机械基础知识培训课件

机械基础知识培训课件第一章机械设计基础概论机械设计的意义与发展机械设计是推动社会生产力进步的核心动力,也是衡量一个国家现代化水平和工业实力的重要标志。从远古时代简单的杠杆、斜面等基本机械,到现代复杂的机器人系统、精密航天器,机械设计经历了数千年的演变与创新。每一次重大的机械技术突破,都带来了生产效率的飞跃和人类生活方式的变革。工业革命时期蒸汽机的发明,内燃机的诞生,以及当代数控技术、智能制造的兴起,都是机械设计发展历程中的重要里程碑。01古代机械杠杆、斜面、滑轮等简单机械02工业革命蒸汽机、机床等动力机械现代技术机械的组成与功能划分完整的机械系统由多个功能部分协同工作,共同完成预定的生产任务。理解各部分的作用与相互关系,是进行机械设计的前提。动力部分提供机械运转所需的能量来源电动机:将电能转换为机械能内燃机:燃料燃烧产生动力液压马达:液压能转机械能传动部分将动力传递并转换到工作部分带传动:摩擦传递动力齿轮传动:啮合传递动力链传动:链条啮合传动工作部分直接完成生产任务的执行机构刀具:切削加工夹具:工件定位夹紧执行器:完成特定动作控制部分控制机械的启停与运动参数启动装置:机械启动控制制动装置:机械停止控制调速装置:速度参数调节卷扬机结构示意图卷扬机是典型的机械系统实例。图中清晰展示了四大功能部分:电动机作为动力源,通过齿轮减速器(传动部分)将动力传递给卷筒(工作部分),操作台上的控制器(控制部分)实现启停与速度调节。各部分协同工作,完成起重提升任务。动力输入电动机提供旋转动力减速传动齿轮箱降速增扭卷筒作业钢丝绳缠绕提升控制反馈操作与安全监控机械构件与零件构件的定义与特点构件是机器中的运动单元,是一个或多个零件的刚性组合体。在机械运动过程中,构件作为一个整体进行运动,不发生相对位移。典型实例:内燃机的连杆就是一个构件,它由连杆体、连杆盖、螺栓等零件组成,但在工作时作为整体做往复摆动。零件的分类零件是机械制造的基本单元,是加工制造过程中不可再分的最小单位。根据用途和通用性,零件可分为:通用零件:在各种机械中广泛应用,如螺栓、螺母、齿轮、轴承等,已有标准规格专用零件:仅在特定机械中使用,如发动机曲轴、机床主轴等,需专门设计制造机械运动的确定性与功能关系机械的各个构件之间通过运动副连接,形成确定的运动关系,从而实现预定的功能。以单缸内燃机为例,我们可以清晰地看到这种运动的确定性。1燃气膨胀高温高压燃气在汽缸内膨胀,推动活塞向下做直线运动2往复转旋连杆将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动3齿轮传动曲轴通过齿轮带动凸轮轴旋转,转速降为曲轴的一半4凸轮控制凸轮推动摇臂,精确控制进气阀和排气阀的开启与关闭时机通过这一系列确定的运动传递,内燃机实现了将燃料化学能转化为机械能的功能,同时精确控制了进气、压缩、做功、排气四个冲程的协调配合。第二章机械材料基础材料是机械设计的物质基础。选择合适的材料,掌握材料的性能特点和加工工艺,对于保证机械产品的质量、性能和使用寿命至关重要。本章将系统介绍常用机械材料及其热处理技术。常用金属材料及性能指标碳素钢按含碳量分为低碳钢、中碳钢、高碳钢,广泛用于结构件和工具制造合金钢加入铬、镍、钼等合金元素,具有更高强度、韧性或耐腐蚀性铸铁含碳量高,铸造性能好,减振性优,常用于机床床身等铝合金密度小、耐蚀性好,广泛用于航空航天和交通运输领域铜合金导电导热性好,耐磨耐蚀,用于轴承、齿轮等摩擦部件关键性能指标强度材料抵抗永久变形或断裂的能力,通过拉伸试验测定屈服强度和抗拉强度塑性材料发生永久变形而不破坏的能力,用伸长率和断面收缩率表示硬度材料表面抵抗局部变形的能力,常用布氏、洛氏、维氏硬度测试冲击韧性材料抵抗冲击载荷的能力,通过冲击试验测定冲击吸收功疲劳强度材料在交变应力作用下抵抗疲劳破坏的能力,对旋转零件尤为重要金属晶体结构与结晶过程晶体结构基础金属原子在固态时呈规则排列,形成晶体结构。不同的晶格类型决定了金属的基本性能特征。体心立方如铁、铬、钨,强度高但塑性较低面心立方如铝、铜、镍,塑性好易加工密排六方如镁、锌、钛,各向异性明显结晶过程的影响金属从液态冷却凝固时,原子重新排列形成晶体。结晶过程对材料性能有重要影响:晶粒大小:细晶粒材料强度高、塑性好冷却速度:快速冷却获得细晶粒,慢冷则晶粒粗大晶体缺陷:位错、空位等缺陷影响强度和塑性偏析现象:合金元素分布不均影响性能均匀性钢的热处理基础热处理是通过加热和冷却改变钢的组织结构,从而获得所需性能的重要工艺。掌握各种热处理方法是机械设计和制造的必备知识。