机械零件设计概论

第六章机械零件设计和计算概论一、机械零件的工作能力准则二、机械制造中常用材料及其选择三、许用应力和安全系数四、机械零件的工艺性和标准化一、机械零件的工作能力准则设计机器时，必须满足技术条件所规定的各项要求。对机器的要求首先是：机器的全部功能、预定的使用寿命、制造和运转成本、重量与尺寸指标等；此外，还应考虑机器运输的可能性，外形美观等要求。设计机械零件的要求，概括的讲，所设计的零件既要工作可靠，有要成本低廉。（一）机械零件的主要失效形式当机械零件由于某种原因而丧失正常工作能力，称为失效。常见的失效形式有：断裂、塑性变形、过大的弹性变形、表面失效（磨损、疲劳点蚀、胶合、压溃和腐蚀）等。正常条件条件引起的失效，如带传动中的打滑、受压杆件的失稳。零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。最主要是由于强度、刚度、耐磨性、温度对工作能力的影响以及振动稳定性、可靠性等方面的问题。（二）机械零件的设计准则。设计机械零件时，保证零件不发生失效所依据的基本准则，称为设计计算准则。主要有强度准则、耐磨性准则、刚度准则、振动稳定性准则、耐热性准则等。1.强度准则零件的强度是指零件抵抗破坏的能力。强度准则是机械零件工作能力的最基本准则。强度条件：计算应力许用应力应力的种类:静应力、变应力静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形.变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂.2.耐磨性准则运动副摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。零件抗磨损的能力称为耐磨性。据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。磨料磨损：由于坚硬微粒进入接触面之间而起了磨料的作用，这种磨损称为磨料磨损。胶合：当压力与滑动速度较大，并且润滑与冷却不良时，由磨擦所产生的热量不能及时散逸，从而使接触表面的金属发生熔接，继之又撕裂，这种磨损形式称为胶合。零件的磨损不是简单的物理现象，而是相当复杂的物理-化学过程。影响磨损的因素很多，如载荷的大小和性质、滑动速度、润滑剂的化学性质和物理性质等，但又不能准确估计出来，因此在按磨损计算零件的方法只能是条件性的，而不能十分精确。3.刚度准则刚度是指在一定工作条件下，零件抵抗弹性变形的能力。刚度条件：变形量许用变形量；4.振动稳定性准则振动稳定性是指机器在工作时不能发生振幅超过容许值的振动现象。5.耐热性准则在高温环境中，或者在由于摩擦生热形成高温的条件下，对零件工作是不利的。有些零件通常就是根据热平衡条件来判定其工作温度是否低于许用值的，就必须采取降温措施。强度条件：机械零件设计的步骤：1)拟定零件的计算简图;5)绘制工作图并标注必要的技术条件。2)确定作用在零件上的载荷;3)选择合适的材料;4)根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状;注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。(一)金属材料1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。铸铁常用金属材料钢铜合金——含碳量2%——含碳量≤2%铁碳合金特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。二、机械制造中常用材料及其选择2.钢钢是机械制造中最常用的材料。通常钢可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢又可分为普通碳素钢和优质碳素钢。铸钢也是机械制造中常用的材料,它只适用于铸造零件。为了充分发挥钢材的潜力，提高机械零件的工作能力，通常大多数钢制零件都要进行热处理。钢的热处理就是将钢在固态范围内以不同的形式加热、保温和冷却，从而改变材料的机械性能。常用热处理方法有；退火、正火、淬火、回火、表面热处理等。1.退火退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后工件随炉温缓慢冷却。退火可消除因锻造、焊接等产生的内应力，降低硬度以改善切削加工性能。2.正火正火与退火相似，只是在保温后以较快的速度冷却。正火后钢的硬度和强度都有所提高，但消除内应力效果不如退火好。低碳钢大多采用正火代替退火。对于要求不太高的零件，常只采用正火来提高其力学性能，而不再进行其他热处理。3.淬火淬火是将钢加热到一定温度，保温一定时间，而后急速冷却。淬火后钢的硬度急剧增加，但存在很大的内应力，脆性也相应增加。淬火的主要目的是提高材料的硬度，以提高零件的耐磨性及疲劳强度等。4.回火回火是将淬火钢重新加热到一定温度，保温一段时间，然后冷却。根据加热温度不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。低温回火的加热温度为150~250ºC，淬火钢经低温回火后，可以减小内应力和脆性，保持淬火钢的高硬度和耐磨性，适用于刀具、量具、滚动轴承等。中温回火的加热温度为300~450ºC，淬火后的工件经中温回火后，提高了弹性，减小了内应力和脆性，但硬度有所下降，适用于有弹性要求的零件，如弹簧等。高温回火的加热温度为450~650ºC，淬火工件经高温回火后，可以获得强度、硬度、塑性和韧性等都较好的综合力学性能，适用于各种重要的机械零件，如齿轮、轴、重要螺栓等。