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机械制造基础教案
《机械制造基础》
教
案
第一讲金属的力学性能和铁碳合金(2课时)
一、金属的力学性能
1.金属材料的性能
1强度
2塑性
3硬度:
布氏硬度,洛氏硬度和维氏硬度
4冲击韧度
冲击试验方法与原理
一次冲击弯曲试验通常在摆锤式冲击试验机上进行。
冲击试验的实际意义
(1)韧脆转变温度
(2)衡量原材料的冶金质量和热加工产品质量
疲劳强度
1.疲劳概念
虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度,但在长时间运转后也会发生断裂,这种现象称为疲劳断裂。
据。
2.疲劳曲线与疲劳极限
试验证明,金属材料所受最大交变应力Rmax愈大,则断裂前所受的循环周次N(定义为疲劳寿命)愈少,这种交变应力Rmax与疲劳寿命N的关系曲线称疲劳曲线或S—N曲线。
工程上规定,材料经受相当循环周次不发生断裂的最大应力称为疲劳极限,以符号R-1表示。
3.提高材料疲劳极限的途径
二、金属的晶体结构与结晶
1.晶体的基本概念
(1)、晶体
(2)、晶格、晶胞、晶格常数
2.常见金属的晶体结构
a.体心立方晶格α-铁、铬、钼、钨、钒
b.面心立方晶格γ-铁、铜、铝、镍等
c.密排六方晶格铍、镁、锌、镉等
3.金属的实际晶体结构
(1)单晶体和多晶体概念
(2)晶体缺陷
3.金属的结晶
(1)、纯金属结晶的条件
(2)、纯金属结晶的规律
(3)晶粒大小与金属力学性能的关系
铁碳合金
一、教学内容:
合金的晶体结构
合金的基本概念
合金:
由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特征的物质。
铁碳合金相图
1.纯铁
同素异构转变:
同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。
当温度等外界条件变化时,晶格类型会发生转变。
2.铁碳全合金的基本组织
a)液相,用符号L表示。
b)铁素体,用符号F表示c)奥氏体,用符号A表示。
d)渗碳体:
它的分子式为Fe3C.e)珠光体:
用符号P表示。
f)莱氏体:
用符号Ld表示。
3.铁碳合金相图分析
(1)简化的Fe-Fe3C相图分析
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同,可将铁碳合金分为:
1)工业纯铁ωc<0.0218%。
2)钢0.0218%<ωc<2.11%,又可分为:
亚共析钢0.0218%<ωc<0.77%;
共析钢ωc=0.77%;
过共析钢0.77%<ωc<2.11%。
3)白口铸铁2.11%<ωc<6.69%,又可分为以下三种:
亚共晶白口铸铁2.11%<ωc<4.3%
共晶白口铸铁ωc=4.3%
过共晶白口铸铁4.3%<ωc<6.69%
4.典型铁碳合金的结晶过程及组织
5.碳对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响
第二讲碳素钢、铸铁和合金钢(2课时)
碳素钢、铸铁
1.碳素钢
(1)分类
Wc:
低(<0.25%)
中(0.25%~0.6%)
高(0.6%~2.11%)
用途:
结构钢:
(a)优质碳素结构钢;(b)合金结构钢;(c)弹簧钢;(d)易切钢;(e)轴承钢;(f)特定用途优质结构钢。
工具钢:
(a)碳素工具钢;(b)合金工具钢;(c)高速工具钢。
特殊性能钢:
(a)不锈耐酸钢;(b)耐热钢;(c)电热合金钢;(d)电工用钢;(e)高锰耐磨钢。
(2)碳素钢的编号
碳素结构钢:
Q+屈服极限+质量等级+脱氧方式:
例如:
Q235AF
优质碳素结构钢:
两位数字(平均含碳量的万倍)+(Mn):
