机械制造工程概论CJ.doc

机械制造业在国民经济中的地位绪论机械制造的主要任务就是机械产品的决策、设计、加工、装配、销售、售后服务及后续处理等，其中包括对半成品零件的加工技术、加工工艺的研究及其工艺装备的设计制造。1机械制造业担负着为国民经济建设提供生产装备的重任，为国民经济各行业提供各种生产手段，产业技术水平的高低直接决定着国民经济其它产业竞争力的强弱，以及今后运行的质量和效益 。 2机械制造业也是国防安全的重要基础，为国防提供所需武器装备，世界军事强国，无一不是装备制造业的强国； 3机械制造业还是高科技产业的重要基础。机械制造业为高科技的发展提供各种研究和生产设备，世界高科技强国，无一不是装备制造业的强国。4机械制造业的发展不仅影响和制约着国民经济与各行业的发展，而且还直接影响和制约着国防工业和高科技的发展，进而影响到国家的安全和综合国力。 5美国在第二次世界大战后，提出“制造业是夕阳产业”，美国麻省理工学院（MIT）写成了美国制造业的衰退及对策夺回生产优势一书，指出“振兴美国经济的出路在于振兴美国的制造业”，认为“经济的竞争归根到底仍然是制造技术和制造能力的竞争”，主张必须重视和发展机械制造业。美国在中东战争后扶持的“对于国家繁荣与国家安全至关重要”的22项关键技术中，就有材料加工、计算机一体化制造技术、智能加工设备和纳米制造技术等4项直接与机械制造业有关的关键技术。 6现在我国的机械制造业，为国民经济、国防和高科技提供了有力的支持，我国的机械制造业为汽车、火车、农业机械、火箭、宇宙飞船、飞机、电站、造船、计算机、家用电器、电子及通信设备等行业提供了生产装备。机械制造业是我国实现经济腾飞，提升高科技与国防实力的重要基础。 7从机床生产能力可以看出一个国家的机械制造业水平。我国能自主设计、生产各种普通机床、小型仪表机床、重型机床以及各种精密的、高自动化的、高效率的、数字控制的机床。当前，国际数控机床正向着高速度、高精密、复合和智能化发展。目前我国生产的数控机床与此趋势基本一致，国产数控机床在质量和品种上都取得了较大的进步，市场占有率逐步提高。但在高技术机床方面，我国与发达国家还存在相当差距8我国机械制造业目前面临的主要任务是，必须平稳地完成从计划经济向市场经济的过渡，以及从粗放型经营向集约型经营的过渡，并在科技水平、管理水平有明显提高，逐步接近并最终达到发达国家水平。第一章 金属材料的性能 金属材料的性能分为使用性能和工艺性能两大类。金属材料的机械性能实验有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度、疲劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，其中最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。机械性能指标包括四大项：强度、硬度、塑性和韧性：s、b、HBS、金属抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、维氏硬度等来表示材料的硬度。硬度值的标注方法如 硬度值 硬度代号 压头直径D/载荷P/保荷时间T150HBS10/3000/30 表示用直径10mm的淬火钢球压头，在3000kg载荷作用下保荷时间为30秒所测得的布氏硬度值为150。60HRC表示用金刚石圆锥压头，载荷为150 kg所测得的硬度值为60。第二章 金属的组织结构金属能够以气态、液态和固态形式存在，并且在一定条件下这三种状态能够互相转变。金属由液态转变变为固态的过程叫凝固，又由于固态金属都是晶体，所以这一过程也称为结晶。理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之间的温度差，称为过冷度，用T表示，即TT0Tn。常用金属的晶体结构类型多为体心立方、面心立方和密集（密排）六方三种。所谓相，是指合金中化学成分、晶体结构相同，并以界面互相分开的均匀的组成部分。所谓组织，是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称为显微组织。固溶体的晶体结构与溶剂的晶体结构相同。 图1 铁碳平衡相图根据成分，铁碳合金分为工业纯铁、钢和生铁三种，含碳量小于0.02%的铁碳合金称为工业纯铁；含碳量大于0.02%、小于2.11%的铁碳合金称为钢；含碳量大于2.11%、小于6.69%的铁碳合金称为生铁。