第五章机械结构设计

第六章机械结构设计

机械结构是机械功能的载体，机械结构设计的任务是依据所确定的功能原理方案设计出实体结构。该结构能体现出所要求的功能，用结构设计图样表示。结构图应表示出结构件的形状、尺寸及所用的材料，同时还必须考虑加工工艺、强度、刚度、精度、寿命、可靠性及零件间的相互关系，有关造型设计及人机工程等问题也应在这一阶段解决。1结构设计包括机器的总体结构设计和零部件结构设计两方面内容，它们之间既有联系，又有区别，本章将着重讨论零件结构设计的共性问题。如果说功能原理设计决定了产品的先进性、新颖性，那么结构设计则决定了产品的质量和成本的70％~80％，因此说结构设计是机械设计中涉及问题最多，工作量最大的一个环节。本章将重点讨论结构设计的共性问题。2第一节结构件的功用及基本类型零件是构成机器的基本元素，从结构设计的角度出发，可以把零件称为结构件。一、结构件的功用各种结构件具有的功能主要有：承受载荷、传递运动和动力、保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。1．承受载荷正确分析结构件受力的类型、大小、方向及其对结构件工作正常的影响，是进行结构设计的重要依据和保证。32．传递运动和动力摆杆3的作用是把运动和动力传给滑枕2，以便使刨刀1实现直线住复运动并切下金属。4轴4和摆杆3都具有传递运动的功能。由于摩擦力的存在，它们也承受一定的弯矩和扭矩。53.保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系仍以车床为例：车床主轴箱和床身之间应有严格的相对位置关系。即主轴中心线应与床身上的导轨平行，保证沿导轨移动的刀架上所装刀具的尖端走出与主轴轴线平行的轨迹，以车削出准确的圆柱体。同时，还要求后座顶尖与主轴顶尖的连线与床身导轨平行。要求床身导轨本身要具有相应的直线度，受热、受力变形小等。64其它功用有些结构件还具有其它—些功用，如箱体除了保证各传动轴的相对位置及其中心距外．还起着包容和保护传动件的作用，还可以盛装润滑油。有的结构件还兼有或主要用作防护或装饰作用，要求具有—定的外形及色彩。7二、结构件的分类结构件的形式多种多样，从不同的角度可以有不同的分类。1）为了设计、制造和管理上的方便，通常将其分为：盖盘、轴套、支架、杆件、壳体、箱体和支承件等类别。2）从毛坯工艺角度可分为：铸造件、焊接件、锻造件、铆接或粘结件等。8三、零件的相关在机械系统中，各零件通常成链状、树状或网状相互联接，构成完整的机械网络。9说明：1）零件的相关分为直接相关和间接相关两类：（1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。（2）间接相关：没有直接装配关系的相关。间接相关又分为位置相关和运动相关两类：位置相关是指两零件在相互位置上有要求。运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关。要满足运动相关条件，一般需要一个或几个位置相关的中间件来达到，上例中的床身导轨就是这样的中间件。10四、零件的结构要素若把零件上与其它零件直接相关部位称为工作部分，则多数零件均由两个或多个工作部分及联结部分组成，联结部分的作用是把各工作部分联结起来并使它们保持各自的位置，同时也常常起到支承作用。有时，也把用以固定联结的工作部分称为安装部分。11图6-1所示车床中的床腿1是典型的支承件，也称大件。它的底面是安装部分，上表面是工作部分．作用是支承床身7，而床腿的工作部分恰与床身的安装部分相联结，因此也具有安装部分的持点，只是受力比底面小些。床身两端下表面为安装部分，床头上表面及导轨为工作部分，而床头与主轴箱的联结部分相当于安装部分。在结构设计中．通常先确定工作部分，后确定联结部分。工作部分主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。12第二节结构方案设计的基本原则和原理一、结构方案设计的基本原则确定和选择结构方案时应遵循三项基本原则：明确、简单和安全可靠。1．明确所谓明确是指对产品设计中所应考虑的问题都应在结构方案中获得明确的体现与分但。

13(1)功能明确所选择结构要达到预期的功能，每个分功能有确定的结构来承担，各部分结构之间有合理的联系。要避免冗余结构，尽量减少静不定结构。在图6-2(a)中，传递转矩是键还是圆锥面，零件的轴向定位是轴的台阶面还是圆锥面，两者均不明确。这是一种功能不明确的结构。图6-2(b)两种功能都是由圆锥面承担，是一种好结构14(2)工作原理明确所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流(力流)、物料流和信息流的转换或传导。15（3)使用工况及承载状态明确图6—3为组合轴承设计的两种方案。图6—3(a)设计者原意是滚针轴承承担径向力，球轴承承受轴向力。图6—3(b)径向力和轴向力承受者都很清楚。图6—4受拉焊缝。(a)图为静不定结构；(b)图为合理结构。162．简单结构设计简单是指整机、部件和零件的结构,在满足总功能前提下，尽量力求结构形状简单、零部件数量少等。零部件数量少，实质是缩短加工、组装和生产准备周期，降低生产成本。在设计中常采用一个零件担任几种功能的办法，达到减少零件数量的目的。如图6-5吊车轨道，除作导轨用外，还兼作水、空压、油压管道的作用，是多功能结构件。173．安全可靠1）机器安全包括4个方面：零件安全主要指在规定的载荷和规定时间内，零件不发生断裂、过度变形、过度磨损，不丧失稳定性。整机安全指整个技术系统保证在规定条件下实现总功能。工作安全对操作人员的防护，保证人身安全和身心健康。环境安全对技术系统的周围环境和人不造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应性，如挖掘机对沼泽地工作的适应。182）安全技术法为了保证安全可靠性，而采取的技术措施：(1)直接安全技术法：是指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险。