机械设计第二章

1、1第二章第二章 机械设计总论机械设计总论电子科技大学电子科技大学 凌丹凌丹机械设计机械设计机械电子工程学院机械电子工程学院机器的组成机器的组成设计机器的一般程序设计机器的一般程序对机器的主要要求对机器的主要要求机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式4123设计机械零件的一般要求设计机械零件的一般要求5主要内容主要内容机械电子工程学院机械电子工程学院主要内容主要内容机械零件的设计准则机械零件的设计准则机械零件的设计方法机械零件的设计方法机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用9678现代设计方法简介现代设计方法简介10机械电子工程学院机械电子

2、工程学院第二节第二节 设计机器的一般程序设计机器的一般程序提出任务提出任务分析对机器的要求分析对机器的要求确定任务要求确定任务要求机器功能分析机器功能分析提出可能的解决办法提出可能的解决办法组合几种可能的方案组合几种可能的方案决策决策-选定方案选定方案明确构形要求明确构形要求结构化结构化选择材料、确定尺寸选择材料、确定尺寸零件设计零件设计编制技术文件编制技术文件评价评价决策决策确定结构形状与尺寸确定结构形状与尺寸评价评价部件设计部件设计总体设计总体设计计计划划方方案案设设计计技技术术设设计计机械电子工程学院机械电子工程学院根据确定的结构方案根据确定的结构方案确定原动件参数（功率、转速、线速度）

3、确定原动件参数（功率、转速、线速度）确定各运动部件的运动参数（转速、速度、加速度）确定各运动部件的运动参数（转速、速度、加速度）机器的运动学设计机器的运动学设计机器的动力学计算机器的动力学计算零件的工作能力设计零件的工作能力设计装配草图设计装配草图设计主要零件校核主要零件校核计算各主要零件所受的名义载荷计算各主要零件所受的名义载荷依据零件的设计准则和名义载荷，确定零部依据零件的设计准则和名义载荷，确定零部件的基本尺寸件的基本尺寸绘制部件装配草图绘制部件装配草图绘制总装配草图绘制总装配草图协调各零件的结构及尺寸协调各零件的结构及尺寸精确计算零件上的载荷精确计算零件上的载荷修改零件的结构和尺寸修改

4、零件的结构和尺寸技技术术设设计计阶阶段段第二节第二节 设计机器的一般程序设计机器的一般程序机械电子工程学院机械电子工程学院2、传动比分配、传动比分配3、计算各轴的转速、计算各轴的转速1、选择电动机、选择电动机4、计算各轴的转矩、计算各轴的转矩5、齿轮传动设计、齿轮传动设计6、轴及轴类零件的设计与选择、轴及轴类零件的设计与选择7、绘制装配图和零件图、绘制装配图和零件图设计说明书：设计说明书： 包括机构方案说明与相关计算；包括机构方案说明与相关计算；齿轮、轴、轴承、键等零件的计齿轮、轴、轴承、键等零件的计算与校核。算与校核。第二节第二节 设计机器的一般程序设计机器的一般程序例：减速器设计过程例：减

5、速器设计过程机械电子工程学院机械电子工程学院第二节第二节 设计机器的一般程序设计机器的一般程序机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院轴的零件图轴的零件图机械电子工程学院机械电子工程学院滑动轴承装配图例滑动轴承装配图例机械电子工程学院机械电子工程学院减速器装配图例减速器装配图例机械电子工程学院机械电子工程学院2022-5-1912产品规划产品规划结构方案设计结构方案设计原理方案设计原理方案设计总体设计总体设计施工设计施工设计试制、批量生产、销售试制、批量生产、销售可行性报告可行性报告设计任务书设计任务书 原理方案图原理方案图 结构设计草图结构设计草图 总装配图总装配图部

6、装图、零件图部装图、零件图技术文档技术文档机械电子工程学院机械电子工程学院第三节第三节 机器应满足的要求机器应满足的要求使用功能的要求（使用功能的要求（performance）经济性要求（经济性要求（cost）劳动保护和环境保护要求（劳动保护和环境保护要求（safety）寿命与可靠性的要求（寿命与可靠性的要求（reliability）其他专用要求其他专用要求机械电子工程学院机械电子工程学院第四节第四节 机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式机械电子工程学院机械电子工程学院失效失效 机械零件由于机械零件由于某种原因不能正常某种原因不能正常工作的现象。工作的现象。工作能力工作能力 在不发生失

