机械制造基础多媒体 PPT课件

1 1 教材介绍 机械制造基础 是为适应金属工艺学理论与实践教学而精心编写的一本较为成功的教材 从1998年5月第一版问世以来 受到全国许多高校同仁的厚爱 使用量已达5万多册 十多所高校采用为授课教材 数十所高校将其作为教学参考书 2001年3月第二版出版 2005年11月第三版发行 本书第一版获上海市优秀教材三等奖 第二版于2004年获上海市教材二等奖 并于今年被定为国家十一五规划教材 为了更好地使用本教材 作者根据在上海大学金工理论教学和实践教学的多年积累 编著了与教材配套的多媒体教材 1 2 机械制造基础 多媒体教材分为上 下二册 每册8辑 共16辑 包含了金工实习和工程材料 热加工 冷加工理论教学的全部内容 上册包括 第一辑 工程材料第二辑 铸造成形 上 第三辑 铸造成形 下 第四辑 锻压成形 上 第五辑 锻压成形 下 第六辑 焊接成形 上 第七辑 焊接成形 下 第八辑 非金属材料成形和快速成形 2 多媒体教材介绍 2 3 下册包括 第一辑 测量金属切削基础第二辑 钳工第三辑 车削加工和螺纹加工第四辑 铣削加工 刨削加工 镗削加工 拉削加工第五辑 齿轮加工 磨削加工 精密加工第六辑 数控加工第七辑 特种加工和CAD CAM技术第八辑 机械制造工艺过程 现代制造技术的发展 3 4 第一辑工程材料工程材料部分主要包含了以下内容 4 1 5 1固溶体1 5 2固溶体的性能1 6铁碳合金1 6 1铁碳合金基本组织1 6 2铁碳合金相图1 6 3铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律1 7钢的热处理1 7 1概述1 7 2钢在加热时的转变1 7 3钢在冷却时的转变1 7 4常用的钢的热处理1 8塑料1 8 1塑料的组成1 8 2塑料的分类和性能1 9现代结构材料1 9 1铝合金 1 1概述1 1 1金属材料的发展1 1 2非金属材料及复合材料的发展1 1 3新材料的发展趋势1 2金属材料简介1 2 1金属材料的种类1 2 2金属材料的性能1 3晶体的结构1 3 1晶体与非晶体1 3 2实际金属的晶体结构1 4金属的结晶1 4 1结晶的概念1 4 2金属结晶过程1 4 3铸态晶粒的大小1 4 4金属的同素异构1 5二元合金的晶体结构 1 9 2钛合金1 9 3镍及镍合金1 9 4镁及镁合金1 9 5难熔金属1 9 6先进陶瓷1 9 7复合材料1 10功能材料1 10 1传感器用敏感材料1 10 2电功能材料1 10 3磁功能材料1 10 4新能源材料1 10 5光学功能材料1 10 6热功能材料1 10 7力学 声学功能材料1 11纳米材料1 11 1纳米材料的发展1 11 2纳米材料的应用及前景 5 6 实验证明 金属材料能承受的交变应力 与断裂前应力循环次数N有如图1 6所示的规律 由图所知 当 低于某一值时 曲线与横坐标平行 表示材料可经无限次循环而不断裂 这一应力称疲劳强度或疲劳极限 用 1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度 一般钢的循环次数为10 7 有色金属为10 8 疲劳强度 续 动画 疲劳强度曲线 疲劳强度曲线 6 7 7 高温下的力学性能 材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的 许多机械零件在高温下工作 所以在室温下测定的性能指标就不能代表其在高温下的性能 一般来说 随着温度的升高 弹性模量E 屈服强度 S 硬度等值都将降低 而塑性将会增加 除此之外 还会发生蠕变现象 蠕变是指金属在高温长时间应力作用下 即使所加应力小于该温度下的屈服强度 也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂 有机高分子材料 即使在室温下也会发生蠕变现象 7 8 在9 11恐怖事件中 美国引以为傲的纽约世界贸易中心大楼完全倒塌 恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部 为何会造成整栋大楼完全倒塌 大楼为何会垂直塌落而不是倾倒 这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题 教学视频 世界贸易中心大楼倒塌 纽约世贸大楼曾是世界第一高楼 它高411m 单个塔楼的重量约5万t 撞击大楼的波音757飞机起飞重量104t 波音767飞机起飞重量156t 它们的飞行速度大约是每小时1000km 从速度比这小得多的汽车相撞事故 可以想象这次大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大 世贸大楼倒塌 案例 8 9 教学视频 倒塌原因分析 这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35t燃油 波音767飞机可载51t燃油 由于是从美国东部飞往西部的远程航班 所以飞机上的油箱估计装满了燃油 在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼 机上燃油消耗很少 几乎将它的满满一油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里 并燃起了熊熊大火 但据幸存者描述 飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1m 但整幢大楼无论是内部还是外部并没有严重塌落 