机械设计基础知识概述(全)

1、机械设计基础知识概述(全) 机械设计基础知识概述 机械设计基础知识概述 第一章 金属材料的有关问题 （一） 金属材料的机械性能 金属零件受一定外力作用时，对金属材料有一定的破坏作用。因此要求金属材料具有抵抗外力的作用而不被破坏的性能，这种性能称为机械性能。金属材料的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。它们的具体数值是在专门的试验机上测定出来的。 1、金属材料的变形和应力 金属材料受外力作用时引起的形状改变称为变形。变形分为弹性变形（当外力取消后，变形消失并恢复到原来形状）和塑性变形（当外力除去后，不能恢复到原来形状，保留一部分残余形变）。 当金属材料受外力作用时，其内部还

2、将产生一个与外力相对抗的内力，它的大小与外力相等，方向相反。单位截面上的内力称为应力。在拉伸和压缩时应力用符号表示。 =P/F 式中： 应力，MPa; P 拉伸外力，N； F 试样的横截面积，mm2。 2、强度 强度是金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度可通过拉力试验来测定。将图（a）所示标准样安装在拉力试验机上，对其施加一个平稳而无冲击逐渐递增的轴向拉力，随着拉力的增加试样产生形变如图（B）直到断裂如图（C）。 以试样的受拉力P为纵坐标，伸长值L为横坐标，给制出拉伸曲线。 共 50 页 机械设计基础知识概述 OE段：负荷与伸长成线性关系，是材料的弹性变形阶段。 金属材料由弹性变形过渡到塑性

3、变形时的应力称为弹性极限，用e表示。 e=Pe/Fo 式中： e 弹性极限，MPa； Pe 材料开始塑性变形时的负荷，N； Fo 试样原横截面积，2 。 当负荷超过E点，试样开始产生塑性变形，这一段曲线几乎呈水平，表明试样在拉伸过程中，负荷不增加甚至有降低，试样继续塑性形变，材料丧失了抵抗变形的能力。这种现象称为屈服。产生现象时的应力称为屈服点，用s表示。 s=Ps/Fo 式中： s 屈服点，Mpa ； Ps 材料产生明显形变时的负荷，N； Fo 试样原横截面积，2 。 负荷超过S点后，形变量随负荷增加而急剧增加，当过B点，形变部位出现缩颈现象，试样已不能抵抗外力作用，在K点发生断裂。试样拉断

4、前能承受的最大负荷 Pb所对应的应力称为抗拉强度，用b表示。 b= Pb/Fo 式中： b 抗拉强度，Mpa ； Pb 试样拉断前的最大拉力，N； 共 50 页 机械设计基础知识概述 Fo 原横截面积，2 。 屈服强度（s），抗拉强度（b）和屈强比（屈服强度与抗拉强度的比s/b）是评定金属材料质量的重要机械性能指标，是设计和选材的主要依据之一。 3、塑性 塑性是金属材料受外力作用时断裂前产生塑性变形的能力。通常用两种方法来表示。 （1） 伸长率：试样拉断后标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比，用表示。 =（L1L0）/L0100% 式中： 试样的伸长率，%； L1 试样拉断后标距长度，；

5、L0 试样原标距长度，. (2) 断面收缩率：试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原截面积的百分比， 用表示。 式中 试样的断面收缩率，%； F0 试样原横截面积，2 。 F1 试样拉断后缩颈处的最小横截面积，2 。 、的数值越大，说明金属材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。 4、硬度 硬度是金属材料抵抗外物压入其表面的能力，一般说，硬度高的材料耐磨性较好，强度也比较高。硬度是评价金属材料质量的机械性能指标，也是机械零件设计要求的技术条件之一。 生产中有不同的测定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。 (1) 布氏硬度：用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验

6、力压入试样表面，经规定保荷时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径。以压痕球状表面积所承受的平均负荷作为布氏硬度值，用符号HBS（HBW 2PHBS（HBW）= 22D(D?D?d） 式中：HBS（HBW） 布氏硬度值，kgf2 ; P 加在淬火钢球上的负荷，kgf； D 淬火钢球直径，。 压头为钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在的材料，如铸铁和有色金属。压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料。 （2）洛氏硬度：用压头压入的压痕深度表示材料的硬度值。压痕越深表示材料越软， 共 50 页 机械设计基础知识概述 硬度值越低。两种硬度可以利用特制的表格进行换算。 硬度表示金属材

7、料在局部范围内对塑性变形的抗力，所以硬度与强度间有一定的换算关系。 5、冲击韧性 冲击韧性是金属材料抗击冲击负荷的能力。现在普通采用一次摆锤冲击试验来测定材料的冲击韧性。 实验表明，材料受小能量多次重复冲击的能力，主要取决于材料强度。强度越高，寿命越长，设计中可不必过分追求高冲击值。 6、疲劳强度 实际中许多工件所承受负荷的方向和大小是周期变化的。这种周期变化的负荷称为交变负荷。金属工件在交变负荷作用下，经长时间工作而发生断裂的现象称为金属疲劳。 在交变负荷作用下金属工件所受应力大小和断裂前应力交变循环的次数有关。应力越大，则断裂前能随承受的循环次数越低。当钢铁材料的循环次数达到107，有色金

