机械设计基础0 概论

1、0.1 机器及其组成机器及其组成 机器是人类在长期的生产实践中创造出来的技术装置，机器是人类在长期的生产实践中创造出来的技术装置，是人类适应自然与改造自然强有力的工具，是社会生产力的是人类适应自然与改造自然强有力的工具，是社会生产力的重要组成部分。在现代生产和日常生活中，机器已成为代替重要组成部分。在现代生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人的体力劳动和脑力劳动、提高劳动生产率和产品质或减轻人的体力劳动和脑力劳动、提高劳动生产率和产品质量的主要手段。量的主要手段。概概 论论1 组成组成 缸体缸体1、活塞、活塞2、进气阀、进气阀3、排气阀排气阀4、连杆、连杆5、曲轴、曲轴6、凸轮、凸轮7、推杆

2、推杆8、齿轮、齿轮9和和10等。等。 运动运动 燃气膨胀推动活塞作往复燃气膨胀推动活塞作往复移动，通过连杆转变为曲轴的连续移动，通过连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和推杆用于启闭进气阀转动。凸轮和推杆用于启闭进气阀和排气阀。为了保证曲轴每转两周，和排气阀。为了保证曲轴每转两周，进、排气阀各启闭一次，在曲轴和进、排气阀各启闭一次，在曲轴和凸轮之间安装了齿数比为凸轮之间安装了齿数比为1:2的齿轮。的齿轮。这样，当燃气推动活塞运动时，各这样，当燃气推动活塞运动时，各部分协调地动作，进、排气阀有规部分协调地动作，进、排气阀有规律地启闭。律地启闭。 功能功能 把燃气热能转变为曲轴旋把燃气热能转变为曲轴旋转

3、的机械能。转的机械能。单缸四冲程内燃机单缸四冲程内燃机2 组成组成 齿轮齿轮1和和2、滑块、滑块3、导杆、导杆4、滑枕滑枕5、刨刀、刨刀6、丝杠、丝杠7、床身、床身8、摇、摇块块9。 运动运动 通过滑块通过滑块3、导杆、导杆4和摇块和摇块9驱使滑枕驱使滑枕5作往复运动，并使刨刀作往复运动，并使刨刀6产生刨削运动。同时，动力还通过产生刨削运动。同时，动力还通过其他辅助装置带动丝杠其他辅助装置带动丝杠7间歇转动，间歇转动，使得工作台横向间歇移动，从而实使得工作台横向间歇移动，从而实现工件的进给运动。现工件的进给运动。 功能功能 用于加工中小尺寸的平面用于加工中小尺寸的平面或直槽或直槽。牛头刨床牛头

4、刨床3 机器的定义机器的定义 机器是人为实物的组合体，具有确定的机械机器是人为实物的组合体，具有确定的机械运动，它可以用来转换能量、完成有用功或处理信息，以代替运动，它可以用来转换能量、完成有用功或处理信息，以代替或减轻人的劳动。或减轻人的劳动。 机器的分类机器的分类 （1）工作机器）工作机器 实现对物料的某种工作或工艺过程，完实现对物料的某种工作或工艺过程，完成有用功。例如金属切削机床、轧钢机、压力加工机械、轻纺成有用功。例如金属切削机床、轧钢机、压力加工机械、轻纺机械、食品机械、汽车、机床、飞机、起重机、运输机等。机械、食品机械、汽车、机床、飞机、起重机、运输机等。 （2）动力机器）动力机

5、器 实现其他形式的能量与机械能之间的转实现其他形式的能量与机械能之间的转换，如内燃机、汽轮机、电动机、发电机、压气机、涡轮机等。换，如内燃机、汽轮机、电动机、发电机、压气机、涡轮机等。 （3）信息机器）信息机器 实现其他形式的信息（如电磁、热、压实现其他形式的信息（如电磁、热、压力、变形等）与机械运动信息之间的传递与转换，如各种计量力、变形等）与机械运动信息之间的传递与转换，如各种计量装置、检测装置、复印机、打印机、绘图机等。装置、检测装置、复印机、打印机、绘图机等。4 机器的功能组成机器的功能组成 （1）驱动系统）驱动系统 机器工作的动力源，它包括动力机和与机器工作的动力源，它包括动力机和与

6、其相配套的一些装置。现代机器多采用电动机和热力机（内其相配套的一些装置。现代机器多采用电动机和热力机（内燃机、汽轮机、燃气轮机）作为动力源，其中电动机的使用燃机、汽轮机、燃气轮机）作为动力源，其中电动机的使用最广泛。最广泛。 （2）执行系统）执行系统 直接实现机器特定功能的部分，其功能直接实现机器特定功能的部分，其功能是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状、位置或是利用机械能来改变作业对象的性质、状态、形状、位置或进行检测等。由于不同机器要完成的功能各不相同，所以对进行检测等。由于不同机器要完成的功能各不相同，所以对其执行系统的运动、工作载荷等技术要求也不相同。执行系其执行系统的运动、工