如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使其不致脱落造成机器事故。如图6—7(a)表示螺钉松脱后落入机器内，不能工作。图6—7(b)表示螺钉松脱时，受到限位—不致掉入系统中。19冗余配置原理当技术系统发生故障或失效对会造成人身安全或重大设备事故，为了提高可靠性，常采用重复的备用系统。如飞机发动机的双驱动、三驱动和副油箱；压力容器中两个安全阀；为确保煤矿井下绝对安全，对排水的水泵系统采用两套或三套配置(一套运转，一套维修，一套备用)。20(2)间接安全技术法。通过防护系统和保护装置来实现技术系统的安全可靠。其类型是多种多样的。如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险丝等，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。图6—8具有故障显示正常的精过滤器:液压回路中，精过滤器芯2被堵时，差压计3发出信号，而单向阀3打开，回路仍正常工作。21(3)提示性安全技术法。既不能直接保证安全可靠，又没有保护或防护措施，仅能在事故出现以前发出报警和信号，提醒人们注意，如指示灯，警铃等。22二、结构方案设计原理在结构设计中常应用下述各项原理：1.等强度原理对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相等，叫等强度。这样可使结构有相等强度，从而达到充分利用材料，提高经济效益。如图5-12a)的结构强度不等，而且强度差，b)图的结构强度不等，c)图适用于铸铁的等强度结构，d)图适用于钢的等强度结构。23图6-9所示为增加约束变形附件以降低高应力区应力的两个实例。图中构件1为承受载荷的主体构件，当在结构中增加一个约束变形的辅助构件2时，就使构件1左半部的应力显著减小，两部分应力趋于均匀。242.合理力流原理可以认为力在其传递路线上形成所谓力线，这些力线汇成力流。力在构件中的传递轨迹就像电场中的电力线、磁场中的磁力线、水流中的流线一样，按力流路线传递。力流密集程度反映力的大小。力线和力流方向用箭头表示。力线和力流在连续物体中传递，数量不变，且连续不断．25力流路线直接、最短原则可以使零件尺寸缩小、节省材料，变形小，刚度好。固6-11a的力流路线最短，结构尺寸最小；b的力流路线比图a的长，故尺寸大。26力流转向平缓原则：当结构断面发生突然变化，引起力流方向的急剧改变，使得力流密度增加，产生应力集中。在结构设计时，应采取措施，使力流方向变化平缓，减小应力集中。图6-13所示为轮毂联结：图a)力流方向变化急剧，A处应力集中;图b)力流方向变化较平缓，应力集中小。273．变形协调原理所谓变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的作用下所产生的变形的方向相同，并且使其相对变形尽可能小。图6-12为两焊接板的变形及应力分布。图a)为一板受拉．另一板受压，两零件在接缝的上端应力集中很大，相对变形大，变形不协调，应力分布不均匀；图b)为两板受拉，相对变形小，符合变形协调原理．应力分布均匀。284．力平衡原理在机器工作时，常产生一些无用的力。如离心惯性力、变速惯性力、斜齿轮的轴向力等，这些力不但增加了轴和轴承等零件的负荷，降低其精度和寿命，同时也降低了机器的传动效率。所谓力平衡就是指采取结构措施，部分或全部平衡掉无用的力，以减轻或消除其不良影响。这些结构措施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。29如图6-30所示为通过人为增加一个偏心来平衡另一个偏心产生的离心力。图5-30行星轮采用对称布置，齿轮啮合产生的径向力被抵消。305．任务分配原理分配有三种可能：1）一载体承担多种功能：功能集中于一载体，可简化结构、降低成本；2）一载体承担一种功能：功能与载体一一对应，便于做到“明确”、“可靠”，便于实现结构优化及准确计算；3）多载体共同承担一种功能：多载体承担同一功能可以减轻零件负载，延长使用寿命。设计时应根据具体情况进行任务分配。例如．将只靠螺拴预紧产生的摩擦力来传递横向载荷时，会使螺栓尺寸过大，可通过增加抗剪元件，如销、套筒和端而键等，以分担横向载荷来解决这一问题。31图5—2l是三种不同的密封和定位结构，a图轴承的密封和定位用同一个结构1来完成，需用圆钢车成，其制造费用高；b图的密封和定位分别由1挡圈和2轴套承担。2可用管料车成，节约材料．减少加工时间；c图中密封件1为冲压件，用无屑加工代替有屑加工，确保了密封，大大节约工时和材料。326．自补偿原理通过选择系统元件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支持作用，称为自补偿。自补偿在正常情况(额定载荷)下有加强功能、减载和平衡的含义，而在紧急情况(超载)下有自保护和救援的含义。常见的自补偿原理应用形式有：自增强、自平衡和自保护：1)自增强当辅助效应与初始效应的作用方向相同时，使得总效应加强，就是所谓自增强。33在正常工作状态下辅助效应与初始效应的作用方向相同，总效应为两者之和。如图6-12高压容器检查孔盖的设计。图(a)拧紧螺杆，使端盖2紧贴在密封件3上，形成初始效应。工作时间，内部高压P作用在端盖2上，加强密封效果，产生辅助效应。总效应是两者叠加．使密封自增强。图(b)是自损结构。效应相互抵消，密封效果不好。34工作时，工件1受到一个F2力，该力使工件与偏心轮之间产生一个使偏心轮顺时针转动的趋势，该趋势与Fl力的作用同向。故增大了夹紧力F的作用，且该作用随着F2的增大而增大。35图6—13自增强作用的密封装置，压力P使带锥面圆盘l更紧密地压在密封2上，这就是利用主参数压力P产生了增强密封的辅助作用。362)自平衡自平衡通常是使正常载荷下的辅助效应同初始效应相反并达到平衡或部分平衡状态，以克服不利影响。如图6-15所示。当竖轴1的转速升高而超过要求的转速时，重锤2会自动抬起，带动滑套3和杠杆系统4使阀门5转动以减少蒸汽通过量。从而降低蒸汽机的转速以恢复到正常值。若杠杆4联结其它机构，通过不同原理可调节其它机械的转速。