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1、第1章 金工实习基础知识,1.1 安全文明生产1.2 常用工程材料1.3 常用量具,1.1 安全文明生产,“金工实习”是工科类机械系列课程的重要组成部分，是门实践性极强的专业基础课程，必须通过独立操作才能体会到有关金属加工的基本理论和基本工艺。由于实训过程必须通过学生的实际动手操作才能完成教学任务，学生经常要接触到锐利的工具或旋转机械，如果在实训过程中不严格遵守操作规程或缺乏安全知识，很容易发生人身安全事故或设备安全事故，因此，在实训过程中必须遵守安全操作规程，并做到：,1.1 安全文明生产,进入实训场所必须穿工作服，女生要戴工作帽，长发要压入帽内，不准穿拖鞋、凉鞋、高跟鞋进入实训场所。虚心听
2、从实训教师的指导，注意听讲和操作示范。严格按指定地点、工位实训，不得随意串岗、离岗、追打嬉闹。机械设备未经许可严禁擅自动手操作。设备使用前要进行检查，发现异常情况及时报告。机械设备必须遵守操作规程，严禁两人同时操作一台机床。机床开动后不得用手触摸旋转工件和刀具，不得在工件未停止转动前测量尺寸。不得用手直接清除铁屑和摸工件毛刺。使用电器设备，必须严格遵守安全用电规程，防止触电。安全文明生产，工作结束要打扫机床和工作场所，工件、量具、刀具应摆放整齐。,1.2 常用工程材料,1.2.1 常用工程材料的分类,工程材料按照用途可分为两大类，即结构材料和功能材料。结构材料通常指工程上对硬度、强度、塑性及耐
3、磨性等力学性能有一定要求的材料，主要包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料等。功能材料是指具有光、电、磁、热、声等功能和效应的材料，包括半导体材料、磁性材料、光学材料、电介质材料、超导体材料、非晶和微晶材料、形状记忆合金等。工程材料按照应用领域还可分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料和航空材料等多种类别。,1.2.1 常用工程材料的分类,工程材料具有许多良好的性能，因此被广泛地应用于制造各种构件、机械零件、工具和日常生活用具等。为了正确地使用工程材料，应充分了解和掌握材料的性能。通常所说工程材料的性能有两个方面的意义：使用性能：指材料在使用条件下表现出的性能，如强度、塑性、韧性等力
4、学性能，声、光、电、磁等物理性能以及耐蚀性、耐热性等化学性能；工艺性能：指材料在加工过程中表现出的性能，如冷热加工、压力加工性能，焊接性能、铸造性能、切削性能等。,1.2.2 金属材料的性能,1.金属材料的力学性能金属材料的力学性能亦称为机械性能，是指材料抵抗各种外加载荷的能力，包括弹性与刚度、抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、塑性、硬度、韧性等。外力即载荷，常见的各种外载荷形式如图所示。,（a）拉伸载荷（b）压缩载荷（c）弯曲载荷（d）剪切载荷（e）扭转载荷,强度,（a）低碳钢（b）铸铁,低碳钢和铸铁的应力-应变()曲线,材料在外力作用下抵抗变形与断裂的能力称为强度。根据外力作用方式的不同，强度
5、有多种指标，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪切强度、抗扭强度和疲劳强度等。其中，抗拉强度和屈服强度指标应用最为广泛。,纵坐标为应力（单位为MPa）计算公式为：,横坐标为应变，计算公式为：,式中：P所加载荷；A0试样原始截面积；l0试样的原始标距长度；l1试样变形后的标距长度；l伸长量。,强度,1）静载时的强度拉伸变形有如下几个阶段：1.弹性变形阶段（Oe）；2.屈服阶段（es）；3.强化阶段（sb）；4.缩颈阶段（bz）。2）动载时的强度动载时最常用的指标是疲劳强度，它是指在大小和方向重复循环变化的载荷作用下材料抵抗断裂的能力。许多机械零件，如曲轴、齿轮、轴承、叶片和弹簧等，在工作中各点承
