机械制造基础讲义要点.docx

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机械制造基础讲义要点

机械制造基础讲义

张键

第一章认识机械制造（2学时）

机械制造的主要任务是将给定材料变成符合要求的产品。

1.1认识机械制造的一般过程

（1）你所熟知的用于制造产品的材料有哪些？

尽可能多举出不同的类型，并说出其各有什么典型特点。

（2）观察一台机器设备的工作过程，看看其中各个零部件是如何正常工作的。

分析哪些因素将会影响其工作的协调性。

（3）思考一个机械零件工作的可靠性及零件的使用寿命与哪些因索有关。

P3

①机械加工的主要任务是将选定的材料变为合格产品，材料是整个系统的核心。

能源是制造中不可或缺的环节，为系统提供动力。

②信息用于协调系统各部分之间的正常工作。

随着生产自动化技术的发展，系统的结构日益复杂，信息的控制作用越来越重要!

③外界干扰是指来自系统外部的力、热、噪声及电磁等影响，这些因素会对系统的工作产生严重的干扰，必需加以控制。

④合格产品必须达到其使用时必需的质量要求，具体包括一定的尺寸精度、结构精度及表面质量。

另外，还应尽量降低产品的成本。

⑤系统的输出除了合格产品外，还有切屑、废渣、废气、废液等。

很好地控制这些因素才能维持系统的平衡与稳定。

湖北省第一届金工学会办的比赛：

小车滑行，大轮车最远；冲压模设计

1.1.2认识零件的生产过程

讲P5的图1-16

1.1.3认识零件的装配过程

讲图1-17、图1-18、图1-19

1.2认识机械制造的基本环节

（1）你听说过“零件毛坯”这个概念吗?

你是怎样理解这个术语的?

（2）使用水果刀削苹果和使用机床加工钢铁零件有哪些相同之处和差异之处?

（3）你听说过“机床”和“刀具”的概念吗？

想一想在机床上加工钢铁材料将面临哪些问题。

（4）毛坯生产出来后又需要通过哪些方法加工成合格的产品?

