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机电设备评估基础 第一章 机器的组成与制造 第一节 机器的组成 一、按功能分析机器的组成 在日常生活和工程中经常见到的缝纫机、洗衣机、汽车、拖拉机、起重机、各种机床、发电机、电动机、机器人等，都称为机器。 各种机器的构造不同，工作对象也不同。 机器的用途不同，因为组成也各不相同。但是，从功能角度分析，大部分机器都包含有外界输入能量的动力部分、履行机器功能的执行部分、介于动力部分和工作部分之间的传动部分及控制部分。 （一）动力部分 动力部分是指原动机及其相应的配套装置。它的作用是将飞机械能转换为机械能并给机器提供动力。 其中，一次动力机是将自然界的一次能源直接转化为机械能，例如水轮机和内燃机等；而二次动力机则是将二次能源转化，例如电能转化为机械能，如电动机等。 常用的动力机有电动机和内燃机。 电动机根据使用电源的不同，分为交流电动机和直流电动机。 交流电动机又分为三相交流异步电动机和同步电动机。 内燃机是指燃料在汽缸内部燃烧，直接将工质所含的热能转化为机械能的装置。内燃机的特点是功率范围宽，操作简便，启动迅速并且便于移动，大多用于野外作业的工程机械、农用机械和船舶、车辆等、 （二）传动部分 传动部分是在动力部分和执行部分之间的中间装置。它的任务就是将原动机提供的机械能以动力和运动的形式传递给工作部分。（三）工作部分（执行部分） 工作部分是直接完成机器预定功能的部分，如车床的刀架；车辆的车厢；飞机的客舱、货仓等。工作部分是机器直接进行生产的部分，是机器用途、性能综合体现的部分，是机器设备区分和分类的依据。 动力部分、传动部分以及控制部分都应该根据工作部分的功能要求、运动参数和动力参数的合理范围进行设计和选择。它们是为了实现工作部分的技术能力而服务的。 有不少机器其原动机和传动部分大致相同，但由于其工作部分不同，而构成了用途、性能不同的机器。如汽车、拖拉机、推土机等，其原动力均为内燃机，其传动部分也大同小异，但由于其工作部分不同就形成了不同类的机器。 （四）控制部分 控制部分是指为了提高产品产量、质量、减轻人们的劳动强度，节省人力、物力等而设置的那些控制器。 对于结构比较复杂，控制精度和响应速度要求较高的系统，就需要使用控制装置代替人工操作。 控制系统是由控制器和被控对象组成的。不同控制器组成的系统也不一样。如手动操纵代替控制器的手动控制系统；由机械装置作为控制器组成的机械控制系统；由气压、液压装置作为控制器的气动、液动控制系统；由电气装置或计算机作为控制器的电气或计算机控制系统等。随着科学技术的发展，计算机控制系统广泛应用于工业生产中。综上所述，可以看出，控制器要完成被控制参数的调节，应有四个基本部分： （1）给定值发生器。它输出与被控制量目标值相对应的信号。 （2）比较值。把被控制参数的实际值与给定值比较，产生误差信号送给驱动器。 （3）驱动和执行机构。它把误差信号放大，变成能驱动执行的物理量，参与被控制量的调节。 （4）检测变换原件。对被控参数的实际值进行测量，并把测得的物理量转化成电量。 1.模拟控制与数字控制 控制系统中，连接各环节间的信号分为两种。一种是模拟量，即时间上和数值上都连续变化的物理量，例如温度、压力、流量、电压、电流等；另一类是数字量，即在时间上和数值上不连续变化的物理量，例如数字逻辑电路中的开关信号和计算机中的数。 在一个系统中，如果各环节间所有的信号都是模拟量，这个系统就称为模拟控制系统或模拟控制器；如果各环节间有一个或多个信号为数字信号，则该系统称为数字控制系统或数字控制器。数字控制系统代表了当前自动控制技术的发展方向。 2.闭环控制系统和开环控制系统 （1）闭环控制系统。在这种控制系统中，系统通过测量元件对被控制对象的被控参数（如温度、压力、流量、转速、位移等）进行测量，再将其反馈到输入端，与输入端的给定值进行比较，然后形成误差信号。控制器根据误差信号进行控制调节，使系统逐渐减小误差，从而达到使被控参数趋于乃至等于给定值的目的。 反馈就是将输出量返回馈送，并于输入量进行比较的过程，比较的结果称为偏差。自动控制过程就是测偏和纠偏的过程。这一原理称为反馈控制原理。 在闭环控制系统中，操纵变量作用于被控对象的被控变量，而被控变量的变化又通过自动控制去影响操纵变量。从信息的传递关系来看，构成了一个闭合回路，所以称为闭环控制系统。由于被控变量的信息要送回到自动控制装置，所以也称为反馈控制系统。(2)开环控制系统。在开环控制系统中，输出量不影响系统的控制作用，即系统的的输出端与输入端之间没有反馈通道。与闭环控制系统不同，它不需要被控对象的反馈信号，控制器直接根据给定值控制被控对象工作。这种控制系统不能自动消除被控参数与给定值之间的误差。与闭环控制系统相比，其控制功能显然要差一些。 3.计算机控制 自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工和比较。这些功能是由检测变换装置、控制器和执行机构完成的。其中，控制器是控制系统的关键部分，它决定了控制系统的控制性能和应用范围。 若将自动控制系统中控制器的功能用计算机来实现，就构成了计算机控制系统。如果计算机是微型计算机，就称之为微机控制系统。简单来说，计算机控制系统就是由各种各样的计算机参与控制的一类系统，它将计算机技术与自动控制技术相结合，其特点是： 在一般的模拟控制系统中，控制规律是由硬件产生的，要改变控制规律就要更改硬件电路。