2025年國家開放大學(xué)電大?？啤稒C(jī)械制造基礎(chǔ)》形考任務(wù)1及任務(wù)4答案1.簡述金屬材料的力學(xué)性能主要包括哪些方面，并說明各性能的實(shí)際意義。金屬材料的力學(xué)性能是指材料在力的作用下所表現(xiàn)出的特性，主要包括強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。（1）強(qiáng)度：指材料抵抗永久變形和斷裂的能力，常用指標(biāo)有屈服強(qiáng)度（σs）和抗拉強(qiáng)度（σb）。屈服強(qiáng)度是材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最小應(yīng)力，是機(jī)械設(shè)計(jì)中確定零件許用應(yīng)力的主要依據(jù)；抗拉強(qiáng)度是材料在斷裂前承受的最大應(yīng)力，反映材料抵抗斷裂的極限能力，對零件的安全裕度設(shè)計(jì)具有重要意義。（2）塑性：指材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力，常用斷后伸長率（δ）和斷面收縮率（ψ）表示。塑性好的材料易于通過壓力加工（如鍛造、沖壓）成形，且在受沖擊或過載時(shí)能通過塑性變形吸收能量，避免突然斷裂。（3）硬度：指材料表面抵抗局部塑性變形或壓痕的能力，常用布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）和維氏硬度（HV）衡量。硬度是材料耐磨性的重要指標(biāo)，例如齒輪齒面需較高硬度以減少磨損，刀具刃部需高硬度以保持切削能力。（4）韌性：指材料在沖擊載荷下吸收能量而不破壞的能力，常用沖擊吸收功（Ak）表示。韌性好的材料能有效抵抗沖擊和振動，如橋梁結(jié)構(gòu)鋼需高韌性以應(yīng)對車輛載荷的沖擊。（5）疲勞強(qiáng)度：指材料在循環(huán)應(yīng)力作用下抵抗疲勞破壞的能力，常用疲勞極限（σ1）表示。機(jī)械中許多零件（如軸、彈簧）在交變載荷下工作，疲勞強(qiáng)度是其使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響設(shè)備的可靠性和安全性。2.分析常用鑄造方法（砂型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造）的工藝特點(diǎn)及適用范圍。（1）砂型鑄造：以型砂為造型材料制造鑄型的工藝，是應(yīng)用最廣泛的鑄造方法。其工藝特點(diǎn)為：①適應(yīng)性強(qiáng)，可鑄造各種合金、形狀復(fù)雜的零件（如發(fā)動機(jī)缸體）；②鑄型成本低，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短；③但鑄件尺寸精度低（IT14IT16），表面粗糙度高（Ra12.550μm），內(nèi)部組織較疏松，力學(xué)性能較差。適用范圍：單件、小批量生產(chǎn)，尤其是大型、復(fù)雜鑄件（如機(jī)床床身、船舶螺旋槳）。（2）金屬型鑄造：用金屬（如鑄鐵、鋼）制成鑄型（永久型）的鑄造方法。工藝特點(diǎn)：①鑄型可重復(fù)使用（數(shù)百至數(shù)萬次），生產(chǎn)效率高；②鑄件冷卻速度快，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能比砂型鑄件高約15%；③尺寸精度高（IT12IT14），表面粗糙度低（Ra6.312.5μm）；但金屬型制造成本高，鑄造工藝靈活性差，不適用于形狀復(fù)雜或大厚壁鑄件。適用范圍：大批量生產(chǎn)非鐵合金（如鋁、鎂合金）鑄件（如發(fā)動機(jī)活塞、鋁合金輪轂），也可用于小型鑄鐵件（如縫紉機(jī)零件）。（3）壓力鑄造：在高壓（5150MPa）下將液態(tài)或半液態(tài)金屬高速壓入金屬型型腔的鑄造方法。工藝特點(diǎn)：①鑄件尺寸精度極高（IT10IT12），表面粗糙度低（Ra0.83.2μm），可直接鑄出薄壁（0.51mm）、復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如細(xì)槽、螺紋）；②內(nèi)部組織致密，力學(xué)性能接近鍛件；③生產(chǎn)效率極高（每小時(shí)可鑄數(shù)百件）；但設(shè)備和模具投資大，鑄件易產(chǎn)生氣孔（因高壓下氣體難以排出），不能進(jìn)行熱處理（加熱時(shí)氣孔膨脹）。適用范圍：大批量生產(chǎn)鋁、鋅、鎂等非鐵合金精密零件（如手機(jī)外殼、汽車變速箱殼體）。3.比較正火與退火的工藝區(qū)別及應(yīng)用場合。