1.2.1认识毛坯制造

讲P7的多图

分别为铸件、模锻、焊接、粉末冶金、型材、

1.2.2认识机械加工

机械制造的核心是产品的质量和精度。

1.传统加工方法的特征

①刀具材料比被加工材料硬。

②靠机械能（力的作用）去除多余的材料。

③加工过程主要靠操作者的经验来控制。

④自动化程度较低，生产效率不高。

①机械加工的主要目的是获得符合加工要求的零件表面，这些表面主要有平面、圆柱面、孔以及各种成形曲面。

②同一种加工表面能够使用的加工方法并不是唯一的，例如加工平面的方法有车削、铣削、刨削、磨削和拉削等。

各种加工方法适合加工的平面类型以及能够达到的加工精度并不相同。

③机械加工中通常将加工过程分为粗加工和精加工两个阶段，前者用于高效去除毛坯上多余的材料，后者用于获得理想的零件表面。

对于质量要求较高的零件，还可以插入半精加工和精细加工两个阶段。

2.现代加工方法

表1-1

1.3认识现代制造技术

1．新材料的采用

2．新能源的采用

3．新技术的采用

4．新设备的采用

数控技术，CAD/CAM技术

习题：

1、2、3、4

第二章毛坯生产（10学时）

2.1液态成型——铸造

曾侯乙尊、盘——唯一目前无法复制的青铜器

绿色箭头处有焊接的痕迹。

2.1.1认识铸造生产

铸造生产材料：

钢铁、铜、铝；

铸造零件的特点：

1．形状和结构复杂

2．表面形状不规则，具有复杂的曲面结构

3．重要的加工面少

4．非承受重载的零件（不对，例如轧钢机架，很多设备的机架）

讲图2-1、2-2、2-3、2-4；

铸件生产的一般过程，图2-7

2.1.2合金的铸造性能

1．铸造生产的特点

液态成型；固态凝固图2-9

2．合金的流动性

流动性决定了充型的能力，影响充型能力的因素图2-10。

灰口铸铁的流动性最好，铸钢最差。

流动性不足造成的产品缺陷图2-11、图2-12

3．合金的收缩

（1）缩孔的形成图2-13

（2）缩松图2-15

（3）凝固的顺序图2-16

铸型设计原则

采用顺序凝固原则来生产铸件时，在铸件上将产生一个温度梯度，壁厚较小的部分先凝固，其体积收缩可以由壁厚较大的部分来补充。

主要设计要点如下。

①零件的特点：

尺寸从一端到另一端单向减小。

②浇口安放在厚壁处。

③在零件厚壁处安放冒口。

④工件的凝固顺序：

远离冒口的薄壁部位先凝固，然后是壁厚稍大的部位凝固，最后是冒口部位凝固。

⑤先凝固的部分，即使发生体积收缩，也会因为其左侧的部分仍处于液态，所以有充分的液体来补缩。

最后凝固的冒口部位没有液体补缩，因此产生缩孔。

⑥冒口并不是工件的组成部分，其目的是转移缩孔的位置。

⑦冷铁的使用。

零件中具有局部大尺寸时，可以在这些部位增设冷铁，以加快该处结构的冷却速度，如图2-17所示。

还可以在局部厚壁处增加暗冒口，如图2-18所示。

（4）收缩的处理原则

①提高浇注压力将缩松转化为缩孔。

②使用顺序凝固法将缩孔转移到工件外（冒口中），最终获得没有缩孔（松）的铸件。

2.1.3铸造热应力、变形与裂纹

铸件在凝固和冷却的过程中，由于其壁厚不均匀及其各个位置散热条件不同，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力，称为热应力。

