[机械工程]大学金属加工教学课件

机械工程大学金属加工教学课件本课程将系统介绍金属加工的基础理论、工艺技术和实践应用，为机械工程专业学生构建完整的金属加工知识体系通过理论学习与实践相结合的方式，培养学生掌握现代金属加工技术，为未来工程实践奠定坚实基础课程涵盖金属材料、成型工艺、热处理、切削加工、表面处理等核心内容，结合现代制造技术发展趋势，培养具备创新思维和工程实践能力的高素质人才课程目标与内容体系1掌握金属加工基础理论系统学习金属材料科学基础，理解金属的物理化学性质、组织结构与性能关系，为后续工艺学习打下坚实理论基础2熟练核心工艺技术深入掌握铸造、锻造、焊接、切削、热处理等主要金属加工工艺，理解工艺原理、参数选择和质量控制方法3培养工程实践能力通过实验教学和案例分析，提高学生分析解决实际工程问题的能力，培养创新思维和团队合作精神4理解现代制造趋势了解数控技术、增材制造、智能制造等现代制造技术发展趋势，为适应未来制造业发展做好准备工程材料概述金属材料分类材料选择原则金属材料按组成可分为纯金属和合金纯金属如铁、铜、铝等具工程应用中材料选择需综合考虑使用环境、性能要求、经济性和有良好的导电导热性，但强度相对较低合金通过添加合金元素可加工性不同工况条件对材料的强度、韧性、耐腐蚀性等要求显著改善力学性能差异很大•黑色金属铁及其合金•力学性能要求•有色金属铝、铜、镁等•工作环境适应性•贵重金属金、银、铂等•加工制造可行性•经济性与可持续性金属的物理与化学性质热物理性质电学性质腐蚀与防护合金元素作用金属具有良好的导热性大多数金属具有优良的金属腐蚀是工程中常见添加不同合金元素可改和热膨胀性导热系数导电性，这与其电子结问题，通过表面处理、善金属的强度、硬度、影响热处理效果和使用构密切相关导电性在合金化、阴极保护等方耐腐蚀性等碳提高钢性能，热膨胀系数决定电子工业和电力工程中法可有效预防腐蚀，延的强度，铬增强耐腐蚀热应力大小，是设计中具有重要应用价值长使用寿命性，镍改善韧性重要参数钢及其分类碳素钢合金钢不锈钢按含碳量分为低碳钢、中碳钢、高碳钢通过添加Cr、Ni、Mo等合金元素获得特含铬量≥12%的钢具有良好耐腐蚀性奥低碳钢塑性好易加工，中碳钢强度适中应殊性能合金钢具有更高的强度、硬度和氏体不锈钢塑性好，马氏体不锈钢强度用广泛，高碳钢硬度高制作工具特殊性能，广泛用于重要结构件高，铁素体不锈钢成本低•Q235普通结构钢•合金结构钢•304奥氏体不锈钢•20#、45#优质碳素钢•合金工具钢•410马氏体不锈钢•T

