金属加工与实训-基础常识电子教案全套教案-授课电子教案-整本书电子讲义-教学讲义.docx

金属加工与实训（基础常识）目录理论模块7模块一 金属加工与实训概论7模块二 金属材料及热处理基础14课题一 金属材料的力学性能14课题二 常用钢、合金钢材料30课题三 铸铁71课题四 非铁金属及新型材料82模块三 热加工基础105课题一 铸造105课题二 锻压119课题三 焊接139课题四 钢的热处理153模块四 冷加工基础166课题一 金属机床及金属切削加工基础167课题二 车床及其应用187课题三 铣床及其应用199课题四 钻床及其应用211课题五 数控机床及其应用219课题六 其他机床及其应用234课题七 特种加工及零件生产过程的基础知识249实验指导280实验一 材料的拉伸压缩试验280实验二 硬度试验288实验三 冲击试验297附录1布氏硬度（硬质钢球）不同条件下的试验力299附录2 平面布氏硬度值计算表300附录3 洛氏硬度不同标尺的硬度范围311附录4 钢硬度与抗拉强度换算表312参考文献315教 案授课日期授课班级授课课时授课形式新 授授课章节名 称模块一 金属加工与实训概论使用教具投影仪教学目的1、了解金属加工的发展史2、了解金属加工在我国的经济发展中的作用3、了解金属加工的分类及特点4、了解金属加工安全生产的重要性5、如何学好本课程教学重点金属加工的发展史、作用、分类及特点教学难点金属加工的发展史、作用、分类及特点内容更删课外作业教学后记教案内容理论模块模块一 金属加工与实训概论【学习目标】1、了解金属加工的发展史2、了解金属加工在我国的经济发展中的作用3、了解金属加工的分类及特点4、了解金属加工安全生产的重要性5、如何学好本课程【课题导入】2012年6月16日18时37分，神舟九号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。你知道神舟九号飞船是用什么材料制成的吗？是在什么地方制造的吗? 这个就是我们这本书要学习的内容。【知识链接】 金属材料常指工业上所使用的金属和合金的总称。金属材料包括钢铁、有色金属及其合金。自然界中，目前存在的纯金属大约有70多种，常见的有：金、银、铜、铁、锡、铂、汞、铝、锌、钛、钨、铅、镍等。合金是指由两种以上的金属、金属和非金属结合而成的且具有金属性质的材料。金属材料及加工的发展史1、金属材料的发展人类的文明史，从某种意义上说就是一部人类认识材料和使用材料的发展史。2、金属切削加工的发展我国在金属切削方面有着悠久的历史。古代加工石质、木质、骨质和其他非金属器物是今天金属加工的序曲。在旧石器时代就有石砍砸器，到了新石器时代，如：石斧、石刀、石镰等。并且以能在石器上钻孔。我国的金属切削加工工艺，从青铜器时代开始萌芽的，并逐渐形成和发展。二、金属加工在国民经济中的作用任何机械设备，大到火箭、卫星、轮船，小到仪器、仪表、生活用具，都是用不同材料通过各种成形方法加工制造而成的。其中金属材料一般都占有较大的比例。金属材料一般是指工业应用中的纯金属或合金。自然界中大约有70多种纯金属，而合金常指两种或两种以上的金属或金属与非金属结合而成，且具有金属特性的材料。三、金属加工的分类与特点。金属加工的分类方法很多，1、按有无切屑分切屑成型、无切屑成型；（1）切屑成型：（2）无屑成型： 2、按加工温度分塑性成型加工、固体成型加工； （1）塑性成型加工：（2）固体成型加工： 3、按金属加工工艺流程，可以把金属加工分为热加工、冷加工和其他加工三大类。（1）热加工类铸造锻压 焊接热处理（2）冷加工类钳工车削铣削刨削 磨削除上述加工外，常见的冷加工方法还有：钣金、镗削、冲压、组合机床加工等。（3）其他加工 机械设备维修指从事设备安装维护和修理的方法。电路维修指从事工厂设备的电气系统安装、调试与维护、修理的方法。电加工设备加工是利用电加工设备进行零件加工的方法。四、金属加工的安全生产金属加工的安全主要是人身安全和设备安全，防止生产中发生意外安全事故，消除各类事故隐患。国家安监局对安全生产特别重视，对安全生产要求规范化、制度化。发布了关于有色金属压力加工企业的安全生产标准化考评程序、有效期、等级证书和牌匾按照全国冶金等工贸企业生产标准化考评办法（安监总管四【2011】84号）中有关要求执行及于印发企业安全生产责任体系五落实五到位的规定的通知（安监总办【2015】27号）等文件。安全责任重大，安全无小事。五、如何学好课程1、了解本课程的主要内容2、熟悉学习本课程的任务3、学习本课程的方法4、学生自我评价、总结、检测、反馈5、老师总结、布置作业【知识梳理】 金属加工的发展史 金属加工在我国的经济发展中的作用 有无切屑 加工温度金属加工与实训概论 金属加工的分类及特点 金属加工工艺流程 其它 金属加工在我国的经济发展中的作用 如何学好本课程 【学后评量】教 案授课日期授课班级授课课时授课形式新 授授课章节名 称模块二 金属材料及热处理基础课题一 金属材料的力学性能使用教具投影仪教学目的掌握力学性能主要指标强度、塑性、硬度、韧性等表示方法及疲劳破坏的概念。教学重点力学性能主要指标、教学难点力学性能主要指标内容更删课外作业教学后记模块二 金属材料及热处理基础【本章主要内容】1、力学性能主要指标强度、塑性、硬度、韧性等表示方法及疲劳破坏的概念。2、金属材料的分类，常用金属材料的牌号，新型的工程材料。3、钢的热处理概念、目的、分类。 4、常用热处理：退火、正火、淬火、回火、调质、时效处理的目的、方法及应用；钢的表面热处理和化学热处理的一般方法。