1.2 机械制造过程简介（课件）《金属材料与热处理》上好课（科学版·第二版）

《金属材料与热处理》（科学版)第二版 上好课—中职专业课 单元1 金属材料与机械产品制造过程简介 1.2 机械制造过程简介 教学目标 知识目标 1.记住机器（零件）生产过程的三个阶段。 2.说出铸造、锻压、焊接、切削加工、热处理等基本工艺方法的定义。 3.了解特种加工的概念及常见方法。 能力目标 1.能正确区分铸造、锻压、焊接、切削加工等工艺方法。 2.能根据零件特征判断其适合采用哪种毛坯制造方法。 3.能说出机器（零件）的基本生产工艺流程。 情感目标 1.感受机械制造在现代工业中的核心地位，增强对制造业的认识和尊重。 2.培养按流程顺序认知工业生产的思维习惯，树立质量意识和安全意识。 3.体会从材料到零件的转化过程，理解各工艺环节的协同配合。 1.7.2013 ‹#› 教学引入 屏幕右侧展示了两组截然不同的画面：左边是钢板、钢管、工字钢等基础钢材，它们是机械制造的基石；右边则是精密的齿轮、发动机缸体等成品零件。 思考： 这些形状规整的钢材，是如何一步步蜕变为结构复杂、功能精密的机械零件的？从一块普通的金属材料，到一台精密的机器，中间究竟经历了怎样的奇妙旅程？ 01 基础原材料：工业制造的基石 02 精密零件：机械功能的核心 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 知识讲授：什么是机械制造？ 01 核心定义 机械制造是将金属、非金属等原材料，通过铸造、锻造、切削加工等工艺转化为精密零件，再按照严格的技术标准将零件组装成机器设备的全过程，是现代工业的基石。 02 制造流程三步曲 原材料 金属/非金属坯料 机械零件 加工/成型/热处理 机械设备 装配/调试/成品 精密数控铣床正在进行金属切削加工，展现了机械制造中从坯料到精密零件的关键成型过程。 知识讲授：机械制造的基本工艺方法 图示：工业级热处理炉，用于对金属零件进行性能强化处理 机械制造工艺是将原材料转化为精密零件的核心技术体系，主要包含从成型、加工到性能优化的三大关键环节。 01 毛坯制造 · 成型基础 通过铸造、锻压、焊接等工艺，将原材料制成具有零件基本形状的毛坯，是制造流程的第一步。 02 零件加工 · 精密修整 利用切削加工（车、铣、刨、磨）和特种加工技术，对毛坯进行精细化加工，确保尺寸精度。 03 性能改善 · 内在强化 通过热处理（淬火、退火、回火）改变金属内部组织，大幅提升零件的强度、硬度与耐磨性。 知识讲授：机器生产的三个阶段 01 毛坯制造 · 基础成型 任务：将原材料铸造成具有零件基本形状的毛坯。 工艺：主要采用铸造、锻压、焊接等方式，产出铸件或锻件。 02 加工制造 · 精度雕琢 任务：通过切削加工（车/铣/刨/磨）赋予零件精确尺寸。 工艺：去除多余材料，使零件表面光洁、公差达标。 03 装配调试 · 整机成型 任务：将零件组装成机器并进行检验调试。 工艺：按图纸装配，测试运行性能，确保产品合格。 图示：汽车覆盖件冲压成型件 这是典型的毛坯制造阶段产物，需经后续精密加工才能成为合格零件。 知识讲授：完整工艺流程概览 图示：精密机械加工现场。钻床作业是赋予零件精准孔洞与形状的关键工序，直接决定了零件的装配精度与使用性能。 01 基础成型 · 赋予雏形 从金属原材料开始，通过铸造、锻压或焊接工艺，将原料转化为具备基础几何形状的毛坯件，为后续精密加工奠定实体基础。 