而在计算机控制系统中，控制规律是用软件实现的，计算机执行预定的控制程序，就能实现对被控参数的控制。因此，要改变控制规律，只要改变控制程序就可以了，这就使控制系统的设计和修改更加灵活方便。特别是可以利用计算机的强大的计算、逻辑能力、记忆、信息传递能力，实现更为复杂的控制规律，例如非线性控制、逻辑控制、自适应控制、自学习控制以及智能控制等。 二、按结构分析机器的组成机器的种类繁多，其构造、用途和性能虽然各不相同，但它们都是由许多零件、构件和机构组成的。零件是机器的制造单元。机器零件时根据使用的范围又分为通用零件和专用零件两类。通用零件是指各种机器中常用的零件，如螺栓、螺母、齿轮等。专用零件是指某种机器中特有的零件，如内燃机的凸轮轴等。构件是机器的运动单元，或运动整体。构件可以是一个零件，也可以是几个零件的刚性组合。例如，内燃机的曲轴就是由一个零件组成的构件，而连杆是由连杆体、连杆盖、连杆轴瓦、螺栓等若干零件组合起来的构件。机构是由许多构件组合而成的，构件件之间具有确定的相对运动，它在机器中起到传递运动或变换运动方式的作用，如齿轮机构、凸轮机构等。最简单的机器中包含一个机构，如螺旋千斤顶就是由一个螺旋传动机构组成的。大多数机器都包含若干个机构。机器与机构的区别在于：机器能实现能量的转换（如内燃机、发电机和电动机）或代替人的劳动去做有用的机械功（如起重机、机床），而机构则没有这种功能。仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别。为了叙述方便，通常用“机械”一词作为机器与机构的统称。简单的机械只由少数零件组成，如滑轮、手电钻等；复杂的机械是由许多零件和部件组成的一台机器，如车床、起重机、汽车等；成套机械则由许多不同的机器组成，以完成某项生产任务，如造纸机械、生产自动线等。第二节机械工程常用材料一、材料的分类（一）按照材料的组成分类材料按照组成可以分为以下几类： 黑色金属材料 金属材料材料 有色金属及其合金材料无机非金属材料非金属材料有机高分子材料（二）按照材料的应用分类结构材料：以力学性能为主要使用性能并兼具一定物理、化学性能 功能材料：具有特异物理化学性质，如超导材料、激光材料、形状记忆材料等二、常用的工程材料（一）黑色金属黑色金属指钢和以铁为主的合金。1、碳素钢（检测碳钢）（1）根据碳含量，碳钢分为：低碳钢：含碳量0.6%（2）硫（S）与磷（P）是钢中的有害杂质，对钢的机械性能影响很大。根据硫、磷的含量，碳钢分为：普通质量钢：S的含量为0.03S%0.0S0%，P的含量为0.03S%0.04S%优质钢：S、P含量均小于等于0.03S%高级优质钢：S的含量为0.020%0.030%；P的含量为0.02S%0.030%(3)根据钢的用途，碳钢分为：碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器零件，属于低碳或中碳钢碳素工具钢：主要用于制造各种道具、工具、量具和模具等，属于高碳钢铸造碳钢：用于制造形状复杂、力学性能要求比铸造铁高的零件2.合金钢为了提高钢的性能，在炼钢时有意加入一些合金元素，这样获得的钢称为合金钢。（1）根据用途，合金钢分为：合金结构钢：普通低合金钢、易削钢、弹簧钢、轴承钢等合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢等特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢等（2）根据合金元素含量，合金钢分为：低合金钢：合金元素含量10%（3）根据正火后的组织，合金钢分为：珠光体钢、玛氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢以及铁素体钢。3.钢的牌号（1）普通碳素结构钢。牌号由代表屈服极限的拼音字母“Q”、屈服极限数值（单位为MPa）、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分表示。质量等级有四级，分别以ABCD表示。脱氧方法以F、B、Z与TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静钢。例如，Q23SAF表示屈服极限为23Smpa、质量等级为A、沸腾钢。(2)优质碳素结构钢。用两位数字表示含碳量为万分之几。例如，4S钢表示含碳量为0.4S%4SMn表示钢中含锰较多，在0.7%1.2%。（3）铸造碳钢。牌号由代表铸钢的拼音字母“ZG”、屈服极限数值（单位为MPa）、横线、抗拉极限（单位为MPa）四个部分组成、例如，ZG200-400表示屈服强度=200MPa，抗拉极限=400MPa的铸造碳钢。（4）碳素工具钢。含碳量较高，在0.6S%1.3S%的范围内。牌号由T+数字（表示含碳量为千分之几）组成。例如，T8钢表示含碳量为0.8%，T8A表示高级优质碳素工具钢。（S）合金结构钢。由两位数字（含碳量的万分之几）+合金元素符号+数字(元素含量的百分之几，1.S%以下不注)。（6）合金工具钢。与合金结构钢类似，只是当含碳量大于等于1%时，不注明；小于1%时，以千分之几表示。例如，9CrSi表示含碳量为0.9%;Cr、Si含量均小于1.S%。（7）滚动轴承钢。