6、受的应力随时间做周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力。在周期交变应力作用下，零件所承受的应力虽然低于其屈服强度，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为材料的疲劳。据统计，大约有80%以上的机械零件失效是由疲劳失效造成的。,中碳钢的N曲线,为产生失效的应力；N为应力循环次数。,塑性,材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的性能称为塑性。常用的塑性指标有延伸率（）和断面收缩率（）。在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率，用符号 表示，即式中：l0试样的原始标距长度（mm）；l1试样拉断后的标距长度（mm）。断面收缩率是指断裂后试样横截面积
7、的最大缩减量（S0Su）与原始横截面积（S0）之比的百分率，即金属材料的和值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生塑性变形而不被破坏，便于通过各种压力加工获得形状复杂的零件，如铜、铝、铁等。塑性好的材料在受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。,硬度,硬度是指材料抵抗另一硬物压入其内而产生局部塑性变形的能力。通常，材料越硬，其耐磨性越好。同时通过硬度值可估计材料的近似b值。硬度试验方法比较简单、迅速，可直接在原材料或零件表面上测试，因此被广泛应用。常用的硬度测量方法有压入法，主要性能指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。陶瓷等材料还常用
8、克努普氏显微硬度（HK）和莫氏硬度（划痕比较法）作为硬度指标。,硬度,1）布氏硬度布氏硬度试验法的测试原理：在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压入到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，如图所示。,硬度,2）洛氏硬度下图所示为洛氏硬度测量原理图。将金刚石压头（或钢球压头）在先后施加两个载荷（预载荷P0和总载荷P）的作用下压入金属表面。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和。卸去主载荷P1后，测量其残余载荷压入深度h1来计算洛氏硬度值。残
9、余载荷压入深度h1越大，表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。,（a）预载荷作用（b）总载荷作用（c）卸去主载荷作用后,硬度,3）维氏硬度布氏硬度不适用于检测硬度较高的材料；洛氏硬度虽可检测不同硬度的材料，但不同标尺的硬度值不能相互直接比较；而维氏硬度可用同一标尺来测定从极软到极硬的材料。维氏硬度的试验原理与布氏法相似，也是以压坑单位表面积所承受压力的大小来计算硬度值的。它是用对面夹角为136的金刚石四棱锥体，在一定压力作用下，在试样试验面上压出一个正方形压痕，如图所示。通过设在维氏硬度计上的显微镜来测量压坑两条对角线的长度，根据对角线的平均长度，从相应表中查出维氏硬度
10、值。维氏硬度试验所用压力可根据试样的大小、厚薄等条件来选择。压力按标准规定有49 N，98 N，196 N，294 N，490 N，980 N等。压力保持时间：黑色金属为1015 s，有色金属为30 s2s。,韧性,1）冲击韧性许多机械零件在工作中往往受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。制造这类零件所用的材料不能单用在静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧性。为了评定材料的冲击韧性，需进行冲击试验（摆锤式一次冲击试验）。,摆锤式一次冲击试验原理图,韧性,2）低温脆性有些金属材料，如工程上用的中低强度钢，当温度降低到某