02 精密加工 · 雕琢细节 利用车床、铣床、钻床等设备进行切削加工，严格控制尺寸公差与表面粗糙度，将毛坯转化为符合设计标准的精密零件。 03 成品交付 · 调试成型 经热处理优化零件内在性能后，进行部件装配与整机调试，确保各系统协同运行，最终产出合格的工业机器投入使用。 知识讲授：毛坯制造方法一：铸造 01 定义与原理 铸造是将金属材料熔炼为液态，浇注到预先制作的铸型中，待其冷却凝固后，获得具有预定形状、尺寸和性能的金属毛坯的工艺方法。它是人类掌握最早的金属热加工工艺之一，广泛应用于机械制造、汽车、航空航天等领域。 02 核心精髓：液态成形 其核心在于利用液态金属的流动性填充型腔，如同生活中的“倒模”工艺。这种方法能高效制作出形状复杂、尤其是具有复杂内腔的零件，是制造重型机械、发动机缸体等关键部件的首选工艺。 现代化铸造车间实景：展现工业化熔炼与浇注的生产环境 知识讲授：特种铸造 知识讲授：铸造的关键步骤与铸件概念 01 熔炼金属 将固态金属加热至熔点以上，使其转变为流动性良好的液态，为后续浇注提供原料基础。 02 制备铸型 根据零件的设计形状，制作出具有相应空腔的模型（如砂型），这是铸件成型的模具基础。 03 浇注与凝固 将熔融金属注入铸型空腔，待其自然冷却或强制冷却后凝固，形成与空腔形状一致的铸件。 铸件特性与后续处理： 铸件通常作为毛坯使用，其表面粗糙度较高，尺寸精度有限。因此，绝大多数铸件需要经过切削加工等后续工序，才能成为符合装配要求的最终零件。 知识讲授：常见铸件示例 铸造工艺的核心优势在于能够高效制造形状复杂、尤其是带有复杂内腔的金属零件，是工业生产中不可或缺的成型手段。 机床床身 形状复杂，需具备优异的刚性与减震性，确保加工稳定性。 发动机缸体 内部集成复杂水道与气道，铸造是实现其整体成型的最佳方式。 水泵壳体 拥有不规则外形与内部流道，一体铸造可减少装配环节。 铸铁管 适合大批量连续生产，工艺成熟，成本低廉且耐用性强。 机床床身铸件 典型的重型复杂铸件，结构稳固，承重力强，是机床的基础部件。 发动机缸体铸件 集成化设计，内部包含精密复杂的冷却水道与油路通道。 知识讲授：毛坯制造方法二：锻压 图示：工业级高温锻造作业现场，展现金属塑性变形过程 定义： 利用金属的塑性变形能力，在压力作用下改变其尺寸与形状，同时改善内部组织与力学性能，是制造机械零件毛坯的重要手段。 核心原理：塑性变形 如同“捏橡皮泥”般，通过外力使金属产生永久变形，而非液态浇筑，从而获得更致密的微观结构。 锻造 · 体积成形 针对大块金属坯料，通过锻打、挤压等方式成型，显著提升材料的强度与韧性，常用于轴类、齿轮等关键零件。 冲压 · 板材成形 针对金属薄板，利用模具进行冲裁、弯曲、拉伸等，适合大批量生产形状复杂的薄壁零件，如汽车覆盖件。 知识讲授：锻压的分类：锻造与冲压 01 锻造：金属的塑性变形艺术 通过对金属坯料施加冲击力或静压力，使其产生永久塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件。它能改善金属的内部组织，提高其力学性能，是机械制造中获得高强度毛坯的核心工艺。 02 冲压：高效的板材成型工艺 利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需制件。具有生产效率高、加工精度高、材料利用率高、产品一致性好的特点，广泛应用于汽车、家电、航空航天等领域。 自由锻 不使用专用模具，设备通用性强，适合单件小批量生产及大型锻件的制造，是重型机械制造的基础。 