机械设计制造及自动化专业试题及答案

机械设计制造及自动化专业试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述机械设计过程中，进行强度、刚度、稳定性计算的目的和意义。二、简述轴上零件（如齿轮、轴承、联轴器等）常用的轴向固定方法及其原理。三、简述带传动与链传动相比，其主要优缺点。四、简述齿轮材料选择的一般原则。常用齿轮材料有哪些？说明其适用场合。五、简述切削加工中，影响切削力的主要因素有哪些？六、简述金属切削刀具的主要几何角度有哪些？并说明主偏角对切削过程的影响。七、简述铸造生产中，产生气孔、缩孔、裂纹等常见缺陷的主要原因有哪些？八、简述焊接与铆接、螺栓连接相比，其主要优缺点。九、简述机械加工工艺规程制定的原则有哪些？十、简述数控加工中，选择刀具和确定切削用量的基本原则。十一、简述自动化生产系统的主要组成部分及其功能。十二、简述机械设计制造及自动化专业人才应具备哪些基本素质和能力。十三、某轴结构如图所示（此处无图，请根据文字描述想象：一端为轴肩定位，中间安装轴承，轴承通过轴环定位，轴环后连接齿轮，齿轮用套筒和螺母固定，另一端为自由端）。试分析该轴上齿轮、轴承、套筒、螺母等零件分别采用了哪种轴向固定方式？并说明轴环的作用。十四、简述影响铸件尺寸精度的因素有哪些？十五、简述PLC（可编程逻辑控制器）在自动化控制系统中的作用。十六、设计一个简单的机械传动方案，用于将电动机的旋转运动转换为水平往复直线运动。要求简述设计思路，并说明方案中涉及的主要传动或执行机构类型。试卷答案一、机械设计过程中进行强度、刚度、稳定性计算的目的和意义在于：确保零件或结构在预期的载荷和工作条件下，能够安全可靠地工作，不会发生断裂、过度变形或失稳现象。这直接关系到产品的性能、寿命和使用安全性，是避免失效、降低风险、优化设计、满足使用要求和经济性的基础。二、轴上零件常用的轴向固定方法及其原理：1.轴肩：利用轴上设计的台阶（轴肩）来限制零件的轴向移动。零件靠轴肩大端定位，原理是利用配合面的接触阻力。2.套筒：在轴上安装一个套筒，零件通过端面压在套筒上，套筒再靠轴肩或其他定位方式定位。原理是利用零件端面与套筒的接触压力。3.螺母：用螺母拧紧在轴上，通过螺母的螺纹牙与轴和零件的接触来产生轴向力，限制零件移动。可以用于固定端或可调整位置处。原理是利用螺纹的摩擦力或预紧力。4.挡圈（轴用和孔用）：用螺钉固定的挡圈压在轴上或零件端面，限制零件轴向移动。原理是利用挡圈与轴（或零件）的压紧力。5.紧定螺钉：将紧定螺钉穿过零件的孔和轴上的螺孔（或沉孔），拧紧后顶住零件端部或轴上的特定部位，限制轴向移动。原理是利用螺钉头或锥部与被顶表面的压紧力。三、带传动与链传动相比的优缺点：优点：1.结构简单，成本较低。2.传动平稳，无冲击和噪音。3.可用于中心距较大的传动。4.过载时具有保护作用（打滑）。缺点：1.传动效率较低（尤其V带）。2.带的寿命相对较短，需定期更换。3.对轴的作用力较大（离心力）。4.速度不宜过高，且有一定的弹性滑动，导致传动比不准确。5.对环境温度和湿度变化较敏感。四、齿轮材料选择的一般原则：根据齿轮的工作条件（载荷大小、转速高低、工作寿命、使用环境等）、技术要求（尺寸、精度）和经济性等因素综合确定。常用齿轮材料及其适用场合：1.碳素结构钢（如45钢）：通过正火或调质处理，价格便宜，工艺性好，适用于不重要、中等载荷、低速的齿轮。2.合金结构钢（如20CrMnTi,40Cr）：强度、韧性、耐磨性较好，适合承受较大载荷、高速、重要场合的齿轮，需热处理（渗碳淬火或调质）。3.铸钢（ZG45等）：适用于尺寸较大、形状复杂的齿轮毛坯。4.铸铁（如HT200,QT600-3）：成本低，工艺性好，强度较低，耐磨性一般，适用于开式传动、低速、不重要、尺寸较大的齿轮。5.塑料（如尼龙、工程塑料）：自润滑性好，噪音小，适用于低速、轻载、要求自润滑的场合。五、切削加工中，影响切削力的主要因素：1.切削用量：背吃刀量（ap）和进给量（f）对切削力影响最大，切削深度和进给量越大，切削力越大；切削速度对切削力影响相对较小，但高速时可能因摩擦减小而略有下降。2.工件材料：材料的强度、硬度越高，切削力越大；材料的韧性越好，切削力也越大。