8、属的循环次数达到108 时，若试样仍不发生疲劳破坏，其最大应力称为该材料的疲劳极限。当应力交变循环对称时，疲劳极限用-1表示。 生产中多数金属工件是在交变负荷下工作的，疲劳破坏是破裂的主要形式。因此疲劳强度设计是材料的重要强度计算之一。另外，改善零件结构形状避免应力集中；降低表面粗糙度；采取表面强化处理等都能有效提高金属工件的抗疲劳能力。 （二）金属材料的其他性能 1、金属材料的物理性能 包括比重、溶点、导电性、导热性和膨胀性等。工件用途不同，对金属材料的物理性能要求不一样 2、金属材料的化学性能 主要指金属材料在定温或高温条件下抵抗活泼介质对其浸蚀的能力。 3、金属材料的工艺性能 是金属材料

9、物理和化学性能的综合，是否易于加工成型的能力。按工艺方法不同， 共 50 页 机械设计基础知识概述 工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接性和切削加工性能。在设计零件及选择加工方法时要考虑材料的工艺性能。 （三）铁碳合金的基本组织及性能 普通碳钢和铸铁均属钢碳合金范畴，合金钢和合金铸铁是有意加入合金元素的铁碳合金。铁和碳是钢铁材料的两个最基本的组元。 目前应用的铁碳合金，其含碳量均在6.69%以下，当含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有实用意义。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为生铁。 一切固态物质，根据其内部原子的聚集状态可分为晶体与非晶体两大类

10、。晶体内部的原子在空间作规则的排列，如食盐、金刚石、石墨和所有的金属都是晶体。非晶体内部的原子则杂乱无章地无规则的规程，如玻璃、沥青、石腊和松香等都是非晶体。 大多数金属在固态下的晶格保持不变，但是有些金属，如铁、锌、锑、锰、钼等在固态下，随着温度的变化，其晶体结构还会发生转变，这种晶体形式的转变称为同素异构转变。同素异构转变过程也是重结晶过程。如纯铁的溶点为1534和912时先后发生两次晶格形式的转变；在15381394时为体心立方晶格，称为铁，1394912为面心立方晶格，称铁，在912以下为体心立方晶格，称为铁。铁的同素异构转变是钢铁能够进行热处理的重要依据。 各种金属材料具有不同的性能

11、，这是由于其内部组织结构决定的。在液态时，铁 固溶体是合金中一种组元（溶剂）溶解其他组元（溶质），或组元之间互相溶解而形成的一种均匀固相，形成单一的均匀物质，其中所溶解的组元在显微镜下也区别不出来。 金属化合物，是两组元相互作用而形成的一种新的具有金属特性的物质。其晶体结构与性能和两组元都不同，如铁碳合金中铁和碳组成的碳化物称为渗碳体，化学式为Fe3C。 混合物是纯金属，固溶体或化合物按一定重量比例组成的均匀物质。混合物中多部分仍按自己原来的晶格形式结合而成晶体，显微镜下可区别出多组元的晶体。绝大多数工业用合金都是混合物，其性能取决于这些混合物多部分的性能及它们的形态、大小和分布。 铁碳合金的

12、基本组织： （1） 铁素体：碳溶于-Fe中的固溶体称为铁素体，符号为Fe。铁素体含碳量非常低，在727时为0.0008%，其机械性能与纯铁相似，强度和硬度不高，塑性和韧性好。 （2） 奥氏体：碳溶于-Fe中的固溶体称为奥氏体，符号为A。稳定的奥氏体存在温度为727，此时碳的溶解度为0.77%，奥氏体的强度，硬度和塑性都很好，是大多数钢进行高温锻造或轧制时所要求的组织。 共 50 页 机械设计基础知识概述 （3） 渗碳体：含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，分子式Fe3C用符号 Cm表示。硬度高，塑性差，硬而脆，钢中渗碳体数量增多，强度和硬度提高而塑性下 降。 （4） 珠光体：是铁素体与渗碳

13、体的混合物，用P表示。显微镜下渗碳体和 铁素体片层相间，交替排列。在平衡条件下珠光体的含碳量为0.77%，它的强度高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体与铁素体之间. （5） 莱氏体：高温状态下奥氏体和渗碳体的混合物，用Le表示.其机械性 能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。 上述五种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是铁碳合金的基本相。 碳素钢中还含有少量的硅、锰、硫、磷，它们对钢的组织和性能也有很大影响。硅 和锰是有益元素，可溶于-Fe内，使钢的强度和硬度提高。硫和磷是有害元素。硫以 FeS的形式存在，削弱了晶粒间连接，在轧制或锻造时会造成钢材开裂，此现象称为热 脆性。磷可与-Fe相溶，形成脆性很大

14、的Fe3P，使钢在高温下塑性和韧性急剧下降， 此现象称为冷脆性。 （四）钢的分类和编号 1、钢的分类 （1） 按化学成分分类有： 碳素钢：根据含碳量多少又分为： 低碳钢：含C量0.25%,强度低,但塑性、焊接性好。 中碳钢: 0.250.60%之间,强度高 塑性、焊接性差。 高碳钢:含C量0.6%，塑性及焊接性都差，热处理后有较高强度和硬度。 合金钢：加入一种或数种合金元素的钢称合金钢，比碳素钢有较高强度和韧性，或 有特殊性能。 （2） 按质量分类： 碳素钢质量的高低是根据钢中杂质磷、硫的含量来区分的 普通钢：钢中磷、硫的含量较高； 优质钢：钢中磷、硫的含量较低； 高级优质钢：钢中磷、硫的含量

