機械制造基礎是機械制造及其相關專業的專業基礎課。本書參考了大量機械制造行業的有關規范，在訓練項目選題的內容上，依據機械制造專業教學和生產特點，結合工作過程系統化課程結構所涉及的教育理論，在傳統教學內容的基礎上進行了適當的整合規劃。書中以崗位作為主體線索，依次介紹了金屬材料，鑄造，鍛壓，焊接，車削加工，銑削，刨、拉、鏜削加工，磨削加工，鉗工，數控機床加工，電火花加工等內容，能夠滿足高職高專機械制造及其相關專業的實際教學需求。
本書可作為機械工程、機電工程、機械制造以及機械相關專業的高職高�；虮究粕慕滩模部梢宰鳛闄C械制造行業培訓或職業資格認證的參考讀物。
本書在編寫過程中，參考了大量機械制造行業的有關規范，依據機械制造基礎專業教學和生產特點，結合工作過程系統化課程結構所涉及的教育理論，在傳統教學內容的基礎上進行了適當的整合規劃。書中以崗位作為主體線索，依次介紹了金屬材料，鑄造，鍛壓，焊接，車削加工，銑削加工，刨、拉、鏜削加工，磨削加工，鉗工，數控機床加工和電火花加工等內容。
本書的特點及思路如下。
(1)從我國機械制造及相關專業的培養目標出發，主要講述金屬材料、熱加工與冷加工、刀具、機床等相關的基礎知識及訓練課題，并對工程項目中經常出現的或可能出現的問題進行深入剖析和論述。
(2)本書內容的安排以趣味型、成果型為主，深入淺出，以提高學生的學習興趣。
(3)書中部分插圖采用SolidWorks創建的三維實體模型，可增強視覺效果。
(4)本書創建QQ群，用于專業教師及同行探討問題、研究教學方法、交流教學資源，同時為本書提供課件下載。
伴隨我國職業教育的蓬勃發展，教育界對高職教育本質的理解不斷深入，更加注重對學習領域和工程實踐場景的構建；同時隨著近幾年對機械類學生工程技能水平的要求不斷提升，這就需要知識更系統、技能要點更全面的機械制造類教材。
針對以上情況，我們組織了全國各地數所院校的一線老師，總結和分析了第1版的優點和不足，提出了第2版教材的修訂計劃。本次再版充分考慮各使用院校教師和學生各方面的反饋意見和建議，結合我們編寫團隊在課程建設、教學實踐中的新想法、新思路，對原教材內容作了更新、補充與完善，并對教材的結構形式作了重新的設計。
機械制造基礎是機械設計制造及其相關專業的專業基礎課，本書以機械制造工作過程為依據，以項目課題為專業知識、技能的載體，能夠滿足機械制造及其相關專業的教學需要，通過讓學生所學的專業理論知識在實踐課題中得到應用，從而促進學生對專業基礎知識的理解和掌握。本書以專業及專業基礎知識為背景，以實踐教學過程為載體，培養學生對專業理論知識的應用能力和對基本工程問題的解決能力，培養學生良好的職業素質、嚴謹的工作態度、優良的工作作風。
本書在編寫過程中，參考了大量機械制造行業的有關規范，依據機械制造基礎專業教學和生產特點，結合工作過程系統化課程結構所涉及的教育理論，在傳統教學內容的基礎上進行了適當的整合規劃。書中以崗位作為主體線索，依次介紹了金屬材料，鑄造，鍛壓，焊接，車削加工，銑削加工，刨、拉、鏜削加工，磨削加工，鉗工，數控機床加工和電火花加工等內容。
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本書由山東理工大學于文強和常德職業技術學院湯長清任主編，包頭職業技術學院尹亮、張家界航空工業職業技術學院陳立任副主編。
本書由黃道權統稿并擔任主審，在此表示衷心感謝。