8、T12工具钢•特殊性能钢•430铁素体不锈钢有色金属及其应用铝及其合金铜及其合金密度小、耐腐蚀、导电性好导电导热性优异、塑性好•航空航天结构件•电线电缆•建筑装饰材料•热交换器•电子产品外壳•装饰五金钛合金镁合金强度高、耐腐蚀、生物相容性好最轻的结构金属材料•化工设备•汽车零部件•医疗器械•电子设备外壳•海洋工程•航空航天应用金属材料力学性能拉伸性能冲击韧性通过拉伸试验测定屈服强度、抗拉强度、延伸率等指材料抵抗冲击载荷的能力，通过冲击试验测定韧性好标，反映材料承受拉伸载荷的能力和塑性变形能力的材料能吸收较多冲击能量而不断裂压缩性能硬度材料在压缩载荷下的力学行为，对于脆性材料尤为重材料表面抵抗硬物压入的能力常用布氏、洛氏、维氏要压缩强度通常高于拉伸强度硬度表示，是选材的重要指标铁碳合金基本知识相图关键点铁碳相图中的关键点包括共析点、共晶点等，决定了钢铁材料的组织转变温度和加热冷却工艺制定基本组织珠光体是铁素体和渗碳体的层状组织，奥氏体是高温稳定相，马氏体是快冷形成的过饱和固溶体组织转变加热和冷却过程中发生的相变决定最终组织和性能冷却速度是控制组织转变的关键因素性能关系不同组织具有不同的力学性能珠光体强韧性平衡，马氏体硬度高但脆性大，需要回火处理金相组织及观察方法组织分析显微镜操作通过观察晶粒大小、相的分布、夹杂物等特征，试样制备金相显微镜通过光学系统放大观察金属内部组织分析材料的成分、工艺历史和性能需要结合理金相试样制备包括取样、镶嵌、粗磨、细磨、抛结构正确的照明、调焦和放大倍数选择是获得论知识进行准确判断光等步骤制备质量直接影响观察效果，需要严清晰图像的关键•组织类型识别格控制每个环节的操作规范•光源调节与聚焦•晶粒度测定•取样位置选择•物镜选择与切换•缺陷分析评估•逐级研磨抛光•图像记录与分析•化学腐蚀显示组织合金强化与相变沉淀强化第二相粒子阻碍位错运动固溶强化溶质原子扭曲晶格增加阻力细晶强化晶界阻碍位错运动提高强度金属强化机制通过阻碍位错运动来提高材料强度沉淀强化通过析出第二相粒子实现，固溶强化利用溶质原子的晶格畸变，细晶强化则依靠增加晶界密度相变过程中组织结构的改变直接影响材料的力学性能，是热处理工艺设计的理论基础铸造工艺基础金属熔化型腔制备在熔炉中将金属加热至熔点以上，形成根据零件形状制作砂型或金属型，型腔具有良好流动性的金属液体，为后续浇形状决定铸件的最终几何形状和尺寸精注做准备度凝固成型浇注充型金属液体在型腔中逐渐冷却凝固，形成将金属液体浇入型腔，充型过程需控制所需形状的铸件，凝固过程影响组织和浇注温度、速度，避免产生气孔、夹渣性能等缺陷典型铸造方法80%±