7、作载荷等技术要求也不相同。执行系统通常处于机器的末端，直接与作业对象接触。执行系统工统通常处于机器的末端，直接与作业对象接触。执行系统工作性能的好坏，直接影响整台机器的性能。作性能的好坏，直接影响整台机器的性能。5 （3）传动系统）传动系统 把原动机的动力和运动传递给执行系统把原动机的动力和运动传递给执行系统的中间装置，例如汽车的变速箱、机床的主轴箱、起重机的的中间装置，例如汽车的变速箱、机床的主轴箱、起重机的减速器等。传动系统的功能是实现运动和力的传递与变换，减速器等。传动系统的功能是实现运动和力的传递与变换，以适应执行系统工作的需要。以适应执行系统工作的需要。 （4）控制系统）控制系统 使

8、驱动系统、传动系统、执行系统彼此使驱动系统、传动系统、执行系统彼此协调工作并准确可靠地完成整台机器功能的装置。它的功能协调工作并准确可靠地完成整台机器功能的装置。它的功能主要是控制或操纵上述各子系统的起动、离合、制动、变速、主要是控制或操纵上述各子系统的起动、离合、制动、变速、换向或各部件运动的先后次序、运动轨迹及行程。此外，还换向或各部件运动的先后次序、运动轨迹及行程。此外，还控制换刀、测量、冷却与润滑的供应与停止工作等一系列工控制换刀、测量、冷却与润滑的供应与停止工作等一系列工作。作。6 机器在工作过程中运动和力的传递与转换，是通过机器在工作过程中运动和力的传递与转换，是通过各种机构来实现

9、的。各种机构来实现的。 举例举例 在内燃机中，通过由缸体在内燃机中，通过由缸体1、活塞、活塞2、连杆、连杆5和曲和曲轴轴6组成的连杆机构，活塞的往复移动被转换为曲轴的转动。组成的连杆机构，活塞的往复移动被转换为曲轴的转动。在牛头刨床中，通过由床身在牛头刨床中，通过由床身8、齿轮、齿轮2、滑块、滑块3、导杆、导杆4，滑枕，滑枕5和摇块和摇块9组成的连杆机构，齿轮的转动被转换为滑枕的往复组成的连杆机构，齿轮的转动被转换为滑枕的往复移动。移动。 机构的定义机构的定义 机构是人为实物的组合体，具有确定的机机构是人为实物的组合体，具有确定的机械运动，它可以用来实现运动和力的传递和转换。械运动，它可以用来

10、实现运动和力的传递和转换。 一台机器根据其功能要求，可能是由一个机构组成，也一台机器根据其功能要求，可能是由一个机构组成，也可能是由若干机构组成，并按一定规律相互协调配合，通过可能是由若干机构组成，并按一定规律相互协调配合，通过有序的运动和力的传递与转换来实现预期的功能。有序的运动和力的传递与转换来实现预期的功能。 机器和机构总称为机器和机构总称为机械机械。7 构件构件机构中作为一个整体运动的结构实体，机器的运机构中作为一个整体运动的结构实体，机器的运动单元。动单元。 一个构件也可能是由若干彼此没有相对运动的实体连接一个构件也可能是由若干彼此没有相对运动的实体连接而成，例如内燃机的连杆而成，例

11、如内燃机的连杆5由连杆体、连杆盖、轴瓦、螺栓由连杆体、连杆盖、轴瓦、螺栓等多个实体刚性连接而成。等多个实体刚性连接而成。 零件零件机械中单独加工制造的机械中单独加工制造的实体，机器的制造单元。实体，机器的制造单元。 构件也可以是单一的零件。构件也可以是单一的零件。 通用零件通用零件各种机器中普遍使用的零件，如螺钉、轴、各种机器中普遍使用的零件，如螺钉、轴、轴承、齿轮、弹簧等。轴承、齿轮、弹簧等。 专用零件专用零件在某一类型机器中使用的零件，如内燃机的在某一类型机器中使用的零件，如内燃机的活塞、曲轴、汽轮机的叶片等。活塞、曲轴、汽轮机的叶片等。80.2 机械设计的一般过程及要求机械设计的一般过程

12、及要求0.2.1 机械设计的一般过程机械设计的一般过程 1. 制定产品设计任务书制定产品设计任务书 根据用户要求，确定所要设计机械的功能和工作指标，根据用户要求，确定所要设计机械的功能和工作指标，研究分析其实现的可能性，制定产品设计任务书。研究分析其实现的可能性，制定产品设计任务书。 2. 方案设计方案设计 根据设计任务书规定的要求，进行调查研究，并充分了根据设计任务书规定的要求，进行调查研究，并充分了解用户意见、制造单位的技术设备、工艺能力、材料供应情解用户意见、制造单位的技术设备、工艺能力、材料供应情况。在此基础上确定实现预定功能的机械的工作原理，拟定况。在此基础上确定实现预定功能的机械的

