石大机械制造基础实验指导

PAGEPAGE21目录实验一金属材料硬度测试…………………1实验二金相试样制备及金相显微镜的使用………………8实验三碳素钢热处理（综合性实验）……13实验四碳素钢热处理显微组织观察分析…………………22实验五合金钢及铸铁显微组织观察分析…………………26实验六刀具几何角度的与测量……………32实验七切削因素对加工表面粗糙度的影响………………38实验八用分度头分度及铣削螺旋槽………42实验九安装方法对零件加工精度的影响…………………47机械制造基础实验报告…………54实验一金属材料硬度测试1实验目的（1）了解硬度实验的种类、特点及用途；（2）了解布氏硬度计和洛氏硬度计的结构、实验原理及应用范围；（3）学会布氏硬度计和洛氏硬度计的操作和应用。2基本知识2.1硬度实验的特点及用途硬度实验由于设备简单，操作迅速方便，同时又能敏感地反映材料的化学成分及组织结构的差异，因而除了用来检测材料的当前硬度值以外，还被广泛用来检查热处理工艺质量或研究热处理相变过程。例如，不同含碳量的钢在淬火后，硬度值与马氏体量及其含碳量间有良好的对应关系；对于给定的淬火钢，其硬度取决于回火温度及保温时间；合金的硬度值随冷作硬化程度的增大而上升，又随退火软化程度的增大而下降；时效合金在沉淀强化过程中的硬度值呈规律性变化，等等。由于仅在金属表面产生很小的压痕，因而大多数零件都可以直接进行产品硬度检验而无须特别加工试件。此外，硬度实验易于检查金属表面层的情况，例如脱碳与增碳，表面淬火以及化学处理后的表面硬度与强化层深度等等。根据大量的实验数据，金属的硬度与强度之间可以找出粗略换算的经验公式，从而可以通过硬度测试初步估计材料的强度水平。另外，硬度与冷成型性、切削性、可焊性等工艺性能之间也存在着某些联系，可作为选择加工工艺时的参考。2.2硬度实验的原理、硬度计的结构及操作方法硬度实验的方法很多，使用最广泛的是压人法。压人法就是把一个很硬的压头（压陷器）以一定的压力压人试样的表面，便试样产生）i＆，然后根据压痕的大小确定硬度值。压痕越大，材料越软；压痕越小，材料越硬。根据压头的几何形状、尺寸等条件，常用的压人法可分为布氏法、洛氏法和维氏法三种。2.2.1布氏硬度2.2.1.1原理将直径为D的淬火钢球或硬质合金球，在一定的载荷P的作用下，压向被测金属表面（图1－1），保持一定时间，然后卸除载荷。根据钢球在金属表面所压出的压痕面积F。求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。HB=(1—1)式中HB——布氏硬度值；P——载荷（kgf）；F凹——压痕面积（mm2）。请读者注意，按国际单位制的规定，载荷的单位应为N（牛）。但考虑到工程上的实用性，本书中载荷单位仍延用kgf（千克力）由几何学知压痕面积F凹=πDh（1－2）式中D—钢球直径（mm）；h—压痕深度（mm）。由于测量压痕直径d比测量压痕深度容易，因此将式（l－2）中的h用d表示。由图1－5可知：因为所以h=(mm)(1-3)将式（1－3）和式（1－2）带人式（1－1），得HB==(1—4)在实际工作中，只需测出压痕直径d，根据已知D和P值即可直接查表得出HB值。由于金属材料有软有硬，所测工件有厚有薄，因此必须根据具体情况采用不同的载荷P和钢球直径D。由图1－2可知：(1—5)把上式代入式（l－4），得HB=(kg/mm2)(1—6)式(1—6)说明，当Φ为常数时，为使HB值相同，P/D2也应保持为一定值，因此对同一材料，不论采用何种大小的钢球，只要能满足P/D2=常数，所得HB值是一样的；对于不同材料，所得HB值也可进行比较。布氏硬度实验规定了三个要素：（1）钢球直径：根据试样厚度选择；（2）载荷：根据钢球大小和被测材料种类选择；（3）加载持续时间：根据被测金属种类选择。按照国标GB231—63规定，三要素的选择及适用范围如表1－1所示。2.2.l.2布氏硬度测定的技术要求（1）试样表面必须平整光滑，以使压痕边缘清晰，保证精确测量压痕直径D。（2）压痕离试样边缘应大于钢直径D。两压痕之间距离不小于D。（3）用读数显微镜测量压痕直径d时，应从相互垂直的两个方向上进行，取其平均值。（4）用淬火钢球做压头测得的硬度值以符号HBS表示；用硬质合金球作压头测得的硬度值以符号HBW表示。为了表示实验条件，可在符号HBS或HBW后面标D／PT。如180HBS／10／3000／10，即表示硬度是在D—10mm的淬火钢球做压头，P—3000kgf，T—10s的条件下所测得的布氏硬度值为180。2.2.1.3布氏硬度计的构造与操作【布氏硬度计的构造】图1－2是HB－3000型布氏硬度计结构图。它由机体、工作台、减速器、杠杆机构、换向开关等部分组成。①机体与工作台。在铸铁机体14的前台面中装有套筒26、螺杆23，螺杆上装有工作台立柱22；可更换工作台ZI，旋转升降手轮24可使工作台上下移动。②压轴部分。压轴部分是由弹簧16、压轴17和主轴衬套18等零件组成。弹簧在非工作状态时将主轴衬套压靠在锥孔中，并使压轴紧靠在小杠杆中间的刀刃支承上，从而保持了压轴的精确位置。当试样与压头接触时，主轴衬套被顶起，这样确定压轴工作时的位置，保持了试样与压头中心对准。③减速器部分。减速器7通过曲柄8、连杆11和摇杆19，在电动机27正转及反转时，将试验力加压到轴17上或从压轴上卸除。④杠杆机构。杠杆机构由大杠杆12、小杠杆15、吊环13、压轴17等零件组成。试验力是由电动机27通过减速器7传到连杆11上。连杆下降时试验力经大杠杆12、小杠杆15、吊环13、压轴17及主轴衬套18等传至压头20上。根据进码的不同组合可得出下列几种试验力，即187．5、250、750、1000、3000kgfo⑤换向开关系统。换向开关系统是控制电动机回转方向的装置，能使加卸试验力自动进行。【操作】实验时将试样放在载物台21上。按顺时针方向转动手轮24，使工作台升至试样与压头20接触，并在手轮打滑后再按下按钮4启动电机27，经减速机构7带动升降机构11向下运动。此时预定的载荷即可由孩码10通过大杠杆12、小杠杆15、压轴17加压在压头20上，使之压人试样。停留一定时间后，电动机自动反转，上升而卸除载荷。待电动机自动停止后，反时针方向转动手轮24，使工作台下降并取下试样。最后用读数显微镜测量压痕直径d。根据d的大小查表（见附表一），即可求得布氏硬度值。2.2.2洛氏硬度2.2.2.1原理洛氏硬度实验方法是以一个锥顶角为120”的金刚石圆锥体或直径为1／16（1.588mm）的淬火钢球为压头，在先后两次载荷（初载荷和主载荷）作用下压人被试金属表面，然后卸除主载荷。在保持初载荷的情况下，测出由主载荷引起的塑性变形的压人深度h，再由h值确定洛氏硬度值HR。图1－3为洛氏硬度实验原理图。图中0—0位置为未加载荷时的压头位置。l—l位置为加上IDkgf初载荷后的位置，此时压人深度为姑。2—2位置为加上主载荷后的位置，此时压人深度为ac，ac包括由加载所引起的弹性变形和塑性变形。卸除主载荷后，由于弹性变形恢复而稍提高到3—3位置。此时压头的实际压人深度为ad。洛氏硬度就是以主载荷所引起的残余压人深度（h—ac—ah—ad）来表示。但是这样直接以压人深度的大小表示硬度，将会出摊硬的金属硬度值小而软的金属硬度大的现象。为了与习惯上数值越大硬度值越高的概念一致，采用一常数K）减去u）的差值来表示硬度值。为简便起见，又规定每0．002mm压人深度作为一个硬度单位（即刻度上的一个小格）。