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1、邓文英等 金属工艺学第 1 页 共 30 页目目 录录第一篇 金属材料的基本知识.2第一章 金属材料的主要性能 .2第二篇 铸 造.6第一章 铸造工艺基础 .6第二章 常用合金铸件的生产 .9第三章 砂型铸造.12第四章 砂型铸件的结构工艺性 .14第五章 特种铸造.16第一篇 金属材料的基本知识第一章 金属材料的主要性能第 2 页 共 30 页第一第一篇篇 金属材料的基本知识金属材料的基本知识 第一章第一章 金属材料的主要性能金属材料的主要性能 习题见 P11 （1）什么是应力？什么是应变？ 答：应力 ：单位面积上试样承受的载荷。 sF0 式中 F载荷( N ) S0原始横截面积( mm2)
2、 应变：单位长度的伸长量。 ? ? 式中 l伸长量( mm ) l原始长度( mm) （2）缩颈现象在力拉伸图上哪一点？如果没有出现缩颈现象，是否表示该试样没发生塑性变形？ 答：当载荷超过试样所能承受的最大载荷 时，试样上某部分形开始变细就出出了颈缩现象。颈缩发生在拉伸曲线上 bk 段。没有发生颈缩现象，不表示该试样没有发生塑性变形。 邓文英等 金属工艺学第 3 页 共 30 页（3）对于具有力学性能要求的零件，为什么在零件图上通常仅标注其硬度要求，而极少标注其他力学性能要求？ 答：在零件图上，除了用视图表达出零件的结构形状和用尺寸标明零件的各组成部分的大小及位置关系外，通常还标注有相关的技术
3、要求。 零件图上的技术要求一般有以下几个方面的内容：零件的极限与配合要求；零件的几何公差；零件上各表面的粗糙度；对零件材料的要求和说明；零件的热处理、表面处理和表面修饰的说明；零件的特殊加工、检查、试验及其它必要的说明；零件上某些结构的统一要求，如圆角、倒角尺寸等。 技术要求中，凡已有规定代、符号的，用代、符号直接标注在图上，无规定代、符号的， 则可用文字或数字说明， 书写在零件图的右下角标题栏的上方或左方适当空白处。 硬度是指除了表面抵抗局部变形、特别是塑性变形、压痕、划痕的能力，反应了金属材料综合的性能指标，而且容易检测，一般不会破坏零件。只有当一个零件特别重要时才会标注其它力学性能要求。
4、 如果零件的硬度提高，相应的它的塑性就会降低，其它力学性能也会相应改变，同时，各种硬度与强度间有一定的换算关系，所以通常只在零件图上标注其硬度要求。其他力学性能要求可以按照换算关系获得。 （4）布氏和洛氏硬度各有什么优缺点？下列情况采用哪种硬度法来检查其硬度：库存钢材，硬质合金刀头，锻件，台虎钳钳口。 第一篇 金属材料的基本知识第一章 金属材料的主要性能第 4 页 共 30 页答：布氏硬度法：优点：压痕面积大，硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺点：测试费时，且压痕较大，不适于成品检验。应用：硬度值 HB 小于 450 的毛坯材料。 洛氏硬度法：优点：设备简单，测试简单
5、、迅速，并不损坏被测零件。缺点：测得的硬度值重复性较差，对组织偏析材料尤为明显。应用：一般淬火件，调质件。 库存钢材布氏硬度 锻件布氏硬度 硬质合金刀头洛氏硬度 台虎钳钳口洛氏硬度。 （5）下列符号所代表的力学性能指标的名称和含义是什么？ 0.21, ,.sbkEHRC HBS HBW HV 答：E弹性模量。表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的 E 越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。E 值主要取决于材料的本性。 强度，表示材料在外加拉应力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力，单位 MPa。 s： 屈服强度， 指金属材料开始发生明显塑性变形时的应力， 单位 MPa （N/2mm） 。0SFS