13、工作原理，拟定机械的总体布置、传动方案和机械运动简图等。机械的总体布置、传动方案和机械运动简图等。90.2.1 机械设计的一般过程机械设计的一般过程 3. 技术设计技术设计 在方案设计的基础上，进行运动设计、动力设计、结构和主要零在方案设计的基础上，进行运动设计、动力设计、结构和主要零部件的工作能力（强度、刚度、寿命）设计，完成装配图、零件工作部件的工作能力（强度、刚度、寿命）设计，完成装配图、零件工作图及编写出设计计算说明书等技术文件。图及编写出设计计算说明书等技术文件。 4. 样机试制和鉴定样机试制和鉴定 根据技术设计所提供的图纸等技术文件进行样机试制，并对试制根据技术设计所提供的图纸等技

14、术文件进行样机试制，并对试制提供的样机进行性能测试；组织鉴定，进行全面的技术经济评价。提供的样机进行性能测试；组织鉴定，进行全面的技术经济评价。 5. 产品定型设计产品定型设计 在样机试制与鉴定通过的基础上，将产品的全套设计图纸和全套在样机试制与鉴定通过的基础上，将产品的全套设计图纸和全套技术文件提交产品定型鉴定会评审。评审通过后，即可进行产品定型技术文件提交产品定型鉴定会评审。评审通过后，即可进行产品定型设计，并由有关职能部门下达任务，进行批量生产并投放市场，交付设计，并由有关职能部门下达任务，进行批量生产并投放市场，交付用户使用，并不断总结使用中的经验，为将来改进设计提供依据。用户使用，并

15、不断总结使用中的经验，为将来改进设计提供依据。100.2.2 机械设计的基本要求机械设计的基本要求 1. 实现预定功能，满足运动和动力性能的要求实现预定功能，满足运动和动力性能的要求 设计者所设计的机械首先应实现用户提出的需要满足的使用设计者所设计的机械首先应实现用户提出的需要满足的使用上的特性和能力。上的特性和能力。 2. 可靠性与安全性要求可靠性与安全性要求 安全可靠是机械的必备条件，为了满足这一要求，必须从机安全可靠是机械的必备条件，为了满足这一要求，必须从机械系统的整体设计、零部件的结构设计、材料及热处理的选择、械系统的整体设计、零部件的结构设计、材料及热处理的选择、加工工艺的制定及精

16、度的确定等方面加以保证。加工工艺的制定及精度的确定等方面加以保证。 3. 市场需要与经济性要求市场需要与经济性要求 在产品设计中，自始至终都应该把产品设计、销售（市场需在产品设计中，自始至终都应该把产品设计、销售（市场需要）以及制造方面作为一个整体考虑。要）以及制造方面作为一个整体考虑。 110.2.2 机械设计的基本要求机械设计的基本要求 4. 机械零部件的结构设计要求机械零部件的结构设计要求 机械设计的成果都是以一定的结构形式表现出来的，并且各机械设计的成果都是以一定的结构形式表现出来的，并且各种计算都要以一定的结构为基础种计算都要以一定的结构为基础,满足机械的使用要求。满足机械的使用要求

17、。 5. 工艺性及标准化、系统化、通用化要求工艺性及标准化、系统化、通用化要求机械及其零部件应考虑零件的制造方便，加工精度及表面粗糙机械及其零部件应考虑零件的制造方便，加工精度及表面粗糙度适当，易于装配与拆卸。设计时，零件、部件和机器参数应尽度适当，易于装配与拆卸。设计时，零件、部件和机器参数应尽可能标准化、通用化、系列化，以提高设计质量，降低制造成本。可能标准化、通用化、系列化，以提高设计质量，降低制造成本。 6. 其他特殊要求其他特殊要求有些机械由于工作环境和要求的不同，对设计提出了某些特殊有些机械由于工作环境和要求的不同，对设计提出了某些特殊要求。此外，在设计机械时，对机械运转时产生的噪

18、声、废水、要求。此外，在设计机械时，对机械运转时产生的噪声、废水、废气、粉尘等应按国家有关环保规定，采取措施，加以控制和消废气、粉尘等应按国家有关环保规定，采取措施，加以控制和消除。除。 120.2.3 机械设计的基本内容机械设计的基本内容 1. 功能原理方案设计功能原理方案设计 通过对机械产品的功能分析，确定其工作原理，进行各机构通过对机械产品的功能分析，确定其工作原理，进行各机构的型数综合，完成机械运动示意图和机械运动循环图；进行各机的型数综合，完成机械运动示意图和机械运动循环图；进行各机构的尺度综合，并根据功能要求对机构运动示意图进行分析评价，构的尺度综合，并根据功能要求对机构运动示意图

