金属工艺设计学教案.docx

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金属工艺设计学教案

教案

第一章金属材料结构与性能

第一节概述

   工程金属材料包括纯金属与合金。

所谓合金是由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素）组成的具有金属特性的材料。

必须掌握材料的成分、处理、组织与其性能之间关系的知识。

其中，“成分”是改变性能的基础，“处理”是改变性能的手段，而且“组织”是性能变化的根据。

第二节金属材料的结构

一、金属的结晶

   所有的纯金属及合金均属于晶体。

原子在空间有规则地排列是晶体的特征。

金属从液态到固态的凝固是一个结晶过程。

结晶过程是一个晶体形成和成长过程。

二、金属的晶体结构

    所谓晶体结构是指晶体中原子排列的方式。

讲解晶格，晶胞，体心立方晶格，面心立方晶格和密排六方晶格（放多媒体课件）.

三、合金的晶体结构

  1，固溶体

  2，金属化合物

  3，机械化合物

  讲清三者的区别和联系，及与性能的关系。

第三节金属材料的机械性能

一、静载荷下的机械性能

  材料拉伸试验。

（放多媒体课件）

  1，应力——应变曲线。

  2，弹性与刚度

  3，强度

  4，塑性

  5，硬度

（1）布氏硬度

（2）洛氏硬度

 （3）维氏硬度

二、动载荷下的机械性能

  1，冲击韧性

第二章铁碳合金

第一节概述

   钢和生铁都是铁碳合金，含碳小于2.11%的铁碳合金称为钢，大于2.11%的则称为生铁。

    铁碳合金状态图。

（放多媒体课件）

第二节铁碳合金基本组织性能

一、铁

   碳溶于-F中的固溶体称为铁素体。

   碳溶于-F中的固溶体称为奥氏体。

二、渗碳体

第三节复杂结构的化合物铁碳合金状态图的分析

  1，选择1%，3%，5%含碳量的铁碳合金分析液态到固态的结晶过程。

  2，分析上述合金成分的固态相变

  3，分析亚共析钢、共析钢和过共析钢的形成和组织特征。

第四节碳钢

一、碳及杂质对钢性能的影响

二、碳素钢的分类

  1，按钢的含碳量分类

  2，按钢的质量分类

  3，按钢的用途分类

  4，按钢的冶炼时脱氧程度的不同分类

三、碳素结构钢

  1、普通碳素结构钢

  2、优质碳素结构钢

四、碳素工具钢

五、铸钢

第五节铸铁

  1，石墨化概念介绍

  2，常见铸铁介绍

（1）白口铸铁

（2）灰铸铁

 （3）可锻铸铁

 （4）球墨铸铁

 （5）蠕动铸铁

第三章钢的热处理

第一节概述

   热处理就是将金属在固态下通过加热、保温和冷却的方式，改变合金的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。

