机械制造工艺教案第一章1节.ppt

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1、机械制造工艺基础机械制造工艺基础主讲教师：周世权2022/12/231绪论绪论0 01 1机械制造工艺基础机械制造工艺基础课程的性质、地位和作课程的性质、地位和作用用0.1.10.1.1课程的性质：课程的性质：机械制造工艺基础机械制造工艺基础(FundamentofMachineManufacturingProcessFundamentofMachineManufacturingProcess)是学生是学生学习机械制造系列课程必不可少的先修课，也是获得机学习机械制造系列课程必不可少的先修课，也是获得机械制造基本知识的技术基础课和必修课。械制造基本知识的技术基础课和必修课。0.1.20.1.2课

2、程的地位：课程的地位：机械制造工艺基础机械制造工艺基础是一门实践性是一门实践性很强的技术基础课，是研究产品从原材料到合格零件或很强的技术基础课，是研究产品从原材料到合格零件或机器的制造工艺技术的科学。机器的制造工艺技术的科学。2022/12/232绪论绪论0.1.30.1.3课程的作用：课程的作用：学生在工程实践过程中通过参观典型的制造工程系统、独立的实践操作和综合工艺过程训练，将有关制造工程的基本工艺理论、基本工艺知识、基本工艺方法和基本工艺实践有机结合起来，达到获取丰富的感性知识的目的。同时，通过本课程的学习，将感性知识条理化，并上升为理性知识，实现认识的第一次飞跃。然后通过创新实践实现从

3、理性知识到指导实践的第二次飞跃。2022/12/233绪论绪论0 02 2机械制造工艺基础机械制造工艺基础课程的内涵和特点课程的内涵和特点0 02 21 1本课程的内涵本课程的内涵1)定义：制造工程是研究物质从原材料到合格产品的制造工艺过程的科学。2)制造工程的主要内容:包括材料成形和加工工艺两大部分。其中材料成形主要是在保证性能要求的前提下，优质低成本地获取具有一定结构和形状的毛坯或者产品的制造工艺学，通常将其称为热加工工艺学。但其内涵远远地超过了热加工的范畴，主要包括铸造、焊接、锻压、热处理、粉末冶金、塑料成形、陶瓷和复合材料的成形。而加工工艺一般是指将材料成形所获毛坯，通过切除的工艺，优

4、质低成本地获取具有一定结构和形状、一定的精度和表面质量的产品的工艺过程，通常将其称为冷加工工艺学。但其内涵远远地超过了冷加工的范畴，主要包括车削、铣削、刨削、磨削、钳工、现代计算机控制的加工工艺（数控机床和加工中心）、特种加工（超声波、电火花和激光）、以及快速制造。2022/12/234绪论绪论0 02 22 2本课程的特点本课程的特点由于科学技术的发展传统的制造工艺越来越受到现代制造技术的挑战。同时，现代制造技术又要以传统的制造工艺为基础。因此，本课程将以基本制造工艺为主，而以现代制造技术为辅。然而，由于现代制造技术已经成为大中型制造类企业的主要生产技术，所以，应努力使现代制造技术的内容所占

5、比例不断提高。为此，传统制造技术与现代制造技术的一般知识构成了本课程的基本特征。0221传统制造技术的特征传统的制造技术可概括为图0-1所示的基本内容。图0-12022/12/235绪论绪论传统的制造业起源于18世纪的工业革命，18世纪后半叶以蒸汽机和工具机的发明为特征的产业革命，标志着制造业已完成从手工业作坊式生产到以机械加工和分工原则为中心的工厂生产的艰难转变。19世纪电气技术的发展，开辟了崭新的电气化新时代，制造业也得到飞速发展，制造技术实现了批量生产、工业化规范生产的新局面。20世纪的内燃机发明，引发了制造业的革命，流水生产线和泰勒工作制得到广泛的应用。两次世界大战特别是二战期间以降低