19、进行分析评价，绘制机械运动简图。绘制机械运动简图。 2. 运动学和动力学设计运动学和动力学设计 在方案设计的基础上对机构进行运动分析与设计，以确保机在方案设计的基础上对机构进行运动分析与设计，以确保机构满足给定的运动要求。为了设计出动力性能良好的机械，需要构满足给定的运动要求。为了设计出动力性能良好的机械，需要分析机械运转时各构件上的作用力，确定机构中各运动副的摩擦分析机械运转时各构件上的作用力，确定机构中各运动副的摩擦力，进行机械效率计算；求出在已知作用力下机械的真实运动规力，进行机械效率计算；求出在已知作用力下机械的真实运动规律，确定减少机械速度波动的调节方式以及机械运转过程中惯性律，确定

20、减少机械速度波动的调节方式以及机械运转过程中惯性力的平衡；进行机械振动分析并确定是否需要隔振。力的平衡；进行机械振动分析并确定是否需要隔振。133. 结构与强度设计结构与强度设计 包括确定零部件的形状、数量、相互空间的位置、尺寸、材包括确定零部件的形状、数量、相互空间的位置、尺寸、材料、加工与装配，进行失效分析和工作能力计算，按比例绘制结料、加工与装配，进行失效分析和工作能力计算，按比例绘制结构方案总图。构方案总图。 4. 驱动与控制设计驱动与控制设计 根据工作机械的载荷特性、工作环境、结构布置，各执行构根据工作机械的载荷特性、工作环境、结构布置，各执行构件的运动参数和生产阻力、动力机的机械特

21、性以及机械系统的经件的运动参数和生产阻力、动力机的机械特性以及机械系统的经济成本，选择合适的动力机。对自动化程度较高的机械系统，还济成本，选择合适的动力机。对自动化程度较高的机械系统，还应从保证工作质量、改善工作条件、提高生产率、改善机械系统应从保证工作质量、改善工作条件、提高生产率、改善机械系统的动态性能和工作可靠性等方面着手，设计合适的控制系统。的动态性能和工作可靠性等方面着手，设计合适的控制系统。140.2.3 机械设计的基本内容机械设计的基本内容0.3机械零件的工作能力参数机械零件的工作能力参数 机械零件的工作能力是指在一定的运动、载荷和环境条机械零件的工作能力是指在一定的运动、载荷和

22、环境条件下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。件下，在预定的使用期限内，不发生失效的安全工作限度。承受载荷的工作能力称为承载能力。机械零件丧失了规定的承受载荷的工作能力称为承载能力。机械零件丧失了规定的功能称为失效，其主要失效形式有断裂、表面压溃、塑形变功能称为失效，其主要失效形式有断裂、表面压溃、塑形变形、表面点蚀、过度弹性变形、过度磨损、共振、过热老化、形、表面点蚀、过度弹性变形、过度磨损、共振、过热老化、打滑及松动等。打滑及松动等。15 1. 强度准则强度准则 强度强度是指机械零件在载荷作用下抵抗断裂、过大的塑形是指机械零件在载荷作用下抵抗断裂、过大的塑形变形和表面疲劳破坏的

23、能力变形和表面疲劳破坏的能力。 为了保证机械零件具有足够的强度，设计时应使零件的为了保证机械零件具有足够的强度，设计时应使零件的危险截面或工作表面的正应力危险截面或工作表面的正应力 或切应力或切应力 满足强度条件满足强度条件 或或 式中式中: 零件材料的许用正应力零件材料的许用正应力; 零件材料许用切应力。零件材料许用切应力。0.3.1工作能力设计计算准则工作能力设计计算准则162. 刚度准则刚度准则 刚度刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。为了是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。为了保证零件具有足够的刚度，设计时应使零件在载荷作用下产保证零件具有足够的刚度，设计时应使零件在载荷作

24、用下产生的弹性变形量小于或等于机器工作性能所允许的变形量生的弹性变形量小于或等于机器工作性能所允许的变形量y y ， ， 式中式中: y 零件的挠度零件的挠度 ； 零件的转角；零件的转角； 零件的扭角；零件的扭角； y 零件的许用挠度；零件的许用挠度； 零件的许用转角；零件的许用转角； 零件的许用扭角。零件的许用扭角。173. 耐磨性准则耐磨性准则 耐磨性耐磨性是指零件抵抗磨损的能力。设计时应使零件的磨是指零件抵抗磨损的能力。设计时应使零件的磨损量在预期设计寿命内不超过允许值，通常采用条件性计算损量在预期设计寿命内不超过允许值，通常采用条件性计算来控制，即验算接触面压强来控制，即验算接触面压强