洛氏硬度值的计算公式如下：式中h——受主载荷作用实际压人深度（mm）；ah——预加载荷压人试样的深度（mm）；ad——卸除主载荷压人试样的深度（mm）；K——常数，①采用金刚石圆锥时，K—0.2（用于HRA、HRC）；②采用钢球时，K—0.26（用于HRB）。做洛氏硬度实验时，可用不同的压头和不同的主载荷组成不同的洛氏硬度标尺。最常用的有HRA、HRB、HRC三种，其试验规范见表1－2。2.2.2.2测定洛氏硬度的技术要求根据被测金属的硬度高低，按表l－2选定压头和载荷。试样表面应平整光洁，不得有氧化皮、油污及明显的加工痕迹。试样厚度应不小于压人深度的10倍。两相邻压痕及压痕边缘的距离应不小于3mm。加载时力的作用线必须垂直于试样表面。2.2.2.3洛氏硬度试验机的结构与操作【洛氏硬度计的构造】图l－4是HR－150型洛氏硬度计结构图。它由机体、工作台升降机构、加载机构、操纵机构及测量指示机构等部分组成。①机体与工作台升降机构。机体9由铸铁制成。在机体前面装有工作台16、升降丝杠17和手轮18等。转动手轮，借助于升降丝杠可使工作台上升或下降。②加载机构。加载机构由加载杠杆10、吊杆7、砧码5、6等组成。通过杠杆系统；将载荷传到压头14而加在试样15上。③操纵机构。一操纵机构的作用是通过操纵手柄2施加或卸除主载荷。将操纵手柄向后拉动，通过缓冲器3使主载荷平稳地作用在压头上；将手柄向前推回时，主载荷被卸除，但10kg的初载荷仍作用在压头上。④测量指示机构。测量指示机构由顶杆11、指示器1等组成。它既是反映初载荷是否加上的装置，又是测定硬度读数的装置。当施加初载荷时，试样15顶起主轴13，通过顶杆11等使指示器上的小指针指于红点，这表明初载荷已加好。当加上主载荷时，主轴13在总载荷作用下使压头14平稳地压人试样15。此时大指针按逆时针方向转至某一位置。卸除主载荷后，由于试样压痕部位材料的弹性恢复，使大指针按顺时针方向转动并于某一位置上停止。这时大指针所指刻度盘上的读数即为试样的硬度值。【操作】实验时，将试样放在工作台16上。按顺时针方向转动手轮18，使工作台上升至试样与压头14接触。继续转动手轮，通过压头和主轴13顶起顶杆＊，并带动刻度盘12的指针转动。小针从黑点转到红点，大针转三周回到0处（注意该点C标尺读“0”。B标尺读“30＂）。这样即施加了10kg的初载荷。若此时大指针相对C点左右偏离不超过5格，可转动表盘使之对正，然后向前推动加载手柄2加上主载荷。当刻度盘指针转动显著地停顿下来后，即可将加载手柄2拉回初始位置，卸除主载荷。这时刻度盘指针所指的读数即为所测的洛氏硬度值（HRC和HRA读外圈黑字C标尺，HRB读内圈红字B标尺）。3实验方法指导3.1实验方法与步骤(1)实验前必须认真阅读实验指导书，熟悉硬度计的结构、原理、操作方法、应用范围及注意事项；（2）测量HRC硬度值，要求在同一块试样上至少打三点，取平均值作为材料的硬度值。当HRC＞67时，所测硬度值无效，应改打HRA；当HRC＜Zo时，所测硬度值无效，应改打HRB或布氏硬度；（3）做布氏硬度实验，测量压痕直径之前，应首先检查读数显微镜标尺误差。先用目镜内的活动标线对准镜片上任意一条整数刻线，检查手轮上刻度误差值，以便修正所测压痕直径读数。测量压痕直径要在相互垂直的方向测量两次，取平均值，然后查表。3.2注意事项（1）被测试样要求上下面平行，表面粗糙度R。＜6．3，被测面和支撑面不允许有油、水及氧化皮；（2）操作时，必须在卸除载荷后才能转动手轮使试样与压头脱离，然后取下试样；（3）洛氏硬度计加载时，若发现阻力大，应停止加载，立即向老师报告，检查原因；金刚石压头系贵重零件，质硬而脆，使用时要小心谨慎，严禁与试样或其他物件碰撞。3.3实验报告要求(1)说明实验目的。(2)用洛氏硬度计测一块淬火钢的硬度，要求记录：被测试样的材料、尺寸、热处理状态；压陷器的材料、形状、尺寸，载荷；测量次数及数值，平均值。(3)用布氏硬度机测一块退火钢的硬度，要求记录：被测试样的材料、尺寸、热处理状态；压陷器的材料、形状、尺寸，载荷，加载持续时间；所测压痕直径，平均值，硬度值。（4）画出布氏硬度实验原理图并说明其实验原理；（5）画出洛氏硬度实验原理图并说明其实验原理。实验二金相试样制备及金相显微镜的使用1实验目的（1）初步掌握金相试样的制备方法；（2）了解金相显微镜的成像原理及基本结构，熟悉金相显微镜的使用方法。2预备知识为了正确地分析金属材料的组织结构，必须掌握金相分析技术，包括宏观组织分析（＜30倍）、光学组织分析（50～100倍）以及电子显微组织分析（＞2000倍）。用做金属材料光学显微组织分析的显微镜称金相显微镜。它与生物显微镜的区别在于，生物显微镜是利用透射光来观察透明的物体，而金相显微镜是利用反射光来观察不透明物体表面的形貌。2.1金相显微镜的构造与使用2.1.1构造金相显微镜通常由光学系统、照明系统和机械系统三部分组成。有的显微镜还附有摄影装置或与电脑连接。现以图3－2所示4XA型台式金相显微镜为例加以说明。2.l.1.1光学系统4XA型金相显微镜的光学系统如图3－1所示。由灯泡1发出的光经集光镜2与反光镜3聚集在孔径光阑4上，再经过照明辅助透镜5、7，辅助物镜9聚集到物镜组10的后焦面上，然后通过物镜平行照射到试样11的表面。从试样表面反射回来的光线经物镜组10和辅助物镜9，由半反射镜8转向，经过辅助物镜12，棱镜13，双筒棱镜组14，成像在目镜15的前焦面上，最后以平行光线射向人眼供观察。2.1.1.照明系统参考图3－1，在显微镜底座内装有一个低压（6V15W）由钨灯泡作为光源，由底座内的变压器供电，调节次级电流可改变灯光的亮度。光源聚光系统、孔径光阑、反光镜等均安装在底座内，视场光阑及另一聚光镜安装在支架上，它们组成显微镜的照明系统，使试样表面获得均匀充分的照明。1一灯泡；2一集光镜；3一反光镜；4一孔径光同；5、7一辅助透镜；6一机场光问；8一半反射镜；9、12一辅助物镜；10一物镜组；11一试样，13一棱镜；14一双简棱镜组；15一目镜图3－14XA型全相见微镜的光学系统2.1.1.3机械系统机械系统包括调焦装置、载物台、物镜转换器等。①调焦机构。采用钢球行星机构，粗调手轮13及微调手轮14共轴地安装在弯臂12两侧。调焦时，两手轮配合使用，可达到满意效果。②载物台。用来放置金相试样。载物台9与托盘8之间有四方导架，用来引导载物台在一定范围内前后左右平稳移动，以改变试样的观察部位。③孔径光阑和视场光阑。孔径光阑2装在照明反射镜座上面，调整孔径光阑能控制人射光束的粗细，以保证物像达到清晰的程度。视场光问3在物链支架下面，用以控制视场范围，在刻有直纹的套圈上方有两个调节螺钉4，用来调整光阑的中心。④物镜转换器。物镜转换器＊呈半球形，上有三个螺孔，可安装不同放大倍数的物镜。旋转转换器可使各物镜进人光路，与不同的目镜配合，可获得各种放大倍数。l-拨盘；2-孔径光用；3-视场光用；4-调节螺钉；5-顶丝，6-双闻目标管；7-目镜；8-托盘；9-载物台；10-物镜；11-物镜转换器；12-弯因；13-微调手轮；14-微调手轮图3-24XA型金相显微镜外形结构图2l-拨盘；2-孔径光用；3-视场光用；4-调节螺钉；5-顶丝，6-双闻目标管；7-目镜；8-托盘；9-载物台；10-物镜；11-物镜转换器；12-弯因；13-微调手轮；14-微调手轮图3-24XA型金相显微镜外形结构图（1）按放大倍数的要求选择所需的目镜和物镜，分别安装在目镜简内和物镜转换器上。在物镜和目镜上的标识除了种类等级符号以外，一般在物镜上标注放大倍数和数值孔径（如SP40／0.65），在目镜上标注放大倍数和视场直径（如PL10／18）及机械筒长度（如160）。（2）接通电源，转动拨盘1可打开或关闭光源，还可以连续改变光源亮度。