机电设备评估基础

机电设备评估根底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，大局部机器都包含有外界输入能量的动力局部、履行机器功能的执行局部、介于动力局部和工作局部之间的传动局部及控制局部。〔一〕动力局部动力局部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；而二次动力机那么是将二次能源转化，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〕传动局部传动局部是在动力局部和执行局部之间的中间装置。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局部。〔三〕工作局部〔执行局部〕工作局部是直接完成机器预定功能的局部，如车床的刀架；车辆的车厢；飞机的客舱、货仓等。工作局部是机器直接进行生产的局部，是机器用途、性能综合表达的局部，是机器设备区分和分类的依据。动力局部、传动局部以及控制局部都应该根据工作局部的功能要求、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局部的技术能力而效劳的。有不少机器其原动机和传动局部大致相同，但由于其工作局部不同，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，其传动局部也大同小异，但由于其工作局部不同就形成了不同类的机器。〔四〕控制局部控制局部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。对于结构比拟复杂，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。随着科学技术的开展，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，应有四个根本局部：〔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〕比拟值。把被控制参数的实际值与给定值比拟，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，那么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开展方向。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，再将其反应到输入端，与输入端的给定值进行比拟，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，从而到达使被控参数趋于乃至等于给定值的目的。反应就是将输出量返回馈送，并于输入量进行比拟的过程，比拟的结果称为偏差。自动控制过程就是测偏和纠偏的过程。这一原理称为反应控制原理。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，所以也称为反应控制系统。(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应通道。与闭环控制系统不同，它不需要被控对象的反应信号，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根本功能是进行信号的传递、加工和比拟。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局部，它决定了控制系统的控制性能和应用范围。假设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、螺栓等假设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。大多数机器都包含假设干个机构。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〕，而机构那么没有这种功能。仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别。为了表达方便，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；成套机械那么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S%

中碳钢：含碳量S%~0.6%

高碳钢：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SS0%，P的含量为S%~0.04S%

优质钢：S、P含量均小于等于S%

高级优质钢：S的含量为0.020%~0.030%；P的含量为S%~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，在炼钢时有意参加一些合金元素，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<S%

中合金钢：合金元素含量S%~10%

高合金钢：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局部表示。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S%

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〕四个局部组成、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SS%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3~S倍，本钱低，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。复合材料由根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。说明材料外表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外表积所承受的载荷作为硬度值上下的指标。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，那么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，必然带来生产本钱提高或无法使用。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。第三节机械制造根本过程一、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。结构比拟复杂的机械产品，其生产过程主要包括：1．各种生产效劳过程。包括原材料和半成品的供给、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、热处理和其他外表处理等。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。为了使产品到达优质、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，是由假设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〕按照产品的协作原那么组织生产、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，到达要求的性能指标，成为一台质量合格的发动机。而发动机再和其他的局部，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效劳的有关部门，如原材料和半成品供给，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局部工艺过程。原材料依次通过这些工序变为成品。工序是工艺过程最根本的组成单位。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、安排生产作业方案、进行质量检验和班组经济核算的根本单位。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、编制生产方案的依据。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，是生产准备和方案调度的主要依据。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。如原材料供给；机器的调整；专用工艺装备的设计与制造；生产作业方案的编排；劳动力的组织以及生产本钱的核算等。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根本情况。制定最正确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、本钱和生产效率。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外表和内腔。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，使其产生别离或变形，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〕，使两个别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，所以对组成机器各局部的零件的加工质量也相应地提出了很高的要求。目前，除了很少一局部零件是采用精密铸造或精密锻造方法直接获得以外，绝大局部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、尺寸精度和外表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局部。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开展。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开展，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开展而开展。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〔有时仅使外表组织改变或使外表成分改变〕，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〔有时仅使外表组织改变或使外表成分改变〕，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外表热处理的相关内容。〔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，比拟经济。假设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外表热处理的相关内容。〔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，比拟经济。假设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〕外表热处理1．外表淬火。有些零件在使用中须承受弯曲、扭转、摩擦或冲击载荷，一般要求其外表具有高的强度、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。对这类零件进行外表淬火是满足上述性能要求的有效方法之一。外表淬火指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将外表层奥氏体化后进行淬火，以强化零件外表的热处理方法。目前生产中广为应用的是感应加热外表淬火和火焰加热外表淬火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。与外表淬火相比，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。假设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。假设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外表〔平面、圆柱面、圆锥面、成形面等〕按一定相互位置关系构成的。零件外表的尺寸、形状和相互位置以及外表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外表粗糙度两个方面。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外表本身的尺寸〔如圆柱面的直径〕和外表间相互的距离尺寸〔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．根本尺寸，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，是某一尺寸减去其根本尺寸所得的代数差。最大极限尺寸减去其根本尺寸所得的代数差称为上偏差，最小极限尺寸减去其根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，那么尺寸精度越高；公差数值越大，那么尺寸精度越低。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。指其根本尺寸为S0mm，上偏差为，下偏差为，最大极限尺寸为49.97mm。那么尺寸公差＝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