由G（代表滚字的拼音）+Cr+数字（铬含量的千分之几）表示。滚动轴承钢都是高级优质钢，但牌号后面不加“A”。例如，Gcr13钢表示铬的含量为1.30%。4.铸铁铸铁是含碳量大于等于2.11%的铁碳合金。分为灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁4种。灰口铸铁的特点：脆性大、抗压极限是抗拉极限的3S倍，成本低，铸造性与减震性能好，可制成形状复杂的零件。灰口铸铁牌号用HT表示，后面的数字表示抗拉极限。例如，HT1S0表示抗拉强度为1S0MPa。球墨铸铁：含球状石墨。球磨铸铁特点是强度、塑性、韧性比灰口铸铁好，具有较高的延展性和耐磨性，减震性、耐磨性、切削性能、铸造性均优于钢。球磨铸铁牌号用QT表示，例如，QTS00-7表示最低抗拉极限为S00MPa，而最小伸长率为7%。(二)有色金属有色金属指非铁金属及其合金。铜合金。可以分为黄铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜以及白铜。其中： 黄铜为铜锌合金，易成型，耐蚀性好，色泽美观。主要用于光学仪器零件，齿轮、涡轮、衬套、轴、镜座的制造。 锡青铜为铜锡合金，耐蚀性比黄铜和纯铜高。用于制造弹簧、片簧、轴承、轴套、垫圈、抗磁元件等。 铝青铜为铜铝合金，机械性能比黄铜、锡青铜好，但铸造性、焊接性差，因此用量少。用于制造弹簧和高耐蚀性的弹性元件。 铍青铜为铜铍合金，强度、硬度、弹性极限有提高，具有良好的耐蚀性，导热性、导电性好，无磁性，但价格较高。用于制造精密仪器的重要弹簧。 此外，还有铝合金、钛合金等。(三)非金属材料 1工程塑料。密度小，耐蚀性好，绝缘，加工性好。机械强度差，特别是刚性差，耐热性低，一般为100摄氏度以下。散热性差，易老化，易燃。 常用的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、ABS塑料、聚碳酸酯、有机玻璃、聚甲醛和聚酰胺(尼龙)。 2橡胶。弹性好，绝缘性好，耐磨损，耐化学腐蚀，耐放射性。主要用于弹性材料、密封材料、减震材料、传动材料。 常用的橡胶材料有天然橡胶、合成橡胶和特种合成橡胶。 3人工合成矿物。主要有刚玉和石英。 4复合材料。由两种以上在物理和化学上不同的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。复合材料由基本材料和增强材料组成，基体一般是强度高、韧性好的材料，如聚合物、橡胶、金属等，而增强材料是高强度、高弹性模量的材料，如玻璃纤维、碳素纤维、硼纤维等。复合材料的特点是抗疲劳性能好、减摩、耐擦、自润滑性能好、化学稳定性好。具有某种特殊性能，如隔热性，特殊的电、光、磁性。三、金属材料的工程性能(一)力学性能是结构件选材的主要依据其中包括强度、刚度、塑性、韧性、硬度等。强度指标。强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形与断裂的能力。主要强度指标有比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限与疲劳极限等。 刚度指标。反映了材料抵抗弹性变形的能力。主要是弹性模量，数值上等于产生单位应变所需要的应力。 塑性指标。金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。衡量材料塑性性能的指标，包括伸长率和断面收缩率。伸长率在数值上等于试件伸长量与原来长度之比；而断面收缩率在数值上等于断面面积减小与原断面面积之比。 韧性指标。衡量材料承受冲击载荷的能力。主要指标是冲击韧度，其数值代表试件在冲击载荷作用下断裂时，缺口处单位面积上所消耗的功。 硬度。表明材料表面在一个小体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常采用压痕深度或压痕单位表面积所承受的载荷作为硬度值高低的指标。常用的硬度指标有布式硬度、洛式硬度与维式硬度。 黑色金属材料力学性能的影响因素：1 含碳量的影响：一般来说，钢的含碳量提高，则材料的强度和硬度升高，而塑性降低。2 合金元素的影响：铬可以提高钢的硬度、耐磨性、冲击韧性和淬透性；锰可以提高钢的强度和淬透性；镍可以提高钢的强度、耐热性和耐蚀性；钨可以提高钢的硬度和韧性。3 温度的影响：高温下强度和硬度随温度升高而降低，塑性增高。4 热处理的影响：不同的热处理工艺会使钢的工程性能产生不同程度的变化。（二）材料的工艺性能如果所用材料制备工艺复杂或难以加工，必然带来生产成本提高或无法使用。材料的工艺性能主要指铸造性、可锻性、可焊性以及切削加工性等。（三）材料的物理、化学性能在机械制造行业中，虽然物理化学性能不是构件设计的主要参数，但是在某些特定的情况下，也必须考虑材料的物理化学性能。材料的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性及磁性等；材料的化学性能主要包括耐腐蚀性、抗氧化性以及热化学稳定性等。第三节 机械制造基本过程一、机器的生产过程和工艺过程（一）机器的生产过程机器的生产过程是指将原材料转变为成品的全部过程。结构比较复杂的机械产品，其生产过程主要包括：1 各种生产服务过程。包括原材料和半成品的供应、运输和保管，产品的包装和发运等。