机械制造基础全册电子教案模块1-9完整版教学设计（高职）

机械制造基础全册电子教案模块1-9完整版教学设计PAGE17PAGE1第页教学目标知识目标：熟悉工程材料的种类、性能指标和牌号表示方法；熟悉金属晶体结构；掌握铁碳合金相图的相关知识；熟悉热处理的理论基础，掌握常见的热处理工艺方法。能力目标：根据零件的使用条件，选择力学性能指标；根据材料的牌号，判断其所属种类、性能特点、应用场合；根据材料的性能要求，选择合适的热处理工艺。素质目标：教学重点各种工程材料的应用领域教学难点各种工程材料的性能教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时16教学内容与教学过程设计注释模块一工程材料基础〖任务描述〗减速器是机械设备中的常用装置，它是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件（轴承盖、定位销、螺栓、螺钉等）组成。试确定这些零部件都是由哪些材料制作而成的。〖任务分析〗减速器的各零部件在工作时受力情况各不相同，对材料的性能要求也有所差异，需要区别对待。〖相关知识〗学习情境一材料的分类和金属材料的性能一、材料的分类工程材料是指在机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。按材料的组成和结合键的特点，可将工程材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。二、金属材料的性能1.使用性能1）力学性能力学性能是指材料在载荷（外力）作用下所表现出的抵抗产生塑性变形或断裂的能力。弹性和刚度。材料力学性能的指标是通过拉伸试验测定的。根据国家标准GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中的相关规定制作标准拉伸试样，如图1-1所示。图1-1标准拉伸试样为消除试样几何尺寸对试验结果的影响，将拉伸过程中试样所受的拉伸力转化为试样单位截面积上所受的力（称为应力），试样伸长量转化为试样单位长度上的伸长量（称为应变），得到应力—应变曲线，其形状与拉伸曲线完全一致。低碳钢的应力—应变曲线如图1-2所示。图1-2低碳钢的应力—应变曲线强度。工程材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力称为强度。屈服强度。在图1-2中，当曲线超过A点后，若卸去外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。在金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而力不增加的应力点称为屈服点，其所对应的强度称为屈服强度，应区分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL，单位为MPa。抗拉强度。材料在断裂前所承受的最大应力值称为抗拉强度或强度极限，用Rm表示，单位为MPa。（3）塑性。塑性是指材料在断裂前发生永久变形的能力。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率，在拉伸试验中，可以通过把试样拉断后将其对接起来进行测量而得到。断后伸长率A和断面收缩率Z越大，材料的塑性越好。两者相比，用断面收缩率表示塑性比断后伸长率更接近真实变形。（4）硬度。硬度是反映材料软硬程度的一种性能指标，它表示材料表面局部区域内抵抗其他物体压入的能力。测量硬度的常用指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。使用不同方法所测得的硬度值不能直接比较，可通过硬度对照表换算。（5）冲击韧性。材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧性，用ak表示。一般采用一次冲击弯曲试验测定材料的冲击韧性。（6）疲劳。①疲劳的概念。许多机械零件（如齿轮、轴、弹簧）是在重复或交变载荷下工作的。交变载荷是指大小或方向随时间而变化的载荷。在交变载荷作用下，即使零件所承受的应力远低于其屈服强度，长时间作用后也会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为材料的疲劳。②疲劳强度。在测定材料的疲劳强度时要用较多的试样，在不同循环应力作用下进行试验，作出疲劳曲线（材料所受交变应力S与其断裂前的应力循环次数Nf的关系曲线），如图1-8所示。图1-8疲劳曲线示意图2）物理性能和化学性能（1）物理性能。工程材料的物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。各种机械零件由于用途不同，对材料的物理性能要求也有所不同。（2）化学性能。金属及合金的化学性能指它们在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力，主要有耐蚀性和抗氧化性。2.工艺性能工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。按加工方法的不同，可分为铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性及热处理工艺性能等。在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑材料的工艺性能，以降低成本，获得质量优良的零件。学习情境二金属的晶体结构与结晶一、晶体结构的基本概念1.晶格如果把组成晶体的原子（或离子、分子）看做刚性球体，那么晶体就是由这些刚性球体按一定规律周期性地堆积而成，如图1-9（a）所示。不同晶体的堆积规律不同。为了研究方便，假设将刚性球体视为处于球心的点，称为结点，用假想的直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称为晶格，如图1-9（b）所示。晶格能够直观地表示晶体中原子（或离子、分子）的排列规律。2.晶胞从微观上看，晶体是无限大的。为了便于研究，常从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元来进行分析，这个最小的几何单元称为晶胞，如图1-9（c）所示。晶胞在三维空间中重复排列便可构成晶格和晶体。图1-9简单立方晶体示意图3.常见纯金属的晶格类型1）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞示意图如图1-10所示，具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。图1-10体心立方晶胞示意图2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞示意图如图1-11所示，属于这类晶格的金属有γFe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。图1-11面心立方晶胞示意图3）密排六方晶格密排六方晶格的晶胞示意图如图1-12所示，属于这类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。图1-12密排六方晶胞示意图二、纯金属的晶体结构1.单晶体和多晶体在研究金属的晶体结构时，是把晶体看成由原子按一定几何规律作周期性排列而成，晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图1-13所示。图1-13多晶体结构示意图2.晶体缺陷按晶体缺陷的几何形状，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三、纯金属的结晶金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，此过程称为金属的结晶过程。纯金属在缓慢冷却时，由于结晶时放出的结晶潜热补偿了冷却时向外散失的热量，故冷却过程中温度不变化，此时的温度称为理论结晶温度。四、合金及合金中的相结构1.合金的基本概念1）组元组成合金最基本的、独立的单元称为组元，简称为元。例如，黄铜的组元是铜和锌，碳钢的组元是铁和碳，或者是铁和金属化合物Fe3C。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金。2）相固态合金中的相是合金组织的基本组成部分，它具有一定的晶体结构和性质，具有均匀的化学成分。