7、效的在不发生失效的条件下，零件所能条件下，零件所能安全工作的限度。安全工作的限度。又称为承载能力。又称为承载能力。基本概念基本概念failurecapability机械电子工程学院机械电子工程学院机械零件的主要失效形式机械零件的主要失效形式主要失效形式主要失效形式整体断裂整体断裂 拉、压、弯、剪、扭拉、压、弯、剪、扭过大的残余变形过大的残余变形 塑性变形、加工，热处理塑性变形、加工，热处理零件的表面破坏零件的表面破坏 腐蚀、接触疲劳、磨损腐蚀、接触疲劳、磨损破坏正常工作条件引起的失效破坏正常工作条件引起的失效 打滑、共振、打滑、共振、胶合胶合机械电子工程学院机械电子工程学院整体塑变整体塑变齿轮

8、轴断裂齿轮轴断裂轮齿磨损轮齿磨损机械零件失效的实例：机械零件失效的实例：机械电子工程学院机械电子工程学院机械零件失效的实例：机械零件失效的实例：齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 轴承内圈破裂轴承内圈破裂 轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形轮齿塑性变形轮齿塑性变形机械电子工程学院机械电子工程学院被联件相对滑移被联件相对滑移被联件拉断被联件拉断机械零件失效的实例：机械零件失效的实例：机械电子工程学院机械电子工程学院齿面接触疲劳齿面接触疲劳轴瓦磨损轴瓦磨损零件的失效形式受到很多因素的影响，如：工作环零件的失效形式受到很多因素的影响，如：工作环境、材料、载荷性质、润滑状况等。境、材料、载荷性质、润滑状况等。统计

9、结果显示：统计结果显示：断裂仅占断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、腐蚀、磨损、疲劳破坏占疲劳破坏占73.88%。机械电子工程学院机械电子工程学院第五节第五节 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求机械电子工程学院机械电子工程学院避免在预定寿命周期内失效避免在预定寿命周期内失效1良好的结构工艺性良好的结构工艺性2经济性要求经济性要求3质量小要求质量小要求4可靠性要求可靠性要求5第五节第五节 设计机械零件时应满足的基本要求设计机械零件时应满足的基本要求机械电子工程学院机械电子工程学院一、避免在预定寿命期内失效一、避免在预定寿命期内失效防止零件在工作防止零件在工作中发生断裂、产中

10、发生断裂、产生塑性变形或出生塑性变形或出现点蚀。现点蚀。强度要求强度要求防止零件在工作防止零件在工作时产生的弹性变时产生的弹性变形超过允许的限形超过允许的限度。度。刚度要求刚度要求防止零件在工作防止零件在工作一段时间之后，一段时间之后，未达到设计寿命未达到设计寿命而提前失效。而提前失效。寿命要求寿命要求机械电子工程学院机械电子工程学院lim1. 强度准则强度准则材料的极限应力材料的极限应力零件的工作应力零件的工作应力脆性材料：脆性材料： lim = B (强度极限强度极限)塑性材料：塑性材料： lim = S (屈服极限屈服极限) 适用于以断裂、疲劳破坏和残余变形为主要适用于以断裂、疲劳破坏和

11、残余变形为主要失效的零件的设计。失效的零件的设计。一、避免在预定寿命期内失效一、避免在预定寿命期内失效机械电子工程学院机械电子工程学院一、避免在预定寿命期内失效一、避免在预定寿命期内失效考虑到各种偶然因素的影响，引入安全系数考虑到各种偶然因素的影响，引入安全系数S S，得：，得：SlimlimS许用应力许用应力S为大于为大于1的数，的数，S过大，虽安全但浪费材料；过大，虽安全但浪费材料；S过小，虽节省材料，但趋于危险。过小，虽节省材料，但趋于危险。 1. 强度准则强度准则机械电子工程学院机械电子工程学院一、避免在预定寿命期内失效一、避免在预定寿命期内失效1. 强度准则强度准则提高强度的措施提高

12、强度的措施足够的截面尺寸足够的截面尺寸增大受力面积增大受力面积采用强度高的材料采用强度高的材料合理的截面形状合理的截面形状增大截面的惯性矩增大截面的惯性矩采用热处理方法采用热处理方法提高材料的力学性能提高材料的力学性能提高制造精度提高制造精度减小工作时产生的动载荷减小工作时产生的动载荷合理布置零件合理布置零件降低零件上的载荷降低零件上的载荷机械电子工程学院机械电子工程学院2. 刚度准则刚度准则零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值yy 机床主轴、导轨等弹性变形过大会机器性能的机床主轴、导轨等弹性变形过大会机器性能的零件，除了满足强度要求之外，还应满足一

