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二 stress and strain 应力与应变 在任何的工程结构中，每个零件，构件将会受到来自工作环境的外力的作用。如果这构件是处于平衡状态的话，外力的合力是为零。但是他们必须由材料提供的内力来平衡。负载作用于构件有许多的形式。相对于时间可以将负载分类为： (a) 静态负载是逐渐作用的可以在相对较短的时间内达到平衡的负载。 (b)持续载荷是可以维持很长时间不变的载荷。比如构件的重力。这种类型的载荷和静态载荷是同样的处理方法。但是对于某种材料，在某些特定的温度和外部压力的作用下，构件抵抗失效的能力是不同的。 (c) 冲击载荷是一种快速作用的载荷。振动常常是有冲击载荷引起。在振动被消除之前，平衡是很难稳定的。而消除振动的一半都是靠阻力。 (d) .持续作用很多次，移动很多次的载荷称为持续载荷。 (e) 狡辩载荷是大小和符号都在不断变化的载荷。 上述的外力作用于物体时将会被材料提供的内力抵消而达到平衡。 因此，如果零件受到统一的拉伸或者压缩，也就是说，力均匀的分布在截面上，此时内力也同样是均匀分布，此时我们就说哦这个构件受到了正应力的作用。这种应力定义为：这个力是压力还是拉力由构件所受的载荷确定。同时，此力可以用牛顿每平方米或者它的倍数来衡量。 如果构件受到轴向的载荷，此时构件的长度会发生变化。如果构件的本身长度是L，改变了&L则，产生的应变定义为：因此，应变是材料形变的度量，而且它是无量纲的。也就是说它没有单位。它只是两个有相同的单位的数值之间的比值。张应力和拉应力在被定义为正的，而压应力被认为是负的。因此负的压应力造成长度的减少。 如果材料在外力卸去的时候长度回复到了受力前的正常情况，我们就说这种材料有弹性。很多材料都有这种特性，至少在一定范围内，变形与负荷是成正比的。负载可以产生成比例的应力，而应力又可以产生成比例的形变。也就意味着材料有弹性。用胡克定律表示此定律适用于大部分的铁基合金，理论上还可以用于其它工程材料，例如混凝土，木材，有色金属。并且精度还可接受。 如果材料是弹性的，那如果负载去掉之后，由负载造成的变形将会完全消失不会留下残留变形。 在材料的弹性极限内，也就是说，在胡克定律允许的范围内，表现为： 一半假设杨氏模量E在拉压时是相同的。对大多数的材料来说，它的数值都比较大，代表性的，钢的是200*109，从仪器中观察到的是2.5，应变是很小的。 在材料选择中，要注意材料的物理性质和化学性质。物理性质包括：密度，熔点，比热，导热性，热膨胀和抗腐蚀性。化学性质对零件的寿命和工作能力会有很大的影响。例如，高速钻机就要求使用轻质的零件来减少惯性，从而消除多余的震动。 材料的密度就是材料单位体积的质量。另一种叫法是比重，表示金属密度与水密度的比值，因此是没有单位的。对于飞行器和航空器，减少重量是异常重要的。对于车身零件，和其他一些主要关心能量损耗和能量局限性的装置时，设计中主要用减轻重量的材料代替。不论是在先进装备的设计还是消费品的设计。 材料的熔点与材料融化需要的能量有关。金属合金的溶解温度可能是在一个范围内。与纯金属有恒定的溶解温度不同。零件的允许工作范围对于零件材料的选择是非常重要的指标。 金属的熔点对于生产过程有许多的间接效应。这是因为再结晶温度与金属的熔点有关，退火加工和热处理还有热加工时都需要金属的熔点信息。 金属的比热是金属单位质量上升一度需要消耗的能量。合金元素有利于降低材料的比热。制造加工合一使工件的温度升高。如果温度升高过多的话会影响工件表面粗糙度和空间准确性，还能增加工具的磨损并且造成金相的不当改变。从而影响工件的质量。 导热系数代表着温度在材料中传导速度的估计值。金属一般都有很好的导热性，而陶瓷和塑料的传导性就很差。 如果是由于塑性变形或者摩擦产生热量，这样的热量要迅速的被引导走，以免产生剧烈的温度起伏。例如，对于钛来说，最难的是由于它的低导热率。低导热率很容易引起高的热梯度。因此金属加工过程中会产生不均匀的变形。 材料的热膨胀有几个很有意义的影响，特别是装配中的金属相对膨胀和收缩。 热配合就利用了热膨胀和热收缩。例如，一部分，例如法兰会安装在轴上，首先将它加热，任何套入一个室温的轴上。