7、織均勻的脆性材料，如淬火后低溫回火的高強度鋼。還應考慮應力集中的影響。,二、靜應力下的許用應力 靜應力下，零件材料有兩種損壞形式：斷裂或塑性變形。 對于塑性材料，可按不發(fā)生塑性變形的條件進行計算。這時取材料的屈服極限S作為極限應力，故許用應力為,三、變應力下的許用應力 變應力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。 疲勞斷裂具有以下特征： 疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低； 不存在宏觀的、明顯的塑性變形跡象，是脆性突然斷裂； 疲勞斷裂是損傷的積累，在循環(huán)應力多次反復作用下產(chǎn)生。 對材料的組成、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件和外界環(huán)境等非常敏感。 總之，疲勞破壞的最突
8、出特點是發(fā)生突發(fā)性、高度局部性以及對各種缺陷的敏感性。,右圖所示為軸的彎曲疲勞斷裂的斷口，微裂紋常起始于應力最大的斷口周邊上。在斷口上明顯地有兩個區(qū)域：一個是在變應力重復作用下裂紋兩邊相互摩擦形成的表面光滑的疲勞區(qū)；一個是最終發(fā)生脆性斷裂的表面粗糙的斷裂區(qū)。,,疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂。它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂、所以疲勞斷裂與應力循環(huán)次數(shù)（即使用期限或壽命）密切相關(guān)。,疲勞曲線 表示應力與應力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為疲勞曲線，如圖9-3所示。從圖中可以看出，應力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。,當循環(huán)次數(shù)N超過某一數(shù)值N0以后，曲線趨向水平，即可以
9、認為在“無限次”循環(huán)時試件將不會斷裂。 N0稱為循環(huán)基數(shù)，對應于N0的應力稱為材料的疲勞極限(-l)。,通常用-l表示材料在對稱循環(huán)變應力下的彎曲疲勞極限。 疲勞曲線的左半部（NN。），可近似地用下列方程式表示：,對稱循環(huán)變應力作用下，任意循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限為,許用應力 變應力下，應取材料的疲勞極限作為極限應力。同時還應考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影響，為此引入有效應力集中系數(shù)k、尺寸系數(shù)和表面狀態(tài)系數(shù)等。當應力是對稱循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為,當應力是脈動循環(huán)變化時，無限壽命下的許用應力為,四、安全系數(shù) 安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響。如果安全系
10、數(shù)定得過大將使結(jié)構(gòu)笨重；如定得過小，又可能不夠安全。 在各個不同的機械制造部門，通過長期生產(chǎn)實踐，都制訂有適合本部門的安全系數(shù)（或許用應力）的表格。使用時可以從中查表選取所需的安全系數(shù)（或許用應力）。,9-3 機械零件的接觸強度,若零件受載時是在較大的體積內(nèi)產(chǎn)生應力，這種應力狀態(tài)下的零件強度稱為整體強度 若兩個零件在受載前是點接觸或線接觸，受載變形后，其表層產(chǎn)生很大的局部應力，這種應力稱為接觸應力。這時零件強度稱為接觸強度。 具有一定曲面的兩物體在壓力下互相接觸時，在接觸處產(chǎn)生的應力便是接觸應力。 承受接觸應力的零件的承載能力不僅取決于整體強度，還取決于表面的接觸強度。,機械零件的接觸應力通常
11、是隨時間作周期性變化的接觸變應力，在載荷重復作用下，零件表面發(fā)生疲勞點蝕破壞，（圖9-7）。,零件發(fā)生疲勞點蝕后，減小了接觸面積，損壞了零件的光滑表面，因而也降低了承載能力，并引起振動和噪聲。 兩個軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時，接觸應力分布如圖9-8所示，最大接觸應力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值由赫茲(H.Hertz)公式 計算,對于鋼或鑄鐵，取1=2 ==0.3，則上式簡化為：,令,及,,零件受接觸變應力作用時接觸強度條件為 HH 而H = lim/SH (9-11) 式中l(wèi)im為由實驗測得的材料的接觸疲勞極限，若兩零件的硬度不同時，常以較軟零件的接觸疲勞極限為準。由圖9-8可看