3）合金系由给定的组元可以配制成一系列成分不同的合金，这些合金组成一个合金系统，称为合金系。4）组织组织是指用肉眼或借助各种不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布。2.固态合金中的基本相1）固溶体合金结晶时，组元之间相互溶解所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种固相称为固溶体。2）金属化合物金属化合物是合金组元按一定比例发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相。3.合金相图的基础知识1）二元匀晶相图两组元在液态和固态下均能无限互溶时所构成的相图称为二元匀晶相图。二元匀晶相图是最简单的二元相图，Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、Mo-W等合金都形成二元匀晶相图。在这类合金中，结晶时都由液相结晶出单相的固溶体。这种从液相中结晶出单一固相的过程称为匀晶转变或匀晶反应。Cu-Ni二元匀晶相图如图1-18所示。图1-18Cu-Ni二元匀晶相图2）二元共晶相图组成合金的两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，结晶时发生共晶转变的合金系所形成的二元合金相图称为二元共晶相图。PbSn、PbSb、AgCu、AlSi合金相图均属于这类相图。PbSn二元共晶相图如图1-19所示。图1-19PbSn二元共晶相图学习情境三铁碳合金纯铁的同素异构转变铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，其转变过程如图1-20所示。图1-20纯铁的同素异构转变冷却曲线铁碳合金的基本组织铁碳合金在固态下会出现以下几种基本组织。1.铁素体2.奥氏体3.渗碳体4.珠光体5.莱氏体三、Fe-Fe3C相图铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。wC＞6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，而Fe3C可以作为一个独立的组元，因此，所研究的铁碳合金相图实际上是简化的Fe-Fe3C相图，如图1-21所示。图1-21简化后的FeFe3C相图及其室温组织图Fe-Fe3C相图中的特征点2.Fe-Fe3C相图的特征线（1）ACD线。ACD线为液相线，该线以上的合金为液态，合金冷却至该线以下便开始结晶。（2）AECF线。AECF线为固相线，该线以下合金为固态，加热时温度达到该线，合金开始熔化。(3)PSK线。PSK线为共析线，也称为A1线，即具有共析成分（wC＝0.77%）的奥氏体在共析温度727℃时，要同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，其反应方程式为AS恒温F＋Fe3C（4）ES线。ES线为碳在奥氏体中的固溶线，通常称为Acm线。从该线可以看出，奥氏体的最大溶碳量在1148℃时为2.11%，而在727℃时仅为0.77%。（5）GS线。GS线是冷却时由奥氏体析出铁素体的开始线，通常称为A3线。（6）GP线。GP线是冷却时奥氏体转变成铁素体的终了线。（7）PQ线。PQ线是碳在铁素体中的固溶线。3.Fe-Fe3C相图中的特征相区（1）三个单相区。（2）五个两相区。（3）两个三相区。四、典型合金的结晶过程分析1.共析钢的结晶过程分析其结晶过程如图1-23所示。图1-23共析钢结晶过程示意图2.亚共析钢的结晶过程分析

结晶过程如图1-25所示。图1-25wC=0.4%的亚共析钢的结晶过程示意图3.过共析钢的结晶过程分析结晶过程如图1-27所示。图1-27过共析钢的结晶过程示意图4.共晶白口铸铁的结晶过程分析结晶过程如图1-29所示。图1-29共晶白口铸铁的结晶过程示意图5.亚共晶白口铸铁的结晶过程分析结晶过程如图1-31所示。图1-31wC=3.0%的亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图6.过共晶白口铸铁的结晶过程分析结晶过程如图1-33所示。图1-34wC=5.0%的过共晶白口铸铁的室温平衡组织五、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1.含碳量对铁碳合金组织的影响2.含碳量对力学性能的影响3.含碳量对工艺性能的影响1）铸造性2）可锻性3）焊接性4）切削加工性学习情境四钢的热处理一、钢在加热时的转变钢加热到Ac1以上时会发生珠光体向奥氏体的转变，加热到Ac3和Accm以上，保温足够时间便会全部转变为奥氏体。热处理加热的目的是获得均匀的奥氏体组织，因此，这种加热转变的过程称为钢的奥氏体化。1.奥氏体化过程钢加热时奥氏体的形成遵循形核和长大的基本规律。以共析钢（碳的质量分数为077%）为例，奥氏体的转变过程可分为四个阶段，即奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体溶解以及奥氏体成分均匀化，如图1-36所示。图1-36共析钢的奥氏体化过程示意图影响奥氏体晶粒长大的因素加热温度、保温时间和加热速度加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。加热速度越快，过热度越大，形核率越高，奥氏体晶粒越细。2）含碳量在碳的一定质量分数范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度增大，使奥氏体晶粒长大的倾向增大。3）化学成分钢中的大多数合金元素（除Mn以外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。其中能形成稳定的碳化物的元素（如Cr、W、Mo、Ti、Nb等）和能生成氧化物、氮化物、有阻碍晶粒长大作用的元素（如适量的Al），其碳化物、氧化物、氮化物在晶界上弥散分布，强烈地阻碍了奥氏体晶粒的长大，使晶粒保持细小。二、钢在冷却时的转变冷却过程是热处理的关键工序，其冷却转变温度决定了冷却后的组织和性能。实际生产中采用的冷却方式主要有等温冷却（如等温淬火）和连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等），两种冷却方式的示意图如图1-37所示。图1-37两种冷却方式示意图1.过冷奥氏体的等温冷却转变 图1-38共析钢的C曲线1）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能据过冷奥氏体不同温度（A1线以下）下转变产物的不同，奥氏体的变化可分为三种不同类型的转变，即高温珠光体转变、中温贝氏体转变和低温马氏体转变。2)影响C曲线的因素（1）含碳量。在正常加热条件下，亚共析钢的C曲线随含碳量的增加而右移，过共析钢的C曲线随含碳量的增加而左移。奥氏体中的含碳量越高，Ms点越低。（2）合金元素。除Co、Al以外的几乎所有合金元素溶入奥氏体后，都会增加奥氏体的稳定性，使C曲线不同程度地右移。当某些合金元素达到一定量时，还会改变C曲线的形状。绝大多数合金元素均会使Ms温度降低。（3）加热温度和保温时间。随着加热温度的提高和保温时间的延长，奥氏体晶粒长大，晶界面积减小，奥氏体成分更加均匀，这些都不利于过冷奥氏体的转变，但提高了奥氏体的稳定性，使C曲线右移。2.过冷奥氏体的连续冷却转变1）过冷奥氏体的连续冷却转变曲线在实际生产中，大多数热处理工艺都是在连续冷却过程中进行的，因此，钢的连续冷却转变曲线（也称为CCT曲线）更有实际意义。CCT曲线是由实验方法测定的，图1-39所示为共析钢的CCT曲线，它与C曲线的区别在于CCT曲线位于曲线的右下侧，且没有等温转变曲线的下部分，即共析钢在连续冷却转变时得不到贝氏体组织。图1-39共析钢的CCT曲线2）共析钢CCT曲线和C曲线的比较和应用三、钢的退火与正火1.钢的退火退火是将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（一般为随炉冷却）进行冷却的一种方法。根据钢的成分、组织状态和退火目的的不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等。2.钢的正火将工件加热到Ac3或Accm以上30℃～50℃，使钢转变为奥氏体，保温后从炉中取出在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火主要应用于以下方面。（1）正火用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒，提高力学性能。