《金属加工原理》课件

金属加工原理本课件旨在全面介绍金属加工的各项原理与技术从金属材料的基础知识到各种成型、切削加工方法，再到特种加工、热处理和表面处理，以及质量控制和未来发展趋势，我们力求为您呈现一个系统、深入的金属加工知识体系通过本课程的学习，您将能够掌握金属加工的基本理论，了解各种加工方法的特点和应用，为未来的学习和工作打下坚实的基础课程概述课程目标学习内容考核方式使学生掌握金属加工的基本原理和方法，培包括金属材料基础、金属成型加工、金属切采用平时成绩和期末考试相结合的方式进行养学生的实践能力和创新精神，为从事相关削加工、特种加工方法、热处理和表面处理考核平时成绩包括课堂表现、作业完成情领域的工作打下基础等况等，期末考试为闭卷考试第一章金属材料基础金属的定义金属的分类金属的基本性质123金属是指具有光泽、延展性、易导电金属可以分为黑色金属（如钢铁）、包括力学性能、物理性能和化学性能、导热等特性的物质有色金属（如铜、铝）和稀有金属等等力学性能如强度、硬度、塑性和韧性等；物理性能如熔点、导电性、导热性和磁性等；化学性能如耐腐蚀性等金属的晶体结构晶格类型常见金属的晶体结构金属的晶体结构主要有面心立方、如铜、铝等为面心立方结构，铁、体心立方和密排六方三种钨等为体心立方结构，镁、钛等为密排六方结构晶体结构对性能的影响晶体结构直接影响金属的力学性能和物理性能例如，面心立方结构的金属具有较好的塑性和韧性金属的力学性能强度硬度塑性指金属抵抗变形和断裂的指金属抵抗硬物压入其表指金属在受力后产生永久能力，包括抗拉强度、屈面的能力，常用的硬度指变形而不发生断裂的能力服强度等标有布氏硬度、洛氏硬度等韧性指金属吸收变形能量和抵抗断裂的能力，与强度和塑性有关金属的物理性能熔点1指金属由固态转变为液态的温度不同金属的熔点差异很大，如钨的熔点很高，而汞的熔点很低导电性2指金属导电的能力金属的导电性很好，是优良的导电材料导热性3指金属导热的能力金属的导热性也很好，是优良的导热材料磁性4指金属具有磁性的能力铁、镍等金属具有磁性，可用于制造磁性材料第二章金属成型加工概述成型加工的定义成型加工的分类成型加工的特点指通过外力作用使金属材料产生塑性变形包括锻造、轧制、挤压、拉伸等能够提高金属材料的强度和韧性，改善其，从而获得所需形状和尺寸的加工方法组织结构，适用于大批量生产塑性变形原理屈服条件指金属材料开始产生塑性变形的应力状态2常用的屈服条件有屈服强度等应力和应变1应力是指物体内部单位面积上所受到的力，应变是指物体在外力作用下产生的变形塑性变形机制包括滑移、孪生等滑移是指晶体内部原子沿一定晶面和晶向的相对移动，孪生是指晶体内部原子沿一定晶面发生对称的位3移金属成型加工的主要方法锻造1轧制2挤压3拉伸4金属成型加工包括多种方法，每种方法都有其独特的适用范围和特点通过锻造、轧制、挤压和拉伸等工艺，金属材料可以被塑造成各种形状和尺寸，满足不同应用的需求选择合适的成型加工方法对于提高产品质量、降低生产成本至关重要锻造锻造的定义和特点1锻造的分类2锻造设备3锻造是利用冲击力或压力使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的零件的加工方法根据所用设备和工艺的不同，锻造可分为自由锻、模锻等常用的锻造设备有锻锤、锻压机等自由锻自由锻的原理自由锻的工艺自由锻的应用通过简单的通用工具，直接对金属坯料施加包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲等基本工序主要用于制造大型轴类、盘类等零件例如冲击力或压力，使其产生塑性变形自由锻通过这些工序的组合，可以制造出各种形状，大型汽轮机的转子、发电机的主轴等的灵活性高，适用于小批量生产和大型零件的锻件的制造模锻模锻的原理模锻的工艺12将金属坯料放入具有一定形状的包括预锻、终锻等工序预锻的模具中，通过冲击力或压力使其目的是使坯料初步成形，终锻的产生塑性变形，从而获得所需形目的是获得最终的形状和尺寸状的锻件模锻的生产效率高，适用于大批量生产模锻的应用3主要用于制造汽车、拖拉机等机械零件例如，汽车的连杆、曲轴等轧制轧制的定义和特点轧制的分类轧制设备指金属坯料通过旋转的轧辊间隙，产生塑包括板材轧制、型材轧制等板材轧制用主要有轧机轧机由轧辊、机架、传动装性变形，从而获得所需形状和尺寸的加工于生产板材，型材轧制用于生产各种型材置等组成方法轧制的生产效率高，适用于大批量生产板材轧制板材轧制原理板材轧制工艺板材轧制设备通过一对或多对轧辊的旋包括热轧和冷轧热轧是主要有热轧机和冷轧机转，将金属坯料压成一定在高温下进行轧制，冷轧热轧机用于热轧，冷轧机厚度的板材轧辊之间的是在常温下进行轧制冷用于冷轧间隙决定了板材的厚度轧可以提高板材的精度和表面质量型材轧制型材轧制原理1通过具有一定形状孔型的轧辊，将金属坯料轧制成各种形状的型材轧辊孔型的形状决定了型材的形状型材轧制工艺2包括热轧和冷弯热轧是在高温下进行轧制，冷弯是在常温下进行弯曲冷弯可以提高型材的精度和表面质量型材轧制设备3主要有型材轧机型材轧机由具有不同形状孔型的轧辊组成挤压挤压的定义和特点指金属坯料在强大的压力作用下，通过模具孔挤出，从而获得所需形状和尺寸的加工方法挤压可以生产各种复杂的截面形状的零件挤压的分类包括正向挤压、反向挤压等正向挤压是指坯料和挤压方向相同，反向挤压是指坯料和挤压方向相反挤压设备主要有挤压机挤压机由挤压筒、冲头、模具等组成正向挤压正向挤压工艺包括热挤压和冷挤压热挤压是在高温下2进行挤压，冷挤压是在常温下进行挤压正向挤压原理冷挤压可以提高零件的精度和表面质量1将金属坯料放入挤压筒中，通过冲头的推动，使金属从模具孔中挤出正向挤压的生产效率高，适用于大批量生产正向挤压应用主要用于生产各种铝型材、铜管等例如，建筑用的铝合金门窗、空调用的铜管等3反向挤压反向挤压原理1反向挤压工艺2反向挤压应用3反向挤压是一种特殊的挤压方法，其特点是冲头与挤压筒相对运动，金属从冲头周围的模孔中挤出反向挤压可以减少摩擦力，提高零件的精度和表面质量，但设备复杂，生产效率较低主要用于生产精密零件，如齿轮、轴承等拉伸拉伸的定义和特点1拉伸的分类2拉伸设备3拉伸是指金属坯料通过拉拔模具，在拉力的作用下，使其截面减小、长度增加的加工方法拉伸可以生产各种线材、管材等常用的拉伸设备有拉丝机、拉管机等线材拉伸线材拉伸原理线材拉伸工艺线材拉伸应用将金属线材通过一系列直径逐渐减小的拉拔包括粗拉、中拉和细拉粗拉用于减小线材主要用于生产各种金属丝、电线电缆等例模具，使其截面逐渐减小，从而获得所需直的截面，中拉用于提高线材的精度，细拉用如，钢丝、铜丝、铝丝等径的线材拉拔过程中需要进行润滑，以减于获得最终的直径和表面质量少摩擦力管材拉伸管材拉伸原理管材拉伸工艺12将金属管材通过拉拔模具，使其包括空拉和芯棒拉拔空拉是指直径减小、壁厚减薄拉拔过程不使用芯棒进行拉拔，芯棒拉拔中需要在管材内部填充芯棒，以是指使用芯棒进行拉拔芯棒拉防止管材变形拔可以提高管材的精度和表面质量管材拉伸应用3主要用于生产各种无缝钢管、铜管等例如