机械制造基础(上海交大出版社)

第页第页第页第页1、教材介绍《机械制造基础》是为适应金属工艺学理论与实践教学而精心编写的一本较为成功的教材。从1998年5月第一版问世以来，受到全国许多高校同仁的厚爱，使用量已达5万多册，十多所高校采用为授课教材，数十所高校将其作为教学参考书。2001年3月第二版出版，2005年11月第三版发行。本书第一版获上海市优秀教材三等奖，第二版于2004年获上海市教材二等奖，并于今年被定为国家十一五规划教材。为了更好地使用本教材，作者根据在上海大学金工理论教学和实践教学的多年积累，编著了与教材配套的多媒体教材。1第页第页《机械制造基础》多媒体教材分为上、下二册，每册8辑，共16辑。包含了金工实习和工程材料、热加工、冷加工理论教学的全部内容。上册包括：第一辑：工程材料第二辑：铸造成形（上）第三辑：铸造成形（下）第四辑：锻压成形（上）第五辑：锻压成形（下）第六辑：焊接成形（上）第七辑：焊接成形（下）第八辑：非金属材料成形和快速成形2、多媒体教材介绍2第页第页下册包括：第一辑：测量金属切削基础第二辑：钳工第三辑：车削加工和螺纹加工第四辑：铣削加工/刨削加工/镗削加工/拉削加工第五辑：齿轮加工/磨削加工/精密加工第六辑：数控加工第七辑：特种加工和CAD/CAM技术第八辑：机械制造工艺过程/现代制造技术的发展3第页第页第一辑工程材料工程材料部分主要包含了以下内容：41.5.1固溶体1.5.2固溶体的性能1.6铁碳合金1.6.1铁碳合金基本组织1.6.2铁碳合金相图1.6.3铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律1.7钢的热处理1.7.1概述1.7.2钢在加热时的转变1.7.3钢在冷却时的转变1.7.4常用的钢的热处理1.8塑料1.8.1塑料的组成1.8.2塑料的分类和性能1.9现代结构材料1.9.1铝合金1.1概述1.1.1金属材料的发展1.1.2非金属材料及复合材料的发展1.1.3新材料的发展趋势1.2金属材料简介1.2.1金属材料的种类1.2.2金属材料的性能1.3晶体的结构1.3.1晶体与非晶体1.3.2实际金属的晶体结构1.4金属的结晶1.4.1结晶的概念1.4.2金属结晶过程1.4.3铸态晶粒的大小1.4.4金属的同素异构1.5二元合金的晶体结构1.9.2钛合金1.9.3镍及镍合金1.9.4镁及镁合金1.9.5难熔金属1.9.6先进陶瓷1.9.7复合材料1.10功能材料1.10.1传感器用敏感材料1.10.2电功能材料1.10.3磁功能材料1.10.4新能源材料1.10.5光学功能材料1.10.6热功能材料1.10.7力学、声学功能材料1.11纳米材料1.11.1纳米材料的发展1.11.2纳米材料的应用及前景第页第页第页第页实验证明，金属材料能承受的交变应力σ与断裂前应力循环次数N有如图1-6所示的规律。由图所知，当σ低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强度或疲劳极限。用σ－1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度。一般钢的循环次数为10－7，有色金属为10－8。疲劳强度（续）动画:疲劳强度曲线疲劳强度曲线6第页第页7.高温下的力学性能材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。许多机械零件在高温下工作，所以在室温下测定的性能指标就不能代表其在高温下的性能。一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服强度σS、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象。7第页第页在9.11恐怖事件中，美国引以为傲的纽约世界贸易中心大楼完全倒塌。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。教学视频:世界贸易中心大楼倒塌纽约世贸大楼曾是世界第一高楼，它高411m，单个塔楼的重量约5万t。撞击大楼的波音757飞机起飞重量104t，波音767飞机起飞重量156t。