（2）正火用于低、中碳钢，作为预备热处理，获得合适的硬度，便于切削加工。（3）正火用于过共析钢，消除网状Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行。四、钢的淬火1.淬火工艺1）淬火温度通常亚共析钢的淬火温度应在Ac3以上30℃～50℃，共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1以上30℃～50℃。2）保温时间为了使工件各部分均完成组织转变，需要在淬火加热温度下保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起统称为加热时间。3）淬火冷却淬火冷却是决定淬火质量的关键，为了使工件获得马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度vk，而快速冷却会产生很大的内应力，容易引起工件的变形和开裂。2.淬火方法为保证淬火效果，减少淬火变形和开裂，应根据钢的材料、大小和种类，合理选择淬火方法。常用的淬火方法有单介质淬火法、双介质淬火法、分级淬火法和等温淬火法四种，如图1-42所示。图1-42常用淬火方法3.钢的淬透性和淬硬性五、钢的回火1.回火的目的（1）改善淬火钢的性能，达到要求的力学性能。（2）稳定工件尺寸。（3）消除或减小淬火内应力，降低马氏体脆性，防止工件的变形和开裂。2.回火的分类淬火钢回火后的组织与性能由回火温度决定，钢的回火按回火温度不同可分为低温回火、中温回火、高温回火。六、钢的表面热处理1.钢的表面淬火目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。1）感应加热表面淬火感应加热表面淬火是在工件中引入一定频率的感应电流（涡流），使工件表面层快速加热到淬火温度后立即喷水冷却的方法。2）火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是用乙炔—氧或煤气—氧的混合气体燃烧的火焰喷射至零件表面，快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度的一种表面淬火方法。钢的化学热处理1）钢的渗碳（1）渗碳的目的及渗碳用钢。渗碳的目的是提高工件表层含碳量。经过渗碳及随后的淬火和低温回火，可提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持良好的塑性和韧性。工业生产中渗碳钢一般是碳的质量分数为0.10%～0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如15钢、20钢和20Cr等。渗碳层深度一般为0.5～2.5mm。（2）渗碳方法。根据所采用的渗碳剂不同，渗碳可分为气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳。目前常用的是气体渗碳，其次是固体渗碳。不论是气体渗碳还是固体渗碳，渗碳后的零件都要进行淬火和低温回火处理，只有这样才能达到所要求的使用性能。近年来，渗碳工艺有了很大的进展，出现了高温渗碳、真空渗碳、高频渗碳等，有的已经开始用于生产，渗碳过程也在逐渐采用自动化和机械化来控制。2）钢的渗氮与渗碳相比，渗氮工件具有以下特点。（1）渗氮前需经调质处理，以使心部组织具有较高的强度和韧性。（2）表面硬度、耐磨性、疲劳强度及热硬性均高于渗碳层。（3）渗氮表面形成由致密氮化物组成的连续薄膜，具有一定的耐蚀性。（4）渗氮处理温度低，渗氮后不需再进行其他热处理，因此工件变形小。3）碳氮共渗碳氮共渗是向钢的表面同时渗入碳和氮，并以渗碳为主的化学热处理工艺，习惯上又称为氰化。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较为广泛。学习情境五常用金属材料一、碳钢1.碳钢的分类1）按照冶炼时脱氧程序的不同根据冶炼时脱氧程序的不同，碳钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。2）按碳的质量分数分类：低碳钢、中碳钢、高碳钢。3）按钢的用途分类（1）碳素结构钢。碳素结构钢主要用于制造各类工程构件（如桥梁、船舶、建筑物等）及各种机器零件（如齿轮、螺钉、螺母、连杆等）。它多属于低碳钢和中碳钢。（2）碳素工具钢。碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢中碳的含量较高，一般属于高碳钢。（3）特殊性能钢。特殊性能钢包括不锈钢、耐磨钢、耐热钢等。4）按钢中有害杂质的含量分类碳钢主要按钢中有害杂质硫、磷含量分为以下几种：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢。2.碳钢的牌号、性能及主要用途1）普通碳素结构钢这类钢主要保证力学性能，故其牌号体现其力学性能。牌号用“Q＋阿拉伯数字”表示，其中,“Q”为屈服强度，是“屈”字的汉语拼音首字母，数字表示屈服强度值。2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中碳的质量分数，以万分之几计。3）碳素工具钢钢号前面的“T”表示碳素工具钢，其后的数字为碳的质量分数，以千分之几计。4）铸钢以强度表示的铸钢牌号是由铸钢两字的汉语拼音首字母“ZG”与表示力学性能的两组数字组成，第一组数字代表最低屈服强度，第二组数字代表最低抗拉强度。二、合金钢1.合金钢的分类1）按用途分类（1）合金结构钢。合金结构钢可分为机械制造用钢和工程结构用钢等，主要用于制造各种机械零件、工程结构件等。（2）合金工具钢。合金工具钢可分为刃具钢、模具钢、量具钢三类，主要用于制造刃具、模具、量具等。（3）特殊性能钢。特殊性能钢可分为抗氧化用钢、不锈钢、耐磨钢、易切削钢等。2）按合金元素含量分类（1）低合金钢。低合金钢合金元素的质量分数小于5%。（2）中合金钢。中合金钢合金元素的质量分数为5%～10%。（3）高合金钢。高合金钢合金元素的质量分数大于10%。2.合金结构钢1）合金结构钢的牌号我国规定合金结构钢的牌号由“两位数字+元素符号+数字+…”组成。2）普通低合金结构钢普通低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素发展起来的。从成分上看其为低碳低合金钢种，满足大型工程结构（如大型桥梁、压力容器及船舶等）减轻结构重量，提高可靠性及节约材料的需要。3）合金渗碳钢常用渗碳钢按照淬透性大小可分为三类：低淬透性渗碳钢、中淬透性渗碳钢、高淬透性渗碳钢。4）合金调质钢合金调质钢是指经调质处理后使用的合金结构钢，广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。5）合金弹簧钢有代表性的弹簧钢有以下几种。（1）65Mn、70钢。这两种钢可用于制造截面直径小于15mm的小型弹簧，如坐垫弹簧、发条、弹簧环、刹车弹簧、离合器簧片等。（2）55Si2Mn、60Si2Mn。这类钢中加入了Si、Mn元素，提高了钢的淬透性，可用于制造直径为20～25mm的弹簧，如汽车、拖拉机、机车上的减振板簧和螺旋弹簧、汽缸安全阀簧（工作温度小于230℃）。（3）50CrVA。50CrVA不仅淬透性高，还有较高的热强性，适于制造工作温度在350℃～400℃下的重载大型弹簧，如阀门弹簧、气门弹簧。6）滚动轴承钢用来制造各种滚动轴承零件如轴承内外套圈、滚动体（滚珠、滚柱、滚针等）的专用钢称为滚动轴承钢。7）易切削钢易切削钢是指在钢中加入一种或几种易切削元素，使其切削加工性能得到明显改善的结构钢，简称为易切钢。2.合金工具钢1）合金工具钢的牌号合金工具钢牌号的表示方法与合金结构钢相似，基本组成为“一位数字（或无数字）+元素符号+数字+…”，其平均含碳量是用质量分数的千倍表示，当碳的质量分数wC≥1.0%时，钢号中不标出。2）合金刃具钢合金刃具钢有两类：一类是低合金刃具钢，用于低速切削，其工作温度低于300℃；另一类是高速钢，用于高速切削，工作温度高达600℃。3）合金模具钢模具钢可分为两大类：一类是用于冷成形的冷作模具钢，工作温度不超过300℃；另一类是用于热成形的热作模具钢，模具表面温度可达600℃。4）合金量具钢用于制造各种测量工具如游标卡尺、千分尺、块规、塞规等的合金钢称为合金量具钢。量具在使用过程中必须保持自身尺寸的稳定性，因此，量具钢必须具有高硬度、高耐磨性、较高的尺寸稳定性、良好的耐蚀性。3.特殊性能钢1）不锈钢不锈钢是指在大气和一般介质中具有很高耐蚀性的钢种。