2 生产技术准备过程。指产品投入生产前的各项生产和技术准备工作，如产品的试验研究和设计；工艺设计和专用工装设备的设计与制造；各种生产资料的准备以及生产组织方面的工作。3 毛坯制造过程。如铸造、锻造、冲压、切割下料、焊接等。4 零件的加工过程。如机械加工、焊接、热处理和其他表面处理等。S 产品的装配过程。包括部件装配和总装配，调试、检验和油漆等。 一台机器往往是由几十个、几百个甚至几千个零件组合而成。为了使产品达到优质、高产、低消耗，一台机械产品的生产过程往往由许多工厂联合完成。这样做也有利于零部件的标准化和组织专业化生产。 在实际生产中，汽车的生产是一个社会化的过程，是由若干不同的专业化生产厂（或车间）合作完成的。为了经济且高质量、高效率地提供汽车生产所需要的零部件，这些专业化工厂（车间）按照产品的协作原则组织生产、分工合作。例如，生产一台发动机，首先是在铸造车间和锻造车间，将各种特性不同的原材料加工制造成毛坯；然后经过机械加工车间、热处理车间制成合格的零件；再结合利用其他专业技术的产品，如火花塞（汽油机）、燃油泵（柴油机）等各种附件，在总装厂（车间）进行部件装配和总成装配；最后经过调试试验，达到要求的性能指标，成为一台质量合格的发动机。而发动机再和其他的部分，例如底盘、车身、轮胎、电气系统等，总装配而成为汽车。一个完整的汽车生产过程，除了上述的生产厂（车间）外，还应该包括为生产准备和为生产服务的有关部门，如原材料和半成品供应，成品品质检测，工具架和刀具的制造、管理和准备、设备维护等部门。（二）机器的制造工艺过程在产品生产过程中按照一定顺序改变生产对象的形状、尺寸、相对位置或性质等使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。机械制造中的工艺过程包括毛坯制造、机械加工、热处理以及装配等过程。工艺过程是由一系列的工序组合而成的。工序是指一个或一组工人，在一个工作地点对同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程。原材料依次通过这些工序变为成品。工序是工艺过程最基本的组成单位。在生产管理上工序又是制定定额、计算劳动量、配备工人、核算生产能力、安排生产作业计划、进行质量检验和班组经济核算的基本单位。一个零件往往可以采用不同的加工方法或不同的加工过程进行加工。工程技术人员可以从几个不同的方案中选择在具体生产条件下最合理的一个，并编制工艺文件，用表格或文字形式确定下来，作为组织生产、指导生产、编制生产计划的依据。这一工艺文件即是该零件的加工工艺规程。工艺规程是组织车间生产的主要技术文件，是生产准备和计划调度的主要依据。工艺过程卡片是生产中一种常用的工艺文件。工艺过程卡片是按工序填写的表格，用以说明零件各工序的加工内容、所需设备、加工车间及各工序的先后次序。由此可见，有了工艺规程，在产品投入生产之前就可以根据它进行一系列的准备工作。如原材料供应；机器的调整；专用工艺装备的设计与制造；生产作业计划的编排；劳动力的组织以及生产成本的核算等。在新建和扩建工厂、车间时，只有根据工艺规程和生产数量才能准确地确定生产所需机床的种类和数量；工厂或车间的面积；机床的平面布置；生产工人的工种、等级、数量以及各辅助部门的配备等。因此，了解了工艺规程就可以了解工厂生产的基本情况。制定最佳的加工工艺规程应根据具体要求和具体条件选择适当的加工方法，合理安排加工顺序，制定正确的加工工艺，因为它将直接影响成品的质量、成本和生产效率。二、 毛坯生产根据零件或产品所需要的形状、工艺尺寸而制成的，供进一步加工用的生产对象叫毛坯。铸造、压力加工及焊接是获得毛坯的主要手段。（一）铸造铸造是将熔化的液体金属浇注到和机械零件形状相似的铸型型腔中，经过凝固冷却之后，获得毛坯（或零件）的加工方法。铸造生产在工业中应用广泛。在一般机器中，铸件占整个机器重量的40 90 % ；在农业机械中为40 70 % ；金属切削机床中为70 80 % ；重型机械、矿山机械、水力发电设备中为8S 以上。用于铸造的金属统称铸造合金。常用的铸造合金有铸铁、铸钢和铸造有色金属，其中铸铁，特别是灰口铸铁使用最普遍。铸造方法很多，但任何铸造方法都包括以下几步：1 制造具有和零件形状相适应空腔的铸型；2 制备成分、温度都合格的液态金属；3 将液态金属浇注入铸型空腔内；4 凝固后取出铸件并清理它的表面和内腔。铸造中最常用的方法是砂型铸造，在砂型铸造过程中，除需有砂箱等工具设备外，还经常使用用于型砂混制的混砂机。用于机器造型的造型机和熔化金属用的设备在铸造中必不可少，如用于铸铁熔化的冲天炉、工频电炉。在现代化工厂中广泛使用铸造生产自动线。铸造是最常用的毛坯生产方法，它是液态成形，因此能生产从几克到数百吨、形状复杂的各类零件，对于一些要求耐磨、减振、承压、廉价的零件（如机床床身、机架、活塞环等）以及一些形状复杂、用其他方法难以成形的零件（如各类箱体、泵体等），只能用铸造法取得毛坯。一般铸件精度低，加工余量大，其力学性能特别是抗冲击性能较差。（二）压力加工压力加工是利用外力使金属材料产生永久变形，以制成所需形状和尺寸的毛坯或零件的加工方法。压力加工的主要生产方法有锻造和冲压。 1 锻造。锻造可分为自由锻造和模型锻造（简称模锻）两大类。锻造时金属材料需加热。钢的始锻温度为1200 左右，终锻温度为800 左右。