必须研究钢在加热（包括保温）和冷却过程中的组织转变的规律。

第二节钢的热处理基本原理

一、钢在加热时的组织转变

   1，奥氏体的转变温度

   2，奥氏体的形成

（1）奥氏体晶核的形成

（2）奥氏体晶核的长大

  （3）残余渗碳体的溶解

  （4）奥氏体均匀化

三、钢在冷却时的组织转变

（1）等温冷却

（2）连续冷却

第三节钢的普通处理

一、退火

  1，退火的目的

  2，退火方法

二、正火

   将钢加热到适当温度，保温适当时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。

    正火的目的

四、钢的淬火

  1，淬火加热温度

  2，淬火冷却方法

  3，淬透性和淬硬性

五、淬水钢的回火

   回火的主要目的

   1，回火的种类及其应用

（1）低温回火（150——250℃）

（2）中温回火（350——500℃）

   （3）高温回火（500——650℃）

2，回火脆性

第四节钢的表面热处理

一、表面淬火

二、钢的化学热处理

（1）渗碳

（2）渗氮

第五节钢的热处理新技术

一、可控气氛热处理

二、真空热处理

三、形变热处理

四、表面热处理

第四章合金钢

第一节概述

   合金钢是为改善和提高碳素钢的性能，在碳素钢的基础上添加一定的合金元素所炼制的一类钢。

一、合金钢的分类

二、合金钢的编号

第二节合金元素在钢中的作用

一、钢中的合金元素

二、合金元素的作用

  1，合金元素固溶于铁素体

  2，合金元素溶解于奥氏体

  3，合金元素形成碳化物、非金属化合物

  4，合金元素改变相变温度

  5，合金元素改变共析点的位置。

第三节合金结构钢

一、低合金结构

二、机器制造用合金结构钢

  1，合金渗碳钢典型用钢20CrMnTi

  2，调质钢典型用钢40Cr

  3，弹簧钢典型用钢60Si2Mn

  4，滚动轴承钢

第四节合金工具钢

一、刃具钢

  刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种。

二、模具钢

  模具钢是制造各种锻造、冲压或亚铸成型工件模具的钢种。

三、量具钢

  量具钢是用来制造各种测量工具的钢种。

第五节特殊性能钢

一、不锈钢

二、耐热钢

第五章有色金属

第一节概述

   工业上使用的金属材料，可分为黑色金属及有色金属两大类。

黑色金属主要是指钢与铸铁；有色金属是指非铁金属及其合金，如铝、铜、镁、锌、钛等金属及其合金。

第二节铜及铜合金

一、工业纯铜

二、钢合金

第三节铝及铝合金

一、工业纯铝

二、铝合金

  1，铝合金的分类

  2，常用铝合金

第四节滑动轴承合金

第六章非金属材料

非金属材料是指金属材料以外其他材料的总称。

第一节高分子材料

  高分析材料是指以高分子化合物为主要成分的材料。

一、高分子化合物的组成

二、高分子化合物的合成

  1，加聚反应。

由一种或几种单体聚合生成高聚物的反应称为加聚反应。

  2，缩聚反应。

      由一种或几种单体聚合生成高聚物的同时还生成如H2O，HX等副产物的反应称之为缩聚反应。

三、高分子化合物的结构与性能

  1，大分子链的形成

  2，大分子的聚集态结构

  3，高分子化合物的力学状态

四、高分子材料的命名

五、高分子材料的分类

  1，按性能和用途分类

  2，按聚合反应的类型分类

六、常用的高分子材料

  1，塑料

（1）塑料的组成

（2）塑料的分类

  2，橡胶

   3，合成纤维

  4，胶粘剂

第二节陶瓷材料

一、陶瓷材料的组织、结构特点

二、陶瓷的基本性能

三、常用的工业陶瓷

第三节复合材料

一、复合材料的性能特点

二、复合材料的分类

三、纤维增强复合材料

四、层状复合材料

五、颗粒复合材料

第七章材料的选用

第一节概述

第二节工程材料选用原则

一、引言

二、材料选用的一般原则

  1，材料的使用性

  2，材料的工艺性

第三节典型零件选材实例

一、齿轮类零件的选材

  1，调质钢

  2，渗碳钢

二、轴承零件的选材

三、箱体和支架类零件的选材

四、常用工具的选材

  1、锉刀

  2、手工锯条

  3、钳工锤

  4、麻花钻

第八章材料新进展

第一节概述

  1，材料被看作是人类社会进化的里程碑石器时代、青铜器时代、铁器时代

  2．新材料是当代社会经济的先导

  3．新材料是科技进步的关键

第二节新型金属材料

一、非晶态金属

  1，非晶态的发明人美国P杜维茨，时间1960年

  2，非晶态的概念和特征，金属玻璃

  3，非晶态的性能特点

    强韧兼备的力学性能

    高导磁、低铁损的软磁特性

   耐强酸、强碱腐蚀的化学特性

二、形状记忆合金

   1，形状记忆合金的概念

   2，形状记忆合金的应用

       工程应用

       医学应用

       智能应用

三、超塑性合金

  1，超塑性合金概念v:

