机械制造工程基础教案

1.1铸造成形1)授课对象：本科机械类专业2)授课时数：8学时3)学教内容：本章介绍铸造成形的工艺基础、基本概念、特点，铸件的结构工艺性和铸造工艺设计。4)教学重点与难点：金属液态成形的工艺基础，砂型铸造及特种铸造方法，铸件的结构设计方法，常用合金铸造的生产和液态成形的新工艺、新技术。5)教学方法：多媒体课件课堂教学6)教学目的与要求：（1）掌握金属液态成形的工艺基础；（2）掌握砂型铸造方法；（3）掌握铸件的结构设计方法；（4）学会绘制铸造工艺图；（5）掌握常用合金铸件的生产方法；（6）了解液态成形新工艺、新技术；1.1.1金属液态成形工艺基础1)教学内容：本节主要讨论合金的流动性和充型能力，铸件的凝固与收缩，铸件的内应力、变形和裂纹，铸件的常见缺陷及分析。2)教学重点和难点：流动性、充型能力、凝固与收缩、缩孔与缩松、铸件的内应力、变形和裂纹等基本概念，以及影响流动性和充型能力的因素以及减小内应力，变形和裂纹的措施。3)教学要求：了解影响液态成形工艺的因素，提高合金流动性及充型能力。正确选择凝固方式，减小应力，变形和防止裂纹，提高铸件质量。4)基本知识点：（1）合金的流动性和充型能力①流动性和影响流动性的因素②充型能力及影响充型能力的因素a.浇注条件b.铸型（2）铸件的凝固与收缩①铸件的凝固方式a.逐层凝固b.糊状凝固c.中间凝固②铸件合金的收缩a.液态收缩b.凝固收缩c.固态收缩③缩孔与缩松a.缩孔与缩松的形成b.缩孔与缩松的防止（3）铸件内应力、变形与裂纹①铸件内应力a.热应力的形成b.机械应力的形成c.减小应力的措施②铸件的变形③铸件的裂纹a.热裂b.冷裂④合金的吸气性和氧化性⑤铸件的常见缺陷分析a.孔眼b.表面缺陷c.形状尺寸不合格d.裂纹e.其他1.1.2砂型铸造1)教学内容：讨论砂型铸造方法和砂型铸造工艺设计方法。2)教学重点和难点：手工造型方法的特点及应用范围，合理进行铸造工艺设计。3)教学要求：了解造型与造芯方法，熟悉手工造芯的基本方法。4)基本知识点：（1）砂型铸造工艺过程（2）造型与造芯方法①手工造型常用手工造型方法的特点及应用范围②机械造型按紧实方式不同机器造型可分为分压造型、震压造型、抛砂造型和射砂造型等四种。③机械造型的工艺特点：采用模底板进行两箱造型。④造芯（3）铸造工艺设计①浇注位置的选择；a.铸件的重要加工面应朝下或位于侧面b.铸件的大平面应朝下c.面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置d.对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近上部或侧面②铸件分型面的选择原则：a.应尽可能使铸件的全部或大部分置于同一砂箱中b.应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中c.应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直面的分型面d.应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型和合型等工序e.应尽量使型腔及主要型芯位于下型③工艺参数的确定a.机械加工余量b.收缩余量c.起模斜度d.型芯头e.最小铸出孔和槽（4）铸造成形工艺设计示例①生产批量；②技术要求；③铸造工艺方案选择；④主要工艺参数确定；⑤绘制铸造工艺图。1.1.3特种铸造1)教学内容：介绍砂型铸造以外的其他几种特种铸造方法。2)教学难点与重点：了解常用特种铸造方法的工艺过程、结构工艺性、特点及应用。3)教学要求：介绍熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造等几种铸型用砂较少或不用砂使用特殊工艺装备进行铸造的方法。4)基本知识点：(1)熔模铸造①熔模铸造的工艺过程；②熔模铸造的结构工艺性；③熔模铸造的特点及应用。(2)金属型铸造①金属型铸造的结构及其制造工艺；②金属型铸造铸件的结构工艺性；③金属型铸造的特点及应用。(3)压力铸造①压铸机和压铸工艺过程；②压铸件的结构工艺性；③压力铸造的特点及应用。