25、 p不超过许用值，对于滑动速度不超过许用值，对于滑动速度v较大的摩擦面，要验算较大的摩擦面，要验算pv值，以限制单位接触面上的摩擦功值，以限制单位接触面上的摩擦功耗，其表达式为耗，其表达式为p p pv pv 式中式中: p 零件零件材料的许用压强；材料的许用压强； pv 零件零件材料的许用材料的许用pv值。值。184. 振动稳定性准则振动稳定性准则 对于高速运动或刚度较小的机械，在工作时应避免发生对于高速运动或刚度较小的机械，在工作时应避免发生共振。振动稳定性准则要求所设计的零件的固有频率共振。振动稳定性准则要求所设计的零件的固有频率fp应与应与其工作时所受激振源的频率其工作时所受激振源的频

26、率f 错开，其表达式为错开，其表达式为f 0.85fp 和和 f 1.15fp 5. 散热性准则散热性准则 机械零部件在高温工作条件下，由于过度受热，会引起机械零部件在高温工作条件下，由于过度受热，会引起材料强度降低、热变形或润滑油失效，甚至导致金属局部熔材料强度降低、热变形或润滑油失效，甚至导致金属局部熔融而产生胶合。因此，对可能产生较高温升的零部件，应根融而产生胶合。因此，对可能产生较高温升的零部件，应根据热平衡条件，使其工作温度据热平衡条件，使其工作温度t不超过许用工作温度不超过许用工作温度t ，即，即t t 190.3.2 载荷和应力的类型载荷和应力的类型 构件或零件工作时所承受的外力

27、称为构件或零件工作时所承受的外力称为载荷载荷，不随时间变，不随时间变化或变化很小的载荷称为化或变化很小的载荷称为静载荷静载荷，随时间变化的载荷称为，随时间变化的载荷称为变变载荷。载荷。 不随时间变化或变化很小的应力称为不随时间变化或变化很小的应力称为静应力静应力。 20 随时间变化的应力称为随时间变化的应力称为变应力变应力。 稳定循环变应力参数稳定循环变应力参数 max变应力最大值变应力最大值 min 变应力最小值变应力最小值 m 平均应力平均应力 a 应力幅应力幅maxminm2 maxmina2 循环特性循环特性 minmaxr 21稳定循环变应力的基本类型稳定循环变应力的基本类型 对称循

28、环变应力对称循环变应力| max | | min |r 122脉动循环变应力脉动循环变应力 min 0 r 023非对称循环变应力非对称循环变应力| max| | min| r 1， 1240.3.3 许用应力和安全系数许用应力和安全系数式中式中: lim零件材料的极限正应力；零件材料的极限正应力； lim零件材料的极限切应力；零件材料的极限切应力； S安全系数。安全系数。lim S lim S 或或 许用应力许用应力是机械零件设计时计算应力允许达到的最大值。是机械零件设计时计算应力允许达到的最大值。合理确定许用应力可以使零件既有足够的强度和寿命，又不合理确定许用应力可以使零件既有足够的强度和

29、寿命，又不至于结构尺寸过大。许用应力由下式确定至于结构尺寸过大。许用应力由下式确定251. 极限应力极限应力 在静应力下工作的机械零件，其损坏形式为断裂或塑性在静应力下工作的机械零件，其损坏形式为断裂或塑性变形。对于脆性材料制造的零件，应防止发生断裂，通常取变形。对于脆性材料制造的零件，应防止发生断裂，通常取材料的材料的抗拉强度抗拉强度Rm作为极限应力；当采用塑性材料制造零件作为极限应力；当采用塑性材料制造零件时，应防止产生过大的塑性变形，通常取材料的时，应防止产生过大的塑性变形，通常取材料的屈服强度屈服强度Re作为极限应力。作为极限应力。 在变应力下长时间工作的零件，其损坏形式是疲劳破坏。在

30、变应力下长时间工作的零件，其损坏形式是疲劳破坏。材料的疲劳破坏具有损伤累积特征，它的初期损坏现象是在材料的疲劳破坏具有损伤累积特征，它的初期损坏现象是在零件表面或表层形成微裂纹，随着应力循环次数的增加，裂零件表面或表层形成微裂纹，随着应力循环次数的增加，裂纹不断扩展，导致零件承载的有效截面积逐渐减小而突然发纹不断扩展，导致零件承载的有效截面积逐渐减小而突然发生断裂。所以疲劳断裂与应力循环次数密切相关。生断裂。所以疲劳断裂与应力循环次数密切相关。26 在一定的应力循环特性在一定的应力循环特性r下，材料达到疲劳下，材料达到疲劳破坏时的应力破坏时的应力 与应力循环次数与应力循环次数N之间的关系曲线称