1．热应力的形成过程图2-19～图2-23

下面通过框形铸件的冷却过程来分析热应力的形成原因。

（1）金属材料的塑性状态和弹性状态

材料在再结晶温度（钢材约为620～650~C）以上时处于塑性状态，此时在较小的外力下即可发生塑性变形，而且变形后应力自动消除，不会残留在工件内部。

固态金属材料在再结晶温度以下时，金属处于弹性状态。

此时，在外力作用下材料发生弹性变形，变形后应力不会自动消除，将残留在工件内部。

（2）框形铸件的特点

框形铸件如图2-19所示，左右两侧的杆件Ⅱ直径较小，冷却速度较快，中部的杆件I直径较大，冷却速度较慢。

3个杆件通过上下两个横杆联结为一个整体。

最后画出杆件I和杆件Ⅱ的冷却曲线如图2-20所示。

曲线上4个重要时间点t0、t1、t2和t3将冷却过程划分为3个阶段。

讲图2-21、图2-22、图2-23。

2．铸件的变形

具有残余应力的铸件的尺寸形状是不稳定的，将自发通过变形来减缓和释放内部应力，以便趋于稳定状态。

为了防止铸件变形或减少变形量，可以采取以下措施。

（1）结构方面：

设计时应该尽量使铸件的壁厚均匀，形状对称，确保铸件各个部分能够自由收缩。

（2）工艺方面：

采用同时凝固原则。

（3）时效处理：

包括人工时效和自然时效。

3．同时凝固原则

对于壁厚单向递增的工件，将浇口设置在薄壁处，并在厚壁处安放冷铁，如图2-25所示。

这样薄壁部位维持高温时间延长，厚壁部位冷却速度加快，减小了它们之间的温度梯度，从而减小内应力。

4．铸件的时效处理

在大型机械厂中常常会看到大量铸件被放在室外露天场地中，任其日晒雨淋，其实这就是对铸件的自然时效处理。

通过时效处理可以缓慢消除或减少铸件内部的残余应力，稳定组织和尺寸，让铸件充分变形后再进行切削加工，这样可以防止零件切削加工后再发生变形而不能达到要求的形状精度。

对于一些小型铸件，可以通过振动方式释放内应力，也可以将其加热到550—650℃进行去应力退火，这种时效方式叫人工时效。

由于零件在粗加工时也会产生应力，因此时效处理宜安排在粗加工之后进行，以便将零件上所有应力一并消除。

2.1.4常用合金铸件的生产

1．铸铁及其分类

铸铁材料的含碳量为2.5％～4.0％，具有优良的铸造性能，且资源丰富、冶炼方便、价格低廉。

根据碳的存在形式，铸铁件分为3种类型：

（1）白口铸铁

（2）灰口铸铁应用最多，还有细分。

（3）麻口铸铁

2．灰口铸铁的特性和应用

（1）灰口铸铁的性能（5条，P23）

（2）灰口铸铁的种类（3种，P23～24）

（3）灰口铸铁的牌号HT※※※（例如HT250，灰铁，抗拉强度250MPa）

（4）灰口铸铁的孕育处理改变体内石墨的形态、数量、大小、分布，提高或改善铸件的机械性能。

（5）灰口铸铁的应用表2-1P24

3．球墨铸铁的特性和应用

（1）球墨铸铁的生产方法（球化剂：

金属镁或稀土镁；孕育剂：

75%～95%硅铁）

（2）球墨铸铁的主要特点P25（4条）

（3）球墨铸铁的牌号、性能及用途QT※※※表2-2P25

4．可锻铸铁的特性和应用P25

（1）可锻铸铁的特点

（2）可锻铸铁的应用KTH※※※——黑心可锻、KTZ※※※——珠光可锻

5．蠕墨铸铁的特性和应用P26

（1）蠕墨铸铁的特性

（2）蠕墨铸铁的应用

6．铸钢及其应用

铸钢也是一种重要的铸造合金，其产量仅次于灰口铸铁件。

（1）铸钢的分类、‘

按化学成分的不同，铸钢主要分为以下两种类型。

①铸造碳钢：

以铸造中碳钢应用最广泛，而铸造低碳钢和铸造高碳钠使用较少。

②铸造合金钢：

在碳钢的基础上加人少量的合金元素，如锰、铬、钼、钒等。

例如：

ZGMnl3为铸造耐磨钢；ZGlCrl8Ni9为铸造不锈钢。

（2）铸造碳钢的牌号

铸造碳钢的牌号由ZG（“铸钢”的汉语拼音）的缩写加上两组数字组成，前一组代表屈服强度值，后一组代表抗拉强度值。

例如ZG200-400、ZG340-640、

（3）铸钢的机械性能

铸钢不仅强度高，而且具有良好的塑性和韧性，适合于铸造形状复杂、强度和韧性要求都较高的零件。

此外，铸钢的焊接性能好，便于采用铸-焊联合结构制造大型铸件。

因此，铸钢在重型机械的制造中应用广泛。

（4）铸钢件的铸造工艺

铸钢的熔点高，钢液易氧化和吸气，流动性差，收缩大。

因此，铸造困难，易产生浇不足、气孔、缩松、缩孔、夹渣和粘砂等缺陷。

