《机械制造基础》全套电子教案(完整版)PPT幻灯片课件.ppt

机械制造基础 主讲 王凤良 1 绪论 一 本课程的性质和内容 二 机械制造技术的发展及其作用 三 本课程的学习目的和学习方法 南山学院 2 一 本课程的性质和内容 1 本课程的性质 2 本课程的内容 生产准备 毛坯制造 机械加工 装配调试 车 铣 刨 磨 钻 镗等 组装 部装 总装 铸造 锻造 焊接 冲压等 机电类专业的主干专业基础课 机械制造 将原材料制成零件的毛坯 将毛坯加工成机械零件 再将零件装配成机器的整个过程 市场调查 购买原材料 南山学院 3 二 机械制造技术的发展及其作用 南山学院 1 作用 机械制造技术是国民经济的支柱产业 是衡量一个国家现代化程度的重要标志之一 2 机械制造技术的发展史 1 人类社会的划分是以材料为依据的 2 我国古代在材料和机械制造方面的辉煌成就 4 三 本课程的学习目的和学习方法 南山学院 1 目的 1 了解和掌握常用的工程材料 2 了解和掌握铸造 锻造 焊接 切削加工和特种加工 3 熟悉机械制造全过程 并了解现代机械制造技术 2 学习方法 5 第一章金属材料的力学性能 南山学院 引言 1 金属材料的性能 使用性能 指材料在使用过程中所表现的性能 主要包括力学性能 物理性能和化学性能 工艺性能 指在制造机械零件的过程中 材料适应各种冷 热加工和热处理的性能 2 金属材料力学性能 包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 冲压性能 切削加工性能和热处理工艺性能等 指材料在外力作用下表现出来的性能 主要有强度 塑性 硬度 冲击韧度和疲劳强度等 6 第一节强度与塑性 南山学院 一 材料的拉伸曲线 1 oe段 直线 弹性变性 2 es段 曲线 弹性变形 塑性变形 5 b点 出现缩颈现象 即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低 拉伸力达到最大值 试样即将断裂 3 ss 段 水平线 略有波动 明显的塑性变形屈服现象 作用的力基本不变 试样连续伸长 4 s b曲线 弹性变形 均匀塑性变形 第一章金属的力学性能 7 南山学院 强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 一 强度的指标 2 抗拉强度 指试样拉断前所承受的最大拉应力 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 1 屈服点 b Fb S0 当材料的内应力 b时 材料将产生断裂 b常用作脆性材料的选材和设计的依据 符号 s材料产生屈服现象时的最小应力 s Fs S0 Fs 试样屈服时所承受的拉伸力 N S0 试样原始横截面积 mm 1 1强度与塑性 8 南山学院 二 塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力 评定指标是断后伸长率和断面收缩率 1 断后伸长率 2 断面收缩率 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比 指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 L1 L Lx100 L 标距 本实验L 100 L1 拉断后的试件标距 将断口密合在一起 用卡尺直接量出 A0 A1 A0 x100 A0 试件原横截面积 A1 断裂后颈缩处的横截面积 用卡尺直接量出 1 1强度与塑性 9 第二节硬度 南山学院 引言 1 定义 指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力 它是衡量材料软硬程度的指标 其物理含义与试验方法有关 2 硬度的测试方法 1 布氏硬度 2 洛氏硬度 3 维氏硬度 4 肖氏硬度 第一章金属的力学性能 10 南山学院 1 布氏硬度试验 布氏硬度计 原理 用一定直径的球体 淬火钢球或硬质合金球 以相应的试验力压入待测材料表面 保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力 测量材料表面压痕直径 以计算硬度的一种压痕硬度试验方法 2 布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示 如 120HBS500HBW 4 测量范围用于测量灰铸铁 结构钢 非铁金属及非金属材料等 一 布氏硬度 3 优缺点 1 测量值较准确 重复性好 可测组织不均匀材料 铸铁 2 可测的硬度值不高 3 不测试成品与薄件 4 测量费时 效率低 1 2硬度 11 南山学院 1 洛氏硬度试验 洛氏硬度计 原理 用金刚石圆锥或淬火钢球 在试验力的作用下压入试样表面 经规定时间后卸除试验力 用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验 2 洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示 可从表盘上直接读出 如 50HRC 4 测量范围用于测量淬火钢 硬质合金等材料 二 洛氏硬度 3 优缺点 1 试验简单 方便 迅速 2 压痕小 可测成品 薄件 3 数据不够准确 应测三点取平均值 4 不应测组织不均匀材料 如铸铁 1 2硬度 12 南山学院 1 维氏硬度试验 原理 用夹角为136 的金刚石四棱锥体压头 使用很小试验力F 49 03 980 07N 压入试样表面 测出压痕对角线长度d 2 维氏硬度值用压痕对角线长度表示 如 640HV 4 测量范围常用于测薄件 镀层 化学热处理后的表层等 三 维氏硬度 3 优缺点 1 测量准确 应用范围广 硬度从极软到极硬 2 可测成品与薄件 3 试样表面要求高 费工 1 2硬度 13 第二章金属的晶体结构与结晶 第一节金属的晶体结构 一 晶体结构的基本知识 1 晶体与非晶体 晶体的特点是 