11、一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。历史上曾经发生过多次由于低温冷脆造成的船舶、桥梁等大型结构脆断的事故。3）断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管构件在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免被破坏，这是由于构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷。,2.金属材料的物理性能密度：单位体积的质量，=m/V。熔点：金属或合金从固态向液态转变的温度。导热性：金属材料传导热量的性能，通常用热导率来衡量。导电性：金属材料传导电流的性能，通常用电阻率来衡量。热膨胀性：金属材料随温度
12、的变化而膨胀或收缩的性能。通常用线膨胀系数或体膨胀系数来表示。磁性：金属材料在磁场中受到磁化的性能。根据磁化程度不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。3.金属材料的化学性能（1）耐腐蚀性；（2）抗氧化性；（3）化学稳定性。4.金属材料的工艺性能（1）铸造性能；（2）锻造性能；（3）焊接性能；（4）热处理性能；（5）切削加工性能。,1.2.3 钢铁材料的鉴别,1碳素钢碳素钢是指碳的质量分数小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金，简称碳钢。其中锰、硅是有益元素，对钢有一定强化作用；硫、磷是有害元素，分别增加钢的热脆性和冷脆性，应严格控制。碳钢的价格低廉、工
13、艺性能良好，在机械制造中应用广泛。常用碳钢的牌号及用途如下表所示。,2合金钢为了改善和提高钢的性能，在碳钢的基础上加入其他合金元素的钢称为合金钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钨、钼、钒、稀土元素等。合金钢还具有耐低温、耐腐蚀、高磁性、高耐磨性等良好的特殊性能，它在工具或力学性能、工艺性能要求高的、形状复杂的大截面零件或有特殊性能要求的零件方面，得到了广泛应用。常用合金钢的牌号、性能及用途如下表所示。,3铸铁碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。由于铸铁含有的碳和杂质较多，其力学性能比钢差，不能锻造。但铸铁具有优良的铸造性、减振性及耐磨性等特点，加之价格低廉、生产设备和工艺简单，是机
14、械制造中应用最多的金属材料。据资料表明，铸铁件占机器总质量的45%90%。常用铸铁的牌号和用途如下表所示。,4有色金属及其合金有色金属的种类繁多，虽然其产量和使用不及黑色金属，但是由于它具有某些特殊性能，故已成为现代工业中不可缺少的材料。常用有色金属及其合金的牌号、应用及说明如下表所示。,1.3 常用量具,1.3.1 游标卡尺的结构和使用方法,1尺身2上量爪3尺框4固定螺钉5深度尺6游标7下量爪,0.02 mm游标卡尺,1结构,1.3 常用量具,1.3.1 游标卡尺的结构和使用方法,2刻线原理主尺每小格为1 mm，当两测量爪合并时，主尺上的49 mm正好对准游标上的50格，则：49/50=0.
15、98（mm）主尺与游标每格相差 1-0.98=0.02（mm）3使用方法 测量前，应将卡尺擦干净，量爪贴合后，游标和主尺零线应对齐。测量时，所用的测力应使两量爪刚好接触零件表面为宜。测量时，应防止卡尺歪斜。在游标上读数时，要避免视线误差。,1.3.2 千分尺的结构和使用方法,1尺架2测砧3测微螺杆4螺丝轴套5固定套筒6微分筒7调节螺母8接头9垫片10测力装置11锁紧机构12绝热片13锁紧轴,千分尺,1结构,2刻线原理千分尺测微螺杆上的螺纹，其螺距为0.5 mm。当微分筒转一周时，测微螺杆就轴向移进0.5 mm。固定套筒上刻有间隔为0.5 mm的刻线，微分筒圆周上均匀刻有50格。因此，当微分筒每