（3）移动载物台，使物镜位于载物台上中心孔的中央，然后将试样放在载物台上，使要观察的部位对准物镜，并用弹簧片压住试样。（4）转动粗调手轮进行调焦，当出现模糊影像时，再转动微调手轮，直到观察到清晰的物像为止。（5）适当调节孔径光阑和视场光阑，以获得最佳质量的物像。2.2金相试样的制备方法金相试样的制备包括取样、镶嵌、磨制、抛光、侵蚀等工序。制备好的试样应该无磨痕、无麻点、无水迹、腐蚀程度适中并且金属组织中的夹杂、石墨不得脱落，否则将会严重影响显微分析的正确性。2.2.1取样取样时应考虑取样部位、切取方法、检验面的选择，以及样品是否需要夹持或镶嵌。根据研究目的，应从实物上选取有代表性的部位。切取时，无论用何种方法，都应避免试样因受热或变形而使组织发生变化。检验面的选择应根据观察目的，纵向截面适合观察材料的纤维组织、夹杂及加工件变形方向；横向截面适合检验脱碳层、渗碳层、淬火层、表面缺陷、碳化物网格，以及晶粒度测定等。试样尺寸以便于握持、易于磨制为度，一般以直径12～15mm，高度12～15mm为宜。2.2.2镶嵌a）机械夹持法（b）镶嵌法a）机械夹持法（b）镶嵌法图3－3全相试样的夹持和使出法2.2.3后制磨制分为粗磨、细磨、精磨。粗磨是在砂轮机上进行的，目的是磨去热处理的脱碳层或切割试样时留下的凹细磨是在预磨机上进行的。预磨机的磨盘上装右240号～340号水砂纸，磨盘转速450／550r／min。预磨的目的是消除粗磨时在试样表面造成的粗糙的磨痕，以缩短在金相砂纸上的操作时间。操作时打开水管阀门，让水流保持在磨盘中心。手持试样，凭感觉把试样放平并施加10～20N的压力。预磨时间一般不超过lmin。精磨是在金相砂纸上进行的，目的是消除预磨机上的变形层和较粗的起孩，使试样的磨痕更细。常用的金相砂纸为NO．l：W28（400号）、NO．2。W20（500号）、NO·3。W14（600号）、N。4：WO（800号）。磨时先把细磨好的试样用水洗净，擦干，然后由粗到细依次在各号砂纸上把磨面磨光。操作要领是“轻压平推，单程单向”。把砂纸平铺于厚玻璃板上，左手按住砂纸，右手握住试样，将磨面朝下并与砂纸接触，在3～7N／cm的压力下向前推进磨削。用力务求均匀平稳，勿使试样磨偏。试样退回时不与砂纸接触。这样反复进行，直到试样上旧的磨痕被去掉，新的磨痕均匀、方向一致时为止。在调换下一号更细的砂纸时，应将试样上的磨屑和砂粒清除干净，并转动90,即与上一道磨痕方向垂直。精磨时间一般不超过smin。图3－4所示为金相砂纸磨削过程示意图。2.2.4抛光图3－4全相砂纸磨削过程示意图抛光的目的是除去精磨时磨面上留下来的细微磨痕，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光三种，其中以机械抛光最为简便。机械式抛光机的磨盘上装有抛光织物（呢、绒、毡等），磨盘转速1350r／min。操作时，手持试样以2～4N／。m的压力压在高速旋转的抛光盘上，并沿抛光盘半径方向往返移动，同时试样自身略加转动。抛光后的试样磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等不应丢失或有曳尾现象。抛光时间一般为1～3min，不宜过长。抛光后的试样马上用水冲洗干净，然后用酒精冲去残留的水迹，再用风机吹干。2.2.5侵蚀抛光后未经浸蚀的试样，在金相显微镜上可以观察到铸铁的石墨形状，金属中某些非金属夹杂物、孔、洞、裂纹等。浸蚀后的试样可显示出金属的基体组织。浸蚀的作用是，由于金属材料中各相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电位，在浸蚀中就形成了许多微电池。电极电位低的相为阳极电位而被溶解，电极电位高的相为阴极电位而保持不变，所以浸蚀后就形成了凹凸不平的表面。纯金属与单相合金浸蚀时，由于晶界原子排列较乱，缺陷与杂质较多，易被浸蚀成沟壑。观察时，由于光线在晶界处被散射不能进人物镜，因此显示出一条条黑色晶界，如图3－5所示。图3-5纯铁晶界显示示意图a)纯铁晶界上的光线散射示意图，b)纯铁显微组织的晶界（400X）化学浸蚀剂的种类很多，应按材料种类、热处理状态及观察目的选择适当的浸蚀剂。碳素钢与铸铁一般用州的硝酸酒精溶液。浸蚀方法可用棉花沾取浸蚀剂擦拭磨面，或把浸蚀剂放在玻璃皿中，将试样磨面朝下浸人浸蚀剂中。试样的化学成分及热处理状态不同，浸蚀的时间也不同。一般情况下，淬火钢约为1～ZS，工业纯钦则需十几秒。待试样磨面失去光泽略发暗为度，立即用清水冲洗残余浸蚀剂，然后用酒精冲洗，最后用风机吹干。一次浸蚀不足可再浸蚀，但若浸蚀过度，则需重新抛光。总之，浸蚀深度以能在显微镜下清晰地显示出组织的细节为准。3实验内容与方法指导3.1实验内容与方法（1）实验课前应认真预习实验指导书，了解金相显微镜及有关设备的构造、原理、操作方法和注意事项。（2）每人按要求制备一块金相试样并观察其显微组织。（3）请指导教师评定试样制作质量。（4）交口试样，整理实验设备及用品。3．2实验设备及用品①砂轮机；②预磨机；③抛光机；④金相显微镜；⑤水砂纸、金相砂纸（400号、500号、600号、800号）、磨料（氧化铝粉）、浸蚀剂（4％硝酸酒精溶液、酒精、脱脂棉）。3.3注意事项（1）金相试样在放上载物台之前必须吹干，并注意操作者的手保持清洁、干燥。（2）光学零件必须保持清洁，显微镜头严禁用手触摸，若发现镜头上有赃物或灰尘，应及时用耳球吹去灰尘，或用镜头纸及二甲苯轻轻擦拭清除，不得用酒精，以防透镜胶被溶解。（3）在更换物镜或调焦时，要防止物镜受到磨、碰而损坏。（4）不要用手触摸试样抛光面，在显微镜上观察时，若要改变观察部位，应用手移动载物盘，而不应移动试样，以免磨坏抛光面。（5）在预磨机、抛光机上操作时，应确定磨盘为逆时针旋转，手持试样放在磨盘的右侧，身体直立，凭感觉把试样放平，切勿低头用眼睛观察试样是否放平。注意力集中，避免试样飞出发生事故。3.4实验报告要求(1)简述实验目的。(2)简述金相试样制备过程及操作要领。实验三碳素钢热处理（综合性实验）l实验目的（1）学会综合运用火花鉴别、显微组织观察、硬度测试等方法鉴别碳钢的化学成分、热处理状态。（2）初步掌握热处理工艺的设计方法及热处理操作方法。（3）深刻了解材料化学成分一显微组织一机械性能之间的变化规律，初步掌握运用热处理工艺改变材料性能（工艺性能，使用性能）的基本方法。2基本知识2.1热处理工艺热处理主要是通过对钢材在固态范围内施以不同的加热、保温和冷却的过程，来改变其内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理可以是工件加工过程中的一个中间工序，也可以是使工件性能达到要求的最终工序。普通热处理基本工艺包括退火、正火、淬火和回火等。2.1.1钢的退火钢的退人是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。根据工件的成分及退火目的不同和工件在退火时的加热温度的不同，退火工艺一般可分为：1）低温退火；2）再结晶退火；3）不完全退火；4）完全退火；5）等温退火；6）扩散退火等。各种退火工艺的加热温度与铁碳平衡图的关系见图5－1。2.1.2钢的正火钢的正火是将钢加热到AC。或ACcm以上30～50℃，保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。碳素钢退火、正火温度如表5-1所示。2.1.3钢的淬火钢的淬火是将钢加热到AC。