5、热处理的新技术、新工艺及典型零件的热处理工艺过程。课题一 金属材料的力学性能【学习目标】掌握材料的强度、塑性、韧性、硬度、疲劳等力学性能的基本概念及应用。熟悉常用力学性能指标的测试方法，掌握材料力学性能的表示方法，及其应用。【课题导入】1、1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故，一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。最近，事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。2、2002年5月25日，台湾华航的一架波音747客机在试行台北到香港CI611航班途中，坠落于澎湖外海，机上225名乘客与机组人员全部遇难。经调查证实，失事原因是金属疲劳断裂，金属疲劳裂纹竟原自1980年2月7日飞机起飞时擦地产生的刮痕。后来飞机进行维修时，刮痕并未抛光即补上补钉，金属疲劳裂纹就沿着刮痕产生。3、2007年11月2日，一架美军F-15C鹰式战斗机在空中缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，飞机的关键支撑构件-？梁出现了金属疲劳问题。【知识链接】金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。金属表现出来的强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等特性，就是金属材料在外力作用下表现的力学性能指标。一、 强度、塑性、韧性金属材料在加工和使用工程中都要承受不同外力的作用，这个外力一般称为载荷。按作用方式不同，可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切机扭转等；按大小和方向不同又可分为静载荷和动载荷。当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形，以致断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能（如强度、刚度、韧性等），称为材料的力学性能。常用的力学性能指标主要有强度、塑性、硬度和韧性等，这些力学性能指标可通过国家标准试来测定。图2-1为低碳钢的应力伸长率曲线，通过应力伸长率曲线，即可得出强度指标和塑性指标，这些指标是评定金属材料力学性能的主要判据。拉伸试验常用术语：（1） 标距（2） 平行长度（3） 伸长（4） 伸长率（5） 引伸计标距Le（6） 延伸、延伸率e图2-1 低碳钢的应力伸长曲线图中mE应力-延伸率曲线上弹性部分的斜率；R应力 e平台范围（7） 最大力Fm（8） 应力R上屈服强度(ReH)和下屈服强度(ReL)抗拉强度 Rm=Fb/S0 式中S0是试样的原始截面积(a) 上屈服强度和下屈服强度 (b) 规定总塑性延伸强度 （c）规定塑性延伸强度Rp0.2 (d)规定残余延伸强度Rr0.2 图2-2 强度总延伸强度Rt残余延伸强度Rr1、强度强度是指材料抵抗永久变形和断裂的能力。2、塑性塑性是指金属材料在断裂前产生永久变形的能力。图2-3 低碳钢拉断前后试样的比较（2）断后伸长率伸长率：A（A11.3）=(Lu-L0)%/ L0（2）断面收缩率断面收缩率：Z=(S0-Su)%/ S0常用力学性能名称和符号新旧对照表见表2-1表2-1常用力学性能名称与符号新旧对照表3、韧性韧性就是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。图2-4 夏比冲击试验机 图2-5 夏比冲击试验原理l摆锤 2机架 3试样 4刻度盘 5指针图2-6 宽度5mm-10mm试样的最小冲击功二、硬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。1、布氏硬度布氏硬度值是通过布氏硬度试验确定的。图2-7 HB-3000布氏硬度试验计 图2-8 硬质和钢球的布氏硬度试验布氏硬度用符号HB表示。只允许使用硬质合金球压头时用HBW来表示，一般适用于布氏硬度值在650以下的材料。2、洛氏硬度洛氏硬度值是通过洛氏硬度试验测定的获得。 图2-9 HR150型洛氏硬度计 图2-10 洛氏硬度试验表2-2洛氏硬度新旧标准对照表3、维氏硬度维氏硬度是将顶部两相对面具有规定角度的正四凌锥体金刚石压头用试验力压人试样表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。维氏硬度计算方法如表2-3所示。表2-3维氏硬度计算方法试验力测定范围见表2-4表2-4试验力测定范围维氏硬度用符号HV 表示，符号前为硬度值，符号后按如下顺序：（1）选择的试验力值；（2）试验力保持的时间（510s不标注）。三、疲劳的概念许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。金属的疲劳就是指在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后仍然产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。