15、很低。 （3） 按用途分类： 结构钢制造多种机械零件和工程结构。 工具钢制造多种刃具、量具和模具。 特殊性能钢特殊的物理化学性能、如不锈钢，耐热、耐磨钢等。 共 50 页 机械设计基础知识概述 钢 2 （1） 碳素结构钢 钢的牌号有表示屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。 Q钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母； A、B、C、D质量等级； F沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母； b半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母； Z镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母； TZ特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母； （2） 合金结构钢： 钢的牌号有表示屈服点的字母、屈服点的数值、质量

16、等级符号三个部分按顺序组成。 Q钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母； A、B、C、D质量等级； (五) 钢的热处理 钢的热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热，保温和冷却，以改变其整体或表面组织，获得所需性能的工艺方法。重要的零件要进行热处理，以提高金属材料的强度和硬度，改善材料的逆性和韧性等，充分发挥材料的潜力。 大多数的热处理都要将钢加热到相变温度以上，使其组织由铁素体和渗碳体的混 合物转变为均匀的奥氏体。只有奥氏体状态才能通过不同的冷却方式转变成不同的组 共 50 页 机械设计基础知识概述 织，从而使钢获得所需要的性能。 钢的热处理工艺主要有退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。 1、

17、退火 将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），以达到接近平衡状态组织。根据退火目的将退火分为以下两种： （1） 完全退火：使用最广泛，主要用于亚共析钢（C0.77%）锻件，轧件和铸件退火，其目的是通过重结晶使晶粒细化，均匀组织，消除残余应力。 （2） 球化退火：使钢中碳化物呈球化，用于过共析钢（含碳0.77%C2.11%）和工具钢，使渗碳体球化，降低硬度提高韧性，改善工件切削加工性能，减少工件淬火时产生变形和开裂。 2、正火 将工件加热后，保温适当时间后在自由流通的空气中冷却得到球光体组织。对低碳钢或低碳合金钢，正火目的是提高硬度改善切削加工性能

18、。对过共析钢或合金工具钢，正火目的是减少渗碳体数量，便于球化退火。对不太重要的工件，目的是细化晶粒，使组织均匀化，提高机械性能，可作为工件的最终热处理。 3、淬火 将合金加热到相变温度以上，保温，快速冷却，获得不稳定组织。淬火后的工件再配合适当的回火，使金属材料达到使用要求。如刃具和模具要求高的硬度和耐磨性，多种轴类和齿轮要求较好的韧性都是通过淬火和回火来达到的。 钢件淬火通常用水、油和盐、碱的水溶液作为淬火介质，使用什么介质取决于钢的化学成分及对工件的技术要求，形状简单，截面较大的碳素钢件多在水中淬火，合金钢和复杂的碳素钢件多在油中淬火 。 4、回火 为消除残余应力及获得所要求的组织和性能，

19、将淬火后的工件加热到一定温度保温，然后冷却到室温。淬火后的工件应及时回火，这是由于淬火马氏体是不稳定的组织，回火促使其组织结构稳定，保持工件使用过程中不再发生形状和尺寸的改变，其次回火可降低淬火工件的脆性，减少和消除内应力，最后回火可获得要求的强度，硬度和韧性，以满足工件使用要求。 根据加热温度范围，回火可分为低温、中温和高温回火，其中低温回火应用于高碳工具模具、量具、渗碳后表面淬火的工件；中温回火用于多种弹簧、弹性夹头及锻模；高温回火用于重要工件如轴、齿轮、连杆和螺栓等。 共 50 页 机械设计基础知识概述 5、表面热处理 仅对工件表面加热、冷却而不改变成分的热处理称为表面热处理。最常用的是

20、表面淬火，使工件表层变硬，而心部仍保持原来的组织。表面淬火使工件表面具有较好的硬度和耐磨性。 表面淬火有火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火等。 火焰加热是用氧气乙炔（或氧气煤气）混合气体燃烧的火焰，喷射加热工件表面，然后再喷水冷却，这种方法设备简单，淬硬速度快，成本低，但火焰加热表面容易过热，淬火效果不稳定。 利用中、高频（频率一般为50030万HZ）高变电磁场在工件表面产生感应电流 进行加热的热处理工艺称为感应加热表面淬火。感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，心部电流几乎等于零，表面电流密度极大，这个现象称为集肤效应。频率越高，电流密度极大的表层越薄。工件表层可迅速被加热，几秒钟即可使

21、温度升高8001000，而心部仍接近室温。一但表层温度上升到淬火加热温度时，立即喷水冷却（合金钢浸油淬火），表面形成马氏体，工件表面变硬。 这种方法较为先进，生产率高，加热温度和淬硬层容易控制，淬火质量好，但是设备昂贵，主要适用于大批生产。 6、化学热处理 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面，改变表面的化学成份，组织和性能，提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀性及抗氧化性等。 常见的化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。 渗碳多用气体渗碳，在专用井式电阻炉中进行。渗碳后，工件表层0.52.0范围内含碳量可提高0.851.0%，渗碳后，工件还要进行淬火和低温回火。适用低碳钢和