13、定的零件，除了满足强度要求之外，还应满足一定的刚度要求。刚度要求。机械电子工程学院机械电子工程学院 影响零件使用寿命的因素主要是影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和腐蚀、磨损和疲劳疲劳，机械零件的工作能力随着其工作时间的增加，机械零件的工作能力随着其工作时间的增加而而衰退衰退。3. 寿命准则寿命准则 零件零件正常工作的时间正常工作的时间称为零件的称为零件的寿命寿命。 腐蚀和磨损寿命没有成熟的计算方法，只能采腐蚀和磨损寿命没有成熟的计算方法，只能采用近似计算。用近似计算。机械电子工程学院机械电子工程学院二、良好的结构工艺性二、良好的结构工艺性 便 于 加 工 ，便 于 加 工 ，加工成本较低

14、。加工成本较低。加工工艺性加工工艺性 便 于 安 装 、便 于 安 装 、调整与拆卸。调整与拆卸。装配工艺性装配工艺性机械电子工程学院机械电子工程学院二、良好的结构工艺性二、良好的结构工艺性螺栓连接的布局螺栓连接的布局圆环圆环圆形圆形 分布在同一圆周的螺栓数目，宜取偶数，以便分布在同一圆周的螺栓数目，宜取偶数，以便在圆周上钻孔时，分度和划线。在圆周上钻孔时，分度和划线。机械电子工程学院机械电子工程学院足够的扳手空间足够的扳手空间二、良好的结构工艺性二、良好的结构工艺性机械电子工程学院机械电子工程学院二、良好的结构工艺性二、良好的结构工艺性机械电子工程学院机械电子工程学院三、经济性要求三、经济性

15、要求简化零件的结构，降低材料消耗；简化零件的结构，降低材料消耗； 采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；良好的工艺性，减少加工和装配成本；良好的工艺性，减少加工和装配成本；采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；大型零件采用组合结构而非整体结构；大型零件采用组合结构而非整体结构；尽量采用标准件。尽量采用标准件。零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。机械电子工程学院机械电子工程学院四、质量小的要求四、质量小的要求减小零件质量的好处：减小零件质量的好处：节约材料。节约材料。 减小

16、惯性；改善机器的动力性能。减小惯性；改善机器的动力性能。 便于运输。便于运输。 机械电子工程学院机械电子工程学院参数不确定性参数不确定性：尺寸参数（制造精度）：尺寸参数（制造精度） 设计参数（数据不足）设计参数（数据不足）模型不确定性模型不确定性：（1 1）材料各向同性；）材料各向同性；（2 2）小变形及线弹性；）小变形及线弹性；（3 3）简化的简支梁；）简化的简支梁；（4 4）圆柱体接触；）圆柱体接触；（5 5）齿轮都是刚性体。）齿轮都是刚性体。五、可靠性要求五、可靠性要求机械零件设计过程中存在不确定因素机械零件设计过程中存在不确定因素机械电子工程学院机械电子工程学院FA(,)(,)(,)F

17、FssAAFA 五、可靠性要求五、可靠性要求机械电子工程学院机械电子工程学院6lim1129.55 10,FNAFaSaFnZPKgY Y Y YSbd nmd X P齿根弯曲性能函数齿根弯曲性能函数疲劳接触性能函数疲劳接触性能函数62lim212 109.551,cosHNEHAP ugZZ ZKd bnud X P设计变量：设计变量：1, ,nz m b设计参数：设计参数：limlim, ,EHFP n Z五、可靠性要求五、可靠性要求机械电子工程学院机械电子工程学院五、可靠性要求五、可靠性要求机械电子工程学院机械电子工程学院可靠性可靠性 reliability产品在产品在规定条件下规定条件

18、下和和规定时间内规定时间内，完成，完成规定规定功能功能的能力。的能力。 The ability of a system or a component to perform its required functions under stated conditions for a specified period of time.The IEEE Definition五、可靠性要求五、可靠性要求机械电子工程学院机械电子工程学院系统可靠性系统可靠性零件（元器件）可靠性零件（元器件）可靠性结构强度可靠性结构强度可靠性机构运动可靠性机构运动可靠性五、可靠性要求五、可靠性要求固有可靠性固有可靠性使用可靠性