裂纹源光滑区粗糙区图2-11 疲劳破坏 【知识梳理】、【学后评量】教 案授课日期授课班级授课课时授课形式新 授授课章节名 称课题二 常用钢、合金钢材料使用教具教学目的熟悉工程材料的分类，了解钢、合金钢材料的牌号、用途。教学重点教学难点内容更删课外作业教学后记课题二 常用钢、合金钢材料【学习目标】熟悉工程材料的分类，了解钢、合金钢材料的牌号、用途。【课题导入】我们实习的机床、建筑工地上高高的塔吊及使用的圆钢、家用洗衣机上旋转的轴、电动机等，这就是我们常说的钢铁材料，钢铁材料是现代生活和工业生产中应用极为普遍的一类重要金属材料，那么对这些材料有如何进行选用呢？【知识链接】金属材料它包括纯金属及其合金。主要分为“按化学成分分类”、“按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”两部分。按化学成分分类可分为非合金钢（碳素钢）、低合金钢和合金钢。一、非合金钢（碳素钢）非合金钢有两种分类方法：一是非合金钢按主要质量等级分普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。二是非合金钢按主要性能或使用特性分：1、普通质量非合金钢普通质量非合金钢又称普通结构碳素钢，表2-5其它前缀符号产品名称采用的汉字及汉语拼音或英文单词采用字母位置汉字汉语拼音英文单词热轧光圆钢筋热轧光圆钢筋-Hot Rolled Plain BarsHPB牌号头热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋-Hot Rolled Ribbed BarsHRB牌号头细晶粒热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋+细Hot Rolled Ribbed Bars+Fine HRBF牌号头冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋Cold Rolled Ribbed BarsCRB牌号头预应力混凝土用螺纹钢筋预应力、螺纹、钢筋Prestressing、Screw、BarsPSB牌号头焊接气瓶用钢焊瓶HAN PINGHP牌号头管线用钢管线LineL牌号头船用锚链钢船锚CHUAN MAOCM牌号头煤机用钢煤MEIM牌号头表2-6金属产品用途、特性和工艺方法产品名称采用的汉字及汉语拼音或英文单词采用字母位置汉字汉语拼音英文单词锅炉和压力容器用钢RONGR牌号尾锅炉用钢GUOG牌号尾低温压力容器用钢DI ROUNGDR牌号尾桥梁用钢QIAO Q牌号尾耐候钢耐候NAI HOUNH牌号尾高耐候钢高耐候GAO NAI HOUGNH牌号尾汽车大梁用钢梁LIANGL牌号尾高性能建筑结构用钢高建GAO JIANGJ牌号尾低焊接裂纹敏感性钢低焊接裂纹敏感性Crack FreeCF牌号尾保证淬透性钢HardenabilityH牌号尾矿用钢矿KUANGK牌号尾船用钢采用国际符号表2-7部分常用的碳素结构钢及低合金钢牌号序号产品名称第一部分（最小屈服强度N/mm2）第二部分第三部分第四部分牌号事例1低合金高强度结构钢345D特殊镇静钢Q345D2热轧光圆钢筋235HPB2353热轧带肋钢筋335HRB3354细晶粒热轧带肋钢筋335HRBF3355冷轧带肋钢筋550CRB5506预应力混凝土用螺纹钢筋830PSB8307焊接气瓶用钢345HP3458管线用钢415L4159船用锚链钢370CM37010煤机用钢510M51011锅炉和压力容器用钢345特殊镇静钢压力容器“容”的汉语拼音首位字母“R”Q345R碳素结构钢的牌号和化学成分如表2-8所示表2-8碳素结构钢的牌号和化学成分表表2-9 碳素结构钢的力学性能及用途（摘自GB/T7002006）2、优质非合金钢表2-10优质非合金钢对硫磷的要求组别PS不大于，%优质钢0.0350.035高级优质钢0.0300.030特级优质钢0.0250.020表2-11 优质碳素结构钢的牌号、热处理工艺、力学性能及用途(GB6992008)统一数字代号牌号试样毛坯尺寸/mm推荐热处理/力学性能应用举例正火淬火回火b/MPas/MPa（%）（%）AkU/J不 小 于U2008008F259302951753560受力不大但要求高韧性的冲击件、焊接件、紧固件，如螺栓、螺母、垫圈等U2010010F259303151853355U2015015F259303552052955U2008208259303251953360U2010210259303352053155U2015215259203752252755渗碳淬火后可制造要求强度不高的受磨零件如凸轮、滑块、活塞销等U2115215Mn259204102452655U2020220259104102452555U2120220Mn259104502752450U202522525900870600450275235071U2125225Mn25900870600490295225071U203023025880860600490295215063负荷较大的零件，如连杆、曲轴、主轴、活塞销、表面淬火齿轮、凸轮等U2130230Mn25880860600540315204563U203523525870850600530315204555U2135235Mn25870850600560335184555U204024025860840600570335194547U2