机械设计 第一章绪论_48.ppt

实例：,精密机械设计,西安工业大学光电学院,目录,概述零件和机构的误差估算和精度工艺性零件的设计方法及其发展零件的工作能力及其计算工程材料和热处理,第一章精密机械设计的基础知识,第一章精密机械设计的基础知识,1-1概述一、本课程的研究对象：一般是指结合光、机、电、气、液原理设计的“精密加工设备”、“精密测量仪器”等。发展方向：沿着自动化、光机电一体化和职能化的方向，成为光、机、电、算多种技术应用的综合技术系统。,精密机械设计,机器：（三个特征）,人为的实物组合（不是天然形成的）；,各运动单元具有确定的相对运动；,能实现能量转换或完成有用的机械功。,机械：,只有两个特征。用来传递和转换运动,机器和机构的总称。,机构：,零件：组成精密机械的基本单元。,二、研究内容：,研究通用零、部件的工作原理、特点、应用范围、选型、材料、精度以及设计计算的一般原则与方法。,三、主要任务：,1）掌握常用机构的结构分析、运动分析、动力分析及其设计方法；2)掌握通用机械零部件的工作原理、特点、选型及其计算方法，解决其设计问题；3）具有设计精密机械传动和仪器机械结构的能力；4）掌握通用零件的分析和实验方法；5）树立正确的设计思想和掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范）。,四、设计精密机械时应满足的基本要求：,使用性（功能性）要求：实现预定功能机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。2.可靠性要求：具有一定的强度、刚度和振动稳定性。,机械应能保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生各种型式的失效。为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计算在整个设计工作量中占了很大的比例。,3经济性要求,简化结构选用适当的材料确定合理的加工精度标准化、通用化和系列化,降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性,成本,设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。,标准化：是指对零件的尺寸，结构要素、材料性能、检验方法和制图要求等，制定出各式各样的大家共同遵守的标准。机械零件设计的标准分为国家标准（GB）、专业标准和企业标准等三级，此外，进出口产品一般还应符合国际标准化组织制定的国际标准（ISO）。,标准化、通用化、系列化,优越性：（1）用先进的方法对用途最广的零件进行大量的、集中制造，以提高质量，降低成本；（2）提高零件性能的可靠性；（3）缩短产品设计周期、提高设计质量。（4）简化机器的维修工作。,系列化：是指对于同一产品，为了符合不同的使用条件，在同一基本结构或基本尺寸条件下，规定出若干个辅助尺寸不同的产品，称为不同的系列。,“三化”:零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化,通用化：指系列之内或跨系列的产品之间，尽量采用同一结构和尺寸的零部件，以减少零部件数量。,精度要求其它特殊要求,例：汽车,耐用性,五、精密机械的设计一般步骤,市场调研可行性研究,原理方案设计,技术设计,试制试验,小批生产试销,投产,设计任务书,定出最佳方案,装配图、零件图、技术文件,样机评价改进,考核工艺性收集用户意见,产品销售,机械设计是一个工作过程。,实现自主创新，拥有自主知识产权主要依靠开发性设计。创新性最强、过程最完整。,一、机械设计的过程,设计的类型,1-2零件和机构的误差估算和精度,一、误差与精度的概念误差：实际值真值误差精度二、零件和机构的误差,1.零件误差,特性误差：实际特性与给定特性之差。,加工误差：零件的实际尺寸与理想值之差。,按使用场合的不同,2.机构误差：实际机构运动精度与理想机构运动精度之间的偏差。,影响零件和机构特性的原始误差有：,设计误差（原理误差）工艺误差使用误差,三、误差估计的基本方法系统误差：代数和随机误差：方和根,位置误差：主动件位置相同时，从动件位置的偏差,位移误差：主动件位移相同时，从动件位移的偏差,1-3工艺性,一、工艺性良好的要求（1）制造和装配的工时少；（2）需要复杂设备的数量较少；（3）材料的消耗少；（4）准备生产的费用少。,三、改善零件工艺性的一般原则合理选择零件毛坯种类；机加工的工作量尽可能小；加工零件中的孔、槽等尺寸，选用标准刀具。合理地确定加工精度、表面粗糙度和热处理条件。,二、结构工艺性与生产条件整个结构易于拆分，易于装配、维修和检验；尽量采用已生产过的零部件或标准件；具有互换性,1-4零件的设计方法及其发展,一、零件的设计方法理论设计：利用物理、力学、机械原理等课程的理论知识进行的设计。