6、s b：抗拉强度，指金属材料在拉断前可能承受的最大应力，单位 MPa。 0sFbb 2 . 0：屈服强度，试样在产生 0.2%塑性变形时的应力，单位 MPa。02 . 02 . 0SF 邓文英等 金属工艺学第 5 页 共 30 页1：疲劳强度，表示金属材料在无数次的循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力，单位 MPa。 ：伸长率，试样产生塑性变形而发生破坏是的最大伸长量。001LLL ： 断面收缩率。 是指试样拉断处横截面积的收缩量 S 与原始横截面积 S0 之比。%100010sss k：冲击韧性，金属材料在一次性、大能量冲击下，发生断裂，断口处面积所承受的冲击功，单位是2/cmJ。0SAKU
7、k HRC：洛氏硬度，无单位。 HBS：布氏硬度，无单位。表示金属材料在受外加压力作用下，抵抗局部塑性变形的能力。 HBW：布氏硬度，无单位。 HV: 维氏硬度，单位 2/mmkg 洛氏硬度的测试规范 标尺 压头 总载荷N 适用测试材料 有效值HRA 1200 金刚石圆锥体 600 硬质合金，表面淬火钢 70-85 HRB 1.588mm淬火钢球 1000 退火钢，非铁合金 25-100HRC 1200 金刚石圆锥体 1500 一般淬火钢件 20-67 第二篇 铸 造第一章 铸造工艺基础第 6 页 共 30 页第二篇第二篇铸铸 造造第一章第一章铸造工艺基础铸造工艺基础见教材 P48 （5）缩孔
8、和缩松有何不同？为何缩孔比缩松较容易防止？ 答：缩孔：呈倒圆锥形，内腔粗糙，是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。 缩松：呈小圆柱形，内腔光滑，分散在铸件某区域的细小缩孔。 两者的区别：缩孔是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞， 缩孔多是倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显的凹坑，反之，缩松是分散在铸件某区域内的细小缩孔，缩孔和缩松的形成原因不同，缩孔是因为液态合金填满铸型型腔后，由于铸型的吸热，靠近型腔表面的金属很快凝结成一层外壳， 而内部仍然是高于凝固温度的液体， 温度继续下降， 外壳加厚，但内部液体因液态收缩和补充凝固层
9、的凝固收缩，体积缩减，液面下降，使铸件内部出现溶隙，直到内部完全凝固，在铸件上部形成了缩孔，而缩松的形成原因也是由于铸件最后凝固区域的收缩未得到补足，或者，因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所致。 缩孔比缩松容易防止的原因： 缩孔容积较大， 且接近外壳， 采用顺序凝可防止缩孔，而缩松容积较小，不宜观察，且广泛分布，甚至遍及整个截面，不易防止。 （6） 什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采取什么措施来实现？上述两种凝固原则适用场合有何不同？ 邓文英等 金属工艺学第 7 页 共 30 页答：顺序凝固原则：在铸件厚大部位安放浇口和冒口，使铸件远离冒口处先凝固，尔后是