不锈钢主要包括两类，即耐大气腐蚀的钢（称为不锈钢）和耐化学介质（如酸类）腐蚀的钢（称为耐酸不锈钢）。前者不一定耐酸性介质，而耐酸不锈钢在大气中也有良好的耐蚀性。2）耐热钢在发动机、化工、航空等设备中有很多零件是在高温下工作，制造这些零件所用的要求具有高耐热性的钢称为耐热钢。3）耐磨钢从广泛的意义上讲，表面强化结构钢、工具钢和滚动轴承钢等具有高耐磨性的钢种都可称为耐磨钢，但这里所指的耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷或高压力的作用下发生表面硬化而具有高耐磨性的高锰钢，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。三、铸铁铸铁是碳的质量分数大于2.11%（一般为2.5%～5.0%），并且含有较多的Si、Mn、S、P等元素的多元铁碳合金。它与钢相比，抗拉强度、塑性、韧性较低，但具有优良的铸造性。铸铁可以分为以下几类。（1）普通灰铸铁。普通灰铸铁中石墨呈片状。（2）可锻铸铁。可锻铸铁中石墨呈团絮状。（3）球墨铸铁。球墨铸铁中石墨呈球状。（4）蠕墨铸铁。蠕墨铸铁中石墨呈蠕虫状。四、铝及铝合金铁碳合金以外的其他金属及合金，如铝、铜、镁、钛、锡、铅、锌等金属及其合金称为有色金属。有色金属具有许多特殊性能，在机电、仪表，特别是在航空、航天及航海等工业中具有重要的应用。1.纯铝纯铝是一种银白色的轻金属，熔点为660℃，具有面心立方晶格，没有同素异构转变。纯铝按纯度可分为工业纯铝、工业高纯铝、高纯铝。2.铝合金1）铝合金的分类铝合金一般具有图1-43所示的相图。图1-43铝合金分类相图铝合金的代号、牌号表示方法五、铜及铜合金1.纯铜纯铜呈玫瑰红色，但容易与氧反应，在表面形成氧化铜薄膜，外观呈紫红色。纯铜具有面心立方晶格，无同素异构转变，密度为8.96g/cm3，熔点为1083℃。纯铜具有优良的导电、导热性，其导电性仅次于银，故主要用做导电材料。2.铜合金的分类纯铜的强度不高，用加工硬化方法虽可提高铜的强度，但却会使其塑性大大降低，因此,常用合金化的方法来获得强度较高的铜合金。常用的铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三类。六、滑动轴承合金1.锡基轴承合金锡基轴承合金是一种在软基体分布硬质点的轴承合金。它是以锡、锑为基础，并加入少量其他元素的合金。常用的牌号有ZSnSb11Cu6、ZSnSb8Cu4、ZSnSb4Cu4等。2.铅基轴承合金铅基轴承合金是以PbSb为基体的合金，但二元PbSb合金有密度偏析，同时锑颗粒太硬，基体又太软，只适用于制造速度低、载荷小的次要轴承。为改善其性能，要在合金中加入其他合金元素，如Sn、Cu、Cd、As等。常用的铅基轴承合金为ZPbSb16Sn16Cu2，表示锡的质量分数为15%～17%，锑的质量分数为15%～17%，铜的质量分数为1.5%～2.0%，余量为铅的铅基轴承合金。3.铝基轴承合金铝基轴承合金是以Al为基本元素，Sb或Sn等为主加元素的轴承合金。它具有密度小、导热性好、疲劳强度高和耐蚀性好等优点。铝基轴承合金原料丰富，价格便宜，广泛用于制造高速高载荷条件下工作的轴承。按化学成分将铝基轴承合金分为铝锡系、铝锑系和铝石墨系三类。4.铜基轴承合金铜基轴承合金是以Pb为基本合金元素的铜基合金，也称为铅青铜。由于固态下Pb不溶于Cu，所以铅青铜在室温时的组织是在硬基体铜上均匀分布着软的铅颗粒，极有利于保持润滑油膜，使合金具有优良的耐磨性。此外，铅青铜比巴氏合金更能耐疲劳、抗冲击，承载能力也更强，所以铜基轴承合金可用于制造高速、高载荷下的发动机轴承和其他高速重载轴承。〖拓展训练〗某小型汽油发动机结构如图1-44所示，其主要支承件是缸体和缸盖。缸体内有汽缸，汽缸内有活塞、连杆、曲轴及轴承，缸体的右侧面有凸轮轴，背面有离合器壳、飞轮（图中未画出），缸体底部为油底壳，缸盖顶部有进气门、排气门、挺杆、摇臂，右上部为配电器，左上部为化油器及火花塞。试为该小型汽油发动机各主要零件选定合适的材料。图1-44小型汽油发动机结构简图明确任务，在任务驱动下开始教学。教师讲解屈服强度和抗拉强度的含义，学生结合图1-2分析，加深理解。学生分组讨论断后伸长率和断面收缩率与塑性的关系。学生结合实际思考物理性能和化学性能对于材料的影响。结合图片，理解晶体、晶胞的含义。掌握常见纯金属的晶格类型，并知道哪种金属属于此类晶格。掌握单晶体和多晶体的概念。掌握晶体的三种缺陷及其形成。组织决定合金的性质。结合图讲解二元匀晶相图和二元共晶相图。结合图1-20讲解纯铁的同素异构转变。结合图片讲解Fe-Fe3C相图，学生找出Fe-Fe3C相图的特征线结合图片讲解典型合金的结晶过程。讲解含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。结合示意图，掌握共析钢的奥氏体化过程。学生分组讨论各因素如何影响奥氏体晶粒长大。学生结合图片分析C曲线的变化，教师总结。学生分组讨论CCT曲线与C曲线的区别，教师总结。学生分组讨论退火与正火的区别，教师总结。结合图1-42，分析各淬火方法的特点。结合实际讨论各种回火的应用领域。比较钢的渗碳、钢的渗氮及碳氮共渗各自的特点及应用领域。讲解钢的分类，并结合实际情况讲解不同钢的不同应用领域。比较普通低合金结构钢和低碳钢的不同点。结合实际讨论各种铝及铝合金的应用领域。结合实际讨论各种铜的应用领域。

教学目标知识目标：掌握铸造成型的定义、种类及其优缺点；熟悉铸造工艺设计内容及原则、铸件结构设计原则；了解铸造成型工艺基础理论知识。能力目标：根据零件的具体形状和加工要求，确定浇注位置、分型面及加工余量和起模斜度等。素质目标：教学重点铸造成型的定义、种类及其优缺点教学难点铸造工艺设计内容及原则教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时16教学内容与教学过程设计注释模块二铸造成型〖任务描述〗箱体是减速器的重要组成部件，它是传动零件的基座，其内腔结构复杂。试确定如何制造减速器箱体的毛坯。〖任务分析〗因为箱体是内腔结构较复杂的零件，所以要采用铸造的方法来生产毛坯，在铸造时要根据零件图先画出铸造工艺图，包括浇注位置、分型面、加工余量和起模斜度等。〖相关知识〗学习情境一铸造成型理论基础一、合金的流动性和充型能力1.合金的流动性液态合金本身的流动能力称为合金的流动性。铁碳合金的流动性与碳的质量分数之间的关系如图2-1所示。图2-1铁碳合金的流动性与碳的质量分数的关系2.合金的充型能力1）合金的浇注条件提高合金的浇注温度和浇注速度，增大静压头的高度都会使合金的充型能力提高，但浇注温度太高，将使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，铸件会产生严重的黏砂和胀砂缺陷。因此，每种合金都有一定的浇注温度范围。一般铸钢为1520℃～1620℃，铸铁为1230℃～1450℃，铝合金为680℃～780℃。2）合金的铸型特点铸型材料的导热性越好，液态合金的冷却速度越快，合金的流动性越差。当铸型的发气量大、排气能力较低时，合金的流动受到阻碍，会使合金的充型能力下降。浇注系统和铸型的结构越复杂，合金在充型时的阻力越大，充型能力也会下降。二、铸件的凝固和收缩1.铸件的凝固在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。2.铸件的收缩合金从浇注到凝固直至冷却到常温的过程中产生的体积和尺寸减小的现象称为收缩。三、缩孔和缩松的形成及防止1.缩孔的形成图2-2为缩孔形成过程示意图。液态合金充满铸型型腔，见图2-2（a）。由于铸型吸热使液态合金温度下降，靠近型腔表面的金属凝固形成一层外壳，见图2-2（b）。温度进一步降低，凝固层加厚，内部的剩余液体由于液态补缩和补充凝固层的收缩体积缩减，液面下降，铸件内出现了空隙，见图2-2（c）；温度继续下降，外壳继续加厚，液面不断下降，到合金全部凝固后，则在铸件上部形成容积较大的缩孔，见图2-2（d）；冷却到室温时，随着铸件的固态收缩，铸件外形尺寸稍有缩小，见图2-2（e）。图2-2缩孔形成过程示意图3.缩孔和缩松的控制1）合理选择铸造合金铸造生产中应尽量选择共晶成分附近的合金和结晶温度范围窄的合金。2）控制铸件的凝固顺序所谓顺序凝固，是在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口（为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分）等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固(图2-3中的Ⅰ区)，接着是靠近冒口的部位凝固(图2-3中的Ⅱ区、Ⅲ区)，冒口本身最后凝固。