《金属加工原理》课件

金属加工原理课件——PPT本课程《金属加工原理》是机械工程、材料科学等专业的核心基础课程，旨在帮助学生深入理解金属材料的加工原理与工艺方法课程内容涵盖了从基础理论到现代先进技术的全方位知识体系，为培养具备扎实理论基础和实践能力的工程技术人才奠定基础主讲人工程学院教授团队日期学年适用专业机械工程、材|2024|料科学与工程、制造工程等相关专业课程内容概览1基本原理2主要工艺金属材料结构、性能与加工性塑性加工、切削加工、铸造、能的关系，塑性变形理论基础焊接等传统工艺技术详解3现代发展方向智能制造、绿色加工、增材制造等前沿技术应用课程采用理论与实践相结合的教学模式，通过系统学习让学生掌握金属加工的核心原理和实际应用技能金属加工的定义与意义金属加工定义工业基础地位广泛应用领域金属加工是指通过物理或化学方法改变金属加工在现代工业体系中占据基础性广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑金属材料的形状、尺寸、组织结构和性地位，是机械制造、建筑工程、交通运工程、电子信息、能源装备等关键领域，能，以获得所需零件或产品的技术过程输等行业发展的重要支撑全球金属加为国民经济发展和科技进步提供重要的它是现代制造业的核心技术之一工产业年产值超过数万亿美元物质基础金属材料分类铁金属有色金属以铁为主要成分的金属材料，包除铁以外的金属材料，如铝、铜、括纯铁、碳钢、合金钢等具有锌、镁等具有导电导热性能好、强度高、成本低、加工性能好等耐腐蚀性强、密度小等优点，在特点，是工业应用最广泛的金属电子、航空等领域应用广泛材料合金材料由两种或两种以上金属元素组成的材料，通过合金化可以显著改善材料的力学性能、耐腐蚀性和加工性能，满足特殊工程需求金属的晶体结构与性能体心立方结构面心立方结构密排六方结构铁素体、铬等金属的典奥氏体不锈钢、铝、铜锌、镁、钛等金属结构，型结构，具有较好的强等金属结构，塑性和韧各向异性明显，加工特度和硬度性优良性独特晶体结构直接影响金属的力学性能、物理性能和加工性能不同的晶体结构决定了金属材料在塑性变形、热处理和加工过程中的行为特征金属材料工艺性能铸造性能焊接性能的金属制品采用铸造工艺的金属连接采用焊接25%30%流动性良好熔合性能好••收缩率小热影响区小••热裂倾向低抗裂性强••热处理性能切削性能的制品需要热处理的零件需要机械加工10%35%淬透性好切削力适中••变形小表面质量好••组织均匀刀具寿命长••金属加工与成形的本质弹性变形阶段应力与应变呈线性关系，去除外力后材料完全恢复原状塑性变形阶段材料发生永久变形，这是金属成形加工的理论基础断裂失效阶段材料达到极限强度，发生断裂破坏，需要避免的状态金属加工的本质是利用材料的塑性变形能力，在不发生断裂的前提下改变材料的形状和尺寸理解材料的变形机理是掌握加工工艺的关键金属加工的工艺流程原材料准备选料、检验、预处理初步加工粗加工、成形、热处理精密加工精加工、表面处理检测验收质量检验、性能测试科学合理的工艺流程设计是保证产品质量和生产效率的关键每个环节都需要严格控制工艺参数，确保最终产品满足设计要求现代金属加工越来越注重数字化管理和智能化控制金属塑性加工概述高精度成形精密塑性成形技术大批量生产自动化塑性加工传统塑性加工基础成形工艺技术塑性加工是利用金属材料的塑性变形能力，通过施加外力使材料产生永久变形，获得所需形状和尺寸零件的加工方法它具有材料利用率高、生产效率高、产品质量稳定等优势，在现代制造业中占据重要地