这是大量楼内工作人员得以逃生的关键 9 10 2 晶格 晶胞和晶格常数 动画 晶体中原子排列示意图 在空间点阵中取一单位体积 通常为六面体 作为点阵的最小组成单元 称为晶胞 晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长a b c和棱边之间的夹角 来表示 10 11 金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在 即内部原子由不规则的排列转变到规则排列 形成晶体的过程 金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程 即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的 1 4 2金属结晶过程 教学视频 金属的结晶 11 动画 金属的结晶 12 2 亚共析钢结晶过程 动画 亚共析钢结晶过程 12 13 3 分级淬火法 将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火 然后取出缓冷的淬火方法 其特点是显著减少淬火变形与开裂 是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件 4 等温淬火 将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法 其特点是工件具有良好的综合力学性能 一般不必回火 多用于形状复杂和要求较高的小件 13 动画 淬火冷却方法 淬火冷却方法 14 4 电接触加热表面淬火 其特点是工件变形小 工艺简单 不需回火 但硬化层薄 形状复杂的工件不宜采用 5 激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是以高能量激光束扫描工件表面 使工件表面快速加热到钢的临界点以上 利用工件基体的热传导实现自冷淬火 实现表面相变硬化 激光加热表面淬火最佳的原始组织是调质组织 淬火后零件变形极小 表面质量很高 特别适用于拐角 沟槽 盲孔底部及深孔内壁的热处理 而这些部位是其他表面淬火方法极难做到的 14 动画 电接触加热表面火 电接触和激光表面淬火 15 第二辑 铸造成形 1 铸造成形 1 部分主要包含了以下内容 15 2 1概述2 2铸件形成理论基础2 2 1金属的充型2 2 2合金的收缩2 3造型方法2 3 1手工造型2 3 2机器造型2 3 3造型生产线2 4铸造工艺分析2 4 1浇注位置和分型面的确定2 4 2浇注系统的确定2 4 3型芯的形式2 4 4主要工艺参数的确定2 4 5铸造工艺图的制定 16 目录 17 北京明朝永乐青铜大钟重达46 5t 钟高6 75m 钟唇厚22cm 外径3 3m 钟体内遍铸经文22 7万字 击钟时尾音长达2min以上 传距20km 永乐青铜大钟外形和内腔如此复杂 重量如此巨大 质量要求如此之高 若不采用铸造方法和具有精湛的铸造技术 是难以用其他任何方法制造的 教学视频 永乐大钟 17 18 缩孔的防止方法可以考虑采用冒口补充热节圆处的金属液体 和采用冷铁激冷远离冒口处的金属 在生产上一般称为定向凝固补缩原则 即远离冒口处的金属先凝固 靠近冒口处的金属后凝固 冒口处的金属最后凝固 形成一条畅通的补缩通道 如下图所示 动画 定向凝固 18 19 三箱造型的特点是只能手工造型 因此 造型时工艺操作比较麻烦 只适应于单件小批生产 由于三箱造型的中箱高度与中箱模样的高度相等 故中箱的通用性较差 并且由于机器造型不能采用三箱造型 在大批生产时 往往采用外型芯环 从而使槽轮铸件的三箱造型变为两箱造型 19 动画 变三箱造型为两箱造型 20 5 应尽量使加工基准面与大部分加工面在同一砂箱内 动画 分型面选择原则5 20 以确保铸件的加工精度 21 浇注系统的类型很多 根据合金种类和具体铸件情况不同 按照内浇道在铸件上开设位置的不同 可将浇注系统分为顶注式 底注式 中间注入式和分段注入式等 1 顶注式浇注系统 2 浇注系统的类型 优点是易于充满型腔 型腔中金属的温度自下而上递增 因而补缩作用好 简单易做 节省金属 但对铸型冲击较大 有可能造成冲砂 飞溅和加剧金属的氧化 所以这类浇注系统多用于重量小 高度低和形状简单的铸件 动画 顶注式浇注系统 21 22 2 4 3型芯的形式 1 型芯的作用型芯是砂型的一部分 在制造中空铸件或有妨碍起模的凸台铸件时 往往要采用型芯 教学视频 型芯的作用 22 23 4 型芯的制作 教学视频 手工制芯 教学视频 机器制芯 23 24 铸造成形 2 部分主要包含了以下内容 24 2 5特种铸造2 5 1金属型铸造2 5 2离心铸造2 5 3压力铸造2 5 4低压铸造2 5 5熔模铸造2 5 6壳型铸造2 5 7陶瓷型铸造2 5 8磁性铸造2 5 9石墨型铸造2 5 10真空吸铸2 5 11差压铸造2 6常用铸造方法的比较2 7铸造新工艺新技术简介2 7 1真空密封造型2 7 2气流冲击造型2 7 3消失模造型 2 7 3消失模造型2 7 4冷冻造型法2 7 5半固态金属铸造2 7 6SSM技术在全世界应用日益广泛2 8铸造技术的发展趋势 第3辑 铸造成形 2 25 26 2 5特种铸造 所谓特种铸造 是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺 特种铸造一般能至少实现以下一种性能 提高铸件的尺寸精度和表面质量提高铸件的物理及力学性能提高金属的利用率 工艺出品率 减少原砂消耗量适宜高熔点 低流动性 