图2-3顺序凝固3）控制浇注条件应在满足充型能力的前提下，尽量降低浇注温度和浇注速度，尤其是在浇注终止前尽量采用慢的浇注速度，是防止产生缩孔的有效措施之一。四、铸造应力、变形和裂纹1.铸造应力1）热应力热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起的。图2-5热应力的形成过程2）机械应力金属冷却到弹性状态后，因收缩受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等的机械阻碍而形成的内应力，称为机械应力。形成应力的原因一旦消失（如铸件落砂或去除浇冒口后），机械应力也就随之消失，所以机械应力是临时应力，如图2-6所示。图2-6机械应力3.铸件的裂纹与防止1）热裂热裂的防止措施包括以下几个方面。（1）设计合理的铸件结构。（2）改善铸型和型芯的退让性。（3）减少铸造合金中的有害杂质，以提高其高温强度。2）冷裂铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹称为冷裂。五、合金的偏析和吸气1.合金的偏析枝晶偏析产生的原因是：铸件在凝固时，与型壁接触部分（包括底部）的液态金属最先凝固，于是靠近型壁部分高熔点的成分含量较多，而中心和上部容易集聚熔点较低的杂质，其结果是在铸件同一断面上出现化学成分和性能的不一致。2.合金的吸气在铸造过程中，气体被液态金属所吸收的现象称为吸气。学习情境二砂型铸造砂型铸造的基本工艺流程如图2-9所示。一、手工造型全部由手工或手动工具完成的造型工序称为手工造型。手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工来完成。手工造型操作方便灵活、适应性强、模样生产准备时间短，但生产率低、劳动强度大、铸件质量不易保证。故手工造型只适用于单件或小批量生产。二、机器造型按紧实方式不同，机器造型可分为压实造型、震压造型、抛砂造型和射砂造型。三、型芯制作当制作空心铸件、铸件的外壁内凹，或铸件具有影响起模的外凸时，经常要用到型芯，制作型芯的工艺过程称为制芯。学习情境三特种铸造一、熔模铸造1.熔模铸造的工艺过程熔模铸造的工艺过程如图2-10所示。图2-10熔模铸造的工艺过程2.熔模铸造的特点和应用范围与普通砂型铸造相比，熔模铸造具有以下特点。（1）熔模铸造的铸型无分型面，不需要起模斜度，也不必另装型芯，型腔光滑，所以铸件精度高（IT14～IT11），表面粗糙度低（Ra为12.5～1.6μm），熔模铸造是重要的无切削加工方法。（2）由于液态金属是在铸型处于高温时浇注，提高了液态金属的流动性，故可铸出轮廓清晰的薄壁铸件。（3）型壳经过硬化、焙烧后发气性小，透气性、退让性和出砂性较好，铸件废品率低。（4）熔模铸造可用于铸造各种合金铸件，包括铝、铜等有色金属、合金钢及熔点高、难加工的特种合金等，对于耐热合金的复杂件铸造，熔模铸造几乎是唯一的生产方法。二、金属型铸造1.金属型的结构与材料根据分型面位置不同，金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式三种结构，其中垂直分型式金属型开设浇注系统和取出铸件比较方便，易实现机械化，应用较广泛。图2-11铸造铝合金活塞用的垂直分型式金属型2.金属型铸造工艺措施1）加强金属型的排气2）在表面喷刷涂料3）预热金属型4）开型3.金属型铸造的特点（1）铸件尺寸精度高，尺寸公差等级为IT14～IT12，表面质量好，表面粗糙度Ra值为12.5～6.3μm，机械加工余量小。（2）铸件的晶粒较细，力学性能好。（3）金属型铸造可实现“一型多铸”，提高了生产率，且节约造型材料。三、压力铸造1.压铸机和压铸工艺过程工作原理如图2-12所示。图2-12卧式冷压室压铸机的工作原理2.压力铸造的特点及应用（1）压铸件尺寸精度高，表面质量好。（2）压力铸造可以压铸壁薄、形状复杂以及具有很小的孔和螺纹的铸件。（3）压铸件的强度和表面硬度较高。（4）压力铸造生产率高，可实现半自动化及自动化生产。四、低压铸造1.低压铸造工艺过程低压铸造的工作原理如图2-13所示。图2-13低压铸造原理图2.低压铸造的特点和应用五、离心铸造1.离心铸造的类型心铸造机的工作原理如图2-14所示。卧式离心铸造的铸型绕水平轴旋转，见图2-14（a），适合浇注长径比较大的各种管件；立式离心铸造的铸型绕垂直轴旋转，见图2-14（b），适合浇注各种盘、环类铸件。图2-14离心铸造机工作原理示意图2.离心铸造的特点及应用六、各种铸造方法的比较各种铸造方法都有其优缺点和适用范围，因此，在决定某铸件究竟采用哪种铸造方法时，必须结合生产的具体情况综合考虑，如铸件的形状、大小、合金种类、生产批量、精度和质量要求，以及车间现有设备和技术条件等，要进行全面的分析比较，才能正确选择合适的铸造方法。学习情境四铸造工艺设计一、铸件浇注位置和分型面的选择1.确定浇注位置的原则（1）铸件的重要加工面或主要工作面应尽可能置于铸型的下部或侧立位置，避免气孔、砂眼、缩孔等缺陷出现在工作面上。（2）平板、圆盘类铸件的大平面应朝下，以防止产生气孔、夹砂等缺陷。（3）铸件的薄壁部分应朝下或倾斜，以免产生浇不足、冷隔等缺陷。（4）铸件的厚壁部分应放在上面或接近分型面，以便安装冒口进行补缩。2.确定分型面的原则（1）铸件应尽可能放在一个砂箱内，或将重要加工面和加工基准面放在同一砂箱中，以保证铸件的尺寸精度。如图2-20所示为管子塞头的分型方案，根据本原则，图2-20（b）比图2-20（a）的方案合理。（2）应尽量减少分型面的数量，并力求用直分型面代替特殊形状的分型面。如图2-21所示。（3）应尽量减少型芯或活块的数目，并注意降低砂箱高度。如图2-23所示。（4）为方便下芯、合型及检查型腔尺寸，通常把主要型芯放在下型中。如图2-24所示。图2-20管子塞头的分型方案图2-21绳轮铸件的分型方案图2-22起重臂铸件的分型方案图2-23端盖铸件的分型方案图2-24机床支柱的分型方案二、工艺参数的确定1.确定机械加工余量2.确定铸件收缩率3.确定起模斜度4.确定型芯头的构造5.最小铸出孔及槽学习情境五砂型铸造铸件结构设计一、铸造工艺对铸件结构设计的要求1）避免外部侧凹铸件在起模方向上若有侧凹，必将增加分型面的数量，增加砂箱数量和造型工时，铸件也容易产生错型，影响铸件的外形和尺寸精度。如图2-27（a）所示的端盖，由于上下法兰的存在，使铸件产生侧凹，铸件具有两个分型面，所以必须采用三箱造型，或增加环状外型芯，造型工艺复杂。若改为如图2-27（b）所示的结构，取消上部法兰，使铸件只有一个分型面，则可采用两箱造型，可以显著提高造型效率。图2-27端盖的设计2）凸台、肋板的设计设计铸件侧壁上的凸台、肋板时，考虑到起模方便，应尽量避免使用活块和型芯。如图2-28（a）、（b）所示的凸台均妨碍起模，应将相近的凸台连成一片，并延长到分型面。如图2-28（c）、（d）所示凸台就不需要活块和型芯，便于起模。图2-28凸台的设计2.合理设计铸件内腔1）尽量避免出现或减少型芯如图2-29（a）所示悬臂支架采用方形中空截面，为形成其内腔，必须采用悬臂型芯，型芯的固定、排气和出砂都很困难。若改为如图2-29（b）所示工字形开式截面，则可省去型芯。如图2-30（a）所示结构带有向内的凸缘，则必须采用型芯形成内腔，若改为如图2-30（b）所示的结构，则可通过自带型芯形成内腔，使工艺过程大大简化。图2-29悬臂支架2）型芯要便于固定、排气和清理型芯在铸型中的支承必须牢固，否则型芯会因无法承受浇注时液态金属的冲击而产生偏心缺陷，造成废品。3）应避免出现封闭空腔如图2-32（a）所示铸件为封闭的空腔结构，其型芯安放困难、排气不畅、无法清砂、结构工艺性极差。若改为如图2-32（b）所示结构，则可避免上述问题，其结构设计合理。图2-32铸件内腔设计方案3.分型面尽量平直分型面如果不平直，造型时必须采用挖砂造型或假箱造型，导致生产率很低。若将图2-33（a）的杠杆铸件改为图2-33（b）所示的结构，则分型面变为平面，方便了制模和造型，故图2-33（b）的分型方案更合理。图2-33杠杆铸件结构的分型方案4.铸件应有结构斜度铸件垂直于分型面的非加工表面应设计出结构斜度，如图2-34（b）所示的结构在造型时容易起模，不易损坏型腔，这样的设计是合理的。而图2-34（a）为无结构斜度的不合理结构。图2-34铸件的结构斜度二、合金铸造性对铸件结构设计的要求1.合理设计铸件的壁厚当铸件壁厚不能满足铸件力学性能要求时，可采用加强肋结构，而不是用单纯增加壁厚的方法，如图2-35所示。图2-35采用加强肋减小铸件壁厚2.壁厚应尽可能均匀3.