例如:
45Mn
碳素工具钢:
T+平均含碳量的千倍+(Mn)+(A):
例如:
T8MnA
铸造碳钢:
ZG+屈服极限+抗拉强度:
例如:
ZG200-400
(3)碳素结构钢:
(4)优质碳素结构钢:
(5)碳素工具钢:
(6)铸造碳钢:
2.铸铁
特点:
C以石墨形态存在,具有良好的铸造性、切削加工性、减摩性与消振性和低的缺口敏感性,而且熔炉铸铁的工艺与设备简单、成本低。
灰铸铁(石墨以片状):
HT+最小抗拉强度:
例如:
HT100
球墨铸铁(石墨以球状):
QT+最低抗拉强度-最低伸长率:
例如:
QT400-18
蠕墨铸铁(石墨以蠕虫状):
RuT+最小抗拉强度:
例如:
RuT260
可锻铸铁(石墨以团絮状):
KT+H/Z+最小抗拉强度-最小伸长率:
例如:
KTH300-06、KTZ450-06
钢的退火与正火
1.钢的退火
定义和目的
(1)完全退火
(2)等温退火(3)扩散退火(4)去应力退火(低温退火)
(5)球化退火
2钢的正火
定义,的目,工艺:
正火的应用
1)普通结构件的最终热处理;
2)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性;
3)作为中碳结构钢制作的较主要零件的预先热处理;
4)消除过共析钢中的网状二次渗碳
5)对一些大型或形复杂的零件,淬火可能有开裂的危险,正火也往往代替淬火,回火处理,作为这些零件的最终热处理。
1.3.4钢的淬火
概念和目的
淬火工艺
(1)淬火加热温度的选择
(2)加热时间的选择
(3)淬火冷却介质
(4)淬火缺陷的防止方法
1.3.5钢的回火
概念和目的
时效处理与淬透性
钢的表面热处理
1、表面热处理
目的:
使零件具有“表硬心韧”的性能特点。
分类:
表面淬火、表面化学热处理
2、表面淬火
3、表面化学热处理
合金钢
合金钢的分类与编号
1.合金钢的分类
2.合金钢的编号
合金结构钢
1.低合金高强度合金钢(Q345)
2.合金渗碳钢(渗碳+淬火+低回;淬透性低、中、高)
3.合金调质钢(回火S/淬透性低、中、高)
4.合金弹簧钢(热成形【d大、回火屈】、冷成形【d小、回S+冷拔】)(60Si2Mn、60Si2CrVA、50CrVA)
5.滚动轴承钢(GCr9、GCr15)
▪n
提问1:
查阅以下牌号钢的主要用途:
Q345;20Cr;20CrMn;20Cr2Ni4;45;40Cr;38CrMoAlA;GCr15
合金工具钢
特殊性能钢
第三讲有色金属和其它材料(2课时)
有色金属
铝及铝合金
工业纯铝
1.铝合金
(1)定义:
加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等提高强度。
用作于承受一定载荷的结构件。
(2)分类:
铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。
变形铝合金又分为不能热处理强化的铝合金和能热处理强化的铝合金。
(3)铝合金的牌号表示:
1)变形铝合金牌号:
采用四位字符牌号,铝合金的牌号用2×××~8×××系列表示。
第一位数字:
铝合金的组别;第二位字母:
原始合金的改型情况,A为原始合金,B-Y为原始合金的改型合金。
最后两位数字:
区分同一组中不同的铝合金。
例:
5A05。
2)铸造铝合金牌号。
用“ZL+三位数字”表示。
第一数字是合金类别。
后两位为顺序号。
例:
ZL102。
(4)铝合金的热处理
固溶处理和时效。
1)固溶热处理(俗称淬火):
将合金加热到单相α固溶体状态,并水冷至室温,获得过饱和α固溶体组织。
2)时效强化(时效):
固溶热处理后的合金在室温或加热至一定温度放置,随放置时间的延长,因过饱和α固溶体不稳定而析出细小分散的的过渡相,使强度显著增高、塑性降低的现象。
