绪章绪论

机械制造，是采用机械设备进行产品加工的工艺过程。它作为整个制造业的基础技术，为现代工业社会提供物质基础，为信息与知识社会提供先进装备和技术平台，是实现军事变革和国防安全的底层保障。因此，机械制造技术在一定程度上代表着国家的工业化程度和科技发展水平，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。从机械驱动的进步，到自动化的生产，现代机械制造技术向着多学科交叉的先进制造方向发展。

●0.1机械制造技术基础-绪论

机械制造，是采用机械设备进行产品加工的工艺过程。它作为整个制造业的基础技术，为现代工业社会提供物质基础，为信息与知识社会提供先进装备和技术平台，是实现军事变革和国防安全的底层保障。因此，机械制造技术在一定程度上代表着国家的工业化程度和科技发展水平，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。从机械驱动的进步，到自动化的生产，现代机械制造技术向着多学科交叉的先进制造方向发展。

第一章金属材料及热处理概论

工程材料分为金属材料和非金属材料两大类，金属材料储备丰富且具有很好的性能。金属的热处理是在固态条件下采用适当方式进行加热、保温及冷却的过程。本章内容包括金属材料的性能、常见金属的晶体结构与结晶、金属的塑性变形与再结晶、合金的结构与结晶、铁碳合金相图和钢的热处理。

●1.1金属及合金的基本性能

在机械制造领域中，金属材料的选用主要以材料在使用过程中受外力作用所表现出来的力学性能为主要依据。金属材料的力学性能主要有：强度，硬度，塑形、冲击韧性、疲劳强度等。其中，强度、硬度、塑形属于材料的静态力学性能，冲击韧性和疲劳强度属于动态力学性能。

●1.2金属及合金的晶体结构和结晶过程

金属材料的力学性能主要取决于材料的化学成分和内部晶体结构。金属材料的内部结构和结晶过程规律决定了最终零件的力学性能和使用范围。本节从纯金属和合金两个方面阐述了材料的晶体结构类型、结晶过程、晶粒大小的控制方法及对应的力学性能。

●1.3铁碳合金相图

目前使用最广泛的金属材料包含碳钢和铸铁，主要由铁和碳两种元素构成，称为铁碳合金。经过长期生产实践和大量科学实验，铁碳合金相图展示了钢铁材料在不同温度下组织变化规律，为钢铁材料的热加工工艺提供重要的理论依据。

●1.4钢的热处理

钢的热处理是钢在固态下采用适当方式进行加热、保温，并以一定的冷却速度冷却到室温，以改变钢的组织从而达到改变其性能的一种工艺方法。其目的是改变钢的内部结构以改善钢的性能，延长机器零件的使用寿命，主要包括退火、正火、淬火、回火及化学热处理等方式。

第二章铸造生产-流态成形

铸造工艺是指将固态金属熔化为液态，倒入拥有特定形状型腔的铸型，待其凝固得到铸件的流态成形方法。铸造工艺常用的金属材料有：铁、钢、铜、铝、锡、铅等。常用的铸造工艺方法有：砂型铸造、压力铸造、熔模铸造、金属型铸造、离心铸造等。本章将为大家介绍以砂型铸造工艺为主的基础知识，包括造型方法、工艺过程、铸造性能、铸造产品、铸件结构设计和铸造工艺设计方法。

●2.1铸造工艺方法

常见的铸造工艺方法有：砂型铸造、压力铸造、熔模铸造、金属型铸造、离心铸造。本节将为大家简要介绍这些常用的铸造工艺方法，以及各种铸造生产工艺的流程及特点。

●2.2手工砂型铸造

砂型铸造是铸造生产中常用的工艺方法。不同的砂型铸造造型方法具有不同的工艺特点和应用范围。砂型铸造造型工艺方法主要有8种，整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型、三箱造型以及地坑造型。本节将为大家简要介绍各种砂型铸造造型方法的工艺流程及工艺特点。

●2.3合金的铸造性能

铸造性能是指合金铸件在铸造成形过程中获得准确结构和尺寸，以及满足机械性能要求的能力。铸造性能主要有：合金的流动性、凝固特性、收缩性、吸气性等，它们对铸件质量有很大影响。形成铸造缺陷的原因与合金铸造性能直接相关。本节对铸造缺陷的形成原因进行分析，并提出防止铸造缺陷的工艺措施。依据合金铸造性能特点，采取必要的工艺措施，对于获得优质铸件有着重要意义。

