制造技术工程实训

高等学校适用教材制造技术工程实训主编：陈君若副主编：葛夏文马俊武参编者：曲文斌魏镜弢向启宾李自良孙东明王胜民主审:周荣机械工业出版社1前言本书是根据教育部1995年颁布的“高等学校工科本科金工实习教学基本要求”，并结合教学改革的需要及高等学校工科金工实习实际而编写的。在编写过程中，参考了“工程材料及机械制造基础课程指导小组”1997年6月发布的“重点高等工科院校工程材料及机械制造基础系列课程改革指南”中有关“金工实习”的改革意见。科学技术的发展，涌现出许多新的制造方法和加工理念。如何在“金工实习”中反映这些内容，使学生在“金工实习”的过程中，对先进的制造方法和加工理念有所了解，有所接触，是“金工实习”课程改革的主要内容之一。可喜的是，近年来各学校都把“金工实习”列为校级重点课程加以建设，投入了大量的资金，改善金工实习基地的设备，主要内容是增加先进制造技术的有关设备。但适应于这种改革，反映这种变化的教材却很少，这就是编写本教材的初衷。此外，制造技术的发展，已不再仅仅局限于金属材料、铸、锻、焊及切削加工等传统的“金工实习”内容，大量非金属材料的应用，大量非传统制造技术的的涌现，迫切需要在高等学校的各种教材里有所反映。因此，本教材不再沿用传统的《金属工艺学实习教材》的名称，而改称为《制造技术工程训练教材》，以图适应制造技术的新发展和教学改革的需要。编写本教材的目的，是为帮助学生在进行金工实习时，正确地掌握材料的各种加工方法；了解毛坯和零件加工的工艺过程；了解当今制造业的先进加工方法和先进制造理念。指导实习操作，获得初步的操作技能；巩固感性知识，为后继课程的学习和今后的工作打下一定的实践基础。为适应教学改革的需要，本教材大幅度增加了先进制造技术，以及各种新工艺、新技术的内容（约占全书的三分之一），同时压缩了传统加工方法的叙述。编写过程中，力求做到先进加工方法与传统加工方法的结合与连贯，既具有科学性、系统性，又具有适用性、先进性，着力反映现代科技新成就。各章后均有复习思考题，有助于学生消化、巩固和深化教学内容。本教材中所涉及的各项技术标准及专业名词术语，均采用最新的国家标准或有关部门标准。本书第一、第二章、第四章由葛夏文编写；第三章、第五章、第六章由曲文斌、魏镜弢编写；第七章、第九章由向启宾编写；第八章由马俊武编写；第十章由陈君若编写；第十一章由李自良、孙东明编写、第十二章由魏镜弢、王胜民编写。最后由陈君若统稿并担任主编。由周荣教授审阅，并提出宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在本书的编写过程中，得到昆明理工大学机电工程学院领导、金工教研室全体同仁以及昆明理工大学工程实践训练中心、昆明理工大学教务处领导的大力支持和热忱帮助，同时得到机械工业出版社有关同志的大力支持，特此致谢！由于编者水平有限，书中难免有欠妥或错误之处，敬请批评指正。编者2003年1月2目录第一篇工程材料基础知识第一章工程材料第一节金属材料基础知识第二节常用金属材料第三节常用非金属材料第二章材料处理技术第一节金属材料热处理第二节常用表面处理技术第二篇材料成形加工第三章金属铸造成形第一节铸造工艺基础知识第二节砂型铸造第三节铸钢及有色金属铸造简介第四节铸件质量分析第五节特种铸造简介第四章金属塑性成形第一节锻造第二节板料冲压第三节先进塑性成形加工工艺第五章金属焊接成形第一节焊接工艺基础知识第二节手工电弧焊第三节气焊与切割第四节其它常用焊接方法第五节焊接质量及分析第六节先进焊接工艺第六章非金属材料成形第一节工程塑料成形第二节橡胶制品成形第三节特种陶瓷成形第三篇金属切削加工第七章切削加工基本知识第一节切削加工概述第二节切削刀具的几何角度及材料第三节常用切削加工机床的类型和型号第四节常用量具第五节零件的加工质量第八章机械切削加工第一节车削加工第二节刨削加工第三节铣削加工3第四节齿形加工第五节磨削加工第九章钳工第一节钳工概述第二节划线第三节锯切第四节锉削第五节钻孔、扩孔和铰孔第六节攻螺纹和套螺纹第七节装配第四篇现代制造技术第十章现代制造技术概述第一节先进制造技术介绍第二节CAD/CAE/CAM技术第三节虚拟产品开发技术第四节计算机集成制造系统第五节快速原型技术第十一章数控加工技术第一节概述第二节常用数控机床简介第三节数控编程技术基础第四节数控机床的操作和使用第五节常用数控机床的编程及应用实例第十二章特种加工第一节概述第二节电火花加工第三节电火花线切割加工第四节其它特种加工方法简介参考文献4第一篇工程材料基础知识在人类新的历史进程中，材料、能源、信息以及生物技术已成为一个国家经济建设的支柱产业，其中材料占有十分突出的地位。