37图6—14齿泵径向力平衡。图(a)为齿轮泵径向力未平衡状况，Pl与P1’为液压力，P2与P2’为齿轮啮合力，P和P’为主动齿轮轴承和被动齿轮轴承所承受的径向力。由图可知，P和P’加快了轴承的磨损。图(b)是径向力得到平衡，在泵壳或侧板上开有径向力平衡槽．将高压油引到低压区，把低压油引到高压区，383)自保护超载时，特别是超载有可能反复出现时，采取自动防止破坏的措施同采取保护性破坏或采用持殊的防护装置相比更为合理。有时，采取一定的结构措施就可实现自动保护。例如：摩擦离合器中的摩擦片，由于超载而打滑．使得离合器输入和输出端脱开，停止运动。高压锅当压力超过时，易熔塞失效，内部压力减小，保护高压锅不受损。397．稳定性原理所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效应。汽缸压力和作用在活塞杆上的工作抗力对活塞的状态的不同影响40图6—25是几种加强结构稳定性的措施：对于热膨胀变形而产生的干扰，需要在结构设计中采取措施，使之消除。如图6—26(a)结构，由于轴发热伸长，使轴承内部的游隙缩小甚至卡死，造成工作不稳定；图(b)则不会。418、降低噪声原理根据我国“工业企业卫生标准”的规定，生产车间和作业场地噪声不得超过85dB(90dB)，机床噪声应小于75~85dB，小型电机为50~80dB，汽油发动机为80dB，家用电器如电冰箱应控制噪声小于45dB，而洗衣机噪声则应小于65dB。42第三节结构设计中的强度和刚度问题本节讨论如何在较少材料消耗的前提下获得较高的强度和刚度的问题。一、通过结构设计降低应力减少变形1．合理确定截面形状传动轴一般采用圆形截面。小直径：实心轴便于制造；大直径：常做成空心轴。空心轴：Ip、Iz大抗弯、抗扭刚度大43直径D和质量m的影响：441）在截面积相等的情况下，受弯梁的截面在受力方向上尺寸愈大愈好．如3号的刚度是l号的25倍；2）质量愈向弯曲中性面两侧分散(即质量向受力方向上的上、下两面集中)愈好，如5号的强度都刚度比3号又有大幅度提高。452.合理确定轴向尺寸改变截面形状降低截面上各点的应力，可以提高零件本身抗破坏和抗变形的能力，但不能改变其所受弯矩的大小，通过合理地确定零件轴向尺寸．可以减少弯矩，从而更为有效地提高强度和刚度。这里所谓轴向尺寸，主要指梁或轴的支承跨距和悬伸长度。463．合理选择支承形式6—20所示：轴端受力为F，假设轴承和支座是刚体，则轴本身变形引起轴端位移为f1；若假设轴为刚体时，由于轴承和支座的弹性变形而引起的轴端位移为f2。而实际上，它们均为弹性体，会同时产生弹性变形，故轴端总位移应为上述两种情况的叠加，即为：fE＝f1十f2。47分析：由于成本或结构的限制，轴和轴承(包括支座)的刚度都不能无限提高。因此必须合理选择，以求得最满意的结果。分析发现，跨距L和悬伸长度l之比L／l变化时，f1和f2在fE中的比重会随之变化，如图6—2l所示。曲线1和2分别为主轴本身引起的轴端位移和轴承引起的轴端位移L／l变化的函数曲线，曲线3则为上述两曲线合成的结果。fE最佳的问题！484．合理利用材料特性材料的抗弯、抗拉和抗压特性差别较大，结构设计时应充分利用这一特点，尽量扬长避短。例如：材料为钢时．应尽量用拉、压代替受弯；材料为铸铁时，则考虑用受压代替受拉或受弯。图6—22所示为用三角珩架代替简支梁；图6—23所示为结构和大小完全相同，仅安装方法不同的两个铸铁托架。显然图6—23b方案合理。49二、改善零件的受力状况改善零件的受力状况对提高零件的强度和刚度作用比较明显，常用的方法有载荷分流、载荷均化和载荷抵消等。这些方法实际上是第六章第二节所述的合理力流、任务分配和自补偿等原理的应用。1.载荷分流载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应力、减小变形的效果。特别适于强度和刚度较弱的零件。如：采用多根v带、某些机床主轴采用并列的两个或多个相同的轴承等。如CW6163型卧式车床采用了载荷分流的方法，即用一个径向轴承和两个推力轴承分别承受径向力和两个方向相反的轴向力。50图6—24所示为某车床变速箱输入轴带轮卸荷结构。这是一个将不同类型的载荷进行分流的例子。该轴直径较小且为悬伸轴，故刚度低。采用卸荷结构后，将胶带的压轴力通过轴承及轴承座5分流给箱体4，而带轮3的转矩则通过端盖2的花键孔传给轴1，故轴1只承受转矩而不承受径向力．减少了弯曲变形。512．载荷均化载荷均化是指将集中成分布不均的载荷变成近似均布的载荷以降低构件的最大应力。图示的非对称布置的减速器中，在力的作用下，由于轴的弯曲使齿轮倾斜，从而导致轮齿沿齿宽方向载荷分布不均，对于重型减速器或齿轮箱尤为突出。若采用b图的对称布置形式，则可基本上克服上述缺点。52渐开线齿轮若沿齿宽方向齿厚相同。则啮合齿沿接触线长度方向上的数荷会较多地集中在两端，图6—26a所示。若将轮齿截面修整成鼓形，使端部齿厚较中间部分小25~35um，则齿轮工作时靠齿面弹性变形而使载荷分布趋于均匀，如图6—26b所示。53当螺栓受拉和螺母受压时，由于螺栓和螺母在旋合段内所受轴向力的不同，导致旋合各圈螺纹牙载荷相差很大。图6-27所示：第1圈牙受力可为第7圈的十几倍，这对于重载荷或重要部位的螺母是很严重的问题。图6-28所示为均化螺纹牙载荷的三种螺母结构形式。由图可见，各结构都在不同程度上减小了牙上的最大载荷，使载荷趋于均匀。543．载荷抵消广义地讲，载荷抵消是设法在结构上将无用的力或有用的力的不利作用全部或局部抵消。图6-29为机床主轴上传动力F2的不同布置形式，图中FI为切削力。55三、预加载荷预加载荷是构件在制造或装配时就被施加一定的载荷使其产生相应的塑性变形或弹性变形，从而减小工作应力或工作载荷引起的再变形。强化：以减小应力为目的的预加载荷方法称为强化，强化分弹性强化和塑性强化两类。预紧：以提高刚度、减小工作时再变形为目的的顶加载荷方法称为预紧。1．弹性强化56弹件强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分地抵消工作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。