位塑性加工的主要工艺轧制加工通过轧辊的旋转和压缩作用，将金属坯料压制成板材、带材或型材是金属塑性加工中产量最大的工艺方法锻造成形利用锻压设备对金属坯料施加冲击力或压力，使其产生塑性变形能显著改善材料的组织结构和力学性能挤压拉拔通过模具强制金属流动成形，可生产各种复杂断面的型材、管材和丝材，精度高，表面质量好板料成形以板材为坯料，通过冲压、拉深、弯曲等工艺制造各种薄壁零件，广泛应用于汽车、家电等行业轧制加工基本原理2-4轧辊数量常用轧机配置30-70%压下量范围单道次变形程度

1.2-

3.0延伸系数长度变化倍数°1200C热轧温度钢材再结晶温度轧制是通过一对或多对旋转轧辊的挤压作用，使金属坯料产生塑性变形的加工方法轧制过程中，金属在轧辊咬入区、变形区和抛出区依次发生复杂的应力应变变化轧制工艺举例钢板轧制钢带轧制型材轧制厚度从几毫米到几百毫米的钢板生产，广连续轧制生产薄钢带，厚度可控制在生产工字钢、角钢、槽钢等各种断面型材

0.1-泛用于造船、桥梁、压力容器等重型结构范围内轧制速度高达，通过专用孔型设计，可以一次成形复杂的6mm100m/s现代宽厚板轧机宽度可达米以上是汽车、家电行业的重要原材料截面形状，效率高精度好5轧制过程的金属流动前滑区中性面金属流速小于轧辊表面速度，发生相对金属流速等于轧辊表面速度的位置滑动后滑区影响因素金属流速大于轧辊表面速度，产生后滑摩擦系数、轧件几何形状、轧制速度比现象轧制过程中金属的流动规律复杂，受多种因素影响准确掌握金属流动规律对于控制产品质量、提高轧制效率具有重要意义轧制设备及自动化二辊轧机四辊轧机智能控制结构简单，适用于粗轧和开坯上下两工作辊直径小，支撑辊提供刚度能轧采用计算机控制系统，实现厚度自动控个轧辊直接对坯料进行压制，操作方便制较薄产品，表面质量好，是现代薄板制、板形控制、速度协调等功能，大大但精度相对较低生产的主要设备提高了产品质量和生产效率锻造加工基本原理施加外力通过锻锤、压力机等设备对金属施加冲击力或静压力加热变形将金属加热到塑性温度范围，降低变形抗力塑性成形金属在外力作用下发生塑性流动，获得所需形状改善性能细化晶粒，消除缺陷，提高材料的力学性能锻造是利用锻压设备对金属坯料施加外力，使其产生塑性变形的加工方法锻造不仅能获得所需的几何形状，更重要的是能显著改善材料的内部组织和力学性能锻造工艺特点改善组织结构复杂形状成形锻造过程中的塑性变形能够破通过精确的模具设计，锻造能碎粗大晶粒，消除铸态组织缺够生产形状复杂、精度要求高陷，使金属组织致密化，大幅的零件，如汽车连杆、齿轮、提升材料的强度和韧性航空发动机叶片等关键部件优异性能保证锻件具有良好的力学性能和疲劳寿命，特别适用于承受冲击载荷和交变应力的重要零部件，安全可靠性高典型锻件生产案例锻造技术在关键零部件制造中发挥着不可替代的作用汽车发动机曲轴通过锻造获得优异的疲劳强度，齿轮锻件具有高精度和长寿命，航天零件通过精密锻造确保极端环境下的可靠性这些应用充分体现了锻造工艺的技术价值和经济效益挤压加工原理坯料装载将加热的金属坯料放入挤压筒中施加压力通过挤压杆对坯料施加巨大压力塑性流动金属在压力作用下通过模具孔型流出成形挤压是将金属坯料放在密闭的挤压筒内，通过挤压杆施加压力，迫使金属从模具孔型中流出而获得所需断面形状和尺寸制品的塑性加工方法挤压工艺能够生产各种复杂断面的型材、管材和棒材挤压工艺分类正向挤压反向挤压液压挤压金属流动方向与挤压杆运动方向相同，金属流动方向与挤压杆运动方向相反，利用液体传递压力进行挤压，压力均是最常