1、造型工程材料及工艺教案赵越超机械工程学院2006.61第一次课：1教学内容了解产品造型设计与材料的关系。2讲授重点及要求：了解和掌握。3时间安排：小节 10 分钟。第一章 概 论第一节 产品造型设计与材料一、材料与造型 材料:人们思想意识之外的所有物质,为人类制造有用器材的物质。分为石器时代;铜器时代;铁器时代;人工合成材料新时代.二、造型材料的种类及性能(一)造型材料分类1.按结合键性质分：（1）金属材料(以金属键为基)； （2）陶瓷材料(离子键为主,存在一定成分共价键)；（3）高分子材料(大分子为共价键,大分子间物理键)；（4）复合材料(结合键复杂)。2.按用途分类：结构材料 ；功能材料。
2、 3.按构造分：晶体材料；非晶体材料 ；混合材料。 4.按组合分类：单一材料；复合材料。（二）材料的基本性能：(1)参量：性能须量化。例如冲击韧性的单位是KJ/cm ， 即单位面积消耗的功。(2)外界条件：不同外界条件会得到相同的性能。 例如:强度，高温，抗力，屈服，反复交变载荷，化学介质。再例如含锌30%的黄铜,在室温下抗拉强度是313MPa.。1.金属材料的性能包括：使用性能：力学性能(强度,弹性,塑性,韧性,硬度,疲劳强度)：物理性能；化学性能。工艺性能：切削加工性；铸造，焊接，可锻性. .。（1）金属材料的力学性能主要有强度,弹性,塑性,韧性,硬度,疲劳强度1） 强度：材料在静载荷条件
3、下抵抗外力产生塑变和破坏的能力。 通过拉伸试验来测其屈服强度和抗拉强度。s= Ps/Fo(MPa) b=Pb/Fo 0.2 =P0.2 /Fo-抗压强度; =抗弯强度2） 弹性：在外力作用下产生变形，外力消失变形恢复变形。变形与外力成正比。 e =Pe /Fo (MPa)弹性模量：承受外力抵抗弹性变形的能力。2E=/ 相对变形量 。E越大，刚性越好 3） 塑性：在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力。断面收缩率： =(Fo Fk )/Fo100%延伸率： =(LkLo)/Lo100 % 常用的规定尺寸L=5d , 10d。4） 硬度：材料抵抗塑性变形和断裂的能力。抵抗其他物体（压头）压入的能力
4、。按实验方法不同分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度。工程上常用布氏硬度和洛氏硬度。 布氏硬度 HB=Po/F凹 ，压头淬火钢球直径Do=2.5 或 5 或10。简单,准确。适于软金属。洛氏硬度 HRA 120金刚石压头，载荷为60kg，适用于 硬金属，硬质合金。HRB =1.588淬火钢球，载荷为 100kg，适用于相对软金属。HRC 120金刚石压头，载荷为 150kg，适用于调质钢,淬火钢。简便，压痕小，不准确，适于硬金属。5） 冲击韧性：在冲击载荷下抵抗变形和断裂的能力。k =(mgH1 mgH2)/F F为冲击试样断口截面积88,长度为55mm的缺口试样6） 疲劳强度：抵抗反复
5、载荷而不发生断裂的能力。 -1 =P(N 次）/Fo 黑色金属N =10 -7 ,有色金属10 -8(2)金属材料的物理，化学性能：1） 密度：质量与体积之比。2） 熔点：固态变液态的温度。3） 导热系数:维持单位温度梯度时单位时间流经物体单位面积的热量 线膨胀系数:温3度每升高一摄氏度材料的长度增量与原长度的比值。4） 传导电流的能力。用电阻率，电导率表示。 银铜铝 ;纯金属合金。5）磁性：材料在磁场中被磁化呈现磁性强弱的能力。铁磁性材料：Fe Ni. .。顺磁性材料：Mn Cr Mo. .。抗磁性材料：Cu Ag Pb Zn . .。6）耐磨性：以磨损量为标准衡量。7）耐腐蚀性：抵抗周围介
6、质腐蚀破坏的能力。8）抗氧化性：在室温，高温抵抗氧化的能力。（3)金属材料的工艺性金属材料在加工过程中的难易程度。1) 铸造性：熔化后注入铸型制成铸件的难易程度。a. 流动性是充填铸型的能力.受化学成分，浇注温度，充型能力的影响。b. 收缩是凝固和冷却过程中其体积尺寸减少的现象。分液态收缩、凝固收缩、固态收缩三种.受化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型的影响。2) 可煅性：在压力作用下塑性变形的能力。受金属本质（化学成分、内部组织)和加工条件（变形温度，变形速度，应力状态)影响。3) 可焊性：指材料被焊接的难易程度。受焊接方法、材料因素、工艺因素、使用条件影响。4) 切削加工性：材料进行切削加工
