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《机制基础》实验指导书

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2

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湖北理工学院

《机械制造基础》

实验指导书

机电工程学院

2013。01。

实验一 铁碳合金的平衡组织观察
实验前的预习
问题1 合金与纯金属有何不同？一般而言，机械结构中使用哪一种更多？
问题2 什么是铁？什么是钢？他们之间的根本区别在哪里?
问题3 什么是平衡状态？现实中可以实现吗？
问题4 组织与相有什么不同？铁碳合金中友哪些基本相?有哪几种组织?

一、实验目的
观察铁碳合金的平衡状态组织。

二、实验设备
金相显微镜，标准铁碳合金试样.

三、实验原理
Fe－Fe 3C 相图(图1)是研究碳钢和铸铁的重要工具，也是分析这些合金在平衡状态或接近平衡状态下显微组织的基础。一般而言，含碳量低于0.022%的铁碳含金称为工业纯铁，合碳量高于0。022%而小于2。11％的铁碳合金称为碳钢,含碳量大于2.11%的铁碳合金称为白口铸铁。虽然这些铁碳合金在室温下的组成相都是铁素体和渗碳体，但由于各相的形态、数量和分布不同，它们的显微组织有很大差异。

图1 Fe—Fe3C相图
退火状态下，含碳量小于0。008%工业纯铁的显微组织是单相铁素体(图2)，大于 0。008% 时，工业纯铁的组织为铁素体和极少量的三次渗碳体。三次渗碳体由铁素体中析出，沿铁素体晶界呈片状分布。

图2 退火工业纯铁(含0.01%C）的显微组织 400×

碳钢(0.022％—2。11％)按含碳量不同可分为共析钢（含碳量0.77％)、亚共析钢(含碳量低于0。77%)和过共析钢(含碳量高于0.77％）.它们的显微组织分别为：珠光体(片状铁素体及珠光体的机械混合物，二者都呈白亮色,相界呈暗灰色)、先共析铁素体（白亮色）和珠光体（暗黑色）、先共析渗碳体（呈网状分布在珠光体周围）和珠光体(暗黑色）,见图3.

图4共析钢(含0。77％C）、亚共析钢(含0。4%C）和过共析钢(含1.2%C)的显微组织 400×

铸铁是铁碳合金，其碳含量在2。11%以上、而在6.67%以下。白口铸铁只含有渗碳体而不含有石墨，断口呈白亮色,因此而得名。白口铸铁按其含碳量不同可分为共晶（含4.30%C）、亚共晶（低于4。30％C）、过共晶（高于4。30%C）三类,其中只有亚共晶白口铸铁有使用价值。它们对应的显微组织分别是莱氏体、先共晶奥氏体和莱氏体、一次渗碳体和莱氏体,见图4。

图4 共晶白口铸铁（含4.30％C)、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的显微组织 400×
金相显微镜是研究金属显微组织的最基本的仪器。现以国产4x型金相显微镜为例说明其结构（图5a)和成像原理（图5b).

图5 金相显微镜的结构(a)及其成像原理（b）

在图5b中,自灯泡1发出一束光线，经过聚光镜2的会聚及反光镜7的反射，将光线均匀地聚集在孔径光栏8上,随后经聚光镜3再度将光线聚焦在物镜6的后面，最后光线通过物镜而使物体表面得到照明.从物体反射回来的光线又通过物镜和补助透镜5，由半反射镜4反射后，在经过辅助透镜10及棱镜11、12等一系列光学元件构成一个倒立放大的实像。但这一实像还必须经过目镜13的再度放大,这样观察者就能从目镜中看到物体表面被放大的像。