随着含碳量的增加，钢的机械性能的变化：1随含碳量的不断增加，软质相铁素体的量不断减少而硬质相渗碳体的量不断增多，铁碳合金的硬度随含碳量的增加而提高，塑性和韧性随含碳量的增加而降低。 2当含碳量小于1%时随含碳量的增加强度不断增大； 3但当含碳量大于1%后，随含碳量的增加组织中的硬脆相二次网状渗碳体及硬脆组织莱氏体量不断增加，强度反而不断降低。第三章 钢的热处理及金属的表面处理热处理的主要作用有以下3个方面： 改变工件的内部组织； 改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求； 改变工件表层的成分、组织、性能； 热处理可以消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷。表面处理是指通过化学或电化学的方法使金属表面或表层生成新的物质，这些物质具有不同于工件基体的性能，从而提高工件表层的耐腐蚀性、硬度，或者起到装饰作用。钢的普通热处理方法有退火、正火、淬火和回火四类。 1.正火是将钢加热到Ac1或Ac3以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体型组织（珠光体、索氏体或屈氏体）的热处理工艺。2淬火后高温回火这一综合热处理工艺称为调质处理，调质处理常用作最终热处理，有时也作为预备热处理。3高温回火（500650） 高温回火后的组织为回火索氏体，是较细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。这种组织既具有一定强度和硬度，又有较高的冲击韧性，也就是具有良好的综合机械性能，常用于受力大而复杂的零件，如传动轴、连杆、曲轴、齿轮等。调质处理的工件硬度一般为2833HRC。淬火钢在回火过程中，随着回火温度升高，发生一系列的组织变化，必然引起性能的变化，总的趋势是随着回火温度升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。表面淬火是利用快速加热的方法，使钢件表层迅速奥氏体化，当热量尚未传至心部时，将其迅速冷却。化学热处理是将工件放入一定的化学介质中，经过加热保温，使介质中分解产生一种或几种元素的活性原子被工件表面吸收，并向表层一定深度扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。生产中常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗金属（如渗铝、渗铬）等。第四章 常用机械工程材料按钢中的含碳量分： 低碳钢：C0.25%、中碳钢：0.25%0.6% 1、碳素钢钢的牌号：1碳素结构钢的牌号是由Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分自左向右顺序组成。如Q235AF表示屈服点为235Mpa、质量为A 级的沸腾钢。 2优质碳素结构钢：根据化学成份不同，优质碳素结构钢又分作正常含锰量钢和较高含锰量钢两种。正常含锰量的优质碳素结构钢的牌号以两位数字表示。数字表示钢中平均含碳量的万分数。较高含锰量的优质碳素结构钢的牌号则在两位数字后面加“Mn”。例如“65Mn”表示平均含碳量是0.65%的较高含锰量的优质碳素结构钢。1碳素工具钢： 碳素工具钢的牌号以“T”加数字来表示。数字表示钢中平均含碳量的千分数，若为高级优质碳素工具钢，则在数字后面加上“A”。例如“T8A”表示平均含碳量是0.8高级优质碳素工具钢。2铸造碳钢： 铸造碳钢的牌号以“铸钢“二字的汉语拼音字首“ZG”与其后的两组数字构成。第一组数字表示厚度为100mm以下的铸件的室温屈服强度；第二组数字表示该铸件的抗拉强度。例如ZG200400，表示S=200MPa，b=400MPa的铸造碳钢。2、合金钢的牌号合金钢是指为提高钢的机械性能与工艺性能，或者为获得某些特殊物理、化学性能，特地向碳钢中加入定量其他元素（称合金元素）的钢。按合金钢的性能和用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。