易氧化合金铸造改善劳动条件 便于实现机械化和自动化 26 27 随着大工业的到来 机器造型和特种铸造的需求日益上升 金属型开始进入使用 砂型 一次型泥型 半永久型金属型 永久型 动画 整体式金属型铸造 27 28 压铸模是进行压铸生产的主要工艺装备 压铸生产过程能否顺利进行 铸件质量有无保证 在很大程度上取决于模具结构的合理性和技术上的先进性 压铸模主要由动模和定模两大部分组成 其总体结构如下图所示 3 压铸模 动画 压铸模 28 29 型壳熔模铸造工艺如下视频所示 用易熔材料 蜡或塑料等 制成精确的可熔性模型 并进行蜡模组合 涂以若干层耐火涂料 经干燥硬化成整体型壳 加热型壳熔失模型 经高温焙烧而成耐火型壳 在型壳中浇注铸件 教学视频熔模铸造工艺 29 型壳熔模铸造工艺 30 铸造生产中 砂型 芯 直接承受液体金属作用的只是表面一层厚度仅为数毫米的砂壳 其余的砂只起支撑这一层砂壳的作用 若只用一层簿壳来制造铸件 将减少砂处理工部的大量工作 并能减少环境污染 1940年 JohannesCroning发明用热法制造壳型 称为 C法 或 壳法 shellprocess 或叫壳型造型 shellmolding 目前该法不仅可用于造型 更主要的是用于制壳芯 2 5 6壳型铸造 30 31 1 壳型铸造 翻斗法 该法用酚醛树脂作黏结剂 配制的型 芯 砂叫覆膜砂 像干砂一样松散 其制壳的方法有两种 翻斗法和吹砂法 翻斗法常用于制造壳型 吹砂法用于制造壳芯 31 动画 壳型铸造 翻斗法 32 教学视频 壳形铸造 32 33 磁性铸造是德国在研究消失模铸造的基础上发明的铸造方法 其实质是采用铁丸代替型砂及型芯砂 用磁场作用力代替铸造黏结剂 用泡沫塑料气化模代替普通模样的一种新的铸造方法 其质量状况与实型铸造相同 同时比实型铸造更减少了铸造材料的消耗 经常用于自动化生产线上 可铸材料和大小范围广 常用于汽车零件等精度要求高的中小型铸件生产 2 5 8磁性铸造 33 动画 磁型铸造 34 差压铸造装置如动画所示 其工作原理是 浇注前密封室内有一定的压力 或真空度 然后借往密封室A中加压或由密封室B减压 使A B室之间形成压力差 进进行升液 充型和结晶 34 动画 差压铸造 2 差压铸造的工作原理 35 2 6常用铸造方法的比较 表2 7常用铸造方法与砂型铸造方法的比较 常用铸造方法与砂型铸造方法的比较见表2 7 35 36 锻压成形 1 部分主要包含了以下内容 36 3 1金属的塑性变形及锻造性能3 1 1金属的塑性变形3 1 2金属及合金的锻造性能3 2锻造3 2 1自由锻造3 2 2胎模锻3 2 3模型锻造3 2 4压力机上模锻3 2 5锻造自动生产线 第4辑 锻压成形 1 37 38 锻压是利用金属的塑性变形 改变坯料的尺寸和形状 并改善其内部组织和力学性能 获得所需毛坯或零件的成形加工方法 锻造和冲压是锻压成形的主要方法之一 锻造一般是将轧制圆钢 方钢 中 小锻件 或钢锭 大锻件 加热到高温状态后进行加工 锻造能够改善铸态组织 锻合铸造缺陷 缩孔 气孔等 使锻件组织紧密 晶粒细化 成份均匀 从而显著提高金属的力学性能 因此 锻造主要用来制造那些承受重载 冲击载荷 交变载荷的重要的机械零件或毛坯 如各种机床的主轴和齿轮 汽车发动机的曲轴和连杆 起重机吊钩及各种刀具 模具等 第3章锻压成形 38 39 3 1 1金属的塑性变形 3 1金属的塑性变形及锻造性能 动画 单晶体正应力拉伸 1 塑性变形金属在外力作用下 内部产生应力和应变 当应力小于屈服强度时 内部只发生弹性应变 当应力超过屈服强度时 迫使组成金属的晶粒内部产生滑移或孪晶 同时晶粒间也产生滑移和转动 因而形成了宏观的塑性变形 1 弹性变形及破断当金属受外力作用时 外力可分为正应力和切应力 正应力使金属产生弹性变形或破断 39 40 2 单晶体塑性变形 实验表明 晶体只有在切应力的作用下才会发生塑性变形 室温下 单晶体的塑性变形主要是通过滑移和孪生进行的 滑移是指在切应力作用下 晶体的一部分相对于晶体的另一部分沿滑移面作整体滑动 动画为单晶体在切应力作用下的滑移变形过程 动画 单晶体在切应力作用下的滑移变形 40 41 动画 几种常用锻压方法的应力状态 41 42 综上所述 金属的锻造性不仅取决于金属的本质 还取决于变形的工艺条件 因此 进行压力加工时 要力求创造最有利的变形条件 充分发挥金属的塑性 降低变形抗力 使能量消耗最少 用最经济的方法达到加工的目的 教学视频 锻造性及其影响因素 42 43 2 自由锻的基本工序 自由锻的基本工序是指锻造过程中直接改变坯料形状和尺寸的工艺过程 主要包括镦粗 拔长 弯曲 冲孔 扭转 错移等 其中最常用的是镦粗 拔长和冲孔 1 镦粗使坯料整体或一部分高度减小 截面积增大的工序 1 镦粗的种类 分为完全镦粗 局部镦粗和垫环镦粗等 动画 镦粗 43 44 4 弯曲5 扭转 教学视频 弯曲 教学视频 扭转 将毛坯弯成所需形状的工序 在进行弯曲变形前 先要将毛坯锻成所需形状 使体积合理分配 便于获得合格产品 将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序 44 45 2 典型锻件的自由锻工艺示例 45 表3 2自由锻工艺 46 46 典型锻件的自由锻工艺示例 续 典型锻件的自由锻工艺示例 续 47 1 胎模锻锻模的种类 结构及用途 47 表3 3胎模的种类 结构和用途 48 锻压成形 2 部分主要包含了以下内容 48 3 3板料冲压3 3 1概述3 3 2冲压设备3 3 3冲压的基本工序3 3 4冲模3 4粉末冶金3 4 1粉末冶金的概念及工艺过程3 