它们的飞行速度大约是每小时1000km。从速度比这小得多的汽车相撞事故，可以想象这次大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大。世贸大楼倒塌8第页第页教学视频：倒塌原因分析这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35t燃油，波音767飞机可载51t燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它的满满一油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，并燃起了熊熊大火。但据幸存者描述，飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1m，但整幢大楼无论是内部还是外部并没有严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键。9第页第页2.晶格、晶胞和晶格常数动画：晶体中原子排列示意图在空间点阵中取一单位体积（通常为六面体）作为点阵的最小组成单元，称为晶胞。晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长a、b、c和棱边之间的夹角α、β、γ来表示。10第页第页金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体的过程。金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。1.4.2金属结晶过程教学视频：金属的结晶11动画：金属的结晶第页第页2)亚共析钢结晶过程动画：亚共析钢结晶过程12第页第页(3)分级淬火法。将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。(4)等温淬火。将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。13动画：淬火冷却方法淬火冷却方法第页第页（4）电接触加热表面淬火。其特点是工件变形小，工艺简单，不需回火，但硬化层薄、形状复杂的工件不宜采用。（5）激光加热表面淬火。激光加热表面淬火是以高能量激光束扫描工件表面，使工件表面快速加热到钢的临界点以上，利用工件基体的热传导实现自冷淬火，实现表面相变硬化。激光加热表面淬火最佳的原始组织是调质组织，淬火后零件变形极小，表面质量很高，特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部及深孔内壁的热处理，而这些部位是其他表面淬火方法极难做到的。14动画：电接触加热表面火电接触和激光表面淬火第页第页第二辑：铸造成形(1)铸造成形（1）部分主要包含了以下内容：152.1概述2.2铸件形成理论基础2.2.1金属的充型2.2.2合金的收缩2.3造型方法2.3.1手工造型2.3.2机器造型2.3.3造型生产线2.4铸造工艺分析2.4.1浇注位置和分型面的确定2.4.2浇注系统的确定2.4.3型芯的形式2.4.4主要工艺参数的确定2.4.5铸造工艺图的制定第页第页目录第页第页北京明朝永乐青铜大钟重达46.5t，钟高6.75m，钟唇厚22cm，外径3.3m，钟体内遍铸经文22.7万字，击钟时尾音长达2min以上，传距20km。永乐青铜大钟外形和内腔如此复杂、重量如此巨大、质量要求如此之高，若不采用铸造方法和具有精湛的铸造技术，是难以用其他任何方法制造的。教学视频：永乐大钟17第页第页缩孔的防止方法可以考虑采用冒口补充热节圆处的金属液体，和采用冷铁激冷远离冒口处的金属，在生产上一般称为定向凝固补缩原则。即远离冒口处的金属先凝固，靠近冒口处的金属后凝固，冒口处的金属最后凝固，形成一条畅通的补缩通道，如下图所示。动画：定向凝固18第页第页三箱造型的特点是只能手工造型。因此，造型时工艺操作比较麻烦，只适应于单件小批生产。由于三箱造型的中箱高度与中箱模样的高度相等，故中箱的通用性较差。