铸件壁的连接方式要合理1）铸件壁之间的连接应有结构圆角2）铸件壁厚不同的部分连接时过渡要平缓3）铸件壁连接处应避免集中交叉和锐角4.避免大的水平面铸件上大的水平面不利于液态金属的充填，易产生浇不足、冷隔等缺陷；而且大的水平面上方的砂型受高温液态金属的烘烤容易掉砂而使铸件产生夹砂等缺陷；液态金属中气孔、夹渣上浮滞留在上表面，产生气孔、渣孔。如将图2-39（a）所示的水平面改为如图2-39（b）所示的斜面，则可减少或消除上述缺陷。图2-39避免大水平面的结构5.避免铸件收缩受阻铸件在浇注后的冷却凝固过程中，若其收缩受阻，铸件内部将产生应力，导致变形和裂纹。因此铸件在进行结构设计时，应尽量使其能够自由收缩。如图2-40所示的轮形铸件，轮缘和轮毂较厚，轮辐较薄，铸件冷却收缩时，极易产生热应力。若轮辐对称分布，见图2-40（a），虽然制作模样和造型方便，但因收缩受阻易产生裂纹；若改为图2-40（b）所示的结构，则可利用铸件微量变形来减少内应力。图2-40轮辐的设计方案学习情境六铸造新技术及发展趋势一、造型技术的发展1.气体冲击造型气体冲击造型是近年发展起来的一种新的造型工艺方法，包括空气冲击造型和燃气冲击造型两类。2.真空实型铸造真空实型铸造又称为气化模铸造、消失铸造。它是采用聚苯乙烯发泡塑料模样代替普通模样，将刷过涂料的模样放入可抽真空的特制砂箱内，填干砂后，震动紧实，抽真空，不取出模样就浇入液态金属，在高温液态金属的作用下，塑料模样燃烧、气化、消失，液态金属取代原来塑料模样所占据的空间位置，冷却凝固后获得所需铸件的铸造方法。二、快速成型铸造技术快速成型铸造（rapidprototypingmanufacturing，RPM）技术也称为快速原型铸造技术，是以分层合成工艺为基础的计算机快速立体模型制造系统。快速成型铸造技术集现代数控技术、CAD/CAM技术、激光技术以及新型材料于一体，突破了传统的加工模式，可以自动、快速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，从而对产品设计进行快速评价、修改。目前，正在应用与开发的快速成型铸造技术有激光立体光刻技术、激光粉末选区烧结成型技术、熔丝沉积成型技术、叠层轮廓制造技术等多种工艺方法。各种工艺方法原理相同，只是技术有所差别。（1）激光立体光刻技术（SLA）。采用SLA成型方法生产金属零件的最佳技术路线为SLA原型（零件型）—熔模铸造—铸件。SLA主要用于生产中等复杂程度的中小型铸件。（2）激光粉末选区烧结成型技术（SLS）。采用SLS成型方法生产金属零件的最佳技术路线为SLS原型（陶瓷型）—铸件或SLS原型（零件型）—熔模铸造—铸件。SLS主要用于生产中小型复杂铸件。（3）熔丝沉积成型技术（FDM）。采用FDM成型方法生产金属零件的最佳技术路线为FDM原型（零件型）—熔模铸造—铸件。FDM主要用于生产中等复杂程度的中小型铸件。三、计算机在铸造中的应用随着科学技术的发展，计算机也在铸造生产中得到了广泛的应用。例如，在铸造工艺设计方面，计算机可模拟液态金属的流动性和收缩性，预测与铸件温度直接相关的铸件的宏观缺陷，如缩孔、缩松、热裂纹、偏析等；可进行铸造工艺参数的计算；可绘制铸造工艺图、木模图、铸件图；还可用于生产控制。近年来应用的铸造工艺计算机辅助设计系统是利用计算机协助生产工艺设计者分析铸造方法、优化铸造工艺、估算铸造成本、确定设计方案并绘制铸造图等，将计算机的快速性、准确性与设计者的思维、综合分析能力结合起来，从而极大地提高产品的设计质量和速度。明确任务，在任务的驱动下学习。思考合金流动性好坏产生的影响。学生分组讨论影响铸件凝固和收缩的化学成分。结合示意图，讲解缩孔形成过程。结合示意图讲解热应力的形成过程。理解机械应力是临时应力的原因。学生分组讨论防止冷裂的措施，教师总结。思考手工造型、机器造型、型芯制作的优点和缺点。根据图片讲解熔模铸造的工艺过程。结合实际情况，学生分组讨论熔模铸造的应用领域。结合金属型铸造的特点，学生分组讨论金属型铸造在实际中的应用。结合压力铸造的特点，学生分组讨论压力铸造在实际中的应用。教师讲解低压铸造工艺过程，学生根据工艺过程思考其特点及应用领域，教师总结。结合图片讲解确定分型面的原则。结合图片讲解铸造工艺对铸件结构设计的要求。学生分组讨论图2-29所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论图2-32所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论图2-34所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论图2-35所示合理及不合理的情况，总结原因。学生分组讨论气体冲击造型的优缺点，教师总结。了解计算机在铸造中的应用。教学目标知识目标：掌握塑性成形的定义及种类；掌握塑性成形的理论基础；熟悉自由锻的工艺过程及常见自由锻工序，自由锻件的结构工艺性；熟悉模锻的特点、锻模的结构及模锻件的结构工艺性；熟悉冲压的基本工序、冲模的结构及冲压件的结构工艺性；了解塑性成形新工艺。能力目标：根据自由锻件的形状特点，确定自由锻的工序；根据零件图，制定冷锻件图和热锻件图；根据冲裁件的形状特点、生产要求，确定排样图和冲裁工序。素质目标：教学重点自由锻的工艺过程及常见自由锻工序教学难点自由锻的工艺过程教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时16教学内容与教学过程设计注释模块三塑性成形〖任务描述〗曲轴是机械装置里常见的零件，它和滑块、连杆一起构成的曲柄滑块机构能对运动形式进行转换。将旋转运动转换成往复直线运动的曲轴主要用在曲柄压力机中，将往复直线运动转换成旋转运动的曲轴主要用在发动机中。本模块主要介绍用何种方法提供曲轴的毛坯，从而进一步进行机加工得到最终的符合要求的零件。〖任务分析〗曲轴形状较复杂，在工作过程中受力情况也比较复杂，既承受弯矩，又承受扭矩，并且是周期性的交变载荷。这就要求曲轴有非常好的综合力学性能才能满足使用性能的要求，通常对力学性能要求高的零件都通过锻造的方法提供毛坯，并且由于曲轴形状复杂，故通常选择模锻的方法提供曲轴的毛坯。〖相关知识〗学习情境一塑性成形理论基础一、金属的冷变形金属冷变形的重要特点之一是加工硬化。加工硬化的结果是使金属的强度、硬度提高，塑性降低。冷变形时低碳钢的力学性能与变形程度的关系如图3-1所示。图3-1冷变形时低碳钢的力学性能与变形程度的关系1.加工硬化从试验观察得知，金属由于塑性变形，滑移面的晶格产生强烈的晶格歪扭和晶粒变形甚至破碎，增大了滑移阻力，使得滑移难以继续进行下去，在力学性能上表现为强度、硬度增加，塑性、韧性下降。这种随变形程度增大，变形金属的强度、硬度上升，而塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。2.回复与再结晶当加热温度不高时，内应力有明显下降，而显微组织无明显变化，此时各种性能有不同程度的恢复，此过程称为回复。当加热温度继续升高时，破碎拉长的晶粒通过重新结晶变成细而均匀的粒状晶粒，性能得以恢复，加工硬化消除，塑性提高，此过程称为再结晶。二、金属的热变形主要表现如下。（1）热变形可以消除铸锭中的某些缺陷，如使气孔、缩松等被压合，组织致密度得到改善。（2）热变形可使铸态金属中的粗大枝晶和柱状晶破碎，使晶粒细化，力学性能得以提高。（3）热变形时，金属中的夹杂物一般难以发生再结晶，因此，变形后仍沿着金属变形的方向拉长（或压扁），形成热变形纤维组织。热变形纤维组织在宏观检验时称为流线，变形程度越大，纤维组织越明显。三、金属的可锻性1.化学成分和组织结构1）化学成分不同化学成分的金属其可锻性不同，纯金属的可锻性优于合金，低碳钢的可锻性优于中碳钢和高碳钢，碳钢的可锻性优于合金钢。为什么在钢中低碳钢的可锻性最好？2）组织结构金属内部的组织不同，其可锻性有很大差别。纯金属及单相固溶体的合金具有良好的塑性，其可锻性较好；钢中有碳化物和多相组织时，可锻性变差；具有均匀细小等轴晶粒的金属的可锻性比晶粒粗大的铸态柱状晶组织好；钢中有网状二次渗碳体时，钢的塑性将大大下降。2.加工条件1）变形温度如图3-4所示为碳钢的锻造温度范围。2）变形速度如图3-5所示为变形速度对金属可锻性的影响图3-4碳钢的锻造温度范围图3-5变形速度对金属可锻性的影响3.应力状态用不同的锻造方法使金属变形时，其内部所产生的应力大小和应力性质（拉或压）是不同的。甚至在同一变形方式下，金属内部不同部位的应力状态也可能是不同的。如图3-6所示，挤压时坯料内部的应力状态为三向受压；拉拔时径向受压，轴向受拉；镦粗时，坯料内部存在三向压应力，而侧表面层水平方向的压应力转变为拉应力。