，石油输送管道、化工管道等第三章金属切削加工概述切削加工的定义切削加工的特点切削加工的分类指使用刀具将金属材料从工件上切除，从能够获得较高的精度和表面质量，适用于包括车削、铣削、钻削、磨削等而获得所需形状和尺寸的加工方法制造各种复杂的零件金属切削原理切削三要素切屑的形成切削力的产生指切削速度、进给量和切切屑是切削过程中从工件切削力是切削过程中刀具削深度切削三要素的选上分离下来的金属切屑作用于工件上的力切削择直接影响切削过程的稳的形状和尺寸取决于切削力的大小取决于切削条件定性和加工质量条件和刀具几何角度、刀具几何角度和工件材料切削刀具刀具的组成部分1包括刀体和刀头刀体是刀具的主体，刀头是切削部分刀具几何角度2包括前角、后角、主偏角和副偏角刀具几何角度的选择直接影响切削性能和刀具寿命刀具材料3包括高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料等刀具材料的选择取决于工件材料和切削条件高速钢刀具高速钢的特点具有较高的硬度、耐磨性和韧性，但耐热性较差高速钢刀具的应用主要用于加工低硬度的金属材料，如碳钢、合金钢等高速钢刀具的优缺点优点是价格低廉、易于制造，缺点是耐热性差、切削速度低硬质合金刀具硬质合金刀具的应用2主要用于加工高硬度的金属材料，如不锈钢、铸铁等硬质合金的特点1具有很高的硬度、耐磨性和耐热性，切削速度高硬质合金刀具的优缺点优点是切削速度高、加工效率高，缺点是3价格昂贵、脆性大陶瓷刀具陶瓷刀具的特点1陶瓷刀具的应用2陶瓷刀具的优缺点3陶瓷刀具具有极高的硬度和耐磨性，切削速度很高，但脆性大，不耐冲击主要用于高速切削硬脆材料，如淬硬钢、高强度铸铁等在汽车、航空航天等领域有广泛应用选择合适的切削参数和刀具几何角度对于保证加工质量和刀具寿命至关重要超硬材料刀具金刚石刀具1立方氮化硼刀具2超硬材料刀具的应用3超硬材料刀具包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具，具有极高的硬度和耐磨性，切削速度非常高金刚石刀具主要用于加工有色金属和非金属材料，立方氮化硼刀具主要用于加工高硬度的黑色金属材料超硬材料刀具的价格昂贵，但加工效率和质量很高，适用于精密加工和高效加工车削加工车削的定义和特点车削的分类车削设备指工件旋转，刀具沿一定轨迹移动，将工件包括外圆车削、内孔车削、端面车削、螺纹主要有车床车床由主轴箱、进给箱、刀架加工成所需形状和尺寸的加工方法车削主车削等、尾座等组成要用于加工回转体零件，如轴、盘、套等外圆车削外圆车削原理外圆车削工艺12刀具沿工件外表面移动，将工件包括粗车和精车粗车用于去除加工成所需直径的外圆外圆车大部分余量，精车用于获得最终削是车削加工中最基本的方法的尺寸和表面质量外圆车削应用3主要用于加工各种轴类零件例如，机床主轴、汽车传动轴等内孔车削内孔车削原理内孔车削工艺刀具沿工件内孔表面移动，将工件包括粗镗和精镗粗镗用于去除大加工成所需直径的内孔内孔车削部分余量，精镗用于获得最终的尺需要使用特殊的内孔刀具寸和表面质量内孔车削应用主要用于加工各种孔类零件例如，齿轮孔、轴承孔等铣削加工铣削的定义和特点铣削的分类铣削设备指刀具旋转，工件沿一定包括平面铣削、槽铣、轮主要有铣床铣床由主轴轨迹移动，将工件加工成廓铣、端面铣削等箱、进给箱、工作台等组所需形状和尺寸的加工方成法铣削可以加工各种平面、曲面和孔平面铣削平面铣削原理1刀具旋转，工件沿工作台移动，将工件加工成所需平面的加工方法平面铣削是铣削加工中最