22、低碳合金钢，提高工件表面硬度，耐磨性和使用寿命。 渗氮也称氮化。氮化可使工件表面得到一定的氮化层，有更高的硬度和耐磨性，高的耐疲劳强度。渗氮没有相变，不需淬火，变形也很小。但生产周期长，工艺复杂，成本高。 碳氮共渗也叫氰化。碳氮共渗时通入碳氮气体和一定数量的干燥无水的氨气，使其发生分解，形成活性碳原子和氮原子，同时被工件表面吸附并扩散形成氰化层。氰化过程加热温度较低（820840），氰化后可直接淬火或冷却后再加热淬火。碳氮共渗工件变形小，渗层有较高的耐磨性，疲劳强度和抗压强度。但其工艺复杂，用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨零件，如仪表和缝纫机零件等。 共 50 页 机械设计基础知识概述 第二

23、章 机械零件的联接与紧固 机械零件的连接与紧固方法很多，主要有焊接、螺纹连接、铆钉连接、销钉连接、键连接等等，这里主要介绍焊接与螺纹连接 （一）焊接 1、焊接特点 通过焊接，被连接的焊件不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了金属内部组织之间的内在联系，其连接表面接近到原子间的结合力的程度，因此，焊接时往往采用加热或加压或两者并用的措施，以实现连接表面间的原子结合。 2、焊接方法 （1） 熔焊：焊件连接处局部加热到熔化状态，再冷却凝固成一体，不加压完成焊接。按加热热源形式分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊等。 （2） 压焊：焊接过程中对焊件施加压力（加热或不加热）

24、，如电阻焊、摩擦焊等。 （3） 钎焊：采用低熔点的填充金属（称为钎料），熔化后与固态母材相互扩散形成金属结合。 共 50 页 机械设计基础知识概述 共 50 页 3、焊接分类 机械设计基础知识概述 4、焊接应用 （1） 制造各种金属构件：房屋房架、桥梁、船体、车辆、飞机、火箭、压力、容器、管道、起重机、锅炉?。 （2） 生产机器零件（或毛坏）、大型机件可达几十吨、百吨。 （3） 修补铸、锻件的缺陷和局部受损零件。 5、焊接结构的缺点 （1） 焊接接头的组织和性能有较大的不均匀性； （2） 焊接结构有较大的焊接应力和变形，不仅影响形状和尺寸，且降低结构和承载能力； （3） 焊接接头容易产生缺陷，

25、且应力集中现象严重，在一定条件下，焊接结构比铆接结构更易出现脆断事故。 6、电弧焊和电渣焊简介 焊件局部被加热到熔化状态，形成金属熔池，填充金属以熔滴形式向熔池过渡。手弧焊最常用。焊条药皮在熔化过程中，产生一定量的保护气体和液态熔渣，起隔绝空气的作用。液态熔渣在熔池中浮起，起保护液态金属的作用。 和一般冶炼过程相比较，焊接电弧和熔池温度比一般冶炼温度高，金属元素强烈蒸发和烧损，又由于熔池体积小，从熔化到凝固的时间又短，温度变化快，冶金反应的速度和方向变化迅速，如气体和熔渣不及时浮出就会在焊缝中产生气孔和夹渣的缺陷。 如果低碳钢，采用光焊丝，由于熔化金属缺乏保护，空气中的氮、氧大量侵入，焊缝质量

26、显著变坏。此外空气中的水份、焊件、焊丝表面的油、锈、水，使焊缝含氢量增加，引起氢脆性，导致冷裂纹和形成气孔。 为了保证焊缝质量，必须采取措施，去除有害物质，增加合金元素。 7、焊条及其编号 焊条由焊芯和药皮组成。 焊芯在焊接中作为电极，传导电流，产生电弧。焊芯的质量至为重要，一般采用经过特殊冶炼的焊接专用钢丝（称焊丝），其化学成份不同，用途也不同。焊丝牌号前面第一个字符“H”，表示焊条用钢，如H08，H08A，H08MnA，H08Mn2SiA，H10Mn2等，国标有规定。 药皮是涂在焊丝外面的涂料层。焊条药皮按其作用分为稳弧剂，造气剂、造渣剂、脱氧 共 50 页 机械设计基础知识概述 剂、合金

27、剂和粘结剂等。药皮的原材料由矿物、铁合金、有机物和化工产品等四类。多种原材料粉末按一定比例配成涂料，压涂在焊芯上。 焊皮按熔渣化学性质分为两大类：以酸性氧化物（如：SiO2、TiO2等）为主的焊条称为酸 性焊条；以碱性氧化物（如CaO等）和荧石（CaF2）为主的焊条称为碱性焊条。 焊条牌号分为十大类：结构钢焊条、钼和铬钼耐热焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条。 焊条牌号及意义举例： 酸性焊条和碱性焊条的性能差别很大，使用时不可随意代替。 酸性焊条操作工艺性好（如稳弧性好，容易脱渣，飞溅少、成形美观），对油、锈和水的敏感