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列 具有一定的熔点 如铁的熔点为1538 铜的熔点为1083 晶体的性能随着原子的排列方位而改变 即单晶体具有各向异性 14 非晶体的特点是 原子在三维空间呈不规则的排列 没有固定熔点 随着温度的升高将逐渐变软 最终变为有明显流动性的液体 如塑料 玻璃 沥青等 各个方向上的原子聚集密集大致相同 即具有各向同性 2 晶格与晶胞 2 1金属的晶体结构 15 二 常见金属的晶格类型 体心立方晶格 每个晶胞原子数n 8 1 8 1 2 个 属于体心立方晶格类型的金属有 Fe 912 以下的钝铁 铬 钼 钨等 面心立方晶格 每个晶胞中的原子数为n 8 1 8 6 1 2 4 个 属于面心立方晶格类型的金属有 Fe 1394 912 的钝铁 铝 铜 银等 密排六方晶格 密排六方晶胞中的原子数n 12 1 6 2 1 2 3 6 个 2 1金属的晶体结构 16 三 金属的实际晶体结构 单晶体与多晶体 单晶体即原子排列得非常整齐 晶格位向完全一致 且无任何缺陷存在 多晶体即由许多位向不同的晶体组成 且其内部还存在着多种晶体缺陷 金属的晶体缺陷 点缺陷 线缺陷 面缺陷 2 1金属的晶体结构 17 第二节金属的结晶 物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固 如果凝固的固态物质是原子 或分子 作有规则排列的晶体 则这种凝固又称为结晶 1 冷却曲线与过冷现象 2 金属的结晶过程 3 晶粒大小对金属力学性能的影响 4 细化晶粒的方法 增加过冷度 进行变质处理 附加振动 2 2金属的结晶 18 第三节合金的晶体结构与结晶 一 合金的基本概念 1 合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质 2 组元 组成合金的基本的物质称为组元 3 合金系 给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金 构成一个合金系 4 相 相是指在金属组织中化学成分 晶体结构和物理性能相同的组分 5 组织 组织泛指用金相观察方法看到的由形态 尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体 2 3合金的晶体结构与结晶 19 二 合金的相 根据构成合金各组元之间相互作用的不同 固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类 1 固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相 称为固溶体 2 金属化合物 金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相 3 机械混合物 机械混合物是合金中的一类复相混合物组织 不同的相均可互相组合形成机械混合物 2 3合金的晶体结构与结晶 20 2 3合金的晶体结构与结晶 21 22 23 24 第一节铁碳合金的基本组织 1 铁素体 F 碳与 Fe形成的间隙固溶体 性能 强度和硬度低 塑性和韧性好 2 奥氏体 A 碳与 Fe形成的间隙固溶体 高温组织 在大于727 时存在 性能 塑性好 强度和硬度高于F 在锻造 轧制时常要加热到A 可提高塑性 易于加工 3 渗碳体 Fe3C 铁与碳形成的金属化合物 性能 硬度高 脆性大 4 珠光体 P F与Fe3C组成的机械混合物 性能 力学性能介于两者之间 5 莱氏体 Ld A与Fe3C组成的机械混合物 性能 硬度高 塑性差 第3章铁碳合金 25 第二节铁碳相图分析 引言 关于铁碳合金状态图1 概念 表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织 性能以及它们之间相互关系的图形 又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图 是通过实验的方法建立起来的 2 作用 是研制新材料 制定合金熔炼 铸造 压力加工和热处理等工艺的重要工具 第3章铁碳合金 26 第3章铁碳合金 27 一 铁碳相图分析 1 相图的坐标纵坐标 代表温度 横坐标 代表含碳量 2 几个概念纯铁钢铸铁共析钢亚共析钢过共析钢共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 第3章铁碳合金 28 3 特性点A点 纯铁的熔点1538 C点 共晶点1148 D点 渗碳体的熔点1227 S点 共析点727 G点 纯铁的同素异晶转变点912 E点 C在 Fe中最大溶解度1148 P点 C在 Fe中最大溶解度727 Q点 室温时C在 Fe中最大溶解度 第3章铁碳合金 29 4 特性线ACD 液相线 液相冷却至此开始析出固相 固相加热至此全部转化为液相 AECF 固相线 液态合金至此线全部结晶为固相 固相加热至此开始转化 GS A开始析出F的转变线 加热时F全部溶入A 又称A3线 ES C在A中的溶解度曲线 又称Acm线 ECF 共晶线 含C量2 11 6 69 的铁碳合金至此发生共晶反应 结晶出A与Fe3C混合物 莱氏体Ld PSK 共析线 含C量在0 0218 6 69 的铁碳合金至此反生共析反应 产生珠光体P 又称A1线 第3章铁碳合金 30 第三节铁碳相图的应用 1 选用材料 由铁碳相图可知 合金中随着含碳量的不同 其组织各不相同 从而导致其力学性能不同 因此 我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料 2 叛断切削加性能 低碳钢中铁素体较多 塑性好 加工性不好 中碳钢中铁素体含量比例适当 钢的硬度适当 易于加工 3 制定热加工工艺 在铸造工艺方面 根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度 