例：受拉杆件的强度设计：,设计计算：直接求出剖面尺寸校核计算：初步定出零件的尺寸和形状，然后用理论计算的方法校核零件截面上的应力或特性,F外载荷A横截面面积S安全系数极限应力,经验设计：根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的办法所进行的设计。模型实验设计：先初步定出零件的尺寸和形状，经过实验的手段对各方面的特性进行检验。根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。,可靠性设计可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。累计失效概率：产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率。优化设计：通过优化方法，确定零件的尺寸参数，使零件获得最优或最佳的设计目标。计算机辅助设计,二、现代设计方法,1-5零件的工作能力及其计算,强度是零件抵抗外载荷作用的能力（一）载荷和应力载荷：进行强度计算的依据。包括作用于零件上的外力，弯矩，扭矩以及冲击能量。载荷在零件中引起拉、压、弯、剪等各种应力，并产生相应的变形。名义载荷（公称载荷）：在稳定和理想的工作条件下计算载荷：,应力：按材料力学的基本公式求出，作用在零件剖面上。静载荷和静应力：在零件剖面上作用的由零缓慢地增大到某一数值后即保持不变。交变载荷和交变应力：随时间周期变化,应力循环：一个周期所对应的应力变化。,平均应力：,应力幅度：,循环特性：,最小应力,最大应力,对称循环,脉动循环,零件的失效：丧失工作能力,失效形式：,产生过大的残余变形,在规定的使用期限内过早的发生断裂,工作表面损坏表面强度,体积强度或整体强度,（二）零件的整体强度：定义：零件整体抵抗载荷作用的能力判断零件整体强度的方法,比较零件在载荷作用下产生的应力与许用应力。,条件为：,比较零件在载荷作用下实际安全系数与许用安全系数进行比较。,条件为：,实际安全系数：,采用的方法由可被利用的数据和计算惯例决定,静应力下的强度：可以用上述两种方法中的任意一种。,当材料缺少屈服极限的数据时，可取强度极限，但安全系数应取大一些。,安全系数与许用应力的关系：,安全系数过大：材料浪费，结构过于笨重,安全系数过小：零件强度不足而失效,交变应力下的强度：其损坏形式是疲劳断裂。断裂开始的两个阶段：金属材料的某些部分通过各种滑移方式形成初始裂纹裂纹尖端在剪应力下发生塑性变形，使裂纹扩展。,疲劳曲线（曲线）：表示应力循环次数与疲劳极限的关系,0,区,区,则：,寿命系数,此时，通常用材料的作为极限应力，然后用寿命系数来考虑零件实际应力循环次数的影响。,（三）零件的表面强度：分类：表面接触强度和表面抗磨损强度表面接触强度接触应力：当零件的工作载荷通过有限接触面积传递时，在接触区产生的局部应力。有限接触面积：加载前为点接触或线接触，加载后为扩展成为微小的接触面积。疲劳点蚀：在循环接触应力下，接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表层小块金属剥落的失效形式。,采取的措施：提高接触表面的硬度，以提高接触疲劳极限；采用黏度较大的润滑油，以减缓疲劳裂纹的扩展；提高零件表面的加工质量，以改善接触情况；增大接触处的综合曲率半径，以降低接触应力。表面抗磨损强度磨损：零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程。当磨损量超过允许值时，则零件失效。,原因,硬质微粒落入两接触表面间引起,两接触表面在相对运动中相互刮削,磨损的阶段：,目的：力求缩短跑合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。,2代表机件使用寿命的长短,措施：采用适当的密封装置；定期清洗或更换润滑剂；充分润滑摩擦表面，使接触表面部分或全部脱离接触，以减少或避免摩擦；减少摩擦表面的粗糙度，以改善摩擦面的接触情况；用热处理、电镀等方法提高接触表面的耐磨性；选择摩擦表面材料，选用减摩材料。,判断：,二、刚度反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力大小用产生单位变形所需的外力或外来矩来表示。按其承受载荷的性质：,静刚度：按照静载荷与变形的关系所确定的刚度。,动刚度：按照交变载荷与变形的关系所确定的刚度。,金属材料：静刚度动刚度,非金属材料：（橡胶）,0,要求：a.有足够的刚度b.有一定的刚度,例：片簧受力后的刚度计算,式中：,选用价格低的碳素钢；改变零件截面形状和尺寸，缩短支承点的距离；变形许用值从试验或从实践中整理得出。,三、振动稳定性在交变载荷的作用下，零件将产生机械振动。共振：零件的固有频率与载荷的频率相同。例：圆柱形拉压螺旋弹簧的固有频率为：,防止共振的方法：消除引起共振的载荷改变零件的固有频率放在减振器组成的隔振系统。