图6—31所示为装有拉杆的预应力工字梁。57如：加厚壁筒内部承受压力时．愈靠近内部应力愈高，可改为两个较薄的厚壁筒通过盈配合套装存一起，使内筒和外筒分别产生一定的预压应力和预拉应力．减小工作时内筒的应力。实际上，也可看成是一种应力均化的措施。即此时通过外筒的应力增大而减小内筒的应力。582．塑性强化塑性强化是使构件在工作状态下应力最大那部分材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，用以部分地抵消工件应力。仍以梁为例：给梁预加一个与工作载荷F同向的预加藏荷P’，P’去掉后梁内产生残留应力，其分布如图6—32a59以扭转为主的轴也可用类似方法进行塑性强化，如图6—33：图6—33a为预加的与工作转矩同向的转矩T’去掉后轴的残留应力分布情况。塑性强化的特点是预加载荷与工作载荷方向一致，而且在构件工作时预加数荷已经撤出，靠残留应力而不是靠预加载荷本身来抵消工作应力。故要求材料必须具有足够的塑性，构件的塑性变形量不得超过一定限度。603.预紧预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预加载荷。使零件产生一定的与工作时同方向的弹性变形、以减少工作时的进一步变形，从而提高刚度的有效措施。如：滚动轴承在安装时预加一个约等于径向载荷20~30％的轴向力，弹性变形增加了接触面积，各磙子受力也趋于均匀．从而提向了轴承的刚度。又如多数弹簧都预加了一个初载荷，使其产生—·定的初始变形．以保证其具有足够的刚度和工作弹力。螺栓在装配时产生的拉力实际上也是预加载荷，工作时承受拉力的较长螺栓必须有足够的预紧力才能保证被联接件的联接刚度。预紧的特点是预加载荷与工作载荷方向相同，工作时不撤出，因此，工作应力不是抵消而是叠加，其目的是提高刚度，而不是减少应力，故预应力应不超过一定限度。61上述三种预加载荷方法特点见表6—3。62四、有关强度和刚度的其它问题1．提高疲劳强度和动刚度提高疲劳强度的措施很多，比较重要的是降低应力集中程度．应特别注意在钻孔、切槽、过渡圆角及截面急剧变化处的结构，以减小应力集中。又如螺纹联接中联接件和被联接件的刚度匹配、降低零件表面的粗糙度、改善零件的尺寸和形状以及对零件表面进行处理等。提高零件的动刚度可从提高其静刚度、增加阻尼和调整固有频率等方面着手．也可以采用各种类型的减震器。632.提高零件的接触强度和接触刚度当两零件的表面为点、线接触且有法向载荷作用时，虽然因弹性变形可形成小区域接触，但因面积很小，应力仍很大。合理地确定零件接触面的结构可以提高接触强度。(1)增大球面支撑的综合曲率半径。R=R1R2/（R1±R2）64(2)以面接触代替线接触或点接触图6—35a所示为通过中间件A把线接触改为面接触的实例。图6—35b所示则是增加中间件B将点接触转变为面接触的实例。65(3)采用变位齿轮传动提高齿面接触强度在齿轮传动中．为提高齿面接触强度可采用变位齿轮。设计变位齿轮时应满足两个条件：两相互啮合齿轮变位系数之和最大，以获得齿面的最大综合曲率半径，要保证足够大的重合度，以使同时啮合的齿数不致太少。机器的整体刚度既决定于各零件本身的刚度，又决定于各零件联接面之间的接触刚度，因此，提高接触刚度也是结构设计必须注意的问题。66接触刚度不仅与接触面的材料、硬度、几何形状和尺寸等条件有关，而且还与接触面的表面粗糙度、加工方法、几何精度、相对运动方向、接触面间的介质和预紧力等因素有关。目前，还没有既简单又准确的关于接触刚度的计算方法。在结构设计中通过限定接触面的尺寸、几何形状误差和表面粗糙度等以保证表面间的良好接触，对于用螺钉固定联接的表面通过螺钉数量、分布及控制预紧力的大小来提高接触刚度。对于重要的表面可通过合理确定其表面硬度，增加单位面积内的接触点数等措施进一步提高接触刚度。必要时，可用模型或实物进行试验，以便确定所设计的结构是否可满足接触刚度或整体刚度的要求。673.抗疲劳破坏的结构设计上面所讲的都属于静强度设计，而实际设备的断裂事故中约80％属于疲劳破坏，因此在结构设计时应给予足够的重视。疲劳破坏是在局部应力最高的部位发生的，故在结构设计时应尽量避免不必要的应力集中和设法减小应力集中，为此采取如下措施：68①零件的横截面尺寸和形状有改变的地方，应尽可能用较大的圆角光滑过渡。②结构中的各种孔都是产生应力集中的地方，应合理排列，达到减小峰值应力的目的。③受拉表面尽量不开缺口。如必须开时，则应合理选择开口形状，以减小应力集中系数。④在应力集中部位附近，可开卸载沟槽，以降低峰值应力。⑤采用表面强化工艺也可以提高零件的疲劳强度。⑥合理选材，强度高的材料缺口敏感性也高，对疲劳强度不利，这就要求材料有较高的断裂韧性，而两者之间是有矛盾的，所以选材要兼顾两个特性。69采取以上措施，不需要将零部件尺寸加大，最合理的办法是改进结构，使其应力分布合理，或采取强化工艺。表6—1为结构设计中降低峰值应力，提高疲劳强度的实例。表中(a)图局部应力高、疲劳寿命低；(b)图降低了局部应力，疲劳寿命得到提高。707172第四节支承件的结构设计一、支承件的功用类型和基本要求1．支承件的功用支承件是机器上大型受力构件的总称，它可以单独或联接起来构成机器的主体、基础或框架等，对其它零件起联接、支承或包容作用，以保证零件之间的相对位置或相对运动关系，并承受其它零件的重力及工作载荷。732．支承件的类型支承件形式可根据形状分为三大类型，即梁型、板型和箱型。1）梁型支承件：特点是其某一方向尺寸比其它两方向尺寸大很多，因此，在分析或计算时可将其简化为梁，如车床床身、各类立柱、横梁、伸臂和滑枕等均属于此类。2）板型支承件：特点是其某一方向尺寸比其它两方向尺寸小得多，可近似地简化为板件，如铣床工作台、钳工划线平台及某些机器较薄的底座等。3）箱体支承件：三个方向的尺寸差不多，可看作箱体件。如减速器或变速箱箱体、铣床的升降台及组合机床的中间底座等。743．对支承件的要求支承件通常应满足刚度，抗振性、热稳定件及内应力等方面要求。1)刚度支承件的功用决定了刚度是其最主要的指标之一。支承件若受力变形过大，就无法保持相关零件之间的位置和运动的准确关系。