项目一机械概述

项目一机械概述§1-1机器的组成机器是现代社会生产劳动的主要工具之—，是社会生产力发展水平的重要标志。一、机器和机构1．机器机器的种类繁多，如电动机、机床、机器人、汽车等。它们的结构形式和用途虽各不相同，但从其组成、运动和功能角度看，却具有下列共同特征：(1)机器是人工的物体组合；(2)各部分(实体)之间具有确定的相对运动；(3)能够转换或传递能量、物料和信，代替或减轻人类的劳动。同时具有上述三个特征的机械称为机器。2．机构机构是人工的物体组合，各部分之间具有一定的相对运动。机器与机构的区别主要是：机器能完成有用的机械功或转换机械能，而机构只是完成传递运动、力或改变运动形式的实体组合。机器包含着机构，机构是机器的主要组成部分。一部机器可以只含有一个机构或多个机构。3．机械机器和机构的总称。4．构件、零件构件是指相互之间能作相对运动的机件(如实体)。例如，带传动机构中(图1-1)，小带轮通过V带带动大带轮，大、小带轮与V带之间都有相对运动，均是构件；而每个带轮与其轴，以及联系带轮与轴的键，相互之间没有相对运动，所以不能看成是构件。带轮、键分别作为带轮构件系统的制造单元，叫轴、做零件。零件制成之后组合成构件。构件可以由一个零件组成，也可以由一组零件组成。实体。机构是机器的重要组成部分。机器和机构统称为机械。二、机器组成的四部分机器的功能需要多种机构配合才能完成。按照各部分实体的不同功能，一台完整的机器，通・2・图1-1带传动机构构件是运动的单元，零件是制造的单元，零件组成构件。构件是组成机构的各个相对运动的常由以下四个部分组成。1．原动机部分原动机部分也称动力装置，其作用是把其他形式的能量转变成机械能，以驱动机器各部分运动、工作。它是机器完成预定功能的动力源，常用的有电动机和内燃机等。2．执行部分执行部分也称工作部分(装置)。它是机器中直接完成具体工作任务的部分，例如汽车的车轮、缝纫机的机头等。3．传动部分(装置)这部分是原动机到工作机构之间的联系机构，用以完成运动和动力的传递和转换。利用它可以减速、增速、调速，改变转矩以及运动形式等，从而满足工作机构的各种要求。传动机构在各种机器中占有重要地位，对机器的结构和外形都有重大影响。4．操纵或控制部分这部分的作用是显示和反映机器的运行位置和状态，控制机器正常运行和工作。控制装置可采用机械、电子、电气、光波等。简单的机器一般由上述的前三部分组成，有的甚至只有原动机和执行部分，如水泵、排风扇等。而现代新型的自动化机器，如数控机床、加工中心等，控制部分(包括检测)的地位愈来愈重要。§1-2金属材料的性能材料是机器的物质基础。金属材料的性能是选择材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。一、金属材料的物理性能金属的物理性能是金属所固有的属性，它包括密度、熔点、导热性、热膨胀性和磁性等。1．密度金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为kg/m。根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于4．5gcm的金属叫做轻金/属。密度是金属材料的一个重要物理性能，与材料的使用和检测等都有关系。例如，在航空工业和汽车工业中，为了增加有效载重量，密度是需要考虑的重要因素。2．熔点金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度(℃)表示。各种金属都有其固定熔点。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金等都很重要。易熔金属及合金可用来制造熔断器和防火安全阀等零件；难熔金属及合金则用来制造要求耐高温的零件，广泛用于火箭、导弹、燃气轮机・3・33和喷气飞机等。熔点低于1000℃的金属称为低熔点金属，熔点在1000℃～2000℃的金属称为中熔点金属，熔点高于2000℃的金属称为高熔点金属。3．导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率(导热系数)λ表示金属材料导热性能的优劣。热导率大的金属材料的导热性好。热导率的单位为W/(mK)。在一般情况下，金属材・料的导热性比非金属材料好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件。4．热膨胀性金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。常用线膨胀系数α表示热膨胀性。如铁在0℃～100℃时α=11．76×10ll温度升高1℃铁增加11．76μ/m。m在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨，架设桥梁，金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。5．导电性金属材料传导电流的性能称为导电性。所有的金属都具有导电性，但各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之。工业上，用铜、铝做导电的结构材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件。6．磁性金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铜、铬、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在768℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。铁磁性材料可用于变压器、测量仪表等制造业；无(顺)磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件和结构材料。二、金属材料的化学性能金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能，如耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。1．耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。腐蚀对金属材料危害很大，每年都有大量的钢铁被锈蚀。严重时还会使金属构件遭到破坏而引发重大恶性事故，特别是在腐蚀介质中工作的金属材料制件(如制药、制酸、碱、肥等化制化工设备)，必须考虑金属材料的耐腐蚀性能。2．抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、处理、接等加热作业时，会发生氧化热焊・4・-6℃-1，即和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其周围制造一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。