,1-6工程材料和热处理,一、常用材料简介,铸铁,金属与金属复合材料金属与非金属复合材料非金属与非金属复合材料,复合材料,非金属材料：塑料、橡胶、陶瓷、皮革、,金属材料,黑色金属,有色金属,钢：碳素钢（普通、优质），合金钢，不锈钢,铜合金：耐磨和耐腐蚀铝合金：具有高的强重比轴承合金(巴氏合金）,二、金属材料的力学性能,应力极限,比例极限屈服极限强度极限,应力应变曲线,弹性模量E,反映材料抗变形的能力，衡量材料刚度的性能指标。,延展性：衡量材料塑性性能的指标,伸长率：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率。断面收缩率：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率。,伸长率或断面收缩率愈大，材料的塑性愈高。,冲击韧度：衡量材料承受冲击载荷能力的性能指标,弹性能和韧性能：弹性能：在弹性变形范围内，应变能将以势能的形式储存在材料内部，撤去外力又全部释放。韧性能：材料在断裂前所能吸收的能量。,硬度：表示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。,硬度愈高，强度和耐磨性愈高，塑性降低。,常用的硬度指标：布氏硬度（HBS）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度（HV）,影响力学性能的因素：,1.含碳量的影响,含碳量愈高，材料的强度和硬度愈高，塑性降低，切削性、锻造性、焊接性、导电性和导热性降低。,2.合金元素的影响,3.温度的影响,低温条件下强度增加，塑性和冲击韧性下降。,4.热处理工艺的影响,不同的热处理工艺，将使材料的硬度、强度、塑性、韧性等力学性能产生变化。,三、常用工程材料,黑色金属,碳钢,按含碳量分类,低碳钢：,中碳钢：,高碳钢：,铸铁：碳含量大于2.11%的铁碳合金,特性：强度、塑性和韧性较差，不能进行锻造。但具有良好的铸造性、减摩性和切削加工性。,合金钢：在钢中加入合金元素,特性：耐热、耐低温、耐腐蚀、高磁性、高耐磨性等,有色金属,铜合金：良好的导电性、导热性、耐蚀性和延展性。,铝合金：密度小，熔点低，导热、导电性良好，塑性高，但强度低，耐磨性差。,非金属,工程塑料：密度小，质量轻，耐腐蚀性能好，可注塑或挤压成型；,橡胶：较大的弹性和良好的绝缘性，耐磨损、耐腐蚀、耐放射性；,人工合成矿物：刚玉和石英,三、金属材料的热处理,退火,渗碳氮化碳氮共渗及其它,表面热处理,火焰加热感应加热,热处理,普通热处理,表面淬火,正火,淬火,回火,化学热处理,热处理：通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种工艺方法。,退火：将钢材加热到稍高于临界温度，并在该温度下保持一定时间，然后随炉缓慢冷却。目的：（1）软化钢件，便于切削加工；（2）细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能；（3）消除残余应力，以防止钢件的变形，开裂。,正火：将工件加热到适当温度，保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却的金属热处理工艺。目的：（1）获得较高的力学性能；（2）细化晶粒，便于后续的切削加工。,淬火：又称硬化。将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。目的：提高零件的硬度和耐磨性。注意：整体淬火有较大的内应力，必须进行回火。,回火：将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。目的：（1）提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。（2）消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。（3）调整钢铁的力学性能以满足使用要求。,调质：淬火加高温回火的热处理工艺。,表面淬火：通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现。只使表层淬硬，中心留有较好的塑性和韧性。感应加热：深度取决于电流频率。分类火焰加热电接触加热,化学热处理：将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表面，以改变表层的化学成分和组织。（1）渗碳：使碳原子渗入到钢表面层的过程。使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。,（2）氮化：使氮原子渗入到钢表面层的过程。其目的是提高表面硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和抗腐蚀性。,（3）碳氮共渗（氰化）：使碳、氮原子渗入到钢表面层的过程。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度