-〔〔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、IT1~IT18，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，制造本钱越低。各级精度的大致应用范围举例如下：IT6

~ITS：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。IT7

~IT6：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。IT9

~IT8：在机器制造中属中等精度。如用于重型机床、蒸汽机的次要局部；农业机械、重型机械的较重要局部。IT10

~IT13：用于机车车辆、农业机械等机器的不重要局部IT12

~IT18：用于非配合尺寸的公差。〔二〕形状精度随着生产的开展，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，还要对零件外表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，假设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外表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、圆柱面及其他成形外表等。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。形位公差特征工程共有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例如如表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。零件外表的尺寸、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外表，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。零件加工外表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、外表粗糙度无论采用何种切削加工方法加工，在经过加工的零件外表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，粗加工后的外表用肉眼就能看到，精加工后的外表用放大镜或显微镜仍能观察到，这就是零件加工后的外表粗糙度。外表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。评定外表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，即通过零件外表轮廓做一中线m，将一定长度的轮廓分成两局部，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：零件外表的Ra数值越小那么外表越光洁，零件质量越高，其单位为微米〔μm〕。通常，尺寸公差、外表形状公差小时，外表粗糙度参数值也小。但外表粗糙度参数值和尺寸公差、外表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，但外表粗糙度参数值却较小。三、配合〔一〕配合的根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，根本尺寸相同、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、形状位置精度以及外表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，那么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，它表达了生产规模。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，而大批生产那么与大量生产相接近。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标准如表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。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外表质量的要求下，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；另一些方案那么可能投资较节省，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、工艺本钱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本钱。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。所谓工艺本钱是指与工艺过程有关的费用总额。最常用的工艺本钱工程有：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。工艺本钱按照与生产量的关系，上述费用可以分为可变费用D和不变费用B。〔一〕可变费用D

可变费用D是与年生产量直接有关，即随年生产量的增减而成比例变动的费用。它包括：毛坯或原材料费用、操作工人工资、机床电费、通用机床折旧费、通用夹具维护及折旧费、刀具维护及折旧费等。可变费用的单位是元／件。即：D=S1+S2+S3+S4＋S5＋S6〔元／件〕(1-1)〔二〕不变费用B

不变费用B与年生产量无直接关系，即为不随年产量的增减而变化的费用。它包括：专用夹具维护及折旧费、专用机床维护及折旧费、调整工人毛资与调整杂费等不变费用的单位是元／年。即：B＝S7＋S8＋S9〔元／年〕采用某一工艺方案所需的年度工艺本钱可按以下公式进行计算：Cn＝D·Q＋B(l一2)式中：Cn―工艺方案年度工艺本钱〔元／年〕;D―工艺本钱中单件产品的可变费用〔元／件〕;Q―采用该工艺方案生产的产品产量〔件／年〕;B―工艺本钱中，全年不变费用〔元／年〕。式〔1-2〕所表示的全年工艺本钱和年产量关系可用一条直线来表示，如图l一19所示。采用某一工艺方案的单件零件〔产品〕工艺本钱Cd、可用下式表示：Cd=D+B/Q〔元/件〕(l-3)单件产品工艺本钱与产品年产量呈双曲线关系，如图1-20所示。图1-20所示的曲线分为I、II、III段。在I段，单件工艺本钱受产量变化的影响很大，年产量发生很小的变化〔△Q1〕也会使单件工艺本钱大幅度下降〔△Cd1)。在III段，即年产量增加到一定数量之后，单件工艺本钱受年产量变化的影响很小。这时，即使年产量增加较多〔△QIII)，单件工艺本钱也不会有显著的降低〔△CdIII〕。二工艺方案的经济分析对不同工艺方案的经济效果进行分析，可利用Ca-Q，Cd-Q的关系，通常有以下两种情况：〔一〕根本投资相近或使用现有设备的情况假设不同工艺方案的根本投资相近，或都采用现有设备，那么工艺本钱就是衡量各工艺方案经济性的依据。当产量Q为一定时，比照两个工艺方案的工艺本钱可用公式(1-l〕进行计算，即：比照两个工艺方案的工艺本钱可用公式Cn1=Q*D1+B1Cn2=Q*D2+B2Dl+B,DZ+BZ△Cn=Cn1-Cn2=Q(D1-D2)+(B1-B2)〔元／年〕〔1-4〕式中：Cn1、Cn2—工艺方案I与工艺方案II的工艺本钱〔元／年〕;D1、D2—工艺方案I与工艺方案II的可变费用〔元／件〕;