基本的方法平面铣削工艺2包括粗铣和精铣粗铣用于去除大部分余量，精铣用于获得最终的尺寸和表面质量平面铣削应用3主要用于加工各种平面零件例如，机床工作台、模具底板等槽铣和轮廓铣槽铣和轮廓铣原理槽铣是指使用铣刀在工件上加工出槽，轮廓铣是指使用铣刀在工件上加工出轮廓槽铣和轮廓铣可以加工各种复杂的形状槽铣和轮廓铣工艺包括粗铣和精铣粗铣用于去除大部分余量，精铣用于获得最终的尺寸和表面质量槽铣和轮廓铣应用主要用于加工各种模具、零件等例如，塑料模具、冲压模具等钻削加工钻削的分类2包括普通钻削、扩孔、铰孔、镗孔等钻削的定义和特点1指使用钻头在工件上加工出孔的加工方法钻削主要用于加工通孔和盲孔钻削设备主要有钻床钻床由主轴箱、进给箱、工作台等组成3深孔钻削深孔钻削原理1深孔钻削工艺2深孔钻削应用3深孔钻削是指孔的深度与直径之比大于5的钻削加工深孔钻削需要使用特殊的深孔钻头和排屑装置，以保证切削液的供应和切屑的排出深孔钻削主要用于加工各种液压缸、气缸等零件选择合适的切削参数和刀具几何角度对于保证加工质量至关重要磨削加工磨削的定义和特点1磨削的分类2磨削设备3磨削是指使用磨具将工件表面去除一层薄材料的加工方法磨削可以获得非常高的精度和表面质量，适用于加工各种淬硬钢、硬质合金等材料常用的磨削设备有外圆磨床、平面磨床、内圆磨床等外圆磨削外圆磨削原理外圆磨削工艺外圆磨削应用磨具旋转，工件旋转并沿轴向移动，将工件包括粗磨和精磨粗磨用于去除大部分余量主要用于加工各种轴类零件例如，机床主外表面磨削成所需直径的加工方法外圆磨，精磨用于获得最终的尺寸和表面质量磨轴、汽车曲轴等削是磨削加工中最基本的方法削过程中需要使用冷却液，以降低温度和冲走磨屑平面磨削平面磨削原理平面磨削工艺12磨具旋转，工件沿工作台移动，包括粗磨和精磨粗磨用于去除将工件表面磨削成所需平面的加大部分余量，精磨用于获得最终工方法平面磨削可以获得非常的尺寸和表面质量磨削过程中高的平面度和表面质量需要使用冷却液，以降低温度和冲走磨屑平面磨削应用3主要用于加工各种平面零件例如，模具底板、导轨等第四章特种加工方法特种加工的定义特种加工的特点指利用电能、化学能、声能、光能不需要刀具，可以加工高硬度、高等能量，去除或改变金属材料的加脆性、难切削的材料；可以加工复工方法特种加工可以加工各种复杂的形状，如深孔、窄缝等；加工杂的形状和特殊材料精度高，表面质量好特种加工的分类包括电火花加工、电化学加工、激光加工、超声波加工等电火花加工电火花加工原理电火花加工设备电火花加工应用利用电极之间的火花放电，将工件材料腐蚀主要有电火花成型机和电火花线切割机电主要用于加工各种模具、精密零件等例如去除的加工方法电火花加工需要使用工作火花成型机用于加工复杂的型腔，电火花线，塑料模具、冲压模具、齿轮等液，以冷却电极和冲走电蚀产物切割机用于切割各种形状的零件电化学加工电化学加工原理1利用电解原理，将工件材料溶解去除的加工方法电化学加工需要使用电解液，以进行电解反应电化学加工设备2主要有电化学加工机电化学加工机由电极、电解液循环系统、电源等组成电化学加工应用3主要用于加工各种复杂的型腔、薄壁零件等例如，航空发动机叶片、汽车模具等激光加工激光加工原理利用激光束照射工件表面，使工件材料熔化、气化或烧蚀去除的加工方法激光加工具有能量密度高、加工速度快、热影响区小等特点激光加工设备主要有激光切割机、激光焊接机、激光打标机等激光切割机用于切割各种金属和非金属材料，激光焊接机用于焊接各种金属材料，激光打标机用于在工件表面打标激光加工应用主要用于