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第9章 机械零件设计概论 91 机械零件设计概论 92 机械零件的强度 93 机械零件的接触强度 94 机械零件的耐磨性 95 机械制造常用材料及其选择 96 公差与配合、表面粗糙度和优先数系 97 机械零件的工艺性及标准化 东莞理工学院田君 91 机械零件设计概论 机械设计应满足的要求： 在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低 ，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单 和造型美观等。 机械零件的失效： 机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。 工作能力-在不发生失效的条件下，零件所能安全工 作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又 称为：承载能力。 零件的失效形式: 断裂或塑性变形; 过大的弹性变形; 工作表面的过度磨损或损伤; 发生强烈的振动；联接的松弛; 摩擦传动的打滑等。 如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带 传动等。机械零件虽然有多种可能的 失效形式，归纳起来最主要的为 东莞理工学院田君 对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件 强度条件：计算应力N0以后，曲线趋于水平，可认为在无限次循 环时试件将不会断裂。 应力与应力循环次数N 之间 的关系曲线称为：疲劳曲线 当NN0 时,试件将不会断裂。 N0 -循环基数 N0 对应的应力称为 ： 当N2% -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。 东莞理工学院田君 选用原则： 优选碳素钢，其次是硅、锰锰、硼、钒类钒类 合金钢钢。 特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。 零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。 应用：应用范围极其广泛。 表9-2 常用材料的相对价格 材 料 种 类 规 格 相对价格 热轧圆钢 碳素结构钢Q235 （ 3342） 1 铸 件 优质碳素钢 （ 2950） 1.51.8 合金结构钢（ 2950） 1.72.5 滚动轴承钢（ 2950） 3 合金工具钢（ 2950） 320 4Cr9Si2耐热钢（ 2950） 5 灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 东莞理工学院田君 3.铜合金 -铜锌合金，并含有少量的锰锰、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润滑的轴轴承衬衬。 东莞理工学院田君 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 热热性、绝缘绝缘 性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来 在机械制造中其应应用日益广泛。 3.其它非金属材料：皮革、木材、纸板、棉、丝等。 选材因素： 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。 用途、工作条件、物理、化学、机械工艺艺性能、经济经济 性。 零件材料 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。 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。 东莞理工学院田君 表9-1 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B 屈服极限S 延伸率% mm Q215 335-410 215 31 碳素 结构钢 Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素 结构钢 35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金 结构钢 40Cr 981 785 9 d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸 钢 ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 - - 灰铸铁HT200 195 - - HT250 240 - - 壁厚 1020 QT400-15 400 250 15 球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚 30200东莞理工学院田君 96 公差与配合、表面粗糙度和优先系数 一、 公差与配合 互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就 能满足预期技术与使用要求的特性。 基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。 实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量 有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于 基本尺寸而言，总是有误差。或大或小 实际尺寸 25.1 轴 实际尺寸 实际尺寸基本尺寸实际尺寸 24.9 孔 25.1 孔 25 孔 基本尺寸 轴 25 轴 24.9 东莞理工学院田君 最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸； 最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸； 尺寸误差 ：实际尺寸与理论设计尺寸之差； 上偏差 ：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,es 下偏差 ：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：EI,ei esESei EI 尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即 允许的尺寸变动量。 ES-EI es-ei 公差=Lmax- Lmax=ES-EI =es-ei Lmin 孔 L 孔 Lmax 孔 轴 L Lmax 轴 Lmin 轴 东莞理工学院田君 轴 L Lmax 轴 Lmin 轴 零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线； 公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域； 零线 ES EI 孔公差带 es ei 轴公差带 国标规定：孔与轴各有28个，分别用如下符号表示： 孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC 轴：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc 基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线位 置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。 + 0 - 零线 L 东莞理工学院田君 孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZC 轴：a b c cd d e ef f fg g h js k m n p r s t u v w x y z za zb zc 基本偏差系列 呈正态分布 B C CDD EEF A FFG GH KMN PR ST UVX Y Z ZA ZB ZC JS 孔 + 0 - 基本尺寸 b ccd d e ef a f fg g h kmnp r s t u vx y zza zb zc js 轴 + 0 - 基本尺寸 东莞理工学院田君 配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间 的关系； 间隙或过盈：孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差； 间隙：代数差为“+”， 孔 轴; 过盈：代数差为“-”， 孔轴，用于可动联接，如活动铰链； 孔轴，用于静联接，如火车轮与轴。 可能有间隙，也可能具有过盈。用于 要求具有良好的同轴性而又便于拆装 的静联接，如齿轮与轴； 最大间隙: Xmax = 孔max-轴min 最小间隙: Xmin = 孔min-轴max 最大过盈: Ymax = 孔min-轴max 最小过盈： Ymin = 孔max-轴min 东莞理工学院田君 间隙 配合 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 过盈 配合 过渡配合 孔公差带 轴公差带 孔公差带 轴公差带 孔公差带 Ymax Xmax Ymax Xmax Ymax Xmax Ymax Ymax Xmin Xmax Xmin= 0 Ymin= 0 轴公差带 Xmax Ymin 东莞理工学院田君 H 零线 D 孔公差 k js h g e f r p m s 间隙配合 过渡配合 过盈配合 配合 基准制 基孔制配合：孔是基准孔，下偏差EI=0， 代号为:H ， 通过改变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。 基孔制配合 基轴制配合 应用广泛 ，可减少孔加工刀具 东莞理工学院田君 零线 h D 轴公差 K JS H G E F R P M S 间隙配合过渡配合 过盈配合 基轴制配合：轴是基准轴，上偏差es=0， 代号为:h ， 通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。 东莞理工学院田君 基孔制常用与优先配合的选用 东莞理工学院田君 基轴制常用与优先配合的选用 东莞理工学院田君 二、 表面粗糙度 轮廓峰谷线 轮廓峰顶线 轮廓峰高 yp 轮廓谷深 yv 中线 l y x 定义：零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度 特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。 评定参数：轮廓算术平均偏差-取样长度l内，被测轮 廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值： 东莞理工学院田君 0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表9-3 用不同加工方法得到的Ra 加工方法 表面粗糙度 Ra m 精 粗 刨削 钻孔 铰孔 精 粗 镗孔 精 粗 车 精 粗 磨 精 粗 研磨 滚、铣 精 粗 Ra愈小，零件的加工成本愈高。东莞理工学院田君 表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如： 1. 对摩擦磨损的影响 摩擦系数 Ra 零件表面愈粗糙，摩擦系 数愈大。但光滑到一定程 度时，润滑油被挤出，产 生亲和力反而使摩擦系数 增大。2. 对疲劳强度的影响 零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易 产生应力集中，使疲劳强度降低。 3. 对耐腐蚀的影响 4. 对结合处密封性能的影响 5. 对振动和噪声的影响等等 零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。 零件表面愈光滑，密封性能愈好。 零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。 东莞理工学院田君 三、 优先数系 优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无 量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品 的参数或参数系列时，应该最大限度采用。 产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和 功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本 ，以实现产品的标准化和系列化。 优先数系是一个以公比为：qr= 10 的十进等比级数， r GB321-80规定了四个优先数系的基本系列： R5 : q5= 10 1.6 5 R10 : q10= 10 1.25 10 R20 : q20= 10 1.12 20 R40 : q40= 10 1.06 40 东莞理工学院田君 优先数系的基本系列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.35 3.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.30 6.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00 R40 R20 优先数-表中任意一个数值。 大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000 。 东莞理工学院田君 97 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性 零件设 计要求 使用要求-具备所要求的工作能力 ； 制造要求-制造工艺可行，成本低 ； 零件工艺性良好的标志： 在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。 工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理 制备方法 毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。 单件或小批量生产时，选用 棒料、板材、型材或焊件。 应用于大批量生产。 用型材 焊接 锻造 铸造 冲压 东莞理工学院田君 97 机械零件的工艺性及标准化 一、工艺性 零件设 计要求 使用要求-具备所要求的工作能力； 制造要求-制造工艺可行，成本低； 零件工艺性良好的标志： 在具体的生产条件下，零件要便于加工且费用低。 工艺性的基本要求： 1) 毛坯选择合理 制备方法：选用型材、焊接、铸造、锻造、冲压等。 毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。 单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件 。 大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。 东莞理工学院田君 2) 结构简单合理 最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合； 尽量减少加工面数和加工面积； 3) 合理的制造精度和表面粗糙度 零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。 决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下 ，尽量采用较低的精度和表面质量。 尽量采用标准件； 增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、 螺纹、键、齿轮模数等）的数量； 4) 尽量减小零件的加工量 毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力 求使少或无切削加工，节约材料、降低