机械制造基础是机械制造及其相关专业的专业基础课。本书参考了大量机械制造行业的有关规范，在训练项目选题的内容上，依据机械制造专业教学和生产特点，结合工作过程系统化课程结构所涉及的教育理论，在传统教学内容的基础上进行了适当的整合规划。书中以岗位作为主体线索，依次介绍了金属材料，铸造，锻压，焊接，车削加工，铣削，刨、拉、镗削加工，磨削加工，钳工，数控机床加工，电火花加工等内容，能够满足高职高专机械制造及其相关专业的实际教学需求。
　　本书可作为机械工程、机电工程、机械制造以及机械相关专业的高职高专或本科生的教材，也可以作为机械制造行业培训或职业资格认证的参考读物。

本书在编写过程中，参考了大量机械制造行业的有关规范，依据机械制造基础专业教学和生产特点，结合工作过程系统化课程结构所涉及的教育理论，在传统教学内容的基础上进行了适当的整合规划。书中以岗位作为主体线索，依次介绍了金属材料，铸造，锻压，焊接，车削加工，铣削加工，刨、拉、镗削加工，磨削加工，钳工，数控机床加工和电火花加工等内容。
　　本书的特点及思路如下。
　　(1)从我国机械制造及相关专业的培养目标出发，主要讲述金属材料、热加工与冷加工、刀具、机床等相关的基础知识及训练课题，并对工程项目中经常出现的或可能出现的问题进行深入剖析和论述。
　　(2)本书内容的安排以趣味型、成果型为主，深入浅出，以提高学生的学习兴趣。
　　(3)书中部分插图采用SolidWorks创建的三维实体模型，可增强视觉效果。
　　(4)本书创建QQ群，用于专业教师及同行探讨问题、研究教学方法、交流教学资源，同时为本书提供课件下载。

　伴随我国职业教育的蓬勃发展，教育界对高职教育本质的理解不断深入，更加注重对学习领域和工程实践场景的构建；同时随着近几年对机械类学生工程技能水平的要求不断提升，这就需要知识更系统、技能要点更全面的机械制造类教材。
　　针对以上情况，我们组织了全国各地数所院校的一线老师，总结和分析了第1版的优点和不足，提出了第2版教材的修订计划。本次再版充分考虑各使用院校教师和学生各方面的反馈意见和建议，结合我们编写团队在课程建设、教学实践中的新想法、新思路，对原教材内容作了更新、补充与完善，并对教材的结构形式作了重新的设计。
　　机械制造基础是机械设计制造及其相关专业的专业基础课，本书以机械制造工作过程为依据，以项目课题为专业知识、技能的载体，能够满足机械制造及其相关专业的教学需要，通过让学生所学的专业理论知识在实践课题中得到应用，从而促进学生对专业基础知识的理解和掌握。本书以专业及专业基础知识为背景，以实践教学过程为载体，培养学生对专业理论知识的应用能力和对基本工程问题的解决能力，培养学生良好的职业素质、严谨的工作态度、优良的工作作风。
　　本书在编写过程中，参考了大量机械制造行业的有关规范，依据机械制造基础专业教学和生产特点，结合工作过程系统化课程结构所涉及的教育理论，在传统教学内容的基础上进行了适当的整合规划。书中以岗位作为主体线索，依次介绍了金属材料，铸造，锻压，焊接，车削加工，铣削加工，刨、拉、镗削加工，磨削加工，钳工，数控机床加工和电火花加工等内容。
　　本书的特点及思路如下。
　　(1)从我国机械制造及相关专业的培养目标出发，主要讲述金属材料、热加工与冷加工、刀具、机床等相关的基础知识及训练课题，并对工程项目中经常出现的或可能出现的问题进行深入剖析和论述。
　　(2)本书内容的安排以趣味型、成果型为主，深入浅出，以提高学生的学习兴趣。
　　(3)书中部分插图采用SolidWorks创建的三维实体模型，可增强视觉效果。
　　(4)本书创建QQ群，用于专业教师及同行探讨问题、研究教学方法、交流教学资源，同时为本书提供课件下载。
　　本书由山东理工大学于文强和常德职业技术学院汤长清任主编，包头职业技术学院尹亮、张家界航空工业职业技术学院陈立任副主编。
　　本书由黄道权统稿并担任主审，在此表示衷心感谢。
　　由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。
　　编者

第1章金属材料1
　　1.1钢的热处理2
　　1.2钢材的火花鉴别11
　　1.3拓展训练16
　　1.4实践中常见问题解析22
　　本章小结24
　　思考与练习24
　　第2章铸造26
　　2.1砂型铸造26
　　2.2特种铸造工艺45
　　2.3拓展训练53
　　2.4实践中常见问题解析59
　　本章小结63
　　思考与练习63
　　第3章锻压65
　　3.1锻造66
　　3.2冲压82
　　3.3拓展训练88
　　3.4实践中常见问题解析93
　　本章小结96
