《金属加工工艺及方法》课件

金属加工工艺及方法金属加工工艺是现代制造业的核心技术，涵盖了从传统工艺到先进制造技术的全方位内容本课程将深入探讨金属材料的基础知识、各种加工工艺原理、设备操作技术以及质量控制方法通过系统学习铸造、压力加工、切削加工、焊接、热处理等主要工艺，学生将掌握金属加工的理论基础和实践技能，为未来从事机械制造、材料工程等相关工作打下坚实基础课程介绍理论与实践结合主要加工技术发展趋势前瞻本课程采用理论讲解与实践操作系统讲解铸造、压力加工、切深入分析现代制造技术发展趋相结合的教学模式，确保学生既削、焊接、热处理等核心技术，势，包括智能制造、绿色制造、能掌握扎实的理论基础，又能具涵盖传统工艺到现代先进制造技增材制造等前沿技术应用备实际操作能力术的全过程课程目录金属材料基础知识金属结构、性能与分类金属铸造工艺各种铸造方法与应用金属压力加工轧制、锻造、冲压等工艺金属切削加工车、铣、磨等机械加工金属焊接技术各种焊接方法与应用金属热处理工艺改善材料性能的热处理先进制造技术激光加工、3D打印等质量控制与检测质量管理与检测技术第一章金属材料基础金属的定义与分类物理性质化学性质金属是具有金属键结合、电子云导金属具有良好的导电性、导热性、延金属原子容易失去电子形成正离子，电、具有金属光泽的材料按成分可展性和金属光泽这些特性来源于金表现出还原性不同金属的化学活泼分为纯金属和合金，按用途分为结构属键的特殊结构和自由电子的存在性差异很大，影响其耐腐蚀性能材料和功能材料金属的晶体结构体心立方结构如铁、铬等金属，原子位于立方体的顶点和中心，配位数为，8具有较高的强度但塑性相对较低面心立方结构如铝、铜、镍等金属，原子位于立方体顶点和面心，配位数为，塑性好但强度相对较低12六方密堆积如镁、锌、钛等金属，具有层状堆积结构，配位数为，各向异12性明显，加工性能差异较大金属的力学性能硬度性能强度性能布氏、洛氏、维氏硬度测试抗拉强度、屈服强度、压缩强度塑性性能延伸率、断面收缩率指标弹性性能韧性性能弹性模量、泊松比测定冲击韧性、断裂韧性评估金属的工艺性能铸造性能压力加工性能流动性、收缩性、偏析倾向等决定了金属能否获得优质铸件良好的铸塑性、变形抗力、变形均匀性影响压力加工效果金属在热态和冷态下造性能要求金属具有适当的熔点、良好的流动性和较小的收缩率的塑性差异很大，需要根据具体工艺选择合适的加工温度焊接性能切削加工性能焊接裂纹敏感性、热影响区性能变化等影响焊接质量不同成分的金属切削力大小、刀具磨损、表面质量等影响机械加工效率合金元素和热焊接性差异很大，需要采用相应的焊接工艺和预处理措施处理状态对切削性能有重要影响，需要优化工艺参数常用金属材料钢铁材料碳钢、合金钢、不锈钢，应用最广泛有色金属铝、铜、镁、钛等轻质高强材料特种金属高温合金、形状记忆合金等功能材料第二章金属铸造工艺铸造基本原理将金属熔化后浇入铸型型腔，冷却凝固后获得所需形状铸件的成形方法铸造能够制造复杂形状的零件，是重要的毛坯制造工艺工艺分类体系按铸型材料分为砂型铸造、金属型铸造等；按浇注方式分为重力铸造、压力铸造等；按精度要求分为普通铸造、精密铸造等工业应用广泛广泛应用于汽车、航空、机械、建筑等行业，可生产从几克到几百吨的铸件，适合单件、小批量和大批量生产铸造工艺流程模具设计制作熔炼与浇注根据铸件图纸设计模具，制作木模、将金属加热熔化，控制温度和成分，金属模或其他模具材料按工艺要求浇入铸型检验与修整清理与热处理检测铸件质量，修整表面缺陷，达到去除浇注系统、清理表面，进行必要技术要求的热处理改善性能铸造方法分类精密铸造熔模铸造等高精度方法压力铸造高压低压压铸方法离心铸造利用离心力成形金属型铸造永久型铸造方法砂型铸造最基本最广泛的铸造方法砂型