由于編者水平有限，書中不足之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正。
編者
第1章金屬材料1
1.1鋼的熱處理2
1.2鋼材的火花鑒別11
1.3拓展訓練16
1.4實踐中常見問題解析22
本章小結24
思考與練習24
第2章鑄造26
2.1砂型鑄造26
2.2特種鑄造工藝45
2.3拓展訓練53
2.4實踐中常見問題解析59
本章小結63
思考與練習63
第3章鍛壓65
3.1鍛造66
3.2沖壓82
3.3拓展訓練88
3.4實踐中常見問題解析93
本章小結96
思考與練習96
第4章焊接98
4.1手工電弧焊98
4.2氣焊與氣割115
4.3其他焊接方法124
4.4拓展訓練135
4.5實踐中常見問題解析142
本章小結148
思考與練習149
第5章車削加工150
5.1內、外圓與端面的車削150
5.2槽的加工和工件的切斷162
5.3螺紋與圓錐面車削172
5.4偏心與特型面的加工183
5.5拓展訓練195
5.6實踐中常見問題解析196
本章小結199
思考與練習199
第6章銑削加工201
6.1平面銑削201
6.2銑斜面212
6.3直角溝槽、鍵槽和階臺的銑削215
6.4圓柱齒輪銑削223
6.5拓展訓練228
6.6實踐中常見問題解析231
本章小結234
思考與練習234
第7章刨、拉、鏜削加工236
7.1刨削加工236
7.2鏜削加工250
7.3拓展訓練259
7.4實踐中常見問題解析262
本章小結264
思考與練習264
第8章磨削加工265
8.1平面磨削265
8.2外圓磨削272
8.3內圓磨削277
8.4拓展訓練280
8.5實踐中常見問題解析283
本章小結288
思考與練習288
第9章鉗工290
9.1劃線290
9.2鋸、銼、鏨削299
9.3鉆、擴、锪、鉸孔加工316
9.4攻絲和套絲326
9.5刮削與研磨331
9.6拓展訓練341
9.7實踐中常見問題解析343
本章小結345
思考與練習345
第10章數控機床加工346
10.1數控銑削加工346
10.2數控車削加工357
10.3拓展訓練365
10.4實踐中常見問題解析371
本章小結372
思考與練習372
第11章電火花加工373
11.1數控電火花加工373
11.2數控線切割加工379
11.3拓展訓練385
11.4實踐中常見問題解析387
本章小結387
思考與練習388
參考文獻389
第1章金屬材料
學習要點：本章介紹了鋼材的退火、正火、淬火、回火以及表面熱處理和鋼材火花鑒別的方法，同時對熱處理常用設備進行了扼要講解。對于熱處理實踐中常見的問題和缺陷原因進行了深入剖析；重點介紹了淬火、回火等熱處理工藝，并以工程實例介紹了常見零件的熱處理工藝規程。
知識目標：熟悉典型零件的熱處理工藝，掌握基本熱處理方法。
鋼的熱處理是將鋼在固態下，通過加熱、保溫和冷卻，以獲得預期組織和性能的工藝。熱處理與其他加工方法(如鑄造、鍛壓、焊接和切削加工等)不同，它只改變金屬材料的組織和性能，而不以改變形狀和尺寸為目的。
含碳量Wc<211=""wc="">2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵，根據碳的存在形式不同，可將鑄鐵分為白口鑄鐵和灰口鑄鐵兩大類。
