精密機(jī)械設(shè)計(jì) 第8章 精密機(jī)械設(shè)計(jì)概論

1、基本要求：理解機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本要求、機(jī)械 零件的工作能力、計(jì)算準(zhǔn)則、材料選 擇的一般要求等。重 點(diǎn)：機(jī)械零件的工作能力和整體強(qiáng)度；機(jī) 械零件的接觸強(qiáng)度。,第八章 精密機(jī)械設(shè)計(jì)概論,§8-1 概 述,1、功能要求2、可靠性要求3、精度要求4、經(jīng)濟(jì)性要求5、外觀要求6、其他特殊要求,一. 機(jī)器設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：,工作可靠、成本低廉,在不發(fā)生失效的

2、條件下,零件所能安全工作的限度,工作能力,承載能力,→對載荷而言,★機(jī)械零件設(shè)計(jì)的計(jì)算準(zhǔn)則：,計(jì)算量≤許用量,例如： 強(qiáng)度判定條件： 工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力 剛度判定條件： 變形量≤許用變形量,工作原理、結(jié)構(gòu)、類型、應(yīng)用場合,,受力分析、失效形式,,設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)計(jì)算,二.機(jī)械零件設(shè)計(jì)過程(一般步驟),1、擬訂零件的設(shè)計(jì)簡圖2、確定載荷的大小及位置3、選擇材料4、根據(jù)失效形式選用判定條件，設(shè)計(jì)出零件的主要參

3、數(shù)5、繪制零件工作圖,注意: 1、通過設(shè)計(jì)計(jì)算出的零件尺寸一般并不是最終采用的數(shù)值，設(shè)計(jì)者 還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格加以圓整； 2、在一般機(jī)器設(shè)計(jì)中，只有一部分零件是通過計(jì)算確定其形狀和尺寸 的,而其余的零件則僅根據(jù)工藝要求和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計(jì) ； 3、設(shè)計(jì)工作是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行的過程，經(jīng)過多次修改方案，改變設(shè)計(jì) 參數(shù),才能得到比較合理的結(jié)果。,產(chǎn)品

4、是否具有創(chuàng)新性，很大程度上取決于原理方案設(shè)計(jì),,,,,,原理方案圖,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖,總裝配圖,,,,,,三.機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過程,,設(shè)計(jì)任務(wù),強(qiáng)度條件(或剛度),尺寸,強(qiáng)度條件(或剛度),四. 機(jī)械零件傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,1. 理論設(shè)計(jì),2.類比設(shè)計(jì)3.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)：4.模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：,計(jì)算準(zhǔn)則 :,載荷的類型：,名義載荷：,計(jì)算載荷：,在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在零件上的載荷。,§8-2 機(jī)械零件的強(qiáng)度,計(jì)算載荷=K×名義載

5、荷,載荷系數(shù),強(qiáng)度——抵抗斷裂和殘余變形的能力,靜應(yīng)力：變應(yīng)力：,一.應(yīng)力的種類,對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,穩(wěn)定變應(yīng)力不穩(wěn)定變應(yīng)力,,,,靜應(yīng)力：,靜應(yīng)力,對稱循環(huán)變應(yīng)力,非對稱循環(huán)變應(yīng)力,脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,變應(yīng)力,對稱循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,穩(wěn)定變應(yīng)力不穩(wěn)定變應(yīng)力,,,塑性材料σS,脆性材料σB,脆性材料取強(qiáng)度極限sB(tB) 塑性材料取屈服極限sS(tS),二.靜應(yīng)力下的極

6、限應(yīng)力 (與材料性能有關(guān)),三.變應(yīng)力下的許用應(yīng)力,★變應(yīng)力下零件的失效形式：,疲勞斷裂,疲勞斷裂特征：1、疲勞斷裂的最大應(yīng)力＜材料的屈服極限；2、疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形；3、斷口上明顯地有兩個(gè)區(qū)域：光滑區(qū)、粗糙區(qū)；4、疲勞斷裂是損傷的積累的結(jié)果。,失效形式:疲勞斷裂(塑、脆性材料),變應(yīng)力下的強(qiáng)度,疲勞斷裂與靜力斷裂不同,它與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān).,[σ]=σr /S ；[τ]=τr/S,s－N疲勞曲線,機(jī)

7、械零件的疲勞大多發(fā)生在σ－N曲線的CD段，D點(diǎn)以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū).,s－N疲勞曲線,★疲勞曲線,1、應(yīng)力越小，能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)越多。,應(yīng)力循環(huán)基數(shù),2、疲勞曲線的左半部（N≤N0），可 用下列方程表示：,對應(yīng)于循環(huán)次數(shù)N的彎曲疲勞極限：,★許用應(yīng)力,對稱循環(huán)：,脈動(dòng)循環(huán) ：,應(yīng)力集中系數(shù),尺寸系數(shù),表面狀態(tài)系數(shù),四.許用應(yīng)力和安全系數(shù),1．失效形式：疲勞點(diǎn)蝕,后果： a. 損壞零件的