四、实验内容
观察下表中所列试样的显微组织，画下所观察组织的示意图。

试样材料
含碳量
显微组织
腐蚀剂
工业纯铁（1＃）
0。01%
铁素体( F )
4%硝酸酒精溶液
亚共析钢（2、3、4#）
0。45％
铁素体（ F ）+ 珠光体( P )
4%硝酸酒精溶液
亚析钢（5＃）
0。77％
珠光体（ P ）
4％硝酸酒精溶液
过共析钢（6、7#）
1。20％
珠光体（ P ）+ 二次渗碳体（ C m II )
4％硝酸酒精溶液
亚共晶白口铸铁
3.00％
莱氏体（ Le’ )+ 珠光体( P ）+ 二次渗碳体( C m II ）
4%硝酸酒精溶液
共晶白口铸铁
4.30%
莱氏体（ Le’ ）
4％硝酸酒精溶液
过共晶白口铸铁
5.00%
莱氏体（ Le’ )+ 一次渗碳体( C m I )
4％硝酸酒精溶液

五、实验步骤
1。 教师讲解实验的目的、内容、要求和注意事项，示范金相显微镜的操作；
2. 学生按组在教师指导下试操作金相显微镜，记录其放大倍数;
3。 学生按组领取标准金相试样,记录试样的合金成分、状态和各组成相的名称；
4. 学生按组观察所领取标准金相试样的金相组织，并记录所观察到的显微组织简图；
5。 实验完毕，按组归还金相试样，收好显微镜,做好实验室的清洁卫生，关好门窗水电。

六、实验报告
1. 写出实验目的、内容、步骤，标明实验仪器。
2. 画出所观察样品的显微组织示意图,注明合金成分、状态、放大倍数及各组织组成物名称，说明其特征。
3。 写出实验的收获。

实验二 常见的热处理工艺和设备
实验前的预习
问题1 何谓热处理？为什么大多数机械零件需要热处理？
问题2 对机械零件力学性能影响最重要的热处理工艺环节是什么？
问题3 常见的热处理工艺有哪些？热处理加热温度如何选取？
问题4 典型的热处理设备有哪几大部分组成？如何实现热处理温度控制?

一、实验目的
(1）了解普通箱式电阻炉及其在钢铁热处理中的应用；
(2）了解热处理对钢铁性能的影响，更深入地建立“成分-—组织—-性能"之间的清晰联系,为日后正确选用机械零件的热处理工艺打好基础。

二、实验设备
（1)SX2-2.5-12型箱式电阻炉；
（2）普通砂轮机；
(3）MC010-HRS-150型数显洛氏硬度仪或MC010-HBE-3000A型布氏硬度计。

三、实验学时
2学时。

四、实验分组
不超过15人/组.

五、实验提要
将碳素钢实验样品放置在普通箱式电阻炉中,加热到奥氏体化温度并保温一定时间,然后以不同的速度冷却，可以得到从珠光体到马氏体的多种不同组织（当然，试样表层也会氧化），磨掉试样的氧化层后，测试同一钢种、不同速度冷却之后的硬度值,从实验可以得出冷速越快、试样硬度越高的实验结论。
箱式电阻炉是最通用的普通热处理设备,一般由箱体、炉胆、加热元件（电阻丝）、控制仪表四大部分组成，其中箱体是整个设备的支承壳体，炉胆的内腔构成放置试样的炉膛,加热所需要的能量由加热元件提供，控制仪表可以实现对加热温度和速度进行合适的控制。
普通碳素钢是最常见的钢铁材料,将其加热到奥氏体化温度以后,以不同的速度冷却，可以得到从粗大珠光体、细小珠光体（索氏体、屈氏体）、贝氏体甚至马氏体等各种转变组织（见图1）， 性能相应地产生变化:强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性则逐步降低.

