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模块三　热加工基础
课题一　铸造
课题二　锻压
课题三　焊接
课题四　钢的热处理
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课题四　钢的热处理
一、钢的热处理的概念、目的、分类
钢的热处理就是在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却,改变其组织,从而获得预期的组织和性能的工艺.热处理方法很多,其共同点是:只改变内部组织结构,不改变表面形状与尺寸,而且都由加热、保温、冷却三阶段组成,如图３-４７.
工件经过不同的热处理工艺之后,性能将会发生显著的变化.
表３-５列出了４５钢在同样的温度下,采用不同冷却速度冷却时的力学性能数据.从表中可以看出:工件加热到一定温度后,当采用不同的冷却速度冷却时,将会转变为不同的组织结构,具备不同的性能.所以,冷却过程是热处理的最关键环节.
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课题四　钢的热处理
通过恰当的热处理,不仅可以提高和改善钢的使用性能和工艺性能,而且能充分发挥材料的性能潜力,延长零件的使用寿命,提高产品的质量和经济效益.
热处理工艺种类很多,根据其加热、冷却方法的不同及钢组织和性能变化特点可分为:
① 整体热处理主要包括正火、退火、淬火、回火、调质和时效处理等.
②表面热处理主要包括表面淬火和表面回火.
③化学热处理常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗等.
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二、钢的整体热处理
１.退火　　
退火是将钢件加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺.退火的主要目的是:降低硬度,提高塑性,改善切削加工性能;细化晶粒,消除组织缺陷,改善钢的性能,并为最终热处理做好组织准备;消除内应力,稳定工件尺寸,减小变形,防止开裂;提高钢的塑性和韧性,便于进行冷冲压或冷拔加工.
根据钢的成分及退火目的不同,退火可分为完全退火、球化退火、去应力退火等.
(１)完全退火.
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完全退火是将钢加热到一定温度后缓慢冷却的一种退火工艺.通常是工件随炉冷却或把工件埋入砂或石灰中,冷却至５００℃以下,出炉空冷至室温.完全退火目的是降低钢的硬度,细化晶粒,充分消除内应力,便于随后的加工.主要应用于中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件、热轧型材等,有时也用于焊接件.
(２)球化退火.球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺.通常将钢加热到一定温度,保温一定时间后,随炉缓慢冷却至６００℃以下,再出炉空冷.球化退火的目的是降低硬度、改善切削加工性,并为以后的淬火作准备,减小工件淬火冷却时的变形和开裂.用于共析钢及过共析钢,如碳素工具钢、合金工具钢、滚动轴承钢等.
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这些钢在锻造以后必须进行球化退火才适用于切削加工,同时也可为最后的淬火处理做好组织准备.
(３)去应力退火.去应力退火主要是为了去除由于塑性变形加工、焊接等而造成的应力和铸件内的残余应力而进行的退火.通常将钢件加热到５００ ℃~６５０ ℃,保温后,随炉缓冷至３００℃~２００℃,再出炉空冷.
零件中存在内应力十分有害,会使零件在加工及使用过程中发生变形,影响工件的精度.因此,铸件、锻压件、焊件及切削加工后(精度要求高)的工件,应采用去应力退火来消除内应力.
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２.钢的正火　　
正火是将钢件加热到一定温度,保温适当的时间后,在空气中冷却的热处理工艺.
正火的主要目的是:细化晶粒、调整硬度;消除网状碳化物,为后续加工及球化退火、淬火等做好组织准备.
正火与退火相比,所得室温组织相同,但正火的冷却速度比退火要快.因此,正火后的组织比退火组织要细小些,钢件的强度、硬度比退火高一些.同时正火与退火相比,具有操作简便、生产周期短、生产效率较高、成本低等特点.在生产中的主要应用范围如下:
(１)改善切削加工性.
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(２)消除网状碳化物,为球化退火做好组织准备.
(３)用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理,以代替调质处理.
(４)用于淬火返修零件,消除内应力,细化组织,以防重新淬火时产生变形和开裂.
(５)代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火,改善它们的组织结构和切削加工性能.
３.钢的淬火　　
淬火是将钢件加热到某一温度,保温一定时间,然后在冷却介质中迅速冷却,以获得高硬度组织的一种热处理工艺.
