于三个。

  欠定位:按工序的加工要求,工件应该限制的自由度而未予限制的定位。。在确定工件定位方案时,欠定位是绝对不允许的。

  过定位:工件的同一自由度被二个或二个以上的支承点重复限制的定位。在通常情况下,应尽量避免出现过定位。

  1. 常见定位方式及定位元件  

  工件在夹具中的定位,是通过工件上选定的定位基准面与夹具定位元件的工作表面接触或配合实现的。工件上被选作定位基准的表面常有平面、圆柱面、圆锥面、成型表面(如导轨面、齿形面等)及它们的组合。所采用的定位方法和定位元件的具体结构应与工件基准面的形式相适应。

  

  

  图1-50  工件应限制自由度的确定   图1-51  连杆的过定位情况

  

  

  

  


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