　　思考与练习96
　　第4章焊接98
　　4.1手工电弧焊98
　　4.2气焊与气割115
　　4.3其他焊接方法124
　　4.4拓展训练135
　　4.5实践中常见问题解析142
　　本章小结148
　　思考与练习149
　　第5章车削加工150
　　5.1内、外圆与端面的车削150
　　5.2槽的加工和工件的切断162
　　5.3螺纹与圆锥面车削172
　　5.4偏心与特型面的加工183
　　5.5拓展训练195
　　5.6实践中常见问题解析196
　　本章小结199
　　思考与练习199
　　第6章铣削加工201
　　6.1平面铣削201
　　6.2铣斜面212
　　6.3直角沟槽、键槽和阶台的铣削215
　　6.4圆柱齿轮铣削223
　　6.5拓展训练228
　　6.6实践中常见问题解析231
　　本章小结234
　　思考与练习234
　　第7章刨、拉、镗削加工236
　　7.1刨削加工236
　　7.2镗削加工250
　　7.3拓展训练259
　　7.4实践中常见问题解析262
　　本章小结264
　　思考与练习264
　　第8章磨削加工265
　　8.1平面磨削265
　　8.2外圆磨削272
　　8.3内圆磨削277
　　8.4拓展训练280
　　8.5实践中常见问题解析283
　　本章小结288
　　思考与练习288
　　第9章钳工290
　　9.1划线290
　　9.2锯、锉、錾削299
　　9.3钻、扩、锪、铰孔加工316
　　9.4攻丝和套丝326
　　9.5刮削与研磨331
　　9.6拓展训练341
　　9.7实践中常见问题解析343
　　本章小结345
　　思考与练习345
　　第10章数控机床加工346
　　10.1数控铣削加工346
　　10.2数控车削加工357
　　10.3拓展训练365
　　10.4实践中常见问题解析371
　　本章小结372
　　思考与练习372
　　第11章电火花加工373
　　11.1数控电火花加工373
　　11.2数控线切割加工379
　　11.3拓展训练385
　　11.4实践中常见问题解析387
　　本章小结387
　　思考与练习388
　　参考文献389

　第1章金属材料
　　学习要点：本章介绍了钢材的退火、正火、淬火、回火以及表面热处理和钢材火花鉴别的方法，同时对热处理常用设备进行了扼要讲解。对于热处理实践中常见的问题和缺陷原因进行了深入剖析；重点介绍了淬火、回火等热处理工艺，并以工程实例介绍了常见零件的热处理工艺规程。
　　知识目标：熟悉典型零件的热处理工艺，掌握基本热处理方法。
　　钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以获得预期组织和性能的工艺。热处理与其他加工方法(如铸造、锻压、焊接和切削加工等)不同，它只改变金属材料的组织和性能，而不以改变形状和尺寸为目的。
　　含碳量Wc<211=""wc="">2.11%的铁碳合金称为铸铁，根据碳的存在形式不同，可将铸铁分为白口铸铁和灰口铸铁两大类。
　　热处理的作用日趋重要，因为现代机器设备对金属材料的性能不断提出新的要求。热处理可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性等，同时还可改善毛坯或原材料的切削加工性能，使之易于加工。可见，热处理是改善金属材料的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。据统计，在机床制造中，热处理件占60%～70%；在汽车、拖拉机制造中，热处理件占70%～80%；在刀具、模具和滚动轴承制造中，几乎全部零件都需要进行热处理。
　　热处理的工艺方法很多，大致可分如下三大类。
　　*普通热处理：包括退火、正火、淬火、回火等。
　　*表面热处理：包括表面淬火和化学热处理(如渗碳、氮化等)。
　　*特殊热处理：包括形变热处理和磁场热处理等。
　　各种热处理都可用以温度、时间为坐标的热处理工艺曲线来表示，如图1-1所示。
　　图1-1热处理工艺曲线示意图
　　1.1钢的热处理
　　项目案例导入：錾口榔头热处理。
　　工件简图：如图1-2所示。
　　工件材料：45钢。
　　项目要求：錾口榔头要求高硬度、耐磨损、抗冲击，热处理后硬度为42～47HRC。
　　工艺流程：根据其力学性能要求，制定热处理方法为淬火后低温回火。加工工艺流程为：备料—锻造—刨削或铣削—锉削—划线—锯削—锉削—钻孔—攻螺纹—热处理—抛光—表面处理—装配。
　　图1-2錾口榔头热处理
　　1.1.1钢的退火和正火