用的挤压方式工艺简单，设摩擦力小，挤压力较低特别适用于匀分布，能获得更好的表面质量和尺备要求相对较低，适用于大多数金属挤压比大、变形抗力高的材料和薄壁寸精度，适用于精密制品的生产材料的挤压成形制品挤压加工的优势与局限主要优势主要局限材料利用率高，可达以上模具制造成本高，磨损快•95%•能生产复杂断面的制品设备投资大，能耗较高••表面质量好，尺寸精度高制品长度受到限制••生产效率高，适合大批量生产某些材料挤压性能差••可加工难变形材料模具设计复杂，调试周期长••挤压加工在现代制造业中应用广泛，特别在建筑装饰、交通运输、电子电器等领域发挥重要作用需要根据产品特点和经济性合理选择挤压工艺拉拔加工基本原理坯料准备对原材料进行预处理，包括退火、酸洗、涂层等工序穿过模孔材料在拉拔力作用下通过逐渐收缩的模具孔型断面减小材料横截面积减小，长度相应增加，获得所需尺寸拉拔是将坯料的一端先穿过模孔，然后用拉拔机夹住这个端头，施加拉力，使坯料通过模孔发生塑性变形而获得小断面制品的加工方法拉拔主要用于生产各种丝材、管材和异型材板料成形工艺拉深成形胀形工艺弯曲成形将平板坯料拉深成空心零利用内压力使板料向外胀使板料沿直线产生弯曲变件，如汽车覆盖件、容器形，制造球形或不规则曲形，形成各种角度的折弯等面零件零件剪切分离利用剪切应力将板料分离，获得所需的外形轮廓板料成形是以板材为原料，通过各种塑性变形工艺制造薄壁零件的加工方法具有材料利用率高、生产效率高、产品质量稳定等特点，在汽车、家电、航空等行业应用极为广泛金属塑性加工的分类体积成形板料成形以块状金属为坯料，通过整体塑性变形改变形状的加工方法包以板材为坯料，主要发生面内变形和弯曲变形的加工方法包括括锻造、轧制、挤压、拉拔等工艺特点是变形程度大，能显著冲裁、弯曲、拉深、胀形等工艺特点是材料利用率高，适合大改善材料组织结构批量生产锻造改善力学性能显著冲压精度高效率高••轧制生产效率最高拉深适合空心件••挤压适合复杂断面弯曲工艺简单灵活••两类成形方法各有特点和适用范围，在实际生产中往往需要组合使用，以获得最佳的技术经济效果金属的切削加工原理刀具切入切削刀具以一定的几何角度切入工件材料切屑形成被切削层材料在刀具作用下发生剪切变形形成切屑表面生成刀具与工件相对运动生成所需的几何形状和表面质量切屑排除形成的切屑被及时排除，避免影响加工质量切削加工是用切削工具从工件上切除多余材料，获得符合要求的几何形状、尺寸精度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、热生成等典型机加工方式铣削加工钻削加工的机加工量的机加工量35%25%平面曲面加工孔系加工专用••车削加工磨削加工复杂形状零件工艺简单快速••的机加工量多轴联动能力精度要求适中的机加工量20%••20%回转体零件加工高精度表面加工••精度高效率好硬质材料适用••适用范围广表面质量优异••影响切削加工的因素刀具因素切削参数刀具材料、几何角度、刃口质切削速度、进给量、切削深度量直接影响切削效果硬质合是关键工艺参数合理的参数金刀具寿命比高速钢提高组合能提高加工效率5-30-倍，陶瓷刀具可实现高速，降低刀具磨损1050%切削冷却润滑切削液能降低切削温度、减少摩擦、提高表面质量适当的冷却润滑可延长刀具寿命倍2-3现代数控加工技术数控系统采用计算机数值控制技术，实现高精度、高效率的自动化加工现代数控系统具有强大的插补功能和自适应控制能力多轴联动五轴联动加工中心能够实现复杂曲面的一次装夹完成，大大提高了加工精度