19、使用可靠性基本可靠性基本可靠性任务可靠性任务可靠性机械电子工程学院机械电子工程学院五、可靠性要求五、可靠性要求基于统计的可靠度基于统计的可靠度：在规定的时间和规定的条件下，设备无故：在规定的时间和规定的条件下，设备无故障完成规定功能的概率。障完成规定功能的概率。基于模型的可靠度基于模型的可靠度：基于：基于SSI模型得到的强度大于应力的概率模型得到的强度大于应力的概率PrRtTPrRS可靠性的定量描述可靠性的定量描述机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院六、振动稳定性准则六、振动稳定性准则 在设计时应使机器中各个零件的固有频在设计时应使机器中各个零件的固有频率率f与激振

20、源的频率与激振源的频率fp错开。通常应保证错开。通常应保证fp0.85f 或或fp1.15f 高速运转机器容易产生振动，零件的受迫振动频高速运转机器容易产生振动，零件的受迫振动频率与固有频率接近时，将会产生共振（率与固有频率接近时，将会产生共振（resonance） 。机械电子工程学院机械电子工程学院第七节第七节 机械零件的设计方法机械零件的设计方法机械电子工程学院机械电子工程学院机械零件的设计方法机械零件的设计方法机械零件的机械零件的设计方法设计方法常规设计方法常规设计方法现代设计方法现代设计方法理论设计理论设计经验设计经验设计模型实验设计模型实验设计 常规设计方法是指采用一定的理论分析和计

21、算，常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。公式、图表等进行设计的方法。机械电子工程学院机械电子工程学院1. 理论设计理论设计根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所进行根据长期的总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。的设计。以受拉杆为例，强度条件公式为：以受拉杆为例，强度条件公式为： limSAFF-拉力，拉力， A-杆横截面面积。杆横截面面积。机械电子工程学院机械电子工程学院设计计算公式设计计算公式FA 校核计算公式校核计算公式AF AFSScalimSlim用于已

22、知载荷和零件材用于已知载荷和零件材料时，设计截面尺寸。料时，设计截面尺寸。用于零件强度校核和用于零件强度校核和确定许可载荷。确定许可载荷。机械电子工程学院机械电子工程学院2022-5-19482. 经验设计经验设计 根据根据经验关系式经验关系式，用，用类比类比的方法所进行的设计。如：箱的方法所进行的设计。如：箱体的结构设计体的结构设计机械电子工程学院机械电子工程学院3. 模型实验设计模型实验设计 把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。 机械电子工程学院机械电子工程学

23、院第八节第八节 机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤机械电子工程学院机械电子工程学院选择零件类型、结构选择零件类型、结构写出计算说明书写出计算说明书画出零件工作图画出零件工作图 零件的受力分析零件的受力分析确定计算准则确定计算准则选择零件的材料选择零件的材料确定零件的基本尺寸确定零件的基本尺寸结结 构构 设设 计计合格？合格？YN修改参数修改参数机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤校校 核核 计计 算算机械电子工程学院机械电子工程学院 零件尺寸计算值一般并不是最终采用的数值，设零件尺寸计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以根据制

24、造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整圆整。 一般，机器中一般，机器中仅部分零件通过计算确定其形状和尺仅部分零件通过计算确定其形状和尺寸寸，其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设，其余的零件则仅根据工艺要求和结构要求进行设计。计。 结构设计是机械零件的重要设计内容之一。结构设计是机械零件的重要设计内容之一。几点说明几点说明机械电子工程学院机械电子工程学院第九节第九节 机械零件的材料及其选用机械零件的材料及其选用材料的种类材料的种类材料力学指标及热处理方法（补充内容）材料力学指标及热处理方法（补充内容）材料的选择原则材料的选择原则机械电子工程学院机械电子工程学院一、机械零件的常用材料一、机械零