正火與退火均為熱處理工藝，通過加熱、保溫、冷卻改變材料組織性能，但工藝參數(shù)和應(yīng)用有顯著差異：（1）工藝區(qū)別：①加熱溫度：亞共析鋼正火加熱溫度為Ac3+3050℃，退火為Ac3+2030℃（完全退火）或Ac1+2030℃（球化退火）；過共析鋼正火加熱溫度為Accm+3050℃，退火為Ac1+2030℃（球化退火）。②冷卻方式：正火采用空冷（冷卻速度較快），退火采用爐冷、坑冷或灰冷（冷卻速度慢）。③組織與性能：正火后的組織為細(xì)片狀珠光體（索氏體），硬度、強(qiáng)度高于退火（退火組織為粗片狀珠光體+鐵素體）；正火后材料的切削加工性（硬度170230HB）優(yōu)于退火（硬度較低時(shí)易粘刀）。（2）應(yīng)用場合：正火主要用于：①改善低碳鋼的切削加工性（低碳鋼退火后硬度太低，正火可適當(dāng)提高硬度）；②作為中碳鋼零件的最終熱處理（代替調(diào)質(zhì)處理，降低成本）；③消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體（為球化退火做準(zhǔn)備）。退火主要用于：①消除鑄件、鍛件的內(nèi)應(yīng)力（去應(yīng)力退火）；②降低高碳鋼硬度，改善切削性（球化退火）；③細(xì)化晶粒，均勻組織（完全退火）；④用于最終熱處理要求不高的零件（如普通支架）。4.計(jì)算：某45鋼試樣（直徑10mm）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測得屈服載荷為28kN，斷裂前最大載荷為45kN，斷后標(biāo)距長度為65mm（原始標(biāo)距50mm），計(jì)算其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率。解：（1）屈服強(qiáng)度σs=Fs/A0試樣原始截面積A0=πd2/4=3.14×(10mm)2/4=78.5mm2Fs=28kN=28000Nσs=28000N/78.5mm2≈356.7MPa（2）抗拉強(qiáng)度σb=Fb/A0Fb=45kN=45000Nσb=45000N/78.5mm2≈573.2MPa（3）斷后伸長率δ=(L1L0)/L0×100%L1=65mm，L0=50mmδ=(6550)/50×100%=30%二、形考任務(wù)4答案1.分析切削過程中三個(gè)變形區(qū)的特點(diǎn)及對切削性能的影響。切削過程可分為三個(gè)變形區(qū)，各區(qū)域的變形機(jī)制和影響如下：（1）第一變形區(qū)（剪切滑移區(qū)）：位于刀具前刀面與工件切削層之間，是切削層金屬受刀具擠壓產(chǎn)生剪切滑移的主要區(qū)域。特點(diǎn)：金屬晶粒沿剪切面產(chǎn)生塑性變形，形成帶狀、節(jié)狀或崩碎切屑（取決于材料塑性和切削條件）。影響：剪切變形消耗大部分切削功，是切削力和切削熱的主要來源；剪切面角度（φ）越大，變形越小，切削力越低（根據(jù)剪切角公式φ=45°+βα，其中β為摩擦角，α為前角，增大前角可增大φ）。（2）第二變形區(qū)（前刀面摩擦區(qū)）：切屑沿前刀面流出時(shí)，與前刀面發(fā)生劇烈摩擦的區(qū)域。特點(diǎn)：切屑底層金屬受前刀面擠壓和摩擦，產(chǎn)生二次塑性變形（纖維化），形成積屑瘤（當(dāng)溫度和壓力適當(dāng)時(shí)，切屑底層金屬粘結(jié)在前刀面上）。影響：積屑瘤可增大實(shí)際前角（減小切削力），但不穩(wěn)定時(shí)會脫落，導(dǎo)致刀具磨損和表面粗糙度增大；摩擦產(chǎn)生的熱量占總切削熱的20%30%，是刀具前刀面磨損的主要原因。（3）第三變形區(qū)（后刀面摩擦區(qū)）：已加工表面與刀具后刀面接觸的區(qū)域。特點(diǎn)：已加工表面受后刀面擠壓和摩擦，產(chǎn)生彈性/塑性變形，形成加工硬化層（硬度為原基體的1.22倍）和殘余應(yīng)力（多為拉應(yīng)力）。影響：摩擦導(dǎo)致后刀面磨損（VB值是刀具磨損的主要指標(biāo)），加工硬化層過厚會降低零件疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力易引發(fā)表面裂紋，影響零件壽命。2.簡述車削、銑削、磨削三種加工方法的工藝特點(diǎn)及典型應(yīng)用。（1）車削：以工件旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，車刀直線進(jìn)給為進(jìn)給運(yùn)動的加工方法。工藝特點(diǎn)：①適合加工回轉(zhuǎn)體表面（外圓、內(nèi)孔、端面、螺紋）；②加工精度可達(dá)IT7IT8（精車IT6），表面粗糙度Ra1.60.8μm（精車Ra0.40.2μm）；③刀具結(jié)構(gòu)簡單（單刃），調(diào)整方便；④生產(chǎn)率高（尤其適合批量生產(chǎn)）。