10、靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身凝固。 实现措施：安放冒口和冷铁。 应用场合：收缩大的合金，如铝青铜、铝硅合金和铸钢件。 同时凝固原则：在铸件薄壁处安放浇口，厚壁处安放冷铁，使铸件各处冷却速度一致，实现同时凝固。 实现措施：浇口开在铸件壁薄处并在铸件壁厚处安放冷铁。 应用场合：灰铸铁、锡青铜等收缩小的合金。 （8）试用下图轨道铸件分析热应力的形成原因，并用虚表示出铸件的变形方向。 热应力：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。 第二篇 铸 造第一章 铸造工艺基础第 8 页 共 30 页轨道上部较下部厚， 上部冷却速度慢， 而下部冷却速度快。 因此， 上部产生拉应力，下
11、部产生压应力。变形方向如图。 邓文英等 金属工艺学第 9 页 共 30 页第二章第二章常用合金铸件的生产常用合金铸件的生产 （6）填表比较各种铸铁。阐述灰铸铁应用最广的原因。 类别 石墨形状 制造过程简述（铁液成分、 炉前处理、热处理）力学性能 适用范围灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 b/%ak/(J/cm2)第二篇 铸 造第二章 常用合金铸件的生产第 10 页 共 30 页类列石墨形状制造过程简述（铁水成分，炉前处理，热处理）力学性能特征适用范围bk灰铸铁片状1）消除内应力的退火 2）消除铸件白口，改善切削加工性退火 3）表面淬火制造承受压力和震动的零件,如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体可
12、锻铸铁团絮状1）铸出白口铸铁坯；毛坯不能有石墨存在，否则将导致废品。2）石墨化退火用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等球磨铸铁球状分布1）铁液高温出炉 2）采用顺序凝固 3） 严格控制 S 含量及型砂中的水分，热处理：退后、正火、调质、等温淬火承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等（9）下列铸件宜选用哪类铸造合金？请阐述理由。 车床床身 摩托车气缸体 火车轮 压气机曲轴 汽缸套 自来水管弯头 减速器涡轮 答：车床床身：灰铸铁 HT200 摩托车气缸体：铸造铝硅合金 ZAlSi12 火车轮：孕育铸铁 HT300 压气机曲轴：球墨铸铁 QT7
13、00-2 邓文英等 金属工艺学第 11 页 共 30 页气缸套：铸造黄铜 ZCuZn38 自来水管道弯头:黑心可锻铸铁 KTH350-10 减速器涡轮：铸造锡青铜 ZCuSn10Pb1 第二篇 铸 造第三章 砂型铸造第 12 页 共 30 页第三章第三章砂型铸造砂型铸造（3） 什么是铸造工艺图？它包括哪些内容？它在铸件生产的准备阶段起着哪些重要作用？ 答：铸造工艺图是在零件图上用各种工艺符合及参数表示出铸造工艺方案的图形。 包括：浇注位置，铸型分型面，型芯的数量、形状、尺寸及其固定方法，加工余量，收缩率，浇注系统，起模斜度，冒口和冷铁的尺寸和布置等。 铸造工艺图是指导模样设计、生产设备、铸型制
14、造和铸件检验的基本工艺文件。依据铸造工艺图，结合所选定的造型方法，便可绘制出模样图和合型图。 （7）试绘制图示调整座铸件在大批量生产中的铸造工艺图。 邓文英等 金属工艺学第 13 页 共 30 页 立铸 卧铸 成对卧铸-最优的大批量生产工艺 用钻孔方式加工内螺用钻孔方式加工内螺用切削的方式加工出凹槽 用切削的方式加工出凹槽 第二篇 铸 造第四章 砂型铸件的结构工艺性第 14 页 共 30 页第四章第四章砂型铸件的结构工艺性砂型铸件的结构工艺性见 P80 （5）为什么空心球难以铸造？要采取什么措施才能铸造？试用图示出。 空心球型芯内部排气难，除芯难。方法：铸造两个一样的半球，再焊接起来。 （9）
