《金属材料与机械加工》课件

金属材料与机械加工本课程将系统介绍金属材料的基础理论与机械加工工艺技术我们将从材料科学的基本原理出发，深入探讨各类金属材料的性能特点，并结合实际工程应用，详细讲解机械加工的各种工艺方法金属材料学科介绍材料科学地位与机械制造关系材料科学与工程是现代工程技术的重要基础学科，与物理金属材料与机械制造工艺紧密结合，材料性能决定了加工工学、化学、力学等学科密切相关它研究材料的组成、结艺的选择，而加工工艺又影响材料的最终性能两者相辅相构、性能之间的关系，为工程应用提供理论指导成，共同决定产品质量在现代工业体系中，材料科学被誉为工业的粮食，直接影响着产品的质量、性能和成本从航空航天到日常用品，材料选择都起到决定性作用金属材料的基本分类黑色金属有色金属主要指铁及其合金，包括钢除铁以外的所有金属及其合和铸铁黑色金属具有良好金，如铝、铜、锌、镁、钛的机械性能和较低的成本，等有色金属通常具有特殊是工业中应用最广泛的金属的物理化学性能，如导电材料，占金属材料总用量的性、耐腐蚀性、轻质等特以上点90%复合材料金属材料的物理性能密度特性热学性能电学性能金属的密度反映材料的致包括熔点、热膨胀系数、主要指电导率和电阻率密程度，直接影响构件的导热性等熔点决定了材银、铜具有优异的导电重量轻金属如铝、镁密料的使用温度上限和加工性，用作电线电缆；而度小，适用于航空航天；工艺参数，导热性影响散钨、镍铬合金电阻率高，重金属如钨、铅密度大，热设计和热处理效果适合制作电阻元件和加热用作屏蔽材料丝硬度韧性金属材料的化学性能耐腐蚀性能氧化反应特性金属在各种环境介质中抵抗化金属在高温下与氧气反应的倾学腐蚀的能力不锈钢因含铬向和速度铁在高温下容易氧形成致密氧化膜而具有优异的化生锈，而铬、铝等金属能形耐腐蚀性，铝合金表面的氧化成保护性氧化膜了解氧化特铝薄膜也能提供良好的防护作性对选择防护措施和确定使用用海洋环境、酸碱介质对材环境条件具有重要意义料的腐蚀是工程中必须考虑的重要因素化学稳定性材料在特定化学环境中保持性能不变的能力钛合金具有优异的化学稳定性，在强酸强碱中都能保持性能稳定，因此被广泛应用于化工设备化学稳定性直接关系到材料的使用寿命和安全性金属的力学性能强度性能包括屈服强度、抗拉强度、压缩强度等，表示材料抵抗外力作用而不发生破坏的能力高强度钢的抗拉强度可达以1500MPa上，而普通钢材仅为400-600MPa塑性与韧性塑性是指材料在外力作用下发生永久变形而不破裂的能力，韧性则是材料抵抗冲击载荷的能力良好的塑性便于成形加工，高韧性保证使用安全疲劳与断裂疲劳是指材料在循环载荷作用下发生破坏的现象疲劳强度通常只有静态强度的断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展40-60%的能力，是安全设计的重要参数金属的工艺性能可切削性焊接性材料进行机械加工时的加工难材料进行焊接加工的适应性易程度可塑性铸造性•焊接裂纹敏感性•刀具寿命材料在常温或加热条件下进行•热影响区性能•表面质量材料进行铸造成形的工艺适应塑性变形的能力性•焊缝质量•切削效率•冲压成形性•流动性•锻造性能•收缩性•拉伸成形•偏析倾向晶体结构与金属组织晶体结构基础金属原子在三维空间中的有序排列方式，主要有面心立方、体心立方和密排六方三种基本结构晶体结构决定了金属的基本物理性能晶粒与相组织晶粒是具有相同晶体取向的区域，晶界是不同晶粒的边界相是指具有相同晶体结构和性质的均匀组织细化晶粒可以提高材料强度和韧性亚结构特征包括位错、孪晶、层错等晶体缺陷这些亚结构对材料的力学性能有重要影响，位错运动是金属塑性变形的主要机制显微组织观察通过金相显微镜观察经过抛光和腐蚀的金属表面，可以清晰地看到晶粒大小、相分布、夹杂物等组织特征，为性能分析提供依据合金化原理设计目标获得综合性能优异的材料元素选择根据相图选择合金元素成分优化平衡各元素含量比例制备工艺选择合适的熔炼和加工方法基础金属确定主要基体元素合金化是改善金属性能的重要手段通过在纯金属中加入其他元素，可以显著改变材料的力学性能、物理性能和化学性能典型的合金系统如铁-碳合金（钢）、铝-硅合金、钛-铝合金等都展现出优于纯金属的综合性能常用钢铁材料分类碳钢以铁碳合金为基础的最基本钢种合金钢加入合金元素改善性能的钢材不锈钢含铬量的耐腐蚀钢种≥12%铸铁含碳量的铁碳合金

