制造过程与工程 习题

机械制造基础习题

一、 铸造（作业）：

1. 浇注温度可以提高合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？

浇注温度越高，合金粘度越低，保持液态时间越长，流动性越好，充型能力越强。但温

度过高导致大的吸气量和大收缩率，易产生铸造缺陷。所以浇注温度在保持充型能力的前提下温度尽量的低。生产中薄壁件应采用较高温度，厚壁件应采用较低温度。 2. 缩孔与缩松对铸件的质量有何影响？为何缩孔比缩松容易防止？

凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞，大而集中的孔洞叫做缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能大大降低，以致成为废品。

缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域。缩孔可采用顺序凝固方式，并增加冒口的方式来防止。 缩松形成的基本原因是被树枝状的晶体分隔开的小液体区域得不到补充。主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大的铸件壁中。缩松形成原因和缩孔不一样，且面积较大，一般采用顺序凝固方式，并增加冒口的方式来防止。 3. 铸件的凝固方式有哪些？哪些合金倾向于逐层凝固？

铸件凝固的方式有：逐层凝固、糊状凝固和中间凝固。结晶温度范围越小，凝固的区域越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁更趋向于逐层凝固。 4. 消失模铸造的基本工艺过程与熔模铸造有何不同？

消失模铸造用泡沫塑料制成的模样制造铸型，模样并不取出，浇注时模样气化消失而获得铸件的方法。其主要工艺过程包括：1）制造模样；2）挂涂料；3）干沙造型；4）浇注和落沙清理。

熔模铸造用易熔材料制成模型，然后在模样表面包裹若干层耐火材料制成型壳，再将模样融化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后填沙浇注的铸造方法。其主要工艺包括：1）蜡模制造；2）蜡模组合；3）型壳制造（脱蜡）；4）填沙浇注及落沙清理。

5. 什么是铸造工艺图？它包括哪些内容？

铸造工艺图是用各种符号及参数表达出铸造工艺方案的图形，包括的内容有：浇注位置，分型面，型芯数量，形状，尺寸，加工余量，收缩率，浇注系统等。其作用为：指导模样设计，生产准备，铸型制造，铸件检验等。

6. 什么要规定最小的铸件壁厚？普通灰口铁壁厚过大或壁厚不均匀各会出现什么？

壁厚过薄可能引起浇不到或冷隔缺陷。所以要规定最小的铸件壁厚，以免产生铸缺陷，白口组织等。

普通灰口铁壁厚过大时，会出现铸件晶粒粗大，内部缺陷多，力学性能下降。

普通灰口铁壁厚不均匀时，会出现壁厚处合金聚集，易产生缩孔、缩松等缺陷，而且易在交接处引起热应力。

7. 浇注位置选择和分型面选择哪个重要？如发生矛盾该如何处理？

浇注位置是浇注时铸件在铸型中的空间位置，浇注位置对铸件质量和铸造工艺都有很大的影响。制定铸造方案时必须优先予以考虑。分型面决定了铸件在造型中的位置。通常造型位置和浇注位置一直。分型面对铸件质量及铸造工艺有很大影响。首先应保证铸件的质量要求，其次应使操作尽量简化，再考虑具体生产条件。

思考题：

1. 如何区分裂纹性质，如果是热裂，该从哪些方面采取措施？ 2. 手工造型常用哪几种造型方法，各适用于何种零件？

3. 为什么空心球难以铸造？要采取什么措施才能铸造？试用图示表达。 4. 从合金的铸造性能来分析，设计铸件是应该考虑哪些方面？ 5. 从铸造工艺来分析，设计铸件是应该考虑哪些方面？ 6. 分析下图中砂箱箱带的两种结构各有何优缺点？为什么？

7. 金属型铸造有何优越性? 为什么金属型铸造未能广泛取代砂型铸造? 8. 压力铸造有何优缺点? 它与熔模铸造的适用范围有何不同?