●2.4铸造产品

铸铁是铸造工艺生产获得的最重要的一类铸件产品。重要的铸铁产品包括：灰口铸铁、孕育铸铁、球墨铸铁、可锻铸体、蠕墨铸铁、合金铸铁、白口铸铁等。本节主要介绍各种铸铁产品的组织、性能、牌号及其运用。

●2.5铸造工艺设计

为了获得质量性能合格的铸件、减少铸型制备工作量、降低铸造生产成本，必须合理制订铸造工艺方案，并绘制铸造工艺图。铸造工艺图是生产准备、铸型制造、芯盒制造、合箱浇注和铸件检验所需的基本工艺文件。依据铸造工艺图，结合所选定的造型方法，便可绘制出模型图及合箱图。本节围绕铸造工艺设计方法，介绍有关浇注位置确定、分型面选择、造型工艺方法、绘制铸造工艺图等砂型铸造工艺设计的步骤和内容。

●2.6砂型铸件结构工艺性设计

进行铸件结构设计时，不仅要保证其力学性能和工作性能要求，还必须考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的影响。考虑铸造工艺性能的铸件结构设计是否合理，对铸件的质量、生产率及生产成本有很大的影响。本节主要介绍砂型铸件结构工艺性设计的基本原则和要求。

第三章锻压生产-塑性成形

利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材或锻压件的加工方法，称为金属塑性成形。讲述金属塑性成形的概念、实质，塑性变形对金属组织和性能的影响；讨论金属的可锻性及影响因素；介绍锻造工艺，冲压工艺，以及其它塑性成形方法。

●3.1金属塑性成形及其实质

塑性成形的实质是金属单晶体内部的滑移和多晶粒之间的滑动和转动的综合效果。常见的塑性成形工艺通常包括锻造、冲压、挤压、轧制、拉拔等，介绍了这些加工方法，讨论了塑性成形加工中面临的弹复现象及其对制品的影响。

●3.2金属塑性变形后组织及性能的变化

介绍了金属的冷变形和热变形。金属在冷变形后出现加工硬化和残余内应力，若将它加热到一定温度，则金属的组织将依次发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段，其性能也将发生相应的变化。在塑性加工中，金属内部各晶粒的形状将沿受力方向拉长，呈纤维状，称为纤维组织。纤维组织使金属材料的性能呈现明显的各向异性，且稳定性很高。因此，在锻造重要零件时，应力求使纤维组织沿着正确的方向分布，从而提高零件承受载荷的能力。

●3.3金属可锻性

讨论金属的可锻性及其影响因素。金属的可锻性，是评价材料经受压力加工难易程度的一种工艺性能。常将塑性和变形抗力综合在一起来衡量金属的可锻性。塑性高、变形抗力小，则可锻性好，反之，则可锻性差。 影响可锻性的因素，包括：化学成分、金属组织和加工条件，其中，加工条件又包括变形温度、变形速度、应力状态等。了解金属可锻性，这对合理制定锻造工艺非常重要。

●3.4锻造

锻造是最为常见的塑性成形工艺，包括自由锻和模锻两种。自由锻的特点是，通用性大，尺寸精度差，锻件形状简单，材料利用率低，劳动强度大。自由锻工序分为基本工序、辅助工序和修整工序。模锻工序分为锤上模锻、胎模锻和其它设备上的模锻。模锻的特点包括：锻件尺寸精确，表面质量好；形状结构可以比较复杂；锻件内部流线分布更合理；劳动强度较低。但锻件质量不能太大；锻模成本高，生产准备周期较长；工艺灵活性较差。

●3.5冲压及其它塑性成形方法

冲压成形是板料在冲模之间受压分离或成形而得到制品的工艺统称，通常为冷冲压，只有当板料较厚时，才进行热冲压。冲压的基本工序包括分离工序和变形工序，其工艺特点为：可冲压成型出复杂的零件，废料少；产品具有足够高的精度和较低的表面粗糙度，互换性好，工序少；材料消耗少，制件质量轻，强度刚度高；操作简单，便于自动化，生产率高；模具复杂，一般只适于大批量生产。其它塑性成形方法，还有挤压、拉拔、轧制、旋压等。