切割、焊接、打标、表面处理等例如，汽车覆盖件切割、电子元件焊接、零件打标等超声波加工超声波加工设备主要有超声波加工机超声波加工机由超2声波发生器、换能器、变幅杆、工具头等超声波加工原理组成1利用超声波振动，使磨料撞击工件表面，将工件材料磨削去除的加工方法超声波加工主要用于加工硬脆材料超声波加工应用主要用于加工各种硬脆材料，如陶瓷、玻3璃、宝石等第五章热处理热处理的定义1热处理的目的2热处理的分类3热处理是指通过加热、保温和冷却等手段，改变金属材料的组织结构，从而改善其性能的工艺热处理是提高金属材料强度、硬度、韧性和耐磨性的重要手段常用的热处理方法有退火、正火、淬火和回火等选择合适的热处理方法和工艺参数对于保证零件性能至关重要退火退火的定义和目的1退火的工艺2退火的应用3退火是指将金属材料加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的heat treatment工艺退火的目的是消除内应力、降低硬度、提高塑性，细化晶粒，改善切削加工性能退火主要用于加工硬化零件、铸件和焊接件常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等正火正火的定义和目的正火的工艺正火的应用正火是指将金属材料加热到适当温度，保温包括加热、保温和冷却加热温度一般比退主要用于中碳钢、低合金钢等例如，齿轮一定时间，然后在空气中冷却的heat火高，冷却介质为空气正火后可以进行回、轴类零件等treatment工艺正火的目的是细化晶粒火处理，以进一步改善其性能、均匀组织、消除内应力，提高强度和硬度正火的冷却速度比退火快，因此正火后的材料强度和硬度比退火后的材料高淬火淬火的定义和目的淬火的工艺12淬火是指将金属材料加热到适当包括加热、保温和冷却加热温温度，保温一定时间，然后迅速度一般比正火高，冷却介质为水冷却的heat treatment工艺、油等淬火后必须进行回火处淬火的目的是获得马氏体组织理，以消除内应力，提高韧性，提高强度、硬度和耐磨性淬火的应用3主要用于高碳钢、合金钢等例如，刀具、模具、轴承等回火回火的定义和目的回火的工艺回火是指将淬火后的金属材料加热包括加热、保温和冷却回火温度到适当温度，保温一定时间，然后的选择取决于材料的成分和所需的冷却的heat treatment工艺回性能回火温度越高，强度和硬度火的目的是消除内应力、降低硬度越低，塑性和韧性越高、提高塑性和韧性，稳定组织和尺寸回火的应用主要用于淬火后的零件例如，刀具、模具、轴承等表面热处理表面热处理的定义表面热处理的分类表面热处理的应用指只对金属材料表面进行包括表面淬火、化学热处主要用于齿轮、轴承、模heat treatment的工理等表面淬火是指只对具等零件例如，齿轮表艺，以改变其表面性能，表面进行淬火，化学热处面淬火可以提高耐磨性，而保持心部性能不变表理是指通过改变表面化学模具表面渗碳可以提高硬面热处理可以提高表面的成分来改善其性能度和耐磨性硬度、耐磨性和耐腐蚀性第六章表面处理表面处理的定义1指通过物理、化学或机械方法，在金属材料表面形成一层具有特定性能的coating的工艺表面处理可以提高耐腐蚀性、耐磨性、装饰性等表面处理的目的2包括提高耐腐蚀性、提高耐磨性、提高装饰性、提高导电性等表面处理的分类3包括电镀、阳极氧化、喷涂等电镀电镀的原理利用电解原理，在金属材料表面沉积一层金属coating的工艺电镀可以提高耐腐蚀性、耐磨性和装饰性电镀的工艺包括预处理、电镀和后处理预