6、成本为中心的刚性、大批大量制造技术和生产管理有了很大的发展。可以说，这种以机器制造机器的刚性、大批大量制造技术是传统制造技术的主要特征。所以，本课程将主要讲述自动或半自动机械制造工艺方法，这类工艺技术在当今的工业规模生产中仍然占有相当大的比重。2022/12/236绪论绪论0222现代制造技术的特征现代制造技术具有下列特征：1）计算机技术、传感技术、自动化技术、新材料技术以及管理技术等诸技术的引入，与传统制造技术相结合，使制造技术成为一个能驾驭生产过程的物质流、信息流和能量流的系统工程。2）传统制造技术一般单指加工制造过程的工艺方法，而现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维

7、护等全过程，成为“市场产品设计制造市场”的大系统。3）传统制造技术的学科、专业单一，界限分明，而现代制造技术的各专业、学科间不断交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失。2022/12/237绪论绪论4）生产规模的扩大以及最佳技术经济效果的追求，使现代制造技术比传统技术更加重视工程技术与经营管理的结合，更加重视制造过程组织和管理体制的简化及合理化，产生一系列技术与管理相结合的新的生产方式。5）发展现代制造技术的目的在于能够实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产并取得理想的技术经济效果。2022/12/238绪论绪论0 03 3机械制造工艺基础机械制造工艺基础课程的任务和学习方法课程的任务和学习方法0

8、03 31 1学习本课程的主要任务学习本课程的主要任务1）使学生掌握主要机械制造工艺的基本原理、主要方法和应用特点。熟悉机械零件的常用制造方法及其所用的主要设备和工具；了解新工艺、新技术、新材料在现代机械造制中的应用。2）使学生对典型零件初步具有选择加工方法和进行工艺分析的能力，在主要工种方面应能独立完成典型零件的加工制造工艺过程，并培养一定的工艺实验和工程实践的能力。2022/12/239绪论绪论3）培养学生生产质量和经济观念，理论联系实际、一丝不苟的科学作风，及试验研究的初步能力等基本素质。4）使学生具有分析零件结构工艺性的基本能力，能够进行简单产品的结构设计和工艺设计，培养创新意识和综合

9、能力。0 03 32 2学习方法学习方法主要结合工程实践的教学，通过课堂讲授、作业和实验等方式完成教学任务。为了有效地使用本教材进行机械制造工艺基础课程的教学，希望注意一下几点：(1)教学中应结合工程实践，以掌握基本工艺原理为主(2)应确实贯彻以工艺过程为主的指导思想(3)应该注意与相关教学内容的分工和合作(4)关于教学内容的学时分配本教材的教学内容是按照40学时安排的。主要内容的比例建议为第一章至第三章占总时间的50%,第四章至第七章占总时间的50%。实验学时建议为4学时，内容为热加工和冷加工各2学时。2022/12/2310第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCa

10、sting Process铸造是指将液态金属或合金浇入具有一定形状和尺寸的模型空腔，待其冷却凝固后，获得毛坯或零件的工艺方法，也称液态成形。（tz105）(dz110)铸造的特点：铸造的特点：（1）由于金属在液态下成形，所以铸件的形状可以十分复杂。如带有复杂内腔的内燃机的缸体、缸盖、机床的床身和箱体、涡轮机的机壳等都是采用铸造的方法生产的。（tz38，tz26）（2）铸造生产的适应范围广。如工业上常用的碳钢、合金钢、铸铁、铜合金、铝合金等均可铸造；其次，铸件的大小几乎不限，质量从几克到几百吨，壁厚从1毫米以下到1米以上的各种尺寸和大小的零件均可通过铸造生产。（tz35-c，tz40,tz73,

11、tz77,tz96）（3）铸造生产的成本较低。首先，铸件的加工余量小，节省金属，减少切削加工量，从而降低制造成本；其次，铸造过程中各项费用较低，铸件本身生产成本较低。(tz145)（4）铸件质量控制困难 铸造工艺过程复杂，影响因素多（tz105）。由于铸态金属的晶粒较为粗大，也不可避免地存在一些化学成分的偏析、非金属夹杂物以及缩孔或缩松等铸造缺陷，因此，铸造零件的力学性能和可靠性较锻造零件为差（dz12,dz75）。2022/12/2311第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process第一节第一节 铸造工艺基础铸造工艺基础 Fundament of