　　退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，安排在铸造、锻造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序做准备。例如，经铸造、锻造等热加工以后，工件中往往存在残余应力、硬度偏高或偏低、组织粗大、成分偏析等缺陷，这样的工件其力学性能低劣，不利于切削加工成型，淬火时也容易造成变形和开裂。经过适当的退火或正火处理可消除工件的内应力，调整硬度以改善切削加工性能，使组织细化，成分均匀，从而改善工件的力学性能并为随后的淬火做准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可直接作为最终热处理。
　　硬度是指金属材料抵抗比它更硬物体压入其表面的能力。常用的硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度。
　　①布氏硬度。布氏硬度的测定方法是，用一定的载荷将直径为D的淬硬钢球压入被测金属的表面，保持规定的时间后，卸除载荷，测出金属表面上的凹痕直径后，从硬度换算表上查出布氏硬度值。布氏硬度用HBS表示。
　　②洛氏硬度。洛氏硬度的测定方法是，用一定的载荷将顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬硬钢球压入被测表面，以凹痕深度来确定硬度值，硬度值直接从硬度计的刻度盘上读出，非常方便。洛氏硬度用HRA、HRB或HRC表示，常用的为HRC。
　　1.退火
　　退火是将钢加热、保温，然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。由于退火的具体目的不同，其具体工艺方法有多种，常用的有3种。
　　1)完全退火
　　完全退火是将亚共析钢加热到铁素体转变为奥氏体的终了温度以上30～50℃，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。完全退火主要用于铸钢件和重要锻件，因为铸钢件铸态下晶粒粗大，塑性、韧性较差；锻件因锻造时变形不均匀，致使晶粒和组织不均，且存在内应力。完全退火还可降低硬度，改善切削加工性。
　　完全退火的原理是：钢件被加热到以上时，呈完全奥氏体化状态，由于初始形成的奥氏体晶粒非常细小，缓慢冷却时，通过“重结晶”使钢件获得细小晶粒，并消除内应力。必须指出，应严格控制加热温度，防止温度过高，否则奥氏体晶粒将急剧长大。
　　2)球化退火
　　球化退火主要用于过共析钢件。过共析钢经过锻造以后，其珠光体晶粒粗大，且存在少量二次渗碳体，致使钢的硬度高、脆性大，进行切削加工时易磨损刀具，且淬火时容易产生裂纹和变形。
　　球化退火时，将钢加热到珠光体转变为奥氏体的温度以上20～30℃。此时，初始形成的奥氏体内及其晶界上尚有少量未完全溶解的渗碳体，在随后的冷却过程中，奥氏体经共析反应析出的渗碳体便以未溶渗碳体为核心，呈球状析出，分布在铁素体基体之上，这种组织称为“球化体”。它是人们对淬火前过共析钢最期望的组织，因为车削片状珠光体时容易磨损刀具，而球化体的硬度低、节省刀具。必须指出，对二次渗碳体呈严重网状的过共析钢，在球化退火前应先进行正火，以打碎渗碳体网。
　　3)去应力退火
　　去应力退火是将钢加热到500～650℃，保温后缓慢冷却。由于加热温度低于临界温度，因而钢未发生组织转变。去应力退火主要用于部分铸件、锻件及焊接件，有时也用于精密零件的切削加工，使其通过原子扩散及塑性变形消除内应力，防止钢件产生变形。
　　塑性是指金属材料仅产生塑性变形而不断裂的能力。常用的指标有伸长率?和断面收缩率ψ。ψ和??值越大，说明材料的塑性越好；反之，则塑性越差。钢和有色金属的塑性较好，而铸铁的塑性很差。
　　2.正火
　　正火是将钢加热到以上30～50℃(亚共析钢)或二次渗碳体溶入奥氏体的终了温度以上30～50℃(过共析钢)，保温后在空气中冷却的热处理工艺。
　　正火和完全退火的作用相似，也是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶，从而解决铸钢件、锻件的粗大晶粒和组织不均问题。但正火比退火的冷却速度稍快，形成了索氏体组织。索氏体比珠光体的强度、硬度稍高，但韧性并未下降。正火主要用于以下方面。
　　(1)取代部分完全退火。正火是在炉外冷却，占用设备时间短，生产率高，故应尽量用正火取代退火(如低碳钢和含碳量较低的中碳钢)。必须注意，含碳量较高的钢，正火后硬度过高，使切削加工性变差，且正火难以消除内应力。因此，中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。