铸造砂型材料与性能造型与制芯工艺砂型材料主要由石英砂、粘结剂和添加剂组成石英砂提供造型分为手工造型和机器造型手工造型适用于单件小批生骨架，粘土作为粘结剂，水分调节可塑性砂型必须具有足产，机器造型用于大批量生产制芯是制作铸件内腔的关键够的强度、透气性、耐火性和退让性工序，芯砂要求比型砂更高的强度和透气性强度保证铸型不变形起模方便性好••透气性排出气体成本低廉••耐火性抗高温侵蚀适应性强••金属型铸造金属型设计制造工艺参数控制金属型采用铸铁或钢制浇注温度、金属型预热温造，需要考虑热胀冷缩、度、冷却速度等参数需要排气通道、顶出机构等设精确控制，影响铸件质量计要素，制造精度要求高和金属型寿命适用范围广泛适用于中小型铸件批量生产，表面质量好，尺寸精度高，生产效率高，但设备投资大压力铸造高压压铸低压压铸典型应用压力高达几十到几百，充型速度压力较低，充型平稳，铸件组织致密，汽车发动机缸体、变速箱壳体、电子设MPa快，适合薄壁复杂铸件，表面质量优适合要求较高的铸件广泛用于汽车轮备外壳等，生产效率高，产品一致性良，尺寸精度高主要用于铝合金、锌毂、缸体等产品生产好，但模具成本高合金等低熔点合金离心铸造与精密铸造精密铸造技术1熔模铸造精度高，表面粗糙度低离心铸造原理利用离心力使金属充满型腔设备与工艺专用离心铸造机和精密模具铸造缺陷及预防缺陷类型产生原因预防措施气孔气体侵入或析出改善通气性，控制浇注速度缩孔凝固收缩不均合理设置冒口，顺序凝固裂纹应力集中改善结构设计，控制冷却夹渣熔渣混入充分除渣，改进浇注系统第三章金属压力加工70%5-10x材料利用率生产效率压力加工材料利用率高，节约原材比铸造和焊接效率高数倍料30%性能提升通过塑性变形显著改善材料性能轧制加工加热准备将钢坯加热到，使其具有良好塑性，便于轧制变形，消除内应力1100-1250°C粗轧阶段大幅度减少厚度，破碎铸态组织，改善材料内部缺陷，提高材料密实度精轧阶段控制最终尺寸和表面质量，获得所需的机械性能和金相组织结构冷却处理控制冷却速度，获得理想的组织结构和力学性能，防止变形开裂锻造加工挤压加工正向挤压反向挤压复合挤压金属流动方向与金属流动方向与同时进行正向和压头运动方向相压头运动方向相反向挤压，生产同，挤压力小，反，摩擦小，材效率高，可制造适合长杆件和管料利用率高，适复杂断面的零材生产，设备结合短粗零件和空件，但设备复构简单心件生产杂径向挤压金属沿径向流动，可制造轴类零件的凸缘、齿轮毛坯等，材料变形均匀拉伸与冲压弯曲与折弯弯曲计算考虑回弹量，计算弯曲半径和展开长度模具设计设计合适的弯曲模具，确保成形质量工艺控制控制弯曲速度、压力和保压时间质量检测检测弯曲角度、半径和表面质量压力加工设备机械压力机液压压力机利用飞轮储能，通过曲柄连杆机构传动工作速度快，生产效率以液体为工作介质，压力稳定，行程可调适合拉深、挤压、校正高，适合冲压、模锻等工艺但冲击大，噪音高，行程固定等工艺工作平稳，压力大，但速度相对较慢锻锤设备数控设备利用锤头自由落下或蒸汽推动产生冲击力变形速度快，适合自由集成数控系统，实现自动化生产加工精度高，一致性好，可实现锻造设备简单，但精度较低，振动大复杂工艺程序，但设备成本较高第四章金属切削加工切削热切削原理变形和摩擦产生大量热量刀具与工件相对运动去除材料切削力变形抗力和摩擦力的合成刀具磨损切屑形成磨料磨损和粘结磨损材料剪切滑移形成切屑金属切削过程切屑形成机理金属在刀具作用下发生剪切滑移，形成连续、单元或粉状切屑切屑类型反映材料性质和切削条件切削力与切削热切削力包括主切削力、进给力和背向力切削热主要来源于剪切变形和摩擦，温度可达600-1000°C刀具磨损与寿命刀具磨损包括前刀面磨损和后刀面磨损合理选择切削参数可延长刀具寿命