图3-6金属变形时的应力状态学习情境二塑性成形方法一、自由锻1.自由锻的工序1）基本工序基本工序是使金属坯料实现变形的主要工序，主要有以下几个工序。（1）镦粗。镦粗是使坯料高度减小、横截面积增大的工序。（2）拔长。拔长是使坯料横截面积减小、长度增大的工序。（3）冲孔。冲孔是使坯料具有通孔或不通孔的工序。（4）弯曲。弯曲是使坯料轴线产生一定曲率的工序。（5）扭转。扭转是使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序。（6）错移。错移是使坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序。（7）切割。切割是分割坯料或去除锻件余量的工序。2）辅助工序辅助工序是指进行基本工序之前的预变形工序，如压钳口、倒棱、压肩等。3）精整工序精整工序是修整锻件的最后形状与尺寸，消除表面的不平整，从而使锻件达到要求的工序，主要有修整、校直、平整端面等。2.自由锻的特点及应用（1）自由锻工艺灵活，工具简单，设备和工具的通用性强，成本低。（2）自由锻应用范围较为广泛，可锻造的锻件质量为1~300000kg。在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一成形方法。（3）自由锻件精度较低，加工余量较大，生产率低，故一般只适合于单件小批量生产。3.自由锻的工艺规程1）锻件图锻件图是工艺规程的核心部分，它是以零件图为基础，结合自由锻造工艺特点绘制而成的。2）计算坯料质量及尺寸坯料的质量可按下式计算m坯料＝m锻件+m烧损+m料头（3-1）式中，m坯料为坯料质量（kg）；m锻件为锻件质量（kg）；m烧损为加热时坯料表面因氧化而烧损的质量（kg），第一次加热取被加热金属质量的2%～3%，以后各次加热m烧损均取被加热金属质量的1.5%～2%；m料头为在锻造过程中，冲掉或被切掉的那部分金属的质量（kg）。3）确定变形工序确定变形工序的依据是锻件的形状、尺寸、技术要求、生产批量和生产条件等。4.自由锻件的结构工艺性二、模锻锤上模锻所用设备为模锻锤，模锻锤产生的冲击力使金属变形，图3-8为一般常用的蒸汽—空气模锻锤的示意图，它的砧座3比相同吨位自由锻锤的砧座增大约1倍，并与锤身2连成一个刚性整体，锤头7与导轨之间的配合也比自由锻精密，因锤头的运动精度较高，使上模6与下模5在锤击时对位准确。图3-8蒸汽-空气模锻锤1）锻模结构锤上模锻生产所用的锻模如图3-9所示。图3-9锤上模锻锻模示意图2）模膛的类型根据模膛作用的不同，模膛可分为制坯模膛和模锻模膛两种。（1）制坯膜膛。常见的制坯模膛有以下几种，如图3-10所示。图3-10常见的制坯模膛（2）模锻模膛。由于金属在模锻模膛中发生整体变形，故作用在锻模上的抗力较大。模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两种。3）模锻件图的制定（1）确定分模面。（2）确定加工余量和锻造公差。（3）模锻斜度。（4）模锻圆角半径。（5）冲孔连皮。如图3-14所示。图3-14分模面的选择比较示意图4）模锻工序的确定（1）长轴类锻件。长轴类锻件有曲轴、连杆、台阶轴等，如图3-17所示。（2）盘类锻件。盘类锻件是指在分模面上的投影为圆形或长度接近宽度的锻件，如齿轮、法兰盘等，如图3-18所示。图3-17长轴类锻件图3-18盘类锻件5）模锻件的精整提高模锻件成形后精度和表面质量的工序称为精整，包括切边、冲孔连皮、校正等。6）模锻件的结构工艺性（1）必须具有一个合理的分模面。（2）考虑模锻斜度和圆角，模锻件上与分模面垂直的非加工表面应设计出模锻斜度。（3）只有与其他机件配合的表面才须进行机械加工，由于模锻件尺寸精度较高和表面粗糙度值低，因此，在零件上其他表面均应设计为非加工表面。（4）模锻件外形应力求简单、平直和对称，为了使金属容易充满模膛而减少工序，应尽量避免模锻件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、高台等结构。如图3-19所示。图3-19结构不合理的模锻件（5）模锻件应避免深孔或多孔结构，以便于模具制造和延长模具使用寿命。如图3-20所示。图3-20多孔齿轮（6）对复杂锻件，为减少余块、简化模锻工艺，在可能条件下，应尽量采用锻—焊或锻—机械连接组合工艺。2.其他设备模锻1）曲柄压力机上模锻曲柄压力机上模锻的特点如下。（1）曲柄压力机上模锻工作时无振动，噪声小。它作用于金属上的变形力是静压力，且变形力由机架本身承受，不传给地基。（2）曲柄压力机上模锻的滑块行程固定。每个变形工序在滑块的一次行程中即可完成。（3）曲柄压力机上模锻精度高、生产率高。曲柄压力机具有良好的导向装置和自动顶件机构，锻件的余量、公差和模锻斜度都比锤上模锻的小，且生产率高。（4）曲柄压力机上模锻使用镶块式模具。这类模具制造简单，更换容易，节省贵重的模具材料。如图3-22所示。图3-22曲柄压力机所用锻模（5）曲柄压力机价格高，因而这种模锻方法只适用于大批量生产条件下锻制中、小型锻件。2）摩擦压力机上模锻摩擦压力机的传动原理如图3-23所示。图3-23摩擦压力机的传动原理3）胎模锻在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的锻造方法称为胎模锻。它是一种介于自由锻和模锻之间的锻造方法。4）平锻机上模锻平锻机的主要结构与曲柄压力机相同，因滑块是水平方向运动的，故称为平锻机。如图3-25所示为平锻机传动图。图3-25平锻机传动图图3-27所示为平锻机上模锻过程。图3-27平锻机上的模锻过程三、板料冲压板料冲压与其他加工方法相比具有以下特点。（1）板料冲压所用原材料必须有足够的塑性，如低碳钢、高塑性的合金钢、不锈钢和铜、铝、镁及其合金等。（2）板料冲压件尺寸精度高，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不需进行机械加工，可直接装配使用。（3）板料冲压可加工形状复杂的薄壁零件。（4）板料冲压生产率高，操作简便，成本低，工艺过程易实现机械化和自动化。（5）板料冲压可利用塑性变形的加工硬化提高零件的力学性能，在材料消耗少的情况下获得强度高、刚度大、质量好的零件。1.冲压设备1）剪床图3-28剪床2）冲床图3-29可倾斜式开式冲床外形和传动示意图2.冲裁1）变形与断裂分离过程冲裁使板料变形与分离的过程如图3-30所示。图3-30冲裁变形过程2）冲裁间隙冲裁间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量，也影响模具使用寿命。当冲裁间隙合理时，上下剪裂纹会基本重合，获得的冲裁件断面较光洁，毛刺最小；冲裁间隙过小，上下剪裂纹比正常间隙时向外错开一段距离，在冲裁件断面会形成毛刺和夹层；冲裁间隙过大，材料中拉应力增大，塑性变形阶段过早结束，剪裂纹向里错开，光亮带小，毛刺和剪裂带均较大。冲裁间隙的大小一般为板料厚度的3%~8%。3）刃口尺寸凸模和凹模刃口的尺寸取决于冲裁件尺寸和冲裁间隙。4）冲裁力冲裁力是选用冲床吨位和校验模具强度的重要依据。平刃冲模的冲裁力的计算公式为F=KLtτ式中，F为冲裁力(N)；L为冲裁件周边长度（m）；t为板料厚度（m）；τ为材料抗剪强度（MPa）；K为系数，一般取1.3。5）排样排样是指落料件在板料上进行合理布置的方法，排样可以提高材料利用率。落料件的排样有两种，即无搭边排样和有搭边排样，如图3-31所示。图3-31有搭边和无搭边排样6）修整修整是利用修整模沿冲裁件外缘或内孔刮削一层薄层金属，以切掉冲裁件上的剪裂带和毛刺。修整的机理与切削加工相似。对于大间隙冲裁件，单边修整量一般为板料厚度的10%；对于小间隙冲裁件，单边修整量在板料厚度的8%以下。3.拉深拉深是利用模具冲压坯料使平板冲裁坯料变形成开口空心零件的工序，也称为拉延，如图3-32所示。图3-32拉深过程示意图1）拉深系数拉深件直径d与坯料直径D的比值称为拉深系数，用m表示。拉深系数是衡量拉深变形程度的指标。拉深系数越小，表明拉深件直径越小，变形程度越大，坯料越难被拉入凹模，易产生拉穿而成为废品。2）拉深缺陷及预防措施4.弯曲弯曲是利用模具或其他工具将坯料一部分相对另一部分弯曲成一定的角度和圆弧的变形工序。弯曲过程及典型弯曲件如图3-33所示。图3-33弯曲过程及典型弯曲件弯曲过程中须注意以下几个问题。（1）考虑弯曲的最小半径rmin。弯曲半径越小，其变形程度越大。为防止材料弯裂，应使rmin不小于板料厚度的25%，材料塑性好，相对弯曲半径可小些。（2）考虑材料的纤维方向。