2)抗振性支承件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动的能力。若支承件发生振动，必然影响到其上安装的零件特别是精密工作零部件如机床主轴、刀架和量具的测头等的正常工作：。另外，支承件通常制成中空形式，有的支承件如箱体的壁厚较簿，面积较大，易于产生薄壁振动。因此，抗振性也是支承件主要要求之一。753)热稳定性机器工作时会有很多热量传给支承件，主要有：A）动力源热：如电动机、内燃机和电磁铁等产生的热量；B）摩擦热：如传动件、轴承、凸轮和离合器等摩擦产生的热量；C）工艺热：工艺过程本身如切削、锻压、焊接和注塑等产生的热量；D）物料热：某些被加工、处理的物热，如热锻毛坏和液态塑料等的热量；E）环境热：由于工作在高温地区或附近有高温设备如加热炉等带给机器的热量等等。76影响：支承件的变形会破坏其上相关零件之间的相对位置或相对运动精度。提高热稳定性，减少热变形常用方法有：减少热源、隔热、散热、冷却等，还可通过合理的结构设计，如合理分配金属量、用热变形补偿元件、其至用局部加热等方法使其热变形均匀。774)内应力铸造、焊接等过程中会有内应力产生，而内应力在经过一定时间它的重新分布或逐渐消失会使已加工或已工作的零件产生变形，甚至丧失精度。减少内应力的方法：A）支承件各部分金属量应尽量分布均匀；B）当壁厚差别较大时，应在厚、薄壁之间逐渐过渡；C）尽量避免过大的金属堆积，必要时可在局部作出空腔；D）在铸铁中加入镍和铬等合金元素不但能减小内应力，而且可提高构件运动表面的耐磨性。5)其它要求设计中还应满足支承件特定功能的要求，如电器、油箱等的位置和安装方式；加工余料的排出，冷却液回收；安装、吊运的方法及加工工艺性，金属消耗量等。本节着重讨论支承件的刚度这一最突出的问题。78二、保证支承件刚度的结构措施保证支承件刚度及抗振性的措施主要有：合理确定截面形状和尺寸，合理布置隔板和加强肋，合理开口和加盖，提高局部刚度和接触刚度，增强阻尼以提高抗振性等。1．合理确定截面的形状和尺寸支承件的受力、变形情况很复杂，而对其影响较大者为弯曲、扭转或者二者的组合。如前所述，截面积相同而形状不同时，其截面惯性矩和极惯性矩差别很大，因此其抗弯和抗扭刚度差别也很大。表6—4所列8种截面，其面积均10000mm2，由表中列出的抗弯、抗扭惯性矩的相对值可以看出：1）空心；2）受力方向尺寸大；3）加大外轮廓；4）封闭截面。79802.合理布置隔板和加强肋隔板和加强肋也称肋板和肋条。合理布置隔板和加强肋通常比增加支承件的壁厚的综合效果更好。1)隔板隔板实际上是一种内壁，它可连接两个或两个以上的外壁。对梁形支承件来说，隔板有纵向、横向和斜向之分。纵向隔板的抗弯效果好，而横向隔板的抗扭作用大，斜向隔板则介于上述两者之间。所以．应根据支承件的受力特点来选择隔板类型和布置方式。纵向隔板布置在弯曲平面内才能有效地提高抗弯刚度，因为此时隔板的抗弯惯性矩最大。此外、增加横向隔板还会减小壁的翘曲和截面畸变。81车床车身一般设计成由前、后两壁和若干隔板组成。图a）中采用了T形隔板，主要用于提高水平面内抗弯刚度，其结构简单、铸造工艺性好。图b）为∩形隔板，在垂直平面内和水平面内的抗弯刚度都比T形隔板好，铸造工艺也较好。图c）隔板呈连续的w形，能较大地提高水平面的抗弯、抗扭刚度。但铸造工艺性较差。图d）所示为对角纵向隔板与三角形隔板的组台形式，既提高了床身的刚度，又解决了排屑问题，但是结构较复杂、工艺性较差。826—36a中采用了T形隔板，主要用于提高水平面内抗弯刚度，其结构简单、铸造工艺性好，通常用于刚度要求不高的车床上。图6—36b为∩形隔板，这种隔板在垂直乎面内和水平面内的抗弯刚度都比T形隔板好，铸造工艺也较好，多用在大、中型车床床身上。图6—36c隔板呈连续的w形．该形式能较大地提高水平面的抗弯、抗扭刚度，对中心距超过1500mm的长床身．效果尤为显著。但铸造工艺性较差，故在较短床身上一般不用。图6—36d所示为对角纵向隔板与三角形隔板的组台形式，既提高了床身的刚度，又解决了排屑问题，但是结构较复杂、工艺性较差。832)加强肋加强肋的作用主要在于提高外壁的局部刚度，以减小其局部变形和薄壁振动。一般布置在壁的内侧。图6-37为加强肋的几种常见形式，其中：图a用于加强导轨的刚度；图b用于提高轴承座的刚度；其余3种则用于壁板面积大于400mm×400mm的构件，以防止产生薄壁振动和局部变形。其中，图c的结构最简单、工艺性最好，但刚度也最低、可用于较窄或受力较小的板形支承件上，图d的结构刚度最高．但铸造工艺件差，需要几种不同泥芯，成本较高；图e结构居于上述两者之间。常见的还有米字形和蜂窝形肋，刚度更高，工艺性也更差，仅用于非常重要的支承件上。肋的高度一般可取为壁厚的4—5倍，肋的厚度可取为壁厚的0.8倍左右。84853．合理开孔和加盖支承件壁上开孔会降低刚度，但因结构和工艺要求常常需要开孔。当开孔面积小于所在壁面积的0.2时，对刚度影响较小；当大于0.2时，扭转刚度降低很多。故孔宽或孔径以不大于壁宽的1／4为宜．且应开在支承件壁的几何中心附近或中心线附近。开孔对抗弯刚度影响较小，若加盖且拧紧螺拴，抗弯刚度可接近未开盖的水平，且嵌入盖比覆盖盖效果更好。扭转刚度在加盖后可恢复到原来的35％一41％左右。4．提高局部刚度和接触刚度所谓局部刚度是指支承件上与其它零件或地基相联部分的刚度。当为凸缘联接时，其局部刚度主要取决于凸缘刚度、螺栓刚度和接触刚度；当为导执联接时，则主要反映在导轨与本体联接处的刚度上。86用螺栓联接时，联接部分可有不同形式，如图6—38所示。其中图a）的结构简单，但局部刚度差．为提高局部刚度，可采用图6—38b或图6—38c的结构形式。87图6-39a所示为车床床身，其导轨与本体连接刚度较差，若在局部加肋，如图s—39b所示，则可提高刚度。图6—39c为龙门刨床床身，其V形导轨处的局部刚度低，若改为如图6—39d所示的结构，即加一纵向肋板，则刚度得到提高。885．增加阻尼以提高抗振性增加阻尼可以提高抗振性。铸铁材料的阻尼比钢的大。在铸造的支承件中保留砂芯，在焊接件中填充砂子或混凝土，均可增加阻尼。图6—40所示为某车床床身有无砂芯两种情况下固有频率和阻尼的比较。