15、试用内接圆方法确定下图所示铸件的热节部位。在保证尺寸 H 的前提下，如何使铸件的壁厚尽量均匀。 邓文英等 金属工艺学第 15 页 共 30 页 第二篇 铸 造第五章 特种铸造第 16 页 共 30 页第五章第五章特种铸造特种铸造（1）什么是熔模铸造？试用方框图表示其大致工艺过程 答：熔模铸造就是用蜡质制成模样，在模样上涂挂耐火材料，经硬化后，再将模样融化排出型外，从而获得无分型面的铸型。 其工艺过程：蜡模制造型壳制造焙烧浇注 （2）为什么熔模铸造是最有代表性的精密铸造方法？它有哪些优越性？ 答：因为熔模铸造铸型精密，型腔表面极为光滑，故铸件的精度高，表面质量高；铸型无分型面，可制造外形复杂、难
16、以切削的小零件，故熔模铸造是最有代表性的精密铸造方法。 熔模铸造的优越性： 铸件精度高 （IT11IT14） 表面粗糙度值低 （Ra253.2um） ；铸型预热后浇注，故可生产形状复杂的薄壁小件( Smin=0.7mm )；型壳用高级耐火材料制成，故能生产出高熔点的黑色金属铸件；生产批量不受限制，适于单件、成批、大量生产。 （3）金属型铸造有什么优越性？为什么金属型铸造未能广泛取代砂型铸造？ 答：金属型铸造的优越性：可“一型多铸”，便于实现机械化和自动化生产，生产率高；铸件表面精度高（IT12IT16），粗糙度值低（Ra2512.5um）；组织致密，铸件力学性能高；劳动条件得到显著改善。 邓文
17、英等 金属工艺学第 17 页 共 30 页金属型铸造成本高，周期长，工艺要求严格，铸件易出现浇不足、冷隔、裂纹等缺陷，易产生白口现象，外形不易复杂，所以金属型铸造不宜生产铸铁件，而广泛应用于铜、铝合金铸件的大批量生产，故它不能取代砂型铸造。 （4）压力铸造有什么优缺点？它与熔模铸造的适用范围有何不同？ 压铸铸件尺寸精度高，生产效率高，适应于大批量铸件生产，常把压铸机称为印钞机。 但目前压铸仅限于有色合金。 熔模铸造的适合各种合金， 生产效率低， 生产成本高。 （5） 什么是离心铸造？它在圆筒形或圆形铸件生产中有哪些优越性？成形铸件采用离心铸造有什么好处？ （6）什么是消失模铸造？工艺特点有哪些
18、？ （7）消失模铸造的工艺过程与熔模铸造有什么不同？ （8）某公司开发的新产品中有下图所示的铸铝小连杆，请问： 试制样机时，该连杆宜采用什么铸造方法？ 当年产量为 1 万件时，宜采用什么铸造方法？ 当年产量超过 10 万件时，又该选什么铸造方法？ 第二篇 铸 造第五章 特种铸造第 18 页 共 30 页答：试制样机时，该连杆宜采用砂型铸造方法。 金属型铸造 压力铸造 邓文英等 金属工艺学第 19 页 共 30 页第四篇第四篇焊接焊接第一章第一章电弧焊电弧焊（4）如图所示，拼接大块钢板是否合理？为什么？为减少焊接应力与变形，应怎样改变？其合理的焊接次序是什么？答：不合理，因为图示的焊件焊缝密集交
19、叉，焊接时形成焊接热影响区使得材料性能变差，若多条焊缝密集交叉，则热影响区相互交错，极易在交叉部位形成裂纹。 焊接时，为减少焊接应力，应尽可能采用“T”形交叉焊缝，且焊接次序按照“先焊小，后焊大”的原则，使得各部位焊接时可以自由伸缩。（5）试分析厚件多层焊时，为什么有时用小锤对红热状态的焊缝进行锤击？答：用小锤对红热状态的焊缝进行锤击原因有：通过锤击，松弛由于热影响区收缩引起的拉应力；细化焊缝区的晶粒，使得焊缝区力学性能得到改善；锤击红热态第四篇 焊接第一章 电弧焊第 20 页 共 30 页焊缝时，可以焊合焊缝内的微裂纹、孔洞等缺陷，提高焊缝的力学性能；锤击焊缝，清除覆盖在焊缝上的焊渣。（7）