铝合金经固溶处理后,强度和硬度不会明显升高,塑性会显著提高。
但这种组织是不稳定的,经时效处理,强度和硬度显著升高,塑性下降。
铜及铜合金
1工业纯铜
纯铜呈紫红色,熔点1083℃,密度为8.96g/cm3,面心立方晶格、无同素异晶转变,良好的电导性、热导性、耐蚀性、抗磁性和加工工艺性能。
纯铜主要用于制作电线、电缆、导热材料及配置合金。
2铜合金
黄铜:
黄铜的牌号用“H+数字”表示。
如H68。
单相黄铜H68,有较高的强度,冷、热变形能力,较好的耐蚀性,用于制造形状复杂、耐蚀的零件。
双相黄铜H62,有较高的强度,可进行热变形加工,广泛用于制作热轧、热压零件或由棒材经机加工制造各种零件。
青铜:
锡青铜和无锡青铜
滑动轴承合金
用途:
制造滑动轴承中的轴瓦及内衬的合金。
性能和组织特点。
常见轴承合金:
锡基轴承合金,铅基轴承合金,铜基轴承合金,铝基轴承合金。
粉末冶金材料
工艺流程:
混粉-成型-烧结-热处理-再压-后续加工-包装
1.硬质合金
2.粉末冶金减摩材料
3.粉末冶金多孔材料。
4.粉末冶金结构材料。
。
陶瓷材料
陶瓷的分类
陶瓷的性能
常用的陶瓷材料
塑料、橡胶材料
1、塑料
(1)塑料的分类
(2)塑料的组成
(3)塑料的性能特点
(4)常见工程塑料
聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、ABS塑料、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、有机玻璃、聚四氟乙烯、酚醛塑料、环氧塑料
2、橡胶
(1)定义:
橡胶是在使用温度范围内处于高弹态的高分子材料,是常见的弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料。
(2)组成:
生胶和橡胶配合剂(硫化剂、硫化促进剂、防老化剂、填充剂、发泡剂、着色剂)
3、分类:
橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。
复合材料
(1)定义:
复合材料是由两种或两种以性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料,它不仅保留了组成材料各自的优点,而且还具有单一材料所没有的优异性能。
(2)分类:
(3)常见复合材料
第四讲铸造和锻压(2课时)
铸造概论
1.铸造定义:
所谓金属液态成型,即铸造,是将液态金属借助外力充填到型腔中,使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。
3.铸造工艺特点:
1)适应性广。
2)可复杂成形。
3)成本较低。
4)但也存在一些不足,如组织缺陷,力学性能偏低,质量不稳定,工作环境较差。
合金的铸造性能
铸造性:
指在铸造生产过程中合金铸造成形的难易程度。
主要衡量指标:
合金的充型能力、收缩性
影响因素:
合金的化学元素、工艺因素
合金的充型能力
定义:
熔融金属充满型腔,形成轮廓清晰、形状完整的铸件的能力。
影响因素:
1.合金的流动性(化学成分)2.外界条件(铸型条件、浇注条件、铸件结构)
合金的流动性
流动性定义:
液态合金充满型腔,形成轮廓清晰,形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力
流动性好,易于充满型腔,有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩
影响因素:
化学成分
衡量方法:
测量螺旋形流动试样的长度实验
外界条件对充型能力的影响
合金的收缩性
定义:
铸件在冷却过程中,其体积和尺寸缩小的现象。
指标:
体收缩率(液体到常温的体积改变量);