B1、B2—工艺方案I与工艺方案II的不变费用〔元／年〕;

Q—零件〔产品〕的预计年产量。假设产量Q为变量，那么可用图解法。设两个工艺方案中B2>B1,D2<D1,那么两个方案的年度工艺本钱和生产量的关系如图1-21所示。图1-21中Q0为两工艺方案工艺本钱相等的年产量，即:Q0*D1+B1=Q0*D2+B2Q0=B2-B1/D1-D2〔1-5〕假设以方案I为根底方案，方案II为比照方案，Q0称为比照工艺方案的临界产量，也可称为比照工艺方案的最小经济产量。显然，当预计年产量小于Q0时，采用工艺方案I较采用工艺方案II有利；当预计年产量大于Q0时，那么采用工艺方案II较采用工艺方案I有利。〔二〕根本投资相差较大的情况假设两种工艺方案的根本投资相差较大，例如第一种方案采用了高生产率、价格较贵的机床和工艺装备，根本投资K1较大，但工艺本钱Cn1降低；第二种方案采用价格廉价的一般机床和工艺装备，根本投资K2较小，但工艺本钱Cn2较高。第一种方案工艺本钱的减低是由于增加了根本投资而得到的，所以单纯比拟工艺本钱是难以全面评价其经济性的，还必须考虑两种方案根本投资差额的回收期。所谓回收期是指第一种方案比第二种方案多用的投资需要多长时间方能由于工艺本钱的降低而回收。回收期可由下式求得：r=K1-K2/Cn2-Cn1=△K/△Cn式中：r=回收期，△K=根本投资差额〔元〕，△Cn=全年本钱工艺节约额〔元/年〕。回收期越短，那么经济效果越好。一般地，计算回收期应满足以下要求：1．回收期应小于所采用设备或工艺装备的使用年限。2．回收期应小于市场对产品的需求年限。3．回收期应小于国家规定的标准回收期。如：一般新夹具的标准回收期为2-3年，新机床的标准回收期为4-6年。值得注意的是，对工艺方案进行经济分析和评定时，必须在确保制造质量的前提下，全面考虑提高劳动生产率、改善劳动条件和促进生产技术开展等问题。通常对年产量较大的主要零件的工艺方案，应通过对工艺本钱的估算评定其经济性。而对于一般零件，那么可利用各种技术经济指标〔常用的有：每台机床的年产量―吨／台，件／台；每个生产工人的年产量―吨／人，件／人；每平方米生产面积的年产量―吨／平方米，件／平方米，；材料利用率；设备负荷率等〕，结合生产经验，对不同方案进行论证，选取在该生产条件下最经济合理的方案。第二章机械传动与液压传动机器设备的传动装置是机器设备的重要组成局部，它在一定程度上决定了机器设备的工作性能、尺寸、重量和价值。按照传动的工作原理，传动装置可分为机械传动、流体传动、电力传动和磁力传动。实际应用中，往往是以上几种传动方式的组合。本章主要表达应用较为广泛的机械传动和液压传动的根本知识。第一节机械传动在传动装置中以机械传动的应用最为广泛。机械传动的作用主要表现在三个万面：1．传递动力。传动装置的主要作用是为了将驱动力传递给工作局部以使机器做功。2．改变运动速度和方向。一台机器为了更好地完成工作任务，其工作局部的运动速度往往在一定的范围内变动，其工作运动方向也往往是变化的这种频繁的变速或换向要求由变速装置和换向机构来完成。3．改变运动形式。一台机器工作机构的运动是根据机器的用途设计而来的，所以要求其运动方式也是多样的，如工作机构可以产生转动、直线运动、摆动、间歇运动或沿任一轨迹运动。这些不同的运动方式的完成主要由传动局部的不同机构决定。机器设备中常用的机械传动形式有：螺旋传动、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动和连杆传动、凸轮传动等。一、机械传动功率和机械效率在机械传动中，既有运动的传递，又有动力的传递，反映动力传递的参数是传动功率和机械效率。〔一〕功和功率当物体受到力F的作用，并在力F的作用下移动了一段距离S时，那么说明力对物体做了功，如图2-l(a〕所示。功的大小等于力和物体沿作用力方向移动距离的乘积。以W表示功，那么：W=FS(2-l)假设力的方向与物体移动的方向不一致时，设其夹角为α，如图2-1(b〕所示，那么：W=FScosα〔2一2)力在单位时间所做的功叫做功率，用P表示，假设在时间t做功为W，那么：P=W/T=FScosα/t由于物体的速度v=s/t，于是P=FVcosα〔2-3〕即功率等于力在其作用点速度方向上的投影与速度的乘积。在较多的情况下α＝O，那么cosα＝1，于是：P=Fv〔2-4〕式中:F—力，单位为牛顿〔N);