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淬火的主要目的是为了得到高硬度的组织,然后与适当的回火相配合,使工件获得所需的使用性能.淬火和回火是紧密相联的两个工艺过程,是强化钢材、提高机械零件使用寿命的重要手段,它们通常作为钢件的最终热处理.
(１)淬火冷却介质.淬火冷却介质是指工件进行淬火冷却时所使用的介质.生产上最常用的淬火介质有水、水溶液、油、硝盐浴、碱浴、空气等.
(２)淬火方法.
１)单介质淬火.单介质淬火是将加热好的工件直接放入一种淬火介质中冷却.
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单介质淬火操作简单,易实现机械化和自动化,但水淬容易产生变形与开裂,油淬容易产生硬度不足或硬度不均匀现象,主要适用于截面尺寸无突变,形状简单的工件.一般非合金钢采用水作淬火介质,合金钢采用油作淬火介质.
２)双介质淬火(双液淬火).双介质淬火是将加热好的工件后,先浸入一种冷却能力强的介质中冷却,在钢还未达到该淬火介质温度之前即取出,立即转入另一种冷却能力较弱的介质中冷却的方法.常用的有先水后油、先油后空气等,生产中常称为水淬油冷、油淬空冷.双介质淬火利用了两种介质的优点,既能保证钢件淬硬得到高硬度,又能减小变形和开裂倾向.
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但钢件在第一种介质中的停留时间很难正确掌握,要求较高的操作技术.主要用于碳素工具钢制造的易开裂的工件、形状不太复杂的高碳钢和较大尺寸的合金钢工件.
３)分级淬火.分级淬火是将加热好的工件,随之浸入温度稍高或稍低于(如２３０℃)的盐浴或碱浴中,保持适当时间,待钢件内外层温度都达到介质温度后取出空冷的一种淬火工艺.分级淬火操作比双液淬火易于控制,能减少热应力和变形,防止开裂.分级淬火主要用于形状复杂、尺寸要求精确的小型非合金钢件和合金钢工模具.
４)等温淬火.
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等温淬火是将加热好的工件,放入温度稍高(如２３０ ℃)的盐浴或碱浴中,保温足够长的时间使其完成组织转变,获得高硬度的组织,然后再取出空冷的淬火工艺.等温淬火处理的工件强度高、韧性和塑性好,应力和变形很小,能防止开裂.但生产周期长,生产率较低.主要用于各种中、高碳工具钢和低碳合金钢制造的形状复杂、尺寸较小、韧性要求较高的各种模具、成形刃具等工件.
４.钢的回火　　
回火是将钢件淬硬后,再加热到某一不太高的温度(１５０ ℃~６００ ℃),保温一定时间后,冷却至室温的热处理工艺.回火是紧接淬火后进行的一种热处理操作,也是生产中应用最广泛的热处理工艺.
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通过淬火和适当温度的回火相配合,可以使工件获得不同的组织和性能,满足各类零件和工具对使用性能的不同要求.通常也是工件进行的最后一道热处理工艺.
回火的目的是:
①降低淬火钢的脆性和内应力,防止变形或开裂.
②调整和稳定淬火钢的结晶组织,以保证工件不再发生形状和尺寸的改变.
③获得不同需要的机械性能,通过适当的回火来获得所要求的强度、硬度和韧性,以满足各种工件的不同使用要求.淬火钢经回火后,其硬度随回火温度的升高而降低,回火一般也是热处理的最后一道工序.
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按回火温度范围不同,钢的回火可分为低温回火、中温回火及高温回火三种.
１)低温回火.回火温度为１５０℃~２５０℃.其目的是降低淬火内应力,减少脆性,保持淬火后的高硬度和高耐磨性.主要用于处理各种刃具、量具、冷作模具、拉丝模具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件,回火后的硬度一般为５８~６４HRC.
２)中温回火.回火温度为２５０ ℃~５００ ℃.其目的是获得良好弹性和较高的屈服强度,并保持一定的冲击韧性.主要用于要求高弹性和足够韧性的工件,如各种弹簧、热锻模具等,回火后的硬度一般为３５~４５HRC.