含碳量为4 3 的铸铁铸造性最好 在锻造工艺方面 可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区 4 应用于热处理生产 由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化 可以进行热处理 并且可以正确选择加热温度 第3章铁碳合金 31 第四章钢的热处理 引言 1 热处理的概念 2 热处理的目的 将固态钢材采用适当的方式进行加热 保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺 1 提高钢的力学性能 2 改善钢的工艺性能 32 第一节钢的热处理原理 根据工艺类型 工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为 1 整体热处理 2 表面热处理 表面淬火 气相沉积 3 化学热处理 渗碳 氮化 碳氮共渗 退火 正火 淬火 回火 第4章钢的热处理 33 热处理的理论依据 第4章钢的热处理 34 第一节钢的退火与正火 1 概念 将钢加热到适当温度 保持一定时间 然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺 2 目的 1 降低硬度 提高塑性 改善加工性能 2 细化晶粒 消除组织缺陷 3 消除内应力 一 钢的退火 第4章钢的热处理 35 3 分类 根据钢的成分和处理目的的不同 可分为完全退火 球化退火和去应力退火 1 完全退火1 定义 将钢加热Ac3以上30 50 C 完全奥氏体后 保温一定时间随之缓慢冷却到500 C以下 出炉空冷 2 目的 细化晶粒 消除内应力 降低硬度 以利于切削加工 3 适用范围 亚共析钢型材 第4章钢的热处理 36 2 球化退火1 定义 将钢加热到Ac1以上20 30 C 保温后随炉缓冷至600 C 出炉空冷 2 目的 降低硬度 提高塑性 改善切削加工性能 3 适用范围 主要用于过共析钢及合金工具钢 第4章钢的热处理 37 3 去应力退火1 定义 将钢加热到500 600 C 保温后随炉缓冷至200 300 C出炉空冷 又称低温退火 2 目的 消除铸件 锻件和焊接件的内应力 没有发生组织变化 3 适用范围 用于所有的钢 第4章钢的热处理 38 二 钢的正火 1 概念 将钢件加热到Ac3或Accm线以上30 50 C 保温适当的时间后 在空气中冷却的热处理工艺 2 目的 1 对低碳钢 可细化晶粒 提高硬度 改善加工性能 2 对中碳钢 可提高硬度和强度 作为最终热处理 3 对高碳钢 可为球化退火作准备 第4章钢的热处理 39 退火与正火的加热温度范围 第4章钢的热处理 40 第二节钢的淬火与回火 2 目的 提高钢的硬度 强度和耐磨性并保持足够的韧性 1 概念 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度 保持一定时间后 快速冷却的热处理工艺 一 钢的淬火 第4章钢的热处理 41 3 淬火剂 水 矿物油 盐水和碱水等 为了保证获得所需淬火组织 又要防止变形和开裂 必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决 通常的淬火方法包括单液淬火 双液淬火 分级淬火等 如图所示 4 淬火方法 第4章钢的热处理 42 4 淬火方法 1 单液淬火 将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温 特点 操作简单 容易实现自动化 2 双液淬火 先水后油 或先油后空气 特点 可防止变形与开裂 3 分级淬火 先放入一定温度的盐浴或碱浴中 再空冷 特点 有效减小内应力 防止变形与开裂 但只适于小尺寸工件 第4章钢的热处理 43 三 钢的回火 1 回火的概念 将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度 保温一定时间后 然后冷却到室温的热处理工艺 2 回火的目的 降低淬火钢的脆性 提高韧性 调整硬度 消除内应力 稳定工件的尺寸 获得所需要的力学性能 第4章钢的热处理 44 3 回火的种类按回火温度的不同 回火可分以下三种 低温回火 150 C 250 C中温回火 350 C 500 C高温回火 500 C 650 C 第4章钢的热处理 45 1 低温回火 150 250 C目的 保持淬火钢的高硬度和高耐磨性 降低淬火应力 减少钢的脆性 硬度为58 64HRC 主要用于 刃具 量具 模具 滚动轴承 渗碳淬火件和表面淬火件 2 中温回火 350 500 C目的 获得高的弹性极限 屈服点和较好的韧性 又称弹性处理 硬度为35 45HRC 主要用于 弹性零件及热锻模具等 3 高温回火 500 650 C目的 获得良好的综合力学性能 又称调质处理 硬度为25 35HRC 主要用于 各种重要结构零件如螺栓 齿轮及轴承 第4章钢的热处理 46 第四节钢的表面热处理 引言 为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求 生产中广泛采用表面热处理的方法 即表面淬火和化学热处理 一 表面淬火1 概念 指仅改变钢的表层组织的局部热处理工艺 第4章钢的热处理 47 2 种类火焰加热表面淬火 用氧 乙炔火焰喷射到工件表面 使其被快速加热到淬火温度 并立即喷水冷却的操作方法 适用于含C0 35 0 7 的中碳钢和中碳合金钢 如45 40Cr 感应加热表面淬火 用一定频率的感应电流使工件表面被快速加热到淬火温度 并立即喷水冷却的操作方法 适用于含C0 4 0 5 的中碳钢和中碳合金钢 如40 40Cr 第4章钢的热处理 48 第五节钢的化学热处理 引言1 概念 将钢置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入其表层 以改变其化学成分 组织和性能的热处理工艺 