7、的难易程度。受切削抗力、表面质量、排屑的影响。5) 热处理工艺性：淬硬性，淬透性，变形，裂纹。前者硬度与含碳量有关，后者与合金元素有关。42.非金属材料的性能（1)物理性能（包括容重，密度，孔隙，材料胀缩）1) 容重:材料在自然状态下,单位体积的质量(包括孔隙和空隙密度:材料在绝对密实状态下单位体积的质量。2) 孔隙:孔隙率-内部孔隙体积占总体积的百分比。P=(V0-V)/V0100%3) 材料的胀缩:因温度变化而发生胀缩开裂变形。(2)力学性能1)强度:特别是脆性材料,要用弯曲试验 确定。单位相同。2)变形:除了弹性,塑性,还有蠕变和松弛。(3)与水相关性: 水对强度,抗腐蚀,耐久性,1)
8、亲水性-水滴表面与材料表面夹角4500kg/m，如 Cu、Zn、Pb）。黑色金属：纯铁；钢；铸铁二、钢铁材料 工业用的最多,占90%以上的金属材料。(一)铁碳合金:C+Fe,黑色金属, 钢和生铁。（二）工业纯铁 C10%）。(2)按质量分:钢中杂质S ,P ,Si,普通钢 P0.9%时,随着C增加,HB增大;,减小。杂质的影响: P增多;,减小,低温脆性;S增多,FeS+Fe共晶体熔点987,热脆。(2)普通碳素结构钢C=0.06-0.38%之间,多为轧制成钢板,型钢,棒钢。要求不高的零件,保证机械性能,不保证化学成分。Q235, s=235MP，表2-1、表2-2。(3)优质碳素结构钢:保证
9、机械性能和化学成分。以钢中含碳量的万分之几表示,用两位数表示。含碳量在0.05%-0.9%.如08,10,15,.45.85“45“表示含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。随着含碳量的增加,增大,HB增大,减少。08-20低碳钢适于冲压,焊接,渗碳;30-50中碳钢，调质钢，制造机械零件,齿轮,轴。50-80弹簧及高强度轴。含锰较高的优质碳素钢机械性能高,如20Mn,45Mn，表2-3。(4)碳素工具钢含碳量为0.8-1.2%, 牌号表示方法是在T后加数字,用含碳量千分之几来表示。如10T7,T8,.T13。 1）T7,T7A适于制造锻模,凿子,顶尖,大锤 ;2）T8,T9适于制造切软金属刀具
10、,木工刀具; 3）T10,T11A适于制造冲冷模,拉拔模,板牙,丝锥,螺纹刀;4）T12适于制造丝锥,车刀,铣刀;5）T13适于制造锉刀,锯条,绞刀,剃刀，表2-4。3.合金钢往碳钢中加入Cr,Ni,Ti,Mn,W,V,Mo. .，固溶或形成化合物。提高淬透性,回火抗力,热硬性,耐高温,耐磨,抗腐蚀。(1)合金元素在钢中的作用:溶入固溶体中或碳化物中,固溶强化,提高合金钢的硬度,强度和耐磨性。改善热处理工艺;提高淬透性和回火稳定性,细化晶粒,提高性能;改变钢的平衡状态,会使奥氏体区加大减小消失。(2)合金结构钢加Si,Mn,Cr,Ni,B,W,Mo,V,Ti,Nb. 。牌号采用数字+化学符号+
11、数字,前面数字是含碳量万分之几,后面是含合金元素的百分之几,含量低于1.5%不注。低合金结构钢：C1%。 GCr15，Cr=1.5%。(3)合金工具钢分为刀具钢,模具钢,量具钢。碳素工具钢加合金元素。牌号为“数字+元素符号+数字“,前面数字是含碳量的千分之几,当含碳量大于1%不注,后面合金元素百分之几。9SiCr含C=0.9% ，Si,Cr各1%；W18Cr4V含 W18%，Cr4% ，V=1%的合金刀具钢；CrMn、 CrWMn量具钢。(4)特殊性能钢特殊的物理化学性能合金钢，含碳量低，用千分之几表示；当C0.03-0.08% 时,前面用0 表示。如0Cr13 C1% ，Mn=13。用于制造
12、 道叉,铲斗。第四次课：1教学内容（1）钢铁材料（2）有色金属及合金2讲授重点及要求：掌握 1、2。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。11(四)铸铁:一种重要的工程材料,机床占90%以上,以铁代钢。 1.铸铁的成分,组织和性能铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，C=2.5-4%、Si=1-3% 、Mn=0.5-1.4%。碳以三种方式:一种固溶极少量,一种游离,一种化合态。石墨(G)和渗碳体(Fe3C)均可析出,一定条件下Fe3C 3Fe+G。常用铸铁为共晶成分,熔点低,流动性好。2.铸铁的分类(1)按碳存在不同形式分:白口铸铁-碳主要以化合态存在,又脆又硬,不能加工.断口银白色。