由图可见，虽然二者的固有频率相差不多，但由于砂芯的吸振作用使阻尼增大很多，从而提高了床身的抗振性。其不足之处是增加了床身的重量。89第五节结构设计中的工艺问题一个机械结构设计的优劣，可从两个方面考虑：首先是对该结构要求实现的功能是否能充分地体现出来，其次是能否经济地加工安装，即工艺性是否好。这种对所设计的结构能综合地考虑和处理制造、装配、使用、维修等方面的各种技术问题，称为结构设计工艺性。设计工艺性涉及的面很广，从机器的总布局到零部件的结构，从零件所用的材料到他们的毛坯选定，从制造工艺到运转维护等，都有不少问题需在设计阶段应给以正确的考虑和处理。以一个零件而言，其尺寸决不是只通过计算就能确定的。实际上，计算出来的数据往往要在考虑工艺性时作些修改。计算的目的主要是判明多大的尺寸才能满足强度、刚度和寿命等要求，而最终的零件结构，必须考虑工艺性后才能确定下来，该零件的毛坯如用铸件，还得考虑铸造工艺性，若用焊接件就得考虑焊接结构工艺性等。90一般零件的毛坯由以下方式获得：型钢切割或铸造、焊接和锻造等。批量小的零件可用锻造、焊接(大件)方法获得毛坯；批量大的可用铸造或精锻方法获得零件的毛坯。新技术、新材料、新工艺的不断产生也促进了结构设计不断变化。精密铸造、精密锻造、精密冲压、挤压、轧制成形和粉末冶金等工艺，使毛坯趋近于成品；真空技术、离子氮化和镀、渗工艺等在热处理中的应用，大大改善了零件的表面质量，在加工中，电火花、电解、激光、电子束和超声加工等工艺的发展，使难加工的材料、复杂形面、精密微孔等的加工变得较为容易和方便。这些都为结构设计提供了方便的条件。91一、机械加工的工艺性机械加工的工艺性可按表6—5所示的四个原则来考虑：929394二、零件装配的工艺性零件装配的工艺性可以按表6—6所示原则来描述：9596三、铸件及焊接件设计准则铸件：用于形状复杂的结构，要求在转折处有圆弧或斜坡等形状。焊接件：用于由简单的几何面(平面或圆柱面等)结合而成的构件，其结构具有薄板、长杆及大平板等特点。焊接件结构变形比铸造件严重，因此重要的焊接部件，如变速箱箱体，需要经过回火消除内应力后再进行机械加工。不论铸件或焊接件，都要经过时效处理消除内应力。一般机床床身是用铸造件，但有时一些重型机械的机身、机匣架及框架等巨大的零件如果结构简单，也可以用焊接件。97（一）常有的铸造方法及特点铸件是由液态金属在型腔内成形的，其形状和大小几乎不受限制，可获得形状复杂的毛坯，而又易于大批量生产，在机械制造中使用得最多，约占机器总重量的50％~80％。由于铸件在冷却过程中内部冷却速度不同，会产生内应力，故所有的铸件均应经过时效处理消除内应力。常有的铸造方法及特点见表6—2：9899(二)铸造件的工艺性1、铸造工艺对结构设计的要求(1)造型方法尽量采用整体模在平板上使用二箱造型。如图6—14(a)所示，改进前铸件是三箱造型，改成图(b)后成为两箱造型，减少了分型面，简化了造型工艺过程。(2)拔模斜度为起模方便，应流有拔模斜度。如图6—15(a)无拔模斜度。由图(b)内、外腔在起模方向均有。100(3)铸件的内腔利用型芯可以铸出形状极为复杂的铸件内腔，但生产成本会明显地增加，所以在结构设计时应尽量不用或少用型芯。（4）铸件壁不宜过厚，尤应避免局部材料积聚，形成过大热节、以致产生较大的铸造应力，使该处出现裂纹和缩孔等缺陷。图6—17(a)为铸件改进前的设计方案，出现很大的热节；图(b)为改进后的结构，消除了热节。101(5)铸造内、外圆角铸件两壁相连的内侧如不用内圆角，则尖角处容易开裂，且浇注和清砂均困难。铸件两壁相连的外侧如不用外圆角，会在直角部位集中很多杂质造成薄弱环节，不仅不美观，还容易伤人。常用铸造内、外圆角半径尺寸规范均可查机械设计手册。1022、总之，铸件的工艺性可按便于造型等原则来考虑，表6—7所示。103104(三)焊接件结构设计的工艺性焊接件的灵活运用可替代部分铸件和锻件，其适用于单件、小批量或大型部件的生产制造，故应用面越来越广。一般焊接后都要对焊接件进行消除残余应力处理。1．焊接材料的选择在满足工作性能要求的前提下，应选用可焊性较好的材料来制造焊接结构件。最常见的是钢材焊接，含碳量低的材料可焊性好。图6—18为几种钢材的可焊性比较及可焊性与含碳量的关系。

105焊接结构件的金属材料最好采用相等的厚度，这样容易获得优质的焊接接头。如果接头两侧的材料厚度相差较大，则接头处会造成应力集中，而且由于接头两边热容量不等，容易产生焊接缺陷。图6—19为不等厚金屑材料焊接时的接头过渡形式。1062．焊缝的布置焊接结构件中的焊缝布置与产品质量、生产率、工人劳动条件等都密切相关。一般焊缝形式如下：①焊缝的布置应尽可能分散。焊缝集中和重叠，会造成金属的严重过热，使组织恶化，机械性能下降。所以两条平行的焊缝，一般要求相距l00mm以上。②焊缝的位置应尽可能对称。焊缝位置对称的优点是焊缝冷却后收缩，由于焊缝位置对称，所以结构件整体变形最小。③焊缝应尽可能避开最大应力和应力集中的位置。对于受重载的结构件、高压容器等，在最大应力和应力集中的位置上不应设置焊缝。例如焊接大跨距的钢梁，如果原材料长度不够，则宁可增加一条焊缝，以便使焊缝避开最大应力的地方，如图6—20(b)所示。压力容器的封头一般都设计成图6—20(d)所示的形状，使焊缝避开应力集中的转角位置。107④处理好焊缝位置与加工面的关系。设计焊缝时要注意，不要让焊缝被切削，以免影响焊缝强度。对于精度要求较高的焊接件，应在全部焊成之后进行退火，然后进行机械加工，免除焊接变形的影响。对有些情况，焊接部件必须加工好之后再进行焊接，则焊缝的位置应该离已加工表面尽可能远一点。在粗糙度要求较高的加工表面上，不要设置焊缝。因为不仅焊缝中有可能存在着某些缺陷，而且焊缝的组织与母材的组织有明显的差别，加工后不能均匀地达到较高粗糙度的要求。108⑤焊缝位置应考虑到焊接操作方便。焊缝位置应考虑到焊接操作空间，内侧焊缝也能伸入焊条。焊缝的布置应尽量能在水平位置上进行焊接，同时要减少或避免工件翻转。良好的焊接结构设计，还应尽量使全部焊接件(至少是主要部件)能在焊接前一次装配点固，以简化焊接工序，提高产品质量和生产率。