自由锻造是把加热好的金属坯料放在自由锻造设备的平砧之间，使其受锻击力或压力作用，而产生塑性变形的加工方法，如图1-13 ( a ）所示。 模锻是把加热好的金属坯料放人锻模模膛内，由模腔限制金属变形，从而获得与模膛一致的锻件，如图l 一13 ( b ）所示。2 冲压。冲压是利用冲模对板料加压，使其产生分离或变形，从而获得所需零件的加工方法，如图1 一13 ( c ）所示。压力加工是机械行业中另一种常用的毛坯制造方法。由于用此方法获得的毛坯是塑性变形的结果，因而力学性能好，所以一些要求强度高、耐冲击、抗疲劳的重要零件大多采用压力加工方法制造毛坯。但它是在固态下塑性成形，难以获得复杂的形状，特别是一些复杂内膛的零件。 自由锻造精度低、生产率不高，适用于单件、小批量生产、形状简单的零件，如轴类零件、齿轮坯等。 模锻可锻制比自由锻件形状复杂的零件，精度较高，加工余量小，生产率高。但由于受锻模的影响，只适用于生产大批量中小型锻件。 冲压件主要适用于塑性良好的板料、条料制品。冲压件可冲制出形状复杂、尺寸精度较高的薄壁件、空心件。其冲压精度高，一般不需机械加工即可使用（三）焊接焊接是通过加热或加压（或两者并用），使两个分离的物体借助于内部原子之间的扩散与结合作用，连接成一个整体的加工方法。焊接的分类方法很多，按结构特点可分成以下三大类：1 熔焊。熔焊是将焊件接头处加热至熔化状态，不加压力，靠凝固后连接成为一个整体的焊接方法。2 压焊。压焊是将焊件接头处加热（或不加热），但一定要加压，使之紧密接触，连接成为一个整体的焊接方法。3 钎焊。钎焊是将比被焊金属熔点低的金属（称为钎料）加热熔化，但被焊金属不熔化，钎料熔化后填满焊件连接处的缝隙，使焊件连接起来的焊接方法。常用的焊接方法分类如图1 一14 所示。用焊接方法制造的毛坯的特点是可以以小拼大，气密性好，生产周期短，不需要重型和专用设备，可以生产有较好的强度和刚度，而且质量轻、材料利用率高的毛坯。缺点是抗振性差，易变形。三、切削加工由于现代机器的性能要求较高，所以对组成机器各部分的零件的加工质量也相应地提出了很高的要求。目前，除了很少一部分零件是采用精密铸造或精密锻造方法直接获得以外，绝大部分零件要靠机械加工的方法来获得。切削加工是用刀具从金属材料（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的加工方法。它可分为钳工和机工两大部分。钳工一般是由工人手持工具对工件进行加工，主要内容有划线、锯削、锉削、錾削、钻孔、铰孔、攻丝、套扣等为了减轻劳动强度和提高生产率，钳工操作已逐渐向机械化方向发展。机工是指由工人操纵机床对工件进行加工，常见的加工力法有车削、钻削、刨削、铣削、镗削、磨削及齿轮的齿形加工等随着科学技术的日益发展，对机器设备的要求不断提高，各种新材料不断出现，各种复杂形状的零件也日益增多，用通常的切削加工方法往往不能满足要求甚至无法加工，于是出现了特种加工，并且随着科学技术的发展而发展。特种加工实质上是直接利用电能光能声能、化学能和电化学能或与机械能组合等形式将坯料或工件上多余的材料去除的加工方法的总称，如电火花加工、电化学加工、激光加工和超声波加工等。这些在航空、电子、轻工业等部门以及电机、电器、仪表、汽车等行业中已成为不可缺少的加工方法。四、热处理热处理是一种改善金属材料及其制品（如机器零件、工具）性能的工艺。根据不同目的，将材料或其制件加热到适应的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织（有时仅使表面组织改变或使表面成分改变），以获得所要求的性能在机械制造中，所有重要的工具和零件都要进行热处理，而且有的零件在整个工艺过程中要处理两次以上。除了合金化以外，热处理方法是改变金属材料性能的主要途径。热处理和其他加工工序不同，它的目的不是改变零件的形状和尺寸而是改变其内部组织和性能。它是保证零件内在质量的重要工序根据热处理的目的要求和工艺方法的不同，钢的热处理分类如图1 -1S 所示。四、热处理热处理是一种改善金属材料及其制品（如机器零件、工具）性能的工艺。根据不同目的，将材料或其制件加热到适应的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织（有时仅使表面组织改变或使表面成分改变），以获得所要求的性能在机械制造中，所有重要的工具和零件都要进行热处理，而且有的零件在整个工艺过程中要处理两次以上。除了合金化以外，热处理方法是改变金属材料性能的主要途径。热处理和其他加工工序不同，它的目的不是改变零件的形状和尺寸而是改变其内部组织和性能。它是保证零件内在质量的重要工序根据热处理的目的要求和工艺方法的不同，钢的热处理分类如图1 -1S 所示。下面介绍普通热处理和表面热处理的相关内容。（一）普通热处理1 退火。把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷、坑冷、砂冷、灰冷）的热处理工艺叫退火。2 正火。把钢加热到相变温度以上30 -S0 ，保温一定时间，然后在静止的空气中冷却的热处理工艺叫正火。退火与正火主要用于钢的预先热处理，其目的是为了消除铸、锻、焊等工序所造成的组织缺陷与内应力，也为后续的机加工及热处理做好组织与性能上的准备。对于一般铸件、焊接件以及一些性能要求不高的工件，退火与正火也可以作为最终热处理正火与退火的区别是冷却速度不同：正火冷速较大，强度和硬度也较高；正火比退火生产周期短，设备利用率高，比较经济。