　　(2)用于普通结构件的最终热处理。
　　(3)用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。
　　几种退火和正火的加热温度范围示意图如图1-3所示。
　　图1-3几种退火和正火的加热温度范围
　　冲击韧度是指金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。不少机械零件，如活塞销、冲模、锻模等都是在冲击载荷作用下工作的，对于这类工件，必须考虑它们在冲击载荷作用下的性能，即冲击韧度。冲击韧度常用一次摆锤冲击试验机测定。测定方法是，将被测的金属材料制成带缺口的标准试样，用摆锤将试样一次冲断，以试样被冲断所消耗的功(单位为J)除以试样缺口处的截面积(单位为cm2)来表示冲击韧度值，用?k表示。
　　1.1.2钢的淬火和回火
　　淬火和回火是强化钢最常用的工艺。通过淬火，再配以不同温度的回火，可使钢获得所需的力学性能。
　　1.淬火
　　淬火是将钢加热到或以上30～50℃(如图1-4所示)，保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高钢的强度、硬度和耐磨性，淬火是钢件强化最经济有效的方法之一。
　　强度是指金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂破坏的能力。常用的强度指标有屈服极限和抗拉强度。
　　①屈服极限：是指金属材料在外力作用下，刚开始出现塑性变形时的应力，用?s表示。
　　②强度极限：是指金属材料在拉断前所能承受的最大应力，用?b表示。
　　图1-4碳钢的淬火加热温度范围
　　由于马氏体形成过程伴随着体积膨胀，造成淬火件产生了内应力，而马氏体组织通常脆性又较大，这些都使钢件淬火时容易产生裂纹或变形。为防止上述淬火缺陷的产生，除应选用适合的钢材和正确的结构外，在工艺上还应采取如下措施。
　　(1)严格控制淬火加热温度。对于亚共析钢，若淬火加热温度不足，因未能完全形成奥氏体，致使淬火后的组织中除马氏体外，还残存少量铁素体，使钢的硬度不足；若加热温度过高，因奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体组织也粗大，增加了钢的脆性，致使钢件裂纹和变形的倾向加大。对于过共析钢，若超过如图1-4所示的温度，不仅钢的硬度不会增加，而且裂纹、变形倾向加大。
　　(2)合理选择淬火介质，使其冷却速度略大于临界冷却速度Vk。淬火时钢的快速冷却是依靠淬火介质来实现的，水和油是最常用的淬火介质。水的冷却速度大，使钢件易于获得马氏体，主要用于碳素钢；油的冷却速度较水低，用它淬火，钢件的裂纹、变形倾向小。合金钢因淬透性较好，以在油中淬火为宜。
　　(3)正确选择淬火方法。生产中最常用的是单介质淬火法，即在一种淬火介质中连续冷却到室温。由于操作简单，便于实现机械化和自动化生产，故应用最广。对于容易产生裂纹、变形的钢件，有时采用先水后油双介质淬火法或分级淬火等其他淬火法。
　　2.回火
　　将淬火的钢重新加热到以下某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的主要目的是消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时也使钢获得所需的力学性能。
　　淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件下被强制形成的不稳定组织，因而具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，由于被重新加热，原子活动能力加强，所以随着温度的升高，马氏体中的过饱和碳将以碳化物的形式析出。总的趋势是回火温度越高、析出的碳化物越多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性越高。
　　根据回火温度的不同(参见GB/T7232—1999)，可将钢的回火分为如下3种。
　　(1)低温回火(250℃以下)：目的是降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度(56～64HRC)和高耐磨性。淬火后低温回火用途最广，如各种刀具、模具、滚动轴承和耐磨件等。