习惯上把淬火后高温回火的热处理方法称为调质。5.表面热处理表面热处理是强化零件表面的重要手段，常用的方法有表面淬火和化学热处理两种。表面淬火是将机械零件需要强化的表面迅速加热到淬火温度，随即快速将该表面冷却的热处理方法。化学热处理是将机械零件放在含有某种化学元素介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。它包含渗碳、氮化和氰化等。3.铜合金——铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。种类青铜黄铜轴承合金（巴氏合金）——含锡青铜、不含锡青铜(二)非金属材料1.橡胶橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。2.塑料塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。表6-1常用钢铁材料的牌号及力学性能材料力学性能试件尺寸类别牌号强度极限σB屈服极限σS延伸率%mmQ215335-41021531碳素结构钢Q235375-46023526d≤16Q275490-610275202041024525优质碳素结构钢3553031520d≤25456003551635SiMn88373515d≤25合金结构钢40Cr9817859d≤2520CrMnTi107983410d≤1560Mn9817858d≤80ZG270-50050027018铸钢ZG310-57057031015d≤100ZG42SiMn60038012HT150145----灰铸铁HT200195----HT250240----壁厚10~20QT400-1540025015球墨铸铁QT500-75003207QT600-36003703壁厚30~200选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。表6-2常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10我国资源丰富价格便宜且供应充分有色金属合金具有某些特殊功能，如减摩性、抗腐蚀性、磁和电的性能等。但有色金属量少价昂，非必要时应尽可能少用。设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。在选择材料时，主要满足以下三个方面的要求。1.使用方面的要求这系指前面所述的强度、刚度、耐磨性、耐热性等要求。2.工艺方面的要求这系指所选材料能用最简易的方法制造出零件来。3.经济方面的要求这系指用所选材料能制造出成本最低的机器。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。三、许用应力和安全系数许用应力是设计零件时所依据的条件应力。[σ]选择许用应力通常有两种方法：（一）查许用应力表法（二）部分系数法在静应力下，对塑性材料，取材料的屈服极限σs作为极限应力，即[σ]=σs/S对脆性材料，取材料的抗拉极限σB作为极限应力，即[σ]=σB/S在变应力下，许用应力主要有[σ-1]、[σ0]。四、机械零件的工艺性和标准化（一）机械零件的结构工艺性零件的结构既能满足使用的要求，又能在具体的生产条件下制造和装配时所耗的时间、劳动量及费用最少，那么，这种结构就是符合工艺性的。从零件的工艺性出发，对零件结构提出下面三个基本要求：1.选择合理的毛坯种类2.零件的结构要简单合理,规定合理的制造精度和表面粗糙度3.便于安装、维修将零件的型式、规格、实验方法、质量鉴定及标号等标准化，在机械制造中具有重大意义。设计人员在设计时如无特殊要求，就应当采用国家标准。（二）机械零件设计中的标准化零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出各种各样的大家共同遵守的标准。1、标准化的内容标准化工作包括三方面的内容，即标准化、系列化和通用化，简称为机械产品的“三化”。1）、标准化是指对机械零件种类、尺寸、结构要素、材料性质、检验方法、公差配合和制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造时共同遵照使用。2）、系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。3）、通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换。2、标准化的意义1）、设计方面可减少设计工作量、缩短设计周期和降低设计费用；2）、制造上可以实现专业化大批量生产；能以先进的方法在专门化工厂中对那些用途广泛的零件进行大量的、集中的制造，以提高质量，降低成本。3）、统一了材料和零件的性能指标，使其能够进行比较，并提高了零件性能的可靠性。4）、管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。（三）、我国标准化的分类标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准代号为ISOGBJB、JBQB强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GB／T××××－××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。