和效率，特别适用于航空航天零件集成CAM计算机辅助制造软件与数控设备深度集成，实现从设计到制造的无缝连接，大幅缩短产品开发周期金属铸造加工原理熔炼将金属原料在熔炉中加热到液态，控制化学成分造型制作符合零件形状要求的铸型和型芯浇注将液态金属浇入铸型型腔中充满整个空间凝固液态金属在铸型中冷却凝固成为铸件铸造是将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其凝固后获得毛坯或零件的成形方法铸造能够生产形状复杂、内腔结构的零件，是机械制造的重要基础工艺铸造工艺流程造型制芯金属熔炼使用砂型、金属型等制作铸型和型芯，在熔炉中将金属加热到适当温度，严格确保尺寸精度和表面质量控制化学成分和浇注温度清理整理浇注凝固去除浇注系统、清理铸件表面、进行必将液态金属平稳浇入铸型，控制浇注速要的热处理度和凝固过程现代铸造工艺越来越注重精密化和自动化，计算机模拟技术在工艺设计中发挥重要作用金属焊接与连接熔化焊压力焊通过加热使焊接区域金属熔化，在加压条件下实现金属原子间的冷却后形成焊缝连接包括电弧结合，如电阻焊、摩擦焊、爆炸焊、气焊、激光焊等焊接质量焊等焊接速度快，热影响区小，高，适用范围广，是最常用的焊适用于大批量生产接方法钎焊连接使用熔点低于母材的钎料实现连接，包括软钎焊和硬钎焊接头美观，适用于精密零件和异种材料连接铜铝合金典型加工工艺预热处理°均匀加热300-500C塑性变形热轧、冷轧或挤压成形中间退火消除加工硬化最终处理时效强化或固溶处理铜铝合金具有优良的导电导热性能和耐腐蚀性，广泛应用于电力、电子、化工等行业加工过程中需要严格控制温度和变形程度，避免出现热裂纹和加工硬化现象合理的热处理制度能显著改善合金的综合性能热处理工艺原理调质处理淬火高温回火的综合热处理+淬火工艺2快速冷却获得马氏体组织退火处理缓慢冷却消除内应力细化晶粒热处理是通过加热、保温、冷却等工艺手段改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法不同的热处理工艺能够显著改善材料的强度、硬度、韧性等力学性能，是现代金属加工不可缺少的重要环节表面处理技术简介涂覆技术电镀工艺热喷涂技术激光表面改性通过喷涂、浸渍等方式利用电解原理在金属表将熔化或半熔化的材料利用激光束对表面进行在金属表面形成保护涂面沉积其他金属层，改喷射到基体表面，形成局部加热处理，改善表层，提高耐腐蚀性和装善表面性能和外观质量致密的涂层结构面硬度和耐磨性饰效果表面处理技术能够显著改善金属材料的表面性能，包括耐腐蚀性、耐磨性、装饰性等现代表面处理技术正朝着环保、高效、多功能的方向发展，在航空航天、汽车制造等高端领域应用越来越广泛金属加工中的常见缺陷裂纹缺陷夹杂与气孔包括热裂纹、冷裂纹、应力裂金属中的非金属夹杂物和气体纹等主要由材料成分不当、形成的空洞影响材料的力学工艺参数不合理、应力集中等性能和疲劳寿命，需要通过改因素引起严重影响产品的安善熔炼工艺和浇注条件来预防全性和使用寿命变形异常包括尺寸偏差、形状扭曲、表面波纹等通常由工艺参数控制不当、设备精度不足、材料不均匀等原因造成缺陷分析与质量检测超声波检测射线检测磁粉探伤X利用超声波在材料中的传播特性检测内利用射线的穿透性检测材料内部结构利用磁场和磁粉检测铁磁性材料表面和X部缺陷检测精度高，穿透能力强，能能够清晰显示气孔、夹杂、裂纹等缺陷近表面缺陷操作简便，成本低廉，对够发现细小的内部裂纹和夹杂物广泛的形状、大小和位置，检测结果直观可表面裂纹的检测