2 分类 渗碳 渗氮 碳氮共渗 第4章钢的热处理 49 第六节钢的渗碳 概念 将钢放入渗碳的介质中加热并保温 使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳 目的 通过渗碳及随后的淬火和低温回火 使表面具有高的硬度 耐磨性和抗疲劳性能 而心部具有一定的强度和良好的韧性配合 渗碳方法 渗碳方法有气体渗碳 固体渗碳和液体渗碳 目前广泛应用的是气体渗碳法 渗碳用钢 含碳量为0 1 0 25 的低碳钢和低碳合金钢 第4章钢的热处理 50 第七节钢的渗氮 概念 渗氮俗称氮化 是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺 目的 是提高零件表面硬度 耐磨性 疲劳强度 热硬性和耐蚀性等 渗氮方法 气体渗氮 离子渗氮等 生产中应用较多的是气体渗氮 渗氮用钢 优质碳素结构钢 如20 40等 一般合金结构钢 如40Cr等 渗氮专用钢 如38CrMoAlA 第4章钢的热处理 51 第八节其它化学热处理方法 碳氮共渗 碳氮同时渗入工件表层 提高表面硬度 抗疲劳性和耐磨性 并兼具渗碳和渗氮的优点 渗铬 有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性 硬度和耐磨性 可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造 渗硼 十分优秀的耐磨性 耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力 耐磨性明显优于渗氮 碳和碳氮共渗层 但不耐大气和水的腐蚀 主要用于泥浆泵零部件 热作模具和工件夹具 第4章钢的热处理 52 第一节钢材及其生产过程 一 钢铁材料的生产过程铁矿石生铁钢钢锭 型材 铸铁 轧制 挤压 拉拔 锻造等压力加工方法 1 生铁的冶炼原料 铁矿石燃料 焦炭熔剂 石灰石设备 高炉 2 钢的冶炼原料 生铁 废钢燃料 焦炭熔剂 石灰石 氧化剂 脱氧剂设备 电弧炉 钢板 型钢 钢管 第5章工业用钢 53 高炉 第5章工业用钢 54 电弧炉 第5章工业用钢 55 第二节钢的分类与编号 钢 碳素钢 合金钢 1 按含碳量分 低碳钢0 0218 C 0 25 中碳钢0 25 C 0 6 高碳钢0 6 C 2 11 2 按质量和用途分 碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 易切削结构钢 铸钢 一 钢的分类 第5章工业用钢 56 二 钢的牌号及其应用 1 碳素结构钢 牌号 Q 屈服点数值 例如 Q195 Q275等 用途 薄板 铁丝 钉 小轴 螺栓等 2 优质碳素结构钢 牌号 用两位数字表示 该数字表示钢中平均含碳量的万倍 例如 08F 20 45 60等 用途 用作各种较重要的机器零件如 齿轮 主轴等 第5章工业用钢 57 3 碳素工具钢牌号 用 T 加数字表示 该数字表示钢中平均含碳量的千倍 如 T8 T9等 T8 表示碳的平均含碳量为0 8 的碳素工具钢 用途 用来制作各种刀具 量具和模具 4 易切削用钢 主要用在自动机床上加工大批量的零件 如螺钉 螺母等 其牌号如 Y20 表示易切削结构钢 其平均含碳量为0 2 5 铸钢 用于浇注成铸件的钢 其强度高于各类铸铁 同时具有良好的塑性和韧性 适于制造形状复杂 强度和韧性要求高的零件 如火车轮 大齿轮等 其牌号如 ZG230 450 第5章工业用钢 58 第三节杂质对钢性能的影响 1 硅和锰的影响 有益元素 不但可以溶于F中 产生强化作用 使钢的强度和硬度提高 而且Mn能消除硫对钢的危害 2 磷的影响 有害元素 使钢产生冷脆性 3 硫的影响 有害元素 使钢产生热脆性 第5章工业用钢 59 第四节合金钢 1 合金元素对钢性能的影响 引言 1 提高了钢的力学性能 2 提高了钢的淬透性 3 使钢具有某些特殊性能 钛 钒等合金元素的加入提高了钢的强度和硬度 细化了晶粒 也提高了塑性与韧性 铬 硅 镍 锰 硼等合金元素的加入提高钢的淬透性 铬 锰等合金元素的加入使钢具有了耐高温 耐热 耐磨 不生锈等特殊性能 第5章工业用钢 60 2 合金钢的分类与牌号 合金钢 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 机器合金结构钢 工程合金结构钢 普通低合金结构钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 合金刃具钢 合金弹簧钢 合金渗碳钢合金调质钢 合金轴承钢 合金模具钢 合金量具钢 低合金刃具钢 高合金刃具钢 高速钢 冷作模具钢 热作模具钢 没有专用钢种 第5章工业用钢 61 3 合金钢的牌号 1 合金结构钢的牌号 2 合金工具钢的牌号 两位数字 合金元素符号 数字 前两位数字表示平均含碳量的万倍 后面数字表示合金元素的百倍 如60Si2Mn 40Cr等 其牌号表示方法与合金结构钢类似 但其平均Wc 1 时不标出 当Wc 1 前面数字表示含碳量的千倍 如 9SiCr Cr12 5CrMnMo等 但高速钢不标含碳量 只写出合金元素符号及其含量 如 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 第5章工业用钢 62 一 合金结构钢 1 普通低合金结构钢 低碳 合金含量小于3 主加元素为Mn其强化了铁素体 提高了强度 V Ti等元素使晶粒细化 使韧性提高 在建筑 桥梁 车辆 船舶中应用广泛 以16Mn为最广 船舶 桥梁 第5章工业用钢 63 2 合金渗碳钢 含碳量为0 1 0 2 以保障心部具有足够的韧性 合金含量小于3 主加元素为Cr Mn 钛 钒 提高了淬透性 使晶粒细化 耐磨性提高 常用渗碳钢 主要用于表面要求硬而耐磨 心部具有足够强度和韧性的零件 如 汽车变速箱的齿轮等 以20Cr 20CrTiMn为最广 变速齿轮 拨叉 第5章工业用钢 64 3 