4 2粉末冶金的特点与应用3 5锻压新工艺 3 5 1超塑性成形3 5 2粉末锻造3 5 3液态模锻3 5 4多向模锻3 5 5半固态金属塑性成形3 5 6高能率成形3 5 7精密冲裁3 5 8回转成形3 5 9其他成形 第4辑 锻压成形 1 49 50 板料冲压是在冲床上用冲模使金属或非金属板料产生分离或变形而获得制件的加工方法 板料冲压通常在室温下进行 所以又叫冷冲压 用于冲压的材料必须具有良好的塑性 常用的有低碳钢 高塑性合金钢 铝和铝合金 铜和铜合金等金属材料以及皮革 塑料 胶木等非金属材料 冲压的优点是生产率高 成本低 成品的形状复杂 尺寸精度高 表面质量好且刚度大 强度高 重量轻 无需切削加工即可使用 因此在汽车 拖拉机 电机 电器 日常生活用品及国防工业生产中得到广泛应用 3 3板料冲压3 3 1概述 50 51 冲压常用的设备有剪床和冲床等 剪床的作用是把板料切成一定宽度的条料 为后续的冲压备料 冲床的作用是完成冲压的各道工序 生产出合格的产品 3 3 2冲压设备 动画 剪床工作原理 剪床 51 52 1 翻边所谓翻边就是将零件的孔边缘或外边缘在模具作用下 翻成竖立边缘的一种冲压工艺方法 4 其他成形工序简介 动画 翻边 教学视频 翻边 52 53 冲模是实现坯料分离或变形必不可少的工艺装备 工作时必须保证冲出合格的制件 同时能适应生产规模的需要 还应使模具制造及维修方便 操作简单 安全可靠 1 冲模的结构组成和作用一副完整的冲模应由工作零件 定位零件 卸料零件 导向零件 基础零件及紧固零件六大部分组成 3 3 4冲模 动画 模具剖视 53 54 教学视频 冲模 54 55 3 板料的真空成形和吹塑成形 将超塑性板料放在模具中 并与模具一起加热到超塑性温度后 将模具内的空气抽出 真空成形 或向模具内吹入压缩空气 吹塑成形 利用气压差使板坯紧贴在模具上 从而获得所需形状的工件 这种方法主要适合于成形钛合金 铝合金 锌合金等形状复杂的壳体零件 通常零件厚度在0 4 4mm之间的薄板用真空成形法 而厚度较大 强度较高的板料用吹塑法 真空成形和吹塑成形 55 56 2 粉末锻造的工艺流程 粉末锻造的工艺流程为 制粉混粉冷压制坯烧结加热模锻热处理成品 动画 粉末锻造的工艺流程 56 57 3 5 6高能率成形 高能率成形是利用炸药或电装置在极短时间内释放出化学能 电能 电磁能等 通过空气或水等传压介质产生的高压冲击波使板坯迅速变形和贴模而获得制件的成形方法 常用的高能率成形方法有爆炸成形 电液成形 电磁成形等 它们的共同特点是模具简单 零件精度高 表面质量好 能加工塑性差的难成形材料 生产周期短 成本低 1 爆炸成形爆炸成形是利用高能炸药在爆炸瞬间释放出的巨大化学能对金属毛坯进行加工的一种高能率成形方法 动画 爆炸成形 57 58 与模锻件相比 辊锻件力学性能较好 尺寸稳定 可节省材料 但尺寸和形状精度不高并且只能使截面变小 不能使截面变大 故主要适用于生产长轴类 长杆类锻件或锻坯 目前 辊锻工艺已用于制造汽车 拖拉机的前梁 连杆 传动轴 转向节以及涡轮机叶片等零件 教学视频 辊锻 动画 辊锻 58 59 焊接成形 1 部分主要包含了以下内容 59 4 1概论4 2手工电弧焊4 2 1焊接电弧4 2 2焊缝形成过程4 2 3电焊条4 3其他焊接方法4 3 1气焊与气割4 3 2二氧化碳气体保护焊4 3 3氩弧焊4 3 4埋弧自动焊4 3 5电渣焊4 3 6电阻焊4 3 7钎焊4 3 8摩擦焊4 4焊接接头4 4 1焊接接头的组织与性能4 4 2 焊接接头的缺陷 第6辑 焊接成形 1 60 61 4 1概论 焊接是现代制造技术中重要的金属连接技术 焊接成形技术的本质在于 利用加热或者同时加热加压的方法 使分离的金属零件形成原子间的结合 从而形成新的金属结构 1 连接方法分类可拆式连接 螺纹联接 摩擦联接不可拆式连接 焊接 粘接 铆接焊接方法种类很多 根据焊接过程的特点 可以把常用的焊接方法分为 熔化焊压力焊钎焊 61 62 1 引弧过程 焊接时 先将焊条与焊件瞬时接触 发生短路 强大的短路电流流经少数几个接触点 致使接触点处温度急剧升高并熔化 甚至部分发生蒸发 当焊条迅速提起时 焊条头温度已升得很高 在两电极间的电场作用下 产生了热电子发射 飞速 的电子撞击焊条端头与焊件间的空气 使之电离成正离子和负离子 电子和负离子流向正极 正离子流向负极 这些带电质点的定向运动形成了焊接电弧 动画 电弧的形成 62 63 4 2 2焊缝形成过程 焊缝形成过程如动画所示 焊接时 在电弧高热的作用下 被焊金属局部熔化 在电弧的吹力作用下 被焊金属上形成了卵形的凹坑 这个凹坑称为熔池 由于焊接时焊条倾斜 在电弧的吹力作用下 熔池的金属被排向熔池后方 这样电弧就能不断地使深处的被焊金属熔化 达到一定的熔深 动画 焊接过程 63 64 视频 手弧焊焊接 64 65 4 3其他焊接方法4 3 1气焊与气割 气焊如视频所示 是利用气体火焰作为热源的焊接方法 常用氧 乙炔火焰作为热源 氧气和乙炔在焊炬中混合 点燃后加热焊丝和工件 气焊焊丝一般选用和母材相近的金属丝 焊接不锈钢 铸铁 铜合金 铝合金时 常使用焊剂去除焊接过程中产生的氧化物 气焊在无电源的野外施工中应用很多 其他应用目前逐渐减少 教学视频 气焊 65 66 2 气割 气割又称氧气切割 是广泛应用的下料方法 气割的原理是利用预热火焰将被切割的金属预热到燃点 再向此处喷射氧气流 被预热到燃点的金属在氧气流中燃烧形成金属氧化物 同时 这一燃烧过程放出大量的热量 这些热量将金属氧化物熔化 为熔渣 熔渣被氧气流吹掉 形成切口 接着 