28、性不大，抗气孔能力强，焊接电源可采用交流或直流。因此酸性焊条广泛用于一般结构的焊接。结构钢焊条中，除低氢钾型和低氢钠型药皮外均为酸性焊条。 碱性焊条脱氧能力强，药皮中有能起去氢作用的荧石，所碱性焊条焊缝金属含氢量低，抗裂性好，常用于焊接重要的焊接结构，其缺点是对油、锈和水的敏感性大，使用不当易产生气孔，药皮中CaF2产生的氟阻碍气体电离，电弧稳定性差，一般要求采用直流电，焊接时 有毒烟尘多，应注意通风和防护。 8、焊接变形和应力 详见有关表格内容 共 50 页 机械设计基础知识概述 焊接变形和应力的形成原因，是由于焊接接头区域受不均匀加热和冷却的作用，其膨胀和收缩受四周冷金属的拘束不能自由进行

29、，会产生焊接变形和残余应力。焊接变形和应力总是同时存在，相互联系的，一般情况下，若母材塑性较好和结构刚性较小，则变形较大而应力较小，反之应力大而变形小。常见焊接变形有：缩短变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形、波浪形变形。 （1）预防焊接变形的工艺措施 反变形法 刚性固定法 机械设计基础知识概述 用压板固定可减少变形，但会产生较大应力。 采用合理的焊接顺序 对1米以上焊缝可采用逐步退焊法、跳焊法、分中逐步退焊法；对中长焊缝（0.51米长）可采用分中对称焊法。 （2）焊接变形的矫正 机械矫正法：适于塑性好的材料，如低碳钢和普通低合金钢。 火焰矫正法：局部加热工件，利用加热时发生的压缩塑性变形和冷却时

30、的收缩变形、 选择合理的焊接顺序：拼板时先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。 焊前预热：减少焊件各部分温差，降低焊后冷却速度，减少残余应力。 锤击焊缝，焊完一道焊缝后，用一定形状的锤均匀迅速锤击焊缝金属，使之得到延伸，可降低残余应力，又可减少焊接变形。 加热适当部位，使之伸长。焊后冷却时，加热区和焊缝一起收缩，以减少残余应力。 共 50 页 机械设计基础知识概述 （5）消除焊接残余应力的方法： 重要焊接结构焊后均应进行消除应力处理。常用消除应力退火（也称高温回火）来消除残余应力。一般在炉中加热到600650，保温一定时间后随炉冷却（或空冷），可消除80%以上残余应力。 9、焊接结构的工艺性 焊

31、接结构工艺性包括材料选择、焊缝布置和焊接接头设计。 焊接结构材料的选择 材料不同，焊接的难易程度差别很大，应选择焊接性能良好的金属材料制造焊接结构。低碳钢和强度级别不高的普通低合金钢（如16Mn等）具良好的焊接性，易于保证焊接质量。 不同种类的两种金属焊接难度很大，一般应尽量避免使用。 焊缝布置原则 ? ? ? ? ? ? ? 焊缝位置应便于焊接操作，焊条要能伸到焊接部位。 焊缝应避开应力较大部位，尤其应力集中部位（应力集中的转角位置）焊缝要避开焊缝应避免过分集中和交叉。 焊缝设置应尽可能对称，以减少弯曲变形。 尽量减少焊缝长度和数量。 焊缝一般应避开加工部位（或加工表面）。 接头形式选择 多

32、种形式接头，要从变形及应力状态方面进行比较和选择。常见桁架结构多采用搭接接头。薄板气焊多采用卷边接头。 受力点，如焊缝不宜在转角位置。 接头设计 ? 坡口型式选择 共 50 页 手弧焊常用坡口有I形、V形、X形及U型四种坡口，可用气割、切削加工（刨、车削等）等方法加坡口，不同型式适用于不同厚度金属板焊接。通常，要求焊透的受力焊缝尽量采用双面焊，利于保证质量，不能双面焊的工件可采用单面焊双面成形技术，设计相应的坡口形式。 ? 接头断面设计原则 焊接接头两侧板厚或断面应相同或接近，使接头两侧加热均匀。 对接不同厚度钢板的重要受力接头时，若两板厚度差不超过下表规定，坡口形式和尺寸 共 50 页 机械

33、设计基础知识概述 按厚板选取，若板的厚度差超过表中规定，在厚板上做单面或双面削薄弱，其削薄长度L3-4（-1）。 不同厚度钢板对接的允许厚度差（mm） （二）螺纹联接 已标准化，批量生产，有足够的强度、种金属结构和机构中。 1称为螺纹。 轴向位移a与相应的角位移a于传动。 螺纹都是右旋的。 牙型角 机械设计基础知识概述 外径（大径）d：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径叫螺纹外径（或大径），亦称公称直径。 内径（小径）d1：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱面的直径叫螺纹内径（或 小径）。 中径d2：指一个假想的中径圆柱的直径，该圆的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地 方

34、。 螺距P：相邻两牙在中线上对应相点间的轴向距离。 导程S：同一条螺旋线上相邻两牙在中线上对应两点间的轴向距离，S=nP， 对单线螺纹而言，因n=1，所以S=P。 螺旋升角：在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角，。 tg?nP ?d2 用于联接的螺纹主要有：普通螺纹与管螺纹。普通螺纹牙型角60，以外径d为公称直径。同一公称直径可有多种螺距的螺纹。其中最大螺距的螺纹叫粗牙螺纹，其余的都叫细牙螺纹。一般联接常用粗牙螺纹，据公称直径查标准选用。细牙螺纹升角小，自锁性好。细牙螺纹比粗牙螺纹钉杆强度高，但不耐磨，易滑扣，多用于薄壁零件。 管螺纹有牙型角55的英制细牙螺纹，公称直径为管子