25、件的常用材料1、黑色金属、黑色金属 铸铁、钢铸铁、钢 铸铁铸铁-灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁特点：良好的液态特点：良好的液态流动性；较好的减流动性；较好的减震性、耐磨性、切震性、耐磨性、切削性、成本低廉。削性、成本低廉。含碳量含碳量2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。机械电子工程学院机械电子工程学院按化学成分分类：按化学成分分类：低碳钢低碳钢 、中碳钢、中碳钢 、高碳钢、合金钢、高碳钢、合金钢按用途分类：按用途分类：结构钢、工具钢、特殊钢结构钢、工具钢、特殊钢按成形方法分类：按成形方法分类：铸钢、锻钢铸钢、锻钢按品质分类：按品质分类：普通钢、优质钢、普

26、通钢、优质钢、高级优质钢高级优质钢特点：与铸铁相比，钢具有特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性高的强度、韧性和塑性。可。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。用热处理方法改善其力学性能和加工性能。含碳量百分比介于含碳量百分比介于0.02%至至2.04%之间之间 钢钢 steel机械电子工程学院机械电子工程学院碳（碳（Carbon) 存在于所有的钢材，是最重要的硬化元素。有助于存在于所有的钢材，是最重要的硬化元素。有助于增加钢材的强度，刀具级别的钢材拥有增加钢材的强度，刀具级别的钢材拥有0.6%以上的碳，即高碳钢。以上的碳，即高碳钢。铬（铬（Chromium) Cr 增加耐磨损性，硬度

27、，最重要的是耐腐蚀性，增加耐磨损性，硬度，最重要的是耐腐蚀性，含铬量含铬量13%以上的称为不锈钢。以上的称为不锈钢。钢材中常用的合金元素及其对钢性能的影响钢材中常用的合金元素及其对钢性能的影响锰（锰（Manganese）Mn 有助于生成纹理结构，增加坚固性，和强度、有助于生成纹理结构，增加坚固性，和强度、及耐磨损性。在热处理和卷压过程中使钢材内部脱氧，出现在大多及耐磨损性。在热处理和卷压过程中使钢材内部脱氧，出现在大多数的刀具用钢材中。数的刀具用钢材中。钼（钼（Molybdenum）Mo 碳化作用剂，防止钢材变脆，在高温时保碳化作用剂，防止钢材变脆，在高温时保持钢材的强度。持钢材的强度。机械电

28、子工程学院机械电子工程学院镍（镍（Nickle）Ni 保持强度、抗腐蚀性、和韧性。保持强度、抗腐蚀性、和韧性。硅（硅（Silicon）Si 有助于增强强度。和锰一样，硅在钢的生产过程中用于保持钢有助于增强强度。和锰一样，硅在钢的生产过程中用于保持钢材的强度。材的强度。钨（钨（Tungsten）W 增强抗磨损性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。增强抗磨损性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。钒（钒（Vanadium）V 增强抗磨损能力和延展性，用于制造条纹钢。增强抗磨损能力和延展性，用于制造条纹钢。钢材中常用的合金元素及其对钢性能的影响钢材中常用的合金元素及其对钢性能的影响机械

29、电子工程学院机械电子工程学院2、有色金属、有色金属铜合金铜合金青铜青铜 以锡（以锡（Sn）为主要合金）为主要合金黄铜黄铜 以锌（以锌（Zn）为主要合金）为主要合金轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好特点：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。的减摩性和抗腐蚀性。机械电子工程学院机械电子工程学院(1) (1) 高分子材料高分子材料: :塑料、橡胶塑料、橡胶3、非金属材料、非金属材料橡胶橡胶-橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。常用作联轴橡胶富于弹性，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

30、带等。硬橡胶可用于制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滑的轴承衬。造用水润滑的轴承衬。 橡胶轴承橡胶轴承机械电子工程学院机械电子工程学院2022-5-1960塑料塑料-塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不塑料的比重小，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、绝同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、热性、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用日益广泛。摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。 3、非金属材料、非金属材料机械电子工程学院机械电子工程学院(2) 陶陶 瓷瓷硬度高、耐磨、耐

31、腐蚀，用于制作密封件、切削刀具、硬度高、耐磨、耐腐蚀，用于制作密封件、切削刀具、滚动轴承。滚动轴承。陶瓷轴承的应用领域：医疗器械、低温工程、光学仪器、高速机陶瓷轴承的应用领域：医疗器械、低温工程、光学仪器、高速机床、高速电机、印刷机械、食品加工机械。床、高速电机、印刷机械、食品加工机械。 机械电子工程学院机械电子工程学院(3) 复合材料复合材料将两种或两种以上的具有明显不同的物理和力学性能将两种或两种以上的具有明显不同的物理和力学性能的材料符合制成。用于航空、航天等高科技领域。的材料符合制成。用于航空、航天等高科技领域。carbon fiber碳纤维碳纤维 具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺具