图1 钢铁材料加热和冷却时的组织转变图
本实验使用的是尺寸为Φ10×20mm3的45#碳素钢试样，查得其临界点Ac1=724℃,Ac3=780℃，所以选取保温温度为850±10℃，保温时间为10分钟，工艺曲线见图2。

图2 45＃碳素钢热处理工艺曲线
六、注意事项
（1）电阻炉用交流电供热,砂轮机高速转动，这都是潜在的不安全因素，全体师生都必须高度注意人身和设备安全。
(2）在普通箱式电阻炉里加热碳素钢试样，其氧化层有一定的厚度，因而试样必须相应磨掉一定厚度，以保证测得的硬度真实可靠。
（3）实验报告要求
a. 写出实验目的、内容、步骤,标明实验仪器.
b. 画出热处理工艺曲线图，指明试样的冷却方式，记录试样热处理以后测得的洛氏硬度值。
c。 写出实验的结果和收获。

实验四 典型零件的机械加工工艺编制
实验前的预习
问题1 为什么机械零件一般要经过机械加工？常用的机械加工工艺有哪些?
问题2 粗加工、精加工有什么不同？所用刀具和工艺参数相同吗？
问题3 一般来说，热处理工序应当安排在哪两个环节之间?
问题4 黑色金属、有色金属的机械加工有什么不同？

一、实验目的
（1)了解不同加工工艺的特点和适应范围；
（2）可以根据轴类、盘（套）类机械零件的形状特征选用合适的加工机械；
（3）能够编制轴类、盘（套）类机械零件的加工工艺。

二、实验设备
无。

三、实验学时
2学时。

四、实验分组
4～5人/组。

五、实验提要
轴类、盘（套）类零件是典型的机械零件，需要利用车床、铣床、刨床、磨床、钻床等加工机械，加工顺序和加工余量对生产合格零件有着重要影响。
本实验就是针对具体的轴类或盘（套)类零件的具体情况，进行加工工艺设计、加工装备选择。通过实验,增强学生对实际机械零件加工的感性认识，巩固理论学习的成果。
轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷.轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径,一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。
轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等)，以获得一定的强度、韧性和耐磨性.
轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。本实验的传动轴加工划分为三个阶段：粗车，精车和磨削三个阶段。其加工工艺过程卡如下.

零件名称
零件简图
备注
传动轴

材料45钢，调质处理到28～32HRc

序号
工序
名称
工序内容
定位与夹紧
1
下料
下Φ28mm棒料，长度270mm

2
粗车
粗车端面，钻中心孔

粗车Φ25外圆,留加工余量0.8mm，长度195mm
三爪卡盘，顶尖
粗车左端M20外径，留加工余量0。8mm，长度达到图纸要求
三爪卡盘，顶尖
车退刀槽

调头,粗车端面，钻中心孔
三爪卡盘
粗车右端M20外径，留加工余量0.8mm,长度达到图纸要求
三爪卡盘，顶尖
车退刀槽

3
钳工
去毛刺

4
检验
中间检验

5
热处理
调质处理到28～32HRc

6
精车
精车Φ25外圆,留磨削余量0.2mm

精车M20螺纹到图纸要求

调头，精车另一端M20螺纹到图纸要求

7
钳工
画线，键槽

8
铣削
铣键槽

9
钳工
去毛刺、锐边

修研中心孔

10
磨削
磨Φ25外圆，达到图纸要求

11
检验
成品检验

套筒类零件的加工工艺根据其功用、结构形状、材料和热处理以及尺寸大小的不同而异。就其结构形状来划分，大体可以分为短套筒和长套筒两大类。
本实验的轴承套属于短套筒类零件，轴承套外圆精度不高，采用精车可以满足要求；内孔精度也不高，采用铰孔可以满足要求。其加工工艺过程卡如下。
产品名称
零件简图
备注
轴承套

材料锡青铜ZQSn6-6-3

序号
工序名称
工序内容
定位与夹紧
1
备料
用Φ45mm棒料，按5件合一加工下料

2
钻中心孔
车端面，钻中心孔
调头车另一端面，钻中心孔
三爪夹外圆
3
粗车
车外圆Ф42长度为6.5mm，车外圆Ф34js7为Ф35.5mm
车退刀槽2×0.5mm；
取总长40.5mm，车分割槽Ф20×3mm，两端倒角1。5×45°，5件同加工，尺寸均相同
中心孔
4
钻孔
钻孔Ф22H7至Ф22mm成单件
软爪夹Ф42mm外圆
5
车、铰
车端面,取总长至40mm
车内孔Ф22H7为Ф22mm,车内槽Ф24×16mm至尺寸
铰孔Ф22H7至尺寸，孔两端倒角
软爪夹Ф42mm外圆
6
精车
车Ф34js7（±0.012）mm至图纸规定尺寸
Ф22H7孔心轴
7
钻孔
钻径向油孔Ф4mm
Ф34mm外圆及端面
8
检验
成品检验