v—速度，单位为米／秒〔m/s);

P—功率，单位为瓦特〔W),IW=1N*1m/s工程上常用千瓦〔kW〕表示功率单位，1kW=1kN*m/s由公式〔2-4〕可以看出，当机器的功率一定时，力和速度成反比，速度大，力就小；速度小，力就大。对于机器中转动的零件，如果半径为R，转速为n，那么圆周上任一点的线速度v=2πR*n/60；又设圆周上的切向力为F，那么此F力所产生的转矩〔也就是作用在旋转零件上的力矩〕T=FR。根据P＝Fv，可得：P=F2πRn/60=Tπn/30(W)假设以kW计，那么P=Tπn/30000〔kW〕，即：T=9550P/n〔N*m〕〔2-5〕式中：T―转矩，单位为N·m;

P―功率，单位为kW;

n―转速，单位为转／分〔r/min〕。由公式〔2-5〕可以看出：当机器功率一定时，转矩与转速成反比，转速大时转矩小，转速小时转矩大。汽车上坡时，需要较大的驱动转矩，驾驶员就换用低速挡，使汽车的速度减小，以便在一定功率的情况下产生较大的牵引力。[例2-l］电动机功率P=6kW，转速为144Or/min，求输出转矩。解:由T=9550P/n可求得输出转矩：T=9550*6/1440=39.8(N*m)〔二〕机械效率机器工作时，由于摩擦等阻力存在，必然要消耗一局部功率，这样使机器的输出功率〔P出〕小于输入功率〔P入〕。功率损耗的大小，是衡量机器性能的一个很重要的指标。常用机械效率η来量度机器输入功率被利用的程度。η=P出/P入〔2-6〕显然，机械效率η恒小于1。这种功率之间的关系，既表现在整台装置的总体上，也表现在各个传动机构中。它是衡量各种传动形式性能的一项重要指标。在机械传动中，经实验测定，一般常见机构和轴承的机械效率的大致数值为：一对齿轮传动0.94~0.99