12、 Casting ProcessFundament of Casting Process一、合金的充型能力一、合金的充型能力（一）液态合金流动性与充型能力的概念1.充型：合金充填型腔的过程(dz111)。2.充型能力：液态合金充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。3.浇不足：铸件出现形状不完整的现象(dz74,dz75,dz89,dz90)。4.流动性：液态合金本身的充型能力。由液态合金的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关，而与外界因素无关，是合金的主要铸造性能之一。(t1-1)2022/12/2312第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Pr

13、ocess流动性好的合金，充型能力强，便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。同时也有利于非金属夹物和气体的上浮与排除，还有利于对合金冷却凝固过程所产生的收缩进行补缩。反之，流动性差的合金，充型能力也就较差(dh29)。但是，可以通过外界条件的改善来提高其充型能力。（二）影响液态合金充型能力的主要因素1流动性图1-1所示为Fe-C合金的流动性与成分的关系，可以看出，合金的流动性与其成分之间存在着一定的规律性。图1-1 F-C合金的流动性与状态图的关系2022/12/2313第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process纯金属、共晶成分合金-在固定的温度

14、下凝固，已凝固的固体层从铸件表面逐层向中心推进，与尚未凝固的液体之间界面分明，且固体层内表面比较光滑，对金属液的流动阻力小，故流动性最好。(dz05.swf)其它成分的合金-在一温度范围内进行凝固，此时结晶在一凝固区内同时进行，由于初生的树枝状晶体使固体层内表面粗糙，对合金液的流动阻力大，所以合金的流动性变差。合金的结晶温度范围越大，同时结晶的区域也越宽，树枝状晶也越发达，流动性也就越差。(dz.swf)2022/12/2314第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process2铸型性质（1）铸型材料铸型材料的比热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金

15、液的充型能力越差；铸型材料的导热系数越大，将铸型金属界面的热量向外传导的能力就越强，对合金液的冷却作用也越大，合金液的充型能力就越差(tz102)。（2）铸型温度铸型温度越高，合金液与铸型的温差越小，合金液热量的散失速度越小，因此保持流动的时间越长。生产中有时采用对铸型预热以提高合金的充型能力。（3）铸型中的气体在合金液的热作用下，铸型（尤其是砂型）将产生大量的气体，如果气体不能及时排出，型腔中的气压将增大，从而对合金液的充型产生阻碍。通过提高铸型的透气性，降低铸型的发气量，以及在远离浇口的最高部位开设出气口等均可降低型腔中气体对充型的阻碍。(tz27,tz70)2022/12/2315第一章

16、第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process3浇注条件（1）浇注温度浇注温度对液态合金的充型能力有决定性的影响。浇注温度提高，合金液的过热度增加，合金液保持流动的时间变长。因此，在一定温度范围内，充型能力随温度的提高而直线上升。但温度超过某界限后，由于合金液氧化、吸气增加，充型能力提高的幅度会越来越小。对薄壁铸件或流动性差的合金，采用提高浇注温度的措施可以有效地防止浇不足或冷隔等铸造缺陷。但随着浇注温度的提高，铸件的一次结晶组织变得粗大，且容易产生气孔、缩孔、缩松、粘砂、裂纹等铸造缺陷(dz84,dz108)，故在保证充型能力足够的前提下，浇注温度应尽

17、量低。2022/12/2316第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process（2）充型压力液态金属在流动方向上所受到的压力越大，充型能力就越好。如通过增加浇注时合金液的静压头的方法，可提高充型能力。某些特种工艺，如压力铸造(dz121)、低压铸造、离心铸造、实型负压铸造等，充型时合金液受到的压力较大，充型能力较强。（3）浇注系统浇注系统的结构越复杂，流动的阻力就越大(t4-17)，合金液在浇注系统中的散热也越大，充型能力也就下降。2022/12/2317第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process三、