0.1mm砂型铸造占比精密铸造精度砂型铸造是最常用的铸造方法，成本低、适应性强，占铸造总产量的80%以上熔模精密铸造可达到±

0.1mm的尺寸精度，表面粗糙度Ra

1.6-

3.2μm200MPa1500°C压铸最高压力钢液浇注温度压力铸造可施加高达200MPa的压力，获得致密的铸件组织和良好的表面质量铸钢件浇注温度通常为1500-1600°C，比钢的熔点高100-200°C以保证流动性锻造与冲压基础塑性变形理论金属在外力作用下发生永久变形的能力，是锻造和冲压的物理基础热锻与冷锻热锻在再结晶温度以上进行，变形阻力小；冷锻在室温下进行，精度高成形设备锻锤、压力机、冲床等设备提供成形所需的力和运动，是工艺实现的保障塑性成形是利用金属材料的塑性变形能力，通过施加外力使金属产生永久变形而获得所需形状和性能的加工方法锻造主要用于实心件成形，冲压主要用于板料成形，两者都能显著改善材料的组织和性能锻造工艺类型锻造类型特点适用范围精度等级自由锻工具简单，灵大型锻件，单IT14-IT16活性大件小批模锻精度高，材料中小型锻件，IT12-IT14利用率高批量生产胎模锻介于自由锻和中等复杂程度IT13-IT15模锻之间锻件精密锻造精度极高，少高精度复杂锻IT9-IT12无切削件板料冲压成形技术板料冲压是利用冲床和模具对板料施加压力，使其发生分离或塑性变形，从而获得所需零件的加工方法主要工艺包括冲裁、弯曲、拉深、成形等冲压具有生产效率高、材料利用率高、产品质量稳定等优点，广泛应用于汽车、家电、电子等行业热处理基础理论加热将钢加热到预定温度，使组织发生相变，为后续处理做准备保温在目标温度下保持一定时间，确保温度均匀，相变充分进行冷却按照设定的冷却速度降温，控制组织转变过程和最终性能热处理是通过加热、保温和冷却的方式改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法它是机械制造中的关键工序，能够显著改善材料的力学性能、物理性能和化学性能，是发挥材料潜能的重要手段热处理工艺类型淬火介质与热处理设备水淬油淬热处理炉冷却速度快，淬火效果好，但易产生变形冷却速度适中，变形小，适用于合金钢和电阻炉、燃气炉、感应炉等提供精确的加和开裂，适用于形状简单、截面较小的工形状复杂的工件常用淬火油包括机械热环境现代设备具有温度自动控制、气件添加盐可提高冷却能力油、变压器油等氛保护等功能热处理后的性能变化硬度变化淬火后硬度显著提高，但脆性增大回火可在保持一定硬度的同时改善韧性，实现硬度与韧性的最佳匹配强度性能调质处理可同时提高强度和韧性表面淬火只改善表层性能，保持心部良好韧性，适用于承受冲击的零件常见缺陷热处理缺陷包括变形、开裂、氧化脱碳等合理选择工艺参数、淬火介质和装炉方式可有效预防缺陷产生性能检测通过硬度测试、金相检验、力学性能试验等方法评估热处理效果，确保达到设计要求的性能指标金属表面处理技术渗碳处理渗氮处理表面硬度可达HRC60-65形成高硬度氮化层•气体渗碳工艺•气体氮化•固体渗碳方法•离子氮化•液体渗碳技术•软氮化工艺涂层技术表面强化化学镀、物理气相沉积提高耐磨和疲劳性能•电镀工艺•喷丸强化•热喷涂技术•激光强化•PVD涂层•滚压强化金属切削加工原理切削变形刀具切入工件产生塑性变形切削热生成变形和摩擦产生大量热能切削力作用主切削力、进给力、背向力切屑形成材料分离形成不同类型切屑切削加工是通过刀具与工件的相对运动，利用刀具切除工件表面多余金属，获得所需尺寸、形状和表面质量的加工方法切削过程涉及复杂的物理现象，包括塑性变形、摩擦、热传导等，理解这些基本原理对优化加工工艺具有重要意义切削刀具材料与类型刀具材料硬度HRC耐热温度°C主要应用高速钢62-70600复杂刀具、低速切削硬质合金89-93900车刀、铣刀、钻头陶瓷刀具91-951200高速精加工立方氮化硼90-951400硬质材料加工金刚石90-100800有色金属精加工车削加工工艺工件装夹选择合适的装夹方式和夹具，确保工件定位准确、夹紧可靠常用三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖装夹等方式装夹质量直接影响加工精度和安全性•工件中心找正•夹紧力度控制•支撑点选择刀具选择根据工件材料、加工要求选择合适的车刀包括刀具材料、几何角度、刀尖半径等参数的确定刀具安装要保证刀尖等高、伸出长度适当•材料匹配性•几何参数优化•安装位置调整切削参数合理选择切削速度、进给量、背吃刀量等参数，平衡加工效率与表面质量参数选择需考虑刀具寿命、加工精度、表面粗糙度等要求•转速计算设定•进给量确定•切削深度控制铣削与刨削工艺铣削加工刨削加工铣削是多刃刀具的旋转切削加工，具有生产效率高、加工精度好刨削是单刃刀具的直线往复运动切削，适合加工长导轨、大平面的特点可加工平面、沟槽、齿轮、复杂型面等等虽然效率较低，但设备简单、精度高•端铣端面铣刀加工平面•牛头刨床中小型工件•周铣圆柱铣刀侧刃切削•龙门刨床大型工件加工•逆铣铣刀转向与进给相反•插床内孔、键槽加工•顺铣铣刀转向与进给相同•刨削速度10-60m/min钻削与镗削工艺钻孔加工扩孔加工铰孔加工使用钻头在实体材料上加对已有孔进行扩大的加工铰刀对孔进行精加工，可工孔的方法麻花钻是最方法，可提高孔的尺寸精达到IT6-IT7精度等级铰常用的钻头，适合一般精度和表面质量扩孔钻比削余量小，主要改善表面度孔的加工钻削时需要钻头具有更好的导向性和质量，获得精确的孔径尺充分冷却润滑刚性寸镗孔加工使用镗刀对孔进行精密加工，可加工大直径孔和异形孔镗削具有很高的加工精度和良好的表面质量磨削加工基础砂轮特性磨料、结合剂、气孔三要素决定砂轮性能氧化铝适合钢铁材料，碳化硅适合有色金属和非金属材料加工精度磨削可获得IT5-IT7精度等级，表面粗糙度Ra