1) 合金结构钢的牌号： 低合金结构钢的牌号与碳素结构钢相似，是由代表屈服强度的汉语拼音字首“Q”、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列，从A至E钢中硫、磷含量逐渐减少。例如，Q345A表示屈服强度为345MPa的A级低合金结构钢。低合金结构钢屈服强度一般都大于275MPa。2) 合金渗碳钢： 合金渗碳钢的牌号采用两位数字、元素符号、数字顺序排列的方式表示，其中两位数字是钢中平均含碳量的万分数，元素符号表示所添加的元素，元素符号后面的数字表示该元素在钢中平均含量的百分数。凡合金元素平均含量小于1.5时，则只标明元素符号，不标含量；如果含量在1.5%2.5%之间，则以2表示；如果含量在2.5%3.5%之间，则以3表示；。例如，12Cr2Ni4表示平均含碳量为0.12%,平均含铬2，含镍4的合金渗碳钢。合金渗碳钢的含碳量一般都很低，在0.15 %0.25%，属于低碳钢，保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性。3) 合金调质钢：合金调质钢的牌号表示方法与合金渗碳钢相同，如40CrMn。合金调质钢的含碳量一般在0.35%0.50%之间，属于中碳钢。4) 合金弹簧钢：合金弹簧钢的牌号表示方法与合金渗碳钢、合金调质钢相同，如60Si2Mn。合金弹簧钢的含碳量一般在0.45%0.70%之间。5) 滚动轴承钢： 我国目前应用最广的轴承是高碳铬轴承，高碳铬轴承钢的牌号用“滚”字汉语拼音字首“G”、铬元素符号以及其平均含量千分数表示。例如GCr15表示含铬量1.5%左右的滚动轴承钢。滚动轴承钢的含碳量较高（wc=0.95%1.10%）从而保证硬度及耐磨性，加入铬提高的淬透性，并使铬碳化合物均匀细小。6) 合金工具钢：合金工具钢按用途不同分为，刃具钢、模具钢和量具钢三种，牌号由钢中平均含碳量的千分数值、元素符号、数字顺序排列组成。当钢的平均含碳量大于或等于1%时，不再标注。合金元素符号后面的数字表示该元素平均含量的百分数，当合金元素平均含量小于1.5%时，不标注。例如，9SiCr表示平均含碳量为0.9%，平均含硅、铬量均小于1.5%的合金工具钢。需要指出的是高速钢，无论其含碳量多少，在牌号中都不标出， 3、铸铁：含碳量大于2.11%(一般为2.4%4.0%)的铁碳合金。 1普通灰铸铁 2 可锻铸铁： 3球墨铸铁1普通灰铸铁中的石墨呈片状，普通灰铸铁的牌号采用“灰铁”二字的汉语拼音字首和一组数字表示，数字表示其抗拉强度，如HT100表示抗拉强度不低于100MPa的普通灰铸铁。 2牌号为KTH（“可铁黑”的汉语拼音字首）和两组数字；牌号为KTZ（“可铁珠”的汉语拼音字首）和两组数字3球墨铸铁的牌号采用“球铁”二字的汉语拼音字首和两组数字表示，两组数字分别表示抗拉强度和延伸率的百分数，如QT450-05表示抗拉强度不低于450 MPa、延伸率是5%的球墨铸铁。第五章 液态成形铸造1.液态成形是将液态金属浇注到与所要求的毛坯或零件的形状和尺寸相适应的型腔中，冷却凝固后获得毛坯或零件的一种毛坯成形工艺方法。液态成形就是常说的铸造，铸造成形所得到的毛坯称为铸件。 2.液态成形工艺方法分为重力作用下的液态成形工艺方法和外力作用下的液态成形工艺方法两大类。重力作用下的液态成形工艺方法主要有砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、气化模铸造、陶瓷型铸造等；外力作用下的液态成形工艺方法主要有离心铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造等。 3合金的流动性越好，填充性也越好。合金的流动性主要与合金的化学成分有关。浇注温度越高，金属液的粘度越低，流动性越好 4合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，常用体积收缩率表示，是形成铸件缩孔和缩松缺陷的基本原因。合金的固态收缩，直观地表现为铸件轮廓尺寸的减小。浇注温度越高，过热度越大，合金的液态收缩增加，因而总收缩率就越大。砂型铸造的适应性较强，不受铸件材质、尺寸、重量及生产批量的限制，可以说几乎所有的铸件都可以采用砂型铸造，尤其是不适合采用其他的铸造工艺方法成形的大型铸件。 常用的铸造方法有砂型铸造金属型铸造压力铸造低压铸造熔模铸造离心铸造等。其中压力铸造的加工效率最高。