等到回到室温时，就装配完成了。 金属，陶瓷，和塑料都有抗腐蚀性。腐蚀这个词表示了金属和陶瓷变质现象。在塑料中我们常常叫做退化。腐蚀不仅仅会使表面质量变差，还能降低材料的强度和结构完整性。在化学，食品，制造过程和石油工业里，抗腐蚀性是材料选择时要着重考虑的一方面。十四 机器工具轴需要传递转矩和力到刀具上。而且需要有合理的负荷能力和寿命。 现在我们有的高速轴承包括滚珠轴承，锤形滚柱轴承，向心推力球轴承。选择的标准是轴的规格和所需的速度。 在高速轴的设计时最常用的是向心止推球轴承。这些齿轮可以提供所需的精度，负载能力和速度。向心推力球轴承中许多钢珠楔入钢制轨道中，如果正确的安装，就可以提供径向的和轴向的负载能力。 有的时候，要用圆锥滚柱轴承，他可以比滚珠轴承提供更高的负载能力和更高的强度。但是他却不能提供过高的转速。 向心推力球轴承根据预压大小有三种选择，包括轻，中，重。轻型预压轴承可以允许最大速度的运行，但是强度最小，这种轴承常常用于高速低负荷运转。 高预压轴承适用于低速，高负荷的运转。可以为机床主轴提供所需的强度。几个向心推力球轴承串联起来使用，可以把力分担给各个轴承从而大大增加强度。 混合陶瓷球轴承的齿轮工业最新的发展。用陶瓷材料来生产精密的球，瓷球用于轴承中比钢球有明显的优势。 瓷球比钢球轻60%，这个是很有意义的。因为，当球轴承工作的时候，特别是在高转速工作时，离心力将球推到外侧，甚至造成球的变形，这种变形可以引起快速的摩擦磨损，齿轮快速恶化。瓷球的质量更小，不会在同样的速度下有影响，事实上，瓷球可以允许更多30%的转速而不会减低寿命。 由于瓷球的圆形更加完美，可以在更加低温的情况下工作。擦了齿轮润滑剂之后可以拥有更长的寿命。轴能利用混合瓷球轴承显示更高的硬度和更高的固有频率，使其更加抗震。 齿轮润滑剂可以使向心推力球轴承运行更加的顺滑。润滑剂在球之间提供一个薄膜来防止磨损。而且可以防表面腐蚀，而且同时保护接触面不收粉尘污染。 油脂是最常用最方便的润滑剂。被注入球间空腔中可以永久有效。油脂几乎不需要什么维护。一般高速轴利用油脂润滑不需要在齿轮间换油脂。 但是在高速运转时油脂润滑就稍显不足了。此时润滑油就更加合适。维护的作用就变得至关重要了。必须仔细检查以确保齿轮处于润滑状态。使用了正确的类型，数量，而且清洁也很到位。 寿命可以达到多久？所有的齿轮都有一个寿命的限制。这个解释为：工件失效前的有效工作时间。或者说不可修复状态发生前的时间。最常见的齿轮损坏是齿轮疲劳。表面会变得粗糙，会引起摩擦从而产生很多的热量，十八机器的产生是由于有了对它的需求。它是由人们设想的可以完成某种目的的装置转变来的。设想之后就是一系列的对零件布置结构的研究，位置，连杆长度，齿轮，螺钉，弹簧，凸轮和其他元素在机器中的位置。这些构思不断的被试验和修改，可以找到很多个解决方法，然后选择最好的一个。 设计的实践应用应该与科学原理相结合，根据事实来做判断。一个设计问题一般都不止一个解决方案，设计开始的时候往往面临一个很讨厌的情况。 设计的解决方案往往不是唯一的。给出设计清单，比如，设计一个可以在家里自动洗衣服的机器，那么，有多少个设计团队就会有多少个设计方案。就像是商场中洗衣机的牌号。 工程实践常常要求一定的妥协。竞争会要求我们做出不情愿的决定。与我们的最好的设计判断相反；生产困难也会造成设计的改变。好的设计需要许多的属性，比如： 有材料力学作为后盾，这样就可以完成力学的分析。机器的零件要有充足的强度和硬度还有其他的特性。材料的特性要在机器中被很好的运用。熟悉各种制造工艺的主要特点和经济情况，因为零件制造时必须考虑制造的成本。对于一个机器的设计也许对另一个并不合适。例如，如果一个工厂有先进的焊接部门，但是却没有铸造部门，那么它们会认为焊接 是最经济的方法，但是另一个工厂面对同样的问题也许会选择用铸造。因为它们的铸造工艺更先进。在不同情况下的特殊知识，不如在腐蚀性空气中，在非常低的温度下或者在超高温下，金属的性能。 为了做出正确决定而作的准备：a什么时候要使用加工目录来购买原材料或者相关的物品，还有什么时候需要定制设计；b什么时候需要用经验性的设计；c那些操作在生产前就要进行使用测试；d什么时候需要设计特殊方法来控制震动和噪声。