32、有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性。织纤维的柔软可加工性。 金属陶瓷金属陶瓷 常用于制造制造切削刀具常用于制造制造切削刀具 、高温轴承飞机、高温轴承飞机和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零件；火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧件；火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口。室的火焰喷口。 机械电子工程学院机械电子工程学院二、材料的力学指标及热处理方法二、材料的力学指标及热处理方法机械电子工程学院机械电子工程学院硬硬 度度 Hardness硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能

33、力。表示硬度的单位表示硬度的单位常规表示有布氏（常规表示有布氏（HB）、洛氏（）、洛氏（HRC）、维氏（）、维氏（HV）、里）、里氏（氏（HL）硬度等，其中以）硬度等，其中以HB及及HRC较为常用。较为常用。HB与与HRC两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计的测两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计的测头为钢球，而洛氏硬度计的测头为金刚石头为钢球，而洛氏硬度计的测头为金刚石. http:/ Treatment of Steel 钢的热处理钢的热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性

34、能冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。 退火退火 Annealing正火正火 Normalization淬火淬火 Quenching回火回火 Tempering表面硬化表面硬化 Case Hardening机械电子工程学院机械电子工程学院标准晶粒度等级（放大标准晶粒度等级（放大100倍倍 ）晶粒越细晶粒越细, 金属的塑性越好。金属的塑性越好。 机械电子工程学院机械电子工程学院铁碳相图铁碳相图 铁碳合金相图

35、是研铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织成分、温度、组织和性能之间关系的和性能之间关系的理论基础，也是制理论基础，也是制定各种热加工工艺定各种热加工工艺的依据。的依据。机械电子工程学院机械电子工程学院Annealing 退火退火将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。织的热处理工艺叫做退火。Soften a material and make it more ductile

36、, to relieve residual stress.消除冷加工产生的内应力消除冷加工产生的内应力;降低硬度，提高延展性；降低硬度，提高延展性；改善切削加工性能改善切削加工性能 。机械电子工程学院机械电子工程学院Normalizing 正火（常化）正火（常化）将钢件加热到一定温度，保温适当时间后将钢件加热到一定温度，保温适当时间后, , 在自由流在自由流动的空气中均匀冷却。动的空气中均匀冷却。 正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化处理正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化处理 。作为最终热处理作为最终热处理 正火可以细化晶粒，使组织均正火可以细化晶粒，使组织均匀化，从而提高钢的强度、硬度

37、和韧性。匀化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。 作为预先热处理作为预先热处理 截面较大的合金结构钢件，在截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火。火。改善切削加工性能。改善切削加工性能。机械电子工程学院机械电子工程学院Quenching 淬火淬火将钢加热到一定温度，保温一定时间后快速冷却将钢加热到一定温度，保温一定时间后快速冷却的热处理工艺称为淬火。的热处理工艺称为淬火。常用的冷却介质是盐水、水或油。常用的冷却介质是盐水、水或油。 提高硬度。提高硬度。 机械电子工程学院机械电子工程学院Tempering 回火回火 钢件淬火后

38、钢件淬火后, , 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, , 将其加热一定温度将其加热一定温度, , 保温一定时间保温一定时间, , 然后冷却到室温的热处然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。理工艺叫做回火。低温回火低温回火 工件在工件在250250以下进行的回火。以下进行的回火。淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性 中温回火中温回火工件在工件在250250500 500 之间进行的回火。之间进行的回火。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。高温回火高

39、温回火工件在工件在500500以上进行的回火以上进行的回火 得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。机械电子工程学院机械电子工程学院Case Hardening 表面硬化表面硬化使零件表面有一定的硬使零件表面有一定的硬度而芯部有很好的塑性。度而芯部有很好的塑性。表面硬化方法表面硬化方法渗碳淬火渗碳淬火渗氮淬火渗氮淬火表面喷丸表面喷丸感应加热表面淬火感应加热表面淬火 机械电子工程学院机械电子工程学院火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 气体渗碳炉气体渗碳炉 机械电子工程学院机械电子工程学院三、机械零件材料的选用原则三、机械零件材料的选用原则 为零件选择符合