3.刀具几何参数：主偏角增大，切削力减小；前角增大，切削力减小；刃口锋利程度影响切削力。4.切削刀具材料：不同材料的刀具与工件间的摩擦系数不同，影响切削力。5.切削环境：如切削液的存在可以降低摩擦，从而减小切削力。六、金属切削刀具的主要几何角度及其对切削过程的影响：主要几何角度：主偏角（κr）、前角（γo）、后角（αo）、副后角（αo'）、刃倾角（βo）。主偏角（κr）的影响：1.影响切削刃的长度和单位切削宽度。2.影响切削厚度和切削力的大小。主偏角增大，切削刃参加切削的角度范围变小，单位切削宽度增大，相应切削厚度减小，背向力（径向力）减小，切向力（主切削力）相对增大。3.影响排屑。主偏角增大，排屑空间增大，排屑顺利。4.影响已加工表面粗糙度。通常，增大主偏角可以使已加工表面粗糙度值减小。七、铸造生产中，产生气孔、缩孔、裂纹等常见缺陷的主要原因：1.气孔：*型腔内或铸件内部存在气体，在金属液凝固收缩或冷却过程中未能排出。*金属液在浇注过程中卷入空气。*型砂或芯砂本身含有水分、挥发物，在高温下分解产生气体。*浇注速度过快，冷却不均导致气体析出。2.缩孔（缩松）：*金属液在凝固和冷却收缩过程中，由于补缩不足，在铸件最后凝固的部分（通常是中心或厚大部位）形成凹陷或孔隙。*产生原因包括：铸件设计不合理（厚大断面）、冷却速度过快、补缩通道不畅、浇注系统设计不当导致金属液流动受阻等。3.裂纹：*铸件在浇注、冷却或后续处理过程中，由于内部应力超过材料的强度极限而产生的断裂。*产生原因包括：冷却不均导致热应力过大、金属液收缩受阻产生缩应力、铸件设计结构不合理（如薄壁与厚壁连接处）、浇注温度过高、型砂强度不足或退让性差等。八、焊接与铆接、螺栓连接相比的优缺点：焊接优点：1.连接强度高，可达母材强度。2.结构重量轻，节省材料。3.连接形式灵活多样，可连接各种形状的构件。4.生产效率高，自动化程度高。5.成本相对较低（尤其大批量生产）。焊接缺点：1.连接是永久性的，不易拆卸。2.焊接过程中会产生热量，可能引起工件变形或材质变化（如硬化、脆化）。3.焊接质量受操作技能、设备、材料等多种因素影响，需要严格的质量控制。4.某些焊接接头不易进行无损检测。5.对焊工技能要求较高。与铆接、螺栓连接相比：焊接通常比铆接更省料、强度更高、生产效率更高；与螺栓连接相比，焊接更牢固，但不如螺栓连接方便拆卸。九、机械加工工艺规程制定的原则：1.保证加工质量原则：确保零件达到图纸要求的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度等。2.提高生产效率原则：在保证质量的前提下，合理安排工序，采用高效设备和工艺方法，缩短辅助时间，提高劳动生产率。3.降低生产成本原则：合理选择毛坯，优化加工方案，节约工时、能耗和材料消耗，降低制造成本。4.工艺过程经济性原则：在满足技术要求的前提下，使整个工艺过程的经济效益最高。5.工艺可行性与可靠性原则：制定的工艺方案必须切实可行，能在现有条件下稳定地加工出合格零件。6.结构工艺性原则：在设计零件时，应考虑其加工的可能性、方便性和经济性，便于加工制造。十、数控加工中，选择刀具和确定切削用量的基本原则：刀具选择原则：1.加工材料匹配：刀具材料应与工件材料相适应，以保证足够的强度、耐磨性和耐热性。2.加工性质匹配：根据加工类型（粗加工、精加工）、加工部位（内孔、外圆、平面、螺纹等）选择合适的刀具类型（如端铣刀、面铣刀、立铣刀、钻头、车刀、镗刀等）和结构（整体式、焊接式、模块式）。3.切削性能与寿命：在满足加工要求的前提下，优先选用切削效率高、寿命长的刀具。4.标准化与通用性：尽量选用标准刀具，便于管理和更换。5.刚度：对于大切削力或易振动的加工，应选择刚度较大的刀具。切削用量确定原则：1.粗加工：优先保证生产率，在刀具强度、机床动力允许的范围内，尽可能选择较大的背吃刀量和进给量；切削速度可适当选择中低值。2.精加工：优先保证加工质量（尺寸精度、表面粗糙度），选择较小的背吃刀量和进给量；切削速度应选择较高值，以获得较好的表面质量。3.刀具寿命：切削用量需综合考虑刀具寿命，不宜选择过低的切削速度和过高的切削深度，以保证刀具的使用成本和加工稳定性。4.