需要一些美感，因为我们生产需要顾客至上。 经济学和比较成本的知识，设计师存在的最重要的原因就是为了雇佣他们的人省钱。，每一个花费的增加都必须是有原因的。比如，性能的提升，增加有吸引力的特色功能或者是有更好的耐久性。创造性和创造能力，为了效果的最大化。当设计师的精力充沛的大脑对一些事物的现状或者它的走势不满意，那么创造性就会提升。 事实上，还有很多其他的细节，这机器工作是安全么？机器运行能避免那些错误和不慎？震动会不会引起大问题？机器会不会太吵？零件的装配会不会太简单？机器操作是不是简单，能不能很方便的维修？当然，没有任何一个设计师能说自己拥有解决所有上面这些问题的专业知识。大组织中每个人都会有分工，解决自己特定方面的 问题，而更细小的一些可以去问顾问。不过，设计师知道的设计阶段当然是越多越好。设计师是一个非常迷人的职业如果能够熟练的掌握很宽的背景知识。二十二材料的适当选择是设计的一个关键步骤。因为这是链接电脑计算，工程制图上的线条与真正的设计的关键决定。当你意识到有超过五万种常用的金属合金和差不多数目的非金属材料，你就会知道这个过程是多么的困难了。如果选择了不合适的材料不仅会损坏这个零件，而且还会造成不必要的费用。 选择最好的材料不仅仅是选一个可以符合必要使用要求的材料；也与材料的最终成型有关。因此错误的材料选择不但会增加工件的制造成本，还会带来不必要的花费。工件的性能也会发生改变，会影响工件的服务功能。 许多的材料选择是基于经验。以前曾经使用的那明显是一个解决方案，但那不一定就是最佳方案。不久前，材料选择还被认为是加工过程中的一个小步骤而已。到材料手册中去找对应的性能参数的对应的材料。但是现在，大家都 在追求最牢固的最简单的设计。在许多先进的航空宇宙和能源方面的应用，材料必须根据他们的功能特点来选择。但在更多的顾客取向的应用中，性能要求就不会那么严重了。减少成本的压力比以前更重了。在汽车领域，通过减轻重量而增加能源利用效率的措施掀起了一场材料选择的革命。在这个材料短缺的时代这种压力更加的重了。在历史基础上的材料选择马上就将变得不现实了。因此，以合理的方式选择材料变得更加必要。 材料选择的问题一般都包括一两个不同的情形。 为一个新设计或者新产品选择材料。 改进现有的设计以减少成本，增加可靠性，增加性能。 一般我们是无法完全了解一种新材料的所有潜力的除非产品就是为了开发材料的性能和生产特点而设计的。换句话说，仅仅是简单的用一种材料代替另一种那么是无法最佳的利用这种材料的。材料选择的本质并不是说两种材料进行比较竞争来用优胜者；而是将两种材料制造出的产品进行比较。比如用锌基合金的压铸和聚化物的注射造型发进行比较。 材料选择就像其他的工程设计一样，是一个解决问题的过程。一般步骤可以参考如下：分析材料的要求。确定产品会处在的工作条件和环境，将他们转换成材料的临界性能。将所要求的性能与材料的性能手册进行比对，选出一部分有希望的材料。 分析一下候选的材料，权衡他们的产品性能，花费，生产制造和可用性，来选出最好的材料。 利用实验的方法，和统计学的基础，研究材料在工作可能达到的特殊条件下的性能。 由于有超过十万种的材料需要选择，那么电脑来存储，计算和检索这些信息的优点就出来了。 二十六 一些常用的切割工具将在此回顾。这些装置可以根据他们的功能和附件分成不同的类型。最大的几个类型在此介绍。 车床通常被认为是最古老的机器工具，在1750s得到了发展。基本执行操作有旋转，钻孔和进给。 常见的车床的最基本的组成部分有床身，主轴承，尾坐，底座。工件的一端装夹在安装在主轴的卡盘上,主轴在主轴箱内旋转。工件的另一端由尾坐支持。主轴承包括转速驱动齿轮，通过合适的齿轮和连杆驱动底座和横向装配板。 底座提供了平行于旋转轴的旋转动力，横向拖板提供正向移动。切削工具以特定要求的工件的周边的速度，进给速率和切削深度工作。 进一步的发展就是自动车床。由各种机械驱动方式控制和操纵，例如计算机辅助制造，计算和计算机控制，因此就可以减少工作分量或减少技术要求。六角车床(发达18世纪50年代)执行多种切割操作。如车削、钻孔、钻孔、线切割、面切割。不同的切削工具、通常为六种，安装在装夹件上。操作是相当广泛的。它既可以用手操作也可以自动化操作,只要正确设定，就不需要其他的技术要求。