2.5-4%钢铁材料是应用最广泛的金属材料，根据化学成分和用途可以分为多个类别碳钢成本低廉，性能稳定，适用于一般结构件；合金钢通过添加铬、镍、钼等元素获得特殊性能；不锈钢具有优异的耐腐蚀性能；铸铁具有良好的铸造性能和减振性能钢铁材料的性能差异钢种类型含碳量抗拉强度主要应用%MPa低碳钢冲压件、焊

0.15-

0.25300-500接结构中碳钢机械零件、

0.25-

0.60500-800轴类高碳钢刀具、弹簧

0.60-

1.40800-1200不锈钢化工设备、

0.03-

1.20500-1500装饰不同钢种的性能差异主要源于化学成分的不同含碳量增加会提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性合金元素的加入可以细化晶粒、固溶强化、析出强化，从而获得所需的综合性能有色金属及其应用铜合金应用铜具有优异的导电导热性能，广泛用于电线电缆、散热器、装饰材料黄铜（铜锌合金）具有良好的加工性能，青铜（铜锡合金）耐磨性优异，用于轴承和齿轮铝合金优势铝的密度仅为钢的，具有良好的耐腐蚀性和加工性能铝1/3合金广泛应用于航空航天、汽车工业、建筑装饰等领域，是轻量化设计的首选材料钛合金特性钛具有高比强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性钛合金在航空发动机、医疗器械、海洋工程等高端领域发挥重要作用，被誉为世纪金属21金属材料的选用原则经济性评估性能匹配综合考虑材料成本、加工成本、使用根据使用环境和载荷条件确定所需的寿命和维护费用，选择性价比最优的力学性能、物理性能和化学性能指标方案环保可持续供应保障优先选择可回收、低污染的绿色材确保材料的稳定供应，考虑供应商的料，符合环保法规要求可靠性和交货周期现代材料的新进展1500MPa高强度钢第三代汽车用钢抗拉强度突破50%纳米材料强度提升幅度°1100C超合金航空发动机叶片使用温度30%新材料减重效果现代材料科学正朝着高性能化、功能化、智能化方向发展高强度钢通过微观组织优化实现强韧性匹配；纳米材料利用尺寸效应获得优异性能；超合金在极端环境下保持稳定性能这些新材料为航空航天、新能源汽车、高端装备制造等领域提供了强有力的技术支撑机械加工工艺总览工艺设计根据零件图确定加工路线设备准备选择机床和刀具夹具加工执行按工艺规程进行加工质量检验检测尺寸精度和表面质量机械加工工艺是将毛坯加工成合格零件的技术方法工艺系统由机床、刀具、夹具、工件四要素组成合理的工艺流程能够保证加工质量、提高生产效率、降低成本现代加工技术正向着高精度、高效率、自动化方向发展机械加工常用方法车削加工铣削加工磨削加工工件旋转，刀具进给，主要加工回转体刀具旋转，工件进给，主要加工平面、砂轮高速旋转进行切削，可获得很高的表面车削精度高，表面质量好，适用沟槽、齿轮等铣削效率高，加工范围尺寸精度和表面质量磨削是精密加工于轴类、盘类零件的内外圆面、端面、广，是现代机械加工的主要方法之一的重要方法，常用于最终精加工工序螺纹等加工刀具基础知识刀具材料选择刀具结构设计切削刃参数高速钢具有良好的韧性，适用于粗刀具由切削部分和夹持部分组成主要包括前角、后角、主偏角、副加工和复杂刀具；硬质合