100m/sδ：

300%以上

  2，超塑性合金的特性

      成型压力大大减少

      成型性能大大改善

      产品质量大大提高

四、超高温合金

    3，超高温合金概念>700℃，承受150——200MPa，在燃烧气氛中>100h

    4，超高温合金的应用

五、贮氢合金

    1、贮氢合金的发展

    2、贮氢合金的应用前景

第三节纳米材料

一、纳米材料的发展

二、纳米材料的结构和性能

三、纳米技术的应用

      介绍国家纳米技术发展规划

     介绍浙江省“十五”纳米技术重大专项及示范工程计划

     纳米技术在化纤用布后整理中的应用研究

     纳米技术在棉纺织品整理中的应用研究

     纳米技术在羊毛织物后整理中的应用

     纳米技术在注塑模具上的研究

     纳米CaCO3在U-PVC型材中的应用研究

     纳米技术在助动车蓄电池中的应用研究

     纳米技术在汽车面漆中的应用研究

     纳米技术在快淬NbFeB永磁材料中的应用

     多相纳米微晶玻璃的制备及应用研究

     纳米技术在频率压电陶瓷及器件制备中的应用研究

第九章 铸造成型

第一节概述

一、铸造的概念

    铸造是熔炼金属、制造铸型，并将熔融的金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。

二、分类：

    1、砂型铸造

    2、特种铸造

三、砂型铸造的生产过程

四、铸型的组成

五、铸造的特点

1、适用范围广

2、可进行批量生产、加工成本低

缺点：

铸造缺陷，质量稳定性差，劳动条件差。

§2砂型铸造

一、型砂的性能与组成

 1.性能

（1）、透气性

（2）、型砂强度

    （3）、耐火性

    （4）、可塑性

    （5）、退让性

  2、组成

    原砂（SiO2）

    粘结剂：

粘土、水玻璃、桐油、合脂

    附加物和水：

煤粉、木屑等

二、手工造型

    造型：

用造型混合材料及摸样等制造铸型的过程即用工具将型砂舂实在砂箱内的模样周围，并取出模样的一系列操作方法。

    分类：

整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、多箱造型、刮板造型等。

三、机器造型

    实质：

紧砂、起模

    气动微振压实造型机造型

    垂直分型无箱射压造型

    多触头高压造型

    真空密封造型

四、制芯

  作用：

芯子的作用主要是用来形成铸件的内腔，有时也用来获得铸件的局部外形，简化分型面和模样外型，方便铸造与起模。

  1、制芯工艺要求

    （a）安放芯骨——提高型砂的强度和刚度

    （b）通气道——顺利排除砂心中的气体

    （c）刷涂料——提高砂芯的耐火度

  2、制芯方法

 §3铸造工艺

     概念：

在零件图上以规定的红、蓝等色符号表示铸造工艺内容所得的图形，决定了铸件的形状、尺寸、生产方法和工艺过程。

一、分型面

  分开铸型，便于取模的接合面确定原则：

     模样的最大截面处

     数量尽量少

     减少芯子和活块的数量

     重要面朝下

     使铸件在一个砂型内

二、模样

    1、加工余量

    2、起（拔）模斜度

    3、铸造圆角

    4、不铸出孔槽

    5、芯头

    6、收缩率

三、浇注系统

§4特种铸造

一、熔模精密铸造

   在易熔模样表面包覆若干层耐火涂料，得其硬化干燥后，将模样熔去而制成型壳，经浇注而获得铸件的一种方法，由于模样大多用蜡质材料制作，又称“失蜡铸造”。

二、金属型铸造（永久型铸造）

三、压力铸造

    将熔融金属在压铸机中以高速射入金属铸型内，并在压力下结晶的铸造方法。

四、离心铸造

    将金属液浇入旋转的铸型中，使其在离心力作用下成形关凝固的方法。

第十章 锻压成型

锻压基础知识

  1、金属的塑性变形

  2、单晶体的塑性变形

（1）滑移

（2）孪生

  3、多晶体的塑性变形

  4、塑性变形后金属的组织和性能

     回复、再结晶、热加工概念

  5、金属的可锻性

  可锻性：

      1、金属的本质：

（1）化学成分

（2）组织

      2、变形条件：

（1）变形温度

（2）变形速度（3）应力状态

锻造

一、自由锻造

  自由锻的特点和应用

  自由锻设备

（1）空气锤

（2）蒸汽——空气锤（3）水压机

  自由锻工序及锻件工艺过程

  镦粗、拔长、弯曲、冲孔、切割、扭转和错移等

二、胎模锻

  胎模锻造是介于自由锻和模锻之间的锻造方法。

工艺特点：

三、模锻是在专用模锻设备上，利用锻模使材料在冲击力或压力的作用下而变形，从而获得锻件的方法。

锤上模锻

    锻模结构：

（1）终锻模膛

（2）预锻模膛（3）制陪坯模膛

板料冲压

    4、板料冲压的特点 

    5、板料冲压的基本工序

        1．分离工序

（1）剪切

        2．

（2）落料和冲孔

        3．变形工序

（1）弯曲

（2）拉深（3）成形（4）翻边

其他压力加工方法

   6、精密模锻

   7、轧制

      1．纵轧2.横轧3.斜轧

8、挤压

    1.正挤压2.反挤压3.复合挤压4.径向挤压

9、超塑性变形

    超塑性是指在某种金属或合金在特定条件下，即低的形变速率、一定的变形温度和均匀的细晶粒度，相对延伸率超过100%以上的特定，如钢超过500%，纯钛超过300%，锌铝合金超过1000%。