有各种各样的六角车床可用于不同的目的。螺杆机(第一个螺丝车床一七七0年代开发)是专门为高效螺丝和同类零件加工而生产的。工具附在特殊的机架上，自动地进行所有操作。条料经由完全自动化的过程直接变成了成品螺钉。为了减少每件周期，这些机器一般都配备了多个装夹具。虽然镗床操作可以在车床上进行、但镗床一般用于大型工件。这些机器，不论是横向或纵向的,都可以配置多种功能,为钻孔和面操作。其夹具是高精度的，立式镗床是用于制作工装夹具并将钻孔工件固定在夹具中。这些都是最通用的和有用的机床,因为他们有能力执行各种切削操作。铣床有大量的选择（在十九世纪六十年代得到发展出很多特点）基本类型略述如下： Knee-and-column类型铣床是最普遍的,用于通用用途加工。铣刀所安装的主轴可以是水平(板加工),或垂直(面铣削)。 Bed-type床型铣床有床身上安装了工作平面，而且只能纵向移动。这些机器是简单的固定构造，都是用于高速高效生产。主轴可以的水平或垂直的，可以双或三缸类型(也就是说,两个或三个轴同时加工一个工件的两个或三个表面)。 其他类型的铣床也可用,例如繁重的劳动中解脱出来,刨工类型为特殊用途和机械。 附件中铣床、一种最广泛使用的普通分度头，这是在加工步骤之间将工件旋转到适合角度的设备。特别适用于加工零件机械加工中的使用多边形表面和齿轮的牙齿。 这些机床加工大型通常用于大型平面，其他形状,如槽,也可加工。 二十八车之后铣床被最广泛用于制造应用。铣削加工工件旋转输入铣刀,如图所示是一个多刃刀具。旋转运动与直线运动相结合，实现金属的切削加工。 每个切削刃铣刀与金属接触时是单点切削。因此，每一个刀刃具有适宜的斜度与后角。因为同时有不止一个刀刃与工件接触，所以重力切削也不会对刀具产生大的影响，影响其寿命。事实上,其允许切削速度和进料速度是车削和钻孔的三到四倍。此外,由铣削加工表面质量通常比钻孔，刨削和车削要佔优势。 铣削过程的特征是: 适合间断性切割 每个刀刃旋转一次只切除一小部分的材料，因此，切削刃在下次切除材料之前有足够的时间冷却。因此相对于车削加工，铣削加工的刀片温度更加低。 虽然刀片的尺寸小，但是由于有多重切削刃与工件接触，有很大量的材料在仅仅是一次玩完整的过刀中被切下来。而不像车削那样，为了达到最终要求需要切很多次。 (3)这是有利于那种不稳定状态循环条件 变化的切削力在切削刃与切削厚度之间的接触 从零变到最大或者反之亦然。这个循环变化的力量能够激发任何机床系统的固有频率并且这是有害于表面粗糙度和刀具寿命的。 至于刀具旋转方向以及材料进给方向的关系,铣削由以下二种情况。 逆铣(传统的，惯用的铣)。铣削刀具与工作平面以相反方向运动，切削的厚度从零开始，逐步增加到的最大值,如图Fig.28.2(a)。这可能会把工件弄出工作平台。有可能，在切削开始之前刀具就与工件接触。然而，加工过程不包括冲击载荷，因此需要确保机器工具的平稳工作。在你洗开始的阶段的这种摩擦会弄顿刀刃因此这种刀的寿命会缩短。还有由于此时切割与打滑刀具要选其一，加工件的表面质量又得不到保证很高。然而，不过逆铣在生产中只要不是粗削都常用这个。顺铣。铣削刀具与工作平面以相同方向运动，切削的厚度从最厚开始，逐步减少到的零。用这种方法会有突如其来的载荷。因此除非在在机床导螺杆上装了齿轮消除装置，不然这样不好。刀具与工件刚刚接触的时候就达到了最大切割深度，而有了最大的力。因此必须严格遵循导螺杆调节进行工作进给。 这种方法的优点包括高质量的机械加工面还有工件更易夹持。因为切削力大小是下滑的。顺铣可以有更大的进给量和更长的寿命。但是不能用于铸件加工还有热轧钢。因为坚硬的表面会伤害刀刃。 三十齿轮制造多种多样的材料,是由金属和非金属。当这些材料用来设计时，为一个特别的齿轮选材应选能确保满意的效果的最便宜的。选择之前,设计人员必须决定那个是现在手头最重要的标准。如果首要考虑的是高强度,钢应该经常被选中,而不是铸铁。如果耐磨损是最重要的考虑,那有色金属材料比铁基金属更加合适。这是一个如何选择的例子,涉及降噪，非金属材料就比金属更加的适合。然而，在大多数设计问题的时候，最后的选择材料通常是一种妥协。换句话说,所选的材料要适当的符合之前提到的要求，虽然没有任何一个是最好的。作为这一特点的讨论,