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３)高温回火.回火温度为５００℃~６５０℃.其目的是获得较高强度与足够的塑性和韧性,即良好的综合力学性能.高温回火一般用于要求具有较好综合力学性能的各种连接和传动结构件,如曲轴、连杆、螺栓、齿轮、轴等,回火后的硬度一般为２５~３５HRC.
５.调质处理　　
在热处理生产中,通常将淬火加高温回火的复合热处理工艺称为调质处理,简称调质.调质处理后工件可获得良好的综合力学能力,不仅强度较高,而且有良好的塑性和韧性,这就为零件在工作中承受各种载荷提供了有利条件,因此重要的受力复杂的结构零件一般均采用调制处理.主要用于各种重要的结构零件,特别是交变载荷下工作的连杆、螺栓、螺帽、曲轴和齿轮等.
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调质处理还可作为某些精密零件如丝杠、量具、模具等的预备热处理,以减少最终热处理过程中的变形.调质钢的硬度为２０~３５HRC.
６.时效处理　　
为了避免精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化,常在低温回火后精加工前,把工件重新加热到１００℃~１５０℃,保持５~２０小时,这种为稳定精密制件质量的处理,称为时效处理.对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理,以消除残余应力,稳定钢材组织和尺寸,显得尤为重要.
三、钢的表面热处理
目前最常用的表面热处理方法是表面淬火和化学热处理.
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１.钢的表面淬火　　
仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火.其原理是通过快速加热,使钢的表层奥氏体化,在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火的方法.表面淬火可使工件表层获得高硬度组织,具有高硬度、高耐磨性,内部仍保持淬火前的组织,具有足够的强度和韧性.目前生产中广泛应用的有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火等.
(１)感应加热表面淬火.感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件所产生的热效应,使工件表面或局部加热并进行快速冷却的淬火工艺.感应加热淬火结构如图３-４８所示.
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感应淬火因加热速度极快,表层硬度比普通淬火的高２~３ HRC,且有较好的耐磨性和较低的脆性;加热时间短,基本无氧化、脱碳,变形小;淬硬层深度容易控制;能耗低,生产效率高,易实现机械化和自动化,适宜大批量生产.但感应加热设备投资大,维修调试较困难,对于形状复杂工件的感应器不易制作.
感应淬火多用于中碳钢和中碳低合金钢制造的中小型工件的成批生产.根据电流频率不同,感应加热分为高频加热、中频加热、工频加热三种.频率越高,感应电流集中在工件的表面层越薄,则淬硬层越薄.在生产中常依据工件要求的淬硬层深度及尺寸大小来选用电流频率.
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(２)火焰加热表面淬火.火焰加热表面淬火是应用氧Ｇ乙炔或其他可燃气体的火焰对零件表面进行加热,随之快速冷却的工艺,如图３-４９所示.
火焰淬火的操作简便,不需要特殊设备,成本低;淬硬层深度一般为２~６mm.但因火焰温度高,若操作不当工件表面容易过热或加热不匀,造成硬度不均匀,淬火质量难以控制,易产生变形与裂纹.适用于大型、小型、单件或小批量工件的表面淬火,如大模数齿轮、小孔、顶尖、凿子等.
２.钢的化学热处理　
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化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺.
化学热处理的方法很多,包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等.但无论哪种化学热处理方法都是通过分解、吸收和扩散三个基本过程来完成的.
(１)渗碳.渗碳是将钢件在渗碳介质中加热并保温,使碳原子渗入表层的化学热处理.渗碳的目的是为了增加工件表层碳的质量分数,然后经淬火、低温回火,使工件表层具有高的硬度和耐磨性,而心部具有高的塑性、韧性和足够的强度,以满足某些机械零件如汽车发动机的变速齿轮、变速轴、活塞销等的需要.
(２)渗氮.
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渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺,又称为氮化.渗氮的目的是提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、疲劳强度和耐蚀性.
渗氮与渗碳相比有以下特点:
①渗氮层具有很高的硬度和耐磨性,钢件渗氮后表层中形成稳定的金属氮化物,具有极高的硬度,所以渗氮后不用淬火就可得到高硬度,而且具有较高的热硬性.
②渗氮具有渗碳层所没有的耐蚀性,可防止水、蒸汽、碱性溶液的腐蚀.