12、出，接觸應力具有上下對等、左右對稱及稍離接觸區(qū)中線即迅速降低等特點。由于接觸應力是局部性的應力，且應力的增長與載荷Fn不成直線關(guān)系，而要緩慢得多見式(9-9)，故安全系數(shù)SH可取為等于或稍大于1。,三牙輪鉆頭內(nèi)部結(jié)構(gòu),94 機械零件的耐磨性,運動副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損會逐漸改變零件尺寸和摩擦表面狀態(tài)。零件抗磨損的能力稱為耐磨性。除非運動副摩擦表面為一層潤滑劑所隔開而不直接接觸，否則磨損總是難以避免的。但是只要磨損速度穩(wěn)定緩慢，零件就能保持一定壽命。所以，在預定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值時，就認為是正常磨損。 出現(xiàn)劇烈磨損時，運動副的間隙增大，能使機械的精度喪失
13、，效率下降，振動、沖擊和噪聲增大。這時應立即停車檢修、更換零件。,據(jù)統(tǒng)計，約有80的損壞零件是因磨損而報廢的。 磨粒磨損 硬質(zhì)顆?；蚰Σ帘砻嫔嫌驳耐狗澹谀Σ吝^程中引起的材料脫落現(xiàn)象稱為磨粒磨損。硬質(zhì)顆?？赡苁橇慵旧砟p造成的金屬微粒，也可能是外界的塵土雜質(zhì)等。磨損面間的硬粒，能使表面材料脫落而留下溝紋。 粘著磨損（膠合） 當摩擦表面接觸時，由于表面不平，實際上只有部分峰頂接觸。在有相對運動和一定載荷作用下，接觸處壓強極高，能使材料產(chǎn)生塑性流動。若接觸處發(fā)生粘著，滑動時會使接觸表面材料由一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，這種現(xiàn)象稱為粘著磨損（膠合）。,疲勞磨損（點蝕） 在滾動或兼有滑動和滾動的高副中
14、，受載時材料表層有很大的接觸應力，當載荷重復作用時，常會出現(xiàn)表層金屬呈小片狀剝落，而在零件表面形成小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞磨損或點蝕。 腐蝕磨損 在摩擦過程中，與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應或電化學反應的磨損，稱為腐蝕磨損。,實用耐磨計算是限制運動副的壓強p，即 pp (9-12) 式中p 是由實驗或同類機器使用經(jīng)驗確定的許用壓強。 相對運動速度較高時，還應考慮運動副單位時間單位接觸面積的發(fā)熱量fpv。在摩擦系數(shù)一定的情況下，可將pv值與許用pv值進行比較，即 pv pv (9-13),9-5 機械制造常用材料及其選擇,一、金屬材料 鑄鐵
15、 鑄鐵和鋼都是鐵碳合金，它們的區(qū)別主要在于含碳量的不同。含碳量小于2的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2的稱為鑄鐵。 鑄鐵具有適當?shù)囊兹坌?，良好的液態(tài)流動性，因而可鑄成形狀復雜的零件。此外，它的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）均較好且成本低廉，因此在機械制造中應用甚廣。常用的鑄鐵有：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料，不能進行輾壓和鍛造。,鋼 鋼具有高的強度、韌性和塑性，并可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼制零件的毛坯可用鍛造、沖壓、焊接或鑄造等方法取得，因此其應用極為廣泛。 按照用途，鋼可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼。 結(jié)構(gòu)鋼用于制造各種機械零件和工程結(jié)