或AC；以上30～50C，保温后在不同的冷却介质中快速冷却，从而获得马氏体和（或）贝氏体组织的一种热处理工艺。制定淬火工艺需要根据零件的化学成分、形状、尺寸选择适当的加热温度、保温时间和淬火冷却介质。常用淬火剂的冷却能力如表5－2所示，常用淬火碱浴、盐浴剂的成分加表5－3所示。制定淬火工艺还需要选择适当的淬火方法，常用的淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等。2.l.4钢的回火钢的回火是把经过淬火后的钢再加热到AC；以下某一温度，保温一段时间，然后在空气或油中冷却的热处理工艺。根据目的的不同，回火又可分为低温回火（＜250C＝、中温回火（250～500℃）和高温回火（500～650C）。2.2钢在热处理状态下的显微组织及性能碳素钢经完全退火处理后的显微组织基本上与铁碳相图中的各种平衡组织相似，但在快速冷却条件下的显微组织就不能用铁碳相图来加以分析，而应由过冷奥氏体等温或连续转变曲线C曲线）来确定。随着碳素钢化学成分及冷却条件的不同，过冷奥氏体将发生不同类型的转变。共析钢过冷奥氏体在不同温度条件下转变的组织特征及其性能如表5－4所示。2.2.1钢的退火和正火组织亚共析成分的碳素钢一般采用完全退火，可得到接近于平衡状态的组织；而过共析成分的碳素钢则采用球化退火，使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体呈颗粒状。碳素钢正火后的组织比退火组织为细，对于低碳钢和中碳钢可以细化晶粒，提高强度；对于合碳量在0.4％以下的钢，可以改善切削加工性能；对于共析及过共析钢，正火一般是为球化处理做准备。2.2.2钢的淬火组织碳素钢经正常淬火可得到马氏体组织。马氏体的形态有两种，即片状马氏体（或称针状马氏体、透镜状马氏体、隐晶马氏体）和板条马氏体（或称块状马氏体、位错马氏体），当ωc＞0％时，基本为片状马氏体；当0.045％＜ωc＜o.2％时，一般为板条马氏体；若0.2％＜ωc＜1.0％时，则为片状和板条状马氏体的混合组织。淬火温度过低、过高或冷却速度不足，显微组织都会产生相应的变化，零件的机械性能也有相应的变化。2.2.3淬火后的回火组织钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，通过回火处理后，可使这些不稳定组织转变为稳定组织，以改善淬火钢的性能。淬火钢经不同温度的回火所得到的组织通常可分为三种：（1）低温回火（50～250℃）——口火马氏体；（2）中温回火（350～50O℃）——口火屈氏体3（3）高温回火（500～650C）——国火索氏体。钢的热处理显微组织如图6－1所示。2.3热处理工艺的设计方法热处理工艺是一种通过不同的加热、保温、冷却方式改变金属零件内部组织与机械性能的综合工艺。设计热处理工艺时，首先要考虑以下条件：(1）零件的技术要求，包括硬度值、金相组织，以及零件不同部位的不同要求；（2）零件的化学成分及B前热处理状态；（3）在零件生产全过程中，本次热处理是中间工序的需要还是最后的使用要求；（4）零件尺寸大小、结构特点及形状复杂程度。然后考虑下述问题：（1）根据技术条件要求确定热处理方法（退、正、淬、回）；（2）根据化学成分及热处理方式选择适当的加热温度；（3）根据零件的尺寸形状计算加热保温时间；（4）根据所要得到的显微组织结合C曲线图确定冷却速度，选择冷却方式；（5）用温度／时间坐标作出热处理工艺曲线，应注明冷却介质及其使用温度。2.3.1加热温度的选择碳素钢退火、正火、淬火的加热温度范围如图5－2所示，具体数据可查热处理手册或有关资料。2.3.2加热保温时间的计算热处理工艺加热保温时间（除时效处理等特殊情况）的计算，主要取决于工件的有效厚度和装炉量，另外还会受到加热介质、装炉方式、工件材质、炉温等因素的影响。目前生产上常用下列经验公式估算：t=aD式中t——加热时间（min）la——加热系数（min／mm）；碳钢，工件直径＜50mm，在800～900aC的箱式炉或井式炉中加热，a—1.0～1.2；D——工件有效厚度（mm），见表5－5。2.3.3冷却介质的选择与淬火方法退火的缓慢冷却一般采取工件随炉温冷却方式。正火的冷却方式要根据材料的化学成分、正火后要求的组织和硬度以及空气的温度、湿度、流动速度来决定采取静止空冷、风冷或喷雾冷却。回火一般采取空冷方式。淬火的冷却速度要大于淬火钢的临界淬火冷却速度，以保证获得马氏体组织，但又要减少淬火内应力，防止过量变形和避免开裂。因此，要根据淬火钢的化学成分、形状和尺寸、技术要求等正确选择淬火冷却介质和淬火冷却方法。生产中常用的淬火冷却介质有水、油、盐或碱的水溶液及各种熔盐等。产中常用的淬火方法如表5－6所示。2.4淬火操作注意事项（1）高温箱式炉中的硅碳棒是带电发热件，夹取淬火件时，夹钳不要碰硅碳棒，以免触电。（2）工件浸人淬火介质的操作不当会使其冷却不匀，造成较大的应力和变形，零件浸人淬火介质的操作可采取如图5－2所示的方式。一般遵循下述原则：1）细长形、圆桶形的工件应按轴向垂直浸人。2）圆盘形工件应使其轴向与淬火介质液面保持水平淬人。3）薄刃工件应使其整个刃口同时先淬人；薄片件应垂直淬人，使薄片两面同时冷却；大型薄件应快速垂直淬人，速度越快，变形越小。4）对薄厚不均匀的工件，应使厚的部分先淬人，以免开裂。5）对有凹面或不通孔的工件，应使四面或孔朝上浸入，以利于排除蒸气。6）长方形有贯通孔的工件（如冲模），应垂直斜向淬人，以增加孔部的冷却。（3）工件浸人淬火介质后，需做适当的移动，以增强淬火介质的对流，加速蒸气膜的破裂，有利于提高工件的冷却速度。若工件移动不当，使单方向移动较快，会引起变形，移动方式大致有以下几种：1)直移线上下动；2)在直线上下移动的同时，向一方向或前后左右移动，开始淬人时，应先直线上下移动数次，后再边平移边上下移动，如图5－3所示。3）倾斜淬人，倾斜移动。（4）淬火介质的温度不宜超过规定范围，否则会降低冷却能力，使工件不宜淬硬。水及水溶液温度应不超过40℃；油温控制在60～80C范围内，碱浴温度以不超过200aC为宜。3实验方法指导3.1实验内容（1）每人领取一块试样，用火花鉴别法、硬度测试及观察显微组织的方法判断试样的合碳量、热处理状态；（2）从表5－7中选定题目，按技术要求设计试样的热处理工艺，并且独立进行热处理操作；（3）试样热处理后，测试硬度，磨制金相试样，在显微镜上观察并打印出金相图片。3.2试验设备及材料①洛氏硬度计；②布氏硬度计；③显微硬度计；④读数显微镜；⑤砂轮机；eq\o\ac(○,6)金相镶嵌机；eq\o\ac(○,7)金相预磨机；eq\o\ac(○,8)金相抛光机；eq\o\ac(○,9)箱式电炉；eq\o\ac(○,10)金相显微镜；eq\o\ac(○,11)图像分析仪；eq\o\ac(○,12)摄影装置及打印机；eq\o\ac(○,13)碳素钢试样若干块；eq\o\ac(○,14)水砂纸、金相砂纸、抛光磨料、酒精、腐蚀剂、淬火冷却介质等。3.3注意事项（1）实验课前须认真预习实验指导书及有关知识，作好预习报告。（2）同学之间团结互助，实验中遇到的各种问题可以相互研究、讨论，但不能让别人代做。（3）爱护实验仪器设备，按规定正确使用仪器设备，有问题及时报告。（4）相同加热温度的试样，尽量放在一起同时加热，可以节约电能，节约时间。（5）停止使用仪器设备时，要随手关水、关电。（6）试样丢失或私自换试样，本次实验成绩记零分。（7）实验过程中应该测量的数据及实验条件，全部如实记录，如冷却剂的种类成分、温度、热处理中间工序的硬度值等。