18、铸造合金的收缩与缩孔、缩松 1合金的收缩 液态合金注入铸型、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为合金的收缩。合金的收缩可分为三个阶段：（dz09.swf）（1）液态收缩：液态收缩指合金从浇注温度到凝固开始温度（液相线温度）间的收缩。（2）凝固收缩：凝固收缩指合金在凝固阶段的收缩，即合金从液相线温度冷却至固相线温度之间的收缩。（3）固态收缩：固态收缩指合金从固相线温度冷却至室温时的收缩,也成为线收缩。(tz93,tz47,tz101)一般地，凝固收缩与液态收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。而合金的固态收缩对铸件的形状和尺寸精度有直接影响，也是铸件产生铸造应力、热裂、冷裂和变

19、形等缺陷的基本原因。2022/12/2318第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process2铸件中缩孔和缩松的形成（1）缩孔缩孔是在铸件上部或最后凝固部位出现的容积较大的孔洞。其形状极不规则，孔壁粗糙并带有技晶状，多呈倒圆锥体（dz10.swf）。缩孔的形成如图l-4(t1-5)所示。当温度降到结晶温度后，紧靠铸型的合金首先凝固形成一层外壳，同时浇口凝固(图中b)。随温度继续下降，固体层加厚。当铸型内合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩时，内部剩余液体的体积变小，液面下降，在铸件上部出现空隙。由于大气压力，硬壳上部也可能向内凹陷(图中C)。继续冷却

20、、凝固、收缩，待金属全部凝固后，在最后凝固的部位（铸件上部）形成一个倒锥形的孔洞缩孔(图中d)(dz108)。铸件完全凝固后，整个铸件还会进行固态收缩，外形尺寸进一步缩小(图中e)，直至室温。图1-4缩孔形成示意图 2022/12/2319第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process纯金属和靠近共晶成分的合金，在恒温或较窄的温度范围内凝固，呈逐层凝固的方式，合金流动性好，倾向于形成集中的缩孔。（2）缩松铸件断面上出现的分散、细小的缩孔称为缩松。缩松形成的原因和缩孔基本相同，即铸型内合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，同时在铸件最后凝固的区域得不

21、到液态合金的补偿(dz11.swf)。2022/12/2320第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process3铸件中缩孔与缩松的防止防止铸件产生缩孔的根本措施是采用顺序凝固。所谓顺序凝固(dz54)，即使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。按顺序凝固的顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的液体金属来补充；后凝固部位的收缩，由冒口或浇注系统的金属液来补充，使铸件各部分的收缩都能得到补充，而将缩孔转移到铸件多余部分的冒口或浇注系统中（图1-5）。切除多余部分便可得到无缩孔的致密铸件。图1-5顺序凝固示意图2022/12/2321第一章第一章

22、 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process实现顺序凝固的措施是在铸件可能出现缩孔的厚大部位（热节）安放冒口，或在铸件远离浇、冒口的部位增设冷铁等。冒口除补缩外，有时还起排气、集渣的作用。图l-6所示铸件中可能产生缩孔的厚大部分不止一个，若仅靠顶部冒口，难以向底部凸台补缩，如果在该凸台的型壁上安放两个外冷铁，加快了该处的冷却速度，使厚壁凸台反而最先凝固，从而实现了由下而上的顺序凝固。但对倾向于糊状凝固的合金，由于结晶的固体骨架较好地布满整个铸件的截面，使冒口的补缩通道堵塞，难以实现定向凝固。图l-6 2022/12/2322第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 C