13、可作可锻铸铁生坯,耐磨件,轧辊,锤头。灰口铸铁-碳主要以石墨态存在。断口灰色.应用广。麻口铸铁-基体+G+Fe3C. 断口灰白色,界在两者之间。(2)按石墨形态灰口铸铁-碳以片状石墨存在,应用广。球墨铸铁-碳以球状石墨存在,用于高性能曲轴。可锻铸铁-碳以絮状石墨存在,高强度高韧性。3.铸铁的牌号性能和用途(1)灰铸铁: 钢的基体+片状石墨。灰铸铁的组织 1)铁素体灰铁F+G粗片 ，、HB低,切削性好,要求不高的件。2)铁素体,珠光体灰铁F+P+G，、HB较低,切削性好,铸造好。3)珠光体灰铁P+G细片， 、HB高,重要机械零件。灰铸铁的性能1）机械性能：G ( =20MPa =0, =0) ,
14、 =120-250Mpa， 极低，抗压与钢相似。2）工艺性能:共晶成分,铸造性能好。切削加工性好,不能压力加工,焊接性能差。3）减震性好，大量G片阻碍震动传播。4）耐磨性好，G干润滑剂；G坑储油池。5）缺口敏感性低。灰铸铁牌号:灰铁性能取决成分和冷速。常用力学性能表示。 如 HT200，灰铁，b=200Mpa, HT20-40。(2)球墨铸铁球铁牌号和性能：钢基体+G球。QT45010，球铁，b=450Mpa，=10%。分为铁素体球铁,珠光体球铁,铁素体,珠光体球铁。球铁基体b利用70-90%，灰铁利用30-50%。球状石墨对基体割裂作用小,应力不易集中,性能提高,以铁代钢。球铁生产1) 化学
15、成分与灰铁相近，s10% ，ZGMn13。 2.铸钢工艺特点:流动性差， 8mm 。收缩大 ，体10-14%，线1.8-2.5% ，易于产生缩孔、加冒口。熔点高 ，1500，易氧化粘砂。铸铁用冲天炉熔化，而铸钢用电弧炉、感应电炉。三、有色金属及合金主要有铝及铝合金,铜及铜合金,滑动轴承合金。(一) 铝及铝合金1.纯铝，d=2.7，轻金属，T 熔 =660，导电导热性好 ,塑性好，易形成Al2O3，氧化保护膜。分为工业纯铝：L1 L2.L4 ， 数字越大纯度越低工业高纯铝：L01 L02L04 ，纯度99.93%，数字越大纯度越高。2.铝合金 (1)铝合金的分类 不可热处理强化的变形铝合金。 可
16、热处理强化的变形铝合金。 变形铝合金。 铸造铝合金。图2-1。(2)形变铝合金1）不可热处理强化的变形铝合金有防锈铝合金。防锈铝合金Al-Mn耐蚀性强度好,可焊性和塑性好。Al-Mg强度更高,相当好的耐蚀性。防锈铝合金牌号用“铝“ “防“的汉字拼音“LF“和顺序号表示，表2-5。2）热处理强化铝合金例如硬铝合金LY1。超硬铝合金LC4 ，牌号用“铝“ 、 “超“的拼音。用来制飞机件。锻铝合金，适于锻造，LD2、LD10。(3)铸造铝合金良好的铸造性能，如:1）铝硅合金ZL101，用于仪表泵壳；2）铝镁合金 ZL301；133）铝铜合金 ZL201； 4）铝锌合金ZL401。(二) 铜及铜合金1
17、.纯铜 T=1083，d=8.9kg/cm，=50%，=70% 。导电,导热,抗腐蚀性好。 牌号 T1,T2,T3,T4， 数字越大,纯度越低。2.黄铜 是以锌为主合金元素的铜合金。(1)普通黄铜 如H62的黄铜-铜62%,锌38%，。用于铆钉,散热片。(2)特殊黄铜 在普通黄铜中加入合金元素(如Sn,Pb,Al,Si,)组成。如HPb59-1表示含铜59%,铅1%的铅黄铜。 3.青铜 Cu+Sn,Al,Si,Mn,Pb,。(1)锡青铜 如QSn6.5-0.1表示含Sn6.5%,含P0.1%用于制轴承,轴套。ZQSn10铸造锡青铜,含 Sn10%。 (2)特殊青铜 铝青铜 ZQAl94， 铸造
18、铝青铜 ，含Al9%,含Fe4% ,用于轴承,轴套,蜗轮。4.轴承合金 用于制轴瓦及内衬的合金称为轴承合金。耐磨,抗咬合性好。耐蚀性,工艺性好。ChSnSb91，含铅9%,铜7%,锡84%，锡基。还有铅基,铝基,铜基。第五次课：1教学内容（1）造型设计中的金属材料选用2讲授重点及要求：掌握 1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。四、在造型设计中金属材料的选用材料设计包括选用和材料加工。金属材料是重要内容。对产品质量,可靠性,寿命,外观起决定作用。选用依据有以下几点:(一)依据使用性能选材根据产品的工作条件失效形式提出对使用性能的要求,作为选材的主要依据。1.变形失效:在外力作用下产