燃烧热与预热火焰又进一步加热并切割其它金属 因此 气割实质上是金属在氧气中燃烧的过程 金属燃烧放出的热量在气割中具有重要的作用 教学视频 气割 66 67 钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊 1 钨极氩弧焊 TIG焊 钨极氩弧焊的特点是用钨作为电极 钨的熔点较高 钨极在焊接时不熔化 仅起产生电弧 发射电子的作用 焊接时 在钨极与工件之间建立电弧 填充焊缝的焊丝从一侧进入 钨极氩弧焊一般用于焊接4mm以下的薄板 钨极氩弧焊正极的发热量和温度高于负极 为了避免钨极过热 除了焊铝合金以外 钨极氩弧焊都采用直流正接 动画 钨极氩弧焊 67 68 4 3 6电阻焊 电阻焊是利用接触电阻热将接头加热到塑性或熔化状态 再通过电极施加压力 形成原子间结合的焊接方法 由于材料的接触电阻很小 所以电阻焊所用的电流很大 几千到几十万安培 电阻焊可分为点焊 缝焊 凸焊 对焊 1 点焊点焊如动画所示 在被焊工件上焊出单独的焊点 动画 点焊 教学视频 电阻焊 68 69 4 3 8摩擦焊 摩擦焊的焊接过程如动画所示 摩擦焊的热能来源于焊接端面的摩擦 其焊接过程如下 工件1高速旋转 工件2向工件1方向移动 两工件接触时减慢移动速度 加压 摩擦生热 接头被加热到一定温度 工件1迅速停止旋转 进一步加压工件2 保压一定时间 接头形成 动画 摩擦焊 69 70 焊接成形 2 部分主要包含了以下内容 70 4 5常用金属材料的焊接4 5 1低碳钢的焊接4 5 2 低合金结构钢的焊接4 5 3中碳钢的焊接4 5 4不锈钢的焊接4 5 5铸铁的焊接4 5 6铝合金的焊接4 6焊接结构设计简介4 6 1焊接应力与变形4 6 2焊接接头与坡口4 6 3焊缝结构和位置的设计4 7胶接4 7 1胶接的基本原理4 7 2胶接的主要特点4 7 3胶接工艺4 8焊接新技术简介 4 8 1等离子弧焊接和切割4 8 2激光焊接和切割4 8 3水射流切割4 8 4电子束焊4 8 5爆炸焊接4 8 6扩散焊4 8 7窄间隙焊4 8 8堆焊与喷涂4 8 9搅拌摩擦焊 FSW 4 8 10螺柱焊4 8 11焊接机器人 第7辑 焊接成形 2 71 72 2 焊接变形的基本形式 不同的焊缝位置 焊接顺序和工件自身的情况会引起如右图所示的各种焊接变形 72 73 动画 火焰加热矫正 73 74 4 6 3焊缝结构和位置的设计 表4 2常见焊缝结构和位置的设计 74 75 动画 等离子弧焊 2 热压缩效应 采用一定流量的冷却水冷却喷嘴 以降低喷嘴的温度 当弧柱通过喷嘴孔道时 较低的喷嘴温度使喷嘴内壁形成一层冷气膜 迫使弧柱导电截面进一步减小 称为热压缩效应 3 磁压缩效应 电弧电流自身产生的磁场使弧柱向心收缩 从而使弧柱截面减小 电流密度越大 磁压 收 缩作用越强 这种由电流自身磁场产生的收缩称为磁压缩效应 75 76 1 爆炸焊典型装置 爆炸焊典型装置有平行法和角度法两种 爆炸焊典型装置及金属流动见动画及教学视频 教学视频 爆炸焊 动画 爆炸焊典型装置及金属流动 76 77 4 8 6扩散焊 扩散焊的焊接过程如下 首先使工件紧密接触 然后在一定的温度和压力下保持一段时间 使接触面之间的原子相互扩散完成焊接 扩散焊不影响工件材料原有的组织和性能 接头经过扩散以后 其组织和性能与母材基本一致 所以 扩散焊接头的力 学性能很好 扩散焊可以焊接异种材料 可以焊接陶瓷和金属 对于结构复杂的工件 可同时完成成型连接 即所谓超塑成形 扩散连接工艺 教学视频 扩散焊接 77 78 2 等离子弧喷涂 动画 等离子弧喷涂 教学视频 等离子弧喷涂及堆焊 等离子弧喷涂是将喷涂材料加热到熔融状态 通过高速气流使其雾化 或粒化 并喷射到工件表面形成涂层 以赋予工件表面更高的耐磨等特殊性能 由于等离子弧焰流的温度高达1000 以上 可喷涂几乎所有的固态工程材料 等离子焰流速度达1000m s以上 熔融粉粒的飞行速度可达180 600m s以上 因而得到的涂层更致密 与基体的结合强度更高 78 79 4 8 11焊接机器人 近年来各国所安装的工业机器人中 大约一半是焊接机器人 焊接机器人大量使用在汽车制造等领域 适用于弧焊 点焊和切割 焊接机器人常安装在自动生产线上 或和自动上下料装置及自动夹具一起组成焊接工作站 教学视频 汽车工业中的机器人 79 80 教学视频 焊接机器人 工业机器人大量应用于焊接生产不是偶然的事情 这是由焊接工艺的必然要求所决定的 无论是电弧焊还是电阻焊 在由人工进行操作的时候 都要求焊枪或焊钳在空间保持一定的角度 随着焊枪或焊钳的移动 这个角度不断地由操作者人为地进行调整 也就是说 焊接时焊枪或焊钳不仅需要有位置的移动 同时应该有 姿态 的控制 满足这种要求的自动焊机就是焊接机器人 焊接机器人的应用 可以提高焊接质量 改善工人的工作条件 是焊接自动化的重大进展 80 81 1 机器人的执行系统 机器人的执行系统指的是手部 臂部 腕部 机身等机械部件 教学视频 机器人的执行系统 81 82 教学视频 机器人的控制系统 82 83 教学视频 机器人的应用前景 83 84 本部分主要包含了以下内容 84 5 1塑料的成形与加工5 1 1塑料的成形方法5 1 2塑料的加工方法5 2橡胶的成形加工5 2 1橡胶的组成5 2 2橡胶的分类和性能5 2 3橡胶的成形加工5 3陶瓷的成形加工5 3 1陶瓷材料简介5 3 2陶瓷的成形加工5 3 3陶瓷材料的发展和应用5 4复合材料的成形5 4 1复合材料的成形方法5 4 2复合材料的二次加工 6 1概述6 1 1快速原型制造 RP 6 1 2快速模具制造 RT 6 1 