若零件尺寸较大或形状较复杂，正火可能会产生较大的内应力和变形，甚至开裂。3 淬火。淬火是指把钢加热到相变温度以上的某一温度，然后快速冷却至室温（油冷或水冷），从而提高钢的硬度和耐磨性。4 回火。将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度，保持一段时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态称为回火。回火的目的是降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，防止工件变形和开裂。使不稳定的组织趋于稳定，以保持工件的形状尺寸精度，并获得所要求的组织和性能。钢淬火后的硬度虽高，但脆性过大，组织不稳定，不宜直接使用。经过回火硬度下降，但韧性有较大改善。淬火和回火必须配合使用，单独进行任何一个操作都是没有意义的。下面介绍普通热处理和表面热处理的相关内容。（一）普通热处理1 退火。把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷、坑冷、砂冷、灰冷）的热处理工艺叫退火。2 正火。把钢加热到相变温度以上30 -S0 ，保温一定时间，然后在静止的空气中冷却的热处理工艺叫正火。退火与正火主要用于钢的预先热处理，其目的是为了消除铸、锻、焊等工序所造成的组织缺陷与内应力，也为后续的机加工及热处理做好组织与性能上的准备。对于一般铸件、焊接件以及一些性能要求不高的工件，退火与正火也可以作为最终热处理正火与退火的区别是冷却速度不同：正火冷速较大，强度和硬度也较高；正火比退火生产周期短，设备利用率高，比较经济。若零件尺寸较大或形状较复杂，正火可能会产生较大的内应力和变形，甚至开裂。3 淬火。淬火是指把钢加热到相变温度以上的某一温度，然后快速冷却至室温（油冷或水冷），从而提高钢的硬度和耐磨性。4 回火。将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度，保持一段时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态称为回火。回火的目的是降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，防止工件变形和开裂。使不稳定的组织趋于稳定，以保持工件的形状尺寸精度，并获得所要求的组织和性能。钢淬火后的硬度虽高，但脆性过大，组织不稳定，不宜直接使用。经过回火硬度下降，但韧性有较大改善。淬火和回火必须配合使用，单独进行任何一个操作都是没有意义的。（二）表面热处理1 表面淬火。有些零件在使用中须承受弯曲、扭转、摩擦或冲击载荷，一般要求其表面具有高的强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部在保持一定强度、硬度下，具有足够的塑性和韧性。对这类零件进行表面淬火是满足上述性能要求的有效方法之一。表面淬火指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。目前生产中广为应用的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火2 化学热处理。是将钢件置于一定温度的特定介质中保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层，从而改变表层的化学成分和组织来改变其性能的一种热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变表层组织，而且还改变其化学成分，因此能更有效地改变表层性能化学热处理的方法有：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铬、渗铝渗硼等。目前生产中最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗。五、装配机器的装配是整个机器制造过程中的最后一个过程。它包括安装、调整、检验、试验、油漆及包装等。装配工作的好坏，对产品的质量起着决定性作用。若相配零件之间的配合精度不符合要求，相对位置不准确，将会影响机器的工作性能，严重时会使机器无法工作。若在装配过程中不重视清洁工作，粗心大意和不按工艺要求装配，也不可能装配出好的产品，而装配质量差的机器其精度低、性能差、功耗大且寿命短。机器装配过程一般分为组件装配、部件装配和总装配。 l 组件装配，指将两个以上的零件连接组合成为组件的过程；2 部件装配，指将组件、零件连接组合成为独立部件的过程；3 总装配，指将部件、组件、零件连接组合成为整台机器的过程。机器装配后要进行调整、精度检验和试车。调整是指调节零件或机构的相对位置、配合间隙和结构松紧等。精度检验包括工作精度和几何精度检验。试车是指机器装配后，按设计要求进行的运转试验，包括运转灵活性、工作时温升、密封性、转速、功率、振动和噪声等。最后进行油漆、涂油和装箱。第四节 零件加工质量一台机器的质量主要取决于组成机器各个零件的加工质量和产品的装配质量；反之，零件加工的质量也反映了零件加工中的机器质量、工艺水平和工人技术水平。