第十一章 焊接成型

第一节概述

    焊接方法：

压力焊、钎焊、熔化焊

第二节熔焊基础

一、焊接电弧

    焊接电弧形成

    焊接电弧构造

（1）阴极区

（2）阳极区（3）弧柱区

二、焊接冶金过程

金属熔池体积小

熔池温度高

三、电焊条

  焊条的组成及其作用。

电焊条有焊芯和药皮两部分组成。

（1）改善焊接工艺性

（2）机械保护作用

    （3）冶金处理作用

四、焊接接头组织与性能

  1.焊缝

  2.熔合区

  3．热影响区

（1）过热区

（2）正火区（3）部分相变区

五、焊接应力和变形

   焊接应力与变形产生的原因

焊接变形的基本形式

（1）收缩变形

（2）角变形（3）弯曲变形（4）波浪变形（5）扭曲变形

  焊接变形的防止和矫正

（1）措施：

结构、反变形法、刚性固定、合理顺序

（2）方法：

结构、预热、锤击焊缝、去应力退火,减少和消除焊接残余应力的措施

第三节常见焊接方法

  1、常见焊接方法

     气体保护电弧焊

（1）氩弧焊

（2）二氧化碳气体保护焊

  2．埋弧自动焊

  3、压力焊

  4、钎焊

第十二章切削加工

第1节概述

第2节加工质量的概念

主要指标：

加工精度和表面粗糙度

1、加工精度

   加工精度是指零件在加工之后，其尺寸、形状、位置参数的实际数值与它的理想数值相符合的程度尺寸精度。

尺寸精度是指实际尺寸的制造准确度。

   尺寸公差分为20级：

即IT01、IT1至IT18，等级依次降低。

2．表面形状及位置精度

（1）形状

（2）位置

   各种形状和位置公差的标准公差值一般分为1—12级（圆度、圆柱度分别为0—12级，1级最高，12级最低）

   一般零件通常只规定尺寸公差，对要求较高的零件，除了规定尺寸公差以外，还规定其所需要的形状公差和位置公差。

2、表面粗糙度

  加工表面上形成的痕迹，痕迹亦称微观不平度。

  尺寸公差与配合

  零件加工后实际尺寸允许的变动量，叫做尺寸公差，简称公差。

  形状与位置公差

  零件被测的实际形状与其理想形状的允许变动量称为形状公差

  表面粗糙度

  零件表面上具有一系列微小峰谷所组成的微观几何形状特征称为表面粗糙度。

  表面粗糙度的主要评定参数主要有Ra（轮廓算术平均数偏差）

第三节切削加工基本知识

一、切削运动及其形式

   1．切削运动。

切削运动是形成工件表面的最基本的相对运动。

（1）主运动使之转变为切削的基本运动，主运动只有一个（可以是旋转，也可以是往复直线）

（2）进给运动

   2．切削用量

     切削用量三要素、切削速度、背吃刀量、进给量方向相对工件的位移量，用工件（或刀具）每转或每行程的位移两来表述，也叫走刀量，

二、切削刀具的基本知识

 车刀

（1）前刀面

（2）主后刀面（3）副后刀面（4）主切

（2）削刃（5）副切（3）削刃（6）刀尖

 刀具材料

 砂轮

三、金属切削基础知识

  1．切削的形成及其类型

（1）带状切削

（2）节状切削（3）崩碎切（4）削

  2．切削力

（1）切向力，又称主切削力（3）径向力（4）轴向力

  3．切削热

  4．刀具磨损及耐用度

四、工件材料的切削加工概念

 车削加工

   10、普通车床组成

   11、车床常用附件

   12、车床的加工范围

   13、车削的工艺特点

  铣、刨、拉、钻、镗、磨削加工

    一、铣削加工二、刨削加工

    三、拉削加工四、钻床加工

    五、镗床加工六、磨削加工

第十三章机械制造自动化概念

第一节概述

   19世纪末期，机械化生产开始出现；

   20世纪中叶，自动化车床开始出现；

   1947年，第一个机械加工自动线在美国福特汽车公司投产；

   20世纪50年代柔性自动化生产开始出现（以数控车床为代表）

   20世纪70年代诞生了柔性制造系统；

   20世纪80年代开始出现了计算机集成制造系统。