第四章焊接生产-连接成形

焊接是指通过加热或加压的方法，使分离的金属材料产生原子或分子间结合的一种加工方法。在各种制造工艺中，焊接起步虽然较晚，但发展速度很快，是一种十分重要的热加工工艺。焊接连接性好、省时省料、结构重量轻，因而广泛地应用于船舶、桥梁、建筑、石油化工、汽车、机械制造、航天航空、原子能、电力、电子技术等部门。

●4.1焊接概述

焊接是指通过加热或加压的方法，使分离的金属材料产生原子或分子间结合的一种加工方法。在各种制造工艺中，焊接起步虽然较晚，但发展速度很快，是一种十分重要的热加工工艺。焊接连接性好、省时省料、结构重量轻，因而广泛地应用于船舶、桥梁、建筑、石油化工、汽车、机械制造、航天航空、原子能、电力、电子技术等部门。

●4.2熔化焊

焊接方法有很多，按其工艺过程的特点可分为熔化焊、压焊和钎焊三大类。熔化焊：包括手工电弧焊、埋弧焊、气焊、电渣焊等；手工电弧焊是指利用手工操作电焊条进行焊接，是应用最为广泛的一种焊接方法，可进行平、立、横、仰各种位置的焊接。

●4.3电焊条

电焊条由焊芯和药皮两个部分组成。焊芯是中间的金属芯，焊芯的直径即为焊条的直径。焊芯与焊件之间产生电弧并熔化，成为填充金属并形成焊缝。药皮是涂覆在焊芯表面的混合涂料层，也称涂层。是由矿石粉末、铁合金粉和有机物等组成。在焊接过程中，有稳弧、机械保护和添加有益合金元素的作用。

●4.4焊接接头的组织与性能

焊接热影响区是指焊缝以及其周围的区域，该区域经历了不同程度的加热及冷却。因此，必然有相应的组织与性能的变化。焊接热影响区的大小和组织性能变化的程度，取决于焊接方法、焊接参数、接头形式和焊后冷却速度等因素。例如：同一焊接方法使用不同焊接参数时，热影响区的大小也不相同。

●4.5焊接应力与变形

焊接应力是指焊件由于焊接时不均匀的加热和冷却而产生的应力。这种残留在钢板内部的应力，也称为焊接残余应力。焊接过程中，对焊接件进行不均匀加热和冷却，导致不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形是产生焊接应力和变形的根本原因。焊缝是靠一个移动的点热源加热，然后以不同速度的冷却下来而形成的，因此，应力的形成、大小和分布较为复杂。

●4.6常用金属材料焊接

可焊性是指被焊金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。是一项重要的工艺性能，通常以金属材料在焊接时形成裂纹的倾向及焊接接头影响区淬硬程度作为评价金属材料焊接性的主要指标。采用不同的焊接方法和焊接材料，其焊接性差别较大。随着焊接技术的发展，过去某些难焊接的金属材料，现在可以用一定的方法进行焊接。

第五章金属切削的基础知识

前面几章介绍了热处理、铸造、锻造、焊接等，这些加工方法通常统称为热加工，本章将介绍冷加工方法：金属切削加工。上到航空航天飞行器发动机、下到潜艇推进器螺旋桨、以及各种各样的机器零部件，无不需要金属切削加工。切削加工是在机床上利用切削工具从工件上切除多余材料，从而获得具有一定形状精度、尺寸精度、位置精度和表面质量的机械零件，是机械加工的基本方法。由于多数零件选用金属材料制作，而广泛使用的切削工具则是各类刀具，因此对用刀具切削金属材料的研究具有特别重要的意义。本章包括切削运动与切削用量、刀具的类型与构造以及几何参数、刀具材料的性能及类型、切屑的形成与类型、积屑瘤的产生与影响、切削力、切削热与刀具磨损等内容。

●5.1切削运动与切削用量

切削加工过程能够顺利进行，刀具和工件间必须要有形成零件结构要素所需的相对运动。切削加工中，随着切削层(加工余量)不断被刀具切除，工件上有三个处于变动中的表面。本节介绍切削运动与工件表面，以及定量描述主运动、进给运动和投入切削的加工余量厚度切削用量三要素和切削层的三参数，其选择直接影响材料切除率，进而影响生产效率。