16、構(gòu)的構(gòu)件；工具鋼主要用于制造各種刃具、模具和量具；特殊鋼用于制造在特殊環(huán)境下工作的零件。 按照化學成分，鋼又可分為碳素鋼和合金鋼。 碳素鋼的性質(zhì)主要取決于含碳量，含碳量越高則鋼的強度越高，但塑性越低。,碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼的含碳量一般不超過 0.7。 含碳量低于 0.25的低碳鋼，它的強度極限和屈服極限較低，塑性很高，且具有良好的焊接性，適于沖壓、焊接。 含碳量在0.30.5%的中碳鋼，它的綜合力學性能較好，既有較高的強度，又有一定的塑性和韌性，常用作受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸等零件。 含碳量在0. 550.7的高碳鋼，具有高的強度和彈性，多用來制作普通的板彈簧、螺旋彈簧或鋼絲繩等。,合
17、金結(jié)構(gòu)鋼 鋼中添加合金元素的作用在于改善鋼的性能。 應當注意，合金鋼的優(yōu)良性能不僅取決于化學成分，而且在更大程度上取決于適當?shù)臒崽幚怼?鑄鋼 鑄鋼的液態(tài)流動性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時，壁厚常不小于10mm。鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同壁厚的過渡部分均應比鑄鐵件大些。,選擇鋼材時，應在滿足使用要求的條件下，盡量采用價格便宜供應充分的碳素鋼，必須采用合金鋼時也應優(yōu)先選用我國資源豐富的硅、錳、硼、釩類合金鋼。 常用鋼鐵材料的力學性能見表9-1。 銅合金 銅合金有青銅與黃銅之分。黃銅是銅和鋅的合金，并含有少量的錳、鋁、鎳等，它具有很好的塑性及流動性，故可進行輾壓和鑄造。青銅可分
18、為含錫青銅和不含錫青銅兩類，它們的減摩性和抗腐蝕性均較好，也可輾壓和鑄造。此外，還有軸承合金（或稱巴氏合金），主要用于制作滑動軸承的軸承襯。,二、非金屬材料 在機械制造中也常用到其他非金屬材料。 橡膠 橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量，常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。 塑料 塑料的比重小，易于制成形狀復雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，近年來在機械制造中其應用日益廣泛。,設(shè)計機械零件時，選擇合適的材料是一項復雜的技術(shù)經(jīng)濟問題。設(shè)計者應根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經(jīng)濟因素等進行全面考慮。這就要求設(shè)計者
19、在材料和工藝等方面具有廣泛的知識和實踐經(jīng)驗。 為了材料供應和生產(chǎn)管理上的方便，應盡量縮減材料的品種。,9-6 公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系,一、公差與配合 機器是由零件裝配而成的。大規(guī)模生產(chǎn)要求零件具有互換性，以便在裝配時不需要選擇和附加加工，就能達到預期的技術(shù)要求 零件的互換性要求保證零件的尺寸、幾何形狀和相對位置以及表面粗糙度的一致性。就零件尺寸而言，它不可能做得絕對精確，但零件尺寸必須介于兩個允許的極限尺寸之間，這兩個極限尺寸之差稱為公差?；Q性要求建立標準化的公差與配合制度。我國的公差與配合采用國際公差制。,如圖9-10所示，設(shè)計給定的尺寸稱為基本尺寸。零線代表基本尺寸的位置。由代
20、表上下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域稱為公差帶。同一基本尺寸的孔與軸的結(jié)合稱為配合。,,根據(jù)公差帶的相對位置，配合分為間隙配合、過渡配合和過盈配合三大類。間隙配合的孔比軸大，用于動聯(lián)接，如軸頸與滑動軸承孔。過盈配合的孔比軸小，用于靜聯(lián)接。如火車車輪與軸。過渡配合可能具有間隙，也可能具有過盈，用于要求具有良好同軸性而又便于裝拆的靜聯(lián)接，如齒輪與軸。,國家標準規(guī)定，孔與軸的公差帶位置各有28個，分別用大寫和小寫拉丁字母表示。大寫字母表示孔公差帶和小寫字母表示軸公差帶。20個公差等級（即尺寸精度等級），用阿拉伯數(shù)字表示。數(shù)字越小，精度越高。 機械制造中最常用的公差等級是411級。,配合制度有基孔制和基軸
21、制兩種?；字频目资腔鶞士?，其下偏差為零，代號為H，而各種配合特性是靠改變軸的公差帶來實現(xiàn)的（圖9-11）。基軸制的軸是基準軸，其上偏差為零，代號為h，而各種配合特性是靠改變孔的公差帶來實現(xiàn)的。,為了減少加工孔用的刀具品種，工程中廣泛采用基孔制。 特例：光軸與具有不同配合特性的零件相配合時采用基軸制；滾動軸承外徑與軸承孔配合時采用基軸制。,表面粗糙度是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它主要是加工后在零件表面留下的微細而凸凹不平的刀痕。 表面粗糙度的評定參數(shù)之一是輪廓算術(shù)平均偏差Ra，它是指在取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術(shù)平均值（圖9-12），即,二、表面粗糙度,近似為,表