并且由于机器造型不能采用三箱造型，在大批生产时，往往采用外型芯环，从而使槽轮铸件的三箱造型变为两箱造型。19动画：变三箱造型为两箱造型第页第页(5)应尽量使加工基准面与大部分加工面在同一砂箱内动画：分型面选择原则520以确保铸件的加工精度。第页第页浇注系统的类型很多，根据合金种类和具体铸件情况不同，按照内浇道在铸件上开设位置的不同，可将浇注系统分为顶注式、底注式、中间注入式和分段注入式等。1)顶注式浇注系统2.浇注系统的类型优点是易于充满型腔，型腔中金属的温度自下而上递增，因而补缩作用好、简单易做、节省金属。但对铸型冲击较大，有可能造成冲砂、飞溅和加剧金属的氧化。所以这类浇注系统多用于重量小，高度低和形状简单的铸件。动画：顶注式浇注系统21第页第页2.4.3型芯的形式1.型芯的作用型芯是砂型的一部分，在制造中空铸件或有妨碍起模的凸台铸件时，往往要采用型芯。教学视频：型芯的作用22第页第页4.型芯的制作教学视频：手工制芯教学视频：机器制芯23第页第页铸造成形（2）部分主要包含了以下内容：242.5特种铸造2.5.1金属型铸造2.5.2离心铸造2.5.3压力铸造2.5.4低压铸造2.5.5熔模铸造2.5.6壳型铸造2.5.7陶瓷型铸造2.5.8磁性铸造2.5.9石墨型铸造2.5.10真空吸铸2.5.11差压铸造2.6常用铸造方法的比较2.7铸造新工艺新技术简介2.7.1真空密封造型2.7.2气流冲击造型2.7.3消失模造型2.7.3消失模造型2.7.4冷冻造型法2.7.5半固态金属铸造2.7.6SSM技术在全世界应用日益广泛2.8铸造技术的发展趋势第3辑：铸造成形(2)第页第页第页第页2.5特种铸造所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺。特种铸造一般能至少实现以下一种性能：铸造方法公差等级(CT)GB6414-86手工砂型11～13机器砂型8～10金属型6～9低压6～9熔模5～7•提高铸件的尺寸精度和表面质量•提高铸件的物理及力学性能•提高金属的利用率(工艺出品率)•减少原砂消耗量•适宜高熔点、低流动性、易氧化合金铸造•改善劳动条件，便于实现机械化和自动化26第页第页随着大工业的到来，机器造型和特种铸造的需求日益上升，金属型开始进入使用。砂型───一次型泥型───半永久型金属型──永久型动画：整体式金属型铸造27第页第页压铸模是进行压铸生产的主要工艺装备，压铸生产过程能否顺利进行，铸件质量有无保证，在很大程度上取决于模具结构的合理性和技术上的先进性。压铸模主要由动模和定模两大部分组成，其总体结构如下图所示。3.压铸模动画：压铸模28第页第页型壳熔模铸造工艺如下视频所示。用易熔材料(蜡或塑料等)制成精确的可熔性模型,并进行蜡模组合，涂以若干层耐火涂料，经干燥硬化成整体型壳，加热型壳熔失模型，经高温焙烧而成耐火型壳，在型壳中浇注铸件。教学视频熔模铸造工艺29型壳熔模铸造工艺第页第页铸造生产中，砂型（芯）直接承受液体金属作用的只是表面一层厚度仅为数毫米的砂壳，其余的砂只起支撑这一层砂壳的作用。若只用一层簿壳来制造铸件，将减少砂处理工部的大量工作，并能减少环境污染。1940年，JohannesCroning发明用热法制造壳型，称为“C法”或“壳法”(shellprocess)，或叫壳型造型(shellmolding)，目前该法不仅可用于造型，更主要的是用于制壳芯。2.5.6壳型铸造30第页第页1.壳型铸造（翻斗法）该法用酚醛树脂作黏结剂，配制的型（芯）砂叫覆膜砂，像干砂一样松散。其制壳的方法有两种：翻斗法和吹砂法。翻斗法常用于制造壳型，吹砂法用于制造壳芯。31动画：壳型铸造（翻斗法）第页第页教学视频：壳形铸造32第页第页磁性铸造是德国在研究消失模铸造的基础上发明的铸造方法，其实质是采用铁丸代替型砂及型芯砂，用磁场作用力代替铸造黏结剂，用泡沫塑料气化模代替普通模样的一种新的铸造方法。其质量状况与实型铸造相同，同时比实型铸造更减少了铸造材料的消耗。经常用于自动化生产线上，可铸材料和大小范围广，常用于汽车零件等精度要求高的中小型铸件生产。2.5.8磁性铸造33动画：磁型铸造第页第页差压铸造装置如动画所示，其工作原理是：浇注前密封室内有一定的压力（或真空度），然后借往密封室A中加压或由密封室B减压