典型應(yīng)用：軸類零件（如機(jī)床主軸）、盤套類零件（如法蘭盤）、螺紋（如螺栓）等。（2）銑削：以銑刀旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，工件直線或曲線進(jìn)給為進(jìn)給運(yùn)動的加工方法。工藝特點(diǎn)：①可加工平面（水平面、垂直面）、溝槽（鍵槽、T形槽）、成形面（齒輪齒形）；②多刃切削，生產(chǎn)率高于刨削；③加工精度IT7IT9，表面粗糙度Ra6.31.6μm（精銑Ra0.80.4μm）；④銑削時(shí)存在沖擊（刀齒斷續(xù)切削），易產(chǎn)生振動，影響表面質(zhì)量。典型應(yīng)用：箱體類零件的平面（如機(jī)床床身頂面）、模具型腔、齒輪齒面（成形銑削）等。（3）磨削：以砂輪高速旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，工件或砂輪進(jìn)給為進(jìn)給運(yùn)動的加工方法。工藝特點(diǎn)：①砂輪由磨粒（硬度高，如剛玉、碳化硅）、結(jié)合劑和氣孔組成，可加工高硬度材料（淬火鋼、硬質(zhì)合金）；②加工精度高（IT6IT5），表面粗糙度Ra0.80.1μm（超精磨Ra0.012μm）；③磨削溫度高（可達(dá)1000℃以上），易導(dǎo)致工件表面燒傷（氧化層）和殘余拉應(yīng)力；④砂輪有自銳性（磨鈍的磨粒脫落，新磨粒露出），但需定期修整。典型應(yīng)用：精密零件的外圓（如滾動軸承套圈）、內(nèi)孔（如液壓缸內(nèi)壁）、平面（如導(dǎo)軌面）及刀具刃磨（如銑刀、鉆頭）等。3.分析影響加工精度的主要因素，并說明提高尺寸精度的措施。影響加工精度的因素可分為工藝系統(tǒng)誤差和加工過程誤差，具體包括：（1）工藝系統(tǒng)幾何誤差：①機(jī)床誤差：主軸回轉(zhuǎn)誤差（徑向跳動、軸向竄動）影響圓度和端面平面度；導(dǎo)軌誤差（直線度、平行度）影響工件形狀（如外圓圓柱度）；傳動鏈誤差（如車螺紋時(shí)絲杠與工件的傳動比誤差）影響螺紋導(dǎo)程精度。②刀具誤差：定尺寸刀具（鉆頭、鉸刀）的尺寸磨損直接影響孔的尺寸精度；成形刀具（齒輪銑刀）的形狀誤差導(dǎo)致工件形狀誤差。③夾具誤差：定位誤差（基準(zhǔn)不重合、基準(zhǔn)位移）影響工件的位置精度（如孔與面的垂直度）；夾緊誤差（夾緊力過大導(dǎo)致工件變形）影響形狀精度。（2）工藝系統(tǒng)受力變形：切削力、夾緊力、重力等使機(jī)床刀具工件系統(tǒng)產(chǎn)生彈性變形（如車細(xì)長軸時(shí)“鼓形”誤差），導(dǎo)致加工表面形狀誤差。（3）工藝系統(tǒng)熱變形：切削熱、摩擦熱使機(jī)床、刀具、工件受熱膨脹（如車削時(shí)工件熱伸長導(dǎo)致直徑減?。鋮s后產(chǎn)生尺寸誤差；主軸箱溫度升高導(dǎo)致主軸軸線偏移，影響形狀精度。（4）工件內(nèi)應(yīng)力重新分布：鑄件、鍛件因冷卻不均存在內(nèi)應(yīng)力，加工后內(nèi)應(yīng)力釋放引起變形（如平面加工后翹曲）。提高尺寸精度的措施：①減小機(jī)床誤差：采用高精度機(jī)床（如精密車床的主軸徑向跳動≤0.001mm），定期維護(hù)導(dǎo)軌和傳動鏈；②控制刀具磨損：選用耐磨刀具材料（如硬質(zhì)合金、陶瓷），合理選擇切削用量（降低切削速度可減少刀具磨損）；③優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)：采用基準(zhǔn)重合原則（定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)一致），使用自定心夾具（如三爪卡盤）減小基準(zhǔn)位移誤差；④減小受力變形：采用跟刀架（車細(xì)長軸）、提高工藝系統(tǒng)剛度（縮短刀具懸伸長度）；⑤控制熱變形：使用切削液冷卻（降低磨削區(qū)溫度），機(jī)床預(yù)熱（使熱變形穩(wěn)定后再加工）；⑥消除內(nèi)應(yīng)力：對毛坯進(jìn)行時(shí)效處理（自然時(shí)效或人工時(shí)效），加工過程中安排去應(yīng)力退火。4.計(jì)算：用YT15車刀車削直徑φ60mm的45鋼軸，選用切削速度v=120m/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r，背吃刀量ap=2mm，計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速n、基本時(shí)間t（加工長度L=100mm，切入量l1=3mm，切出量l2