22、9-3（P127）列出了供優(yōu)先選用的表面粗糙度Ra值及與其對應的加工方法（通常條件下比表中等級降23級）。,三、優(yōu)先數(shù)系 優(yōu)先數(shù)系是用來使型號、直徑、轉(zhuǎn)速、承載量和功率等量值得到合理的分級。這樣可便于組織生產(chǎn)和降低成本。 GB32180規(guī)定的優(yōu)先數(shù)系有四種基本系列，即R5 、R10、R20、R40系列，其公比分別為1.6、1.25、1.12、1.06。 例如：R10系列數(shù)值分別為：1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8、10. 優(yōu)先數(shù)系中任何一個數(shù)值稱為優(yōu)先數(shù)。 優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系是一種科學的數(shù)值制度，在確定量值的分級時，必須最大限度地采用上述優(yōu)先數(shù)及優(yōu)先數(shù)系。,9-7
23、機械零件的工藝性及標準化,一、工藝性 在具體生產(chǎn)條件下，如所設(shè)計的機械零件便于加工而加工費用又很低，則這樣的零件就稱為具有良好的工藝性。 有關(guān)工藝性的基本要求是； 毛坯選擇合理 機械制造中毛坯制備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、沖壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產(chǎn)技求條件有關(guān)，一般取決于生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性等。,結(jié)構(gòu)簡單合理 設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)形狀時，最好采用最簡單的表面及其組合，同時還應當盡量使加工表面數(shù)目最少和加工面積最小。 規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙?零件的加工費用隨著精度的提高而增加，尤其在精度較高的情況下，這種增加極為顯著。因此，在沒有充分根據(jù)時，不應當追求高的精度。
24、同理，零件的表面粗糙度也應當根據(jù)配合表面的實際需要，作出適當?shù)囊?guī)定。,二、標準化 標準化是指以制訂標準和貫徹標準為主要內(nèi)容的全部活動過程。就工業(yè)產(chǎn)品標準化而言，它是指對產(chǎn)品的品種、規(guī)格，質(zhì)量、檢驗或安全、衛(wèi)生要求等制訂標準并加以實施。 產(chǎn)品標準化本身包括系列化、通用化、標準化三個方面的含義。,產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的品種規(guī)格滿足用戶的廣泛需要； 零部件的通用化將同一類型或不同類型產(chǎn)品中用途結(jié)構(gòu)相近似的零部件，經(jīng)過統(tǒng)一后實現(xiàn)通用互換； 產(chǎn)品質(zhì)量標準化產(chǎn)品質(zhì)量是一切企業(yè)的“命根子”，要保證產(chǎn)品質(zhì)量合格和穩(wěn)定就必須做好設(shè)計、加工工藝、裝配檢驗。甚至包裝儲運等環(huán)節(jié)的標準化。這樣，才能在激烈的市場竟爭中立于不敗之地。,產(chǎn)品標準化的重大意義： 在制造上可以實行專業(yè)化大量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量又能降低成本； 在設(shè)計方面可減少設(shè)計工作量； 在管理維修方面，可減少庫存量和便于更換損壞的零件。,返回目錄,按照標準的層次，我國的標準分為國家標準、行業(yè)標準、地方標準和企業(yè)標準四級。 按照標準實施的強制程度，標準又分為強制性（GB)和推薦性（GB/T)兩種。 為了增強在國際市場的競爭能力，我國鼓勵積極采用國際標準和國外先進標準。,返回目錄,
機械零件設(shè)計概論.ppt