③渗氮比渗碳温度低(一般５７０℃),所以工件变形小.
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渗氮用钢大多是含铬、钼、铝、钛、钒等元素的中碳合金钢,如３８CrMoAlA 是一种典型的氮化钢.
四、热处理新技术简介
１.形变热处理　　
形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合,以提高材料力学性能的复合工艺,是提高钢的强度和韧性的重要手段.
(１)低温形变热处理.将钢加热到较高温度,经保温后快冷到某一温度进行变形(形变强化),然后立即进行淬火、回火(通过热处理强化)的一种热处理方法.
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低温形变热处理的特点是:在保证塑性和韧性不降低的条件下,能够大幅度提高强度和抗磨损能力,主要用于高速钢刀具、模具等要求高韧性的零件.
(２)高温形变热处理.将钢加热到较高温度,经保温后以较快的速度进行塑性变形(形变强化)然后立即进行淬火、回火(通过热处理强化)的一种热处理方法.与普通热处理相比,部分材料可提高抗拉强度１０％~３０％;提高塑性４０％~５０％.一般碳钢、低合金钢均可采用这种热处理.
２.真空热处理与可控气氛热处理
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普通热处理加热时,多数是在空气介质中进行.在高温下空气介质中的氧、二氧化碳和水蒸气等将会与工件表层中的铁和碳发生反应,引起工件表面氧化与脱碳.氧化脱碳使工件表层的质量大大降低.为了防止氧化脱碳的产生,生产中采用了真空热处理与可控气氛热处理.
真空热处理具有无氧化、无脱碳、无污染和少变形的“三无一少”的优越性,是当代热处理的先进技术之一.它是在１.３３~０.０１３３Pa真空度的真空介质中加热的热处理,主要包括真空淬火、真空退火、真空化学热处理等.
可控气氛热处理是为达到无氧化、无脱碳或按要求增碳的目的,在成分可控的炉气中进行的热处理.
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３.激光表面热处理与电子束表面淬火　　
激光热处理是利用专门的激光器发生能量密度极高的激光,以极快速度加热工件表面,自冷淬火后使工件强化的热处理.目前生产中大都使用CO２ 气体激光器,它的功率可达１０~１５kW,效率高,并能长时间连续工作.通过控制激光入射功率密度、照射时间及照射方式,即可达到不同的淬硬层深度、硬度、组织及其他性能要求.
激光热处理具有加热速度快,加热到相变温度以上仅需要百分之几秒;淬火不用冷却介质,而是靠工件自身的热传导自冷淬火;光斑小,能量集中,可控性好,可对复杂的零件进行选择加热淬火;能细化晶粒,显著提高表面硬度和耐磨性;淬火后,几乎无变形,且表面质量好等优点.
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主要用于精密零件的局部表面淬火,也可对微孔、沟槽、盲孔等部位进行淬火.
４.计算机在热处理中的应用　　
计算机首先用于热处理工艺基本参数(如炉温、时间和真空度等)及设备动作的程序控制;而后扩展到整条生产线(如包括渗碳、淬火、清洗及回火的整条生产线)的控制;进而发展到计算机辅助热处理工艺最优化设计和在线控制,以及建立热处理数据库,为热处理计算机辅助设计及性能预测提供了重要支持.
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五、热处理工艺的应用
热处理是机械制造过程中非常重要的环节,它穿插在机械零件制造过程中的各处冷热加工工序之间.正确合理地安排热处理工序位置十分重要.
１.热处理工序确定的一般规律　　
根据热处理的目的和工序位置的不同,可将其分为预备热处理和最终热处理两大类.
预备热处理(正火、退火、调质等)工序一般安排在毛坯生产之后,切削加工之前,或粗加工之后,精加工之前.
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最终热处理(淬火、回火、化学热处理等)后硬度较高,除可以磨削加工外,一般不适宜其他切削加工,故其工序位置一般均安排在半精加工之后,磨削加工(精加工)之前.
在生产过程中,由于零件选用的毛坯和工艺过程不同,热处理工序会有所增减.因此,工序位置的安排必须根据具体情况灵活运用.