第六章 固态成形金属压力加工金属随着塑性变形程度的增加，金属的强度和硬度逐渐升高，而塑性和韧性降低，这种现象称为加工硬化。金属的可变形性（可锻性）是衡量金属材料接受压力加工，获得优质制品难易程度的工艺性能。与铸造方法相比，锻造成型的毛坯机械性能比较高。塑性反映了金属塑性变形的能力，而变形抗力，即反作用在工具上的力反映了金属塑性变形所需作用力的大小。塑性高，则金属在变形中不易开裂；变形抗力小，则金属变形的能耗小。一种金属材料若既有较高的塑性，又有较小的变形抗力，则可变形性好。自由锻相比，模锻具有如下优点：1. 生产率较高；2. 锻件尺寸精确，加工余量小；3. 可以锻造出形状比较复杂的锻件；4. 节省金属材料，减少切削加工工作量，在批量足够大的条件下能降低加工成本；5. 操作简单，易于实现机械化、自动化。胎模锻成形与自由锻造成形相比，具有生产率高、锻件质量好、节省金属材料、降低锻件成本等优点。与固定模膛成形相比，不需要专用锻造设备，模具简单，容易制造。但是，锻件质量不如固定模膛成形的锻件好，工人劳动强度大，胎模寿命短，生产率低。板料冲压成形是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断等。 成形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序，如拉深、弯曲、翻边、胀型、旋压等。第七章 连接成形 根据焊接过程的工艺特点，可将焊接分为熔焊和压力焊两大类。 对于不同的材料，在一定的焊接条件下，采用一定的焊接方法，获得优质焊接接头的难易程度叫做材料的可焊性。对于同一种金属材料，采用不同的焊接方法及焊接材料，其可焊性可能也有很大的差别。金属的可焊性包括工艺可焊性和使用可焊性两个方面。工艺可焊性是指焊接过程中，焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种焊接裂纹的可能性；使用可焊性是指焊接工件在使用过程中其焊接接头的可靠性，包括焊接接头的机械性能和其它特殊性能。碳当量越高，钢的可焊性越差；铸铁的可焊性较差。有色金属的可焊性比钢差。手工电弧焊是熔焊的一种，操作灵活，可在室内、室外、高空等各种场所施焊；所用设备简单，容易维护，焊钳小，使用灵活方便。如在焊接运动场的护栏时，常采用的手工电弧焊。压力焊是指通过加热使金属达到塑性状态，通过加压使其产生塑性变形、再结晶和原子扩散，最后使两个分离表面的原子接近到晶格距离（0.30.5nm），形成金属键，从而获得不可拆卸接头的一类焊接方法。电阻焊是利用电阻热为热源，并在压力下通过塑性变形和再结晶而实现焊接的压力焊工艺。电阻焊有点焊、缝焊和对焊三种工艺方法，如图2所示。点焊和缝焊对于被焊接工件的厚度都有要求，用于薄板的焊接；点焊用于没有密封要求的薄板的焊接，如汽车的司机门，缝焊用于有密封要求的薄板的焊接，如油箱。 图2 电阻焊示意图第八章 其它成形方法粉末冶金是一种特殊的固态成形工艺，它是制取金属粉末，采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。复合材料，是指有两种或多种成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。复合材料组分的材料不同和性能要求不同，其成形方法也不同。第九章 毛坯成形方法的选择毛坯成形工艺的选择原则：毛坯成形工艺的选择原则是：优质、高效、低成本，即应在规定的交货期内，经济地生产出符合合同技术要求的产品，其核心是产品质量。毛坯成形工艺的选择依据：产品材料的类型、产品的生产类型、产品的形状复杂程度和尺寸精度要求、现有生产条件，及充分考虑利用新材料、新技术、新工艺的要求。第十章 去除成形的基础知识除成形方法：车、铣、刨、镗、磨、特种加工等方法。切削用量是切削过程中切削速度、进给量和背吃刀量(切削深度)的总称，又称为切削用量三要素。切削运动是机床为实现加工所需的刀具与工件之间的相对运动，按切削加工时工件与刀具的相对运动所起的作用来分，切削运动可分为主运动与进给运动。主运动一般采用直线运动和旋转运动这两种简单的运动形式。进给运动可以是一个单独的简单运动，也可以是一个包含几个简单运动的合成运动。按机床的加工功能分类表1-1 金属切削机床分类及代号类型车床钻床镗床磨 床齿轮加工机床螺纹加工机床铣床刨插床拉床锯床其它机床代 号CZTM2M3MYSXBLGQ读 音车钻镗磨2磨3磨牙丝铣刨拉割其如，型号为M7130的机床为磨床。