140240Mn25860840600590355174547U204524525850840600600355164039U2145245Mn25850840600620375154039U205025025830830600630375144031U2150250Mn25830830600645390134031U2055255258208206006453801335U2140240Mn25860840600590355174547U2150250Mn25830830600645290134031U2060260258106754001235要求弹性极限或强度较高的零件，如轧辊、弹簧、钢丝绳、偏心轮等U2160260Mn258106954101135U2065265258106954101030U2165265Mn25810735430930U217027025790715420930U2170270Mn25790785450830U2075275试样8204801080880730U2080280试样8208401080930630U2085285试样82048011309806303、特殊质量非合金钢4、易切钢表2-12 易切钢国内外牌号对照表5、碳素工具钢表2-13 碳素工具钢的牌号、化学成分、性能及用途（摘自GB1298-2008）牌号质量分数应 用 举 例WCWMnWSi退火退火冷拉啊试样淬火HBS不大于187241淬火温度t/和冷却介质HRC不大于T7T7A0.650.740.400.351878000C8200C水62淬火、回火后，常用于制造承受振动、冲击，并且在硬度适中的情况下有较好韧性的工具，如錾子、冲头、木工工具、大锤等T8T8A0.750.847800C8000C水淬火、回火后，常用于制造要求有较高硬度和耐磨性的工具，如冲头、木工工具、剪切金属用剪刀等T8Mn0.800.900.400.60T9T9A0.850.940.401927600C7800C水常用于制造耐磨性要求较高、不受剧烈振动，具有一定韧性及具有锋利刃口的各种工具，如刨刀、车刀、钻头、丝锥、手锯锯条、拉丝模、冷冲模等T10T10A0.951.040.40197T11 T11A1.051.14207用于制造不受冲击、要求高硬度的各种工具，如丝锥、锉刀、刮刀、铰刀、板牙、量具等T12T12A1.151.24207T13T13A1.251.35217表2-14 碳素工具钢中硫、磷及残余铜、铬、镍等金属含量规定钢类PSCuCrNiWMoV质量分数，不大于优质碳素工具钢0.0350.0300.250.250.200.300.200.02高级优质碳素工具钢0.0300.0200.250.250,。200.300.200.026、铸造碳钢。标注事例如下：铸钢中常规的锰、硅、硫、磷等元素一般不在牌号中标明。各种铸钢名称、代号及牌号表示方法见表2-15所示。表2-15 各种铸钢名称、代号及牌号表示方法实例表2-16 铸造碳钢的牌号、成分、力学性能及应用(摘自GB/T5613-2014)牌号 最高化学成分(%) 力学性能(最小值)应用举例wCwSi wMn wS wp S或 0.2 /MPab/MPa(%) (%)AKU/J ZG200-400O.20 O.50 0.80 0.040.04200 400254030用于受力不大、要求韧性的各种机械零件，如机座、变速箱壳等ZG230-450O.300.50O.90230450223225同上，如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体等ZG270-5000.400.50O.90270500182522用作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮、蒸气锤等ZG310-570O.500.600.90310570152115用作载荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等ZG340-640O.60O.600.90340640101810用作起重运输机中的齿轮、联轴器及重要的机件7、车辆车轴及基础车辆用钢例如：LZ45、JZ45等二、低合金钢低合金钢按主要质量等级分有普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢；低合金钢按主要特性分有可焊接低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金混凝土用钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢及其他低合金钢。