平型胶带传动0.92~0.98〔包括轴承损失〕三角带传动090~0.94〔包括轴承损失〕一对滑动轴承0.94~0.98

一对滚动轴承0.99

滑动丝杠0.30~0.60二、机器上常用的传动机构及其传动关系〔一〕螺旋传动机构螺旋传动机构是用内、外螺纹组成的螺旋副来传递运动和动力的装置。它主要用来将回转运动变为直线运动，同时传递运动和动力。螺纹按牙形剖面可分为三角形、矩形、梯形和锯齿形等。根据螺旋线旋转方向，螺纹可分为右旋和左旋两种，当螺纹轴线垂直于水平面时，正面的螺旋向右上方倾斜上升为右旋螺纹，如图2-2(a〕、(c〕所示；反之为左旋螺纹，如图2-2(b〕所示。一般机器中大都采用右旋螺纹。根据螺旋线的数目，螺纹可分为单线、双线、三线和多线等几种，图2-2中，(a〕为单线螺纹：(b〕为双线螺纹；(c〕为三线螺纹。螺纹中，在同一螺旋线上的相邻两牙在中线上对应两点之间的轴向距离叫做导程。相邻两牙在中线上对应两点之间的轴向距离叫做螺距。假设导程用s代表，螺距用p代表，那么由图2-2可知，对于单线螺纹导程就等于螺距，即s=p；而双线螺纹为，s=2P；三线螺纹为s=3p。由此可知，线数为k的螺纹，其导程与螺距的关系是：S=kp〔2-7)在普通螺旋机构中，螺杆〔或螺母〕旋转一周，螺母〔或螺杆〕移动一个导程s。因此，不管是螺母位移或螺杆位移，其位移量L与螺旋传动时的转速n之间的关系为：L=nst〔2-8〕式中：L―螺母或螺杆位移〔mm〕S-螺纹的导程〔mm〕N-螺杆或螺母的转速〔r/min〕时间〔min〕。【例2-2】图2-3所示螺母位移溜板机构中，其螺纹的导程s=4mm，螺杆的转n=50r/min。试求螺母1分钟带动溜板的位移量。解：螺母1分钟带动溜板的位移量L，按公式〔2-8〕计算为:

L=nst=50x4x1＝200(mm)螺旋传动机构与其他将回转运动变为直线运动的机构相比具有以下特点：l结构简单，仅需内、外螺纹组成螺旋副即可。2，降速比大，可以实现微调和降速传动。3省力，在主动件上作用一个不大的转矩，在从动件上能获得很大的推力，如千斤顶。4．在普通螺旋传动中，无论轴向加多大力，只要不损坏螺牙，都不会产生轴向移动，这种现象叫自锁。螺旋传动能实现自锁是使用中的一个重要特点。5．工作连续、平稳，无噪声。由于普通螺旋传动螺旋之间产生较大的相对滑动，因而摩擦大，效率低。特别是当用于机构要有自锁作用时，其效率低于50%，这是螺旋机构的最大缺点。为了克服螺旋传动效率低的缺点，采用以滚动摩擦代替滑动摩擦的滚珠螺旋传动，如图2-4所示。滚珠螺旋传动机构主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成。在丝杠和螺母的螺纹滚道之间装入许多滚珠，将滑动摩擦变为滚动摩擦。当丝杠与螺母之间产生相对转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，并沿反向器的通道返回，构成封闭循环。滚珠螺旋传动按滚道回路形成形式的不同分为外循环和内循环两种，如图2-4所示。滚珠在回路过程中离开螺旋外表的就叫外循环；滚珠在整个循环过程中始终不脱离螺旋外表的叫内循环。内循环螺母上开有侧孔，孔内镶有反向器，将相邻两螺纹滚道联通起来。滚珠越过螺纹顶部进人相邻滚道，因此内循环结构比外循环结构紧凑，返回通道短，有利于减少滚珠数量，使滚珠流畅，减少摩擦，提高效率，但其反向器加工复杂。与普通螺旋传动相比，滚珠螺旋传动具有以下特点：1．传动效率高，摩擦损失小。滚珠螺旋传动机械效＝0.90~0.95。2．磨损小，能较长时间保持原始精度，使用寿命长。3．由于摩擦阻力小，且摩擦力的大小几乎与运动速度无关，故起动转矩接近于运动转矩，传动灵敏、平稳。4．给予适当的预紧，可消除螺杆与螺母螺纹间的间隙，因而有较高的传动精度和轴向刚度。5．不能自锁，传动具有可逆性，故需采用防逆转措施。6．制造工艺复杂，本钱较高。由于滚珠螺旋传动具有以上特点，在要求高效率、高精度的场合已广泛应用，如数控机床、精密机床的进给机构；重型机械的升降机构及自动控制装置等。〔二〕带传动机构带传动机构是利用胶带与带轮之间的摩擦作用将主动带轮的转动传到另一个被动带轮上去，根据传动带的截面形状，带传动又分平带传动、三角带传动、圆形带传动和齿形带传动，如图2-5所示。由图2-5(a〕中可看出，平带传动有以下几种形式：1．开口式传动，用于两轴轴线平行且旋转方向相同的场合；2．交叉式传动，用于两轴轴线平行且旋转方向相反的场合；3．半交叉式传动，用于两轴轴线互不平行且在空间交错的场合。目前机器中用得最多的是三角带，它是具有梯形截面的无接头胶带，通常几根同时使用。三角带与平带相比，主要是传动能力强〔在相同条件下，约为平带的3倍〕。因为平带的工作面是内外表，而三角带的工作面是两个侧面。图2-6所示为带传动在车床上的应用及传动简图。在实际工作中，常常需要计算传动机构的传动比。传动比是指机构中两转动构件角速度或转速的比值。具体在本书中，传动比是指被动轮转速与主动轮转速之比。由图2-6(b〕可知，如不考虑胶带与带轮之问的滑动对传动的影响，带轮的圆周速度v1、v2和胶带速度V带的大小是一样J，即：V1=v2==v带πd1n1＝πd2n2所以：n2/n1=d1/d2=I〔2-9〕式中：d1、d2-主、被动带轮直径〔mm);n1、n2-主、被动带轮的转速〔r/min)i-传动比，即被动轮转速与主动轮转速之比由公式〔2-9〕可知，带传动比等于主动带轮与被动带轮直径之比。如果考虑胶带与带轮之问的滑动，那么其传动之比为：由于带传动是以传送带作为中间挠性件来传递运动和动力的，因而具有以下特点：1．运动平稳无噪声，可以缓冲冲击和吸收振动；2．结构简单，传递距离远；3．制造和安装简单，维护方便，不需润滑；4．当机器发生过载时，传动带会发生打滑，对整机可起到保护作用；5．外廓尺寸大，效率较低，传动带寿命较短，且传动精度不高。〔三〕齿轮传动机构齿轮传动机构是机器中应用最广泛的传动机构之一。