35、内径，还有圆锥管螺纹，牙型角有55和60两种，不同填料即可保证联接紧密性。 2、螺纹联接的主要型式，标准联接零件 螺纹联接的主要型式有： 螺栓联接：当被联接件不太厚时，用普通螺栓贯穿两个（或多个）被联接的孔，再螺钉联接，如被联接之一较厚，即可采用螺钉联接。螺钉拧入深度与螺钉及被联接拧紧螺母，此种应用最广。 件的材料有关，按等强度条件决定的最小拧入深度可查有关手册。此种联接不适于经常拆卸的联接，经常拆卸可使螺孔磨损导致修理困难及被联接件的报废。 双头螺柱联接：用于被联接件之一较厚而又经常拆装的场合。拆装时只需卸下螺母， 设计时注意双头螺柱必须紧固。在拧松螺母时，保证螺柱在螺孔中不得转动。 双头螺

36、柱联接常用的紧固方式如下页图所示： 不必拧出螺柱。 共 50 页 紧定螺钉：其头部和尾部的形式很多，常用尾部形状有锥端，平端和圆柱端，一般螺母：常用六角螺母，亦有粗制和精制之分。按其高度不同分为标准螺母，扁螺母 的拧紧力矩。圆头和十字头都不便施加较大力矩，所以选用的直径不要过大，一般不超过10mm。 要求尾端要有足够的硬度。 及厚螺母。如要求减轻重量且不常拆卸可用扁螺母，常拆卸时用厚螺母。 共 50 页 机械设计基础知识概述 垫圈：常用的附件，放在螺母与被联接件之间，可以保护支撑面或防止螺母松脱（弹 簧垫圈等）。 3、螺纹紧固件的强度级别 国家标准规定：螺纹紧固件按其材料机械性能分级，强度级别

37、由数字表示：螺栓用两个数字表示，小数点前的数字为材料的抗拉强度Bmin/100，小数点后的数字为10 ?Smin ，两 ?Bmin ?Bmin 100 个数字相乘的10倍即为材料的最低屈服极限Smin（MPa）。螺母用一个数字表示，为为防止螺纹副咬死和减少磨损，应使螺母的材料级别比螺栓材料的级别低。 4、螺纹联接的预紧与防松 。 按螺纹联接装配时是否拧紧，分为松联接和紧联接。固定滑轮的联接螺栓就是松联接的典型例子，这种螺栓只有在承受外载荷时才受到力的作用。 实际应用中，绝大多数联接在装配时就需要拧紧，此时螺栓所受的力叫预紧力。预紧可增母逐渐松脱， 因弹力不均而不十分可靠。靠，可多次拆装，用于较

38、重要场合。 利用联接件的形状防松 利用附加联接件的形状，动。其作法有： ? ? 变化较大的联接。 松可靠。 ? 从加工看，联接接合面的几何形状应尽量简单，常使螺栓组的形心与联接面的形心相重合。最好有两个对称轴，加工计算都方便。通常采用条状或环状接合面，减少加工量和接合面不平的影响，同时增加联接刚度。 机械设计基础知识概述 抵抗横向外载荷。 机械设计基础知识概述 减少螺栓应力幅 受交变载荷的螺栓联接来说，增加螺栓长度、减小螺杆横截面积或减小螺杆材料的弹性横量E都可降低螺杆刚度，如采用柔性螺栓。 减少应力集中，在螺栓的螺纹牙上、螺纹收尾处、过渡圆角处、杆截面变化处都有应力集中。 其中螺纹牙根的应力

39、集中影响很大，可增大牙根的圆角半径，如将r=0.1443p增为 r=0.21p，螺栓联接强度可提高2440%。此外加大钉头钉杆过渡圆角，切制卸载槽及采用卸载过渡，螺纹收尾退力槽等均可减少集中应力。 这些措施的缺点是增加了成本，只在重要联接时使用。 避免附加应力 如支撑面不平、螺母孔不正、被联接件打孔不在一条直线上，被联接件刚度过小，钩头联接，都使联接产生附加应力，设计中要加以避免。 采用合理的制造工艺 制造工艺对螺栓的疲劳强度有很大影响，加工时螺纹表面层中产生的残余应力应想办法消除。 滚压螺纹比车制螺纹工艺好。车制螺纹把本来表面质量较好的棒料车去，金属纤维也被车去不合理，而滚压螺纹是利用材料的

40、塑性成形，滚压后金属组织紧密，螺纹工作时力流方向与材料纤维方向一致，其强度比车制螺纹提高4095%。 对螺纹表面氮化，氰化等表面硬化处理也可提高螺栓的疲劳强度。 共 50 页 机械设计基础知识概述 第三章 金属制造工艺简介 金属制造工艺的分类： 热加工包括铸造、锻压和焊接。 冷加工，亦称为金属切削加工，包括刀具切削加工（其中有车削加工、钻镗加工、刨削、插削、拉削、铣削加工，磨料切削加工；齿轮齿形的加工）。 下面分别进行简单介绍。 （一）铸造 铸造的过程是将液态金属浇注到铸模中，待其冷却后获得一定形状和性能的铸件。这是金属在液态下的成形方法。 铸造可以生产形状复杂、特别是内腔复杂的毛坏坯，尺寸和