弯曲时应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直，使弯曲时的拉应力方向与纤维方向一致，如图3-34所示。（3）考虑回弹现象。图3-34弯曲线方向5.板料冲压件的结构工艺性1）冲压件的几何形状2）冲压件的尺寸3）冲压件的精度和表面质量6.冲模1）简单冲模在冲床的一次冲程中只完成一道工序的冲模称为简单冲模，如图3-35所示，它适用于小批量生产。图3-35简单冲模2）复合冲模在冲床的一次冲程中，在模具的同一部位上同时完成数道冲压工序的模具称为复合冲模。如图3-36所示。图3-36落料及拉深复合冲模3）连续冲模连续冲模实际上是把两个以上的简单冲模安装在一块模板上，如图3-37所示，以便在一次冲压中连续完成两个以上的基本工序。图3-37连续冲模学习情境三其他塑性成形工艺及发展趋势一、精密模锻保证精密模锻件质量的主要措施如下。（1）精确计算原始坯料的尺寸，否则会增大锻件尺寸公差，降低精度。（2）精锻模膛的精度必须比锻件精度高两级，精锻模应有导向结构，以保证合模准确。（3）精密模锻应采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。（4）仔细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其他缺陷等。（5）模锻过程中要很好地冷却锻模和进行润滑。二、挤压挤压是使坯料在挤压模内受压被挤出模孔而变形的加工方法。1.挤压的分类1）按金属的流动方向与凸模运动方向的不同分类按金属的流动方向与凸模运动方向的不同，挤压可分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压，如图3-38所示。图3-38挤压成形2）按金属坯料变形温度的不同分类按金属坯料变形温度的不同，挤压可分为冷挤压、热挤压和温挤压。2.挤压工艺特点（1）挤压时金属坯料处于三向受压状态，可提高金属坯料的塑性，扩大金属材料的塑性加工范围。（2）挤压可制出形状复杂、深孔、薄壁和异型断面的零件。（3）挤压件的精度高，表面粗糙度值小。（4）挤压变形后，零件内部的纤维组织基本上是沿零件外形分布而不被切断，从而提高了零件的力学性能。（5）挤压材料利用率可达70%，生产率比其他锻造方法提高几倍。（6）挤压是在专用挤压机（有液压式、曲轴式、肘杆式等）上进行的，也可在适当改造后的通用曲柄压力机或摩擦压力机上进行。三、超塑成形利用金属的超塑性成形的方法称为超塑成形。目前常用的超塑性成形材料主要是锌铝合金、铝基合金及高温合金等。金属超塑性成形是一项新工艺，具有以下特点。（1）超塑成形材料塑性高，可比一般塑性成形提高1～2个数量级。（2）超塑成形材料变形抗力小，通常只有常规塑性成形的1/5左右。（3）超塑成形材料尺寸稳定。（4）对于复杂形状的零件，超塑成形材料可以一次成形，表面粗糙度值低及尺寸精度高，特别是对难变形的合金尤为有效。（5）超塑成形生产率低，需要耐高温的模具材料及专用加热装置，因而只有在一定范围内使用才是经济的。四、塑性加工的发展趋势1.先进成形技术的开发和应用1）发展省力成形工艺2）提高成形精度3）复合工艺和组合工艺2.计算机技术的应用1）塑性成形过程的数值模拟2）CAD/CAE/CAM的应用3）增强成形柔度3.实现产品—工艺—材料的一体化4.配套技术的发展1）模具生产技术2）坯料加热方法〖拓展训练〗如图3-39所示的零件，材料为08钢，厚度t=1mm，大批量生产。试确定拉深工艺，设计拉深模。图3-39拉深零件图明确任务，在任务的驱动下学习。思考加工硬化现象在生产中具有的实际意义。思考为什么再钢中低碳钢的可锻性最好。结合图3-4讨论变形温度对金属可锻性的影响。结合图3-5讨论变形速度对金属可锻性的影响。教师讲解自由锻的特点，学生分组讨论其在实际生活中的应用。教师讲解自由锻的工艺规程。学生分组讨论制坯模膛和模锻模膛的异同点及在实际生活中的应用。结合图3-14，讨论确定分模面的基本原则。结合模锻件的结构工艺性要求，学生分组套路图3-19结构不合理的原因。教师讲解摩擦压力机的传动原理，学生结合原理思考摩擦压力机上模锻的特点。学生分组讨论胎模锻与自由锻的异同点。学生分组讨论日常生活中接触到的哪些物品是用冲压的方法生产的。结合实物认识剪床和冲床，掌握两者的传动原理。学生分组讨论防止拉深时起皱和拉裂的措施。学生分组讨论弯曲过程中须注意的问题，教师总结。结合图片讲解简单冲模、复合冲模及连续冲模。学生分组讨论精密模锻在实际生活中的应用。掌握挤压的分类。掌握超塑成形的特点，分组讨论其在实际生活中的应用。教学目标知识目标：掌握焊接的基本概念及种类；熟悉焊接成形的理论基础，重点是焊接应力产生的原因及控制措施；熟悉焊接结构的特点、接头的设计原则；了解焊接成形新工艺。能力目标：根据焊接件的要求与特点选择合适的焊接方法；根据零件的形状及性能要求，进行合理的焊接结构设计；选择合理的接头、坡口形式。素质目标：教学重点焊接方法的选择教学难点常用焊接方法的特点教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时8教学内容与教学过程设计注释模块四焊接成形〖任务描述〗三峡水利工程受到世人的广泛关注，其水电站的水轮机转轮直径10.7m，高5.4m，质量达440t，是目前世界上最大、最重的不锈钢焊接转轮。如此庞大的工程又是如何实现的呢？〖任务分析〗焊接生产的一个显著优点就是可以以小拼大，三峡水电站的水轮机就是一个典型的例子。三峡水电站的水轮机转轮分别由上冠、下环和多个叶片焊接而成。而焊接方法多种多样，这就要求掌握常用焊接方法的特点及应用范围。〖相关知识〗学习情境一焊接成形理论基础一、熔焊的冶金特点（1）焊接热源和金属熔池的温度高，因而使金属元素强烈蒸发、烧损，并使焊接热源高温区的气体分解为原子状态，提高了气体的活泼性，使得发生的物理、化学反应更加激烈。（2）金属熔池的体积小，冷却速度快，熔池处于液态的时间很短（以秒计），致使某种化学反应难以达到平衡状态，造成焊缝化学成分不够均匀。有时金属熔池中的气体及杂质来不及逸出，在焊缝中会产生气孔及其他缺陷。二、焊接接头金属组织与性能的变化 1.焊缝的组织与性能焊缝是由熔池金属结晶而成的，结晶首先从熔池底壁开始，沿垂直于熔池和母材的交界线向熔池中心长大，形成柱状晶，如图4-1所示。图4-1焊缝的柱状晶示意图2.熔合区和热影响区的组织与性能1）熔合区熔合区是焊缝与基体金属的交界区，也称为半熔化区。2)热影响区热影响区是指在焊接热循环的作用下，焊缝两侧因焊接热而发生金相组织和力学性能变化的区域。低碳钢的焊接熔合区和热影响区组织变化如图4-2所示。由于各点温度不同，组织和性能变化特征也不同，其热影响区一般包括过热区、正火区和部分相变区。图4-2低碳钢焊接熔合区和热影响区组织变化示意图3.影响焊接接头性能的主要因素影响焊接接头组织和性能的因素有焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数、焊接接头形式和坡口等。三、焊接应力与变形1.焊接应力形成的原因和变形形式常见的焊接变形的基本形式有横向和纵向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形共五种，如图4-3所示。图4-3焊接变形的基本形式2.减小和消除应力的措施1）合理选择焊接顺序合理选择焊接顺序，尽量使焊缝能较自由地收缩，减少残余应力，如图4-4所示。图4-4焊接顺序对焊接应力的影响2）使用锤击法3）使用预热法4）进行热处理3.变形的预防与矫正1）预防焊接变形的方法（1）反变形法。反变形法是在进行结构组焊时，先使工件进行一定的反向变形，以抵消焊接变形，如图4-5所示。（2）刚性固定法。刚度大的结构焊后变形一般较小，当构件的刚度较小时，利用外加刚性拘束以减小焊接变形的方法称为刚性固定法，如图4-6所示。（3）选择合理的焊接方法。选用能量比较集中的焊接方法，如采用二氧化碳气体保护焊、等离子弧焊代替气焊和焊条电弧焊，以减小薄板的焊接变形。（4）选择合理的装配焊接顺序。如图4-7所示。图4-5反变形法图4-6刚性固定法图4-7预防焊接变形的焊接顺序2）矫正焊接变形的措施矫正焊接变形的方法主要有机械矫正法和火焰矫正法两种。如图4-8、4-9所示。图4-8机械矫正法示意图图4-9火焰矫正法示意图学习情境二常用焊接方法焊接的种类很多，按照焊接过程的特点，焊接可分为熔焊、压焊和钎焊。焊条电弧焊焊条电弧焊焊接过程示意图如图4-10所示。图4-10焊条电弧焊焊接过程示意图1.焊接电弧1）焊接电弧的产生焊接电弧产生的过程是先将焊条与工件相接触，瞬间有强大的电流流经焊条与焊件接触点，产生强烈的电阻热，并将焊条与工件表面加热到熔化，甚至蒸发、汽化。电弧引燃后，弧柱中充满了高温电离气体，放出大量的热和光。2