1092、焊接件的结构设计，除应当正确选择焊缝形式外，还应注意表6—8所示的几个方面。110111四、锻件的结构设计许多零件要用锻造毛坯，锻件的机械性能比铸件好，锻件一般都要经过机械加工，所以锻件既要满足切削加工工艺要求，又要满足锻造工艺要求。对锻件结构形状影响最大的是锻造工艺。1．常用的锻造方法①自由锻。自由锻是在锻锤或液压机上进行的，锻件重可达150t以上，不使用特殊的模具只能锻出简单形状、精度低、表面状态差．用于单件或小批量生产。这类零件都需要切削加工，所以结构设计时主要考虑其切削加工工艺性，同时为了减少锻造困难，不要过分增大余量和加工量，零件的形状应尽量简单，用自由锻的方法难以锻出锥度、斜面、加强筋、工字型截面和其他复杂形状。112②模锻。胎模锻造是用简单的模锻工具在锻锤或自由锻压机上锻造，锻件形状接近零件形状、精度比自由锻好，适用小批量生产。锤上模锻是用模锻锤或无砧模锻锤进行锻造，锻件形状和精度比胎模锻好，用于中批量生产。压力机上模锻及平锻机上模锻．锻件精度及形状复杂程度都比较高，但设备较昂贵，用于大批量生产。③平锻机上顶锻。用平锻机顶锻，锻件为实心或空心杆形零件，尺寸精确、精度较高。生产率高，用于大批量生产。非回转体及中心不对称的锻件，一般不适宜在平锻机上模锻。④精密锻造。可锻出形状复杂少切削甚至无切削的大小锻件。如燃气轮机的叶片、阀门壳体、圆锥齿轮、阶梯轴等。适用于大批量生产。1132．锻造件结构设计准则①尽可能避免锻件截面积变化太大，又要与切削加工后的零件形状接近，减少切削加工余量。②尽可能使工件在模具平面上下对称，模腔深度较浅或凸起部分两边的斜度对称，以便简化模具制造。③当锻件比较复杂、难于锻造时，可分成几个形状比较简单的部分，锻出后组合或焊接起来。④在零件与分模面垂直的壁，要留有拨模斜度，锻件上所有的锐角锐棱都应代以圆弧。114第六节材料的选择一、材料选择应注意的主要问题针对具体的应用条件选择合适的机械零件材料时，需要考虑的主要问题有三：①所选材料的特性和在承载或温度或其它环境因素变化条件下的行为能否满足零件在工作时所遇到的各种情况下的要求，包括使用寿命方面的要求，这是材料的工作能力，常常表现为承载能力的问题；②所选材料是否容易加工，适合所设计的零件的可能的加工条件，这是材料的加工工艺性能问题；③用所选材料制成的零件，其材料费和由材料引出的加工费是否较低而在零件成本中占的百分数比较合理，这是材料的经济性问题。115(—)材料的工作能力问题1、不同零件所要求的材料使用主要有：强度、刚度、耐磨性、美观的要求。2、选材时首要任务：准确地判断零件所要求的主要使用性能。3、零件工作情况、工作条件的分析：1）分析零件工作所承受载荷的类型、大小、方向，以及随时间的变化，包括冲击性载荷与振动载荷等；2）摸清由载荷引起的零件内力反应，变形和应力，以及它们的分布与集中情况等。在此基础上．分析零件可能的失效形式，并从防止失效出发，明确对材料使用性能的要求。3）零件的工作环境因素，如温度和介质的性质(如盐雾)和对材料的特殊性能。如绝缘性、导电性、磁性、导热性、热膨胀特性等的要求，也是选择零件材料时的重要使用性能依据。116(二)材料的工艺性能的问题选择零件的材料时，对材料的工艺性能要比使用性能处于次要地位．但也是—个重要的考虑因素．它关系列零件的制造是否可能、难易和经济。金属零件的工艺路线大体分为三类：1．力学性能要求不高的一般零件毛坯→正火或退火→机械加工→零件。毛坯一般用铸铁或碳钢。如果采用型材直接加工成零件，则因材料出厂前已经过退火及正火，就不必再经过热处理了。这类零件由于对力学性能要求不高，一般用比较普通的材料，其加工性能都很好。1172．力学性能要求较高的一般零件毛坯→正火或退火→粗加工→最后热处理(淬火、回火或渗碳处理等)→精加工预先热处理中的正火(低、中碳钢)或退火(中、高碳钢)的主要作用是消除组织缺陷和改善机械加工性能，例如各种合金钢、高强度合金制造的齿轮轴等均采用这种工艺。3．要求较高的精密零件这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要求有相当高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。由于加工工艺一般比较复杂，性能与尺寸要求很高，零件所用材料的工艺性能应充分保证。118此外，选择材料时，根据毛坯制造工艺要考虑材料的锻造性能、铸造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要选用低碳钢。以上以金属材料为例的注意各项，对塑料等材料的选用也是基本适用的。(三)材料的经济性问题材料的经济性不仅是指材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选用的材料来制造零件时。有助于产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家资源状况和供应情况等。119二、常用材料机械结构常用材料有铸钢、钢、铸铁、球墨铸铁、有色金属、非金属材料和复合材料等。1、铸钢铸钢主要用于制造承受重载的大型零件。由于内部组织不如轧制或锻造钢件，其强度略低于普通锻钢．但其杭弯强度约为灰铸铁的二倍，抗压强度相当，抗扭强度约高50％．其减震性和减摩性均较灰铸铁略差。目前大都采用正火、回火作为最终热处理。按用途可分为一般用途的普通碳素铸钢、低合金铸钢、耐腐蚀铸钢和耐热铸钢等特殊用途铸钢。其中碳素铸钢应用最广，占铸钢总产量的80％以上。低碳素铸钢有良好的导磁性，常用于铸造电磁吸盘和电机壳体以及各种形状的机件，如机座、变速箱壳等。中碳素铸钢的综合的机械性能比较全面，广泛应用于铸造重要的机械零件如轧钢机机架、机车车架、重型齿轮、联轴器等。高碳素铸钢因韧性较差，很少应用。120不锈耐酸铸钢可用于石油、化工、原子能工业中的流体机械的零件，如泵壳、阀、叶轮、水轮机转轮或叶片、螺旋桨、离心铸件等。一般工程用国产铸钢有五种牌号，其力学性能见表6—l61212、钢钢是机器制造中用得最广泛的材料，常用的钢材有碳素钢、合金钢，品种较多。选择钢材时，除了零件的使用要求外，还必须考虑材料的热处理性能和机械加工性能。