上世纪40～50年代，材料的开发应用主要围绕着机械制造业，因此，主要发展了以一般力学性能为主的金属材料。90年代以后，随着科学技术的发展，材料工艺不断进步，从而全面推动了新材料的开发和应用，极大的提高了材料的性能和质量，可以看出，没有新材料就没有科技发展的物质基础。因此，在产品的开发、设计、制造过程中，一个合格的工程技术人员必须具备工程材料的基本知识，只有了解了材料的机械性能、物理、化学性能以及工艺和经济等各种性能，才能根据使用要求，合理的制定工艺方法、合理的选材和加工，生产出合格的产品。鉴于此，本篇通过对工程材料基础知识以及材料处理技术的介绍，为后续各种制造技术的学习以及工程实践训练打下良好的基础。第一章工程材料凡与工程有关的材料均可称为工程材料(EngineeringMaterials)，工程材料按其性能特点可分为结构材料和功能材料。结构材料通常以硬度、强度、塑性、冲击韧性等力学性能为主，兼有一定的物理、化学性能。而功能材料是以光、电、声、磁、热等特殊的物理、化学性能为主的功能和效应材料。工程材料种类繁多，用途广泛，工程上通常按化学分类法对工程材料进行分类，可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等，如图1-1所示。铸铁工程构件用钢黑色金属材料机器零件用钢钢工具钢金属材料不锈钢及耐热钢轻金属：铝、镁、钛等重金属：铜、锌、铅、镍等有色金属材料贵金属：金、银、铂等稀有金属：钨、钼、钒、锂、钴等放射金属：镭、铀、钍等氧化物陶瓷Al2O3、SiO2、MgO、ZrO2工程材料陶瓷材料碳化物非氧化物陶瓷氮化物硼化物塑料高分子材料橡胶合成纤维金属基复合材料复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料图1-1工程材料分类第一节金属材料基础知识金属材料是目前制造业使用最为广泛的材料，它具有许多优良的综合性能，如物理性能、化学性能、力学性能、工艺性能等，因而广泛应用于现代科技和日常生活中，可采用各种加工方法制成各种形状和性能的零件。一、金属的晶体结构固态物质按其原于排列，可分为晶体和非晶体两种。固态金属和合金基本上都是晶体物质。在晶体中，原子按一定的几何形状呈规则重复的空间排列，为了便于描述晶体中的原子排列规律及其几何形状，把每个原子抽象成几何结点，以假想的直线连接起来，使之成为一个空间格子，称为晶格。在金属元素中，常见的晶格形式有以下三种：见表1-15表1-1常见金属及其晶格形式晶格类型常见金属晶格与晶胞示意图体心立方晶格属于这种晶格类型的金属有：-Fe(912C以下的纯铁)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)等。这类金属具有较好的强度和塑性。面心立方晶格属于这种晶格类型的金属有：-Fe(温度在912-1394C的纯铁)、铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)等。这类金属的塑性都很好。密排六方晶格属于这种品格类型的金属有：铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、-钛(Ti)、-铬(Cr)及-钴(Co)等。各种金属因为其晶格结构的不同，其机械性能（弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等）也不一样。从以上常见的晶格类型中，我们还可以看出纯铁在不同的温度下，存在不同的晶格类型,其机械性能也不相同，这种同一金属具有两种或两种以上晶体结构的现象称为金属的同素异构性。金属的晶体结构随温度的变化而改变的现象称为同素异构转变。铁的同素异构转变是钢材进行热处理的重要理论基础。二、合金的结构纯金属虽然得到了一定的应用，但是它的机械性能较差，而且价格昂贵。因此在工业生产上应用的大都是合金。一种金属元素与其它金属或非金属元素，通过熔化或其它方法结合成的具有金属特性的物质叫合金。