铸件的铸造应力、变形和裂纹
砂型铸造
1、基本工艺过程
2、造型材料:
3、各种砂型造型方法
4、机器造型
特种铸造
1、熔模铸造
(1)工艺过程:
母模→压型→蜡模→蜡模组装→结壳→脱蜡→焙烧→填砂造型→浇注
→落砂清理及检验。
(2)工艺特点
2、金属型铸造
金属型铸造的特点和应用:
3、压力铸造
4、离心铸造:
将液态金属浇入高速旋转的铸型中,使其在离心力作用下完成充型和凝固以获得铸件的方法。
锻压概述
锻压生产的特点
锻压包括轧制、挤压、拉拨、自由锻造、模型锻造、冲压等加工方法。
优点:
(1)能改善金属内部组织,提高金属的力学性能。
(2)节省金属材料。
(3)生产效率较高。
缺点:
(1)不能获得形状很复杂的制件;
(2)加工设备比较昂贵,制件的成本比铸件高。
自由锻:
将加热好的金属坯料,放在锻造设备的上、下砧铁之间,施加冲击力或静压力,使之产生塑性变形,从而获得所需锻件的一种加工方法。
坯料在锻造过程中,除与上、下砧板或辅助工具接触的表面外,都是自由表面,变形不受限制,故称为自由锻。
分类及特点:
手工自由锻和机器自由锻
自由锻的优点:
所用工具简单、通用性强、灵活性大、适合单件或小批量,特别是特大型锻件的生产
缺点:
精度低、加工余量大、效率低、劳动强度大
自由锻设备:
锤锻自由锻和水压机自由锻。
自由锻工序
1.基本工序(镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接)
2.辅助工序(倒棱、压肩)
3.修整工序(修整鼓形、平整端面、校直弯曲)
模锻
模锻概述与分类
【模锻】是指利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。
金属材料通过模具锻造变形而得到的工件或毛坯称为模锻件。
按所用设备不同,模锻可分为锤上模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻等。
按模膛在锻模中的个数,锻模分为单膛锻模和多膛锻摸。
功能分类
(1)模锻模镗(终锻模镗、预锻模镗)
(2)制坯模镗(拔长模镗、滚压模镗、弯曲模镗、切断模镗)
.模锻件的结构工艺性
1).合理的分模面、模锻斜度和圆角半径;
2).模锻件精度较高,表面粗糙度较低:
配合面可留加工余量;非配合面不留加工余量
3).尽量避免截面间相差过大或薄膜、高筋、凸起等结构
4).避免深孔或多孔结构
5).尽量减少余块,简化模锻工艺
胎膜锻:
是在自由锻设备上使用可移动模具(胎模)生产模锻件的一种锻造方法。
在生产中、小型锻件时,广泛采用自由锻制坯、胎模锻成形的工艺方法。
胎模的种类根据胎模的结构特点,胎模可分为摔子、扣模、套模和合模四种。
胎模锻的特点和应用
胎模锻与自由锻相比有如下优点:
1)由于坯料在模膛内成形,所以锻件尺寸比较精确,表面比较光洁,流线组织的分布比较
板料冲压
【冲压】使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称为冲压。
冲压是锻压加工中的先进加工方法之一。
冲压的特点
板料冲压的基本工序
第五讲焊接和机械零件毛坯的选择(2课时)
焊接的概述
(1)定义
(2)分类
(3)焊接的特点:
焊条电弧焊:
是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。
是生产中应用最多、最普遍的焊接方法。
它是利用焊条与焊件之间产生的电弧热,熔化焊件与焊条而进行焊接的。
焊接电弧
焊接接头
焊条
(1)组成及作用
(2)分类
按药皮熔渣性质分:
酸性焊条和碱性焊条;按用途分:
根据牌号编制方法分十大类
(3)焊条选用原则
1)等强度原则:
2)同成分原则:
3)抗裂纹原则:
4)抗气孔原则:
5)低成本原则:
焊接接头的组织与性能
其他焊接方法
埋弧焊
(1)定义:
是利用连续送进的焊丝在焊剂层下产生电弧而自动进行焊接的方法。
(2)埋弧焊特点:
气体保护焊
(1)氩弧焊
(2)CO2气体保护焊
气焊与气割
(1)气焊用可燃性气体燃烧的高温火焰来熔化母材和填充金属的一种焊接方法。
(2)气割
电渣焊
压力焊与钎焊
(1)电阻焊
(2).摩擦焊
(3)钎焊
1)、硬钎焊
2)、软钎焊
常用金属材料的焊接
碳钢的焊接
1.低碳钢的焊接
2.低合金结构钢的焊接
3.不锈钢焊接StainlessSteel
4.铸铁的焊补
1.不预热焊法
2.热焊法
非铁金属的焊接
1.铝及铝合金的焊接
2.铜及铜合金的焊接性
3.钛及钛合金的焊接
钛及钛合金的焊接性
化学性质非常活泼,极易出现多种焊接缺陷
极易吸收各种气体,使焊缝出现气孔
焊接方法:
氩弧焊,此外还可采用等离子弧焊、真空电子束焊和钎焊等
械零件毛坯的选择
一、常见零件毛坯的分类与比较
机械零件的常用毛坯:
铸件、锻件、轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件
毛坯选择的原则
第六讲金属切削加工基础知识和各种表面的加工(2课时)
切削运动形式
切削运动:
为了获得各种形状的零件,刀具和工件之间必须有一定的相当运动。
按作用分为:
主运动、进给运动
1.主运动(VC)
2.进给运动(Vf)
3.主运动和进给运动的合成(Ve)
工件表面
切削用量
切削用量三要素是调整刀具与工件间相对运动速度和相对位置所需的工艺参数。
1.切削速度vc
2.进给量f
3.背吃刀量(切削深度)ap
金属切削过程
车刀的组成
归结起来:
“三面两刃一尖”
切屑的形成过程
变形区的划分
大量的实验和理论分析证明,塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。
切削层的金属变形大致划分为三个变形区:
第一变形区(剪切滑移)、第二变形区(纤维化)、第三变形区(纤维化与加工硬化)。
切屑类型
(1).带状切屑
(2).挤裂切屑(3).单元切屑(粒状)(4).崩碎切屑
切削力
切削力的来源、合力及分力
切削力的来源有两方面:
一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力;二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。
单位切削力、切削功率
影响切削力的因素
1.工件材料
2.切削用量
3.刀具几何参数
切削热和切削温度
切削热的产生和传出
来源:
在刀具的切削作用下,切削层金属发生弹性变形和塑性变形,这是切削热的一个来源。
同时,切屑与前刀面,工件与后刀面间消耗的摩擦功,也将转化为热能,这是切削热的又一个来源。
影响切削温度的主要因素
1.工件材料对切削温度的影响
2.切削用量对切削温度的影响
3.刀具几何参数对切削温度的影响
4.其他因素
机床的分类
1.机床的型号编制
2.通用机床型号的表示方法为
3.专用机床的型号编制
机床的运动
(1)切入运动 刀具相对工件切入一定深度,以保证工件达到要求的尺寸。
(2)分度运动 多工位工作台、刀架等的周期转位或移位,多头螺纹的车削等。
(3)调位运动 加工开始前机床有关部件的移位,以调整刀具和工件之间的正确相对位置。
(4)各种空行程运动。
机床的基本组成和传动原理图
1.机床传动的基本组成
1)运动源2)传动件3)执行件
外圆表面加工
1外圆表面的加工方法
2外圆表面的车削加工
3.常见的车刀结构形式
4.外圆车刀的选择和装夹
5.常用车床。
6.CA6140型卧式车床概述
内圆表面加工
1孔的分类
内圆表面的加工方法
内圆表面常用的加工方法有钻、扩、铰、镗、拉、磨等。