第二节自动生产线

  把机床和其它工艺设备按工件的加工工艺顺序依次排列，月自动输送装置和其它辅助装置将他们连接成为一个整体，并用控制系统将各个部分的动作协调起来．使其按照规定的程序自动地进行工作，这种机械加工过程称为机械加工刚性自动生产线。

   通用机床自动线

   组合机床自动线

   专用机床生产线

    数控机床自动线

第三节数控加工

   一、数控机床

   二、计算机数控机床

     计算机数控机床是用小型或微型计算机代替普通数控机床的专用计算机，用可编程逻辑电路代替普通数控机床的固定逻辑电路。

    三、数控加工中心

    四、数控加工中心的特点

具有灵活加工的适应性；

   能加工普通车床难以加工的形状复杂的零件；

   能有效地缩短生产准备时间；

   可以改善劳动条件，提高劳动生产率；

第四节工业机器人

    工业机器人是近30年来在自动操作机基础上发展起来的一种能模仿人的某些动作和控制功能，并按照可变的预定程序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统。

它综合了精密机械、控制传感和自动按制技术等领域的最新成果。

一、机器人的组成

    机器人由执行机构、驱动系统和控制系统三部分组成。

二、机器人的运动形式和运动功能

三、工业机器人的工作程序输入方式

    工作程序输入方式分为编程输入和示教输入两类

四、机器人的应用和发展

第五节柔性制造系统

   柔性制造系统是通过局域网把数控机床（加工中心）、坐标测量仪、物料输送装置、对刀仪、立体刀库、机器人等设备联结起来，在计算机及控制软件的控制下，形成一个加工系统。

一、柔性制造系统的组成

典型的柔性制造系统由以下四个部分构成：

   1、加工设备

   2、加工流支持系统

   3、刀具流支持系统

   4、信息流支持系统

二、柔性制造系统的类型

   1、柔性制造单元

   2、柔性制造系统

第六节集成制造系统

   人们通过计算机网络和系统集成技术将生产的全过程连结成一个整体，使企业内部的信息和数据处理具有充分的及时性、准确性、一致性和共享性，这就是计算机集成制造技术产生的背景。

一、计算机集成制造系统的组成

  1、管理信息系统

  2、技术信息系统

  3、制造自动化系统

  4、质量保证系统

  5、两个支持分系统

二、计算机集成制造系统在制造行业的应用

第十四章特种加工

第1节概述

    特种加工是指采用电能、化学能、光能、卢能、热能、以及电子、离子等不同能源，区别于传统的切削加工方法，也称为非传统加工。

常用特种加工方法有：

电火花加工、电解加工、激光加工、超声波加工、电子束加工、离子束加工等。

第2节电火花加工

   电火花加工是模具加工的重要方法，常用的有电火花成形和电火花线切割两种。

   1、火花加工的基本原理

   2、电火花加工工艺及设备

   3、电火花成形加工工艺及设备

   电火花线切割加工工艺及设备

三、电火花加工的特点和应用范围

    1、电火花加工的电极较软，但可以加工硬度极高的材料。

    2、可以较容易地加工出很复杂的零件形状。

    3、加工过程中力极小，工件不会因此产生受力变形。

    电火花加工的适用范围较广，可以说：

与材料的软硬无天，形状复杂不怕，异型微孔擅长。

第三节电解加工

   电解加工有叫电化学加工，包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类

   1、电解加工的基本原理

   2、电解加工的基本概念

      生产率、极间间隙、电解液、加工精度和表面质量

   3、电解加工的特点、方法和应用

   电解加工的特点：

       1、可以一次加工出形状复2、杂型孔；

       2、能加工任意金属材料；

       3、适用于易变形和薄壁零件的加工；

       4、生产效率高等。

    主要用于成批生