31、为之间的关系曲线称为材料的疲劳曲线材料的疲劳曲线。材料的疲劳曲线是标准试件经过试验获得。材料的疲劳曲线是标准试件经过试验获得。 对于一般钢材，当应力对于一般钢材，当应力循环次数循环次数N超过某一数值超过某一数值N0以后，曲线趋向水平，即可以后，曲线趋向水平，即可以认为试件经受以认为试件经受“无限次无限次”循环也不会断裂。循环也不会断裂。N0称为称为循循环基数环基数，对应于，对应于N0的应力称的应力称为材料的为材料的疲劳极限疲劳极限 r，也称，也称为材料的持久疲劳极限。为材料的持久疲劳极限。 在对称循环变应力下，在对称循环变应力下，r1，取其疲劳极限，取其疲劳极限 1作为极限应作为极限应力；在脉

32、动循环变应力下，力；在脉动循环变应力下，r 0，取其疲劳极限，取其疲劳极限 0作为极限应力。作为极限应力。272. 安全系数安全系数 合理选择安全系数是机械设计中的一项重要工作。安全合理选择安全系数是机械设计中的一项重要工作。安全系数选得过大，则许用应力过小，将使结构笨重，浪费材料；系数选得过大，则许用应力过小，将使结构笨重，浪费材料；安全系数选得过小，则许用应力过大，零件将不够安全。安全系数选得过小，则许用应力过大，零件将不够安全。 对于各种不同的机械零件，经过长期生产实践经验的积对于各种不同的机械零件，经过长期生产实践经验的积累，各不同的机械设计部门都制订有适合本部门的安全系数累，各不同的

33、机械设计部门都制订有适合本部门的安全系数和许用应力规范，可供设计时参考。但应注意其适用范围，和许用应力规范，可供设计时参考。但应注意其适用范围，不要随意选用。不要随意选用。280.4 0.4 机械零件常用材料及金属材料热处理机械零件常用材料及金属材料热处理0.4.1 机械零件的常用材料机械零件的常用材料 机械零件最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合机械零件最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如工程塑料、橡胶、尼龙、木材、石墨、陶金。非金属材料如工程塑料、橡胶、尼龙、木材、石墨、陶瓷等也在某些场合应用。瓷等也在某些场合应用。 1. 钢钢 钢是含碳量小于钢是含碳量小于2%的铁

34、碳合金。钢具有高的强度和良的铁碳合金。钢具有高的强度和良好的韧性和塑形，可以用于轧制、锻造、冲压、铸造和机械好的韧性和塑形，可以用于轧制、锻造、冲压、铸造和机械加工。通过热处理，还可以改变和提高钢的力学性能和加工加工。通过热处理，还可以改变和提高钢的力学性能和加工性能。钢的应用十分广泛。性能。钢的应用十分广泛。29 钢的种类繁多，按用途分为钢的种类繁多，按用途分为结构钢、工具钢和特殊钢结构钢、工具钢和特殊钢；按化学成分分为按化学成分分为碳钢和合金钢碳钢和合金钢；按含碳量多少分为低碳钢；按含碳量多少分为低碳钢（含碳量低于（含碳量低于0.25%）、中碳钢（含碳量为）、中碳钢（含碳量为0.25% 0

35、.5%）和）和高碳钢（含碳量大于高碳钢（含碳量大于0.5%）；按品质分为普通碳钢和优质碳）；按品质分为普通碳钢和优质碳钢；按炼钢时的脱氧方法分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢；钢；按炼钢时的脱氧方法分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢；按成形方法分为锻钢、铸钢、热轧钢、冷拉钢。按成形方法分为锻钢、铸钢、热轧钢、冷拉钢。302. 铸铁铸铁 铸铁是含碳量大于铸铁是含碳量大于2%的铁碳合金。铸铁具有良好的铸的铁碳合金。铸铁具有良好的铸造性、切削加工性、抗压性、耐磨性和减振性，而且价格便造性、切削加工性、抗压性、耐磨性和减振性，而且价格便宜。铸铁中的石墨形态、尺寸及分布状况对其性能影响很大。宜。铸铁中的石墨形态、尺

36、寸及分布状况对其性能影响很大。铸铁按石墨的形态可分为铸铁按石墨的形态可分为普通灰铸铁普通灰铸铁（片状石墨）、（片状石墨）、蠕墨铸蠕墨铸铁铁、球墨铸铁球墨铸铁（球状石墨）、（球状石墨）、可锻铸铁可锻铸铁和和特殊性能铸铁特殊性能铸铁等。等。313. 有色金属合金有色金属合金 通常将钢铁材料称为通常将钢铁材料称为黑色金属黑色金属，而其他金属则称为，而其他金属则称为有色有色金属金属。机械零件中常用的有色金属有铜合金、轴承合金和轻。机械零件中常用的有色金属有铜合金、轴承合金和轻合金等。合金等。4. 非金属材料非金属材料 常用的非金属材料主要是常用的非金属材料主要是塑料塑料和和橡胶橡胶。塑料具有质轻、。塑