例如，工业上广泛应用的碳素钢和铸铁就是以铁和碳两种元素为主组成的合金；黄铜则是由铜和锌组成的合金。合金除具有纯金属的特性外，还具有更好的机械性能，并可以通过调节组成元素的比例来获得一系列性能各不相同的合金，以满足工业生产中所需要的各种性能要求。合金的组成元素称为组元。由两个组元组成的合金称为二元合金，如黄铜就是由铜和锌组成的二元合金；其它由三个组元或四个组元组成的合金称为三元合金和四元合金，如硬铝是由铝、铜和镁组成的三元合金。合金的结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元之间在结晶时的相互作用，合金可以形成：固溶体、金属化合物和机械混合物三种。1．固溶体合金在固态时，由两种或两种以上物质相互溶解构成单一均匀的物质即为固溶体。固溶体具有溶剂组元的晶格类型。例如碳溶解在-Fe中的固溶体称为铁素体，具有溶剂组元-Fe的晶格类型——体心立方晶格。溶质原子溶入溶剂晶格形成固溶体后，造成溶剂晶格发生歪扭和畸变，导致固溶体的塑性变形抗力增大、强度和硬度升高的现象称为固溶强化。2．金属化合物金属化合物是两组元相互作用而形成的一种新的具有金属特性的物质。如铁碳合金中铁和碳可以组成晶格复杂的碳化物——渗碳体（Fe3C）。另外还有如CuZn、Cr7C3、MoC、VC等金属化合物。金属化合物一般具有较高的熔点以及高的硬度和脆性，3．机械混合物是指纯金属、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质。如铁碳合金中的铁素体和渗碳体在一定条件下形成的均匀物质就是一种机械混合物——称为珠光体。机械混合物的性能决定于组成混合物各部分的性能、数量、大小和形态。三、铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组成元素是铁和碳，统称为铁碳合金。合金的结构远比纯金属复杂。为了更好地研究和使用合金，就必须了解合金中各种组织与成分之间的变化规律。合金状态图就是研究这些规律的有效工具。合金状态图是通过实验制作出来的。它用图解的方法表示合金的状态、组织、温度和成分之间的变化规律。最为典型的是铁碳合金状态图。（见图1-2）（一）铁碳合金的基本组织见表1-2表1-2铁碳合金的基本组织、结构类型及性能特点完全镦粗局部镦粗图4－3镦粗6基本组织结构类型性能特点铁素体碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。常用符号F或表示。它仍保持-Fe的体心立方晶格。碳在-Fe中的溶解度很小，在727C时的溶解度为0.0218%。随着温度的降低，碳在-Fe中的溶解度下降，在室温时只能溶解微量的碳。因此其性能接近于纯铁，塑性、韧性较好；强度、硬度较低。可用于冷变形加工。奥氏体碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。常用符号A或表示。它仍保持-Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格的间隙较大，因而奥氏体的溶碳能力较强，在1148C时可溶碳2.06%，在723C时能溶碳0.77%。奥氏体的强度、硬度较低，塑性很好，适于压力加工。钢大多数加热到奥氏体温区进行锻造。渗碳体铁与碳形成的金属化合物Fe3C。它具有不同于铁和碳的复杂晶体结构，其含碳量为6．69％。渗碳体的硬度很高，脆性很大，塑性、韧性极差。渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度、硬度提高，而塑性和韧性下降。珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。珠光体中软而韧的铁素体和硬的渗碳体层片相间，使珠光体具有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，其终合机械性能较好。（二）铁碳合金的分类及其组织转变过程1．铁碳合金的分类根据铁碳合金状态图，含碳量大于2.11%的铁碳合金为铁；含碳量小于2.11%的为钢。其中钢分为：亚共析钢——含碳量在0.0218%0.77%之间；共析钢——含碳量为0.77%；过共析钢——含碳量在0.77%2.11%之间。生铁可分为:亚共晶生