熱處理的作用日趨重要，因為現代機器設備對金屬材料的性能不斷提出新的要求。熱處理可提高零件的強度、硬度、韌性、彈性等，同時還可改善毛坯或原材料的切削加工性能，使之易于加工�？梢姡瑹崽幚硎歉纳平饘俨牧系墓に囆阅堋⒈ＷC產品質量、延長使用壽命、挖掘材料潛力不可缺少的工藝方法。據統計，在機床制造中，熱處理件占60%～70%；在汽車、拖拉機制造中，熱處理件占70%～80%；在刀具、模具和滾動軸承制造中，幾乎全部零件都需要進行熱處理。
熱處理的工藝方法很多，大致可分如下三大類。
*普通熱處理：包括退火、正火、淬火、回火等。
*表面熱處理：包括表面淬火和化學熱處理(如滲碳、氮化等)。
*特殊熱處理：包括形變熱處理和磁場熱處理等。
各種熱處理都可用以溫度、時間為坐標的熱處理工藝曲線來表示，如圖1-1所示。
圖1-1熱處理工藝曲線示意圖
1.1鋼的熱處理
項目案例導入：鏨口榔頭熱處理。
工件簡圖：如圖1-2所示。
工件材料：45鋼。
項目要求：鏨口榔頭要求高硬度、耐磨損、抗沖擊，熱處理后硬度為42～47HRC。
工藝流程：根據其力學性能要求，制定熱處理方法為淬火后低溫回火。加工工藝流程為：備料—鍛造—刨削或銑削—銼削—劃線—鋸削—銼削—鉆孔—攻螺紋—熱處理—拋光—表面處理—裝配。
圖1-2鏨口榔頭熱處理
1.1.1鋼的退火和正火
退火和正火是生產中應用很廣泛的預備熱處理工藝，安排在鑄造、鍛造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所帶來的某些缺陷，為隨后的工序做準備。例如，經鑄造、鍛造等熱加工以后，工件中往往存在殘余應力、硬度偏高或偏低、組織粗大、成分偏析等缺陷，這樣的工件其力學性能低劣，不利于切削加工成型，淬火時也容易造成變形和開裂。經過適當的退火或正火處理可消除工件的內應力，調整硬度以改善切削加工性能，使組織細化，成分均勻，從而改善工件的力學性能并為隨后的淬火做準備。對于一些受力不大、性能要求不高的機器零件，也可直接作為最終熱處理。
硬度是指金屬材料抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力。常用的硬度指標有布氏硬度和洛氏硬度。
�、俨际嫌捕�。布氏硬度的測定方法是，用一定的載荷將直徑為D的淬硬鋼球壓入被測金屬的表面，保持規定的時間后，卸除載荷，測出金屬表面上的凹痕直徑后，從硬度換算表上查出布氏硬度值。布氏硬度用HBS表示。
�、诼迨嫌捕�。洛氏硬度的測定方法是，用一定的載荷將頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬硬鋼球壓入被測表面，以凹痕深度來確定硬度值，硬度值直接從硬度計的刻度盤上讀出，非常方便。洛氏硬度用HRA、HRB或HRC表示，常用的為HRC。
1.退火
退火是將鋼加熱、保溫，然后隨爐或埋入灰中使其緩慢冷卻的熱處理工藝。由于退火的具體目的不同，其具體工藝方法有多種，常用的有3種。
1)完全退火
完全退火是將亞共析鋼加熱到鐵素體轉變為奧氏體的終了溫度以上30～50℃，保溫后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態的組織。完全退火主要用于鑄鋼件和重要鍛件，因為鑄鋼件鑄態下晶粒粗大，塑性、韌性較差；鍛件因鍛造時變形不均勻，致使晶粒和組織不均，且存在內應力。完全退火還可降低硬度，改善切削加工性。
完全退火的原理是：鋼件被加熱到以上時，呈完全奧氏體化狀態，由于初始形成的奧氏體晶粒非常細小，緩慢冷卻時，通過“重結晶”使鋼件獲得細小晶粒，并消除內應力。必須指出，應嚴格控制加熱溫度，防止溫度過高，否則奧氏體晶粒將急劇長大。