金硬度切削部分包括前刀面、后刀面、主偏角、刃倾角等前角影响切削力高，耐磨性好，适用于高速切削；切削刃、副切削刃等合理的刀具和切屑流动，后角防止刀具与工件陶瓷刀具耐高温，用于高速精加几何参数能够减小切削力，提高刀摩擦，偏角影响刀具强度和表面粗工；金刚石刀具硬度最高，用于有具寿命，改善表面质量糙度参数选择需根据工件材料和色金属精密加工加工条件确定切削原理基础切屑形成机制当刀具楔入工件时，被切削层金属在切削力作用下发生剪切变形，沿剪切面断裂形成切屑切屑类型有带状、节状、粒状和崩碎状四种切削力分析切削过程中作用在刀具上的力可分解为主切削力、背向力和进给力三个分量切削力大小影响机床功率需求、工件变形和刀具磨损切削温度控制切削过程产生的热量会引起刀具磨损和工件变形通过选择合理的切削参数、使用切削液、改善刀具几何参数等方法可以控制切削温度切削用量与刀具寿命切削速度m/min刀具寿命min金属材料的可加工性钢材可加工性铸铁可加工性有色金属加工特点低碳钢塑性大，容易产生积屑瘤，切灰铸铁组织中的石墨起润滑作用，切铝合金导热性好，切削温度低，但容削温度较高；中碳钢加工性能较好，削性能良好，切屑呈粒状易排除；球易粘刀；铜合金塑性大，易产生毛切屑易断；高碳钢硬度高，刀具磨损墨铸铁强度高韧性好，但加工时切削刺；钛合金化学活性强，切削温度快，需要选择合适的刀具材料和切削力较大，需要刚性好的工艺系统高，需要特殊的刀具和冷却条件参数加工工艺规程设计零件分析分析零件图纸，了解技术要求、材料特性、批量大小等基本信息确定加工表面的精度等级、表面粗糙度要求和相互位置关系工艺路线制定确定各加工表面的加工方法和加工顺序遵循先粗后精、先面后孔、先主要后次要的原则，合理安排热处理工序工序设计将加工过程划分为若干个工序，每个工序在一台机床上完成确定各工序的加工内容、定位基准、夹紧方案和质量要求工步安排在每个工序内部安排具体的工步，确定切削用量、刀具选择、测量方法等详细参数编制完整的工艺文件典型零件加工实例轴类零件加工盘类零件加工轴类零件以车削为主要加工方法工艺路线通常为下料盘类零件加工以车削、铣削、钻削为主典型工艺路线为→粗车外圆半精车外圆车端面和中心孔精车外圆车键下料粗车端面粗车外圆钻中心孔精车端面精车外→→→→→→→→→槽或花键热处理精车配合面磨削检验圆钻孔铣键槽去毛刺检验→→→→→→→→关键是保证同轴度要求，选择合适的定位基准通常以两端重点是保证端面与孔的垂直度，通常以已加工的端面作为定中心孔作为精基准，保证各加工表面的同轴度对于长轴需位基准加工孔系对于薄壁盘类零件要注意防止加工变形，要采用跟刀架或中心架支撑采用合理的夹紧力和切削参数公差与配合基础尺寸公差形位公差配合关系允许尺寸的变动量，用以控制零件形状和位置精度孔与轴的装配关系，分为控制零件的互换性IT等的重要手段包括形状公间隙配合、过渡配合和过级从IT01到IT18，数字越差（直线度、平面度、圆盈配合根据使用要求选小精度越高一般机械零度等）和位置公差（平行择合适的配合类型，如轴件多采用IT6-IT9级精度度、垂直度、同轴度等）承配合、键槽配合等检测方法采用游标卡尺、千分尺、量块、三坐标测量机等工具检测现代检测技术向着自动化、数字化、在线检测方向发展表面粗糙度与质量控制精密加工Ra