应当如何来评定零件的加工质量呢？尽管机械零件的种类繁多，结构形状各异，但任何零件都是由一些具有一定尺寸和形状的简单表面（平面、圆柱面、圆锥面、成形面等）按一定相互位置关系构成的。零件表面的尺寸、形状和相互位置以及表面粗糙度反映了零件的几何特征；材料的强度、硬度、弹性、刚度等反映了零件的物理机械特征。在评定零件的加工质量时，应当全面考虑这些因素。现仅就零件的几何特征来阐述零件的加工质量。零件加工质量的主要指标包括加工精度和表面粗糙度两个方面。一、加工精度经机械加工后的零件，其实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数相符合的程度称为零件加工精度。由于加工过程中的种种原因，不可能把零件做得绝对准确并同理想的几何参数完全相符，实际上总会产生一些偏离，这种偏离就是“加工误差”。事实上，在实际应用中，也没有必要把每个零件做得绝对准确。只要能保证零件在机器中的功用，把零件的加工误差控制在一定范围内是完全允许的，这个允许的误差范围就叫公差。国家给机械工业规定了各级精度和相应的公差标准。只要零件的加工误差不超过零件图上按零件的设计要求和公差标准所规定的偏差，就可以保证零件加工精度的要求。“加工精度”和“加工误差”这两个概念在评定零件几何参数中的作用是等同的。零件加工精度高，加工误差就小，零件加工质量好；反之，加工精度低，加工误差就大，零件加工质量差。零件的加工精度包括如下三个方面：（一）尺寸精度尺寸精度指零件表面本身的尺寸（如圆柱面的直径）和表面间相互的距离尺寸（如各孔之间的距离）的精度。图1-16 所示为尺寸与有关术语的示意图。图1-16 中术语的意义如下：1 基本尺寸，指设计时根据使用要求，通过强度、刚度计算或结构方面考虑确定的尺寸。2 极限尺寸，指允许尺寸变化的两个极限值，其中较大的一个称为最大极限尺寸，较小的一个称为最小极限尺寸。3 尺寸偏差，是某一尺寸减去其基本尺寸所得的代数差。最大极限尺寸减去其基本尺寸所得的代数差称为上偏差，最小极限尺寸减去其基本尺寸所得的代数差称为下偏差。4 尺寸公差，是尺寸的允许变动量。公差数值越小，则尺寸精度越高；公差数值越大，则尺寸精度越低。S ，公差带，在图1-16 中，代表上、下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。尺寸公差带由“公差带大小”和“公差带位置”两个要素来决定。例如，一个外圆面，其尺寸为。指其基本尺寸为S0mm，上偏差为-0.03mm，下偏差为-0.06mm，最大极限尺寸为49.97mm。则尺寸公差最大极限尺寸-最小极限尺寸=49.97-49.94=0.03(mm)或尺寸公差=上偏差-下偏差-0.03-（-0.06)=0.03（mm）尺寸公差已经标准化，按国家标准，把尺寸公差分为20级。即IT01、IT0、IT1IT18，IT表示标准公差。数字越大，精度越l低加工误差越大，加工越容易，制造成本越低。各级精度的大致应用范围举例如下：IT6ITS：在一般机器制造中用得较少，它主要用于一些精密零件、精密机器和精密仪器中的零件。IT7IT6：在机床和一般较精密的机器制造中用得最普遍。如车床的主轴与轴承、动力机中的活塞与气缸等。IT9IT8：在机器制造中属中等精度。如用于重型机床、蒸汽机的次要部分；农业机械、重型机械的较重要部分。IT10IT13：用于机车车辆、农业机械等机器的不重要部分IT12IT18：用于非配合尺寸的公差。（二）形状精度随着生产的发展，对机械制造产品的要求愈来愈高，为了在机器零件中实现正确装配，有时单靠尺寸精度来控制零件的几何形状已不够了，还要对零件表面的几何形状及相互位置提出技术要求。以图1-17 为例，虽然同样保持在尺寸公差范围内，却可能加工成图示的几种不同的形状，若将此轴装在精密机械上，显然会有不同的效果。零件的形状精度是指加工后零件表面实际测得的形状和理想形状的符合程度。理想形状是指几何意义上绝对正确的圆、直线、平面、圆柱面及其他成形表面等。按照国家标准规定，形状精度用形状公差等级表示。（三）位置精度位置精度是指加工后零件有关要素相互之间的实际位置和理想位置的符合程度。理想位置是指几何意义上绝对的平行、垂直、同轴和绝对准确的角度关系等。形位公差特征项目共有14 种，其名称和符号如表1 -3 所示：其中形状公差4 种，位置公差8 种，形状或位置公差2 种。为便于形状和位置公差的测量和标注，通常用形状和位置的公差带来表示限制形状与位置变动的区域。一个完全确定的形状和位置公差带由公差带形状、公差带大小、公差带方向和公差带位置四个要素来确定。主要公差带的形状及实用示例如表l-4 所示。形状和位置公差带的大小即为公差值。按照公差值的大小，除圆度、圆柱度外，各类形状和位置公差均分为12 级，最高为1 级，最低为12 级。而圆度与圆柱度为适应高精度零件的需要，增加了一个0 级。零件表面的尺寸、形状、位置精度之间是有联系的。通常尺寸精度要求高，相应的形状、位置精度要求也高。对于特殊功用零件的某些表面，如检验用的平板，其几何形状精度要求可能更高，但其位置精度、尺寸精度并不一定要求高。零件加工表面的精度要求是根据设计要求及工艺经济指标等因素综合分析而确定的。