37、料具有质轻、绝缘、减摩、耐磨、耐腐蚀、自润滑等特点，而且可以用注绝缘、减摩、耐磨、耐腐蚀、自润滑等特点，而且可以用注塑成形的方法制成形状复杂的零件。其缺点是强度和硬度低、塑成形的方法制成形状复杂的零件。其缺点是强度和硬度低、不耐高温、尺寸和形状稳定性差、容易老化等。不耐高温、尺寸和形状稳定性差、容易老化等。 随着科学技术的不断进步，其综合性能将逐步得到提高，随着科学技术的不断进步，其综合性能将逐步得到提高，应用前景日益广阔。应用前景日益广阔。32常用钢铁材料及其力学性能常用钢铁材料及其力学性能材料材料力学性能力学性能试样试样毛坯毛坯尺寸尺寸/mm类别类别牌号牌号抗拉强度抗拉强度Rm/MPa不小

38、于不小于屈服强度屈服强度Re/MPa不小于不小于断后伸长率断后伸长率A/%不小于不小于碳素碳素结构钢结构钢Q235Q275370 500410 540ReH 235ReH 2752622 16优质优质碳素碳素结构钢结构钢10F354565Mn31553060073518531535543033201692533常用钢铁材料及其力学性能常用钢铁材料及其力学性能合金合金结构钢结构钢35SiMn38CrMoAl20CrMnTi40Cr8859801 080980735835850785151410925301525铸钢铸钢ZG270 500ZG310 570500700ReH 270ReH 3101

39、815 100球墨铸铁球墨铸铁QT400 15QT500 7QT600 3400500600Rp0.2 250Rp0.2 320Rp0.2 3701573（ 单 铸（ 单 铸试样）试样）灰铸铁灰铸铁SHT200HT300195290铸件壁铸件壁厚厚10 20340.4.2 金属材料的热处理金属材料的热处理 许多金属材料，可以用整体热处理或表层热处理的方法改变其许多金属材料，可以用整体热处理或表层热处理的方法改变其整体或表层的物理、力学性能，发挥其使用潜力。例如，合金钢如不整体或表层的物理、力学性能，发挥其使用潜力。例如，合金钢如不经热处理，其力学性能并不明显优于碳素钢，为充分发挥合金钢的作经热

40、处理，其力学性能并不明显优于碳素钢，为充分发挥合金钢的作用，合金钢零件一般都需经过热处理。金属材料的热处理可以分为用，合金钢零件一般都需经过热处理。金属材料的热处理可以分为普普通热处理通热处理和和表面热处理表面热处理。1. 普通热处理普通热处理 1）退火退火 消除材料的内应力，细化晶粒，改善组织，降低硬度，提高塑消除材料的内应力，细化晶粒，改善组织，降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。退火工艺适用于处理碳素钢和合金钢性和韧性，改善切削加工性能。退火工艺适用于处理碳素钢和合金钢的铸件、锻件和焊接件。的铸件、锻件和焊接件。 2）正火正火 正火的作用与退火相似，不但能提高材料的力学性能，而且

41、操作正火的作用与退火相似，不但能提高材料的力学性能，而且操作简便，生产周期短，设备利用率高。正火工艺常用于处理低、中碳钢简便，生产周期短，设备利用率高。正火工艺常用于处理低、中碳钢以及渗碳零件。以及渗碳零件。35 3）淬火淬火 淬火的主要目的是提高材料的硬度。各种工具、量具、淬火的主要目的是提高材料的硬度。各种工具、量具、模具、滚动轴承等都需要通过淬火提高硬度和耐磨性。模具、滚动轴承等都需要通过淬火提高硬度和耐磨性。 4）回火回火 回火的目的是为了消除因淬火冷却速度过快而产生的内回火的目的是为了消除因淬火冷却速度过快而产生的内应力，减少工件变形，提高塑性和韧性，稳定工件尺寸。根应力，减少工件变

42、形，提高塑性和韧性，稳定工件尺寸。根据加热温度的不同，回火可以分为低温回火、中温回火和高据加热温度的不同，回火可以分为低温回火、中温回火和高温回火。随着回火温度的提高，材料的韧性越好，内应力越温回火。随着回火温度的提高，材料的韧性越好，内应力越小，但硬度和强度有所下降。小，但硬度和强度有所下降。 通常把淬火后高温回火的热处理工艺称为通常把淬火后高温回火的热处理工艺称为调质处理调质处理，调，调质处理后的零件可以进行切削加工。质处理后的零件可以进行切削加工。362. 表面热处理表面热处理 为了兼顾对零件表面有较高的硬度和耐磨性和心部有足够的为了兼顾对零件表面有较高的硬度和耐磨性和心部有足够的强度和