灵敏度很高，是常用的应用于厚壁零件的质量检验靠表面检测方法金属加工的自动化与智能制造机器人应用工业机器人在焊接、搬运、装配等环节广泛应用，提高生产效率和产品质量传感器监控温度、压力、振动等传感器实时监控生产过程，确保工艺参数稳定数据采集建立完整的生产数据采集系统，为工艺优化提供科学依据闭环控制基于实时数据的反馈控制系统，自动调整工艺参数，实现智能化生产现代金属加工正向着高度自动化和智能化方向发展，通过集成先进的控制技术、传感技术和信息技术，实现生产过程的自适应控制和优化绿色制造与节能降耗90%材料利用率先进工艺材料成本利用率30%能耗降低新技术节能效果显著50%废料减少循环利用技术应用25%排放削减清洁生产技术推广绿色制造已成为金属加工行业发展的重要方向通过采用先进的工艺技术、优化生产流程、提高资源利用效率，不仅能够显著降低生产成本，还能减少对环境的影响，实现可持续发展新兴金属加工技术增材制造技术打印技术在金属加工领域的应用日益广泛，能够制造传统工艺难以实3D现的复杂结构零件，特别适用于航空航天、医疗器械等高端应用超塑性成形利用某些金属在特定条件下的超塑性特征进行成形，能够实现大变形量的精密成形，特别适用于薄壁复杂零件的制造精密微成形针对微小零件的精密成形技术，包括微冲压、微拉深、微锻造等工艺，满足电子、医疗等领域对微型化零件的需求计算机模拟技术在金属加工中的应用设计CAD计算机辅助设计系统实现产品的三维建模和工程图纸自动生成编程CAM计算机辅助制造系统自动生成数控加工程序和工艺路线有限元分析通过数值模拟预测变形过程，优化工艺参数，减少试验成本工艺优化基于仿真结果进行工艺参数优化，提高产品质量和生产效率计算机模拟技术已成为现代金属加工不可缺少的重要工具，能够在产品设计阶段就预测加工过程中可能出现的问题，大大缩短产品开发周期，降低生产成本智能制造案例分析智能轧钢车间某钢铁企业通过引入智能控制系统，实现了轧制过程的全自动化控制系统能够根据产品规格自动调整工艺参数，产品质量稳定性提高，能耗降低30%15%自动化锻造生产线采用机器人自动上下料、智能温控系统、在线质量检测等技术，实现了锻造生产的无人化操作生产效率提高，产品合格率达到以上50%

99.5%数字孪生车间建立物理车间的数字化模型，实现生产过程的实时监控和预测性维护通过数据驱动的决策支持，显著提高了设备利用率和生产管理水平金属加工的发展趋势1更高精度要求复杂结构制造随着科技进步，对零件精度的航空航天、新能源等领域对复要求越来越高纳米级精度加杂异形零件需求增长多轴联工、原子级表面处理等超精密动、复合加工、增材制造等技加工技术将得到广泛应用，满术将推动复杂结构零件制造能足高端装备制造需求力的快速提升柔性制造系统个性化定制需求推动柔性制造技术发展可重构制造系统、模块化生产线、智能调度算法等将实现多品种小批量的高效生产世界先进加工装备对比德国装备特点日美技术优势国内发展现状以精密、可靠著称的德国制造在金属加日本在数控系统、精密测量方面技术领中国制造装备在中低端领域已具备较强工领域处于领先地位、先，美国在软件集成、自动化控制方面竞争力，但在高精度、高可靠性方面仍DMG MORI等企业的高端机床和激光设备实力强劲两国在高端制造装备领域各有差距正在加快技术创新和产业升级TRUMPF技术先进，精度和稳定性优异有特色和优势步伐机床精度达到微米级数控系统技术先进产业规模全球最大•••系统集成度高软件集成能力强技术水平快速提升•••可靠性和耐久性突出自动化水平高创新能力不断增强•••。