合金调质钢 含碳量为0 25 0 5 主加元素为Cr Mn Si Ni等以提高淬透性和强化铁素体 调质钢具有良好的综合力学性能 合金调质钢广泛用于制造汽车 拖拉机 机床和其它机器上的各种重要零件 如齿轮 轴类件 连杆等 曲轴 连杆 常用调质钢 第5章工业用钢 65 4 合金弹簧钢 它具有高的弹性 疲劳强度及冲动韧度 含碳量为0 5 0 7 主加元素为Cr Mn Si等以提高淬透性和弹性极限 合金弹簧钢是一种专用结构钢 主要用于制造各种弹簧和弹性元件 拉力弹簧 离合器弹簧 常用弹簧钢 第5章工业用钢 66 5 滚动轴承钢 主要用来制造滚动轴承的滚动体 滚珠 滚柱 滚针 内外套圈等 属专用结构钢 碳质量分数一般为0 95 1 10 以保证其高硬度 高耐磨性和高强度 铬为基本合金元素 铬含量为0 40 1 65 高碳低铬 如 GCr15 滚珠轴承钢 第5章工业用钢 67 二 合金工具钢 合金工具钢是制造刃具 量具和模具的钢种 不仅有更高的硬度和耐磨性 还具有更高的红硬性 1 合金刃具钢 用途 主要用于制造各种金属切削刀具 如车刀 铣刀 钻头等 性能 1 高硬度 60HRC以上 2 高的耐磨性 3 高热硬性 4 足够的塑性和韧性 铣刀 英制模板刀 第5章工业用钢 68 合金工具钢的种类及牌号 1 低合金刃具钢 2 高速钢 最高工作温度不超过300 高碳 碳质量分数为0 9 1 1 以保证高硬度和高耐磨性 Cr Mn Si主要是提高钢的淬透性 Si还能提高钢的回火稳定性 W V能提高硬度和耐磨性 并防止加热时过热 保持细小的晶粒 高速钢是高合金刃具钢 具有很高的热硬性 高速切削中刃部温度达600 时 其硬度无明显下降 高碳 碳质量分数在0 70 以上 最高可达1 5 左右 加入Cr W Mo V等合金元素 Cr提高淬透性 W Mo保证高的热硬性 V提高耐磨性 细化晶粒 如 9SiCr 9Mn2V 如 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 常用合金刃具钢和高速钢 第5章工业用钢 69 2 合金量具钢 用途 量具用钢用于制造各种测量工具 如卡尺 千分尺 块规 性能要求 1 高硬度 大于56HRC 和高耐磨性 2 高尺寸稳定性 在存放和使用过程中 尺寸不发生变化 螺纹规 游标卡尺 千分尺 第5章工业用钢 70 3 合金模具钢 合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢两大类 冷作模具钢 用途 冷模具用于制造各种冷冲模 冷镦模 冷挤压模和拉丝模等 工作温度不超过200 300 热作模具钢 如 9Mn2V CrWMn 用途 热作模具钢用于制造各种热锻模 热压模 热挤压模和压铸模等 工作时型腔表面温度可达600 以上 如 5CrMnMo 5CrNiMo 性能要求 高硬度 58 62HRC 高耐磨性 足够的韧性和疲劳抗力 第5章工业用钢 71 量具用钢的选用举例 第5章工业用钢 72 三 特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢 它主要包括不锈钢 耐磨钢等 1 不锈钢 能抵抗大气 酸 咸或其它介质腐蚀的钢 不锈钢在石油化工 国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用 例如化工装置中的各种管道 阀门和泵 医疗手术器械 防锈刃具和量具等 根据不锈钢室温下组织的不同 常用的不锈钢可分三种 马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 第5章工业用钢 73 马氏体型不锈钢 如 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 不锈钢船用螺旋桨 不锈钢剪刀 含碳为0 1 0 4 含铬为12 13 主要用于力学性能要求不高 耐蚀性要求较低的零件 如 第5章工业用钢 74 铁素体型不锈钢 这类钢的铬质量分数为17 30 碳质量分数低于0 15 主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件 例如容器和管道等 奥氏体型不锈钢 这类不锈钢属铬镍不锈钢 碳含量很低 约0 1 耐蚀性很好 如 1Cr17 1Cr17Ti等 如 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9等 第5章工业用钢 75 2 耐磨钢 就是高锰钢如 ZGMn13 履带 铁轨分道叉 破碎机颚板 挖掘机斗齿 第5章工业用钢 76 第六章铸铁 引言 1 何为铸铁 铸铁是碳质量分数大于2 11 并常含有较多的硅 锰 硫 磷等元素的铁碳合金 用于制造机床的床身 床头箱 发动机的汽缸体 机器的底座等 是工程上最常用的金属材料之一 箱体 启动阀 77 2 铸铁分几类 根据碳在铸铁中存在形式不同 可分三大类 1 白口铸铁 2 灰口铸铁 3 麻口铸铁 C的存在形式 渗碳体 Fe3C 断口为白色 性能硬而脆 难以切削加工 主要用作炼钢原料 高耐磨零件 如轧辊 犁铧等 C的存在形式 石墨 断口为灰黑色 C的存在形式 石墨 渗碳体 断口为黑白色 灰铸铁是铸造性能最好 应用最广泛的铸铁材料 性能 脆性大 很少使用 第六章铸铁 78 根据石墨 G 在铸铁中存在形态 可分为 普通灰铸铁 石墨呈片状 可锻铸铁 石墨呈团絮状 蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状 球墨铸铁 石墨呈球状 3 灰口铸铁的种类 第六章铸铁 79 第1节普通灰铸铁 一 灰铸铁的组织 灰铸铁有铁素体 珠光体 铁素体 珠光体 石墨三种基本组织 F 片状石墨 F P 片状石墨 P 片状石墨 第六章铸铁 80 由于石墨片对钢基体产生的割裂作用 破坏了钢基体的连续性 完整性 减少了钢基体的有效面积 使其抗拉强度低于钢 而塑性和韧性近于零 属于脆性材料 灰铸铁具有非常优良的铸造性能 