模锻 使用专用模具，锻件精度高、形状复杂，生产效率高，适合大批量生产，是航空、汽车等领域的关键工艺。 知识讲授：常见锻件与冲压件示例 锻压是利用金属塑性变形进行成型的工艺。锻造通过施加压力改善金属内部组织，提升强度与韧性；冲压则利用模具高效成型薄板结构，二者共同构成了现代机械制造不可或缺的基础工艺。 01 锻件：重载与冲击的核心之选 通过锻造使金属晶粒细化，显著提升力学性能，常用于制造承受重载荷的关键零件： • 动力部件：曲轴、连杆（承受交变载荷与冲击） • 传动系统：齿轮毛坯（需高耐磨性与抗疲劳性） 02 冲压件：高效成型的薄板艺术 利用模具对薄板施加压力实现快速成型，具有高效、低成本的特点： • 汽车工业：车身覆盖件、车门框架（轻量化与美观） • 轻工制造：电器外壳、精密容器、金属垫圈 知识讲授：毛坯制造方法三：焊接 01 / 工艺定义 通过加热、加压或两者并用，辅以填充材料，使分离的金属部件通过原子间的结合形成一个不可分割整体的成形工艺。 02 / 核心思想 核心在于“融合”，打破金属部件间的物理界限，将分散的零件转化为结构统一、性能一致的整体。 关键特征： 焊接接头通常为永久性连接，具有高密封性和结构刚性，区别于螺栓等可拆卸连接。 图示：工业生产中的焊接作业现场，利用高温电弧实现金属的冶金结合。 知识讲授：常见焊接方法简介 焊接技术是现代工业制造的基石，广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域。不同的焊接工艺在效率、成本和适用材料上各有千秋，选择合适的焊接方法是确保工程质量的关键。 焊条电弧焊 最常用的手工焊接法，设备简单、操作灵活，适用于多种钢材的焊接，尤其适合野外作业。 气体保护焊 利用气体隔绝空气，焊接效率高、焊缝成型美观，适用于低碳钢、低合金钢的高效焊接。 氩弧焊 焊接质量优异，热影响区小，主要用于铝、镁、不锈钢等有色金属的精密焊接。 气焊 使用气体火焰加热，设备轻便、成本低，常用于薄板、铜铝等有色金属的焊接与切割。 知识讲授：焊接的广泛应用 焊接是现代工业的核心连接技术，通过加热或加压将金属材料永久结合，是构建大型、重型及复杂结构不可或缺的工艺，广泛渗透于国民经济的各个关键领域。 造船工业：巨轮的骨架构建 万吨级船体由成千上万吨钢板焊接而成，是船舶制造中最基础、最关键的工序，决定了船体的强度与密封性。 桥梁建设：跨越天堑的纽带 大型钢桥的桁架、箱梁等承重结构，依靠焊接实现高强度、高稳定性的连接，确保桥梁的安全与耐久。 建筑钢结构：摩天大楼的脊梁 超高层建筑的钢框架、支撑体系大量采用焊接工艺，为建筑提供稳固的骨架和优异的抗震性能。 管道工程：能源输送的血管 长距离输油、输气管道的现场铺设与连接，焊接技术保障了管线的绝对密封性与耐压能力。 知识讲授：三种毛坯制造方法对比 01 铸造 原理是将熔融金属浇入铸型。特点是适合制造形状复杂、尤其是带有复杂内腔的零件。典型应用有机床床身、发动机缸体、水泵壳体等。 02 锻造 利用金属塑性变形而成形。其核心优势是强度高、韧性好，特别适合承受重载和冲击的零件。典型应用有曲轴、连杆、齿轮毛坯等。 03 焊接 通过加热或加压使金属原子结合。适合制造大型、复杂的结构件，能化整为零、灵活制造。典型应用有船舶、桥梁、建筑钢结构等。 共性总结： 这三种工艺得到的均为毛坯件，大多数情况下都需要经过后续的切削加工（如车、铣、刨、磨）才能成为精度合格的成品零件。 知识讲授：什么是切削加工？ 01 核心定义 利用刀具对工件表面进行切削，切除一层或多层多余的金属，从而使工件获得所需的几何形状、尺寸精度和表面质量的机械加工方法，是现代制造业的基础工艺。 