２.确定热处理工序位置的实例　　
(１)车床主轴.车床主轴是传递力的重要零件,它承受交变载荷,轴颈处要求耐磨,如图３-５０所示.一般选用４５钢制造.热处理技术条件为:整体调质处理,硬度２２０~２５０HBS,轴颈及锥孔表面淬火,硬度５０~５２HRC.
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主轴制造工艺路线:
锻造→正火→切削加工(粗)→调质→切削加工(半精)→高频感应加热淬火→低温回火→磨削
主轴热处理各工序的作用
正火:作为预备热处理,目的是消除锻件内应力,细化晶粒,改善切削加工性.
调质:获得回火索氏体,使主轴整体具有较好的综合力学性能,为表面淬火作好组织准备.
高频感应加热淬火＋低温回火:作为最终热处理,高频感应加热淬火是为了使轴颈及锥孔表面得到高硬度、耐磨性和疲劳强度;低温回火是为了消除应力,防止磨削时产生裂纹,并保持高硬度和耐磨性.
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(２)手用丝锥.手用丝锥是加工金属内孔螺纹的刃具.由于手动攻丝,受力不大,切速度极低,不要求有高的热硬性,故手用丝锥可选用T１２A 制造.下面以M１６×２手用丝锥为例(见图３-５１所示)来分析.它的热处理条件为:齿部硬度６０~６２HRC,柄部硬度３０~４５HRC.
手用丝锥的工艺路线:
下料→球化退火→机械加工→淬火、低温回火→柄部处理→清洗→发蓝处理→检验.
热处理各工序的作用:
球化退火:使原材料获得优良的球状组织结构,便于机械加工,并为以后的淬火作好组织准备.
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淬火和低温回火:使刃部达到硬度要求.为减少变形,淬火采用硝盐等温淬火,使丝锥的强度和韧性提高.在淬火时,因丝锥的柄部也已一起硬化,故丝锥柄部必须进行回火处理.一般采用６００℃盐浴快速加热(约３０秒),加热后迅速入水冷却,使柄部硬度下降到要求的硬度.
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图３-１　砂型铸造工艺过程
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图３-２　齿轮毛坯的砂型铸造简图
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图３-３　三箱造型
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图３-４　整模造型
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图３-５　分模造型
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图３-６　挖砂造型
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图３-７　活块造型
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表３-１　几种常用的手工造型
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图３-８　震压式机器造型原理示意图
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图３-９　浇注系统和冒口图
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图３-１０　垂直分型式金属型
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图３-１１　立式冷压室式压铸机工作原理
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图３-１２　离心铸造示意图
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图３-１３　熔模铸造工艺示意图
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图３-１５　锻压加工加工的生产方式
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图３-１６　空气锤的构造
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图３-１７　镦粗
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图３-１８　拔长变形
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图３-１９　冲孔
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图３-２０　切割
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图３-２１　弯曲
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图３-２２　锻接
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图３-２３　锤击扭转
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图３-２４　单膛锻模结构
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图３-２５　弯曲连杆的多膛锻模
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图３-２６　几种胎模锻
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图３-２７　合力冲床
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图３-２８　剪床
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图３-２９　板料的冲裁过程
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图３-３０　弯曲过程示意图
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图３-３１　拉伸过程
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图３-３２　辊锻轧制
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图３-３３　辗环轧制
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图３-３４　热轧齿轮
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图３-３５　螺旋斜轧
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图３-３６　拉拔模
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图３-３７　超塑性板料冲压
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图３-３８　液态模锻工作示意图
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图３-３９　焊接的分类
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图３-４０　焊条电弧焊
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图３-４１　焊接电弧产生过程示意图
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图３-４２　焊接电弧的组成
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表３-２　手工电弧焊焊接接头的基本形式与尺寸
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图３-４３　各种空间位置的焊缝
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表３-３　焊件厚度与焊条直径的关系
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表３-４　焊条电弧焊的安全技术
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图３-４４　氧乙炔焰的构造
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图３-４５　焊接方向
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图３-４６　氩弧焊示意图
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图３-４７　热处理工艺曲线示意图
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表３-５　４５钢加热到８４０ ℃保温后,不同冷却条件下的力学性能
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图３-４８　感应加热淬火示意
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图３-４９　火焰淬火示意图
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图３-５０　CA６１４０型卧式车床的主轴
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图３-５１　手用丝锥
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