0.1-

0.4μm精加工Ra

0.4-

1.6μm半精加工Ra

1.6-

6.3μm粗加工Ra

6.3-25μm表面粗糙度是评价表面质量的重要指标，用、等参数表示表面质量直接影响零件的耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀性和密封性影Ra Rz响表面粗糙度的因素包括切削参数、刀具几何角度、机床精度、工件材料等通过优化这些因素可以有效改善表面质量金属热处理基础改善性能改善工艺性调整硬度、强度、韧性等力学性能提高材料的加工性能提高耐磨性降低硬度便于切削•••增加疲劳强度•消除内应力•改善切削性能•细化晶粒组织恢复性能消除缺陷恢复冷作硬化后的塑性消除铸造和锻造产生的组织缺陷•再结晶退火•均匀化学成分•去应力退火•消除偏析•稳定尺寸•改善组织形态常见热处理工艺退火工艺将钢加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却目的是降低硬度，改善切削加工性，消除内应力，细化晶粒根据目的不同分为完全退火、球化退火、去应力退火等正火处理将钢加热到奥氏体化温度以上，保温后在空气中冷却与退火相比30-50℃冷却速度较快，可以细化晶粒，提高强度和硬度，改善切削性能淬火强化将钢加热到奥氏体化温度，保温后快速冷却（水冷或油冷），获得马氏体组织淬火能显著提高钢的硬度和强度，但会增加脆性，通常需要配合回火处理回火调整将淬火后的钢重新加热到较低温度，保温后冷却目的是减少淬火应力，调整硬度和韧性的配合根据温度不同分为低温回火、中温回火和高温回火热处理组织与性能调控珠光体组织铁素体和渗碳体的层状组织，在正火或退火后形成具有良好的强度和塑性配合，硬度适中，易于机械加工马氏体组织淬火后形成的过饱和固溶体，硬度和强度很高但脆性大是工具钢和轴承钢获得高硬度的主要组织回火组织马氏体回火后形成的稳定组织，根据回火温度不同可获得不同的硬度和韧性配合，是调质钢的典型组织贝氏体组织中温转变产物，具有良好的强韧性配合通过等温淬火可以获得贝氏体组织，在弹簧钢中应用较多表面强化技术渗碳处理渗氮工艺在高温下向钢表面渗入碳原在氨气气氛中加热，使氮原子子，使表面含碳量增加，淬火渗入钢表面形成氮化物渗氮后获得高硬度表面层渗碳深温度较低（），500-580℃度可控制在，表不需淬火即可获得高硬度渗

0.5-

2.0mm面硬度可达广氮层具有优异的耐磨性和耐腐HRC58-62泛应用于齿轮、轴类零件的表蚀性，适用于精密零件面强化感应淬火利用感应加热快速加热零件表面，然后喷水冷却实现表面淬火加热速度快，热影响区小，可以实现局部淬火适用于轴类、齿轮等零件的局部表面强化，生产效率高金属表面处理工艺电镀技术利用电解原理在金属表面沉积其他金属或合金薄层常见的有镀锌、镀铬、镀镍等电镀层可以提供装饰性、防腐蚀性或功能性保护•镀锌优异的防腐蚀性能•镀铬高硬度和装饰效果•镀镍良好的耐蚀性和光泽氧化处理通过化学或电化学方法在金属表面形成氧化膜铝合金阳极氧化可获得多彩装饰层，钢铁发蓝处理可提供轻度防锈保护氧化膜具有良好的绝缘性和装饰性•阳极氧化铝合金表面处理•化学氧化钢铁发蓝处理•电解氧化提高膜层质量喷涂技术将涂料通过喷枪雾化后涂覆在金属表面包括油漆喷涂、粉末喷涂、热喷涂等喷涂层可以提供防腐、装饰、绝缘、耐磨等多种功能•液体喷涂传统油漆工艺•粉末喷涂环保高效•热喷涂金属涂层焊接基础知识焊接原理焊接分类通过加热、加压或两者并用，使按焊接过程特点分为熔焊、压焊分离的金属达到原子间结合的连和钎焊三大类熔焊是将接头加接方法焊接过程涉及金属的熔热熔化后冷却结晶；压焊是在加化、凝固、相变等物理冶金过压下实现连接；钎焊是用低熔点程，形成牢固的冶金结合金属作钎料连接设备组成焊接设备主要包括电源、焊枪、送丝机构、保护气体系统等现代焊接设备向着数字化、智能化方向发展，具有精确的参数控制和焊缝质量监测功能常用焊接方法对比焊接方法热源温度适用厚度主要优点应用场合电弧焊设备简单，建筑钢结构6000-1-100mm成本低8000K气体保护焊质量好，效精密焊接6000-