二、表面粗糙度无论采用何种切削加工方法加工，在经过加工的零件表面上总会留下微细的凹凸不平的刀痕，出现交错起伏的峰谷现象，粗加工后的表面用肉眼就能看到，精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到，这就是零件加工后的表面粗糙度。表面粗糙度对机器零件的配合性质、耐磨性、工作精度、抗腐蚀性均有较大影响。评定表面粗糙度的标准有六种。目前我国主要采用轮廓算术平均偏差Ra ，其含义如图1-18 所示，即通过零件表面轮廓做一中线m ，将一定长度的轮廓分成两部分，使中线两侧轮廓线与中线之间所包含的面积相等，即F1+F3+Fn-1=F2+F4+Fn，轮廓的平均算术偏差R。就是在一定测量长度l 范围内，轮廓上各点至中线距离绝对值的平均算术偏差，用公式表示为：零件表面的Ra数值越小则表面越光洁，零件质量越高，其单位为微米（m）。通常，尺寸公差、表面形状公差小时，表面粗糙度参数值也小。但表面粗糙度参数值和尺寸公差、表面形状公差之间并不存在确定的函数关系，如手轮、手柄的尺寸公差值较大，但表面粗糙度参数值却较小。三、配合（一）配合的基本概念配合是指由零件组装成机器时，相互结合的零件形成一定的配合；配合的选择是否正确，对机器的质量和寿命有较大影响。以轴和孔的配合为例，基本尺寸相同、互相配合的轴与孔公差带之间的关系称为配合。根据使用要求的不同，配合有三种类型。1 间隙配合。在孔与轴的配合中，孔的公差带在轴的公差带之上，任取加工合格的一对轴和孔相配合都具有间隙（包括最小间隙为零）。2 过盈配合。在孔与轴的配合中，孔的公差带在轴的公差带之下，任取加工合格的一对轴和孔相配合都具有过盈（包括最小过盈为0 ）。3 过渡配合。孔的公差带和轴的公差带互相交叠，任取加工合格的一对轴和孔相配合，可能具有间隙，也可能具有过盈的配合称为过渡配合。以上三种情况如表l-S 所示。（二）配合的选择以轴和孔为例，两者之间的配合要求有三种情况：1 轴和孔配合后有相对运动（转动或移动）的要求，应选用间隙配合。用作滑动轴承的间隙配合，其间隙的大小与旋转速度、旋转精度、载荷大小、载荷特性、润滑方式、工作温度、材料、轴承结构、支撑距离、尺寸精度、形状位置精度以及表面粗糙度等许多因素有关。用作导向或往复运动的间隙配合，其间隙大小取决于导向精度要求、往复运动频率以及速度等因素。2 轴和孔靠配合面传递载荷时，应选用过盈配合。过盈的大小取决于最小过盈量能否承受所要传递的最大力矩。载荷增大或承受冲击载荷时，过盈量应该增大，但最大过盈应以零件承受的内应力不超过其屈服极限为准。3 轴和孔配合后要求有定位精度，而且经常拆卸的，主要选用过渡配合，但也可以根据情况选用较小间隙的间隙配合或较小过盈的过盈配合。第五节生产纲领和生产类型同一零件当其生产数量不同时，采用的生产方法也不同。如仅生产一个或几个零件，一般采用通用机床进行加工；如要连续生产成千上万个零件，则采用高效率的专用机床及专用的夹具和刀具。生产纲领是指企业每年应能制造合格产品的数量，通常也称为年产量，它体现了生产规模。生产类型是由产品的大小、复杂程度和生产纲领来决定的。生产类型可以分为以下三种：第一，单件生产。单个或少量地制造相同的产品，很少重复或完全不重复，称为单件生产。重型机器、新产品试制的生产都属于单件生产。第三，成批生产。成批地制造相同的产品，并且按一定周期重复地进行生产，称为成批生产。一般的机床生产属于成批生产一次投入或产出的同一产品或零件）的数量称为生产批量。根据生产批量多少，成批生产又可分为小批、中批及大批生产。小批生产的组织形式和工艺特征与单件生产相接近，而大批生产则与大量生产相接近。第三，大量生产。连续不断地生产数量很多的相同产品，称为大量生产，汽车、轴承及自行车的生产一般属于大量生产。进行大量生产的工厂，其大多数工作是重复地对同一零件进行同一工序的加工。各种生产类型的典型规范如表1-6 所示。不同的生产类型对生产组织、生产管理、车间管理、毛坯选择、设备、工艺装备、加工方法和工人技术等级的要求均有所不同。因此生产类型对生产工艺过程是有很大影响的。所以，制定的工艺规程必须使其与生产类型相适应，以取得最大的经济效果。表l-7 列出了各种生产类型的工艺特征。第六节 机械制造工艺过程的技术经济分析一种机械产品在投入生产之前，需要进行周密的工艺设计，通过工艺设计选择毛坯种类确定零件（产品）的工艺过程和各工序采用的设备、工艺装备（刀具、工具、夹具、量具等）、机械加工切削用量、质量检查方法等。往往在同样能满足被加工零件的加工精度和表面质量的要求下，可以用几种不同的加工方案来实现，其中有些方案可能具有很高的生产率，但设备和工艺装备方面的投资较大；另一些方案则可能投资较节省，但生产率低，因此不同的工艺方案就有不同的经济效果。为了选取在给定的生产条件下最经济合理的方案，对不同的工艺方案进行技术经济分析和评比就具有重要意义。一、工艺成本的组成制造一个零件或一台产品必需的一切费用的总和，就是零件或产品的生产成本。这种制造费用实际上可分为与工艺过程有关的费用和与工艺过程无关的费用两类。因此，对不同的工艺方案进行经济分析和评比时，就只需分析、评比它们与工艺过程直接有关的生产费用。所谓工艺成本是指与工艺过程有关的费用总额。最常用的工艺成本项目有：S1 毛坯或原材料费用；S2 操作工人工资；S3 机床电费；S4 通用机床的折旧费；SS 通用夹具维护及折旧费；S6 刀具维护及折旧费；S7 专用夹具维护及折旧费；S8 专用机床维护及折旧费；S9 调整工人工资与调整杂费。工艺成本按照与生产量的关系，