23、asting ProcessCasting Process四铸件内应力、变形与裂纹1内应力的形成铸造应力按产生的原因不同，分为热应力、收缩应力和相变应力三种。铸件中的铸造应力，就是这三种应力的矢量和。（1）热应力(dz95)铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力，称热应力。2022/12/2323第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process图l-7所示的应力框铸件一根粗杆I和两根细杆II组成。上部表示了杆I和杆II的冷却曲线，图1-7热应力的形成+表示拉应力;表示压应力t临表示金属弹塑性临界温度。当铸件处于高温阶段时，两杆均

24、处于塑性状态，尽管杆I和杆II的冷却速度不同，收缩不一致要产生应力，但铸件可以通过两杆的塑性变形使应力很快自行消失。继续冷却到T1T2间，此时杆II温度较低，已进入弹性状态，但杆I仍处于塑性状态。杆II由于冷却快，收缩大于杆I，在横杆作用下将对杆I产生压应力，而杆I反过来对杆II施以拉应力（图中b）。图l-7 2022/12/2324第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process处于于塑性状态的杆I受压应力作用产生压缩塑性变形，使杆I、杆II的收缩一致，应力随之消失（图中c）。当进一步冷却到更低温度时，杆I和杆II均进入弹性状态，此时杆I温度较高，

25、冷却时还将产生较大收缩，杆对温度较低，收缩已趋停止，在最后阶段冷却时，杆I的收缩将受到杆II强烈阻碍，因此杆I受拉，杆II受压。到室温时形成了残留应力（图中d）。图l-7 2022/12/2325第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process热应力使冷却较慢的厚壁处或心部受拉应力，冷却较快的薄壁处或表面受压应力。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。顺序凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一致，产生的热应力较大，铸件容易出现变形和裂纹。（2）机械应力(dz72)铸件在固态收缩时，因受到铸型、芯子、浇冒口、箱档等外力的阻碍而产生的

26、应力称机械应力。图l-8为铸件产生收缩应力的示意图。图l-8收缩应力的产生 2022/12/2326第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process（3）减少和消除铸造应力的措施同时凝固(dz22)是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。（图l-9）铸件如按同时凝固原则凝固，各部分温差较小，不易产生热应力和热裂，铸件变形较小。同时凝固时不必设置冒口，工艺简单，节约金属。但同时凝固的铸件中心易出现缩松，影响铸件致密性。图l-9同时凝固示意图 2022/12/2327第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCa

27、sting Process2铸件的变形与防止处于应力状态的铸件是不稳定的，将自发地通过变形来减小内应力，趋于稳定状态。一般铸件厚壁处（慢冷处）受拉应力，将发生缩短（内凹）变形；而薄壁处（快冷处）受压应力，将发生伸长（外凹）变形。图1-10所示为车床床身，其导轨部分因较厚而受拉伸，于是朝着导轨方向产生内凹。（梯形梁铸件的应力与变形，1）图1-10车床床身挠曲变形示意图 2022/12/2328第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process为防止铸件产生变形，除在铸件设计时尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称外，在铸造工艺上应采用同时凝固原则，以便冷却均匀

28、。对于长而易变形的铸件，还可采用“反变形”工艺。反变形法是在统计铸件变形规律的基础上，在模样上预先做出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。2022/12/2329第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process复习思考题复习思考题1.试述铸造成形的实质及优缺点。2.合金的铸造性能对铸件的质量会产生什么影响?常用铸造合金中，哪种合金铸造性能较好?哪种较差?为什么?3.某工厂铸造一批哑铃，常出现如图1-11所示的明缩孔，你有什么图1-11哑铃铸件措施可以防止，并使铸件的清理工作量最小?图1-11哑铃铸件2022/12/2330第一章第一章 铸造工艺铸造工艺 Casting ProcessCasting Process复习思考题复习思考题4.某厂自行设计了一批如图1-12所示的铸铁槽型梁。铸后立即进行了机械加工，使用一段时间后，在梁的长度方向上发生了弯曲变形。该梁壁厚均匀，为什么还会变形?判断梁的变形方向；有何铸造工艺措施能减少变形？为防止铸件变形，请改进槽型梁的结构。100060202020图1-12铸铁槽型梁 2022/12/2331