二 灰铸铁的性能与应用 但其抗压强度与钢相近 因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构 如机座 机床床身 轴承等 叶轮 发动机飞轮 6 1普通灰铸铁 81 三 灰铸铁的牌号 HT 三位数字 数字表示最低抗拉强度 四 灰铸铁的热处理 如 HT150 HT200 HT250 热处理只能改变基体组织 不能改变石墨的形态和分布 对提高性能效果不大 通常对其进行热处理的方法和平共处目的是 1 消除内应力退火 2 高温退火 消除白口组织3 表面淬火 提高表面硬度 耐磨性和疲劳强度 6 1普通灰铸铁 82 第2节可锻铸铁 一 生产方法 先将铸铁浇注成白口铸铁 然后进行高温石墨化退火 使渗碳体分解得到团絮状石墨 二 可锻铸铁的组织 可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体 第六章铸铁 83 三 可锻铸铁的牌号 四 可锻铸铁的性能及应用 可锻铸铁较高的强度 塑性和冲击韧性 可以部分代替碳钢 可锻铸铁不可锻 铁素体可锻铸铁以 KT 表示 珠光体可锻铸铁以 KTZ 表示 其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率 如 KT350 10 KTZ600 3 可锻铸铁的牌号和机械性能 6 2可锻铸铁 84 第3节球墨铸铁 一 生产方法 在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获得球状石墨 得到球墨铸铁 二 球墨铸铁的组织 第六章铸铁 85 三 球墨铸铁的牌号 四 球墨铸铁的和机械性能 用 QT 标明 其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率 QT420 10 QT600 2 QT800 2 如 6 3球墨铸铁 86 六 球墨铸铁调质和正火后的组织性能 五 球墨铸铁的应用 具有与钢相近的力学性能 可代替钢和合金钢使用 球墨铸铁管道接口 6 3球墨铸铁 87 第4节蠕墨铸铁 一 生产方法 在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的 其方法与程序与球墨铸铁基本相同 二 蠕墨铸铁的组织 蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态 其石墨片的长厚比较小 端部较钝 呈蠕虫状 第六章铸铁 88 蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料 它的强度接近于球墨铸铁 并且有一定的韧性 较高的耐磨性 同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性 三 蠕墨铸铁的牌号 性能和应用 蠕墨铸铁以 RuT 表示 其后的数字表示最低抗拉强度 RuT300 RuT420 如 蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器 内燃机汽缸和缸盖 汽缸套 钢锭模 液压阀等铸件 牌号 性能 应用 排气管 进气管 6 4蠕墨铸铁 89 第5节特殊性能铸铁 在铸铁中加入某些合金元素 得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁 1 耐磨铸铁 加铬 2 耐热铸铁 Al Si Cr 扇形扩散器 托架 衬板 弯管 第六章铸铁 90 石墨呈片状 6 5特殊性能铸铁 91 石墨呈团絮状 6 5特殊性能铸铁 92 石墨呈球状 6 5特殊性能铸铁 93 石墨呈蠕虫状 6 5特殊性能铸铁 94 何为石墨 石墨是游离状态的碳 其强度 硬度 塑性 韧性很低 硬度仅为3 5HBS 伸长率近于零 铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨 石墨对基体产生割裂作用 因此 石墨的存在使铸铁的力学性能下降 其性能比钢低 不能锻造 且石墨的数量越多 越粗大 分布越不均匀 铸铁的力学性能越差 但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能 如铸造性能 减振性和减摩性等 6 5特殊性能铸铁 95 铸铁的石墨化 铸铁组织的类型取决于石墨化的程度 1 铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化 石墨化若能充分或大部分进行 则能获得灰口铸铁 反之将得到白口铸铁 石墨既可以从液体和奥氏体中析出 也可以通过渗碳体分解来获得 灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出 可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火 由渗碳体分解而得到 6 5特殊性能铸铁 96 2 影响石墨化的因素 冷却速度 缓慢冷却有利于石墨化 合金元素 C和Si强烈促进 S强烈阻碍 Mn阻碍 P微弱促进 6 5特殊性能铸铁 97 第二篇毛坯生产 1 毛坯生产 引言 毛坯 根据机器零件所要求的工艺尺寸 形状而制成的坯料 供进一步加工使用 以获得成品零件 2 毛坯生产方法 获得毛坯的生产过程就是毛坯生产 铸造 锻造 冲压 焊接等 常用的毛坯除型材外 主要有铸件 锻件 冲压件和焊接件 98 第十一章铸造 引言 1 铸造的概念 将经过熔化的液态金属浇注到与零件形状 尺寸相适应的铸型中 冷却凝固后获得毛坯或零件的一种工艺方法 铸造 2 铸造的方法 3 铸造的特点 砂型铸造 特种铸造 2 生产成本低 较为经济 1 成型方便 适应性强 3 铸件组织性能差 利用液态成形 适应各种形状 尺寸 不同材料的铸件 节省金属 材料来源广泛 设备简单 铸件晶粒粗大 力学性能差 第11章铸造 99 第1节砂型铸造 