41、重量不受限制。既可单件生产，也可批量生产，使用的材料大部分来源广泛，价格低廉，还可用废料和废零件，因此成本低。铸件与零件形状、尺寸接近，加工余量小。 铸件的缺点是工序繁多，工艺过程控制难度大。由于金属冷却时产生内应力，易出现缺陷，因此质量不稳定；由于其内部组织粗大不匀，其机械性能不如锻件高。目前还存在劳动强度大，劳动条件差的问题。 铸造生产方法分为砂型铸造和特种铸造两大类，以砂型铸造为主。 1、砂型铸造 目前大部分砂型还是手工制作的。 砂型铸造主要用于铸铁、铸钢、铸铜、铸铝等材料的铸件生产。进行铸件结构设计，要考虑铸造工艺及金属铸造性能的要求，防止产生缩孔、缩松、浇不足，冷隔、变形及裂纹等缺陷

42、，应注意以下问题： 铸件要有合理壁厚及结构斜度，铸件壁厚尽可能均匀。 铸件壁的连接：铸件壁连接处要有结构圆角。避免交叉和锐角连接，厚壁与薄壁的衔接要逐步过渡。 铸件应避免过大的水平面。 共 50 页 压力铸造：压铸机压室内浇注液态或半液态金属，充填铸型，并在高压下成形和结晶。常用压铸比压为5150MPa，金属流速达5100m/s。效率高易实现自动化，产品质量好，实现少屑和无屑加工，成本低。 低压铸造。 离心铸造：金属液加入旋转的铸型中。 面光洁，少加工或不加工即可使用，可机械化生产。 （二）锻压 包括锻与冲压，在外力作用下使金属产生塑性变形，一般要在高温下进行。锻造分为自由锻和模锻两大类。冲压

43、加工的对象是金属薄板，一般在常温下进行，故又称为板料冲压或冷冲压。 共 50 页 机械设计基础知识概述 1、自由锻 将坯料放在设备（自由锻锤或水压机）的上、下抵铁之间，因坯料在压力作用下是自由流动的，故称为自由锻。 按使用设备和锻造力性质不同，自由锻分为锤上自由锻和水压机上自由锻，大型锻件要在水压机上进行。 自由锻产品尺寸精度低、加工量大，材料消耗多，生产率低，劳动条件差，劳动强度大，只有在单件、小批量生产才是合理的。 2、模锻 模锻时将坯料放在锻模膛内，使工件压力成形。按照使用设备不同，模锻分为锤上模锻，曲柄压力机上模锻、平锻机上模锻，螺旋压力机上模锻及其他专用设备上模锻。 模锻生产率高，工

44、件表面光洁，尺寸精度高，材料利用率高，锻件内部，锻造流线分布更加合理，提高了使用寿命，可锻软复杂零件，操作简单，易于实现机械化，成本较低，常用于中小型锻件的批量生产。 3、板料冲压 利用装在冲压机床上的冲模对金属板料加工，使之变形或分离，从而获得零件或毛坯。 板料坯料通常是厚度在12mm以下的薄板一般不加热。板料冲压的原材料要具有良好的塑性和较低的抗变形能力，如低碳钢、合金钢、铜、铝。 冲压件重量轻，刚度好、结构轻巧、质量稳定，互换性好。操作简单，易于机械化和自动化，且成本低。 由于冲压模具制作成本高，大批量生产才是合理的。 4、其他压力加工方法 挤压形成，使用的压力大，金属变形量大，可制作多

45、种材料，多种形状的金属工件，且精度高、机械性能好，可机械化自动化。 辊轧成形：如辊轧、热轧齿轮、辗环。 精密模锻，经向锻造、高速锤锻造等。 共 50 页 机械设计基础知识概述 （三）切削加工 切削加工分为钳工和机械加工两大类。 钳工一般为手工操作，主要有划线、錾削、锯削、锉削、刮削、钻孔和铰孔、攻丝和套扣等，机械装配和修理也属钳工范围。 机械加工按所用切削工具，又分为两类：一类是利用刀具进行加工的，如车削、钻削、镗削、刨削、铣削等；另一类是用磨料进行加工的；如磨削、衔磨、研磨、超精加工等。 机械加工必须有刀具，如车刀、刨刀、插刀、锐刀、镗刀等，磨削用的刀是砂轮。 1、车削加工 车削加工用机床有

46、普通机床、立式车床、转塔车床、仿形车床、自动车床及各种专用车床。车削能加工的表面有端面、外圆、内圆、锥面、螺纹、回转成形面、回转沟槽及滚花等，使用范围广泛，加工表面精度好，且易保证零件加工表面的位置精度，生产效率高，生产成本低。 2、钻镗加工 钻床加工：常用设备有台式钻床、立式钻床和摇臂钻床等，能进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、锪孔和锪凸台等。 镗床加工：主要设备是卧式镗床。 镗床可钻孔、扩孔、铰孔、切槽、车外圆、车端面和铣平面、其中镗孔是主要的。 由于镗床上有精确的定位装置，适合对箱体机座、支架等形状复杂大型零件孔系进行定位和加工，是机械加工的关键性设备，是其他设备不能取代的。 镗床加工范围广泛