在生产铸钢件时，应注意以下凡点。

①要求型砂的耐火度高，有良好的透气性和退让性。

②应严格控制浇注温度，防止过高或过低。

③铸钢件必须热处理。

2.1.5合金的铸造工艺

1．造型方法的选择

根据造型时铸型材料的不同，主要有砂型铸造和特种铸造两种形式。

（1）砂型铸造①手工造型；②机器造型

（2）特种铸造①金属型铸造；②压力铸造；③熔模铸造；④低压铸造；⑤离心铸造；⑥陶瓷铸造

2．铸造工艺图

（1）铸造工艺图的构成P27图2-30

（2）浇注位置的选择P28图2-31；图2-32；图2-33；图2-34；图2-35

（3）分型面的选择P29图2-36；图2-37；图2-38；图2-39

（4）工艺参数的确定

①加工余量

②最小铸孔

③铸造收缩率

④起模斜度图2-40

⑤铸造圆角图2-41

⑥型芯和型芯头图2-42

2.1.6铸件结构设计

1．铸件外形设计P31图2-43；图2-44；图2-45；三条准则

2．铸件的内腔设计P32图2-46；图2-47；二条准则

3．铸件壁厚设计

（1）合理设计铸件壁厚2条准则

（2）铸件壁厚应均匀，避免厚大截面P33图2-48；图2-49；

（3）避免铸件壁的锐角连接图2-50

（4）应减缓筋、辐收缩时的阻碍图2-51

（5）筋设计应避免交叉接头图2-52

（6）避免出现过大的水平面图2-53；图2-54；

2.2固态成型——压力加工

2.2.1压力加工概述

1．压力加工的种类

①轧制；图2-58

②挤压；图2-59

③锻压；图2-60

2．压力加工的特点

①压力加工件性能优良；

②材料利用率高；

③生产效率高；

④固态成形；

2.2.2塑性成形理论

1．塑性变形及其实质P37图2-61；图2-62

2．塑性变形对材料组织和性能的影响P37；3条

3．纤维组织及其应用P37～P383条图2-63；图2-64；图2-65；图2-66

4．回复和再结晶图2-67

5．冷变形和热变形

6．材料的可锻性

①化学成分对金属可锻性的影响

②变形温度对金属可锻性的影响

③应力状态对金属可锻性的影响

2.2.3锻造分为自由锻和模型锻

1．自由锻基本工序

（1）鐓粗图2-71；图2-72；

（2）拔长图2-73

（3）弯曲图2-74；图2-75；图2-76

（4）错移图2-77

（5）冲孔图2-78

2．锻件分类及成形方案表2-4

3．模型锻造综述

（1）锻模的组成图2-80；图2-81

（2）锻模模膛预锻模膛；终锻模膛

（3）制坯模膛拔长——图2-82；滚压——图2-83

（4）弯曲模膛图2-84

（5）切断模膛

坯料在模膛的填充过程

①自由填充；②初步成形；③强迫填充；④锻足成形

模膛中飞边结构的用途

4．模锻工艺设计

（1）选择分模面

（2）确定锻模件的机械加工余量、公差和敷料图2-91

（3）确定模锻斜度图2-92

（4）确定模锻圆角半径图2-93

（5）设计冲孔连皮图2-94

（6）确定模锻工步并选择模膛种类图2-95；图2-96

5．模锻的结构工艺性

（1）模锻件的结构工艺性5条图2-97；图2-98

（2）自由锻件的结构工艺性4条图2-99；图2-100；图2-101；图2-102

2.2.4板料冲压

板料冲压的特点3条P50

1．分离工序

（1）落料和冲孔图2-105；图2-106

（2）修整图2-107

（3）切断

2．变形工序

（1）拉深图2-108

（2）弯曲图2-109

3．板料冲压的结构工艺性

（1）冲裁件的结构工艺性2条图2-110；图2-111

（2）弯曲件的结构工艺性3条图2-112；图2-113

（3）拉深件的结构工艺性3条图2-114；

2.3连接成型——焊接

2.3.1焊接的特点和分类

（1）焊接的特点P536条

（2）焊接的分类熔焊、压力焊、钎焊及封粘

2.3.2熔焊P54

1．电弧焊工作原理图2-117

（1）电弧焊的特点3个基本要素

（2）焊接电弧

（3）焊接设备①交流焊机；②直流焊机

（4）正接法和反接法

①正接法焊件正极，焊条接负极，用于厚板及酸性焊条

②反接法焊件负极，焊条接正极，用于薄板、碱性焊条，及低合金钢、铝合金。

2．焊条

（1）焊条的组成焊芯；药皮

（2）焊条的种类按焊接材料分，普低合金钢焊条（结构钢，如T422等）等