20、焊条药皮起什么作用？在其它电弧焊中，用什么取代药皮的作用？答：提高电弧燃烧的稳定性，防止空气对熔化金属的有害作用，对熔池的脱氧和加入合金元素，可以保证焊缝金属的化学成分和力学性能。其它电弧焊中，起到药皮作用的是：埋弧焊焊剂；气体保护焊中气体（CO2、氩气等）；等离子弧焊接离子气体（氩气）。邓文英等 金属工艺学第 21 页 共 30 页第三章第三章常用金属材料的焊接常用金属材料的焊接P183（2）现有直径500mm 的铸铁齿轮和带轮各 1 件，铸造后出现图示的断裂现象，曾先后用 J422 焊条和钢芯铸铁焊条进行电弧焊冷焊补，但焊后再次断裂，试分析其原因，请问采用哪些方法能保证焊后不裂，并可进行切
21、削加工？答：其主要原因是：J422 焊条为结构钢酸性焊条，焊缝韧性差，焊芯碳含量较低，不符合焊条同成分及等强度原则，而对于钢芯铸铁焊条冷焊，其焊接应力较大，易在热影响区形成白口组织，焊后会发生断裂。采用热焊工艺，镍基铸铁焊条或铜基铸铁焊条，焊前预热，焊后缓冷，并尽快进行热处理。第四篇 焊接第四章 焊接结构设计第 22 页 共 30 页第四章第四章焊接结构设计焊接结构设计P191（1）图示工件，其焊缝布置是否合理，若不合理，如何改正。邓文英等 金属工艺学第 23 页 共 30 页第五篇第五篇切削加工切削加工第一章第一章金属切削的基础知识金属切削的基础知识P30复习题（6）简述车刀前角、后角、主偏
22、角、副偏角和刃倾角的作用答：前角：主要作用是使刀具刃口锋利，同时影响切削刃强度和散热情况。后角：减少刀具与工件间的摩擦和磨损，也影响切削刃强度和散热状况。主偏角：影响切削层截面的形状和参数，切削分力的变化及已加工表面的粗糙度。副偏角：减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少切削振动，同时对工件已加工表面的粗糙度 Ra 值影响较大。刃倾角：影响切屑的流量、切削分力及刀尖的强度。（8）何谓积屑瘤，它是如何形成的？对切削加工有哪些影响？答：当切削塑性材料时，在一定切削速度下，在切削刃附近粘附着一小块金属代替切削刃切削，称为积屑瘤。主要是由于切屑沿刀具前刀面流出时，在一定的切削速度下，在一定的温度与压
23、力作用下，与前刀面接触的倾斜底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度受到阻碍，形成一层“滞留层”，当滞留层的摩擦阻力大于材料的内部结合力时，会粘附于前刀面靠近切削刃附近，形成积屑瘤。第五篇 切削加工第一章 金属切削的基础知识第 24 页 共 30 页可以代替切削刃切削，保护刀具切削刃，增大了工作前角，是切削轻快，但是不断脱落，影响尺寸精度及加工表面精度。思考和练习题（1）车外圆面工件转速等条件已知，求各切削参量。答：切削速度：vc=dn/10001m/min。进给量：f=vc/n=0.5mm。背吃刀量：ap=(10094)/2=3.0mm，切削层公称横截面积：ADfap=30.5=1.
24、5mm2，切削层公称宽度：bDap/sinkr=3/sin60=3.464mm，切削层公称厚度 hDapsinkr=3sin60=2.598mm。（5）已知下列车刀的主要角度，试画出它们切削部分的示意图：邓文英等 金属工艺学第 25 页 共 30 页第五篇 切削加工第三章 常用切削加工方法综述第 26 页 共 30 页第三章第三章常用切削加工方法综述常用切削加工方法综述P85复习题（5）何谓钻孔时的“引偏”？试举出几种减少引偏的措施。答：所谓引偏是指钻孔时，由于钻头弯曲而引起孔径扩大、孔不圆或孔的轴线歪斜等现象。减少的措施有：预钻锥型定心坑；用钻套为钻头导向；钻头的两个主切削刃尽量刃磨对称。（