　　(2)中温回火(250～500℃)：目的是使钢获得高弹性，保持较高硬度(35～50HRC)和一定的韧性。中温回火主要用于弹簧、发条、锻模等。
　　(3)高温回火(500℃以上)：淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。它广泛用于承受循环应力的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等，调质后的硬度为20～35HRC。由于调质处理后其渗碳体呈细粒状，与正火后的片状渗碳体组织相比，在载荷作用下不易产生应力集中，从而使钢的韧性显著提高，因此经调质处理的钢可获得强度及韧性都较好的综合力学性能。
　　1.1.3钢的表面热处理
　　机械中的许多零件都是在弯曲和扭转等交变载荷、冲击载荷的作用或强烈摩擦的条件下工作的，如齿轮、凸轮轴、机床导轨等，要求金属表层具有较高的硬度以确保其耐磨性和抗疲劳强度，金属芯部具有良好的塑性和韧度以承受较大的冲击载荷。为满足零件的上述要求，生产中采用了一种特定的热处理方法，即表面热处理。
　　表面热处理分为表面淬火和化学热处理。
　　1.表面淬火
　　表面淬火是通过快速加热，使钢的表层很快达到淬火温度，在热量来不及传到钢件芯部时就立即淬火，从而使表层获得马氏体组织，而芯部仍保持原始组织。表面淬火的目的是使钢件表层获得高硬度和高耐磨性，而芯部仍保持原有的良好韧性，常用于机床主轴、发动机曲轴、齿轮等。
　　表面淬火所采用的快速加热方法有多种，如电感应、火焰、电接触、激光等，目前应用最广泛的是电感应加热法。
　　感应加热表面淬火法就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电(有高频、中频、工频三种)，使感应线圈周围产生频率相同、方向相反的感应电流，这个电流称为涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在钢件表层。由涡流所产生的电阻热使钢件表层被迅速加热到淬火温度，随即向钢件喷水，将钢件表层淬硬。
　　感应电流的频率越高，集肤效应越强烈，故高频感应加热用途最广。高频感应加热常用的频率为200～300kHz，此频率加热速度极快，通常只有几秒钟，淬硬层深度一般为0.5～2mm，主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件。
　　感应加热表面淬火质量好，加热温度和淬硬层深度较易控制，易于实现机械化和自动化生产。缺点是设备昂贵、需要专门的感应线圈。因此，主要用于成批或大量生产的轴、齿轮等零件。
　　2.化学热处理
　　化学热处理是将钢件置于适合的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。化学热处理的种类很多，依照渗入元素的不同，有渗碳、渗氮、碳氮共渗等，以适应不同的场合，其中以渗碳应用最广。
　　渗碳是将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使分解出来的活性碳原子渗入钢的表层。渗碳采用密闭的渗碳炉，并向炉内通以气体渗碳剂(如煤油)，加热到900～950℃，经较长时间的保温，使钢件表层增碳。井式气体渗碳过程由排气、强烈渗碳、扩散及降温4个阶段组成，如图1-5所示。
　　图1-5井式气体渗碳工艺曲线
　　渗碳件通常采用低碳钢或低碳合金钢，渗碳后渗层深一般为0.5～2mm，表层含碳量Wc将增至1%左右，经淬火和低温回火后，表层硬度达56～64HRC，因而耐磨；而芯部因仍是低碳钢，故保持其良好的塑性和韧性。渗碳主要用于既承受强烈摩擦，又承受冲击或循环应力的钢件，如汽车变速箱齿轮、活塞销、凸轮、自行车和缝纫机的零件等。
　　渗氮又称氮化。它是将钢件置于氮化炉内加热，并通入氨气，使氨气分解出活性氮原子渗入钢件表层，形成氮化物(如AlN、CrN、MoN等)，从而使钢件表层具有高硬度(相当72HRC)、高耐磨性、高抗疲劳性和高耐腐蚀性。渗氮时加热温度仅为550～570℃，钢件变形甚小。常用的渗氮工艺有3种，即等温渗氮法(又称一段渗氮法)、二段渗氮法和三段渗氮法。图1-6所示为38CrMoAlA钢的等温渗氮工艺。
　　图1-638CrMoAlA钢等温渗氮工艺曲线
　　由图1-6可知，渗氮生产周期长(需几十小时)，生产效率低，需采用专用的中碳合金钢，成本高。工件渗氮层厚度较薄且脆性大，不能承受过大的接触应力和冲击载荷，从而使渗氮的应用受到一定的限制。因此渗氮主要用于制造耐磨性和尺寸精度要求均高的零件，如排气阀、精密机床丝杠、齿轮等。