，降低加工成本切削参数优化切削速度、进给量、切削深度需要综合考虑加工效率、表面质量、刀具寿命等因素进行优化车削加工车削原理与方法车床类型与结构工件旋转做主运动，刀具做进给运动，加工回转表面可进普通车床、数控车床、自动车床等主要由床身、主轴箱、行外圆、内孔、端面、螺纹等多种加工车削是最基本的切刀架、尾座等组成数控车床精度高，自动化程度高，适合削方法，应用广泛复杂零件加工外圆车削加工轴类零件卧式车床应用最广••内孔车削加工孔类零件立式车床加工大型件••螺纹车削加工螺纹转塔车床效率高••铣削加工铣削原理特点铣床类型结构铣刀旋转做主运动，工件立式铣床、卧式铣床、万做进给运动多刃断续切能铣床、数控铣床等结削，生产效率高，可加工构包括床身、主轴、工作平面、沟槽、齿轮等复杂台、进给系统等关键部件形状工艺参数选择铣削速度、每齿进给量、切削深度需要根据工件材料、刀具材料、加工要求合理选择和优化钻削与镗削钻削工艺技术使用钻头在实心材料上加工孔的方法钻头设计独特，具有两个主切削刃和螺旋排屑槽，适合各种孔径的加工需求镗削精加工使用镗刀对预制孔进行精加工，提高孔的尺寸精度、形状精度和表面质量镗削可获得精度等级IT6-IT7质量控制要点控制进给速度防止钻头折断，选择合适的切削液改善排屑，定期检测孔径和圆度确保加工质量磨削加工磨削加工原理砂轮高速旋转，磨粒对工件表面进行微量切削可获得很高的尺寸精度和表面质量，是重要的精加工方法砂轮与磨具由磨料、结合剂和气孔组成磨料有氧化铝、碳化硅、金刚石等，结合剂有陶瓷、树脂、金属等类型精密磨削技术超精研、珩磨、抛光等精密磨削方法，可获得极高的表面质量，表面粗糙度可达以下Ra

0.01μm数控加工技术智能编程自动编程，优化CAM AI多轴加工五轴联动，复杂曲面加工高速加工高转速，高进给，高效率数控系统控制，程序自动执行CNCCAD/CAM计算机辅助设计制造一体化切削刀具材料超硬材料金刚石、立方氮化硼，极高硬度和耐磨性陶瓷刀具氧化铝、氮化硅陶瓷，高温性能优异硬质合金钨钴类硬质合金，综合性能好高速钢钼系、钨系高速钢，韧性好第五章金属焊接技术焊接冶金学基础焊接热循环焊接过程中温度快速升高和冷却，形成特殊的热循环曲线，影响组织和性能焊接接头组织焊缝区、熔合区、热影响区具有不同的组织结构和性能特点焊接应力变形不均匀加热冷却产生残余应力和变形，需要采取预防和矫正措施焊接缺陷机理气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷的形成机理和预防方法熔化焊接电弧焊接原理气体保护焊利用电弧产生的高温熔化焊条和母材，形成焊缝电弧温度可达使用保护气体防止熔池氧化氩弧焊适合有色金属，焊成本低效率6000-CO2，是最常用的焊接方法焊条涂料提供保护气体和合金元素高，混合气体焊综合性能好焊缝质量高，变形小8000°C埋弧焊工艺电渣焊技术电弧在焊剂层下燃烧，熔深大，生产效率高适合厚板焊接和长焊缝焊利用电渣热熔化金属，适合超厚板立缝焊接一次焊透厚度可达几百毫接焊剂提供保护和冶金作用，焊缝成形美观米，生产效率极高，但设备复杂，主要用于重型机械制造电阻焊接点焊技术两电极夹持工件通电加热，形成焊点连接缝焊工艺滚轮电极连续或断续焊接，形成密封焊缝对焊方法工件端面直接接触通电加热，顶锻成形凸焊应用利用工件上凸起部分集中电流密度焊接特种焊接方法激光焊接激光束能量密度高，焊接速度快，热影响区小适合精密零件和薄板焊接，广泛应用于汽车、电子、航空等行业可实现深熔焊和导热焊两种模式电子束焊接在真空环境中进行，焊缝深宽比大，变形小适合厚板焊接和特殊材料焊接，如钛合金、高温合金等设备投资大但焊接质量极高摩擦焊接利用摩擦热和顶锻力实现固态连接无熔化过程，接头