2)球化退火
球化退火主要用于過共析鋼件。過共析鋼經過鍛造以后，其珠光體晶粒粗大，且存在少量二次滲碳體，致使鋼的硬度高、脆性大，進行切削加工時易磨損刀具，且淬火時容易產生裂紋和變形。
球化退火時，將鋼加熱到珠光體轉變為奧氏體的溫度以上20～30℃。此時，初始形成的奧氏體內及其晶界上尚有少量未完全溶解的滲碳體，在隨后的冷卻過程中，奧氏體經共析反應析出的滲碳體便以未溶滲碳體為核心，呈球狀析出，分布在鐵素體基體之上，這種組織稱為“球化體”。它是人們對淬火前過共析鋼最期望的組織，因為車削片狀珠光體時容易磨損刀具，而球化體的硬度低、節省刀具。必須指出，對二次滲碳體呈嚴重網狀的過共析鋼，在球化退火前應先進行正火，以打碎滲碳體網。
3)去應力退火
去應力退火是將鋼加熱到500～650℃，保溫后緩慢冷卻。由于加熱溫度低于臨界溫度，因而鋼未發生組織轉變。去應力退火主要用于部分鑄件、鍛件及焊接件，有時也用于精密零件的切削加工，使其通過原子擴散及塑性變形消除內應力，防止鋼件產生變形。
塑性是指金屬材料僅產生塑性變形而不斷裂的能力。常用的指標有伸長率?和斷面收縮率ψ。ψ和??值越大，說明材料的塑性越好；反之，則塑性越差。鋼和有色金屬的塑性較好，而鑄鐵的塑性很差。
2.正火
正火是將鋼加熱到以上30～50℃(亞共析鋼)或二次滲碳體溶入奧氏體的終了溫度以上30～50℃(過共析鋼)，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。
正火和完全退火的作用相似，也是將鋼加熱到奧氏體區，使鋼進行重結晶，從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和組織不均問題。但正火比退火的冷卻速度稍快，形成了索氏體組織。索氏體比珠光體的強度、硬度稍高，但韌性并未下降。正火主要用于以下方面。
(1)取代部分完全退火。正火是在爐外冷卻，占用設備時間短，生產率高，故應盡量用正火取代退火(如低碳鋼和含碳量較低的中碳鋼)。必須注意，含碳量較高的鋼，正火后硬度過高，使切削加工性變差，且正火難以消除內應力。因此，中碳合金鋼、高碳鋼及復雜件仍以退火為宜。
(2)用于普通結構件的最終熱處理。
(3)用于過共析鋼，以減少或消除二次滲碳體呈網狀析出。
幾種退火和正火的加熱溫度范圍示意圖如圖1-3所示。
圖1-3幾種退火和正火的加熱溫度范圍
沖擊韌度是指金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。不少機械零件，如活塞銷、沖模、鍛模等都是在沖擊載荷作用下工作的，對于這類工件，必須考慮它們在沖擊載荷作用下的性能，即沖擊韌度。沖擊韌度常用一次擺錘沖擊試驗機測定。測定方法是，將被測的金屬材料制成帶缺口的標準試樣，用擺錘將試樣一次沖斷，以試樣被沖斷所消耗的功(單位為J)除以試樣缺口處的截面積(單位為cm2)來表示沖擊韌度值，用?k表示。
1.1.2鋼的淬火和回火
淬火和回火是強化鋼最常用的工藝。通過淬火，再配以不同溫度的回火，可使鋼獲得所需的力學性能。
1.淬火
淬火是將鋼加熱到或以上30～50℃(如圖1-4所示)，保溫后在淬火介質中快速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是提高鋼的強度、硬度和耐磨性，淬火是鋼件強化最經濟有效的方法之一。