4实验报告要求4.l对你所制定的热处理工艺、操作过程和实验结果进行分析总结：（1）实验结果是否达到设计要求，有何异常现象。（2）若实验结果与设计要求不符，检查实验过程，分析失败原因。4.2了解其他同学的实验情况，相互交流，并总结碳素钢成分一组织一性能三者之间的内在联系及变化规律。可以从以下几点分析总结：（1）碳素钢完全退火（平衡状态）含碳量与硬度值之间的关系曲线及显微组织变化规律；（2）碳素钢正常淬火状态合碳量与硬度值之间的关系曲线及显微组织变化规律（从晶格畸变及晶体缺陷程度分析）；（3）45钢淬火（水冷），钢的加热温度与硬度值之间的关系曲线及显微组织变化规律（从加热过程钢的奥氏体化程度分析）；（4）45钢加热到860℃，钢的冷却速度与硬度值之间的关系曲线及显微组织变化规律（利用C曲线进行分析）。5预习报告要求(1)预习实验指导书中热处理实验的内容，复习前面四个基本技能训练(硬度测试火花鉴别，金相试样制备，平衡组织分析)及有关知识，复习教科书上有关章节。(2)20、45、T8、T12钢正确的淬火加热温度范围是多少(准确数字，而不是概念性符号)。淬火后各得到什么组织，机械性能如何？(3)上述钢材，若淬火加热温度不足，淬火后得到什么组织，机械性能如何？(4)上述钢材，若淬火加热温度过高，淬火后得到什么组织，机械性能如何？(5)上述钢材淬火时冷却速度较慢(油冷)，得到什么组织，机械性能如何？(6)20钢、T12钢淬火目的有何不同？(7)45钢正火和调质都能达到220~280HBS，其显微组织和机械性能有何不同？(8)T8钢等温淬火和普通淬火回火都能达到HRC50±2，前者组织为下贝氏体，后者组织为回火马氏体，其机械性能(强度、冲击韧性)有何区别？(9)磨制金相试样的操作程序及注意事项。实验四碳素钢热处理显微组织观察分析1实验目的(1)观察和研究碳素钢在不同热处理状态下的显微组织的特点。(2)了解热处理工艺对碳素钢组织和性能的作用。2实验原理钢经退火处理后的显微组织基本上与铁碳相图中的各种平衡组织相似。但在快速冷却条件下的显微组织就不能用铁碳相图来加以分析，而应由过冷奥氏作等温或库续冷却转变曲线①曲线）来确定。随着冷却条件的不同，过冷奥氏体将发生不同类型的转变；共析钢过冷奥氏体在不同温度条件下转变的组织特征及性能如表6－1所示。2.1钢的退火和正火组织对于亚共析成分的碳钢，一般采用完全退火，可得到接近于平衡状态的组织。而共析和过共折成分的碳素钢则都采用球化退火，使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体呈颗粒状（见图6－1①）。45钢经正火后的组织通常要比退火组织为细，珠光体的相对含量也比退火组织中为多（见图6－1②），原因是正火的冷却速度要大于退火的冷却速度。过共析钢的正火一般是为球化退火作准备，很少用做最终热处理，原因是网状渗碳体的存在会降低钢的性能。图6－1碳素钢热处理显微组织①一T12＄化退火（400X）；②一45钢正火（400X）；③一20钢950℃水冷（400X）；④一20钢850℃水冷（400X）；⑤一45钢850C水冷（400X）；⑤一45钢850C油冷（400X）；⑤一TS钢760℃水冷（400X），③一TS钥760C水冷（1000X）；⑤一T12钢760C水冷（400X）；哪一T12钢1000C水冷（400X）；四一T12钢760℃水冷200℃回火（400X）；＠一45钢调质（400X）2.2钢的淬火组织20钢经正常淬火后得到板条状马氏体（图6－l③）；若加热温度不足，铁素体未全部奥氏体化，则得到铁素体加马氏体组织（图6－1④）。45钢经正常淬火后将获得较细的混合马氏体组织（图6－1⑤），如果淬火温度过高，则得到粗大混合马氏体组织；如果淬火冷却速度不足，则得到马氏体和部分屈氏体或少量贝氏体的混合组织（见图6－1③所示）。TS钢经正常淬火后得到细小的针状马氏体图6－1eq\o\ac(○,7)，又叫片状马氏体（图6－1③）。T12钢经正常淬火后的显微组织，除细小的马氏体外，还存在部分颗粒状的渗碳体（图6－1③）。当淬火温度过高时，出现粗大的马氏体组织，并且还存在一定数量（15％～30％）的残余奥氏体（图6－1④）。2.3钢的回火组织淬火后的回火组织钢经淬火后所得到的马氏体和残余奥氏体均为不稳定组织，通过回火处理后，可使这些不稳定的组织转变成较为稳定的组织，以改善淬火钢的性能。淬火钢经不同温度回火所得到的组织通常可分为回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体三种。(1)回火马氏体。淬火钢经低温回火（150～250C）后，马氏体内析出与母相保持共格关系的e碳化物，这种组织称为回火马氏体。回火马氏体仍保持针片状特征，但容易受浸蚀，呈暗黑色的针状组织。图6－1＠为T12钢760℃水冷200℃回人的显微组织。（2）回人屈氏体。淬火钢经中温回火（350～500℃）后得到在铁素体基体中弥散分布的微小粒状渗碳体组织，称为回火屈氏体。回火屈氏体中的铁素体仍基本保持原来针状马氏体的形状，渗碳体则呈细小的颗粒状，在光学显微镜下不易分辨。（3）口火索氏体。淬火钢经高温回火（500～650C）后得到的组织称为回火索氏体，其特征是渗碳体颗粒已经聚集长大，且均匀分布于铁素体基体上。图6－1＠为45钢淬火600t回火（调质）组织。3实验内容一(1)将表6－a所列试样攸到金相显微镜下进行观察，画出其典型的组织形态，并注明组织名称、热处理条件及放大倍数等。(2)根据铁碳拒图及有关C曲线图，分析各种组织的形成原因及其过程。（3）分析表6－Zap各种不正常组织的形成原因。4实验报告要求（1）明确本次实验目的；（2）画出45钢和T12钢的典型的退火、正火、淬火和三种回火组织；（3）画出上贝氏体和下贝氏体组织的示意图；（4）试分析一种异常组织的形成原因及其过程。实验五合金钢及铸铁显微组织观察分析（选做）l实验目的(1)观察几种常用的合金钢、铸铁的显微组织，识别其特征。（2）了解这些金属材料的成分、热处理方法对其组织和性能的影响。2预备知识2.l合金钢(1)合金钢的基本相。合金钢的基本相与碳钢相似，但由于合金元素的加人，相应变为合金铁素体、合金奥氏体、合金碳化物（包括合金渗碳体、特殊碳化物）。（2）合金钢的平衡组织与热处理后的组织。一般合金结构钢、合金工具钢的平衡组织与碳钢没有本质的区别，依然由铁素体、珠光体（索氏体、屈氏体）、碳化物组成；热处理后的组织与碳钢也没有根本的不同，也分别由马氏体、贝氏体、残留英氏体、碳化物、回人马氏体、口火屈氏体、口火索氏体等组成，只是组织更为细密、碳化物弥散度更大（对比图7－l①、②；图7－3①、②）。图7－IN质钢组织对比图7－2IGr18NigTI45钢调质；②一40Cr调质（3）不锈钢。以IGr18NigTi为例，铸造缓冷组织为在奥氏体基体上有枝晶状分布的铁素体，构成AF两相组织；经固溶处理后得到单一的奥氏体组织（图7-2图）（4）高速钢。以W18Gr4V为例，其铸态组织与亚共晶白口铸铁相似，黑色组织为屈氏体，共晶莱氏体沿晶界呈宽网状分布。与白口铸铁不同的是，共晶莱氏体是由鱼骨状合金碳化物、隐针状马氏体及残余奥氏体组成（图7－4①），经锻造、正常淬火回火处理后，其组织为回火马氏体（黑色基体）和均匀分散的粒状碳化物（共晶碳化物和二次碳化物）（图7－4③）。锻造后热处理过烧组织与铸态组织相似。由于高温，奥氏体晶界处熔化，析出大量莱氏体，晶粒中出现黑色组织使材料性能严重恶化（图7－4）。