第15章機械零件設(shè)計概論

第15章機械零件設(shè)計概論§15－1機械零件設(shè)計概論§15－2機械零件的強度§15－3機械制造常用材料和鋼的熱處理§15－4機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化中南大學(xué)專用作者：潘存云教授§15－1機械零件設(shè)計概論機械設(shè)計應(yīng)滿足的要求：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。機械零件的失效：機械零件曲于某種原因不能正常工作時，稱為失效。工作能力----在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是對載荷而言，所以習(xí)慣上又稱為：承載能力。零件的失效形式:斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強烈的振動；聯(lián)接的松弛;摩擦傳動的打滑等。如軸、齒輪、軸瓦、軸頸、螺栓、帶傳動等。機械零件雖然有多種可能的失效形式，歸納起來最主要的為中南大學(xué)專用作者：潘存云教授對于各種不同的失效形式，也各有相應(yīng)的工作能力判定條件強度條件：計算應(yīng)力<許用應(yīng)力；機械零件設(shè)計的步驟：1)擬定零件的計算簡圖;5)繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件。

防止失效的判定條件是：計算量<許用量----工作能力計算準(zhǔn)則。2)確定作用在零件上的載荷;3)選擇合適的材料;4)根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應(yīng)的判定條件，確定零件的形狀;

注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數(shù)值，設(shè)計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標(biāo)誰、規(guī)格加以圓整失效原因:強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、溫度等原因。剛度條件：變形量<許用變形量；中南大學(xué)專用作者：潘存云教授載荷系數(shù)K----考慮各種附加載荷因素的影響。名義載荷-----在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷?！?5－2機械零件的強度計算載荷-----載荷系數(shù)與名義載荷的乘積。計算應(yīng)力-----按名義載荷計算所得之應(yīng)力：名義應(yīng)力-----按名義載荷計算所得之應(yīng)力。強度判定條件：σ、τ[σ]=、[τ]-----許用應(yīng)力S-----安全系數(shù)σlim、τ

lim-----極限應(yīng)力，由實驗方法測定。然而在機器運轉(zhuǎn)時，零件還會受到各種附加載荷，通常用引入中南大學(xué)專用作者：潘存云教授一、應(yīng)力的種類otσ

σ=常數(shù)σmax脈動循環(huán)變應(yīng)力r=0σm靜應(yīng)力:σ=常數(shù)變應(yīng)力:σ隨時間變化平均應(yīng)力:應(yīng)力幅:Tσmaxσminσaσaσm循環(huán)變應(yīng)力otσ變應(yīng)力的循環(huán)特性:σmaxσminσaσa對稱循環(huán)變應(yīng)力r=-1otσ----脈動循環(huán)變應(yīng)力----對稱循環(huán)變應(yīng)力-1=0+1----靜應(yīng)力otσσaσaσminr=+1靜應(yīng)力是變應(yīng)力的特例中南大學(xué)專用作者：潘存云教授二、靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力靜應(yīng)力下，零件材料的破壞形式：斷裂或塑性變形塑性材料，取屈服極限σS作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：脆性材料：取強度極限σB作為極限應(yīng)力,許用應(yīng)力為：三、變應(yīng)力下的許用應(yīng)力變應(yīng)力下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂具有以下特征：

1)疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強度極限低，甚至比屈服極限低;2)疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;3)疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋，這種微裂紋隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，直至余下的未斷裂的截面積不足以承受外載荷時，就突然斷裂。疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是損傷到一定程度后，即裂紋擴展到一定程度后，才發(fā)生的突然斷裂。所以疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(即使用期限或壽命)有關(guān)的斷裂。

不管脆性材料或塑性材料，中南大學(xué)專用作者：潘存云教授1、疲勞曲線NOσσ-1N0σ-1NN由圖可知：應(yīng)力越小，試件能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。試驗表明，當(dāng)N>N0以后，曲線趨于水平，可認(rèn)為在無限次循環(huán)時試件將不會斷裂。應(yīng)力σ與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線稱為：疲勞曲線當(dāng)N>N0時,試件將不會斷裂。N0----循環(huán)基數(shù)N0對應(yīng)的應(yīng)力稱為：當(dāng)N<N0時,有近似公式：對應(yīng)于N的彎曲疲勞極限：疲勞極限用σ-1表示材料在對稱循環(huán)應(yīng)力下的彎曲疲勞極限。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授2、許用應(yīng)力在變應(yīng)力，應(yīng)取材料的疲勞極限作為極限應(yīng)力。同時還應(yīng)考慮零件的切口和溝槽等截面突變、絕對尺寸和表面狀態(tài)等影晌，為此引人應(yīng)力集中系數(shù)kσ、尺寸系數(shù)εσ和表面狀態(tài)系數(shù)β等。當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為：當(dāng)應(yīng)力是脈動循環(huán)變化時，許用應(yīng)力為：σ0為材料的脈動循環(huán)疲勞極限，S為安全系數(shù)。以上各系數(shù)均可機械設(shè)計手冊中查得。以上所述為“無限壽命”，有限壽命時，用σ-1N代入得：中南大學(xué)專用作者：潘存云教授四、安全系數(shù)