3快速精铸 QuickCasting 6 1 4快速逆向工程 RE 6 1 5逆向工程在工业领域中的应用6 2快速成形技术的基本过程及特点6 2 1RP技术的工艺过程6 2 2RP技术的功能6 3几种常用RP技术的工艺原理6 3 1立体光固化 SLA 6 3 2分层实体制造 LOM 6 3 3选择性激光烧结 SLS 6 3 4熔融沉积成形 FDM 6 3 5三维打印 3D P 6 3 6形状沉积快速成形 SDM 6 4RP技术的应用领域 第8辑 非金属材料成形和快速成形 85 86 非金属材料是除金属材料以外的其他一切材料的总称 主要包括有机高分子材料 无机非金属材料和复合材料三大类 与金属材料相比 非金属材料最突出的优点是密度小 重量轻 抗腐蚀性能优良且电绝缘性较好 同时其材料来源十分广泛 成形工艺简单 生产成本较低 因此在各行各业中的应用日益广泛 目前在工程领域应用最多的非金属材料是塑料 橡胶 陶瓷及复合材料等 第5章非金属材料的成形 86 87 1 注射成形 动画 注射成形 注射成形是将粉状或粒状的塑料原料经料斗装入料筒 并在其内加热至熔融状态 在注射机柱塞或螺杆作用下注入模具 冷却固化后脱模即得所需形状的塑料制品的方法 注射成形工艺包括成形前的准备 注射成形过程和制件成形后的修饰与处理三个阶段 87 88 压制成形分为模压法和层压法 是将粉状 粒状的塑料原料 模压法 或片状的塑料坯料 层压法 放入模具中 经加热和加压而成形为塑料制品的方法 3 压制成形 88 动画 层压法压制成形 动画 模压法压制成形 89 教学视频 陶瓷成形 4 固体成形是先将粉料制成一定强度的块料或经过预烧制成有一定强度的坯料 然后再进行车 铣 刨 钻等加工成形的方法 89 90 1 挤压成形法 90 动画 金属基复合材料挤压成形 金属基复合材料的成形比树脂基复合材料要困难得多 目前比较常用的成形方法有挤压成形法 旋压成形法 模锻成形法 粉末冶金法和爆炸成形法等 1 挤压成形法是利用挤压机使短纤维 晶须及颗粒增强复合材料的坯料发生塑性变形 以制取棒材 型材和管材的方法 此法还可制造金属包覆材料 如铜包铝 铝包钢等输电线 91 6 1概述20世纪80年代后期发展起来的快速成形 制造 RapidProto typing Manufacture简称RP M 技术 被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破 其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美 RP M系统综合了CAD 数控技术 激光技术及材料科学技术等多种机械电子技术及材料技术是高科技技术的有机综合和交叉应用 可以自动 直接 快速 精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件 从而可以对产品设计进行快速评价 修改及功能试验 有效地缩短了产品的研发周期 因此 RP M技术是先进制造技术中的一个重要组成部分 而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造 QuickTooling 技术 快速精铸技术 QuickCasting 快速金属粉末烧结技术 QuickPowderSin tering 则可实现零件的快速成品 第6章快速成形 63 91 92 6 1 2快速模具制造 RT 92 RT技术是用高新制造技术改造传统技术的成功范例 它包括用硅橡胶 金属粉环氧树脂粉 低熔点合金等方法将RP原型准确复制成模具 这些简易模具的寿命是50 1000件 适宜产品试制阶段 1 直接快速制模技术采用RP如SLS SLA FDM等直接将CAD模型转换为具有一定力学性能的模具 用于小批量塑料零件的生产 2 间接快速制模技术采用RP方法先成形一个原型 再通过采用金属树脂或环氧树脂浇注 或通过硅橡胶真空浇注 形成模具 用于小批量塑料零件的生产 教学视频 快速模具制造 93 逆向工程在工业领域中有如下应用 1 新零件的设计在工业领域中 有些复杂产品或零件很难用一个确定的设计概念来表达 为了与客户交流 以获得优化的设计 常常通过创建基于功能和分析需要的一个物理模型 来进行复杂或重要零部件的设计 然后用逆向工程方法从物理模型构造出CAD模型 航天飞机缩小比例的模型数据采集 采用逆向工程完成的航天飞机三维数模 93 94 教学视频 逆向设计在概念车设计中的应用 94 95 动画 SLA快速成形 图3 19 如动画所示 液缸中盛满液态光固化树脂 激光束在偏转镜作用下 在液态表面上扫描 扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制 光点打到的地方 液体就固化 成形开始时 工作平台位于液面以下一个确定的深度 聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描 即逐点固化 当一层扫描完成后 未被照射的地方仍是液态树脂 然后升降台带动平台下降一层高度 已成形的层面上又布满一层树脂 刮平器将粘度较大的树脂液面刮平 然后再进行下一层的扫描 新固化的一层牢固地粘在前一层上 如此重复直到整个零件制造完毕 得到一个三维实体模型 95 96 教学视频 立体光固化成形 SLA SLA方法是目前应用最广泛 研究最深入 零件精度和表面质量比较高 精度达0 1mm 而且稳定的RP工艺 但这种方法也有自身的局限性 比如需要支撑 树脂收缩导致精度下降 光固化树脂有一定的毒性等 96 97 6 3 2分层实体制造 LOM 97 