43、韧性的要求，工业上广泛采用表面热处理工艺，常用的方强度和韧性的要求，工业上广泛采用表面热处理工艺，常用的方法有法有表面淬火表面淬火和和表面化学热处理表面化学热处理。 1）表面淬火）表面淬火 表面淬火是将机械零件的表面快速加热到临界温度以上并迅表面淬火是将机械零件的表面快速加热到临界温度以上并迅速冷却的一种热处理工艺，加热方式有火焰加热和感应加热。速冷却的一种热处理工艺，加热方式有火焰加热和感应加热。 2）表面化学热处理）表面化学热处理 表面化学热处理是将工件放在某种化学介质中，通过加热、表面化学热处理是将工件放在某种化学介质中，通过加热、保温，使介质中的元素渗入到工件表面，以改变其表层的化学成

44、保温，使介质中的元素渗入到工件表面，以改变其表层的化学成分和组织，从而改变工件表层性能的热处理工艺。常见的化学热分和组织，从而改变工件表层性能的热处理工艺。常见的化学热处理有处理有渗碳渗碳、渗氮渗氮、氰化氰化等。等。370.4.3 金属材料的选择金属材料的选择1. 使用要求使用要求 1）力学性能方面的要求。包括强度、硬度、塑性、冲）力学性能方面的要求。包括强度、硬度、塑性、冲击韧性、弹性模量、减摩性、阻尼或吸振性能等。击韧性、弹性模量、减摩性、阻尼或吸振性能等。 2）物理性能方面的要求。例如密度（影响机器重量）、）物理性能方面的要求。例如密度（影响机器重量）、线膨胀系数（影响尺寸稳定）、导热系

45、数（影响散热能力）、线膨胀系数（影响尺寸稳定）、导热系数（影响散热能力）、绝缘（或导电）性能、导磁性能等。绝缘（或导电）性能、导磁性能等。 3）化学性能方面的要求。例如耐腐蚀性、抗氧化性等。）化学性能方面的要求。例如耐腐蚀性、抗氧化性等。382. 工艺要求工艺要求 1）对铸造毛坯，应考虑材料的液态流动性，产生缩孔）对铸造毛坯，应考虑材料的液态流动性，产生缩孔或偏析可能性。或偏析可能性。 2）对锻造毛坯，应考虑材料的延伸性、热脆性和变形）对锻造毛坯，应考虑材料的延伸性、热脆性和变形能力等。能力等。 3）对焊接零件，要考虑材料的可焊性和产生裂纹的倾）对焊接零件，要考虑材料的可焊性和产生裂纹的倾向等

46、。向等。 4）对要热处理的零件，应考虑材料的可淬性、淬透性）对要热处理的零件，应考虑材料的可淬性、淬透性及淬火变形的倾向等。及淬火变形的倾向等。 5）对需要经过切削加工的零件，要考虑材料的易切削）对需要经过切削加工的零件，要考虑材料的易切削性，切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等。性，切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等。39 3. 经济要求经济要求 1）材料的相对价格。在满足零件工作能力的前提下，）材料的相对价格。在满足零件工作能力的前提下，应尽量选用价格低廉的材料。应尽量选用价格低廉的材料。 2）材料的加工费用。如单件生产箱体零件，采用铸铁）材料的加工费用。如单件生产箱体零件，

47、采用铸铁虽然其价格比钢低，但需制作木模和砂型等；改用钢板焊接虽然其价格比钢低，但需制作木模和砂型等；改用钢板焊接则其加工费用会降低。则其加工费用会降低。 3）材料的利用率。采用无切削或少切削毛坯，如精锻、）材料的利用率。采用无切削或少切削毛坯，如精锻、模锻、冲压等，提高材料的利用率。模锻、冲压等，提高材料的利用率。 4）采用组合式零件结构，不同部位采用不同材料，各）采用组合式零件结构，不同部位采用不同材料，各尽其用。尽其用。例如蜗轮的齿圈用青铜，发挥其减摩和抗胶合的长例如蜗轮的齿圈用青铜，发挥其减摩和抗胶合的长处，轮芯用铸铁，发挥其价廉的优点。处，轮芯用铸铁，发挥其价廉的优点。40 5）采用热处理、表面强化、表面喷镀等工艺，充分发）采用热处理、表面强化、表面喷镀等工艺，充分发挥和利用材料潜在的力学性能，减少和延缓腐蚀或磨损的速挥和利用材料潜在的力学性能，减少和延缓腐蚀或磨损的速度，延长零件的使用寿命。度，延长零件的使用寿命。 6）采用代用材料，节约稀有材料。例如，用铝青铜代）采用代用材料，节约稀有材料。例如，用铝青铜代替锡青铜制造轴瓦，用锰硼系合金钢代替