砂型铸造是以砂为主要造型材料制备铸型的一种铸造方法 目前90 以上的铸件是用砂型铸造方法生产的 一 砂型铸造的工艺过程 工艺准备 造型 落砂 合箱 浇注 造芯 清理 检验 熔炼金属 配砂 制模 第11章铸造 100 二 造型材料 制造铸型用的材料称为造型材料 砂型铸造使用主要是型砂和芯砂 它们是由砂 粘结剂和附加物组成 造型材料应具备以下性能 4 透气性 1 可塑性 3 耐火性 2 足够的强度 5 退让性 型砂和芯砂在外力作用下要易于成形 型砂和芯砂在外力作用下要不易破坏 型砂和芯砂在高温下要不易软化 烧结 粘附 型砂和芯砂紧实后要易于通气 型砂和芯砂在冷却时其体积可以被压缩 第1节砂型铸造 101 三 模样与芯盒 1 模样与芯盒是制造铸型和型芯的工具 2 模样形成铸件的外形 其外形相当于铸件的外部形状 型芯形成铸件的内腔形状 芯盒是制造型芯的工具 3 砂型铸造多用木材制造模样和芯盒 4 特种铸造用金属模 塑料模和其它模样 第1节砂型铸造 102 四 造型方法 按造型操作方法的不同 可分为 1 手工造型 2 机器造型 填砂 紧实 起模等主要有人工完成 操作灵活 生产率低 主要用于单件小批量生产 填砂 紧实 起模等实现机械化 生产率高 投资大 主要用于批量生产 主要方法有 主要方法有 整模造型 挖砂造型 三箱造型 活块造型 刮板造型 假箱造型 振压紧实 抛砂紧实 分模造型 第1节砂型铸造 103 五 造芯及合箱 1 造型芯 2 合箱 型芯的作用一是形成铸件的内腔 二是简化模型的外形 以制出铸件上的台和槽等 型芯采用比型砂更好的造型材料 造芯方法也有手工造芯和机器造芯两种 铸型的装配工序简称合箱 合箱前 在铸型中放好型芯 扣上上箱 放置浇口杯 合箱后 两箱要卡紧 防止错箱和抬箱 第1节砂型铸造 104 六 铸铁的熔炼及浇注 1 铸铁的熔炼设备有冲天炉和感应炉等 其原料有金属料 燃料和熔剂 2 浇注系统 引导金属液进入铸型型的通道 它包括浇口杯 直浇道 横浇道和内浇道四个部分组成 第1节砂型铸造 105 七 落砂 清理和检验 1 落砂 出箱的温度一般不高于500度 以免铸件产生内应力或开裂 清砂是清除型砂和芯砂的过程 有水力清砂和水爆清砂两种方法 2 清理 去除表面粘砂的方法有滚筒清理 喷射清理和抛丸清理等方法 3 检验 主要包括外观检验 内部检验 化学性能和金相检验等 将浇注成形后的铸件从型砂和砂箱中分离出来的工序 它分为出箱和清砂两个过程 有手工落砂和机械落砂两种方法 去除浇口 冒口 飞边 毛刺以及表面粘砂的工序 其任务是确定合格的铸件 去除有缺陷的铸件 第1节砂型铸造 106 第2节特种铸造 1 概念 3 常用的特种铸造方法 2 特种铸造的特点 引言 铸件精度高 力学性能好 生产率高 工人劳动条件好等 特种铸造是指砂型铸造以外的其他铸造方法 金属型铸造 压力铸造 熔模铸造 离心铸造 壳型铸造 第2节特种铸造 107 一 金属型铸造 将液态金属注入用金属制成的铸型中 以获得铸件的方法 1 工艺特点 一型多铸 铸件精度高 力学性能好 但成本高 主要用于大批大量生产铜 铝 镁等非铁合金铸件 2 工艺过程 金属型铸造 第2节特种铸造 108 二 熔模铸造 将蜡料制成模样 在上面涂以若干层耐火涂料制成型壳 然后加热型壳 使模样熔化 流出 并焙烧成有一定强度的型壳 再经浇注 去壳而得到铸件的一种铸造方法 1 工艺特点 以熔化模样为起模方式 铸件精度高 是少无切削加工的方法之一 其设备简单 生产批量不受限制 主要用于大批 大量生产 其缺点是工艺过程复杂 生产周期长 2 工艺过程 熔模铸造 第2节特种铸造 109 三 压力铸造 将熔融的金属在高压下 快速压入金属铸型的型腔中 并在压力下凝固 以得到铸件的一种铸造方法 1 工艺特点 高速高压 2 工艺过程 压力铸造 多用于非铁合金 如铝 铜 镁等 精密铸件的批量生产 第2节特种铸造 110 四 离心铸造 将熔融的金属浇入高速旋转的铸型中 使金属液在离心力的作用下凝固成形 以得到铸件的一种铸造方法 1 工艺特点 组织紧密 铸件质量好 2 工艺过程 离心铸造 用于生产空心铸件 第2节特种铸造 111 112 113 114 整模造型 115 刮板造型 116 假箱造型 117 挖砂造型 118 三箱造型 119 活块造型 120 砂型铸造 121 金属型铸造 122 熔模铸造 123 压力铸造 124 离心铸造 125 分模造型 126 第十二章锻压 引言 1 锻压的概念 借助于外力作用 使金属坯料产生塑性变形 从而获得所要求形状 尺寸和力学性能的毛坯或零件的一种压力加工方法 2 金属的塑性变形 金属在外力作用下 首先产生弹性变形 当外力超过一定限度后 会发生塑性变形 塑性变形是金属压力加工的理论基础 金属塑性变形的能力大小 主要取决于三个因素 1 金属的化学成分 3 变形时温度 2 组织结构 碳 合金含量越低 分布越均匀 塑性越好 钢的奥氏钵组织塑性最好 渗碳体最差 温度越高 塑性越好 127 3 锻压的特点 2 节约金属材料 1 改善金属组织 提高力学性能 3 较高的生产率 锻压的同时可消除铸造缺陷 均匀成分 形成纤维组织 从而提高锻件的力学性能 比如在生产六角螺钉时采用模锻成形就比切削加工效率约高50倍 比如在热轧钻头 齿轮 齿圈及冷轧丝杠时节省了切削加工设备和材料的消耗 4 锻压主要生产承受重载荷零件的毛坯 如机器中的主轴 齿轮等 但不能获得形状复杂的毛坯或零件 第12章锻压 128 4 锻压生产的分类 1 自由锻造 2 模样锻造 3 板料冲压 利用冲击力或静压力使经过加热的金属在锻压设备的上 下砧铁之间塑性变形 自由流动称为自由锻造 把金属坯料放在锻模模膛内施加压力使其变形的一种锻造方法 又简称模锻 将金属板料置于冲模之间 使板料产生分离或变形的加工方法 通常在常温下进行 也称冷冲压 第12章锻压 129 第一节锻造工艺 一 加热 1 目的 提高塑性能 降低变形抗力 以利于变形和获得良好的锻后组织 2 锻造温度范围 如图10 2 注 加热过高 过低 加热时间过短 过长都不利于锻压生产 