2.2铸铁2.2.1铸铁的组织铸铁的组织（白口铁除外）可以认为是在钢的基体上分布着不同形态、尺寸和数量的石墨(7-5图)图7—5铸铁①一片状石墨；②一珠光体基体灰口铸铁；③一铁京体基体可锻铸铁；④一铁素体基体球墨铸铁；⑤一珠光体基体球的铸铁；eq\o\ac(○,6)一珠光体十铁素体基体球墨铸铁；eq\o\ac(○,7)一牛眼状球墨铸铁；eq\o\ac(○,8)一下贝氏体球墨铸铁①石墨形状。按石墨的形状，铸铁可分为三种：片状石墨（灰口铸铁）、团絮状石墨（可锻铸铁）、球状石墨（球墨铸铁）。②基体。按基体美中铸铁又可分为三种：铁素体基体、铁素体十珠光体、珠光体基体。2.2.2热处理工艺对铸铁组织的影响这里以球墨铸铁为例，介绍热处理工艺对铸铁组织的影响。(1)退火，根据铸铁中有无自由渗碳体可采用不同的加热温度进行退火处理，可得到铁素体基体球墨铸铁（2）正火。根据加热温度和冷却速度不同的正火处理可分别得到铁素体十珠光体或全部珠光体球墨铸铁o＝．不完全奥氏体化正火得到破碎铁素体基体（F＋P基）球墨铸铁；完全奥氏体化正火当其冷却速度快时得到全部细珠光体（或索氏体）基体球墨铸铁；冷却速度稍慢，则会在石墨周围形成一圈铁素体（称牛眼状铁素体）。冷却速度越慢，包围石墨球的铁素体层越厚。（3）等温淬火。，等温淬火是能进一步提高球墨铸铁性能潜力的一种热处理工艺。其方法是将加热到高温（860～900C＞的球墨铸铁置于250～300C等温槽中保留一段时间后空冷，所得到的基体组织为下贝氏体十少量马氏体十残余奥氏体。3实验方法指导3.1实验内容与步骤（1）在显微镜下对各种金相试样进行观察分析。识别其中各相及组织组成物。并确定10％～13％。由AI一s合金相图（见图4—36）可知，该合金为3.2实验设备及材料①金相显微镜；②图像分析仪；③金相图谱及放大金相照片；燎一。④各种铸铁及合金钢的金相试样。3.3注意事项（1）在观察显微组织时，可先用低格全面地进行观察，找出典型组织，然后再用高倍放大，对部分区域进行详细地观察。（2）在移动金相试样时，不得用手指触摸试样抛光面或使抛光面擦伤，以免显微组织模糊不清，影响观察。（3）画组织图时，应抓住组织形态的特点，画出典型组织，注意不要将磨痕或杂质画在图上。3.4实验报告要求(1)写出本次实验课的目的。(2)画出所观察试样的显微组织示意图，标明材料名称、浸蚀剂和放大倍数。显微组织图画在直径为50mm的圆内，并用引线标出组织组成物的名称。(3)根据所观察的显微组织，分析金属材料成分、组织与性能三者之间的内在联系及变化规律。4常用有色金属材料的显微特征组织4.1铝合金铝合金分形变铝合金与铸造铝合金两类。在形主铝合金中，按成分还可分为可以热处理强化的铝合金和不能热处理强化的铝合金。铸造铝合金中AL—Si铸造合金是应用最广的一类铸合金，典型牌号是ZL102，其含硅量为10%—13%。由AI—Si合金相同(见图4—36)可知，该合金为共晶成分，其平衡组织为粗大的针状Si分布于α固溶体(Si溶于AI中形成)形成的共晶体及少量多角状的初晶Si，见图4—37a。图4—37变质前后的ZL102组织0.5%HF水溶液浸蚀200×这种组织机械性能很差，工业中常用钠或钠盐于合金浇注前加入，进行变质处理。经变质处理，可使Si晶体显著细化，同时，还可使相同图中的共晶点向右下方移动(见图4—36左上角)，使该成分的合金变为亚共晶成分。变质后，合金组织为亚共晶组织，其室温平衡组织为树枝状均匀分布的α初晶及细粒状Si与基体组成的(α+Si)共晶。见图4—37b。4.2铜合金最常用的铜合金为黄铜和青铜。黄铜为铜锌合金，其中Zn的含量对黄铜的组织和性能有重要影响。4.2.1单相黄铜(α黄铜)Zn含量在39%以下的黄铜，组织为单相α固溶体(Zn溶于Cu中形成的固溶体)。其塑性和抗蚀性都很好，适于各种深冲零件。铸造组织特征见图4—38,α呈树枝状。4.2.2双相黄铜（a＋β）Zn含量在39％～45％的黄铜具有两相组织小’相是以CuZn电子化合物为基的有序固溶体，低温下硬且脆，高温时转变为β相，有良好的塑性，所以双相黄铜适于进行热加工。随Zn含量的增加，双相黄铜中p相量增多，见图4－39，β相呈暗黑色，a相为明亮色。a相的形态及分布与合金的成分及冷速有关。4.2.3轴承合金（锡基轴承合金）该合金是以锡为基本组元并含有锑和铜的轴承合金。这类合金具有很小的摩擦系数，优良的抗咬合性、嵌藏性、顺应性和对润滑油的耐腐蚀性，是一种优良的轴承材料，广泛用于工作条件很繁重的轴承上。ZChsnsbll—6（含83％Sn，11％Sb和6％Cu）和ZChsnSM－4（含92％Sn，4％Sb，4％Cu）是两类具有代表性的锡基轴承合金。图4－40为ZChsnsll－6的显微组织，其特点是软的基体上分布着硬质点。显微组织中，软基体是a固溶体（Sb溶于Sn形成的固溶体X呈暗黑色；硬质点是白色方块状的β相（以化合物Snsb为基的固溶体h白色星状物（或针状）是化合物CwSnsh相），也起硬质点作用，而且由于了相比重与液相接近，结晶过程中不会产生比重偏析，在液相中均匀分布并搭成骨架的针状Y初晶还能阻止随后结晶出的比重较小的分相晶体上浮。四、实验内容观察本实验所提供试样的显微组织，了解其组织形态特征。五、实验报告要求1．明确实验目的。2．画出所观察的试样的显微组织示意图，并标出组织组成物的名称。3．分析W18CriV采用1280℃左右淬火及560℃二次高温回火的原因。4．分析铸铁与钢性能的差异，及产生原因。实验六刀具几何角度的与测量一、实验目的1．学习车刀几何角度的测量方法。2.了解万能角度尺、万能车刀量角台的结构，并熟悉使用它测量各种角度的方法；3.掌握正确选择坐标平面和测量平面的方法；4．加深对车刀切削部分的基本概念和定义的理解，包括刀具切削部分的构造要素、刀具切削角度的参考平面、刀具标注角度的参考系、刀具的标注角度等。二、实验说明车刀是切削刀具中使用量普遍且几何形状较简单的一类，其他切削刀具如钻头。铣刀等都可以看作是两把或多把车刀的组合。因此重点了解车刀是进一步了解其他刀具的基础。1.车刀几个主要角度的定义及其度量基础车刀的几何角度主要包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。这些角度的大小变化对切削效，。加工质量以及刀具的耐度都会产生直接影响。（一）座标平面和测量平面刀具切削部分是一个空间几何体。其上各个刀面和刀刃所处的空间位置，反映出各个几何角度的大小，为此必须选择适当的座标平面和测量平面来确定。这些面包括切削平面、基面、主截面、副截面等。切削平面：通过主刀刃上一点，并与工件加工表面相切的平面就是该点的切削平面。基面：通过主刀刃上一点垂直于该点切削速度方向的平面。就是该点的基面。主截面：垂直于主刀刃在基面上的投影所作的截面叫主截面。副截面：垂直于副刀刃在基面上的投影所作的截面叫副截面。切削平面和基面是确定车刀几何角度的座标平面。而主截面、副截面、切削平面、基面是车刀几何角度的测量平面。三个面都过主刀刃上一点A（二）在主截面内测量的角度（1）前角γ0：前刀面与基面之间的夹角。前角有正值、负值和零三种情况。前刀面低于基面时，前角规一定为正值，前刀面高于基面时，规定为负值，前刀面与基面重合时，规定为零值。因此前角取值范围在-0—+30°。前角越大，切削越轻快，表面质量越好。但刀刃强度降低。所以大前角均用于精车；小前角均用粗车。（2）主后角α0：切削平面与主后刀面之间的夹角。后角的大小主要影响后刀面与工件加工表面之间的摩擦和刀头强度。后角越小，摩擦越严重，但刀头强度越好。一般取6°～12°。通常粗加工选择较小后角，精加工选择较大后角。前角γ0和后角α0是刀具最基本的几何角度。在主截面内还有两个角度：楔角β：前刀面与主后刀面之间的夹角叫楔角。