（3）酸性焊条和碱性焊条

酸性焊条：

SiO2；Fe2O3等

碱性焊条：

CaO；MnO等低氢焊条

焊条用法：

P564条

（4）电焊条选用原则P564条

3．焊接接头形式的选择与设计P57图2-120

4．焊接接头的组织与性能P57讲图2-121

①熔合区；②过热区；③正火区；④部分相变区；

改善热影响区组织和性能的方法P583条

5．焊接变形和焊接应力

（1）焊件变形的基本形式图2-122

（2）焊接变形与应力危害P583条

（3）焊接应力的防止及消除4条讲图2-123；图2-124；图2-125；图2-126；图2-127

6．埋弧自动焊图2-128

7．气体保护焊

（1）氩弧焊用于易氧化的有色金属和合金钢（铝、钛、不锈钢）图2-129；图2-130

（2）CO2气体保护焊主要用于薄板（汽车生产线）

2.3.3压力焊

1．电阻焊原理P61

利用电流通过焊件接触处的电阻热将局部加热到塑性或熔化状态，加压熔接。

（1）电阻焊的基本要素热源——电阻热；压力——熔接

（2）电阻焊过程预压——加热——熔接固化

（3）电阻焊类型点焊、缝焊、对焊

2．点焊P62图2-131；图2-132

3．缝焊图2-133

4．对焊电阻对焊；闪光对焊图2-134

2.3.4碳钢的焊接

1．金属材料的可焊性

（1）碳当量指标

（2）可焊性评价①W（CE）<0.4%；②0.4%≤W（CE）≤0.6%；③W（CE）>0.6%

2．低碳钢的焊接P64

3．中高碳钢的焊接

（1）中碳钢的焊接特点2条

（2）高碳钢的焊接特点

（3）中高碳钢的焊接方法要点：

3条

4．低合金结构钢的焊接

（1）低合金钢的焊接特点

（2）低合金钢的焊接工艺

2.3.5焊接件结构设计

1．焊件材料的选择P65①②③

2．焊接方法的选择

（1）生产单件3条

（2）生产批量3条

（3）生产不锈钢、铝合金、铜合金结构件2条

3．焊缝的布置

图2-135；图2-136；图2-137；图2-138；图2-139

2.4毛坯的选材

1．材料的使用性能原则

（1）分析零件的工作条件，提出使用性能要求表2-6

（2）选材主要事项①②③④

2．材料的工艺性能原则

（1）铸造性能

（2）锻压性能

（3）焊接性能

（4）切削加工性能

（5）热处理工艺性能

（6）粘接固化性能

3．经济性原则

（1）材料价格表2-7

（2）加工费用

（3）资源供应

4．选材的一般方法图2-140

习题：

1；2；3；4；

8；9；10；11；

14；15；16；17

第三章金属切削基础知识（6学时）

学习目标：

P73

3.1零件表面的成形运动P74图3-1

1．轨迹法；2．成形法；3．展成法；4．相切法讲图3-2

3.2切削运动和切削用量P77

3.2.1切削运动表3-1

1．主运动

2．进给运动

3.2.1切削用量

1．切削用量

（1）切削速度

①主运动为旋转，切削速度为最大线速度

m/s

②主运动为往复直线运动

m/s

（2）进给量

①单齿刀具；②多齿刀具；③每齿进给量

（3）吃刀量

2．切削用量对加工的影响

（1）切削用量对加工质量的影响P78①、②、③

（2）切削用量对生产效率的影响

粗加工较大切削深度，较大进给量，较低切削速度

精加工较小切削深度，较小进给量，较高切削速度

3．切削用量的选择P79

（1）切削深度、

（2）进给量、（3）切削速度

4．加工表面和切削层参数讲图3-5

三个切削表面：

已加工面，加工面、待加工面

切削厚度、切削宽度、切削面积、残留面积

3.3金属切削刀具

3.3.1刀具的分类

（1）切刀类

（2）拉刀类

（9）数控机床刀具类

3.3.2刀具材料应具备的性能

1．高硬度和高耐磨性

2．足够的强度与冲击韧性

3．良好的耐热性

4．良好的工艺性和经济性

3.3.3常用刀具材料

1．高速钢图3-8；图3-9～图3-11

2．硬质合金图3-12；图3-13

3．其他刀具材料

（1）涂层刀具图3-14

（2）金刚石刀具图3-15

（3）陶瓷刀具图3-16

（4）立方氮化硼图3-17

3.3.4刀具角度图3-22

1．车刀切削部分的组成图3-23

前刀面；主后面；副后面；主切削刃；副切削刃；刀尖

2．定义刀具角度的辅助平面图3-24