车床是使工件与主轴一起旋转、主要用车刀切削的机床。主要用于加工各种回转表面，如可加工轴类零件的柱面和端面；在车床上还可以加工孔、螺纹。铣床是用回转多刃刀具对工件进行切削加工的机床。刨床类机床常用的有：牛头刨床、龙门刨床和插床，该类机床主要用来加工各种平面和直线型沟槽。钻床是指主要用钻头在工件上加工孔的机床。在钻床上可以完成钻孔、扩孔、铰孔等。镗床是孔加工类机床，主要用旋转的镗刀镗削箱体、机架类零件上已铸出的孔或粗钻出的孔及孔系。机床上的夹具在机床上用以装夹工件的一种装置，主要分为以下五种，它们是：通用夹具、专用夹具、组合夹具、成组夹具、随行夹具。专用夹具比通用夹具装夹效率高，定位精度高。在切削钢、铝合金等塑性材料时，在一定温度范围内（即切削区的温度达300380时），常有一些金属冷焊（粘结）并层积在刀具表面上，并代替刀具进行切削，这一小硬块称为积屑瘤。积屑瘤的影响：积屑瘤包围切削刃，可以代替刀具进行切削，减少了刀具的磨损；积屑瘤的存在增大了刀具的实际工作前角，使刀具更加锋利；积屑瘤的不稳定性，对加工精度和表面质量的影响较显著。所以，在粗加工时可以利用它，在精加工时要避开它。第十一章 零件典型表面的切削成形方法一、孔的加工：1钻孔是在实心材料上加工出孔的方法。所用刀具为钻头，一般用麻花钻 2扩孔是用扩孔钻对已钻出（或铸、锻出）的孔进行的再加工。3铰孔是利用铰刀对已有的孔进行精加工的方法。4拉孔是用拉刀在拉床上进行的，孔的形状、尺寸由拉刀截面轮廓保证。 拉刀截面可根据加工需要做成各种形状，不仅能拉圆孔，还可以拉其他各种形状的孔，如图3所示。图3 适用于拉削成形的孔型1) 镗孔是镗刀对工件上已有孔的进一步加工。镗孔一般在车床上或镗床上进行。车床镗孔常用于加工回转体零件中心部位的孔和小型支座类零件上的孔。镗床上镗孔加工的种类较多，如在实心材料上加工一个直径为100mm孔，应先钻孔，然后在镗床进行镗孔。2) 孔的磨削：孔的磨削一般在内圆磨床上进行。二、平面加工方法1车削：轴、盘、套等回转体零件的端面，一般都采用车削加工。2铣削：铣削是平面加工应用最广的一种。铣削中小型零件上的平面通常在卧式铣床或立式铣床上进行。其中立式铣床加工范围更广，除可加工一般平面外，还可加工不通槽、半通槽及梯形槽、燕尾槽。卧式铣床易采用多刀组合加工台阶平面，以提高生产率，如图4所示。大型零件上平面可在龙门铣床上进行加工。3刨削：刨削也是平面的主要加工方法之一。中小型零件的平面在牛头刨床上加工，大型零件的平面在龙门刨床上加工。 4 槽内平面图5孔内平面 (a)不通槽 (b)半通槽 (c) 通槽4插削与拉削：孔内平面（如孔内键槽、四方孔、六方孔）的加工一般在插床（立式刨床）和拉床上进行。图5所示为内键槽的插削。5平面磨削：平面磨削主要用于加工质量要求高的外表平面及淬火钢等硬度较高的材料外表平面的加工。其加工精度IT67级，表面粗糙度Ra值为0.042.5m。6平面研磨：平面研磨是高质量平面的最终加工方法之一。尤其当两个配合平面要求很高的密合性时，常用研磨法加工。三成形面的加工 1.按划线或样板加工；2，靠模法加工；3.程序控制法加工成形面；四螺纹加工方法螺纹的加工方法有车、铣、攻丝、套扣、磨、滚压、搓丝等。比较节省工件材料的方法是滚压法加工螺纹（或滚丝、搓丝）。第十二章 机械加工工艺规程机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件。工件在机床上或夹具中装夹有三种主要方法：直接找正装夹、划线找正装夹和夹具装夹。在制定零件加工工艺过程时，合理地选择定位基准，对保证零件的位置精度，安排加工顺序有着决定性的影响。选择定位基准应从有相互位置精度要求的表面中选择，且尽量与设计基准或装配基准重合。定位基准可分为粗基准和精基准。用未加工过的毛坯表面作为定位基准的称为粗基准；用已加工过的表面作为定位基准的称为精基准。在机械加工工艺过程中安排零件表面加工顺序时，要“基准先行”的目的是使后续工序有精确的定位基面。第十四章 机器的装配装配组织形式一般分为固定式装配和移动式装配两种。产品装配精度所包含的内容可根据机械的工作性能来确定，一般包括以下内容：相互位置精度、相对运动精度、相互配合精度保证产品装配精度的方法有：互换法、分组法、修配法和调整法。