●5.2刀具的基本知识

刀具是加工设备实现切削加工的直接执行者，由于其投入小、变化灵活、改革简便、收效显著，是切削加工中影响生产效率、加工质量与成本的最活跃因素。本节介绍刀具的类型、刀具的构造以及刀具的几何参数。

●5.3刀具材料

刀具切削性能的好坏，主要取决于刀具材料的切削性能的优劣和刀具切削部分的结构与几何参数的选择是否合理。通常所说的刀具材料是指刀具切削部分直接承担金属切除任务的材料，它的性能直接影响刀具的耐用度和生产率的高低、刀具消耗和成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等，是保证刀具高效工作的基本条件。本节主要介绍刀具材料应具备的性能、常用刀具材料的种类以及其他新型刀具材料。

●5.4切屑的形成与类型

金属切削过程就是用刀具从工件表面上切去多余的金属，形成已加工表面的过程，也是工件的切削层在刀具前刀面挤压下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。切削过程中的各种物理现象，比如力、热、变形、磨损等，都是以切屑形成过程为基础的。了解切屑形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要的，本节以塑性金属材料为例，介绍切屑的形成过程三个变形区的变形特点及其对加工的影响，以及所形成的几种常见类型切屑的特征及其对加工的影响。

●5.5积屑瘤

积屑瘤是在切削过程中，刀具的前刀面上面逐渐粘附着的一个楔形块，它能够代替刀刃进行切削，并影响加工过程与加工质量，本节介绍积屑瘤的形成机理、影响积屑瘤的主要因素、积屑瘤对切削过程的影响以及避免产生或减小积屑瘤的措施。

●5.6切削力与切削热

随着切削过程的发生和发展，形成了许多物理现象，切削力和切削热是金属切削的基本物理现象，了解这些物理现象及其变化规律对保证加工质量、提高生产率、降低成本和指导生产实践有着十分重要的意义。本节介绍切削力和切削热的相关知识。

●5.7刀具磨损

刀具磨损是由于刀具在切削金属的过程中与切屑、工件之间产生剧烈的摩擦和挤压而导致，会使得切削刃由锋利逐渐变钝甚至有时会突然损坏。刀具磨损也是影响生产效率、加工质量和成本的重要因素，刀具严重磨损，会缩短刀具寿命，恶化工件表面质量，增加刀具损耗。本节介绍刀具的正常磨损与非正常磨损的多种形式、磨损过程和磨损标准，刀具磨损的几种原因等内容。

第六章常用切削加工方法

组成机器的零件大小不一，形状和结构各不相同，金属切削加工方法也多种多样。常用的有车削、钻削、镗削、刨削、拉削、铣削和磨削等。它们在加工原理有相似之处，但所用机床和刀具不同，切削运动形式不同，从而具有独特的工艺特点与应用范围。只有了解加工方法的特点和应用范围，才能合理地选择加工方法。

●6.1车削工艺特点及其应用

车削是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床加工方法，主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件。车床加工主要用车刀对旋转的工件进行车削加工。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。

●6.2钻-扩-铰工艺特点及其应用

孔是组成零件的基本表面之一，孔加工是常见的加工形式。孔的尺寸、精度和表面粗糙度不同，所采取的的加工方法也不同。部分孔可采用车削方式加工，但更多的孔需要采用钻孔、扩孔、铰孔和镗孔等钻削、镗削加工方法。

●6.3镗削工艺特点及其应用

孔是组成零件的基本表面之一，孔加工是常见的加工形式。孔的尺寸、精度和表面粗糙度不同，所采取的的加工方法也不同。部分孔可采用车削方式加工，但更多的孔需要采用钻孔、扩孔、铰孔和镗孔等钻削、镗削加工方法。

●6.4刨、拉削工艺特点及其应用

在平面、沟槽及各种形状的通孔大规模加工时，刨、拉削采用直线进给加工的方式，具有很高的生产效率。

●6.5铣削工艺特点及其应用

铣削是平面尤其是成形面的主要加工方法之一。铣削是利用具有多切削刃的铣刀旋转，实现复杂平面的成形加工。铣削大型零件的平面常用龙门铣床，生产率较高，多用于批量生产。

●6.6磨削工艺特点及其应用

磨削是零件表面精加工的主要方法，加工范围广，可加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面,以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。磨削时可采用砂轮、油石、磨头、砂带等作磨具，砂轮是零件精加工最常见的磨具。