19、生过度弹性及塑性变形,失去正常工作所必须的形状尺寸精度称为变形失效。如轴,齿轮,弹簧易产生变形失效。对此应选屈服强度,屈强比,弹性极限,弹性模量高的材料。2.断裂失效:(1)塑性断裂失效:塑性变形后断裂。是构件承受的应力超过了材料的强度极限引起的。应选高强度的材料。(2)低应力脆性断裂: 高强度材料如转子轴,锤杆存在裂纹源,在低应力下不发生塑变即断裂。应选强韧性好的材料。(3)疲劳断裂:交变应力作用下,疲劳裂纹扩展而成。是零部件主要失效形式。如轴,齿轮,弹簧。应选用疲劳强度较高的材料。3.表面损伤失效(1)磨损失效: 因接触物相对摩擦磨损,不能继续工作称为磨损失效。如齿轮齿面,刀具刃口。为此选
20、用与配合件性质不同且表面硬度高摩擦系数小或有自润滑能力的材料。(2)表面腐蚀失效:因化学或电化学作用,构件表面被腐蚀,形状尺寸发生变化。对此防腐处理。(3)表面疲劳损伤失效:因交变接触应力引起。应减少构件的表面粗糙度和表面强化处理。14(二)根据工艺性能选材(1)铸造性:对受力不大,结构复杂的选择铸造成型。 铸造性好的合金有铸铁,铸钢,铸造铝合金。(2)锻造性:受力大,复杂。进行锻造成型。低碳钢好;中碳钢次之;高碳钢较差。铝合金可锻性不好,铜合金可锻性较好。(3)焊接性:体积大,要求气密性好的采用焊接成型。如容器,管道,锅炉。低碳钢焊接性好。(三)选材的经济性第六次课：1教学内容（1）铸造加工
21、及工艺2讲授重点及要求：掌握 1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。2-2金属材料成型与工艺性常见成型方法:铸造,锻造,焊接,切削加工. .。一、铸造加工及工艺性把液态金属浇注到铸型中的工艺过程，表2-6。分类 ： 砂型铸造 金属型铸造 特种铸造 压力铸造熔模铸造离心铸造(一)铸造生产特点:1.适应性广-不受零件大小形状及结构复杂程度限制。不受合金种类限制。2.成本低廉-原材料便宜,切削加工余量少,设备投资少,工艺简单。3.但力学性能低,晶粒粗大,有缩孔缩松,工人劳动强度大。(二)铸造合金的铸造性常见铸造合金有铸铁,铸钢和铸造有色合金。除必要力学性能,物理性能,化学性能,还应有良好
22、的铸造性能。铸造生产中表现的工艺性能。选择合金的重要依据是保证铸件质量的重要因素。包括流动性,收缩,偏析,吸气等。1.液态合金的流动性(1)合金的流动性能:浇注时液体金属充填铸型的能力。与合金种类,结晶特点,粘度有关。流动性好 ,充填能力强,可得到形状复杂轮廓清晰的铸件。缺陷少,补缩好;否则易产生冷隔,浇不足。黄铜,铸铁流动性最好;铸钢最差。(2)影响合金流动性因素1）化学成分:层状结晶、纯金属、共晶合金好。 磷能降低粘度和表面张力,提高流动性。2）浇注温度:温度升高粘度降低增加流动性。温度太高,收缩大,吸气增加,氧化性增加,粘砂增加。3）充型能力:流动阻力增加,降低流动性;光滑,流动性好；直
23、浇口高,压力大,流动性好;含水少,透气性好,流动性好; 金属型不如砂15型,干型不如湿型。2.铸造合金的收缩(1)合金收缩及影响因素:合金的收缩-冷却凝固过程中体积减少的现象。分为三阶段。液态收缩-产生缩孔原因之一。凝固收缩-产生缩孔缩松的原因。固态收缩-产生应力变形裂纹的主要原因。影响因素:1）化学成分:钢中碳含量增加,凝固收缩增加;铸铁中C ,G ,收缩；Si、 G ,S 、G 。Mn ，S ，G。2）浇注温度:温度增加,收缩增加。3）铸件结构与铸型:收缩受阻（芯子阻力）,收缩减小。(2)铸造缩孔缩松的形成及防止缩孔:纯金属,共晶合金易形成。缩松:结晶区间宽的合金易形成。防止措施-安放冒口
24、控制凝固顺序,缩孔移出体外;安放冷铁,调整冷速。3.铸造内应力及防止固态收缩受阻会产生内应力,甚至变形与裂纹。(1)热应力的产生:铸件厚薄不同,冷速不同。同一时刻收缩不同而引起内应力。以T型杆为例。机械应力:铸件固态收缩受阻(铸型 型芯)。(2)变形及防止铸件壁厚要尽量均匀,对称;尽量同时凝固,用冒口、冷铁调整冷速;反变形法;时效处理(人工,自然)。(3)裂纹及防止热裂:高温裂纹。短,宽,形状曲折。成分合理,减少芯子阻力。冷裂:低温裂纹。细小,直线,无氧化。降低内应力, P。(三)砂型铸造1.手工造型 2.机器造型(普通机器造型,高压造型)。(四)特种铸造除砂型铸造以外的其他铸造方法。熔模,金