47、，能获得较高的加工精度和较低的粗糙度，其缺点是生产效率低。 3、刨削、插削和拉削 刨削用来加工平面、刨床分牛头刨和龙门刨两种。刨床能加工的平面有水平面、垂直面、斜面，还能加工沟槽（直角槽、V形和T形槽、燕尾槽）和直线成形面。 刨削机床的主运动为往复直线运动，有空引程，且每一往复中伴有两次冲击，限制了刨削速度，生产率较低。 插削可看作是“立式刨床”，主要用于加工孔内键槽、方孔、多边形孔、花键孔及某些零件的外表面。插削使用的设备是插床。 拉削的设备是拉床。拉刀的直线移动为主运动。拉削无进给运动，其进给是靠接刀的每 共 50 页 铣削加工是用铣刀的旋转和工件的移动来实现的，是平面加工的主要方法之一。

48、设备有卧式铣床、立式铣床、龙门铣床、工具铣床及各种专用铣床。铣床可加工平面（水平面、垂直面、斜面）、沟槽（直角槽、键槽、角度槽、燕尾槽、T形槽、圆弧槽）和成形面。还能进行孔加工（包括钻、扩、铰、镗孔）和分度工作。 5、磨料切削加工 磨料是用分布在砂轮表面上为数甚多的磨料进行切削的。磨削方法有：外圆磨、内圆磨、平面磨、螺纹磨削，此外高精度及高效率磨削方法有：精密度削、超精磨削，镜面磨削，高速磨削、宽砂轮磨削、缓进深切磨削、金钢石磨轮与立方氮化硼轮磨削。 通用磨床有普通外圆磨床，万能外圆磨床、内圆磨床、平面磨床和无心磨床。 6、光整加工简介 光整加工指研磨、珩磨、超精加工和抛光等。 研磨：在工件和

49、研具之间涂上研磨剂，工件可由车床带动旋转，研具手持来回轴向移动，经常检测，至合格为止。研磨液由煤油、植物油或煤油加机油。最常用的研具材料为铸铁。研磨量一般为0.0050.02mm。 珩磨：由若干油石条的珩磨头代替研具，用作孔的光整加工。 超精加工：用极细磨粒的油石条作磨头轻压于工作表面加工。 抛光：用涂有抛光膏的软轮高速旋转对工作进行微弱的切削，以降低工作表面粗糙度和提高光亮度。 共 50 页 机械设计基础知识概述 7、齿轮齿形的加工 上任一点a渐开线，半径为rb（1）直齿圆柱齿轮各部名称、基本参数和主要尺寸 各部名称 齿顶圆通过选轮齿顶部的圆称为齿顶圆，直径用da表示。 齿根圆通过选轮齿根部

50、的圆称为齿根圆，直径用df表示。 分度圆标准齿轮中，理论齿厚与齿向相等的圆称为分度圆，其直径用d，半径用r表示。分度圆位于齿顶圆与齿根圆之间，是计算齿轮尺寸的依据。 分度圆齿厚分度圆上一个轮齿所占的弧长称分度圆齿度，用s表示。 分度圆齿间分度圆上一个轮槽所占的弧长称分度圆齿间，用e表示。 周节分度圆上相邻两齿对应点之间的弧长称为周节（分度圆周节），用P表示。P=s+e。 齿顶高从齿顶圆列分度圆的径向距离称齿顶高，用ha表示。 工作齿高两个齿轮啮合时，两个齿轮齿顶之间的径向距离称为工作齿高，用hw表示。 径向间隙两个齿轮啮合时，一个齿轮的齿顶圆与另一个齿轮的齿根圆之间的径向距离称径向间隙，用C表

51、示。 直齿圆柱齿轮的基本参数 模数=当齿轮的齿数为Z时，分度圆直径d和周节P有如下关系： P ?d?pz 或 d?pZ此时令?m，则d=mZ ? 式中：m称为模数，单位为mm。 共 50 页 机械设计基础知识概述 设计齿轮时将m定为基本参数，使齿轮的计算、加工及测试大为方便。M的大小反映齿轮轮齿的厚薄，大小和承载能力。 模数值m已标准化，如0.1，0.5，1，1.5，2，3?设计根据齿轮强度计算得出的模数值，再按国家标准中选取。 压力角： （3）圆柱齿轮的精加工 铣齿、插齿和滚齿属于齿形成形加工，之后还要进行精加工，以进一提高精度。齿形精加工方法有剃齿、衔齿和磨齿等。 共 50 页 机械设计基础知识概述 第四章 公差与配合、形状和位置公差 （一）公差与配合、形状和位置公差 1、互换性 同一批规格大小相同的零件，任取其中一件，不经选择和再加工，就能顺利地装配成符合使用要求的产品，这种性质称为互换性。在现代化的大量或成批生产中，互换性是工业产品必备的基本性质，日常生活中使用的自行车、钟表等它们所用的零件都有互换性。零件具有互换性，有利于生产分工协作，也有利于采用先进工艺和专用设备进行高效率的专业化生产。这不仅可以缩短生产周期、降低成本和保证质量，还可以为产品提供备件，以利维修。 公差与配合制度是实现互换性的必要条件。国家标准公差与配合（GB18001804-79）适用于圆