《机械制造基础》全套PPT电子课件教案(完整版)

机械制造基础,主讲：王凤良,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,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,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,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,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。,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、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形,第一章金属的力学性能,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,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,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,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,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,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,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。,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,二、常见金属的晶格类型,体心立方晶格,每个晶胞原子数n=81/8+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=81/8+61/2=4(个),属于面心立方晶格类型的金属有-Fe（1394912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=121/6+21/23=6(个),2-1金属的晶体结构,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,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,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,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,2-3合金的晶体结构与结晶,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,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,第3章铁碳合金,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,3、特性点A点：纯铁的熔点1538C点：共晶点1148D点：渗碳体的熔点1227S点：共析点727G点：纯铁的同素异晶转变点912E点：C在-Fe中最大溶解度1148P点：C在-Fe中最大溶解度727Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度,第3章铁碳合金,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,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,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,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,热处理的理论依据,第4章钢的热处理,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,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3050C,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到500C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,（2）球化退火1、定义：将钢加热到Ac1以上2030C,保温后随炉缓冷至600C，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,（3）去应力退火1、定义：将钢加热到500-600C,保温后随炉缓冷至200-300C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,二、钢的正火,1、概念：将钢件加热到Ac3或Accm线以上3050C，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,退火与正火的加热温度范围,第4章钢的热处理,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,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,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,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,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：150C250C中温回火：350C500C高温回火：500C650C,第4章钢的热处理,1、低温回火（150250）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（350500）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（500650）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,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,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,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,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,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,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,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,高炉,第5章工业用钢,电弧炉,第5章工业用钢,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%C0.25%,中碳钢0.25%C0.6%,高碳钢0.6%C1%时不标出；当Wc0；前刀面与切削平面之间的夹角大于90度时，o0；前刀面与基面之间的夹角大于90度时o0.,后角愈大，刀具与工件之间的磨擦愈小，但刀具强度也愈差。,在正交平面中测量的前刀面与基面的夹角。,在正交平面中测量的主后刀面与切削平面的夹角。,3、副后角（o）：,在副正交平面中测量的副后刀面与副切削平面的夹角。,副后角影响刀面与已加工表面之间的磨擦和刀具强度。,第十四章金属切削加工,4、刃倾角（s）：在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。,它总是正值，刃倾角影响切屑排出的方向和刀头形状。,5、主偏角（r）：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。,主偏角一般为正值，它影响刀头强度。,6、副偏角（r）：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。,副偏角一般为正值，它影响刀头强度和表面粗糙度。,前角和后角确定了前刀面和后刀面的位置；主偏角和刃倾角确定了主切削刃的空间位置；副偏角和副后角确定了副后刀面的位置；即六个基本角度确定了车刀切削部分的几何形状。,第十四章金属切削加工,第十四章金属切削加工,四、刀具材料,1、刀具材料应具备的性能,（1）高的硬度,刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料的常温硬度，一般要求在HRC60以上。,（2）高的耐磨性,耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力。一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。,（3）足够的强度和韧性,以便承受切削力，冲击和振动，而不致于产生崩刃和折断,（4）高的耐热性（热稳定性）,耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度，耐磨性，强度和韧性的能力。,（5）良好的工艺性能,即刀具材料应具有良好的锻造性能，热处理性能，焊接性能，磨削加工性能等。,第十四章金属切削加工,2、几种常见的刀具材料,（2）硬质合金,（3）涂层刀具,（4）陶瓷刀具,（5）超硬刀具材料,（1）高速钢,YT类：,YG类：,YW类：,金刚石,立方氮化硼,第十四章金属切削加工,（1）高速钢,高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度13倍（因此而得名），提高刀具耐用度1040倍。它可以加工从有色金属到高温合金在内的范围广泛的材料。,高速钢刀具制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，因此在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中，高速钢占有重要地位。,第十四章金属切削加工,第十四章金属切削加工,第十四章金属切削加工,高压水刀,有句成语叫做：“柔情似水”，表明在常人眼中，液体的水无固定形状，是温柔的象征。然而，科学研究发现，高压水流在撞击物体表面最初的百万分之几秒时，其瞬时压力非常大。利用水的这一特点，科学家们将水变成了坚硬的高压水刀，可以用来挖泥、采矿，甚至切削钢板，还可用于冲孔、粉碎材料，甚至外科手术。,高压水刀的优点有：用途广泛，可以加工钢板、铜板、玻璃、塑料等各种类型的材料；切削材料的切面光滑，不会留下毛口或变形；在切削某些化工合成材料肘，不会放出有毒气体或产生烟尘；水刀穿越的速度非常快，甚至不会将材料淋湿。目前，许多国家已将高压水刀切削工艺投入实际应用,第十四章金属切削加工,零件表面的形成和切削运动,一、零件表面的形成,1、待加工表面：,2、已加工表面：,3、加工表面,工件上即将被切除的表面。,工件上经刀具切削后产生的新表面。,工件上正在被切除的表面。,第十四章金属切削加工,二、切削运动,在切削加工形成零件的全过程中，刀具和工件之间必需要有相对运动，按作用的不同可分：,1、主运动：,2、进给运动：,切除工件所必需的运动。是最基本、最主要的运动。,保证加工连续进行的运动。,第十四章金属切削加工,正交平面参考系建立过程,第十四章金属切削加工,第六章工艺过程的基本知识,毛坯的选择要考虑如下因素1、零件材料的工艺特征某些箱体需铸造，轴、齿轮等多半要锻造2、零件的结构形状和外形尺寸轴可选用圆棒料机架、大齿轮可考虑铸钢3、生产纲领的大小例如：模锻和自由锻对零件数量要求不同4、现有生产条件,1外圆面加工,外圆面技术要求1、本身精度尺寸、形状2、位置精度3、表面质量外圆面加工方案分析1、粗车2、粗车半精车3、粗车半精车磨粗车半精车粗磨式半精磨4、粗车半精车粗磨精磨5、粗车半精车粗磨精磨研磨6、粗车精车精细车(有色金属),2孔的加工,孔的技术