25、属型,离心,压力,连续,陶瓷,真空,瓷丸铸造. .图2-2。1.熔模铸造是在蜡模表面包以造型材料,待其硬化,将其中的蜡模熔去,获得无分型面的铸件的铸造方法。熔模铸造特点:精度高,光洁度好;适于各种合金,尤其是高熔点难加工的;可生产形状复杂的结构件;生产中小构件一般小于25千克。2.金属型铸造把液态金属浇到金属模中。又称永久型铸造。金属型由灰铁,钢制造。特点:生产效率高,省工时和型砂;力学性能好;铸件精度高;成本高透气性差,不适于薄件。3.离心铸造把液态金属浇入高速旋转的铸型中,在离心力作用下填充铸型并凝固成型。分为立式和卧式离心铸造机。16特点:工艺简单、省金属、省芯;力学性能好,组织致密,无
26、气孔,无缩孔,无夹杂;适于双金属铸造;内径尺寸差,粗糙,偏析。适于铸铁管,汽缸套,铜套。除此外还有压力铸造,连续铸造,陶瓷铸造.。(五)铸造方法选择各种铸造方法各有优缺点。砂型铸造应用广，表2-7。试选铸造方法：床身,活塞，汽轮机叶片,汽缸套，摩托车汽缸体，齿轮铣刀，大口径污水管。(六)铸件的结构工艺性:除满足使用要求外,还要考虑铸件结构工艺,将影响铸件质量及成本。 1.铸造方法对铸件结构的要求(1)对铸造结构复杂的要求与起模方式和铸型的退让性有关。砂型铸造可用两箱,多箱,活块,砂芯,生产复杂形状。熔模铸型无分型面,可复杂;金属型和压力型铸造要形状简单些。(2)对铸件尺寸精度和表面粗糙度的要求
27、砂型铸件尺寸精度和表面粗糙度差;压力铸造和熔模铸造的铸件比砂型铸件的尺寸精度和表面质量高。(3)对铸型重量和壁厚的要求砂型铸件大小不受限,熔模铸件要小于25千克;金属型铸造和压力铸造的铸件和型芯不能太大。2.各种铸造合金对铸件结构的要求不同铸造合金铸造性能不同,对结构要求不同。球墨铸铁的铸造性稍差,有较大缩孔倾向,设计铸型要壁厚均匀，图2-3。3.砂型铸件的结构设计(1)减少分型面,力求外形简单，图2-4。(2)减少型芯或不用型芯,装配清理,排气方便，图2-5。（3)结构斜度:不加工面应设计结构斜度，图2-6，表2-8。（4)铸件应有合理的壁厚，表2-9，图2-7。对每种合金来说,在一定铸造条
28、件下,都存在一个使液态合金能充满铸型的最小允许壁厚,称为该合金的最小壁厚。如果铸件的壁厚小于最小壁厚,则因充型能力不足,易产生冷隔,浇不足等缺陷。如果壁厚太大，则心部粗大,易产生缩孔,缩松。应选择合理的截面形状(弓字形,槽形,箱形)或带加强筋，以减少壁厚。(5)铸件壁厚应力求均匀:不同壁厚要圆角过渡。应避免壁与壁的交叉和锐角连接，图2-8，表2-10。(6)应尽量避免铸件有过大水平面，图2-9、图2-10。第七次课：1教学内容（1）压力加工及工艺2讲授重点及要求：掌握 1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。二、压力加工及其工艺性是在外力作用下,使金属产生塑性变形,获得一定形状尺寸的
29、原材料及毛坯,零件的加工方法。适于大多数金属材料。消除铸造缺陷(气孔,缩松)；细化晶粒,提高力学性能。17(一)塑性变形的实质:1.塑性变形的实质(1)单晶体塑性变形-是外力足够大沿晶面移动一个或几个原子距离。剪应力消失,回复正常,滑移完成。(2)多晶体塑性变形:除晶内滑移还有晶间变形极小。2.冷变形后金属组织与性能组织:晶粒拉长;晶格扭曲;晶粒间产生碎晶。性能:强度硬度增加,塑性韧性下降。为加工硬化,增加滑移阻力,使材料强化。建筑钢筋,冷冲压,制钉。3.回复与再结晶加工硬化是一种内部能量转高不稳定状态,具有回复到稳定状态趋势。(1)回复:加热到某温度T回=(0.25-0.3)T熔点,原子获得
30、热能,消除晶格扭曲和内应力.组织性能变化不大。(2)再结晶:温度继续升高,原子获得更多热能,开始以杂质和碎晶为核心渐渐长大,生成正常晶格,晶粒。从而消除加工硬化。T再=0.4T熔(二)压力加工方法简介型材、板材、线材如轴,齿轮,连杆等都是压力加工。1.轧制:在上下轧辊之压力下产生连续塑性变形，图2-11。主要生产型材,圆钢,角钢,T字钢,钢轨。2.挤压:在挤压模内用大的压应力使之变形。 挤压方式有正挤压；反挤压；复合挤压；径向挤压挤压，图2-12。适于低碳钢,有色金属及合金,各种型材或零件。3.拉拔:用拉力把坯料从拉拔模中拉过而成型材，图2-13。生产各种线材,薄管,适于低碳钢,有色金属及合金