性能优良适合异种金属焊接，如铝钢、铜铝等材料组合焊接质量控制焊前准备焊接过程控制清理工件表面，选择合适的焊接材严格控制焊接参数，监测焊接质量，料，制定焊接工艺及时调整工艺质量检测焊后热处理外观检查、无损检测、力学性能试验消除残余应力，改善组织性能，预防验证质量延迟开裂第六章金属热处理工艺热处理基本原理工艺分类体系通过加热、保温、冷却等工艺过程，改变金属内部组织结退火、正火、淬火、回火四种基本工艺，以及化学热处理、构，获得所需的力学性能热处理不改变工件形状和化学成表面热处理等特殊工艺每种工艺都有特定的加热温度、保分，只改变组织和性能温时间和冷却方式组织转变机理改善加工性能••相变动力学过程提高使用性能••性能控制规律消除内应力••退火与正火退火工艺类型正火工艺特点完全退火、球化退火、去空冷比炉冷快，组织更应力退火等完全退火获细，性能更好正火后硬得最软状态，球化退火改度适中，既保证切削性能善切削性能，去应力退火又提高强度，是常用的预消除内应力备热处理工艺参数控制3加热温度通常比临界点高，保温时间根据工件厚度确30-50°C定，冷却方式影响最终组织和性能淬火与回火化学热处理工艺方法渗入元素处理温度主要应用渗碳碳原子齿轮、轴类900-950°C零件渗氮氮原子精密零件、500-600°C工具碳氮共渗碳、氮原子汽车零部件800-900°C渗硼硼原子耐磨零件900-1000°C表面热处理火焰淬火感应淬火激光热处理使用氧乙炔火焰快速加热利用感应电流产生的热量激光束能量密度高，加热表面，然后喷水冷却设加热，加热速度快，可控速度极快可实现精确的备简单，适合大型零件局性好适合批量生产，加局部处理，变形小，但设部硬化，但加热不够均热层深度可控，表面质量备成本高，主要用于高价匀好值零件电子束处理在真空中进行，加热深度可调，适合特殊材料和精密零件处理效果好但设备复杂，主要用于航空航天领域第七章先进制造技术40%效率提升智能制造技术显著提高生产效率30%成本降低自动化减少人工成本和材料浪费50%质量改善精密控制系统保证产品一致性25%能耗减少绿色制造技术降低能源消耗激光加工技术激光切割打孔激光束熔化或汽化材料实现切割，切缝窄、精度高、速度快可加工各种金属和非金属材料，厚度从微米到几十毫米激光焊接熔覆激光焊接热输入小、变形小，适合精密零件激光熔覆可修复零件表面，制备功能涂层，延长使用寿命激光表面改性激光淬火、激光退火、激光冲击强化等工艺，改善表面性能而不改变基体性能，应用前景广阔激光微细加工亚微米级精度加工，制造微型零件和精密结构在电子、医疗、航空等领域应用广泛，代表未来发展方向快速成形制造技术航空航天应用复杂结构一体化制造金属打印3D2选区激光熔化、电子束熔化粉末床技术逐层铺粉、选择性烧结成形分层制造原理模型分层、逐层堆积成形CAD增材制造基础材料逐点逐层添加的成形方式特种加工技术电火花加工利用电极间脉冲放电产生的电蚀现象加工导电材料可加工任何导电材料，不受硬度限制适合复杂型腔、窄缝、小孔加工，但效率较低电化学加工工件作阳极，在电解液中溶解去除材料加工表面无变质层，无残余应力适合复杂形状和难加工材料，但精度相对较低超声波加工利用超声振动和磨料悬浮液加工硬脆材料可加工任何硬度材料，特别适合玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料的精密加工高能束流加工包括激光束、电子束、离子束等高能密度加工方法精度极高，可实现纳米级加工，是现代精密制造的重要发展方向绿色金属加工技术干式切削不使用切削液，避免环境污染，降低成本微量润滑最小量润滑技术，减少切削液用量以上90%清洁生产循环利用废料，减少污染物排放节能技术高效电机、变频调速、余热回收利用。