02 关键价值 它是将工业毛坯转化为精密零件的关键步骤，能够极大地提升零件的尺寸精度、形状精度和表面光洁度，是实现高端装备制造的核心环节。 图示：精密磨床正在进行金属切削作业。通过高速旋转的砂轮对工件进行微量切削，是实现高精度、高光洁度表面加工的重要手段。 知识讲授：常见切削加工方法：车削加工 车削是机械制造中最基础、最常用的切削加工方法之一，主要用于加工具有回转表面的工件，是机械加工的重要组成部分。 加工特点 工件做旋转主运动，车刀做直线进给运动，通过刀具与工件的相对运动实现切削成型。 主要应用 主要用于加工各种回转体表面，如圆柱面、圆锥面、球面、螺纹以及成型回转面等。 典型零件 广泛应用于制造轴类、盘类、套类零件，如传动轴、齿轮坯、法兰盘、轴承环等。 知识讲授：常见切削加工方法：铣削加工 设备与加工原理 以铣床为核心设备，铣刀作高速旋转主运动，工件随工作台做进给运动，两者配合实现高效切削，是机械加工中最常用的方法之一。 核心加工范围 不仅能加工平面、台阶面和沟槽，还能完成齿轮、螺纹、凸轮及复杂成形表面的加工，工艺适应性极强。 典型加工零件 广泛应用于机床工作台、各类箱体、发动机缸体、齿轮、凸轮以及精密模具的型芯与型腔制造。 图示：现代化数控铣床正在进行精密零件的铣削加工，展现了其高效、精准的特点。 知识讲授：常见切削加工方法：刨削加工 01 加工特点 刨刀沿直线做往复切削运动，工件随工作台做间歇进给，属于间歇性加工，切削速度较慢但工艺简单。 02 主要应用 主要用于加工各类平面、斜面、沟槽等几何表面，特别适用于单件小批量生产及大型零件的加工场景。 03 典型零件 广泛应用于机床导轨、T型槽、燕尾槽、齿条等关键零部件的加工，是机床制造中的基础工序。 知识讲授：常见切削加工方法：磨削加工 01 加工原理与特点 以高速旋转的砂轮为刀具，对工件表面进行微量切削。属于精密加工工艺，具有切削速度高、加工余量小的特点，能有效修正工件的形状与尺寸偏差。 02 精度与表面质量优势 可获得极高的尺寸精度（IT5级以上）和极低的表面粗糙度（Ra值可达0.01μm），是实现零件高精度配合和低摩擦磨损的关键工序。 03 典型应用场景 广泛应用于制造精密轴承、量规量具、硬质合金模具、发动机曲轴、高精度齿轮等对精度要求极高的关键零部件。 磨削加工是机械制造中不可或缺的精密加工手段，它不仅能保证零件的精度要求，更是提升产品性能和使用寿命的关键环节，在现代高端制造领域占据着核心地位。 知识讲授：常见切削加工方法：钻削加工 图示：工业钻床通过主轴带动钻头旋转，对工件进行钻孔作业，是机械制造中最基础的孔加工方式。 01 加工设备 以钻床为核心设备，通过主轴带动钻头高速旋转，配合进给运动实现孔加工。 02 运动特点 钻头做旋转主运动，同时沿轴线方向进行直线进给运动，从而切削出圆柱形孔。 03 核心应用 主要用于在实体材料上加工出通孔或盲孔，是机械制造中不可或缺的基础工序。 04 典型零件 广泛应用于各类带孔的板件、箱体类零件、法兰盘以及精密机械零部件的加工。 知识讲授：特种加工 核心定义 特种加工，又称非传统加工，是区别于传统切削加工的一类方法。它将电能、磁能、化学能、光能、声能、热能或其组合施加于工件，实现材料的去除、变形或性能改性，是现代精密制造的关键技术。 技术特点 能量多元： 依靠电、热、光等非机械能进行加工，突破传统切削的物理局限。 工具柔性： 工具硬度可低于工件材料，特别适合加工超硬、高脆性的难加工材料。 