31、。4.自由锻:利用冲击力或压力使金属坯料在上下砥铁之间,施以冲击力和静压力使其产生变形的加工方法。分手工自由锻和机械自由锻，图2-14a自由锻工序-墩粗,冲孔,拔长,弯曲。特点:设备通用性强,简单;生产率低,劳动强度大;锻件精度低,消耗金属多;适于各种合金。5.模锻:在外力作用下使坯料在模型内成型,从而获得与模膛形状一致的锻件, 图2-14b。(1)锤上模锻特点:生产效率高;尺寸精确,余量小,光洁度高;形状复杂,敷料少,成本低。适于汽车,飞机,拖拉机(2)胎膜锻造:在自由锻设备上,使用简单锻模进行生产模锻件。特点-与自由锻相比,质量好,节省金属,生产率高,成本低。 与模锻相比,不要贵设备。锻模
32、简单,劳动强度大。6.板料冲压:利用冲模使板料产生分离或变形获得所需零件和毛坯的压力加工方法, 图2-14c。板料冲压工序:落料冲孔；变形工艺：拉深弯曲,成型。特点-形状复杂,废料少;精度,光度高,互换性好;重量轻,强度刚度高;操作简便生产率高;适于低碳钢,高塑性合金钢,有色金属,汽车,拖拉机. 。(三)金属材料可锻性:金属材料的可锻性指材料进行压力加工的难易程度。由塑性和变形抗力来衡量。塑性好,变形抗力小,可锻性好。影响可锻性的因素:1.化学成分和组织结构(1)化学成分-纯金属塑性好,可锻性好;铁合金中随含碳量的增加使塑性下降,可锻性变差;18S、P的增加使可锻性变差。(2)金属组织结构-单
33、一组织可锻性好; 固,纯机械混合物; AF+P; 面心立方体心立方; 碳化物弥散好于网状; 细晶粗晶。2.变形条件(1)变形温度- 提高变形温度可增大金属材料的塑性并降低变形抗力。但要避免过热和过烧。加工硬化严重会造成裂纹。(2)变形速度:单位时间内变形程度。当小于Va时,随着v 塑性抗力 可锻性；当大于Va时,机械能转成热能,塑性， v 塑性 抗力 可锻性，图2-15。 (3)应力状态: 拉拔时变形材料呈两向压应力和一向拉应力状态。模锻时金属材料呈三向压应力状态。变形中三向应力状态中的压应力数目越多,塑性越好,抗力稍大,可锻性好。(四)压力加工零件结构工艺性 不仅要有良好使用性能,还要考虑加
34、工工艺特点,使零件便于加工,降低成本,提高生产率。1自由锻的结构工艺性（1）应避免斜面和圆锥面。 (2)不能圆弧连接。(3)不能有凸台,加强筋。 (4)复杂件可由组合件完成。表2-11。2.模锻件结构工艺性1）为保证锻件取出,要选合理分模面。2）加工面留有余量,垂直面要留有斜度,交接面圆角过渡。3）形状简单,平直,对称,避免薄壁高筋等。4）尽量避免深孔,多孔。5）形状复杂采用分别锻造,焊接组合，图2-16、图2-17。3.冲压件结构工艺性(1)落料冲孔要求:外形简单对称形状规则;外形用圆形,矩形;孔径不能小于厚度,方孔不能小于0.9d;孔距不能小于厚度;转角处应圆角过渡，图2-18、图2-19
35、、表2-12。 (2)弯曲对结构要求：纤维方向和弯曲受力垂直。使弯曲半径不能小于材料许可的最小弯曲半径。弯曲平直部分H2t。表2-13弯曲带孔件时,为避免孔变形孔的位置,L(1.5-2)t，图2-20、图2-21。(3)对拉深结构的要求: 形状简单对称,拉深高度不易过大;拉深件圆角过渡。(4)冲压件结构合理应用：用冲,焊代锻,铸,切削;减少组合件,采用冲压工艺;采用加强筋代厚件，图2-22、图2-23、图2-24。第七次课：1教学内容（1）焊接加工及工艺2讲授重点及要求：掌握 1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。三、焊接及加工工艺通过加热或加压或同时加热又加压,使原子扩散与结合,
36、从而形成一个整体,称为焊接。按焊接特点分:表2-15(1)熔化焊:局部加热熔化形成熔池.如电弧焊,气焊。19(2)压力焊:不管加热与否,都需加一定压力,产生塑变形成接头。如电阻焊,摩擦焊,冷压焊。(3)钎焊:把被焊金属和钎料加热,钎料熔化,把被焊金属包起形成接头,如锡焊,铜焊。焊接特点:与铆接比省材料,省工时;气密性水密性好;能化大为小,并小成大;易于机械化,自动化。(一)常用焊接方法1.熔化焊:(1)手工电弧焊:用电焊条手工操作的电弧焊。具有设备简单,操作灵活,适于各种位置焊接,焊缝长度和形状不受限。电焊条:由焊芯和药皮组成。焊芯作用:导电,引弧，填充焊缝。药皮作用:稳弧;保护熔池;冶金作用