8、光滑表面 b. 減小了接觸面積， 降低承載能力 c. 引起振動(dòng)和噪聲,五.接觸疲勞強(qiáng)度,由彈性力學(xué)知，當(dāng)兩個(gè)軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時(shí)，其接觸面積為一狹長矩形，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值為:,２．接觸應(yīng)力的計(jì)算,3. 接觸疲勞強(qiáng)度的判定條件,接觸應(yīng)力的特點(diǎn)　　僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。,４．影響接觸疲勞強(qiáng)度的因素,,,,,磨損：（零件表面破壞）,耐磨性：,②零件磨損的三個(gè)階段,跑合磨損階段穩(wěn)定磨損

9、階段劇烈磨損階段,,①影響磨損的因素,六.機(jī)械零件的耐磨性,針對失效形式：零件表面破壞典型零部件：齒輪、軸承、鏈等,③計(jì)算準(zhǔn)則 在預(yù)定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值。,§8-3 機(jī)械零件的常用材料及鋼的熱處理,一. 常用材料,常用零件材料的力學(xué)性能等級(jí)和牌號(hào)1 鑄鐵：含Ｃ＞2.06％→易成型、價(jià)廉、吸振、可靠性差灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵2 鋼：含Ｃ量＜2％→常用碳素鋼：（含Ｓ、Ｐ量不同）普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素

10、鋼合金鋼：綜合機(jī)械性能好，但較貴,合金鋼的優(yōu)良性能取決于 化學(xué)成份及熱處理鑄鋼：含Ｃ→（0.15～0.6）％→易成型3 有色金屬合金：有特殊性能，價(jià)昂→少用鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金4 非金屬材料：工程塑料、橡膠、燒結(jié)材料、復(fù)合材料…,(一)、 鑄鐵： 含碳量＞2％的鐵碳合金，并含有較多 P、S、Mn等雜質(zhì)。,(二)、 鋼：含碳量＜2％的鐵碳合金。

11、,1.碳素鋼,低碳鋼 (≤0.25 %) σs、σB較低，塑性高， 良好的焊接性中碳鋼 (0.25%～0.60%) 綜合力學(xué)性能較好高碳鋼 (＞0.60%) 高強(qiáng)度和彈性,,普通碳素鋼 Q235 、Q275 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 20 、 45,3.鑄鋼 主要用于制造承受重載、形狀復(fù)雜的大型零件。 牌號(hào)：ZG230－450 ( σs＝23

12、0MPa ,σB=450MPa ),綜合機(jī)械性能好，優(yōu)良性能取決于化學(xué)成份及熱處理,但較貴 牌號(hào)： 60Si2Mn 40Cr 20CrMnTi,2.合金鋼,合金鋼,低合金鋼 （合金含量＜5％）中合金鋼 （合金含量5％－10％）高合金鋼 （合金含量＞10％）,,4.有色金屬合金 良好的減摩性、耐腐蝕性、

13、 耐熱性和導(dǎo)電性, 價(jià)昂。 鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金 ZCu H62,5.非金屬材料 耐腐蝕、絕緣性、絕熱性、優(yōu)異的成形性能， 質(zhì)輕價(jià)廉 . 工程塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料…,二.金屬材料的力學(xué)性能,應(yīng)力極限：,1、彈性極限σp,3、強(qiáng)度極限σB,低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線,,力學(xué)性能指標(biāo)

14、,強(qiáng)度塑性硬度沖擊韌性,,2、屈服極限σs,(一)、強(qiáng)度,(二) 塑性：金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力,伸長率δ； 斷面收縮率?,對于低碳鋼，?約25%左右，?約為60%。這二個(gè)指標(biāo)越高，材料的塑性越好。,常用的硬度指標(biāo)：布氏硬度（HBS）硬度機(jī)壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般HBS<450洛氏硬度 （HRC、HRB、HRA）120º金剛石錐體，載荷分別為150kgf,、100k

15、gf 、60kgf維氏硬度 （HV）136 º金剛石四角錐體，載荷小，5-30kgf,(三)、硬度： 硬度↑， → 強(qiáng)度↑、耐磨性↑，但塑性↓,硬度單位之比較： HRC(洛氏)×10 ≈ HBS,(四)、沖擊韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的 能力

16、 彈性能↑，材料的韌性越好。,金屬材料在加工和使用過程中，其力學(xué)性能受多種因素影響： 1.含碳量的影響 2.合金元素的影響 3.溫度的影響 4.熱處理工藝的影響,目的:,1.改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu) 提高材料力學(xué)性能 2.消除內(nèi)應(yīng)力(加工,熱處理),方法:,退火、正火、淬火、回火、表面熱處理,(一)、普通熱處理,1.退火 2.正火 3.淬火（蘸火） 4 .回火,,三. 鋼的熱處理,,正火(

17、空冷),,,,,,退火(爐冷),回火,加熱,保溫,淬火,低溫回火（150～250?C） 中溫回火（350～500?C）高溫回火（500～650?C）,(調(diào)質(zhì)——淬火+高溫回火),(二)、表面熱處理 表面增硬，芯部韌性較好,四. 材料選擇原則,使用要求：使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、重要程度...工藝要求：零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法...經(jīng)濟(jì)要求：材料價(jià)格結(jié)合加工費(fèi)用、材料利用率、 批量、環(huán)境污染