低应力加工： 加工过程无显著机械切削力，有效避免工件变形，适合精密薄壁件加工。 图示：电火花加工（EDM）—— 利用脉冲放电产生的高温熔化并蚀除金属材料，是特种加工的典型代表。 知识讲授：特种加工 知识讲授：常见特种加工方法举例 01 电火花加工 利用电极间火花放电蚀除金属，适合加工复杂模具型腔及硬脆导电材料。 02 激光加工 聚焦高能量激光束进行切割、焊接与打孔，具有极高的加工精度和效率。 03 超声波加工 通过工具高频振动带动磨料冲击工件，适用于玻璃、陶瓷等硬脆材料。 04 电解加工 基于电化学阳极溶解原理，可加工复杂型面，不受材料硬度限制。 核心价值： 特种加工技术突破了传统切削加工的局限，解决了难加工材料、复杂形状及精密微纳制造的难题，是现代高端制造与国防工业不可或缺的关键支撑技术。 知识讲授：热处理 定义： 采用适当的方式对固态金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。 01 加热： 将工件加热至相变温度以上，为组织转变提供必要的能量条件。 02 保温： 在指定温度下保持足够时间，使工件内部温度均匀，确保组织充分转变。 03 冷却： 以适当速度冷却至室温，决定最终的组织形态与力学性能。 ⚠️ 核心目的： 不改变零件的几何形状，而是通过改变内部微观组织结构，显著改善材料的力学性能（如强度、硬度、韧性等）。 知识讲授：热处理的重要性 热处理是现代机械制造的“灵魂”，它通过改变材料内部组织结构，从根本上决定了零件的力学性能与使用寿命。 改善韧性 赋予弹簧等部件极佳的弹性与抗疲劳特性，适应动态载荷。 消除应力 释放加工残留内应力，防止零件变形、开裂，保障尺寸精度。 易切削性 调整金相组织，降低切削阻力，提升加工效率与表面光洁度。 强化性能 提升硬度与强度，赋予刀具、模具优异的耐磨性与抗损能力。 知识点背诵 一、机械制造三阶段：毛坯制造→加工制造→装配调试。 二、三种毛坯制造方法：铸造（浇注）、锻造（锻压）、焊接（连接）。 三、五种切削加工方法：车削、铣削、刨削、磨削、钻削。 1.7.2013 好了，我们来总结一下今天的重点知识。刨床分牛头和龙门；刨削能加工各种平面和沟槽；刨刀有弯颈、直杆、偏刀和成型刀四种主要类型。这些都是必须掌握的核心内容。 ‹#› 师生互动一 降低正弦量计算门槛，提升效率 应选用焊接方法。 问题 某大型船舶制造企业需要将多块厚钢板连接成船体，要求连接处强度高、密封性好、不可拆卸，且能适应海洋腐蚀环境。请问应选用哪种毛坯制造方法？请说明理由。 结论 焊接是将两个或几个金属部件通过加热和加压的方法连接在一起，并具有不可拆性的一种成形工艺方法。船体由多块钢板拼接而成，焊接能够实现不可拆卸的牢固连接，保证船体结构的强度和密封性，且焊接在造船行业中应用最为广泛。 结论 1.7.2013 ‹#› 师生互动二 降低正弦量计算门槛，提升效率 应优先选用锻造方案。 问题 某汽车零部件厂需要制造一批汽车发动机曲轴，曲轴在工作时承受较大的交变载荷和冲击载荷，要求具有很高的强度和韧性。现有铸造和锻造两种方案可供选择，请问应优先选用哪种方案？请说明理由。 结论 锻造是利用金属的塑性变形能力使金属产生塑性变形的加工方法，在塑性变形过程中，金属的内部组织得到改善（晶粒细化、组织致密），力学性能显著提高。曲轴在工作时承受较大的交变载荷和冲击载荷，对强度和韧性要求很高，锻造曲轴能够满足这一要求。铸造虽然可以制成复杂形状，但铸件内部可能存在气孔、缩松等缺陷，力学性能不如锻件。 