二、金属的塑性变形

1. 何谓塑性变形？塑性变形的实质是什么？

塑性变形是当外力增大到使金属的内应力超过该金属的屈服点，即使外力取消，金属的变形也不完全恢复，而产生的永久变形。

塑性变形的实质：晶体内部存在大量缺陷，其中以位错对金属塑性变形的影响最为明显；在外力作用下，位错运动的结果导致了整个晶体的塑性变形。 2. 下图所示零件采用模锻制坯，修改不合理结构，并说明理由。

与分模面垂直的非加工表面，应设计出模锻斜度；两个非加工表面形成的角都应按模锻圆角设计。

3. 材料的回弹现象对冲压生产有何影响？应采取哪些措施保障冲压件精度？

回弹：材料弯曲时，板料产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。外载荷去除后，塑性变形保留下来，弹性变形消失，使板料形状和尺寸发生与加载时变形方向相反的变化，从而消去一部分弯曲变形效果的现象。回弹使被弯曲的角度增大，一般回弹角为0度~10度。

因此，在设计弯曲模时，必须使模具的角度比成品件角度小一个回弹角，以保证成品件的弯曲角度准确。

4. 比较落料和拉深所用凸凹模结构及间隙有什么不同？为什么?

落料是利用冲裁取得一定外形的制件或坯料的冲压方法。落料所用凹凸模设计成刃口形式，以利于冲裁。其凸凹模间隙严重影响仲裁件的断面质量、模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度：间隙过大，冲裁件被撕开，边缘粗糙，卸料力和推件力越小；间隙过小，上下裂纹也不能很好重合；摩擦严重，模具的寿命将降低。单边间隙可按下述经验公式c=mσ计算，系数m与材料种类、厚度及落料件的精度相关，较拉深小。设计落料模时，应先按落料件确定凹模刃口尺寸，其值应靠近落料件公差范围内的最小尺寸，凸模尺寸=凹模刃口尺寸-间隙。

拉深所用凹凸模工作部位应设计成圆角，圆角半径过小，容易将板料拉穿。一般取r凹=10σ，r凸=（0.6~1.0）r凹。拉深凹凸模间隙过小，模具与拉深件的摩擦力增大，易拉穿工件和擦伤工件表面，降低模具寿命；间隙过大，又容易使拉深件起皱，影响拉深件的尺寸精度。拉深模的凸凹模间隙比冲裁模的大，一般取单边间隙：c=（1.1~1.2）σ。

5. 在图示的两种抵铁上进行拔长时，效果有何不同?

左图锻件受4个压应力，塑性变形越好，效率高，同时4个压应力对称，易保障工件的断面形状，加工精度较高。适合轴类零件进行锻造加工。

右图锻件受上下2个压应力，可锻的零件的种类较多，但水平方向没有压束，定位精度较差，同时难保障工件的断面形状，易变形，加工精度较低。

6. 纤维组织的存在对金属力学性能有何影响？在零件设计中应注意哪些问题？

纤维组织在性能上具有方向性，在纵向（平行纤维方向）上塑性和韧性越高；在横向（垂直纤维方向）上塑性和韧性越低。纤维组织的稳定性很高，不能用热处理方法加以消除，只有经过塑性加工才能改变其方向和形状。因此，在设计和制造零件时，尽量满足最大正应力方向与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直及纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。 7. 如何提高金属的塑性？最常采用的措施是什么？

提高金属的塑性的方法包括：1）提高金属的温度，在适当的温度范围内进行塑性加工，如锻造温度；2）合适的应变速率，在临界点以左尽量采用低速，在临界点以右，尽量采用高速；3）应力状态尽可能使压应力数目增多，拉应力数目减少。 提高金属的温度是提高金属的塑性最常采用的措施。

思考题：

1. 描述冲裁时板料的变形和分离过程。

2. 精密模锻需要采取哪些工艺措施才能保证产品的精度? 3. 碳钢在锻造温度范围内变形时，是否会有冷变形强化现象？ 4. “趁热打铁”的含意何在？

5. 自由锻和模锻的工艺规程分别包括哪些主要内容？

6. 图示零件采用锤上模锻制造，请选择最合适的分模面位置，并说明理由。

三、焊接

1. 低碳钢焊接时热影响区分为哪些区段? 各区段对焊接接头性能有何影响?

焊接热影响区指焊缝附近因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域，可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。

熔合区（半熔化区）：指焊缝和基体金属的角接过渡区，熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化的金属成为过热粗晶。虽然该区很窄，但因其强度、塑性和韧性都下降，并且是应力集中处，所以是焊接接头性能最薄弱的区域。 过热区：奥氏体晶粒粗大，形成过热组织，故塑性及韧性降低。

正火区：加热时金属发生再结晶，转变为细小的奥氏体晶粒。冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，力学性能优于母材。

部分相变区：珠光体和部分铁素体发生重结晶，变成细小的奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变，但其晶粒有长大趋势。力学性能比正火区稍差。 2. 产生焊接应力和变形的原因是什么? 消除焊接应力的办法有哪些?