处理是指去除表面污物和氧化皮，电镀是指在电解液中进行电解沉积，后处理是指进行钝化、封闭等处理，以提高coating的性能电镀的应用主要用于装饰性coating和防护性coating例如，镀铬可以提高装饰性，镀锌可以提高耐腐蚀性阳极氧化阳极氧化的工艺包括预处理、阳极氧化和后处理预处理2是指去除表面污物和氧化皮，阳极氧化是阳极氧化的原理指在电解液中进行电解氧化，后处理是指进行封闭、染色等处理，以提高氧化膜的利用电解原理，在金属材料表面形成一层1性能氧化膜的工艺阳极氧化主要用于铝合金，可以提高耐腐蚀性、耐磨性和装饰性阳极氧化的应用3主要用于铝合金制品例如，铝合金门窗、电子产品外壳等喷涂喷涂的原理1喷涂的工艺2喷涂的应用3喷涂是指将coating材料通过喷枪喷涂到金属材料表面，形成一层coating的工艺喷涂可以提高耐腐蚀性、耐磨性、装饰性等常用的喷涂材料有油漆、粉末coating等喷涂主要用于大型构件和复杂形状零件选择合适的喷涂材料和工艺参数对于保证coating质量至关重要第七章金属加工的质量控制质量控制的重要性1质量控制的方法2质量控制的标准3质量控制是指在金属加工过程中，通过一系列措施，保证产品质量符合要求的活动质量控制对于提高产品竞争力、降低生产成本至关重要常用的质量控制方法有统计过程控制SPC、全面质量管理TQM等质量控制的标准有国家标准、行业标准和企业标准等金属加工的缺陷常见缺陷类型缺陷的形成原因缺陷的预防措施包括裂纹、气孔、夹杂、变形、尺寸超差等包括材料缺陷、工艺缺陷、设备缺陷等材包括选择合格的材料、制定合理的工艺、维裂纹是指金属材料表面的裂缝，气孔是指料缺陷是指材料本身存在的缺陷，工艺缺陷护保养设备等选择合格的材料是预防材料金属材料内部的气泡，夹杂是指金属材料内是指加工工艺不合理造成的缺陷，设备缺陷缺陷的关键，制定合理的工艺可以避免工艺部的非金属杂质，变形是指金属材料的形状是指加工设备精度不高造成的缺陷缺陷，维护保养设备可以保证设备精度发生改变，尺寸超差是指金属材料的尺寸超出规定的范围金属加工的检测方法无损检测破坏性检测在线检测技术123指在不损坏工件的情况下，检测工件指通过破坏工件，检测工件的力学性指在金属加工过程中，实时检测工件内部和表面缺陷的方法常用的无损能和化学性能的方法常用的破坏性尺寸、形状和表面质量的技术常用检测方法有超声波检测、射线检测、检测方法有拉伸试验、冲击试验、硬的在线检测技术有激光扫描、视觉检磁粉检测、渗透检测等度试验、化学分析等测等第八章金属加工的发展趋势智能制造绿色加工指将人工智能、大数据、云计算等指在金属加工过程中，减少资源消技术应用于金属加工过程，实现自耗、降低环境污染，实现可持续发动化、智能化和网络化的制造模式展的制造模式新材料应用指将新型金属材料、复合材料应用于金属加工领域，提高产品性能和降低生产成本打印技术在金属加工中的应用3D打印的原理打印的优势打印的应用案例3D3D3D指通过逐层堆积材料，制造三维物体的技术可以制造复杂的形状，缩短生产周期，降低主要用于航空航天、医疗器械、汽车制造等金属3D打印主要有选择性激光熔化SLM生产成本，实现个性化定制领域例如，航空发动机叶片、人体植入物、电子束熔化EBM等、汽车模具等总结与展望课程主要内容回顾1本课程系统介绍了金属材料基础、金属成型加工、金属切削加工、特种加工方法、热处理和表面处理等金属加工技术的未来发展2金属加工技术将朝着智能化、绿色化和高效化的方向发展学习建议3加强理论学习，注重实践操作，关注行业动态，不断提高自身素质。