结论 1.7.2013 ‹#› 师生互动三 降低正弦量计算门槛，提升效率 ①需要经过切削加工。理由：多数铸件需经切削加工后才能成为零件，切削加工是利用刀具对工件表面切除一层或多层金属，从而获得精确的尺寸和光洁的表面。 问题 某机械加工车间有一批铸造完成的机床床身毛坯，表面粗糙，各配合面和导轨面尺寸精度不足，无法直接装配使用。请问：①该批毛坯需要经过什么加工方法才能成为合格零件？②请列举两种以上具体加工方式。 结论 ②具体加工方式：铣削加工——对床身导轨面、安装面进行铣削，获得平面和沟槽；钻削加工——对床身上的螺纹孔、油孔进行钻孔；磨削加工——对导轨面进行精磨，获得高精度和高光洁度的表面。 结论 1.7.2013 ‹#› 单项选择题 1.焊接形成的连接具有的特点是（ ） A.可拆卸 B.不可拆性 C.可反复拆装 D.仅适用于薄板 正确答案：B 焊接是将两个或几个金属部件通过加热和加压的方法连接在一起，并具有不可拆性的一种成形工艺方法。焊接连接后不能拆卸，这是焊接区别于螺栓连接等可拆卸连接的重要特点。 课后练习 1.7.2013 现在我们来做几道练习题巩固一下。第一题，主要用于加工大型工件的刨床是什么？A还是B？对，是B，龙门刨床。 ‹#› 单项选择题 2.下列特种加工方法中，利用激光能量进行加工的是（ ） A.电解加工 B.超声波加工 C.激光加工 D.电火花加工 正确答案：C 激光加工是利用光能进行加工的特种加工方法。电解加工利用电能，超声波加工利用声能，电火花加工利用热能。 课后练习 1.7.2013 第二题，为了防止扎刀，精加工用哪种刨刀？没错，是弯颈刨刀，选B。 ‹#› 单项选择题 3.热处理工艺中，“加热→保温→冷却”的目的是（ ） A.改变零件形状 B.去除材料 C.连接零件 D.获得预期的组织结构与性能 正确答案：D 热处理是采用适当的方式对材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。其目的是改善力学性能，而不是改变形状、去除材料或连接零件。 课后练习 1.7.2013 ‹#› 某航空航天企业需要制造一批精密轴类零件，要求材料内部组织致密、力学性能优良、尺寸精度高、表面光洁。请问：①该零件的毛坯应采用什么方法制造？②毛坯制成后还需要经过哪些加工？请说明理由。 课后练习 （1）该零件的毛坯应采用锻造方法制造。理由：锻造利用金属的塑性变形能力使金属产生塑性变形，在变形过程中金属内部组织得到改善（晶粒细化、组织致密），力学性能显著提高。精密轴类零件在工作时承受交变载荷和冲击载荷，对强度和韧性要求很高，锻造能够满足这一要求。 （2）毛坯制成后还需要经过切削加工和热处理。理由：锻造获得的毛坯尺寸精度和表面质量无法满足精密零件的要求，需要通过车削加工、磨削加工等切削加工方法获得精确的尺寸和光洁的表面。热处理用于改善轴类零件的力学性能，保证其在使用过程中的可靠性。 1.7.2013 最后是一道简答题，请大家简述刨削加工的工艺特点。大家可以从切削工况、成本、效率、应用和精度这几个方面来回答，把我们刚才总结的内容写出来就可以了。 ‹#› 课堂小结 1. 背诵：机械制造三阶段；三种毛坯制造方法的名称；五种切削加工方法的名称。 2. 简答：铸造、锻造、焊接三种毛坯制造方法在原理上有什么本质区别？ 课后作业 1.7.2013 这是今天的课后作业。基础题帮助大家巩固记忆，巩固题要求大家对比两种刨床的核心区别，预习任务是为下节课做准备。请大家认真完成。 ‹#› 感谢观看 $