LOM工艺亦称分层实体制造或叠层实体制造 由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功 教学视频 分层实体制造 LOM 98 SLS工艺的特点是材料适应面广 不仅能制造塑料零件 还能制造陶瓷 蜡等材料的零件 特别是可以制造金属零件 这使SLS工艺颇具吸引力 SLS工艺无需加支撑 因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用 教学视频 选择性激光烧结 98 99 6 3 4熔融沉积成形 FDM FDM的材料一般是热塑性材料 如蜡 ABS 尼龙等 以丝状供料 材料在喷头内被加热熔化 喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动 同时将熔化的材料挤出 材料迅速凝固 并与周围的材料凝结 教学视频 熔融沉积成形 99 100 机械制造基础 下册 冷加工 第9辑测量 金属切削基础主要包含了以下内容 第7章测量7 1测量基础知识7 1 1测量的方法7 1 2测量误差的来源7 1 3测量方法的选择7 1 4计量器具的选择7 2常用计量器具介绍7 2 1游标类测量器具7 2 2千分尺7 2 3指示表7 2 4万能角度尺7 2 5量块7 3常用形位误差的测量7 3 1直线度和平面度误差的测量7 3 2圆度误差的测量7 4现代测试仪器简介 7 4 1测高仪7 4 2三座标测量仪7 4 3快速光学数字化测量仪7 4 4影像式测绘系统 第8章金属切削基础知识8 1概述8 1 1切削加工方法8 1 2机械加工质量8 2切削加工基本知识8 2 1切削运动和切削用量8 2 2切削刀具的基本知识8 2 3金属的切削过程8 2 4切削力和切削功率8 2 5非金属材料加工刀具8 3金属切削机床8 3 1金属切削机床的分类8 3 2机床的组成和基本结构 100 101 测量封面 102 第7章测量 现代化的工业生产 处处离不开测量 测量是精细加工和生产过程自动化的基础 没有测量也就没有现代化的制造业 在产品设计和生产过程中 为了检查 监督 控制生产过程和产品质量 必须对生产过程中的各道工序和产品的各种参数进行测量 以便进行在线实时监控 生产水平越是高度发达 测量的规模就越大 需要的测量技术与测量仪器也越先进 7 1测量基础知识 102 103 视频1测量概述 点击画面启动视频 103 104 2 广义测量的定义 测量是为了获取被测对象的信息而进行的实验过程 在这个过程中 人们借助专门的设备去获取有关的信息 得到关于被测对象的属性和量值 并以便于人们利用的形式表示出来 信息获取的基本原理如动画1所示 动画1测量信息获取的基本原理 104 105 7 2常用计量器具介绍 7 2 1游标类测量器具 游标类测量器具的特点是采用游标原理来获得较高准确度的测量方法 所谓游标原理 就是将两根按一定要求刻上线的直尺对齐或重叠后 其中一根固定不动 另一根沿着它做相对滑动 固定不动的直尺称为主尺 沿主尺滑动的直尺称为游标尺 简称游标 游标尺能对主尺进行准确的读数 如果主尺和游标尺的刻线间距选择适当 利用游标读数可以获得较高的正确度 动画2游标原理 105 106 1 怎样读游标 主尺1格 两条相邻刻线间的距离 的宽度与游标尺一格的宽度之差 称为游标分度值 游标读数值 式中 a为主尺的刻度值 一般a 1mm b为游标尺的每格宽度 mm n为游标尺刻线数 i为游标分度值 又称读数值 mm 目前 游标卡尺的主尺刻度值a 1mm 游标分度值分别有0 02mm 0 05mm和0 10mm三种 106 107 视频2游标计量器具 2 游标卡尺读数 以分度值为0 02mm游标卡尺为例 进行游标卡尺的读数 尺身上刻度值每格为1mm 游标上刻的读数值为0 02mm 即每格读数为0 02mm 游标上直接用数字刻出 先读尺身靠右边游标零线的整数值 然后找出尺身刻线与游标刻线相对准 或者靠近 的游标线至零线的格数乘以0 02 即为小数值 从游标上的刻数值直接读出 将整数值与小数值相加即为实测尺寸 看读数时 两眼要顺着刻线看 不能与刻线产生倾斜 见视频2 107 108 测量平面对基准平面垂直度误差的常用方法是坐标测量法 通过直角坐标进行直角转换 可把垂直度测量转换为类似平面度的测量 3 垂直度误差测量 视频8直线度和平面度的测量 108 109 7 4现代测试仪器简介 随着科学技术的不断发展 测量技术与机械加工工艺更紧密地结合起来 计算机使机械加工实现了全盘自动检测 从而使质量检测也实现了全盘自动化 随着数字化测量技术 动态检测的发展 实现了一些参数的连续检测 通过反馈使测量保持在最佳的范围 现代测量技术的发展 使测量和加工成为工艺系统的一个整体 随着传感技术 控制技术 图像处理和计算机视觉等相关技术的发展 出现了种类繁多的测量方法 一般来说可以分为无损测量和破坏性测量 层切法 两大类 而无损测量又可以分为接触式数据采集和非接触式采集 接触式基于力变形原理分为触发式和连续扫描式 动画19清楚地反映了各种测量方法之间的关系 109 110 动画19三维测量方法 110 111 7 4 1测高仪 数显测高仪 图1 运用了高精度的容栅式测量系统 其内置的单片机固化有多种测量模式 使仪器能在垂直方向上完成面与面 点与面 孔中心到面 轴中心到面 孔中心距 以及孔径和轴径的测量 当工件置于标准的90 量块上时 仪器可实现二维数据的测量 直角坐标与极坐标的转换 坐标变换 节圆直径的测量 和统计分析等 该仪器特别适合箱体类零件的测量 图1数显测高仪 1 测力调节 2 测头座 3 测头 4 气垫 5 