40、工作要求的材料与精确确定载荷及应力为零件选择符合工作要求的材料与精确确定载荷及应力是同样重要的。是同样重要的。载荷及应力的大小和性质载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况零件的工作情况 零件的结构及加工性零件的结构及加工性 材料的经济性材料的经济性 零件的尺寸及重量零件的尺寸及重量 选材的一般原则选材的一般原则 机械电子工程学院机械电子工程学院第十节第十节 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化机械电子工程学院机械电子工程学院零件的标准化零件的标准化通过对零件的尺寸、结构要素、通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准

41、。等，制定出大家共同遵守的标准。意义：意义： 1)制造上可以实现以最先进的方法专业化大批量生产制造上可以实现以最先进的方法专业化大批量生产用途最广的零件，既可提高产品质量，又能降低成本；用途最广的零件，既可提高产品质量，又能降低成本；2) 可减少设计工作量；可减少设计工作量；4) 管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化3) 统一了材料和零件的性能指标，便于比较；统一了材料和零件的性能指标，便于比较；机械电子工程学院机械电子工程学院标准层次：国际标准、国家标准、行业标准、企业标准标准层次：国际标准、

42、国家标准、行业标准、企业标准代号为： ISOGB JB、HBQB推荐性标准（推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。鼓励企业自愿采用。标准标准性质性质强制标准（强制标准（GB）-必须强制执行；必须强制执行； 机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化机械电子工程学院机械电子工程学院标准化的三个方面标准化的三个方面规格的系列化规格的系列化将 同 一 类 产将 同 一 类 产品 的品 的 主 要 参主 要 参数 、 型 式 、数 、 型 式 、尺 寸 、 基 本尺 寸 、 基 本结 构结 构 等 依 次等 依 次分 档 ， 制 成分 档 ， 制 成系列化产品系列化产品零部件的通用化零部件的通用

43、化将用途、结将用途、结构相近的零构相近的零部件经过统部件经过统一后实现互一后实现互换，如螺栓换，如螺栓和轴承。和轴承。产品质量标准化产品质量标准化设计、加工设计、加工工艺、装配工艺、装配检验、包装检验、包装储运等环节储运等环节的标准化。的标准化。机械零件设计中的标准化机械零件设计中的标准化机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院机械电子工程学院第十一节第十一节 机械零件的现代设计方法机械零件的现代设计方法机械电子工程学院机械电子工程学院机械零件的现代设计方法机械零件的现代设计方法计算机辅助设计技术（计算机辅助设计技术（CAD）优化设计优化设计 可靠性设计

44、可靠性设计 并行设计技术并行设计技术虚拟设计虚拟设计拓扑优化设计拓扑优化设计机械电子工程学院机械电子工程学院CAD-Computer Aided Design v在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员进在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员进行工作。行工作。v利用计算机进行大量的计算；利用计算机进行大量的计算；v数字的、文字的或图形的设计信息，能存放在计算机的内数字的、文字的或图形的设计信息，能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；存或外存里，并能快速地检索；v设计人员通常用草图开始设计，利用计算机完成将草图变设计人员通常用草图开始设计，利用计算机完成将草图变为工作图的繁重工作；

45、设计结果，可以快速作出图形显示为工作图的繁重工作；设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。关的图形数据加工工作。机械电子工程学院机械电子工程学院CAD的功能的功能产品方案设计产品方案设计结构设计与分析结构设计与分析产品性能分析与仿真产品性能分析与仿真产品结构的可装配性检查产品结构的可装配性检查自动生成产品的设计文档资料自动生成产品的设计文档资料设计文档的管理及产品数控加工仿真设计文档的

46、管理及产品数控加工仿真机械电子工程学院机械电子工程学院在波音在波音777777飞机的设计中，波音公司共投入飞机的设计中，波音公司共投入9 9台台IBMIBM大大型计算机，型计算机，22002200台工作站台工作站，位于日、美、英三国技，位于日、美、英三国技术人员共术人员共40004000余名，组成余名，组成200200多个工作团队，通过多个工作团队，通过计计算机网络算机网络实现实现跨国共同设计跨国共同设计。波音波音777飞机的无纸化生产飞机的无纸化生产机械电子工程学院机械电子工程学院整个飞机的设计图样达整个飞机的设计图样达3500035000多张，三个国家的设计人员均采多张，三个国家的设计人员均采用用CADCAD系统工作，各部分的配合验证、数据的修改、工作讨论系统工作