(4)离心铸造①离心铸造的类型及工艺；②铸型转速的测定；③离心铸造的特点及应用。(5)低压铸造1.1.4铸件结构设计1)教学内容：本节从便于造型、合箱、清理及减少铸造缺陷和金属或合金的铸造性能对铸件的内在质量影响出发，讨论铸件的结构设计。2)教学重点与难点：根据铸造工艺对铸造结构的要求进行结构设计和根据铸造性能对铸造结构设计的要求进行结构设计。3)教学要求：根据铸造工艺对铸件的要求，合理设计铸件外形、内腔和结构斜度，根据铸造性能的要求合理设计铸件壁厚、壁的联结方式等。4)基本知识点：(1)铸件工艺对铸件结构的要求①尽量使分型面为平面②应具有最少的分型面③尽量避免起模方向存在外部侧凹，以便于起模④凸台和筋条结构应便于起模⑤垂直分型面上的不加工表面最好有结构斜度⑥尽量少用或不用型芯⑦型芯在铸型中应支撑牢固⑧可增加芯头或工艺孔，用以固定型芯（2）铸造性能对铸件结构设计的要求①合理设计壁厚②铸件壁厚应尽量均匀③铸件壁的连接a.铸件的圆角结构b.避免锐角连接c.避免大的水平面1.2锻压成形1)授课对象：本科机械类专业2)授课时数：4学时3)教学内容：本章主要讨论金属塑性变形基础、自由锻和模锻工艺方法。4)教学重点与难点：金属塑性变形后组织与性能的变化、纤维组织的形成与合理应用。自由锻基本工序与自由锻工艺规程的制订，自由锻件结构工艺性。模锻的特点，锤上模锻，锻模结构，模锻件工艺规程的制订。5)教学方法：多媒体课件课堂教学6)教学目的与要求：（1）掌握金属塑性变形后组织与性能的变化（2）掌握自由锻基本工序及自由锻工艺规程的制订。（3）掌握模锻的特点与锻模结构2.1金属塑性变形基础1)教学内容：本节主要讨论金属塑性变形的特点，金属的冷变形强化与再结晶，金属塑性变形后组织与性能的变化。2)教学重点与难点：金属的冷变形强化与再结晶，金属塑性变形后组织与性能的变化，纤维组织的概念、形成原因，合理利用纤维组织。3)教学要求：了解金属塑性变形的特点与实质，掌握金属的冷变形强化与再结晶，金属塑性变形后组织与性能的变化。4)基本知识点（1）金属塑性变形的特点①可改善金属的组织，提高金属的力学性能。②可提高材料的利用率。③具有较高的生产率。④可获得精度较高的毛坯或零件。（2）金属塑性变形的实质①单晶体的塑性变形、滑移、孪生②多晶体的塑性变形晶粒取向对塑性变形的影响、晶界对塑性变形的影响（3）金属的冷变形强化①冷变形强化的概念：金属在冷变形后，其强度和硬度提高，塑性降低的现象称为冷变形强化。②产生冷变形强化的原因：引起产生冷变形强化的原因是各滑移方向的位错相互干涉，使变形困难。③冷变形强化的利弊利：可利用冷变形强化作为一种强化金属的工艺用于生产。弊：使进一步变形困难，必须增大变形设备功率；必须增加中间退火工序。（4）再结晶再结晶过程可分为回复、再结晶、晶粒长大三个阶段再结晶温度T再经验公式：T再=0.4T熔式中，T再为最低再结晶温度，T熔为金属熔点的温度。①回复：当加热温度低于再结晶温度时，晶格中的原子只能作短距离扩散，使空位与间隙原子合并，空位与位错发生交互作用而消失，使晶格畸变减轻，残余应力显著下降。组织、性能无明显变化。②再结晶：当加热温度超过再结晶温度时，形成新晶粒取代已变形的晶粒。钢铁的最低再结晶温度400~450℃，再结晶退火温度600~700℃③晶粒长大：对冷变形金属进行再结晶退火，一般都得到细小的等轴晶粒。如温度继续升高，或延长保温时间，则再结晶后的晶粒又会长大而形成粗大晶粒，从而使金属的强度、硬度和塑性降低。（5）金属热塑性变形对组织与性能的影响①消除铸态的某些缺陷，提高材料的力学性能通过塑性变形可使铸态中的疏松、气孔等压合，消除偏析，将粗大的柱状晶和枝晶压碎，再结晶成细小均匀的等轴晶粒，改善夹杂物、碳化物的形态与分布。结果提高了金属材料的致密度和力学性能。②形成纤维组织热加工时因铸态中的非金属夹杂物沿金属流动方向被拉长形成纤维组织，这些夹杂物在再结晶时不会改变其纤维状。存在纤维组织会导致金属材料的各向异性。沿纤维方向的力学性能高，垂于纤维方向的力学性能低。纤维组织的合理利用。（6）锻造比锻造可改善铸态金属组织的结构和性能，改善的程度取决于塑性变形程度。塑性变形程度常用锻造比表示。