而衬套在机械加工中的主要工艺问题是保证内外圆的相互位置精度（即保证内、外圆表面的同轴度以及轴线与端面的垂直度要求)和防止变形。因而，尽可能在一次安装中加工内外圆表面与端面。本实验的衬套加工工艺过程卡如下。
零件名称
零件简图
备注
衬套

材料35钢

序号
工序名称
工序内容
定位与夹紧
1
备料
用Φ42x3。5无缝钢管，按5件合1下料切断

2
粗车
加工端面
粗加工Φ39外圆表面,留加工余量1mm
三爪卡盘
3
精车
精加工Φ39外圆到图纸要求，倒角
精加工Φ33孔到图纸要求，倒角
三爪卡盘
4
切断
切断成单件
三爪卡盘
5
车端面
加工另一端面，并倒角
三爪卡盘
6
钻孔
钻润滑油孔

7
加工油槽
精加工Φ34孔到尺寸,成油槽
三爪卡盘
8
检验
成品检验

液压缸是典型的长套筒零件.为保证活塞在液压缸内移动顺利,内孔有圆柱度要求，对内孔轴线有直线度要求，内孔轴线与两端面间有垂直度要求,内孔轴线对两端支承外圆（Φ82h6）的轴线有同轴度要求。
除此之外还要求内孔必须光洁无纵向刻痕.液压缸的材料一般有铸铁和无缝钢管两种.此例选无缝钢管制作液压缸。
本实验的液压缸加工工艺过程卡如下。

产品名称
零件简图
备注
液压缸

材料20钢

序号
工序名称
工序内容
定位与夹紧
1
备料
用Φ90x12无缝钢管，切断

2
粗车
车Ф82外圆到Ф88及M88×1。5螺纹(工艺用）
一夹一顶
车端面及倒角
三爪夹一端,中心架托Ф88mm处
调头，车Ф82外圆到Ф84
三爪夹一顶
车端面及倒角取总长1686，留加工余量1mm
三爪卡盘夹一端，搭中心架托Ф88mm处
3
深孔推镗
半精镗孔Φ70到Ф68
一端用M88×1。5mm螺纹固定在夹具中，另一端搭中心架
精镗孔Φ70到Ф69。85
精铰孔Φ70（浮动镗刀镗孔）到Ф70，表面粗糙度值达到2.5μm
4
滚压孔
用滚压头滚压孔至Ф70,表面粗糙度达到要求
一端用螺纹固定在夹具中，另一端搭中心架
5
车
车去工艺螺纹，车孔Ф82到尺寸，割R7槽
软爪夹一端，以孔定位顶另一端
镗内锥孔1°30′
车端面
软爪夹一端,中心架托另一端(百分表找正孔)
调头，车孔Ф82到尺寸，割R7槽
软爪夹一端，顶另一端
镗内锥孔1°30′及车端面
同上
6
检验
成品检验

图1 某减速机轴零件简图

图2 某手柄零件简图

图3 某端盖零件简图

图4某阀盖零件简图

图5导料卸料板简图 图6 某支架零件简图

六、注意事项
(1）实验在教师指导下,由学生分组完成，在实验过程中提倡同学之间互相启发、共同讨论,大家提高.
(2)实验报告要求
a. 写出实验目的、内容、步骤。
b。 写出指定的轴类或盘(套）类机械零件的制造工艺，标明工艺顺序、加工设备、加工余量等。
c. 写出实验的结果和收获。