1）钢的分类：在碳素钢的基础上，根据不同要求再加人各种元素如Ni，Cr，Mo，W，V，Ti，B等，以改善各种性能，例如提高淬透性、耐磨性、硬度、冲击韧性、断裂韧性和高温强度等。122常根据合金元素含量的多少，把合金钢分为：低合金钢（＜5％，中合金钢(5％一10％)，以及高合金钢(＞10％)。也可按用途分：①合金结构钢。这类钢含碳量低，含合金元素不超过5％，有良好的韧性和可焊性，适合桥梁，船舶、车辆、锅炉、压力容器、起重机等用。而在优质碳素结构钢的基础上增加某些元素而成的合金结构钢能制造重要的机械零件，常用的有20Cr．40Cr，35CrMo，18CrMnTi，40CrNiMo等可用于各类轴、齿轮、活塞销等零件。这类零件都必须进行适当的热处理、才能达到所需的机械性能。②合金工具钢。这类钢主要用于制造刀具、量具和模具。③特殊性能合金钢。这类钢具有特殊的物理化学性能，如耐磨、耐蚀、导磁、抗磁等。ZGMn13是著名的耐磨钢，用于回旋破碎机主轴，掘土机铲齿、拖拉机履带等零件。123例如：工具钢中的刃具钢：刃具钢用于在工作中受到很大的切削力、摩擦与切削热作用的产品，因而要具备高的硬度(60HRC以上)、耐磨性和高的热硬性，还应有足够的强度和韧性，以防断裂或崩刃。根据化学成分，刃具钢可分为碳素工具钢、低合金刃具钢及高速钢三类。A）碳素工具钢含碳量在0.65％一1.35％的优质或高级优质高碳钢。高碳含量可保证淬后有足够的硬度。常用碳素工具钢的牌号、热处理及用途见表6—14。124125B）低合金刃具钢低合金刃具钢最高工作温度不超过300℃。含碳量一般在0.8％一1.5％，以保证足够的淬硬性和耐磨性。合金元素总含量通常不大于5％。主要加入元素铬、硅、锰，以提高钢的淬透性和强度。再辅以钨和钒等，以形成碳化物、提高钢的硬度、耐磨性和热硬性。低合金刃具钢的热处理与轴承钢相近。常用低合金刃具钢的牌号、热处理及用途列于表6—15。最常用的低合金刃具钢是9SiCr、CrWMn、9Mn2V和CrW5。126127C）高速钢高速钢是一种含多种合金元素的高合金钢，含碳量达0.7％一1.5％，并加入较多的铬、钨、钒等合金元素，其总含量达10％一25％。铬能提高钢的淬透性；钨能提高热硬性；钒不仅提高钢的硬度和耐磨性，还能降低钢的过热倾向并细化晶粒。常用高速钢的牌号、热处理及用途见表6-16。其中W18Cr4V应用最广，常用来制造各种切削刀具，如车刀、铣刀、拉刀、创刀等，工作温度可达600℃。1281292）钢的编号1301311323）钢的成分特点：1331344）杂质S、P的影响钢中作为杂质存在的元素主要有Mn、Si、S、P等。Mn、Si一般是为脱氧加入钢中的，它对钢的力学性能有提高作用，能脱硫。硫和磷是随炼钢原材料进入钢中。硫与铁形成化合物FeS。FeS与Fe形成低熔点晶，当钢进行加热时，会因共晶体熔化而脆化开裂，这称为“热脆”；磷溶于铁素体会导致钢在低温时的塑性、韧性急剧下降，称为“冷脆”。属有害元素，应子严格限制。生产上根据钢中S、P含量，把钢分为普通钢(S＜0.055％、P＜0.045％)、优质钢(S、P＜0.040％)、高级优质钢(S＜0.030％、P＜0.035％)。硫、磷虽是有害元素，但在某些情况下却有有益的一面，如硫与锰同时加入钢中，形成的MnS会使切削时易于断屑，这种钢称为易切削钢。含磷和铜的低碳钢可以提高钢在大气中的耐蚀性。135钢的制取：先要将铁矿石在高炉中用碳或一氧化碳还原得到生铁(c＞2.11％)，这一过程称为铁的冶炼；然后将生铁与废钢在炼钢炉中炼成钢，这一过程称为钢的冶炼。常用的炼钢炉有平炉、转炉、电弧沪、电渣重熔炉等。钢的冶炼实质上是一个氧化过程。它以生铁和废钢为原料。必须经过脱氧。1365)钢的型材加工炼成的钢液可通过直接浇铸成铸钢件，即形成结构、形状寸与零件大致相同的铸造毛坯。但绝大部分都是先浇铸成钢锭后再经塑性变形成形。少量钢锭通过锻造成形。更多的是经轧制、挤压和拉拔等方法制成各种钢材，如钢管、钢板、型钢、钢丝等，如图6—1所示。1373、铸铁具有良好的铸造性能、切削性能，容易获得。但可焊性差．只能用铸造方法来成形铸件。缺点是强度较低。铸铁一般分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和特殊铸铁等。灰铸铁的断面呈暗灰色，强度较低，脆性较大，但耐磨性比较好，用于中等载荷下的结构件、复杂的薄壁件，使用温度不能超过400℃；可锻铸铁有较好的强度和塑性、耐磨性和减振性优于普通碳素钢，适于制造尺寸小、形状复杂，不能用铸钢或锻钢制造的零件，如汽车前后轮壳、矿用轮、三通、低压阀门等；球墨铸铁耐磨性非常突出，强度和普通碳素钢接近．但塑性和韧性较钢低，适合制造阀体、轴瓦、曲轴、凸轮轴等零件。灰铸铁铸件的抗拉强度见表6—12，球墨铸铁的力学性能见表6—13，可锻铸铁的力学性能见表6l—14和6—15。1381391401411424、有色金属常用的有色金属有铝、铜、锌、锡、铅、镁等。纯金属强度低，一般不单独用；而是以合金来制造零件。常用铝合金和铜合金。(1)铝合金具有以下特点：1)比重小、比强度高，采用各种强化手段后，可以达到与低合金高强钢相近的强度。2)导电性好，仅次于银、铜和金。其资源丰富，成本较低。其磁化率极低，接近于非铁材料、可用于制造电动机的壳体等。3)加工性能好．塑性也好，可以冷成型。由以上特点，铝合金广泛应用于航空工业及其他轻质零件，如内燃机的活塞和仪表壳体等。铝合金的牌号、元素及应用举例如表6—18所示。143144(2)铜合金铜合金有较高的耐磨性、耐腐蚀性、导电性、导热性，广泛用于制造轴套、蜗轮、泵体、管道配件以及电器和制冷设备上的零件。常用的铜合金分为：黄铜、白铜和青铜。黄铜是铜与锌组成的合金。锌能提高黄铜的强度和塑性。再加其他元素时称为复杂黄铜。加锡称锡黄铜，加铝称铝黄铜。黄铜价格较低，应用广泛，常用于耐磨、耐腐零件，如蜗轮、重载齿轮、海轮螺旋桨等。白铜是铜与镍的合金，再加入其他元素称为复杂白铜，有锰白铜、铝白铜等。白铜的特点有很高的化学稳定性，可制造在腐蚀介质(如海水、有机酸和各种盐溶液)中工作的零件。青铜是铜与锡的合金。锡能显著提高青铜的强度和硬度，但单纯的锡青铜很少用，一般还加入磷、