安全系數(shù)定得正確與否對零件尺寸有很大影響1）靜應(yīng)力下，塑性材料的零件：S=1.2～１.5

鑄鋼件：S=1.５～２.5S↑典型機械的S可通過查表求得。無表可查時，按以下原則?。骸慵叽绱?，結(jié)構(gòu)笨重。S↓→可能不安全。２）靜應(yīng)力下，脆性材料，如高強度鋼或鑄鐵：

S=3～43）變應(yīng)力下，S=1.3～1.7材料不均勻，或計算不準(zhǔn)時?。篠=1.7～2.5中南大學(xué)專用作者：潘存云教授§15－3機械制造常用材料及其選擇機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等。一、金屬材料1.鑄鐵：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。2.鋼：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等)、碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼等。鑄鐵常用金屬材料鋼銅合金----含碳量>2%----含碳量≤

2%鐵碳合金特點：良好的液態(tài)流動性，可鑄造成形狀復(fù)雜的零件。較好的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）、成本低廉。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣。其中灰鑄鐵最廣、球墨鑄鐵次之。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授選用原則：優(yōu)選碳素鋼，其次是硅、錳、硼、釩類合金鋼。特點：與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性?？捎脽崽幚矸椒ǜ纳破淞W(xué)性能和加工性能。零件毛坯獲取方法：鍛造、沖壓、焊接、鑄造等。應(yīng)用：應(yīng)用范圍極其廣泛。表9-2常用材料的相對價格材料種類規(guī)格相對價格熱軋圓剛碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235（φ33~42）1鑄件優(yōu)質(zhì)碳素鋼（φ29~50）1.5~1.8合金結(jié)構(gòu)鋼（φ29~50）1.7~2.5滾動軸承鋼（φ29~50）3合金工具鋼（φ29~50）3~204Cr9Si2耐熱鋼（φ29~50）5灰鑄鐵鑄件0.85碳素鋼鑄件1.7銅合金、鋁合金鑄件8~10價格便宜且供應(yīng)充分我國資源豐富

中南大學(xué)專用作者：潘存云教授3.銅合金-銅鋅合金，并含有少量的錳、鋁、鎳特點：具有良好的塑性和液態(tài)流動性。青銅合金還具有良好的減摩性和抗腐蝕性。零件毛坯獲取方法：輾壓、鑄造。應(yīng)用：應(yīng)用范圍廣泛。種類青銅黃銅軸承合金（巴氏合金）-含錫青銅、不含錫青銅二、非金屬材料1.橡膠橡膠富于彈性，能吸收較多的沖擊能量。常用作聯(lián)軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用于制造用水潤滑的軸承襯。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授2.塑料塑料的比重小，易于制成形狀復(fù)雜的零件，而且各種不同塑料具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦系數(shù)大等，所以近年來在機械制造中其應(yīng)用日益廣泛。

3.其它非金屬材料：皮革、木材、紙板、棉、絲等。選材因素：設(shè)計機械零件時，選擇合適的材料是一項復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題設(shè)計者應(yīng)根據(jù)零件的用途、工作條件和材料的物理、化學(xué)、機械和工藝性能以及經(jīng)濟(jì)因素等進(jìn)行全面考慮。

用途、工作條件、物理、化學(xué)、機械工藝性能、經(jīng)濟(jì)性。零件材料各種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能可在相關(guān)國標(biāo)、行標(biāo)和機械設(shè)計手冊中查得。為了材料供應(yīng)和生產(chǎn)管理上的方便，應(yīng)盡量縮減材料的品種。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授二、鋼的熱處理1、定義2、常用的熱處理方法中南大學(xué)專用作者：潘存云教授§15－4機械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化一、工藝性零件設(shè)計要求使用要求----具備所要求的工作能力；制造要求----制造工藝可行，成本低；零件工藝性良好的標(biāo)志：在具體的生產(chǎn)條件下，零件要便于加工且費用低。工藝性的基本要求：1)毛坯選擇合理制備方法：選用型材、焊接、鑄造、鍛造、沖壓等。毛坯選擇與生產(chǎn)批量、材料性能和加工可能性有關(guān)。單件或小批量生產(chǎn)時，選用棒料、板材、型材或焊件。大批量生產(chǎn)時，往往選用鑄造、鍛造、沖壓等方法。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授2)結(jié)構(gòu)簡單合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等簡單表面極其組合；▲盡量減少加工面數(shù)和加工面積；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本隨精度和表面粗糙度的提高而急劇增加。決不能盲目追求高精度，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，盡量采用較低的精度和表面質(zhì)量?！M量采用標(biāo)準(zhǔn)件；▲增加相同形狀、相同元素（直徑、圓角半徑、配合、螺紋、鍵、齒輪模數(shù)等）的數(shù)量；4)盡量減小零件的加工量▲毛坯形狀和尺寸應(yīng)盡量接近零件本身的形狀和尺寸。力求使少或無切削加工，節(jié)約材料、降低成本?！M量采用精密鑄造、精密鍛造、冷軋、冷擠壓、粉末冶金等先進(jìn)工藝滿足上述要求。欲設(shè)計出工藝性良好的零件，設(shè)計者必須虛心向工藝技術(shù)人員和一線工人學(xué)習(xí)，在實踐中積累經(jīng)驗。中南大學(xué)專用作者：潘存云教授二、標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容：1)產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的規(guī)格品種滿足用戶的廣泛