16、转一格时，测微螺杆就移进 0.550=0.01（mm）3使用方法 测量前，转动千分尺的测力装置，使两测砧面靠合，并检查是否密合，同时看微分筒与固定套筒的零线是否对齐。如有偏差，应调固定套筒对零。测量时，用手转动测力装置，控制测力，不允许用冲击力转动微分筒。千分尺测微螺杆的轴线应与零件表面垂直，如图所示。读数时，最好不取下千分尺进行读数，如需要取下读数时，应先锁紧测微螺杆，然后轻轻取下千分尺，防止尺寸变动。读数要细心，看清刻度，不要错读0.5 mm。,1.3.2 千分尺的结构和使用方法,1.3.3 百分表的结构和使用方法,1表盘2大指针3小指针4测量杆5测量头6弹簧7游丝,百分表,1结构百分表的
17、传动系统是由齿轮、齿条等组成的。测量时，当带有齿条的测量杆4上升时，带动小齿轮Z2转动，与Z2同轴的大齿轮Z3及小指针也跟着转动，而Z3又带动小齿轮Z1及其轴上的大指针偏转。游丝的作用是迫使所有齿轮作单向啮合，以消除由于齿侧间隙而引起的测量误差。弹簧是用来控制测量力的。,1.3.3 百分表的结构和使用方法,百分表及磁性表座,2刻线原理百分表的测量杆移动1 mm时，大指针正好回转一圈。而表盘上沿圆周刻有100等分（格），则其刻度值为。测量时，大指针转过1格刻度，表示零件尺寸变化 0.01 mm。百分表使用时常与磁性表座配合使用，如图所示。,1.3.3 百分表的结构和使用方法,百分表的使用,3使用
18、方法 测量前，检查表盘和指针有无松动现象，检查指针的平稳和稳定性。测量时，测量杆应垂直零件表面；测圆柱时，测量杆应对准圆柱轴中心。测量头与被测表面接触时，测量杆应预先有0.31 mm的压缩量，保持一定的初始测力，以免负偏差测不出来，如图所示。,（a）（b）（c）,1.3.4 万能量角器的结构和使用方法,万能量角器,1结构如图所示是读数值为2的万能量角器。游标固定在扇形板上，可以沿着主尺转动。用卡块可以把角尺和直尺固定，从而使可测量角度的范围在0320。,1.3.4 万能量角器的结构和使用方法,2刻线原理扇形板上刻有120格刻线，间隔为1，游标上刻有30格刻线，对应扇形板上的度数为29，则游标上
19、每格度数为，扇形板与游标每格相差。3使用方法 使用前检查零位。测量时，应使万能量角器的两个测量面与被测件表面在全长上保持良好接触，然后拧紧制动器上的螺帽，读数，如图所示。测量角度在050范围内，应装上角尺和直尺；在50140范围内，应装上直尺；在140230范围内，应装上角尺；在230320范围内，不装角尺和直尺。,1.3.5 钢尺和卡钳的使用,台阶的测量方法,钢尺是最常用的简单量具，其最小刻度为 1mm，测量工件的外径和孔径时，必须与卡钳配合使用。卡钳分为内卡钳和外卡钳或弹簧卡钳。卡钳必须和其他量具配合使用，如内卡钳与外径千分尺配合使用测量内孔，测量值能达到精度IT7级。机加工过程中台阶的测
20、量方法如图所示。,（a）（b）（c）（d）,1.3.6 塞尺和刀口形直尺,塞尺,塞尺又称厚薄尺，是用它本身的厚度来测量间隙大小的量具。刀口形直尺简称刀口尺，是用光隙法检验直线平面度的量具。,刀口形直尺及应用,1.3.7 直角尺,直角尺是用来检验直线度或平面度的非直线量具，其两边成90，如图所示。使用时，将其一边与工件的基准面贴合，用另外一边与工件的另一表面接触，根据光隙就可以判断误差状况，或判断垂直度。,直角尺,（a）直角尺（b）直角尺的使用,1.3.9 内径百分表,百分表7的测量头与传动杆4始终接触，弹簧5是控制测量力的，并经过传动杆4，推动百分表7的量杆，使百分表指针转动。由于杠杆2是等臂
21、的，所以当活动测头移动1 mm时，传动杆4也相应移动1 mm，推动百分表指针转动一圈。固定测头3可以根据孔径大小更换，自动定心板8能使活动测头自动位于被测孔的直径位置。,内径百分表的结构如图：,1活动测头2杠杆3固定测头4传动杆5弹簧6紧固螺母7百分表8自动定心板,1.3.9 内径百分表,百分表和固定测头在内径测量杆上的安装和调整方法如下：在内径测量杆上安装百分表时，百分表7的测量头和传动杆4的接触量一般为0.15 mm左右，并用紧固螺母6将百分表锁紧。安装测量杆上的固定测头3时，其伸出长度可以调节，一般比被测量的孔径大0.15 mm左右。内径百分表是用对比法测量孔径的，因此使用时应先根据被测量工件的内孔直径，用外径千分尺将表对至“零”位后，再进行测量，其测量方法如图所示，取最小值为孔的实际尺寸。,用内径表测量孔,