3．刀具角度的定义6个角度图3-25

4．刀具角度的合理选择

（1）前角大，锋利，

（2）后角

（3）主偏角和副偏角P86图3-26；图3-27；图3-28

（4）刃倾角影响排屑图3-29；图3-30

3.4金属切削过程P87

3.4.1切削的形成及切屑变形

1．切屑类型

带状切屑；节状切屑；粒状切屑；崩碎切屑图3-34

2．切削过程中的塑性变形P88图3-35三个变形区

3．切屑变形P89图3-36

4．影响切屑变形的因素

（1）、

（2）、（3）、

3.4.2积屑瘤P90图3-37

1．积屑瘤的成因

2．积屑瘤对切削过程的影响图3-38

3．积屑瘤的控制

（1）、

（2）、（3）图3-39

3.4.3切削力和切削功率P91

1．切削力的来源图3-40

2．切削力的分解

3．切削力的估算

4．切削功率的计算

5．影响切削力的因素

（1）、

（2）、（3）、（4）、（5）

3.4.4切削热

1．切削热的来源图3-43

2．切削热的传出

3．切削热对加工的影响

3.4.5切削温度

1．切削温度的测定

2．影响切削温度的因素五条

3.4.6切削液及其应用

1．切削液的用途

冷却；润滑；清洗；防锈

2．切削液的分类

水；油；乳化液

3．切削液的合理选用

（1）、

（2）、（3）、（4）

3.4.7材料切削性能的改善P97

1．影响材料切削性能的因素表3-2

2．改善材料切削性能的方法

（1）调整化学成分；

（2）热处理改善金相组织

3.5刀具磨损、破损和刀具寿命

3.5.1刀具的磨损形式图3-44

1．前刀面的磨损

2．后刀面的磨损

3．同时磨损

3.5.2刀具的磨损原因

1．磨料磨损图3-45

2．粘接磨损

3．扩散磨损

3.5.3刀具的磨损过程图3-46

1．初期磨损

2．正常磨损

3．急剧磨损图3-47

3.5.4影响刀具磨损的因素切削用量；刀具材料；刀具角度；加工条件

3.5.5刀具寿命和耐用度

1，刀具寿命

2．刀具耐用度

3.5.6刀具的破损表3-3P102

3.6金属切削机床简介P103

3.6.1机床的分类

1．车床：

用于加工回转体零件图3-48

2．钻床：

用于粗加工孔图3-50

3．镗床：

用于加工尺寸较大的孔和非标准孔图3-51

4．磨床：

用于对零件表面精加工图3-52

5．铣床：

用于平面和成形面加工图3-53

6．刨插床：

用于平面和沟槽加工图3-54

7．滚齿机：

用于加工齿轮

8．螺纹机床：

专用加工螺纹

9．拉床：

用于高效率加工平面和孔

3.6.2机床的型号

3.6.3机床的结构

3.6.4机床的技术指标

习题

一，简答（1～6）

二，作图题（角度要标注）

第四章外圆面加工工艺与装备（8学时）

学习目标：

P113

4.1车削加工及装备

4.1.1车削的特点和应用

1．车削加工的工艺特点P114

（1）、

（2）、（3）、（4）

2．车削加工的应用图4-1

4.1.2车削设备P115

1．车床

（1）卧式车床图4-2

（2）立式车床图4-3

（3）转塔车床图4-4

（4）自动车床图4-5

（5）数控车床图4-6

2．车刀

（1）外圆车刀P118图4-7、图4-8、图4-9

（2）端面车刀图4-10

（3）内孔车刀图4-11

（4）切断刀图4-12

（5）螺纹车刀图4-13

3．车床夹具及装夹方法

（1）三爪卡盘（动力夹紧式、图4-15；手动夹紧式图4-16）

（2）四爪卡盘（动力夹紧式、图4-17；手动夹紧式图4-18）

（3）顶尖图4-19

装夹方法P121①、②、③、④、⑤、⑥

4.1.3外圆车削工艺

1．车削过程P122

（1）车削前的准备

（2）工件的装夹图4-22

（3）工件的校正图4-23

（4）车刀的选用图4-24

（5）车削量选择图4-25

（6）车外圆的操作步骤P123图4-26①、②、③、④、⑤、⑥

2．车削方式（能达到的最低粗糙度）

（1）荒车；

（2）粗车；（3）半精车；（4）精车；（5）精细车

4.1.4加工实例

要求学生读图，看懂图4-27、图4-34的加工要求。

规划加工步骤。

4.2磨削加工与装备

4.2.1磨削的特点和应用

1．磨削加工的工艺特点P127①、②、③、图4-35、图