3．化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。所以，用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。三、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗性能。金属材料在加工和使用过程所受的作用力称为载荷(或称负载或负荷)。根据载荷作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。在这些载荷作用下，金属材料的力学性能主要指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。1．强度强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和破坏的能力。抵抗能力越大，则强度越高；强度越高的材料越能承受较大的外力而不变形和破坏。由于材料承受载荷的方式不同，其变形有多种形式，所以材料的强度又分为抗拉、压、抗抗扭、抗弯、抗剪等的强度，其中最常用的强度是抗拉强度或强度极限σ。b强度极限σ可以通过拉伸试验测定。σ表示材料在拉伸条件下所能承受的最大应力，是bb机械设计和选材的主要依据之一。2．塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示。δψ值越大，表示材料的塑性越好。材料具有塑性才能进行压力加工；塑性好的材料制成、的零件在使用时也较安全。3．硬度硬度是衡量金属材料软硬的一个指标。一般可认为，硬度是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力，是金属材料表面上不大体积内抵抗变形或破坏的能力。它是材料塑性、强度等性能的综合表征。硬度试验条件简便，又不破坏零件，因此硬度广泛应用于检验原材料和热处理件的质量，以及鉴定热处理工艺的合理性等。硬度也是设计图样上的技术参数之一。硬度试验方法可分为压入法和刻划法。在生产上最常用的是压入法硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC、HRB、HRA)和维氏硬度(HV)。(1)布氏硬度(HB)布氏硬度测定原理是用一定的作用力，把一定直径的淬火钢球或硬质合金球压入测试件表面，保持一定时间后卸除力，测量压痕直径，以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值，用符号HBS(淬火钢球)或HBW(硬质合金球)表示。在实际生产中，测试在布氏硬度机上进行，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位，只需测出压痕直径，查布氏硬度表即可得出HB值。布氏硬度用于测定铸铁、铁(有色)金属、合金结构钢等原材料以及结构钢调质件的硬非低度。不能测试很硬(HBS≥450)、很薄以及表面质量要求高的工件。(2)洛氏硬度・5・洛氏硬度试验是用锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1．588mm(1/16in)的钢球作为压头，加上定载荷(载荷先后两次施加)，使压头压入试件表面，根据压痕深度确定其硬度值。根据试验用的压头与载荷不同，洛氏硬度分为HRA、HRB、HRC三种，其中以HRC应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘上读出，不需计算和标出单位。洛氏硬度试验操作迅速简便，压痕小，可在工件表面进行试验，可测定各种金属材料的硬度，也可测定较薄工件或表面薄层的硬度。它是目前应用最广的硬度试验方法。其缺点是因为压痕较小，代表性差。布氏硬度与洛氏硬度由于试验条件不同，因而两种硬度没有换算关系。为了比较，可查各种硬度对照表。(3)维氏硬度(HV)维氏硬度测试原理基本上与布氏硬度试验相同，也是根据压痕单位面积上的载荷来计量硬度值。但压头是一个两相对面间夹角为136°金刚石正四棱锥压头。试验用的载荷，可根据试的样大小、厚薄等条件进行选择。在实际应用中，维氏硬度一般不进行计算，可根据压痕对角线的长度，直接从表中查得。维氏硬度因试验时所加的载荷较小，压入深度浅，故可测量较薄材料和表面硬化层的硬度，而且维氏硬度值具有连续性[(10～1000)HV]，可测定从极软到极硬的各种金属材料的硬度。但测试手续较繁，生产率不如洛氏硬度高，所以不宜用于成批生产的常规检验。4．韧性金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，称为韧性。材料的冲击韧性一般在一次摆锤冲击试验机上进行测试，测得试样在冲断时断口单位面积所消耗的冲击吸收功，称为冲击韧度或冲击值，常用ak表示①，其单位为J/cm。ak值越大，冲击韧度越高。承受冲击载荷的机器零件，2需要用具有较好韧性的材料制造。5．疲劳强度金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验，所以一般试验时规定，钢在经受10次、有色金属经受10次交变载荷作用时不产生断裂的最大应力称为疲劳强度。当施加的交变应力是对称循环力时，所得的疲劳强度用σ-1表示。由于疲劳断裂是突然发生的，具有很大的危险性，所以要选择疲劳强度较好的材料来制造承受交变载荷的机器零件，如轴、齿轮、弹簧等。四、金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指其在各种加工条件下表现出来的适应能力，包括铸造性、压性、锻焊接性、切削加工性、热处理性等。1．铸造性金属材料能否用铸造方法制成优良铸件的性能，称为铸造性能，又称可铸性。铸造性能主要Ak，其中Ak为冲断试样所消耗的冲击功，J；A为试样缺口处的截面积，cm2。A87①ak=・6・决定于金属材料熔化后即金属液体的流动性，冷却时的收缩率和偏析倾向等。不同的金属材料，其铸造性差异较大。常用金属材料中，灰铸铁具有优良的铸造性能，铸钢的铸造性低于铸铁。铸造铝合金和铸造铜合金的铸造性也较好。2．锻压性或可锻性金属材料能否用锻压方法制成优良锻压件的性能，称为锻压性或可锻性。锻压性一般与材料的塑性及其塑性变形抗力有关。在一般情况下，材料塑性好，变形抗力小，则锻压性也好。低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢则较次。低合金钢的锻压性近似于中碳钢，高合金钢的锻压性比碳钢差。3．焊接性金属材料在一定焊接条件下，是否易于获得优良焊接接头的能力称