钻削加工
1.钻孔
2.扩孔
3.铰孔
镗削加工
拉孔加工
内圆表面磨削加工
(一)孔的研磨
(二)孔的珩磨
平面加工
平面加工方法
平面的技术要求包括:
平面与基准间的尺寸精度,平面本身的平面度、直线度及与其他表面间的平行度、垂直度、倾斜度等位置精度,表面粗糙度。
平面的加工方法包括:
车削、铣削、刨削、拉削、磨削和研磨等。
刨削与插削加工
铣削加工
平面磨削加工
齿轮齿形加工
齿轮加工方法
(一)齿轮加工方法
1.成形法2.展成法
(二)齿轮加工机床
圆柱齿轮:
滚齿机、插齿机等;直齿锥齿轮刨齿机、铣齿机、拉齿机;弧齿锥齿轮铣齿机。
剃齿机、珩齿机、磨齿机
滚齿加工
(一)滚齿原理—模拟一对螺旋齿轮啮合过程
(二)滚齿机运动分析
插齿加工
应用:
加工内齿轮、多联齿轮、扇形齿轮、齿条等。
1.插齿原理
2.插齿机传动原理
齿轮的其他加工方法
1.剃齿加工
2.磨齿加工
第七讲零件生产工艺过程简介和现代制造技术简介(2课时)
典型零件的选材及工艺路线
1.轴杆类零件的毛坯选择:
结构特征:
是轴向(纵向)尺寸远大于径向(横向)尺寸。
各种传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、齿轮轴、连杆、摇臂、螺栓、销子等。
常用毛坯:
型材和锻件
型材:
光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴。
锻件:
对于直径相差较大的阶梯轴或要承受冲击载荷和交变应力的重要轴。
2.轴杆类零件的毛坯选择
减速器传动轴工作载荷基本平衡,材料45钢,小批量生产。
磨床砂轮主轴生产批量中等。
砂轮主轴主要用于传递动力。
该零件精度要求高,工作中将承受弯曲、扭转、冲击等载荷,要求具有较高的强度。
选择65Mn,采用模锻件。
3.盘套类零件的毛坯选择
指直径尺寸较大而长度尺寸相对较小的回转体零件。
齿轮、带轮、链轮、飞轮、联轴节、套环、轴承环、端盖及螺母、垫圈等。
带轮:
HT150
链轮:
锻件
齿轮:
尺寸较小且性能要求不高:
热轧捧料
批量较小或尺寸较大:
自由锻造
批量较大的中小尺寸:
模锻
复杂的不便于锻造的齿轮:
铸钢
加工质量的内容
二、加工精度的概念
加工精度,是指零件加工后的几何尺寸、形状和相互位置的实际值与理想值之间的符合程度,而它们之间的偏离程度(即差异)则为加工误差。
(1)尺寸精度:
限制加工表面与其基准间的尺寸误差不超过一定的范围。
(2)几何形状精度:
限制加工表面的宏观几何形状误差,如圆度、圆柱度、平面度、直线度等。
(3)位置精度:
限制加工表面与其基准间的相互位置误差,如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。
2、影响加工精度的主要因素
1)工艺系统的几何误差
(1)加工原理误差
(2)机床误差(3)夹具误差(4)刀具误差
2)工艺系统受力变形引起的加工误差
(1)让刀变形
(2)夹紧变形
3)工艺系统热变形产生的误差
(1)机床的热变形
(2)工件的热变形
4)工件内应力引起的误差
三、表面质量的概念
1.表面粗糙度
2.表面层材质的变化
3表面质量与使用性能
1)对零件耐磨性的影响
2)对疲劳强度的影响
3)对耐腐蚀性能的影响
4)对配合性的影响
4.表面质量的影响因素及改善
1)工件材料
2)切削用量
3)切削液
4)刀具材料和几何参数:
5)工艺系统的刚性:
现代制造技术
1.精密加工
2.特种加工:
电火花加工,电解加工,超声波加工和激光加工。
机械制造自动化
1.成组技术
2.计算机辅助工艺规程设计
3.数控加工
4.柔性制造系统和计算机集成制造系统
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