二 自由锻造 1 特点 锻件成形主要靠工人的操作技能 采用通用设备和工具 只能生产形状简单的锻件 适用于单件小批生产 第12章锻压 130 2 基本工序 锻造的基本工序是指为了达到工件的形状和尺寸而进行的使金属发生变形的工艺过程 主要工序有 镦粗 拔长 冲孔 正挤压 弯曲 反挤压 复合挤压 二 模样锻造 以锻模模膛限制金属坯料的变形 从而获得锻件的成形方法 其特点是 可以锻造出质量好 形状较为复杂的锻件 生产率高 但设备吨位较大 锻模制造困难 费用高 适用于中 小型锻件的大批量生产 第12章锻压 131 第二节锻造设备 一 空气锤 利用压缩空气推动锻锤进行工作 以落下部分质量来表示锻造能力 常用吨位为65 750千克 用于锻造小型锻件 靠飞轮 螺杆和滑块向下运动时所积蓄的动能使锻件变形 二 蒸汽 空气锤 三 液压机 四 摩擦压力机 利用一定蒸汽或压缩空气推动锻锤进行工作 常用吨位为1 5吨 用于锻造中型锻件 是模锻的主要设备 常用吨位为5 150吨 用于锻造大型锻件 是大型锻件的唯一设备 利用高压水为动力进行工作 靠静压力工作 是模锻的主要设备 第12章锻压 132 第三节板料冲压 板料冲压可获得尺寸精度高 互换性好 形状复杂的零件 冲压件一般不需要进行切削加工 冲压操作简单 易于实现机械化 生产率高 一 冲压设备 剪床 冲床 油压机 二 冲压基本工序 1 冲裁工序 2 变形工序 使坯料的一部分与另一部分分离的工序 落料与冲孔 按封闭的轮廓线分离的工序 其变形过程和模具结构是相同的 落料是被分离的部分为成品 周边是废料 冲孔是被分离的部分是废料 周边是成品 使坯料的一部分相对另一部分产生位移而不破坏的工序 包括弯曲 拉深 翻边 成形工序等 第12章锻压 133 第12章锻压 134 第12章锻压 135 136 137 138 第12章锻压 139 第12章锻压 140 第12章锻压 141 第12章锻压 142 第12章锻压 143 空气锤 第12章锻压 144 空气锤 第12章锻压 145 液压机 第12章锻压 146 液压机 第12章锻压 147 液压机 第12章锻压 148 液压机 第12章锻压 149 第12章锻压 150 冲床 第12章锻压 151 冲床 第12章锻压 152 冲床 第12章锻压 153 冲床 第12章锻压 154 油压机 第12章锻压 155 油压机 第12章锻压 156 摩擦压机 第12章锻压 157 摩擦压机 第12章锻压 158 第二章焊接 引言 1 焊接的概念 通过加热或加压 或两者并用 并且用 或不用 填充材料 使焊件达到原子间结合的连接方法 加热可使被焊金属接头熔化 形成共同的熔池 凝固后连接起来 固态下焊接时需要加热或加压并加热 熔焊接时需要加热 加压力是使被焊金属的连接处产生塑性变形 以增加它们的真实接触面积 加热是为了增加金属塑性和原子的扩散能力 159 2 焊接的特点 焊接与其它连接方法有本质的区别 不仅在宏观上建立了永久性的联系 在微观上也建立了组织之间的原子级的内在联系 焊接比其它连接方法具有更高的强度 密封性 且质量可靠 生产率高 便于实现自动化 节省金属 工艺简单 可以很方便的采用锻 焊 铸 焊等复合工艺 生产大型复杂的机械结构和零件 焊接是一个不均匀加热的过程 焊后的焊缝易产生焊接应力 易引起变形 第13章焊接 160 3 焊接的种类 1 熔化焊 根据焊接的过程可分为三类 将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法 主要有电弧焊 气焊 电渣焊 等离子弧焊 电子束焊 激光焊等 2 压力焊 3 钎焊 通过加压和加热的综合作用 以实现金属接合的焊接方法 以熔点低于被焊金属熔点的焊料填充接头形成焊缝的焊接方法 主要包括电阻焊 摩擦焊 爆炸焊等 主要包括软钎焊和硬钎焊 第13章焊接 161 第一节手工电弧焊 一 焊接过程 手工电弧焊是熔焊一种 它是用手操作焊条 利用焊条与被焊金属工件间产生的电弧热量加热并熔化金属 随后形成焊缝 获得牢固接头的焊接方法 焊接时 焊工手握夹着焊条的焊钳进行焊接 焊条和工件之间产生电弧将工件局部加热到熔化状态形成熔池 焊条作为一个电极 其端部在电弧的作用下不断被熔化 形成熔滴进入熔池 随着电弧的向前移动 熔池尾部液态金属逐步冷却结晶 最终形成焊缝 其过程如图 第13章焊接 162 二 焊接工艺 一 焊接电弧 电弧是在电极 焊条 和工件间的气体介质中强烈而持久的放电现象 1 产生过程 焊接时 使电极与工件瞬时接触并迅速提起 离开焊件2 4mm 由于短路产生高热 产生金属蒸汽 高温金属发出电子并撞击气体分子 使气体介质电离成正离子和负离子 正离子流向阴极 负离子流向阳极 形成电弧 2 电弧的构造 如图 当采用直流电源焊接时 阳极区温度可达2600K 阴极区可2400K 电弧中心区可达6000 8000K 故有正反两种接法 采用交流电源焊接时 两极温度均可达2500K左右 第13章焊接 163 二 焊接接头形式及坡口 三 焊缝的空间位置 根据焊件结构形状 厚度和使用条件 常用的接头型式有 对接 搭接 角接 交接 坡口 为保证厚板能焊透和减少焊件在焊缝中的比例 焊接前把两焊件的待焊处加工成所需的几何形状 常见的坡口型式有 V型 X型 Y型 U型 常见的接头形式及坡口 根据焊缝在空间的位置不同 可分为 平焊 横焊 立焊 仰焊 第13章焊接 164 四 焊接直径与焊接电流 为保证焊接质量应正确选择焊接工艺参数 焊条直径决定于焊件厚度 焊接电流决定于焊条直径 见表 三 电焊设备 弧焊机是手工电弧焊的主要设备 常用的交流电弧焊机和直流电弧焊机 1 交流电弧焊机 2 直流电弧焊机 其实质是一部具有符合焊接要求的特殊降压变压器 是由特殊的直流发电机和普通的交流电动机组成的 第13章焊接 165 四 电焊条 焊条在焊接过程中一是作为电极传导电流及产生电弧 二是作为填充材料 焊条是手工电弧焊接必须使用的焊接填充材料 1 作用 2 组成 焊条由焊芯和药皮两部分组成 焊芯 其作用是传导电流