切削角δ：前刀面与切削平面之间的夹角叫切削角。上述角之间存在下列关系：γ0+β+α0=90°∵切削平面与基面互相垂直δ=α0+β（三）在基面内测量的角度1.主偏角Kr：主刀刃在基面上的投影与走刀方向（进给运动方向）之间的夹角。取值范围：30°～90°之间。主偏角的作用：主偏角减小，切削层的宽度增大，主刀刃单位长度上承受的切削力减少，改善散热情况，有利于提高刀具的耐用度。同时，又增大径向切削力。加工细长轴时会使工件发生较大的弯曲变形和振动。2.副偏角K′r：副刀刃在基面上的投影与进给运动（走刀）反方向之间的夹角。取值范围：5°～10°之间。副偏角的作用：影响已加工表面的表面粗糙度和副刀刃与工件之间的摩擦，较小的副偏角有利于提高工件已加工表面的光洁度。但过小又会增加副后面与工件已加工表面间的摩擦，甚至引起剧烈振动，反而降低加工质量。3.刀尖角ε：主刀刃与副刀刃在基面上的投影之间的夹角。其大小影响Kr和K′r的大小和刀尖强度。ε大，刀尖部分抗冲击力好。根据各角定义可知：Kr+K′r+ε=180°（四）在切削平面内测量的角度刃倾角λs：主刀刃与基面之间的夹角。与前角一样有正、负和零，以基面为坐标，当刀尖处于整个刀刃最高点时，λs规定为正值，刀尖处的基面在整个刀刃之上；当刀尖处于整个刀刃最低点时，λs规定为负值，刀尖处的基面在整个刀刃之下；当主刀刃与基面重合时，λs规定为零。取值范围：-10°～15°之间。作用：改变切屑流出的方向，改变刀尖承受冲击力的能力，从而影响刀刃强度。负的刃倾角使切屑流向工件的已加工表面，刀尖强度增强。正的刃倾角使切屑流向工件的待加工表面，不会划伤已加工表面，保证表面质量，但使刀头强度降低。因此，粗加工选择-λs，精加工选择+λs或λs=0°。三、实验设备及材料1．万能角度尺2.万能车刀量角台3.外圆车刀四、实验方法及步骤1.用万能角度尺测量各种角度（1）在主剖面内测量前角和后角利用万能角度尺进行测量。测量时先核对零位，万能角度尺的零位，是当角尺与直尺均装上，且角尺的底边及基尺均与直尺无间隙接触，此时，主尺与游标的线对准。①测量前角γ0利用万能角度尺的直尺短杆底面放在测量底板上，此板与基面平行，角尺中心在刀刃上，从O线旋主尺背面的旋纽而顺时针（如反时针转是负前角）转动主尺，使主尺上的基尺靠在前刀面上。此时主尺转动的角度即为+γ0大小。②测量楔角β角尺长杆的侧面靠在主后刀面上，以同样的方法转动主尺，使主尺上的基尺靠在前刀面上。此时90°减去主尺转过的角度即为楔角β。③计算后角α0根据α0+β+γ0=90°则α0=90°-（β+γ0）（2）在基面内测量Kr、ε、K′r①测量Kr利用角度长杆侧面靠在刀杆左侧面，角度尺中心在主后刀面与刀杆左侧面的交线在基面的投影，从O线反时针转动主尺，使主尺靠在主刀刃上（λs=0°）此时基尺一定要过刀尖。则转过的角度即为Kr（内错角相等）。要求刀杆两个侧面与进给方向垂直。②测量刀尖角ε用角度尺的直尺长杆侧面靠在主刀刃上（λs=0°），角度尺中心在刀尖处，然后反时针转动主尺，使其基尺靠在副刀刃上，转过的角度为x。则刀尖角ε=90°+x③计算副偏角K′rKr+ε+K′r=180°则K′r=180°-（Kr+ε）（3）在切削平面内测量刃倾角λs用角度尺的直角尺短杆底面与刀杆底面均在水平面上，将角度尺的中心放在刀尖处，然后转动主尺，顺时针转动为+λs，反时针转动为-λs，与测量前角方向相同。2．用万能量角台测量各种角度（1）万能量角台的结构及使用方法图6-1所示的车刀量角台不仅能测量主剖面参考系的基本角度，而且也能很容易地测量主法剖面参考系的角度。它主要由底座、立柱、测量台、定位块、大小刻度盘、大小指度片、螺母等组成。其中底座和立柱是支承整个结构的主体。刀具放在测量台上，靠紧定位块，可随测量台一起顺时或逆时针方向旋转，并能在测量台上沿定位块前后移动和随定位块左右移动。旋转大螺母可使滑体上下移动，从而使两刻度盘及指度片达到需要的高度。使用时，可通过旋转测量台或大指度片，使大指度片的前面或底面或侧面与刀具被测要素紧密贴合，即可从底座或刻度盘上读出被测角度数值。图6－l万能车刀量角台（2）测量外圆车刀的几何角度图6－2原始位置调整图6－3在基面P’内测量主偏角κr，副偏角κ′r①原始位置调整将量角台的大小指度片及测量台指度片全部调到零位，并把刀具放在测量台上，使车刀贴紧定位块、刀尖贴紧大指度片的大面。此时，大指度片的底面与基面平行，刀杆的轴线与大指度片的大面垂直，如图6－2所示。②在基面Pr内测量主偏角κr、副偏角κ′r旋转测量台，使主刀刃与大指度片的大面贴合（图6－3），根据主偏角定义，即可直接在度座上读出主偏角。的数值。同理，旋转测量台，使副刀刃与大指度片的大面贴合，即可直接在底座上读出副偏角κ′r的数值。图6—4在切削平面Ps内测量刃倾角λs图6－5在主剖面Po内测量前角γo图6－6在主剖面Po内测量后角αo③在切削平面Ps内测量刃倾角λs旋转测量台，使主刀刃与大指度片的大面贴合，此时，大指度片与车刀主刃的切削平面重合。再根据刃倾角的定义，使大指度片底面与主刀刃贴合（图6－4），即可在大刻度板上读出刃倾角λs的数值（注意图6－6在主剖面Po内测量后角αo④在主剖面Po内测量前角γo、后角αo将测量台从原始位置逆的针旋转（90°—κr），此时大指度片所在的平面即为车刀主切削刃上的主剖面。根据前角的定义，调节大螺母，使大指度片底面与前刀面贴合（图6—5），即可在大刻度盘上读出前角γo的数值。测量后角αo时，量角台处于上述同一位置，根据后角的定义，调节大螺母，使大指度片侧面与后刀面贴合（图6－6），即可在大刻度盘上读出后角αo的数值。⑤在副剖面P′o内测量副后角α′o将测量台从原始位置顺时针旋转（90°—κ′r），此时大指度片所在的平面即为车刀副切削刃上的副剖面。根据副后角的定义，调节大螺母，使大指度片侧面与副后刀面贴合，即可在大刻度盘上读出副后角α′o时的数值。⑥在法剖面Pn内测量法向前角γn、法向后角αn将测量台逆时针转过（90°-κr），松开小螺母，使小指度片在刻度盘上转过人，旋向根据λs值的正负确定。若λs值为正，则逆时针旋转；若λs值为负，则顺时针旋转。此时大指度片所在的平面即为法向剖面。根据法向前角和法向后角的定义，按照测量γo、αo相同方法，即可测出法向前角γn和法向后角αn的数值。五、实验结果被测车刀的几何角度刀具名称刀杆尺寸B×H进给方向前角后角副后角主偏角副偏角刃倾角γoαoα′oκrκ′rλs六、实验报告要求1．按照所测角度画出外圆车刀的工作图。2．按照主剖面与法剖面刀具角度的关系式验证所测结果的正确性。3．如果本次实验要求刃磨一把切槽刀，试述万能虎钳的调整过程。七、注意事项实验前认真阅读实验指导书，测量时耐心细致，要求每个人独立操作。实验七切削因素对加工表面粗糙度的影响（选作）一、实验目的1.了解加工表面粗糙度的影响因素。2.了解降低加工表面粗糙度的工艺措施。二、实验原理1．表面粗糙度及其影响因素金属切削加工的工件表面微观上表现为间距较小（小于lmm）、高低起伏的微小峰谷。这些峰谷的一些特征参数即为表面粗糙度，其值反映了零件表面加工痕迹的高低不平程度和峰谷间的某些特征。它和工件的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度以及零件表层的物理力学性能一样，是度量工件加工质量的重要指标。影响工件表面粗糙度的因素很多。也很复杂，主要有以下几个方面：（1）切削时刀刃在已加工表面上遗留下来的刀痕。这是形成工件表面微观不平的主要原因。（2）切削塑性材料时刀具前刀面的挤压和磨擦作用，而在已加工表面形成积屑瘤或鳞刺。