第七章先进制造技术概述

先进制造技术是当前社会发展的动力源。本章简要地介绍了先进制造技术提出的社会背景与技术背景，阐述了先进制造技术的体系结构和技术特点，在全面分析面向先进制造的设计技术群、制造工艺技术群、自动化技术群和管理技术群后，从中挑选了具有代表性的先进技术单元进行系统性的讲解，包括：计算机集成制造技术、精密超精密加工技术、柔性制造系统、增材制造技术、渐进成形技术、微纳制造技术和绿色制造技术。

●7.1先进制造技术概论

先进制造技术是在传统制造技术基础上通过不断吸收科学技术的最新成果而逐渐发展起来的一个新兴技术群，它包括基础制造技术、新型单元技术和集成技术三个层次，具有系统性、广泛性、集成性、动态性和实用性的特点，正向着精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化和全球化的方向发展。

●7.2精密超精密加工技术概述

精密超精密加工技术代表了加工精度发展的高标准阶段，主要用于天体望远镜、芯片制造、高精密刀具、陀螺仪、航发叶片等高精度与高灵敏度的产品与设备。精密超精密的加工环境要求苛刻，恒温、恒湿、净化和隔振。通过对高速加工技术、金刚石超精密加工技术和细微切削技术的详细讲解与案例分析，展现发展精密超精密加工技术的重大意义。

●7.3增材制造技术概述

增材制造技术（3D打印）是一场制造业的革命，基于分层制造，逐层叠加的思想，通过CAD造型、数据准备处理和成形过程三大步骤，可以快速制造所需的立体零件，是一种快速成型制造技术。增材制造具有产品复杂度适用高、新品研发速度快和制造周期长度短的优点，因此可用于航空航天部件、汽车部件、骨骼、牙齿等中小批量的个性化产品定制。

●7.4计算机集成制造技术概述

计算机集成制造技术结合了信息技术与制造过程，将自动化孤岛集成在一起，实现了技术应用发挥1+1>2的集成效应。其中，集成效果主要体现在四个方面：人员集成、信息集成、功能集成和技术集成。通过对其中关键技术的讲解，结合实际应用案例分析，证实计算机集成技术应用不仅提高了我国制造技术的水平，而且提高了产品对市场需求的响应能力，形成了集成制造的体系。

●7.5微纳制造技术概述

微纳制造技术是微米和纳米量级零件、部件、系统的设计、加工、组装、集成与应用技术，主要应用于电子硅芯片、大规模集成电路等高精度要求的消费及军工领域。首先，结合机械微加工技术、光刻工艺技术、LIGA技术和牺牲层技术，对微制造技术进行讲解。其次，通过刻划技术和原子操控技术，对纳制造技术进行学习。最后，结合应用案例扩展对微纳制造技术应用场景的认知。

●7.6柔性制造系统概述

柔性制造系统是机电一体化发展到一定程度后产生的代表性柔性自动化制造技术，它由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备等组成，是能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，包括加工系统、物流系统和控制与管理系统三个方面。柔性制造系统可混流加工不同零件和进行无人值守生产，其发展对于制造业生产过程意义重大。

●7.7渐进成形技术概述

渐进成形技术是针对板料进行自由曲面成形的一种快速制造工艺技术，它具有局部成形、增量成形和柔性成形的三大工艺特点。由于渐进成形技术相对传统冲压成形技术具有开发周期短、单件生产时间短、设备与工装要求低、工艺可控性高和能耗低的众多优点，因此它可用于航空航天、高速列车等覆盖件的小批量生产，面部骨骼、新车型开发等钣金件的快速原型。

●7.8绿色制造技术概述

绿色制造技术，又称为面向环境的制造，是为了寻求从根本上解决制造业污染问题应运而生的制造技术。绿色制造的目标是控制产品整个生命周期的环境影响最小和资源利用率最高，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。通过绿色产品、绿色设计、绿色生产、绿色包装、绿色使用和绿色回收处理的系列讲解，强调绿色制造的原则与技术方案。