大屏幕液晶显示 6 触摸开关 7 RS 232输出 8 打印机 9 驱动开关 10 气动开关 11 电源 111 112 7 4 2三坐标测量仪 三坐标测量仪是随计算机 机械工业的发展而出现的一种高效高精度的接触式精密测量仪器 见视频10 它有机地结合了数字控制技术 计算机软件技术 先进的位置传感技术和精密机械技术 使诸如齿轮 凸轮 涡轮涡杆等以前需要专用检测设备检测的工件 在三坐标测量仪进行数据采集 结合相应测量 评价软件来实现专业的检测和评价 视频10数字化测量 112 113 三坐标测量仪的几种测量方法 视频11 15 视频12曲线测量 视频13曲面测量 视频14平面测量 视频15球面测量 视频16孔测量 113 114 4 现场手动检测设备应用 手持式激光扫描系统不仅功能强大 一机多用 而且测量柔性极好 对使用环境和操作技能无特别要求 几乎无测量死角 可用于生产车间和一般设计室 它可将边界测量 接触式 和复杂曲面测量 激光扫描 结果方便地结合起来 是目前市场上性价比最高的三坐标测量和检测系统之一 图5现场手动三坐标测量仪 114 115 5 三坐标测量仪探针系统 视频16 1 探针系统的要求为 满足零件测量要求 满足零件测量过程要求 图7 图8为汽车缸盖测量探针系统 图7汽车缸盖探针系统之一 图8汽车缸盖探针系统之二 视频16 三坐标测量仪探针系统 115 116 2 探针定义界面 如图9所示 图9探针定义界面 116 117 8 PC DMIS测量软件功能 PC DMIS是一款基于CAD和几何量测量数据接口规范DMIS DIMENSIONALMEASURINGINTERFACESTANDARD 的三坐标测量软件 主要功能如下 对测量机的控制 测量探针组合定义与校验 测量手动操作控制 被测几何元素定义 测量结果的显示与输出 测量坐标系确定 自动测量程序编辑与调试运行 基于CAD测量程序脱机编制 117 118 1 PC DMIS界面 如图10所示 图10PC DMIS界面 118 119 6 基于CAD的检测技术 如图14所示 图14基于CAD的检测技术 119 120 动画23编码光栅影像投影 测量时 ATOS将投影单元的编码光栅影像投影到物体表面 见动画23 此时光栅影像受到被测样件表面高度的调制 光栅影线发生变形 同时从不同的角度被两个CCD数码相机抓取 基于三角测量原理 经过数字图形处理后大约40万个像素点的3D坐标值被独立而精确地计算出来 因此 ATOS可在短时间内获得任何复杂表面的密集点云 点距0 03 0 5mm 使表面的曲率变化生成完美的网格面 便于后期的曲面重建和直接加工 还能获得清晰细小的特征 并可方便提取工件表面各种特征 120 121 视频17ATOS测量仪的应用 121 122 金属切削基本知识 123 第8章金属切削基本知识 8 1 1切削加工方法切削加工是利用切削工具从零件毛坯 如铸件 锻件或型材等坯料 或零件上切除多余材料 以获得合格零件的加工过程 到目前为止 机器上的零件 除少部分是用材料的精密成形技术 如精密铸造 精密锻造 粉末冶金等无屑加工方法获得以外 绝大多数零件是靠切削加工获得的 因此 切削加工是机械制造的主要手段 在各种基本加工方法中具有重要的地位 8 1概述 123 124 8 2切削加工基本知识 8 2 1切削运动和切削用量1 切削运动任何机械零件都可以看成是由外圆 内孔 平面 成形面等基本表面组成的 而这些基本表面在切削加工时都是由刀具和工件之间的相对运动 即切削运动 组合来形成的 因此在切削加工中 刀具和工件要有相对运动 才能切除工件上的余量 得到合乎质量要求的工件 切削运动分为主运动和进给运动 如动画1所示 124 125 动画1切削运动 125 126 1 刀具的静止参考系 刀具要从工件上切除余量 就必须使它具有一定的几何角度 为了适应刀具在设计 制造 刃磨和测量时的需要 选取一组几何参数作为参考系 称为静止参考系 选择刀具的静止参考系有两点假设 运动假设 假设刀具的进给运动速度为零 安装假设 假设刀具安装时刀尖与工件的轴线等高 刀杆与工件的轴线垂直 刀具的静止参考系如动画5所示 2 车刀切削部分的主要角度 动画5刀具静止参考系 126 127 视频1刀具的角度 127 128 4 刀具角度对加工的影响 刀具角度对加工有许多影响 主要是对切削热的影响 视频3 对加工硬化的影响等 视频4 对切削变形的影响 对切削力的影响等 视频3刀具角度对切削热的影响 视频4刀具几何形状对加工硬化的影响 128 129 2 积屑瘤 由于变形和摩擦的结果 在切削过程中会产生一系列的物理现象 如积屑瘤 切削力 切削热 工件表面变形强化 刀具磨损等 切削钢和铝合金等塑性金属时 在切削速度不高且形成带状切屑的情况下 常有一些来自切屑和工件的金属粘接层堆积在刀 动画12积屑瘤 具的前面上 形成硬度很高 约为工件材料硬度的2 3 5倍 的楔块 称为积屑瘤 积屑瘤形成过程见动画12和视频10 积屑瘤对切削过程有有利的影响 也有不利的影响 具体表现在 1 保护刀具 积屑瘤在形成而且覆盖了部分刀刃和前面后就代替刀刃进行切削 起到保护刀刃的作用 129 130 表6机床名称用途及编号 130 131 续表 131 132 续表 132 133 动画18齿轮齿条传动 4 齿轮齿条传动 见动画18 图8 可将回转运动转变为直线运动或将直线运动转变为回转运动 其啮合情况与齿轮传动相似 传动效率高 其缺点是 当制造精度不高时 会影响位移的准确性 单级传动比 运动速度计算公式 图8齿轮齿条传动符号 133 134 第10辑钳工主要包含了以下内容 9 1概述9 1 1钳