应力与形变原因：焊接过程中受到局部加热和冷却。焊接时膨胀，但由于受到阻碍，故高温处产生压应力，低温处产生拉应力，两者平衡。冷却后，高温处冷却慢，收缩大，最后在高温处产生拉应力低温处产生压应力。 预防和减少焊接应力有：

（1）选用塑性好的材料，避免焊缝密集交叉，避免焊缝截面过大和焊缝过长； （2）采用正确的焊接次序。

（3）焊前对焊件进行适当预热，以减小焊件各部位之间的温差； （4）采用小能量焊接或锤击焊缝，多层焊，减少焊接应力；

（5）焊后进行去应力退火，消除焊接残余应力。将焊件加热至500~650摄氏度左右，保温后缓慢冷却至室温。

3. 焊接变形有哪些基本形式？焊前为预防和减小焊接变形有哪些措施?

焊接应力的存在，会引起焊件的变形，其基本类型有横向和纵向收缩变形、弯曲变形、扭曲变形、角变形及波浪变形。 焊前为预防和减小焊接变形有： （1）预防和减小焊接应力的相关措施；

（2）在结构设计中，采用对称结构、大刚度结构或焊缝对称分布结构； （3）施焊中，采用反变形措施或刚性夹持法。 4. 对铜或铜合金板材能否进行点焊？为什么？

一般情况下不能对铜或铜合金板材进行点焊。

点焊是电阻焊的一种形式，其利用电流所产生的电阻热，将焊件局部加热到塑性或熔化状态，然后在压力下形成焊接接头。但铜或铜合金的导电性很好，电阻很小，且热量大，易产生焊不透现象；同时，铜或铜合金的熔点高，导热性也很好，点焊很难将其局部加热到塑性或熔化状态。

5. 有现直径φ500mm铸的铁齿轮和带轮各1 件，铸造后出现图示断裂现象。曾先后

用E4303(J422)焊条和钢芯铸铁焊条进行电弧焊冷焊补，但焊后再次断裂，试分析其原因。请问采用什么方法能保证焊后不裂，并可进行机械加工？

一、直径φ500mm铸的铁齿轮：

焊后再次断裂的原因：1）E4303（J422）焊条为结构钢焊条，钢芯铸铁焊条适用于非加工面的焊接，焊条选择不正确。2）采用冷焊法，熔合区易产生白口组织、裂纹气孔，一般只用于补焊要求不高的铸件。

其断裂部位为齿部，焊后需机械加工，且承受力矩和冲击、振动等，因此应选用热焊法：1）选用气焊，气焊火焰还可以用于预热工件和焊后缓冷。填充金属应使用专制的铸铁棒，并配以CJ201气焊焊剂，以保证焊接质量。2）也可用铸铁焊条进行焊条电弧焊焊补。

二、直径φ500mm铸的带轮：

焊后再次断裂的原因：1）E4303（J422）焊条为结构钢焊条，钢芯铸铁焊条适用于非加工面的焊接，焊条选择不正确。2）采用冷焊法，熔合区易产生白口组织、裂纹气孔，一般只用于补焊要求不高的铸件。

其断裂部位为轮辐，焊后可以不进行机械加工，但焊后不能自由收缩，易产生裂纹，且承受张紧力和冲击、振动等，因此应选用热焊法：1）选用气焊，气焊火焰还可以用于预热工件和焊后缓冷。填充金属应使用专制的铸铁棒，并配以CJ201气焊焊剂，以保证焊接质量。2）也可用铸铁焊条进行焊条电弧焊焊补。如非要选用冷焊法：至少选用镍基铸铁焊条，并采用小电流、短弧、窄焊缝、短焊道（不大于50mm），焊后及时锤击。

思考题：

1. 钎焊和熔焊的实质差别是什么？钎焊的主要适用范围有哪些？ 2. 高频焊和普通的电阻焊有什么不同？其应用范围主要有哪些？

3. P191习题1：如图所示三种工件，其焊缝布置是否合理？若不合理，请加以改正。 4. 等离子弧与一般电弧有何异同?

5. 解释下列名词：金属的焊接性、碳当量。

四、金属切削（思考题）

1. 说明车削的切削用量(包括名称、定义、代号和单位)

切削速度Vc：切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位为m/s,m/min 进给量f：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移，即刀具或工件每转或每行程，

刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，m/r，m/st。

背吃刀量ap（切削深度）：切削加工时，待加工表面与已加工表面间的垂直距离mm，也就是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度，mm。 2. 简述车刀前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角的作用。 3. 何谓积屑瘤？它是如何形成的？对切削加工有哪些影响？

在中等或较低的切削速度下切削塑性金属时，在刀具前面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，即为积屑瘤。

积屑瘤的形成过程：由于刀——屑间的摩擦，在一定温度和压力下，切屑底层金属和前面接触的金属发生粘结，形成了积屑瘤。 积屑瘤对切削加工的影响：

1、 硬度高于工件材料，可代替切削刃起切削作用，有保护刀刃的作用。 2、 积屑瘤可增大前角，使刀具更锋利。

3、 改变了实际切削深度和切削厚度，影响尺寸精度。

4、 导致切削力变化，引起振动。 5、 影响工件表面粗糙度。 粗加工时，希望有积屑瘤存在。 精加工时，不希望生成积屑瘤。 4. 简述切削用量选择的原则。

切削用量的合理选择从对加工质量、生产率及刀具耐用度等三方面考虑。

对加工质量的影响：1）ap增大、f增大，则切削力增大，工件变形大，冲击振动大，精度和Ra下降；2）Vc则对切削力影响不大，可防止积屑瘤，但切削热增加，刀具磨损加快，加工硬化和表面残余应力增大。因此，采用低ap、低f、高Vc有利于表面质量的提高（精加工）。 对生产率的影响：切削加工时基本的工艺时间方面，切削用量对切削时间的影响是相同的。

对刀具耐用度的影响：Vc对刀具耐用度影响最大，其次是进给量f，ap最小。 因此切削用量的选择顺序为：

1） 尽可能大的ap，其次选尽可能大的f，最后选尽可能大的Vc 2） 粗加工时：取较大的ap、f，Vc不太高； 3） 精加工时：取较小的ap、f，较高的Vc。 5. 何谓生产过程、工艺过程、工序？

1） 由原材料制成的各种零件并装配成产品的全过程，称为生产过程。包括原材料

的运输、保管、生产准备、制造毛坯、切削加工、装配、检验及试车，油漆和包装等。 2） 生产过程中，直接改变原材料（或毛坯）的形状、尺寸或性能，使之变为成品

的过程称为工艺过程。 3） 工序：在一个工作地对同一个或同时几个工件所连续完成的那部分工艺过程 6. 一股夹具有哪几个组成部分？各起什么作用？

1） 定位元件：夹具上用来确定工件正确位置的零件包括V形块和荡铁、支承钉和

支承板等（平面定位）、心轴和定位销（内孔定位）等； 2） 夹紧机构：用以承受切削力等作用的机构，包括螺杆、框架、螺钉压板、偏心压板等； 3） 导向元件：对刀和引导刀具进入正确加工位置的零件，如钻套。 4） 夹具体和其他部分。

7. 何谓工件的六点定位原理？加工时，工件是否都要完全定位？

要完全确定工件的正确位置，必须限制工件的六个自由度，称为工件的六点定位原

理。如图所示。

Oxy平面：限制x、y方向的转动，z方向平动，三个自由度 Oxz平面：限制y方向平动、z方向转动，二个自由度。 Oyz平面：限制x方向平动的一个自由度。

定位是为了保证工件的加工尺寸，并不一定要求完全限制六个自由度。 8. 设计零件时, 考虑零件结构工艺性的一般原则有哪些？

1）便于安装：包括设计工艺凸台以便于装夹、增设装夹凸缘或装夹孔、改变结构或增加辅助安装面等。

2）便于加工和测量：包括刀具的引进和退出要方便、尽量避免箱体内的加工面、凸缘上的孔要留出足够的加工空间、尽可能避免弯曲的孔、留出足够的退刀槽、空刀槽或越程槽等。

3）利于保证加工质量和提高生产效率：包括有相互位置精度要求的表面最好在一次安装中加工、尽量减少安装次数、要有足够的刚度、孔轴线应与其端面垂直、同类结构要素应尽量统一、尽量减少加工量、尽量减少走刀次数、便于多件一起加工等。

4）提高标准化程度：包括尽量采用标准件、尽量采用标准刀具加工等。 5）合理地规定表面的精度等级和粗糙度的数值。 6）结合具体加工条件，考虑与先进的工艺方法相适应。 7）合理采用零件的组合。

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