37、。(2)埋弧自动焊:又称熔剂层下焊接。特点：焊接质量好,稳定,保护好,冶金充分;节省电能和金属;劳动条件好,设备贵,适应差。适于造船,车辆,容器.。(3)CO2气体保护焊CO2 CO+O2，不适于有色金属。特点:生产率高;焊接质量好;成本低;操作性好,明弧,对铁敏感性低;适于机车,造船,机械,汽车。还有一种气体保护焊-氩弧焊。2.压力焊:(1)电阻焊:利用电流通过焊件及接头处,产生电阻热.局部加热到塑性半熔化状态,在压力下形成接头。 包括(点焊 ,缝焊, 对焊)电阻焊特点:接头质量好;生产率高易于机械化;不填加金属和焊剂;劳动条件好。应用:用于薄板,棒材,汽车,日用品.(2)摩擦焊3.钎焊用熔
38、点低于被焊金属的钎料熔化后,填充到被焊结合面空隙中,钎料凝固而把两部分金属连接成整体。(1)钎料的种类:1）软钎焊:钎料熔点450以下,接头强度低于70MPa,受力不大,低温工件。如锡焊。应用于电器元件,生活用具.。2）硬钎焊:钎料熔点450以上,接头强度大于200MPa,工作温度高的工件。如铜焊,银焊。应用于工具,刀具,自行车圈.。(2)钎焊的特点:热影响区小,变形小;适应广,异种材料;生产率高;设备简单。(二)金属材料的焊接性1.焊接性:指被焊金属材料在采用一定的工艺方法,材料,参数及一定结构下获得优质焊接接头的难易程度。焊接性包含两层内容(一是工艺焊接性,接头裂纹及倾向;二是使用可靠性,
39、包括力学性能,耐热,耐腐蚀)2.影响焊接性的因素:(1)金属材料的化学成分。 随含碳量增加可焊性变差。(2)焊接工艺方法。气焊焊铝及铝合金不好;氩弧焊质量好。(3)焊接材料:焊条焊丝焊剂直接影响质量,焊补铸铁时,一般焊条质量差,镍基焊条质量可改观。(4)焊接的结构型式:厚度刚度大的件,易于产生应力和裂纹。20(5)环境条件:温度低易于产生应力裂纹,高温易蠕变。(6)工艺参数:焊接电流,焊接速度,预热,缓冷。3.焊接性的评价方法常用试验法和估算法。碳当量法是简便估算法:C当=C+Mn/6+(Cr+Mn+V)/5+(Ni+Cu)/15100%合金元素用百分含量。(1)当碳当量0.6%时,焊接性较差
40、,淬硬倾向大,塑性低,采取预热缓冷。低碳钢含碳小于0.25%,焊接性好,不需任何工艺措施。中碳钢含碳0.25-0.6%,随含碳量增加,淬硬裂纹倾向增大,采取预热缓冷。低氢焊条，降低焊速，小电流。普通低合金钢，16n焊接性较好。(三)焊接结构工艺性是指焊接结构在实施焊接过程中难易程度。1.便于焊接,图2-25。2.焊缝避开加工面和应力集中，图2-26。3.改善劳动条件,容器在外面焊。4.注意节约材料，图2-27。5.尽量避免仰焊焊缝。第九次课：1教学内容（1）焊接加工及工艺2讲授重点及要求：了解、掌握 1。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。四、机械加工及其工艺性用刀具从金属材料(毛坯
41、)切去多余金属,获得符合要求的几何形状,尺寸及表面粗糙度的加工过程。金属切削加工： 机械加工:车,钻,铣,刨。钳工。(一)切削运动和切削要素1.零件的表面-已加工面,待加工面,加工表面。2.切削运动:(1)主运动:切下切屑最基本的运动,速度最高,耗功最大。(2)进给运动:使金属层不断投入切屑,从而加工完整表面。3.切削用量(1)切削速度:单位时间内工件或刀具沿主运动方向相对移动的距离。V=Dn/100060 m/s D-待加工面直径 旋转运动V=2Ln/100060 m/s L-行程长度 直线运动(2)切削深度(ap):待加工面和已加工面之间的垂直距离。影响切削刃长度。ap=(Dd)/2。(3
42、)进给量(f):主运动一个循环内刀具或工件沿进给方向相对位移。车削刀尖转移一周移动距离。(二)金属切削刀具1.对刀具材料要求21高硬度;足够强韧性;高耐热性;耐磨性好;良好工艺性。2.常用刀具材料碳具工具钢：含碳0.7-1.3% ， T8AT13 ，HRC 6064，热硬性200。 V10m/min 手动工具 丝锥,板牙,锯条合金工具钢：Cr,W,Ti,V,9CrSi，HRC6065，热硬性250-350。、k好,V=20-25m/min，低速刀具，丝锥,板牙,拉刀。高速钢：W18Cr4V，HRC6270，热硬性540-650， 、好,V=30-50m/min，制造复杂刀具,铣,车,拉,齿轮刀