強度是指金屬材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂破壞的能力。常用的強度指標有屈服極限和抗拉強度。
�、偾䴓O限：是指金屬材料在外力作用下，剛開始出現塑性變形時的應力，用?s表示。
�、趶姸葮O限：是指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應力，用?b表示。
圖1-4碳鋼的淬火加熱溫度范圍
由于馬氏體形成過程伴隨著體積膨脹，造成淬火件產生了內應力，而馬氏體組織通常脆性又較大，這些都使鋼件淬火時容易產生裂紋或變形。為防止上述淬火缺陷的產生，除應選用適合的鋼材和正確的結構外，在工藝上還應采取如下措施。
(1)嚴格控制淬火加熱溫度。對于亞共析鋼，若淬火加熱溫度不足，因未能完全形成奧氏體，致使淬火后的組織中除馬氏體外，還殘存少量鐵素體，使鋼的硬度不足；若加熱溫度過高，因奧氏體晶粒長大，淬火后的馬氏體組織也粗大，增加了鋼的脆性，致使鋼件裂紋和變形的傾向加大。對于過共析鋼，若超過如圖1-4所示的溫度，不僅鋼的硬度不會增加，而且裂紋、變形傾向加大。
(2)合理選擇淬火介質，使其冷卻速度略大于臨界冷卻速度Vk。淬火時鋼的快速冷卻是依靠淬火介質來實現的，水和油是最常用的淬火介質。水的冷卻速度大，使鋼件易于獲得馬氏體，主要用于碳素鋼；油的冷卻速度較水低，用它淬火，鋼件的裂紋、變形傾向小。合金鋼因淬透性較好，以在油中淬火為宜。
(3)正確選擇淬火方法。生產中最常用的是單介質淬火法，即在一種淬火介質中連續冷卻到室溫。由于操作簡單，便于實現機械化和自動化生產，故應用最廣。對于容易產生裂紋、變形的鋼件，有時采用先水后油雙介質淬火法或分級淬火等其他淬火法。
2.回火
將淬火的鋼重新加熱到以下某溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火�；鼗鸬闹饕康氖窍慊饍葢�，以降低鋼的脆性，防止產生裂紋，同時也使鋼獲得所需的力學性能。
淬火所形成的馬氏體是在快速冷卻條件下被強制形成的不穩定組織，因而具有重新轉變成穩定組織的自發趨勢�；鼗饡r，由于被重新加熱，原子活動能力加強，所以隨著溫度的升高，馬氏體中的過飽和碳將以碳化物的形式析出�？偟内厔菔腔鼗饻囟仍礁摺⑽龀龅奶蓟镌蕉�，鋼的強度、硬度下降，而塑性、韌性越高。
根據回火溫度的不同(參見GB/T7232—1999)，可將鋼的回火分為如下3種。
(1)低溫回火(250℃以下)：目的是降低淬火鋼的內應力和脆性，但基本保持淬火所獲得的高硬度(56～64HRC)和高耐磨性。淬火后低溫回火用途最廣，如各種刀具、模具、滾動軸承和耐磨件等。
(2)中溫回火(250～500℃)：目的是使鋼獲得高彈性，保持較高硬度(35～50HRC)和一定的韌性。中溫回火主要用于彈簧、發條、鍛模等。
(3)高溫回火(500℃以上)：淬火并高溫回火的復合熱處理工藝稱為調質處理。它廣泛用于承受循環應力的中碳鋼重要件，如連桿、曲軸、主軸、齒輪、重要螺釘等，調質后的硬度為20～35HRC。由于調質處理后其滲碳體呈細粒狀，與正火后的片狀滲碳體組織相比，在載荷作用下不易產生應力集中，從而使鋼的韌性顯著提高，因此經調質處理的鋼可獲得強度及韌性都較好的綜合力學性能。
1.1.3鋼的表面熱處理
