精密机械设计概论

第8章 精密机械设计概论一、教学目的：通过本章的学习，达到了解仪器设计基本原理与方法、精密机械零件的强度、机械零件的常用材料及钢的热处理以及机械零件的结构工艺性的目的。二、教学方法： 黑板教学与多媒体教学相结合三、教学手段： 课堂教学和课后辅导相结合四、学时分配： 讲课学时为4学时五、重点、难点： 8.1节与8.2节重点讲解 难点：精密机械零件的强度问题六、作业布置： 习题8-1至8-6七、辅导安排： 课后安排辅导八、教学内容8.1 仪器设计概述 仪器是生产过程和科学实验中信息的检测、传递、显示、记录和控制的工具。根据仪器的构造和组成，它可以是一个有检测、传递和显示功能的小型测量装置。仪器的结构和传动机构的设计是各种装置的重要基础。对机械测量仪器和仪表而言，传动和结构是保证仪器和仪表的性能，实现测量、传动和指示的全部功能。对电子或光电仪器来说，机械结构是构成仪器的主要部分。机械结构设计的合理与否，对仪器的性能和整体起着非常重要的作用。因此，仪器结构和传动机构的设计，必须根据仪器性能和整体来考虑。实际上，仪器的性能和整体可归纳为下面两方面的要求。1. 使用方面要求；2. 经济方面要求。8.1.1 使用方面的要求使用要求主要体现在以下几个方面：1. 基本性能：测量范围（工作范围）、精确度、稳定性、动态特性；2. 可靠性：在一定时间和条件下，仪器保持规定范围内的性能和精度；3. 调整、操作和维修的方便。8.1.2 经济方面的要求在经济方面，工艺性和结构设计的要求可以概括如下：1结构简单、工艺性好2合理地制定技术要求和选择材料3采用标准件、通用件8.2 精密机械零件的强度任何精密机械都是由零件组成的。在设计精密机械时，应计算零件的强度。在理想的平稳工作条件下，作用在零件上的载荷称为名义载荷。然而在机器运转时，零件还会受到各种附加载荷，通常用引入载荷系数k的办法来估计这些因素的影响。通常，把载荷系数k与名义载荷的乘积称为计算载荷。 其中，s，是计算应力；s，是许用应力；slim，lim是极限应力；s为安全系数。8.2.1 应力的种类按照随时间变化的情况，应力可分为：1. 静应力：不随时间变化的应力。2. 变应力：随时间变化的应力。8.2.3 变应力下的许用应力疲劳断裂具有以下特征：1疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；2不管是脆性材料还是塑性材料，其疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；3疲劳断裂是损伤的积累，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加逐渐扩展，直至在余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。4. 疲劳断裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。疲劳曲线是表示应力s与应力循环次数N之间的关系曲线。见下图所示，疲劳曲线变应力下，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝对尺寸和表面状态等影响，为此引入应力集中系数、尽寸系数和表面状态系数b等。当应力是对称循环变化时，许用应力为 当应力是脉动循环变化时，许用应力为 其中，S为安全系数；s0为材料的脉动循环疲劳极限；，及b的数值可在材料力学或有关设计手册中查得。8.2.4 安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响。如果安全系数定得过大，将使结构笨重；而定得过小，又可能不够安全。安全系数选择依据如下：（1）静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。 （2）静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。（3）变应力下，以疲劳极限作为极限应力。8.2.5 接触疲劳强度接触应力是指若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形在其接触处为一小面积，此面积上产生的局部应力。接触强度是指零件守接触应力作用时的强度。接触疲劳强度的判定条件为 式中，sHlim为由实验测得的材料的接触疲劳极限。8.3 机械零件的常用材料及钢的热处理8.3.1 机械零件的常用材料 机械零件常用的材料主要是钢和铸铁，其次是有色金属合金，以及非金属材料。下面分别简要说明。1钢：含碳量小于2的铁碳合金，包括：1) 碳素钢：2) 合金钢：加入一些铬、镍、钼、钛、钨等元素两大类。一部分钢种如下： 普通碳素钢 优质碳素结构钢 合金结构钢 铸钢 2铸铁：含碳量大于2的铁碳合金，包括： 灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 3有色金属合金：铁以外的金属 铜和铜合金a纯铜，常称紫铜b黄铜c青铜 滑动轴承合金a锡基滑动轴承合金（锡基巴氏合金）b铅基轴承合金 铝合金 镁合金 钛合金8.3.2 钢的热处理先来学习钢的热处理概念。钢的热处理是将钢在固态范围内，通过一定的加热、保温和冷却，以改变钢的组织和性能的一种工艺。钢的热处理种类有以下几种：1退火。是把钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温，然后缓漫冷却的热处理方法。使原有的钢的组织发生变化，达到以下几个目的：降低硬度，提高塑性，便于切削加工；细化晶粒，均匀组织；消除内应力等。2正火。正火即常化，把钢加热到相变或部分相变的温度，然后在空气中自然冷却的热处理方法。对于低碳钢（含碳量小于0.25），正火后的硬度比退火后的硬度略高。3淬火与回火。回火种类： 低温回火，淬火后的机械零件在150250范围内的回火。 中温回火，淬火后的机械零件在350450范围内的回火。 高温回火，淬火后的机械零件在500650范围内。 4时效：机械零件，特别是精密的模具或量具，常在低温回火以后，精加工之前，将其重新加热到100150，保持（520）小时，这种稳定精密制件尺寸和形状的热处理方法。5表面热处理：表面淬火和化学热处理 钢的表面淬火：是将机械零件的表面通过快速加热（火焰表面快速加热及高频或工频电感应快速加热）到相变温度，在热量还来不及传导至机械零件的心部之前，迅速加以冷却。这样，表面层淬火变得很硬，而心部仍保持原有状态，具有足够的强度和韧性。 钢的化学热处理a渗碳：是使碳原子渗入到低碳钢的表面层的过程。b渗氮：是向钢的表面层渗入氮原子的过程。 c氰化：在钢中同时渗入碳原子和氮原子的过程称为氰化。8.4 机械零件的结构工艺性8.4.1 便于制造毛坯 毛坯的制造方法有铸造、锻造和焊接等，应根据机械零件的使用要求、生产批量和具体制造条件进行选择。8.4.2 便于切削加工