机床性能：切削用量必须考虑机床主轴的功率、扭矩、刚性以及进给系统的承载能力。5.工件材料：材料的强度、硬度、韧性、导热性等都会影响切削用量的选择，硬材料通常选择较低的切削用量。6.切削条件：考虑冷却润滑条件，良好的冷却润滑可以提高切削速度和进给量。十一、自动化生产系统的主要组成部分及其功能：1.执行机构（或称被控对象）：接受控制指令并执行特定动作的设备或生产对象，如机床、机器人、传送带、装配单元等。功能是完成具体的加工、搬运、装配等任务。2.传感器（或称输入装置）：检测生产过程中的各种参数（如位置、速度、温度、压力、尺寸等）并将信息转换为电信号。功能是获取系统运行状态信息。3.控制器（或称计算机控制系统）：自动化系统的核心，接收传感器信息，按照预设的程序或逻辑进行运算、决策，并向执行机构发出控制指令。功能是实现自动控制、协调各部分工作。4.执行器（或称输出装置）：将控制器发出的电信号转换为驱动执行机构动作的能量形式（如电信号转为电磁阀动作、液压/气压信号、电机转速等）。功能是驱动执行机构。5.人机界面（HMI）：供操作人员监控、设置、操作自动化系统的部分，如显示屏、键盘、按钮等。功能是实现人与系统的交互。6.网络通信系统：连接系统各部分（传感器、控制器、执行器、HMI等），实现数据传输和指令下达。功能是信息传递和通信。7.辅助系统：为自动化系统提供支持的部分，如动力供应（电力、液压、气压）、冷却润滑系统、安全保护装置等。功能是保障系统正常运行。十二、机械设计制造及自动化专业人才应具备的基本素质和能力：1.扎实的理论基础：掌握机械工程、自动化控制、计算机技术等相关的数学、物理、力学、电工电子技术、控制理论等基础知识。2.较强的工程实践能力：具备绘图（CAD）、计算（工程力学、机械设计计算）、实验、工艺规程制定、设备操作与维护、调试等能力。3.良好的计算机应用能力：熟练掌握至少一种CAD/CAM软件、编程语言（如C/C++、Python），了解数据库、网络通信等信息技术。4.创新思维和解决问题的能力：能够分析和解决机械设计、制造、自动化过程中遇到的实际工程问题，具备设计创新和改进现有系统的能力。5.系统集成与综合应用能力：能够将机械设计、制造工艺、自动化控制、信息技术等知识融合，进行系统性的设计、开发和应用。6.良好的沟通协作能力和团队精神：能够在团队中有效沟通，协同工作，共同完成项目。7.一定的经济意识和环保意识：在设计和生产中考虑成本效益和环境保护的要求。8.持续学习和适应能力：机械行业技术发展迅速，需要具备不断学习新知识、新技术的意识和能力，适应行业发展。十三、（此处无图，根据文字描述分析）该轴上零件的轴向固定方式分析：1.齿轮：采用套筒+螺母固定。齿轮右端面靠套筒定位，套筒右端面靠轴上的轴环定位，套筒左端通过螺母压紧在齿轮轮轧上，实现轴向固定。同时，齿轮孔与轴配合实现径向固定。2.轴承：采用轴肩+轴环固定。左端轴承内圈靠轴左端的轴肩定位，右端轴承内圈靠中间的轴环定位，两端轴承外圈靠轴承座孔固定。3.套筒：靠中间的轴环定位，其左端与齿轮配合（未说明配合性质，但通常起定位作用），右端与轴承外圈接触（或与轴肩/台阶配合）。4.螺母：通过套筒间接固定齿轮，实现轴向固定。轴环的作用：1.定位：在该轴上，两个轴环都起到了重要的轴向定位作用，分别限制了轴承内圈和套筒的轴向移动。2.支撑：轴环可以作为轴上零件（或轴本身）的支撑面，承受部分载荷。十四、影响铸件尺寸精度的因素：1.金属液收缩：凝固和冷却过程中金属体积收缩不均匀是导致尺寸误差的主要原因。收缩量大、收缩不均会导致缩孔、缩松、变形等。2.型腔和芯子变形：在高温金属液作用下，砂型或芯子本身会发生变形，导致铸件尺寸偏差。3.浇注系统设计不当：浇注不平稳、卷气、金属液过早凝固等，影响补缩和铸件完整性，间接影响尺寸。4.冷却速度不均：不同部位冷却速度差异导致热应力，引起翘曲变形，影响最终尺寸。5.砂型（芯子）的膨胀：型砂在浇注和冷却过程中会发生膨胀，尤其湿型砂，对铸件尺寸精度有影响。6.测量误差：测量工具精度、测量方法不当等也会引入误差。7.铸件结构设计：尺寸大、壁厚不均、结构复杂等都会增加尺寸控制难度。十五、PLC（可编程逻辑控制器）在自动化控制系统中的作用：1.接收