表2-15新的低合金高强度结构钢化学成分牌号质量等级化学成分（质量分数）/%CSiMnPSNbVTiCrNiCuNMoBALs不大于不小于Q345A0.200.501.700.0350.0350.070.150.200.300.500.300.0120.10B0.0350.035C0.0300.0300.015D0.180.0300.025E0.0250.020Q390A0.200.501.700.0350.0350.070.200.200.300.800.300.0150.10B0.0350.035C0.0300.0300.015D0.0300.025E0.0250.020Q420A0.200.501.700.0350.0350.070.200.200.300.800.300.0150.20B0.0350.035C0.0300.0300.015D0.0300.025E0.0250.020Q460C0.200.601.800.0300.0300.110.200.200.300.800.550.0150.200.0040.015D0.0300.025E0.0250.020Q500C0.180.601.800.0300.0300.110.120.200.600.800.550.0150.200.0040.015D0.0300.025E0.0250.020Q550C0.180.602.000.0300.0300.110.120.200.800.800.800.0150.300.0040.015D0.0300.025E0.0250.020Q620C0.180.602.000.0300.0300.110.120.201.000.800.800.0150.300.0040.015D0.0300.025E0.0250.020Q690C0.180.602.000.0300.0300.110.120.201.000.800.800.0150.300.0040.015D0.0300.025E0.0250.020表2-16 新标准低合金高强度结构钢的用途新标准用 途Q345船舶、铁路车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油贮罐、起重及矿山机械、电站设备、厂房钢架等Q390中高压锅炉汽包、中高压石油化工容器、大型船舶、桥梁、车辆、起重机及其他较高载荷的焊接结构件等Q420大型船舶、桥梁、电站设备、起重机械、机车车辆、中压或高压锅炉及容器的大型焊接结构等 Q460可淬火加回火后用于大型挖掘机、起重运输机械、钻井平台等Q500Q550Q620Q6902、低合金耐候钢三、合金钢按主要质量等级分优质合金钢和特殊质量合金钢。1、合金结构钢例如：09Mn2表示平均wC=0.09%、wMn=2%的合金结构钢。60Si2Mn，表示平均wC=0.60%、wSi=2%、wMe1.5%的合金结构钢；（1）合金渗碳钢表2-17 常用渗碳钢种牌号、力学性能及用途（摘自GB/T30772008）统一数字代号牌号毛坯尺寸/mm力学性能应用举例b/MPaS/MPa/%/%AkU/JA2020220Cr15835540104047齿轮、小轴、活塞销等A2620220CrMnTi151080850104555汽车、拖拉机的齿轮、活塞等A7320220MnVB151080885104555代替20 Cr和20CrMnTiA4320220Cr2Ni41511801080104563大型渗碳齿轮和曲轴等A5218318Cr2Ni4WA151180835104578大型渗碳齿轮和曲轴等（2）合金调质钢合金调质钢是指经调质后使用的合金结构钢，又称调质处理合金结构钢。表2-18 常用合金调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T3077-2008）统一数字代号牌号试样尺寸/mm热处理力学性能应用举例淬火温度/回火温度/b/MPaS/MPa/%/%AkU/J不小于A7040240B25840水550水785635124555齿轮转向拉杆，轴，凸轮A2040240Cr25850油520水，油98078594547重要调质件，如轴、连杆螺栓、重要齿轮、蜗杆等A7140240MnB25850油500水，油980785104547汽车上的转向轴、半轴、蜗杆A3035235CrMo25850油550水，油980835124563重要调质件，如主轴、曲轴、连杆、齿轮等A2430230CrMnSi25850油520水，油1080885104539高压鼓风机叶片，阀板A3440240CrMnMo25850油600水，油980785104563高强度零件，如航空发动机轴等A5040340CrNiMoA25850油600水，油980835124578锻压机偏心轴，曲轴等（3）、合金弹簧钢表2-19 合金弹簧钢的牌号及化学成分序号统一数字代号牌号化学成分（质量分数）/%CSiMnCrVWBNiCuPS不大于1U20652650.620.700.170.370.500.800.250.250.250.0350.0352U20702700.620.750.170.300.500.800.250.250.250.0350.0353U20852850.820.900.170.370.500.800.250.250.250.0350.0354U2165365Mn0.620.700.170.370.901.200.250.250.250.0350.0355A7755255SiMnVB0.520.600.701.001.001.300.350.080.160.00050.00350.350.250.0350.0356A1160260Si2Mn0.560.641.502.000.701.000.350.350.250.0350.0357A1160360Si2MnA0.560.641.602.000.701.000.350.350.250.0250.0258A2160360Si2CrA0.560.641.401.800.400.700.701.000.350.250.0250.0259A2860360Si2CrV