齿轮传动是一种啮合传动，如图2一7所示，当一对齿轮相互啮合而工作时，主动轮的轮齿通过力的作用逐个地推动从动轮的轮齿，使从动轮转动，因而将主动轴的动力和运动传递给从动轴。设z1和n1分别为主动齿轮的齿数和转速，z2和n2分别为从动齿轮的齿数和转速，那么：N1*z1=n2*z2故传动比为：I=n2/n1=z1/z2(2-11)从公式〔2-11〕可知，齿轮传动的传动比等于主动齿轮与被动齿轮齿数之比，或齿轮转速与其齿数成反比。齿轮传动的种类很多，按照两轴相对位置的不同，齿轮传动可分为两大类，如图2-8所示。1．两轴平行的齿轮机构〔平面齿轮机构〕。常见的是圆柱齿轮。依齿形可分为直齿〔图2-8(a)〕、斜齿〔图2-8(b)〕和人字齿〔图2-8(c)〕。图2-8(a〕、〔b〕、〔c〕均为外啮合齿轮，传动时两轮回转方向相反。图2-8(d〕为内啮合齿轮，大齿轮的齿分布在圆柱体内外表，成为内齿轮。传动时大小齿轮的回转方向相同。图2-8(e〕为齿轮与齿条传动，这种传动相当于大齿轮直径为无穷大的外啮合圆柱齿轮、传动时，齿轮做回转运劝，齿条做直线运动。2两轴不平行的齿轮机构〔空间齿轮机构〕。两轴不平行的齿轮机构根据两轴空间位置的不同可分为两轴相交〔多数为垂直相交〕的圆锥齿轮传动〔图2-8(f)〕、螺旋〔曲线〕圆锥齿轮传动2-8〔g)〕和两轴相错的螺旋齿轮传动〔图2-8(h〕齿轮传动的主要优点：1传递运动可靠，瞬时传动比恒走；2、适用的载荷和速度范围大，圆周速度可达300米／秒，功率可以从几瓦到几十万千瓦；3使用效率高，寿命长，结构紧凑，外廓尺寸小4可传递在空间任意配置的两轴之间的运动。齿轮传动的主要缺点：l与螺旋传动、带传动相比，齿轮传动振动和噪声较大，且不可无级调速；2传动轴之间的距离不能过大；3加工复杂，制造本钱高。前面表达的齿轮传动机构仅由一对齿轮组成，是齿轮传动的最简单形式，实际上，在多数齿轮传动中，只用一对齿轮传动是不够的，如起重机的提升系统，就需要将电机的高速转动变为卷筒的低速转动；在机床中那么要求将电机的转速变为主轴的多种转速；在汽车的后桥差速器中，可将发动机传来的一种转速分解为后轮的两种转速。因此，为满足机器工作的需要，通常在主动轴和从动轴之间，采用一系列相互啮合的齿轮系统来传递运动。这种由一系列齿轮所组成的齿轮系统称为轮系。轮系的分类有多种，根据轮系中各齿轮的轴线在空间位置是否固定，将根本轮系分为定轴轮系和周转轮系。定轴轮系。当轮系运转时，假设各齿轮几何轴线的位置都是固定不变的，那么称为定轴轮系或普通轮系，如图2-9所示变速器为定轴轮系。在图2-9中，虽然双联齿轮2、齿轮4可做轴向移动．但其几何轴线仍然是固定的，故属于定轴轮系。〔2〕周转轮系。轮系运转时，其中至少有一个齿轮的几何轴线是绕另一齿轮的几何轴线转动的轴系，称为周转轮系。如图2-10所示为由外齿轮1、齿轮2及内齿轮3和构件H组成的周转轮系．当图示轮系运转时，空套在构件H的心轴O2的齿轮2既绕自身几何轴线O2转动，又随构件H绕齿轮1的轴线O1转动，就像行星一样兼做自转和公转，这种具有运动轴线的齿轮称为行星轮。其齿轮1和齿轮3绕定轴轴线O1转动，这种在周转轮系运转中轴线位置不变的齿轮称为中心轮或太阳轮。支承行星轮并使行星轮的轴线能绕中心轮轴线回转的支承件H称为转臂〔又称系杆或行星架〕。所以周转轮系是由行星轮、中心轮及转臂组成。周转轮系又分差动轮系和行星轮系两大类。假设周转轮系中有一个中心轮是固定不动的，如图2-11(b〕所示的轮系中，中心轮3固定不动，这种轮系称为行星轮系。假设周转轮系中没有固定的中心轮，如图2-11(a〕所示的轮系，中心轮1、中心轮3都能转动，这样的轮系称为差动轮系。实际应用中，有的轮系是由定轴轮系和周转轮系组合而成，这种轮系称为混合轮系，如图2-12所示。虚线方框以内局部为周转轮系，方框以外局部那么为定轴轮系。轮系的功用如下：(l〕通过轮系可使主功轴与从动轴之间的速度有较大的变化；(2〕可连接相距较远的两轴，而防止单级传动时外形尺寸过大；(3〕通过假设干齿轮适当组合，从动轴可获得几种不同的传动比；(4〕通过改变轮系中参加工作的轮数，可获得从动轴不同旋向；(5〕实现运动的合成或分解。〔四〕链传动机构链传动机构是由一个具有特殊齿形的主动链轮，通过闭合链条带动另一个与主动链轮具有相同齿形的从动链轮，进行传递运动和功力的机构，如图2-13所示。