0.02-

0.32μm是获得高精度表面的重要方法磨削温度磨削区温度可达1000°C以上，需要充分冷却防止工件烧伤选择合适的冷却液和磨削参数很重要表面质量通过控制砂轮修整、磨削参数、冷却条件等因素，可获得优良的表面完整性和几何精度金属加工误差分析机床误差刀具误差主轴回转精度、导轨直线度、传动链精刀具制造误差、安装误差、磨损等因素度等机床几何精度和运动精度对加工精影响加工精度合理选择和使用刀具可度的影响减小误差夹具误差操作误差夹具定位误差、夹紧变形等影响工件加操作者的技能水平、测量误差、调整误工精度设计合理的夹具定位方案很重差等人为因素对加工精度的影响要机械加工的自动化与数控技术数控系统计算机数控系统通过程序控制机床运动，实现自动化加工具有精度高、重复性好、加工复杂零件能力强等优点程序编制G代码和M代码是数控加工的标准语言CAM软件可自动生成加工程序，大大提高编程效率和程序质量自动化设备机械手、自动换刀装置、自动测量系统等提高生产效率柔性制造系统可实现多品种小批量自动化生产智能制造工业

4.0技术实现设备互联、数据采集分析、远程监控等功能，推动制造业向智能化方向发展典型金属制造流程案例汽车零部件制造从原材料到成品的完整工艺流程，涉及铸造、锻造、机加工、热处理、装配等多个工序模具制造工艺精密模具制造需要高精度加工技术，包括电火花、线切割、高速铣削等特种加工方法质量控制体系建立完善的质量管理体系，通过过程控制和检验确保产品质量稳定性和一致性现代制造业要求实现从设计到成品的全流程优化以汽车零部件为例，需要综合考虑材料性能、加工工艺、质量控制、成本效益等多个因素模具制造作为工业之母，对精度和表面质量要求极高，代表了机械加工技术的先进水平工程材料实验教学模块金相试样制备学习试样切取、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀等标准操作程序掌握不同材料的制备方法和质量控制要点，为组织观察奠定基础显微组织观察使用金相显微镜观察和分析各种金属材料的显微组织学会识别铁素体、珠光体、马氏体等典型组织特征硬度测试实验掌握布氏、洛氏、维氏硬度测试方法和标准了解不同硬度标尺的适用范围和测试结果的换算关系拉伸试验操作使用万能试验机进行金属材料拉伸试验，测定屈服强度、抗拉强度、延伸率等力学性能指标，绘制应力应变曲线材料拉伸与冲击实验热处理实验教学淬火实验回火实验学习45钢的淬火工艺操作，包括加热温对淬火试样进行不同温度的回火处理，度控制、保温时间确定、冷却介质选择研究回火温度对硬度和韧性的影响规等关键环节观察淬火前后组织和硬度律，找到最佳的强韧性匹配变化•回火温度选择•温度测量与控制•回火时间控制•淬火介质选择•性能变化规律•变形开裂预防组织观察制备热处理前后的金相试样，对比观察显微组织变化识别马氏体、回火马氏体、回火托氏体等组织特征•组织类型识别•组织转变分析•性能关系建立金属材料失效分析基础失效分析流程系统的分析方法和程序失效形式识别断裂、疲劳、磨损、腐蚀等分析工具应用SEM、EDS、XRD等检测手段预防措施制定材料选择与工艺改进建议失效分析是保证产品质量和安全的重要技术手段通过系统分析失效零件的宏观形貌、断口特征、显微组织等，可以确定失效原因并提出预防措施现代分析技术如扫描电镜、能谱分析等为失效分析提供了强有力的工具支撑金属焊接工艺概述熔化焊压力焊电弧焊、气焊等高温熔化电阻焊、摩擦焊等固相连接•手工电弧焊•点焊技术•埋弧自动焊•对焊方法•氩弧焊工艺•缝焊工艺接头性能钎焊焊缝强度、热影响区特性软钎焊、硬钎焊工艺•接头分类•钎料选择•缺陷检测•钎剂应用•质量评定•温度控制常见金属焊接工艺焊接方法适用材料厚度范围主要特点mm手工电弧焊低碳钢、低合3-50设备简单、适金钢应性强钨极氩弧焊不锈钢、有色

0.5-6质量高、变形金属小熔化极氩弧焊铝合金、不锈1-50效率高、成形钢好埋弧自动焊碳钢、低合金6-100生产率高、质钢量稳定。