25、12）周铣法中顺铣比逆铣有哪些优点？实际生产中采用哪种方法？为什么？答： 顺铣时， 铣削力将工件压向工作台， 减少了工件的振动可能性， 在铣削过程中，每个刀齿的切削层厚度是由最大减少到零，减少了刀齿与工件之间的摩擦，表面质量较高。从提高刀具耐用度和工件表面质量、增加工件夹持的稳定性来看，顺铣比逆铣效果好，但是，由于顺铣不能消除丝杠与工作台的窜动，而目前一般铣床尚没有消除此间隙的机构，因此，在大批量生产中，还是常采用逆铣法。（18）既然砂轮在磨削过程中有自锐作用，为什么还要进行修整？答：砂轮的这种自行推陈出新，保持自身锋锐的性能称为自锐性。邓文英等 金属工艺学第 27 页 共 30 页虽然本身具
26、有自锐性，但由于切屑和碎磨粒会把砂轮阻塞，使它丧失了切削能力，磨粒随机脱落的不均匀性，使得砂轮失去外形精度，所以，为了恢复砂轮的切削能力和外形精度，在磨削一定时间后，仍需对砂轮进行修整。思考和练习题（1）加工要求精度高，表面粗糙度低的紫铜小轴或铝合金轴件外圆时，选用哪种加工工艺，为什么？答：应选用车削或铣削的加工工艺。由于这些零件材料的硬度较低， 塑性较大， 若采用砂轮磨削， 软的磨屑会堵塞砂轮，难以得到很光亮的表面，因此，当有色金属或铝合金零件精度要求较高，而避免粗糙度要求较低时，不宜采用磨削加工，而是采用车削或铣削的加工工艺。（2）在车床上钻孔和钻床上钻孔，都会产生引偏，它们对加工的孔有何
27、不同影响？在随后的精加工中，哪一种比较容易纠正，为什么？答：车床钻孔和钻床钻孔主运动不同，车床钻孔主运动为工件的转动，而钻床钻孔主运动为钻头的旋转运动，这样对孔的引偏影响不同，车床钻孔时钻头在尾座上不动，靠工件的旋转进行钻削， 因此， 与钻床钻孔相比， 刚性较高， 产生引偏的缺陷相对较小。在随后的精加工中，车床上形成的引偏容易纠正，因为引偏的程度较小。（3）若用周铣法铣削带黑皮铸件或锻件平面，为减少刀具磨损，应采用顺铣还是逆铣，为什么？第五篇 切削加工第三章 常用切削加工方法综述第 28 页 共 30 页答：应采用逆铣，因为铸件或锻件平面带有黑皮时，硬度一般较高，而顺铣时，铣齿首先接触黑皮，对
28、铣齿产生较大的冲击力，而逆铣时，铣齿首先接触已加工表面，切削力逐渐增大，铣齿的引入及退出非常顺利，因此，逆铣比较适合于带有黑皮的零件表面的加工。邓文英等 金属工艺学第 29 页 共 30 页第五章第五章典型表面加工分析典型表面加工分析P118复习题（1）在零件的加工过程中，为什么常把粗加工和精加工分开进行？答：这是与它们的目的所决定的，粗加工的目的是切除各加工表面的大部分加工余量，并完成精基准的加工，而精加工的目的是获得符合精度和表面粗糙度要求的表面。 粗加工时，背吃刀量和进给量大，切削力较大，切削热较高，工件受力变形、受热变形及内应力重新分布， 将破坏已加工的表面， 同时， 粗加工时， 还可
29、以发现毛坯缺陷，避免因对不合格毛坯继续生产而造成的浪费。思考与练习题（2）试决定下列零件外圆面的加工方案：答：1）紫铜小轴，20h7，Ra 值为 0.8m。其精度为 IT7，采用的加工方案是：粗车半精车精车。2）45 钢轴，50h6，Ra 值为 0.2m，表面淬火 4050HRC。精度为 IT6，方案：粗车半精车粗磨半精磨精磨。（3）下列零件的孔，用何种方案加工比较合理：第五篇 切削加工第五章 典型表面加工分析第 30 页 共 30 页答：1）单件小批，铸铁齿轮孔，20H7，Ra 值为 1.6m。加工方案：钻扩粗铰精铰。2）大批量，铸铁齿轮孔50H7，Ra 值为 0.8m加工方案：钻拉精拉。高 3）速钢三面刃铣刀孔，27H6，Ra 值为 0.2m加工方案：扩（镗）粗磨精磨研磨。4）变速箱体传动轴承孔，62J7，Ra 值为 0.8m加工方案：扩（镗）粗磨精磨。