機械中的許多零件都是在彎曲和扭轉等交變載荷、沖擊載荷的作用或強烈摩擦的條件下工作的，如齒輪、凸輪軸、機床導軌等，要求金屬表層具有較高的硬度以確保其耐磨性和抗疲勞強度，金屬芯部具有良好的塑性和韌度以承受較大的沖擊載荷。為滿足零件的上述要求，生產中采用了一種特定的熱處理方法，即表面熱處理。
表面熱處理分為表面淬火和化學熱處理。
1.表面淬火
表面淬火是通過快速加熱，使鋼的表層很快達到淬火溫度，在熱量來不及傳到鋼件芯部時就立即淬火，從而使表層獲得馬氏體組織，而芯部仍保持原始組織。表面淬火的目的是使鋼件表層獲得高硬度和高耐磨性，而芯部仍保持原有的良好韌性，常用于機床主軸、發動機曲軸、齒輪等。
表面淬火所采用的快速加熱方法有多種，如電感應、火焰、電接觸、激光等，目前應用最廣泛的是電感應加熱法。
感應加熱表面淬火法就是在一個感應線圈中通以一定頻率的交流電(有高頻、中頻、工頻三種)，使感應線圈周圍產生頻率相同、方向相反的感應電流，這個電流稱為渦流。由于集膚效應，渦流主要集中在鋼件表層。由渦流所產生的電阻熱使鋼件表層被迅速加熱到淬火溫度，隨即向鋼件噴水，將鋼件表層淬硬。
感應電流的頻率越高，集膚效應越強烈，故高頻感應加熱用途最廣。高頻感應加熱常用的頻率為200～300kHz，此頻率加熱速度極快，通常只有幾秒鐘，淬硬層深度一般為0.5～2mm，主要用于要求淬硬層較薄的中、小型零件。
感應加熱表面淬火質量好，加熱溫度和淬硬層深度較易控制，易于實現機械化和自動化生產。缺點是設備昂貴、需要專門的感應線圈。因此，主要用于成批或大量生產的軸、齒輪等零件。
2.化學熱處理
化學熱處理是將鋼件置于適合的化學介質中加熱和保溫，使介質中的活性原子滲入鋼件表層，以改變鋼件表層的化學成分和組織，從而獲得所需的力學性能或理化性能�；瘜W熱處理的種類很多，依照滲入元素的不同，有滲碳、滲氮、碳氮共滲等，以適應不同的場合，其中以滲碳應用最廣。
滲碳是將鋼件置于滲碳介質中加熱、保溫，使分解出來的活性碳原子滲入鋼的表層。滲碳采用密閉的滲碳爐，并向爐內通以氣體滲碳劑(如煤油)，加熱到900～950℃，經較長時間的保溫，使鋼件表層增碳。井式氣體滲碳過程由排氣、強烈滲碳、擴散及降溫4個階段組成，如圖1-5所示。
圖1-5井式氣體滲碳工藝曲線
滲碳件通常采用低碳鋼或低碳合金鋼，滲碳后滲層深一般為0.5～2mm，表層含碳量Wc將增至1%左右，經淬火和低溫回火后，表層硬度達56～64HRC，因而耐磨；而芯部因仍是低碳鋼，故保持其良好的塑性和韌性。滲碳主要用于既承受強烈摩擦，又承受沖擊或循環應力的鋼件，如汽車變速箱齒輪、活塞銷、凸輪、自行車和縫紉機的零件等。
滲氮又稱氮化。它是將鋼件置于氮化爐內加熱，并通入氨氣，使氨氣分解出活性氮原子滲入鋼件表層，形成氮化物(如AlN、CrN、MoN等)，從而使鋼件表層具有高硬度(相當72HRC)、高耐磨性、高抗疲勞性和高耐腐蝕性。滲氮時加熱溫度僅為550～570℃，鋼件變形甚小。常用的滲氮工藝有3種，即等溫滲氮法(又稱一段滲氮法)、二段滲氮法和三段滲氮法。圖1-6所示為38CrMoAlA鋼的等溫滲氮工藝。
圖1-638CrMoAlA鋼等溫滲氮工藝曲線
由圖1-6可知，滲氮生產周期長(需幾十小時)，生產效率低，需采用專用的中碳合金鋼，成本高。工件滲氮層厚度較薄且脆性大，不能承受過大的接觸應力和沖擊載荷，從而使滲氮的應用受到一定的限制。因此滲氮主要用于制造耐磨性和尺寸精度要求均高的零件，如排氣閥、精密機床絲杠、齒輪等。
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