43、具。硬质合金 ：HRA=89-98(HRC73-78)，热硬性800-1000，V=100400， 脆,k低。YG类 ：YG3，YG6适于脆性材料。YT类 ：YT5，硬度耐磨,热硬更高,适于塑料。YW类 ：(WC+TiC+NbC+C0)综合性能好,万能硬质合金。其他刀具材料:金刚石,氮化硼,陶瓷(三)金属切削机床1.金属切削机床分类:分为12类。 C,X,B,M,T,L,Y,S-螺纹;D-电加工;G-切断;Q-其他。(1)通用机床:加工范围广,普通车床,万能铣床,适于单件小批。(2)专门化机床:某种机械某一种特定加工工序。(3)专用机床:用于某种零件的特定加工工序。 自动,半自动/轻型,重型。
44、2.机床上常用传动方式:(1)传递旋转运动：皮带传动;齿轮传动;蜗轮蜗杆传动。(2)变换运动性质机构：齿轮,齿条传动;丝杠螺母传动;(3)变速机构：滑动齿轮变速;离合器变速;(四)工件材料的切削加工性：是指工件材料被切削加工或合格零件的难易程度。在加工中,刀具耐用度高,切削速度高,粗糙度小,断屑容易。1.衡量切削加工性标准(1)一定刀具耐用度,允许切削速度。(2)精加工中用粗糙度Ra大小表示。 Ra越小,切削加工越好。2.影响切削加工性因素:材料硬度： HB，加工性 ，加工硬化 ，加工。 材料强度： b，加工性。 材料塑性： d,，加工性。材料韧性 k，不断屑,加工性。 3.改善材料加工性措施
45、：低碳钢正火代退火,增加硬度; 高碳钢退火,降低硬度。冷加工， ,， 加工。生产一些易切钢加S,PY20(五)机械加工零件的结构工艺性零件要满足使用外,还要考虑其加工工艺性,要依据生产条件,加工方法,综合分析。1.零件结构应使加工方便。结构设计要便于加工,可减少时间,减少辅助时间。（1（ 便于装夹,图2-28、图2-29。（2（ 减少工件安装次数，表2-16。（3）减少刀具调整次数，表2-17。(4)采用标准刀具，表2-18。22(5)避免加工内表面，图2-30。 (6)便于进刀和退刀，表2-19。2.零件结构应有利于提高刀具刚度,寿命和减少加工量。（1）应有利于提高刀具刚度和寿命，表2-20
46、。（2）减少加工面积，图2-31。（3）使用型材，减少加工量，表2-21。第十次课：1教学内容（1）金属表面处理及加工技术2讲授重点及要求：了解、掌握。3时间安排：两次课衔接10分钟，小节10分钟。2-3 金属表面处理与装饰技术表面技术:保护产品作用;美化提高产品价值和竞争力。一、表面材料的表面处理:是指金属材料表面的原子层与某些特定介质的阴离子反应后在金属材料表面生成膜层,该层为转化膜。转化膜分电化学转化膜和化学转化膜两类,其中化学转化膜包括化学氧化膜,铬酸盐膜和磷酸盐膜。转化膜是在金属表面人为产生和控制的腐蚀过程,基体金属参与。(一)铝及合金的氧化与着色处理。1.铝及合金的电化学氧化:铝作
47、阳极氧化,零件作阴极。(1)氧化膜的性质1）氧化膜的多孔性。膜层孔隙率取决于电解液的类型及氧化时的工艺条件。2）吸附性。能化学着色。3）硬度。纯氧化铝硬度高,耐磨性好。4）绝缘性和绝热性。5）作有机涂层的底色。氧化膜是油漆,涂料,树脂的良好底层。(2)电化学氧化溶液的种类有硫酸,铬酸,磷酸,草酸，表2-22。2.铝及铝合金的化学氧化把工件置于含有碱金属和碱金属的铬酸盐溶液中,铝和溶液互相作用。生成氧化铝和氢氧化铝的薄膜。强度低,作底层。3.铝及铝合金氧化膜的着色(1)化学着色:是把氧化后的制件用有机染料或无机染料的水溶液来染色，图2-32a。(2)整体着色:是无机着色方法。可产生金黄色,古铜色
48、,灰色和黑色, 图2-32b。(3)电解着色:氧化膜在金属盐的着色液中电解着色, 图2-32c。(4)干涉着色:在氧化,电解着色间加一扩孔步骤, 图2-32d。(二)钢铁的氧化与磷酸处理:1.钢铁的氧化处理(发黑处理)在浓碱液中煮沸,表面生成四氧化三铁，又称发蓝，不氢脆,可对弹簧,薄钢片等高强钢发蓝处理。2.钢铁的磷化处理23浸入磷酸盐溶液中,生成磷酸盐膜，是氧化过程。有色金属都可磷化。耐蚀,吸附油,不影响焊接,绝缘性好。(三)铜及铜合金的氧化处理1.过硫酸盐碱性溶液氧化法。过硫酸盐碱性溶液由氢氧化钠和过硫酸盐组成。经60-65浸煮五分钟后,生成黑色氧化膜。2.铜氨溶液化学氧化法，适于黄铜件,膜为蓝黑色。3.古铜色化学氧化铜镀层。镀铜后在硫酸中活化再以过硫酸盐碱性溶液氧化。4.碱性溶液电化学氧化法。工件为阳极,在氢氧化钠中通电。二、金属材料表面装饰1.镀层装饰技术:在金属表面形成有色金属特性的镀层。增加耐蚀,耐磨,增强色彩,光泽，表2-23。镀层装饰金属有Cu,Ni,Cr,Fe,Zn,Sn,Al,Pb,Au,Ag,Pt及其合金。2.涂层装饰技术表面