锻造比：锻造前后金属坯料的横截面积或长度比。锻造比的选择：用轧材或锻坯作为锻造坯料时，由于坯料已经过热塑性变形，可选择较小的锻造比。（≥1.5）。用钢锭作为锻造坯料时，因钢锭内部一般存在缺陷，锻造比应大于2.5。对于合金结构钢，锻造比为3~4。对于铸造缺陷严重，碳化物粗大的高合金钢锭，应选择较大的锻造比，如高速钢的锻造比为5~12，不锈钢的锻造比为4~6。2.2自由锻1)教学内容：本节先对自由锻方法进行必要的概述，主要讨论自由锻基本工序的内容、自由锻工艺规程的制订、自由锻件的结构工艺性、高合金钢的锻造特点。2)教学重点与难点：自由锻基本工序的内容、自由锻工艺规程的制订、自由锻件的结构工艺性3)教学要求：掌握基本工序的内容及自由锻工艺规程的制订，掌握典型零件的自由锻件的结构工艺性，了解自由锻件的分类、了解高合金钢的锻造特点、了解常见的锻造缺陷。4)基本知识点（1）自由锻概述（2）自由锻工序自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序：它是使金属坯料实现主要的变形要求，达到或基本达到锻件所需形状尺寸的工序。主要有以下几种。①镦粗：使坯料高度减小、横截面积增加的工序。它是自由锻中最常用的工序，适合于块状、盘套类锻件的生产。②拔长：使坯料横截面积减小、高度增加的工序。它适用于轴类、杆类锻件的生产。为壹规定的锻造比和改变金属内部组织结构，锻造以以钢锭为坯料的锻件时，拔长经常与镦粗交替反复使用。③冲孔：在坯料上冲出通孔或盲孔的工序。对圆环类锻件，冲孔后还应进行扩孔。④弯曲：使坯料轴线产生一定曲率的工序。⑤扭转：使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定的角度的工序。⑥错移：使坯料的一部分相对于另一部分平移错开，但仍保持轴心平行的工序，它是生产曲轴或曲拐类锻件所必须的工序。⑦切断：分割坯料和切除锻件余量的工序。⑧锻接：是将两分离工件加热到高温，在锻压设备产生的冲击力或压力作用下，使两者在固相状态下结合成一牢固整体的工序。辅助工序：它是指进行基本工序之前的预变形工序。如压钳口、倒棱、压肩。精整工序：它是在完成基本工序之后，用以提高锻件尺寸及位置精度的工序。如校正、滚圆、平整等。（3）自由锻工艺规程的制订①绘制锻件图锻件图是制定锻造工艺的依据，绘制锻件图时主要考虑工艺余块、余量及锻件公差。锻件中零件轮廓线用双点划线表示。（用图片说明）工艺余块：零件上的某些精细结构，如键槽、齿槽、小孔不通孔、小台阶难以用自由锻锻出，必须添加一部分金属以简化锻件形状，这部分添加的金属称为工艺余块。锻件余量：锻件上凡需要切削加工的表面都应留有加工余量。锻件公差：零件的基本尺寸加上加工余量称为锻件基本尺寸，锻造公差是锻件基本尺寸的允许变动量。②坯料重量及尺寸计算坯料重量可按下式计算：G料=G锻件+G烧损+G料头式中G料——坯料重量G锻件——锻件重量G烧损——烧损重量，第一次加热取被加热金属的2~3%，以后各次加热取1.5~2%。G料头——在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的重量。坯料尺寸的确定：首先根据锻件图计算出坯料的体积，并根据材料的密度计算出坯料的重量，再根据基本工序的类型及锻造比计算坯料横截面积、直径、边长等。③选择锻造工序根据不同类型的锻件选择不同的锻造工序。一般锻件可分为六类（用图例说明）。盘类、圆环类：镦粗、冲孔、扩孔、定径筒类：镦粗、冲孔、芯轴拔长、滚圆轴类：拔长、压肩、滚圆杆类：拔长、压肩、修整、冲孔曲轴类：拔长、错移、压肩、扭转、滚圆弯曲类：拔长、弯曲实例：汽车半轴自由锻工艺规程（4）自由锻件的结构工艺性①尽量避免锥体和斜面结构。②尽量避免圆柱面与圆柱面相交。③避免椭圆形、工字形或其他非规则形状截面及非规则外形。④避免加强筋与凸台等结构。⑤复杂件应设计成为简单件组合件。（5）高合金钢的锻造特点备料：高合金钢坯料不允许有表面裂纹等缺陷，锻前需进行退火处理。加热特点与锻造温度范围：应低温装炉，缓慢升温。锻造温度范围窄，只有100~200℃锻造特点：控制变形量、增大锻造比、变形要均匀、