（3）刀具后刀面与已加工表面的磨擦及挤压，导致已加工表面的弹性恢复、硬化甚至龟裂。（4）切削脆性材料时由于切屑崩碎形成的麻点状痕迹。（5）加工系统的高频振动所形成的振纹。2.降低加工表面粗糙度的工艺措施（1）选择合适的切削条件①切削速度加工塑性金属时，常用低速或高速切削以避免积屑瘤的产生，可以降低表面粗糙度。②进给量在其他条件不变时，根据公式H=f／（ctgκr十ctgκ′r）可知，减小进给量f可有效地减小残留面积高度H，故可降低加工表面粗糙度。③背吃刀量虽然对残留面积高度没有直接影响，但过小的背吃刀量会出现刀尖圆弧过渡刃口切不下切削层，在加工表面引起附加塑性变形而影响表面粗糙度。④切削液冷却和润滑能减小切屑、工件和刀具之间的摩擦，降低切削区的温度，从而减小切削过程的塑性变形，并抑制鳞刺和积屑瘤的生成，降低表面粗糙度。若在切削液中加入硫、磷和氯等添加剂，则降低表面粗糙度的效果更加显著。（2）采用合理的刀具几何参数和刀具材料刀具几何参数对加工表面粗糙度均有影响，只是程度不同而已。其中刀具前角γo、副偏角κ′r和刀尖圆弧过渡刃的半径rε影响较大。①前角γo对加工表面粗糙度没有直接影响，但适当增加γo可抑制积屑瘤产生，从而使表面粗糙度减小。a）有κ′r=0的过渡刃b）rε≠0过渡刃c）rε=0图7－1切削层残留面积及其高度Hmax②副偏角κ′r在其他切削条件不变的情况下，减小副偏角κ′r可以有效地减小残留面积高度H从而使表面粗糙度减小。图7－la）是副偏角κ′r为零的情况，图7－1c）是副偏角κ′r不等于零的情况。③刀尖圆弧过渡刃半径rε增大刀尖圆弧半径rε同样可减小残留面积高度H，如图7－1b）。④刀具材料选用与工件材料分子亲和力小的刀具材料，使切屑不易在前刀面上形成积屑瘤，可降低表面粗糙度。（3）改善工件材料的力学性能和金相组织在相同的切削条件下，工作材料力学性能不同，其加工表面粗糙度也不同。一般，工件材料硬度愈高，切削抗力愈大，切削温度愈高，导致刀具磨损亦愈快，愈不容易得到稳定的加工表面质量；工件材料愈软或塑性愈好，切削变形愈大，切削温度也愈高。不仅使刀具容易产生粘结和剥蚀，造成刀具磨损加剧，而且容易出现积屑瘤，使加工表面粗糙度增大。所以，在采用低、中等切削速度加工时，对塑性大的低碳钢应进行正火处理以提高硬度；对硬度高的高碳钢应进行球化退火处理以提高塑性；对中碳钢进行调质处理以提高力学性能。这样均可大大改善材料的切削加工性，降低加工表面粗糙度，提高加工表面质量。三、实验设备及材料1设备（1）普通车床（2）粗糙度标准样板（3）光切显微镜2．车刀刀号κrκ′rγoαo145°45°15°5°～10°245°15°～30°15°5°～10°345°45°5°5°～10°3.试件试件号材料尺寸d×l（mm）1低碳钢（20）（φ50～φ70）×2002中碳钢（45）（φ50～φ70）×2003高碳钢（60）（φ50～φ70）×200四、实验方法和步骤1．观察切削条件对表面粗糙度的影响（1）切削速度vc用选定刀具，以高、中、低速分别车削45钢外圆，试件长度取50～60mm、然后用粗糙度样板、光切显微镜测定试件表面粗糙度值，将数据填入实验结果表中，并观察加工表面。实验条件如下：切削用量。ap=0.5mm；f=0.2mm／r；n1=45r/min；n2=350r/min；n3=700r／min。刀具：1＃。（2）进给量f用选定刀具分别以大、小两处进给量车削45钢外圆，切削长度取50～60mm。再用粗糙度样板、光切显微镜测定试件表面粗糙度值，将数据填入实验结果表中，并观察加工表面。实验条件如下：切削用量：ap=0.5mm；n=（400～500）r/min；f1=0.1mm／r；f2=0.3mm／r；n2=350r/min；n3=700r／min刀具：1＃。2.观察刀具角度对表面粗糙度的影响用选定的1＃、2＃、3＃刀具分别车削45钢外圆。试件长度取50～60mm。再用粗糙度样板、光切显微镜测定试件表面粗糙度值，将数据出入实验结果表中，并观察加工表面。实验条件如下：切削用量；n=400～500r/min；ap=0.5mm；f=0.2mm/r。其中用1＃刀具与2＃刀具加工结果比较前角γo的影响；用1＃刀具与3＃刀具加工结果比较副偏角κ′r的影响。3．观察材料性能对表面粗糙度的影响在相同的切削条件下分别切削1＃、2＃、3＃试件。试件长度均为50～60mm，再用粗糙度样板、光切显微镜测定各试件表面粗糙度值，将数据填入实验结果表中，并观察加工表面。实验条件如下：切削用量：ap=0.5mm；f=0.2mm/r。a。。0.5mm，n=40～500r/min。刀具；1＃。五、实验结果影响因素切削用量刀具角度材料性能车床转速（r/min）进给量（mm/r）前角副偏角低碳钢中碳钢高碳钢n1n2n3f1f2γ01γ021＃1＃1＃453507000.10.3204560粗糙度Ra（μm）六、实验报告要求根据实验中观察到的加工表面现象及测量结果，进行切削因素对加工表面粗糙度影响的对比分析。实验八用分度头分度及铣削螺旋槽一、实验目的：1.弄分度头构造和传动路线；2.学会应用分度头进行简单分度和差动分度；3.学会在铣床上用分度头铣削螺旋槽。二、实验内容说明铣削花键槽和齿轮等零件时，是一个槽或一个齿一个齿地依次进行的，每铣一个槽或一个齿后，需要使工件转动一个正确的角度，才能继续加工下一个齿或槽。使工件转动一个正确地角度就是所谓“分度”。这个工作在实际生产中常常借助分度头来完成的。分度头是一种机床附件，在加工中起分度和夹紧的作用。1.分度头的构造在它的基座上有回转体，分度头的主轴可以通过回转体在铅垂平面内转动，主轴的前端装有三个卡盘或鸡心夹头。用于夹持工件，分度时摇动手柄，通过单头螺杆蜗轮，使分度头主轴旋转，从而带动工件旋转进行分度。分度头中蜗杆和蜗轮的传动比；i=蜗杆的头数/蜗轮的齿数=1/40当手柄转一圈时，通过一对直齿轮（传动比为1：1）带动蜗杆传动一周，蜗轮只能带动主轴转过1/40周。因为，主轴与蜗轮同轴，即主轴与分度头手柄之间的传动比λ=主轴转数/分度头手柄转数=。若被加工的工件要等分的数目为Z（如加工一齿数为Z的齿轮），加工时，工件夹持在主轴的三个卡盘或鸡心夹头上，工件每分一个等分就要求分度头主轴转1/Z圈。假设这时分度头手柄所需转数为n，由传动关系可知，分度手柄是首端件（传动的主动件），主轴是末端件（传动的被动件），则：⑵分度方法使用分度头分度的方法很多，直接分度法，简单分度法，角度分度法和差动分度法等，本实验作简单分度法和差动分度法。①简单分度法分度盘不动，分度头手柄相对分度盘转动，利用分度头上所带分度盘的孔圈数进行分度的方法。主轴（工件）转1/Z转，则分度手柄转40/Z转，此时，分度手柄的插销能插入相应孔圈的孔中。国产FW250型分度头备有两块四面的孔圈：第一块分度盘正面各圈孔数依次为：24、25、28、30、34、37；反面各圈孔数依次为：38、39、41、42、43；第二块分度盘正面各圈孔数依次为：46、47、49、51、53、54；反面各圈孔数依次为：57、58、59、62、66。例如；铣齿数Z=36的齿轮，工件每分一齿，手柄应转过的转数为；（转）分度时，将分度盘固定不动，分度手柄的定位销拔出，调整到孔数为9的倍数的孔圈上，如孔数为54的孔圈上，此时将手柄转过一转后，再沿孔数为54的孔圈转过6个孔距。（分母为孔圈数，是9的倍数，分子扩大相应的倍数），则被加工的齿轮工件就转过一个齿。②差动分度法分度手柄和分度盘同时转动实现分度的方法。分度头所带分度盘上的孔圈数是有限的，如按n=40/Z，则分度手柄的插销无孔可插，此