0.5-50mm率高8000K激光焊以精度高，变电子设备10000K

0.1-20mm上形小电阻焊速度快，无汽车制造2000-

0.1-10mm烟尘3000K不同焊接方法各有特点和适用范围电弧焊成本低适用性广，气体保护焊质量高效率好，激光焊精度高变形小，电阻焊适合大批量生产选择焊接方法需要综合考虑材料特性、结构形式、质量要求和经济性焊接质量控制外观检验检查焊缝表面成形和外观质量无损检测射线、超声波检测内部缺陷X力学性能拉伸、弯曲、冲击试验验证强度工艺评定制定合格的焊接工艺规程焊接质量控制是保证焊接结构安全可靠的关键环节常见的焊接缺陷包括气孔、夹渣、裂纹、未熔合、未焊透等通过严格的工艺控制、操作人员培训、质量检验等手段可以有效预防和控制焊接缺陷，确保焊接质量满足设计要求现代数控加工技术数控系统伺服驱动计算机数字控制系统，实现加工过程高精度伺服电机驱动各轴运动，保证的自动化控制加工精度在线检测自动换刀在机测量系统，实现加工过程质量监自动刀具库和换刀机械手，提高加工控效率数控编程基础代码编程代码功能G M代码是数控机床的标准编程语言，每个代码对应特定的代码用于控制机床的辅助功能主轴正转、主G GM M03M04加工功能表示快速定位，表示直线插补，轴反转、主轴停止、换刀、冷却液开、G00G01M05M06M08M09表示圆弧插补，表示暂停等冷却液关、程序结束并复位等G02/G03G04M30常用的代码还包括绝对坐标编程、增量坐标编现代软件可以自动生成数控程序，但了解代码含义对G G90G91CAM程、每分钟进给、每转进给等掌握基本代码是于程序优化和故障诊断仍然重要编程时要考虑加工效率、G94G95G数控编程的基础刀具寿命和表面质量数控加工流程图纸分析分析零件几何形状和技术要求编程准备选择加工方法和刀具路径程序执行装夹工件开始自动加工质量检验检测加工精度和表面质量数控加工实现了制造过程的自动化和标准化，大幅提高了加工精度和生产效率现代数控系统集成了功能，可以直接从三维模型生成加工程CAD/CAM序智能化数控系统还具备自适应控制、刀具磨损补偿、碰撞检测等先进功能特殊加工工艺电火花加工利用工具电极与工件间的脉冲放电腐蚀去除材料适用于加工硬质材料和复杂型腔，加工精度高，表面质量好广泛应用于模具制造和精密零件加工超声波加工工具在超声频率下振动，配合磨料悬浮液加工硬脆材料适用于加工陶瓷、玻璃、硬质合金等难加工材料，可以加工各种复杂形状激光加工利用高能激光束熔化或汽化材料实现切割和焊接具有精度高、速度快、热影响区小的特点适用于薄板切割、精密焊接和表面改性处理。