在链传动中，设主动轮齿数为z1，转速为n1，从动轮的齿数为z2，转速为n2。主动轮每转过一个齿，链条就移动一个节，而从动链轮也被链条带动转过一个齿。在每一分钟内，主动轮转过齿数为n1z1，从动轮转过齿数为n2z2。显然，每一分冲内主动轮与从动轮所转过的齿数相等，即：n1z1＝n2z2那么：传动比为I=n2/n1=z1/z2〔2-12〕由公式〔2-12〕可知，链传动的转速比和链轮齿数成反比。链传动是啮合传动的一种，它利用挠性零件工作，有一定的缓冲吸振作用。它与带传动和齿轮传动相比，具有以下特点：1．优点(l〕与带传动相比，能保持准确的平均传动比，比带传动的传动功率大，轮廓尺寸小；〔2〕与齿轮传动相比，可在中心距较大情况下传动；(3〕能在低速、重载和高温条件及尘土飞扬的不良环境下工作；(4〕效率较高,η≈0.95~0.98，最大可达0.99。2．缺点(l〕不能保持恒定的瞬时转速和瞬时传动比；(2〕链的单位长度重量较大，工作时有周期性动载荷和啮合冲击，引起噪声。急速反向性能差，不能用于高速传动。基于链传动的特点，在有上述工况要求而又不宜采用带传动和齿轮传动处，多采用链传动。链传动广泛地应用于轻工、农业、石油化工、起重运输等行业以及机床、摩托车、自行车等的机械传动中。〔五〕蜗杆传动机构蜗杆传动机构是通过蜗杆与蜗轮间的啮合，传递运动和动力的机构。蜗杆传动如图2-14所示，主要由蜗杆1和蜗轮2组成。其两轴线在空间相错，既不平行，又不相交，最常见的是蜗杆与蜗轮的轴心线在空中互相垂直。蜗杆传动中，一般情况下蜗杆为主动件，蜗轮是从动件。普通圆柱蜗杆传动可看做螺旋结构的演变。其中，蜗杆为一具有梯形截面或接近梯形截面的螺杆，它只能绕自身轴线转动，而不能沿轴向移动，蜗轮那么为一个变形螺母。因此蜗杆与螺纹一样，有单线、多线、左旋、右旋之分。另外由齿轮啮合原理可知，螺杆传动也可看做是由螺旋齿轮传动演变来的。设蜗杆线数为k，转速为n1，蜗轮齿数为z：，转速为n2，观察图2-15中节点处，因蜗杆每转过一周便有k个齿经过P点，故每分钟将有n1k个齿经过P点；同样，蜗轮每转一周有：个齿经过p点，故每分钟将有n2z个齿经过p点。在啮合过程中，这两个数目必然相等，即：N1k=n2z故传动比i为：I=n2/n1=k/z(2-13)蜗杆传动的主要特点是：1．降速效果好。由于蜗杆传动中蜗杆线数可以小到1，比起蜗轮齿数少得多，由公式〔2-13〕中可看出，蜗杆传动可获得较好的降速效果。但它的结构却很紧凑。2传动平稳。由于蜗杆的齿形是连续的螺旋形，故与蜗轮啮合时传动较为平稳。3．有自锁作用。在蜗杆传动中，蜗杆外观如同螺杆，因此在一定条件下蜗杆传动可以自锁，即只能蜗杆带动蜗轮，蜗轮不能带蜗杆。4效率低。蜗杆传开工作时，因蜗杆与蜗轮的齿面之间存在着剧烈的滑动摩擦，所以发热严重，效率低。效率一般为，具有自锁时效率小于0.5。这就限制了它传递的功率。连续工作时，要求有良好的润滑与散热。〔六〕平面连杆机构连杆机构是用铰链、滑道等方式将构件相互联接而成的机构，用以实现运功变换和传递动力。连杆机构按各构件相对运动的性质不同、，可分为空间连杆机构和平面连杆机构。平面连杆机构各构件间的相对运动均在同一平面或相互平行的平面内。平面连杆机构在各种机器中应用非常广泛，如各种原动机、工作机和操作装置中，特别是纺织、印刷等轻工机械中，都采用了不同的平面连杆机构。平面连杆机构中各构件形状大都是杆状，然而因实际结构及要求不同，并非都为杆状，但从运动原理来看，非杆状件可由等效的杆件代替，所以通称为连杆机构在平面连杆机构中，有一种由四个杆件相互用铰链联接而成的机构．简称四杆机构图2-16所示破碎机的破碎机构就采用了四杆机构。当轮子绕固定中心转动时．通过轮子上的偏心销B和连杆BC，使动腭板CD往复摆动。当动腭板摆向左方时，它与固定腭板间的空间变大，使矿石下落；摆向右方时，矿石便在两板之间被轧碎。在分析研究机构的运动时，为了方便起见，井不需要完全画出机构的真实图形，只画出能表达其运动特性的简化图形，称为机构运动简图。图2-17所示为破碎机破碎机构的运动简图，图中箭头表示构件的运动方向。在上述四杆机构中，构件AD固定不动，称为静件或机架；杆件AB可绕A做整周运动，称为