退火工艺:加热到适当温度后缓慢冷却目的:降低硬度、消除内应力、改善切削加工性能、细化晶粒应用:铸件、锻件的预备热处理正火工艺:加热到奥氏体区后在空气中冷却目的:细化晶粒、均匀组织、提高强度应用:中低碳钢零件的最终热处理淬火工艺:加热奥氏体化后快速冷却(水冷或油冷)目的:获得高硬度和高强度的马氏体组织应用:工具、模具、耐磨零件等回火工艺:淬火后再次加热到较低温度保温冷却目的:降低脆性、消除内应力、获得强韧性配合应用:淬火零件的必要补充处理表面热处理技术:仅对零件表面进行热处理,如表面淬火、渗碳、渗氮等,使零件表面硬而耐磨,心部韧而抗冲击。淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力,淬透性好的钢可以在较大截面上获得均匀的淬火效果。合金钢与特殊钢种合金元素对钢性能的影响铬(Cr)提高淬透性、耐磨性和耐腐蚀性,是不锈钢的主要元素镍(Ni)提高韧性、塑性和耐腐蚀性,改善低温性能钼(Mo)提高淬透性和热强性,防止回火脆性钨(W)提高红硬性和耐磨性,用于高速钢钒(V)细化晶粒、提高强度和韧性锰(Mn)提高淬透性、强度和耐磨性硅(Si)提高弹性极限,用于弹簧钢钛(Ti)细化晶粒、稳定碳化物特殊钢种的特点与应用不锈钢含铬量≥12%,具有优异的耐腐蚀性能,广泛用于化工设备、食品机械、医疗器械等领域。主要类型包括马氏体、铁素体、奥氏体不锈钢。耐磨钢含有高碳和合金元素,表面硬度高、耐磨性强,用于破碎机衬板、挖掘机铲斗、轧辊等承受强烈磨损的零件。常用牌号如高锰钢、耐磨合金钢。耐热钢在高温下仍保持足够的强度和抗氧化性,用于锅炉、汽轮机、内燃机等高温部件。添加铬、钼、钨等元素提高热强性和抗氧化性。铸铁的分类与性能铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金,具有良好的铸造性能、减震性能和耐磨性,是机械制造中重要的材料。灰口铸铁成分特点:碳以片状石墨形式存在性能:减震性好、耐磨、易切削,但强度和塑性低应用:机床床身、汽缸体、齿轮箱体等球墨铸铁成分特点:石墨呈球状,通过球化处理获得性能:强度高、韧性好,接近钢的性能应用:曲轴、齿轮、重载零件等可锻铸铁成分特点:石墨呈团絮状,由白口铸铁退火获得性能:强度、塑性、韧性较好应用:管接头、农机零件、汽车零件等铸铁石墨化及其影响因素石墨化是铸铁中碳以石墨形式析出的过程,对铸铁性能有决定性影响。石墨的形态、数量和分布直接决定了铸铁的力学性能。主要影响因素:化学成分(碳、硅含量)、冷却速度、孕育处理、球化处理等。通过控制这些因素,可以获得所需的石墨形态和铸铁性能。第三章机械零件与机构基础机械零件是构成机器的基本单元,机构则是实现运动转换的核心。本章将介绍常用机械零件的类型与设计要点,以及典型机构的工作原理,为机械设计提供实用知识。常用机械零件介绍联接零件螺纹联接类型:螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接特点:结构简单、拆装方便、标准化程度高设计要点:合理选择螺纹类型、强度等级,必要时采用防松措施键联接类型:平键、半圆键、楔键、切向键特点:传递扭矩,实现轴与轮毂的周向固定设计要点:根据载荷大小选择键型,校核挤压强度和剪切强度销联接类型:圆柱销、圆锥销、开口销特点:定位精确、结构简单、成本低设计要点:用于零件定位或传递不大的载荷,防止零件相对移动轴承的分类与选用滚动轴承通过滚动体(球、圆柱滚子、圆锥滚子等)在内外圈之间滚动来支承轴。优点:摩擦阻力小、启动灵活、标准化程度高类型:深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等选用原则:根据载荷大小、方向、转速和精度要求选择滑动轴承轴颈在轴承衬套内滑动,依靠润滑油膜支承载荷。优点:承载能力大、抗冲击、工作平稳、寿命长类型:整体式、剖分式、自润滑轴承选用原则:重载、低速、冲击载荷、高精度场合优先考虑机械机构基础铰链四杆机构由四个刚性构件通过铰链连接形成的平面机构,是最基本的机构形式之一。根据各杆的相对长度关系,可以实现不同的运动转换。曲柄摇杆机构曲柄作整周转动,摇杆作往复摆动,如抽水机、雷达天线等双曲柄机构两曲柄均作整周转动,如机车车轮联动装置、惯性筛等双摇杆机构两摇杆均作往复摆动,如起重机、汽车转向机构等凸轮机构与间歇运动机构凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成,通过凸轮的转动使从动件获得预期的运动规律。结构特点:凸轮轮廓曲线决定从动件运动规律,设计灵活运动规律:可实现匀速、等加速、简谐运动等多种运动形式应用实例:内燃机配气机构、自动机床进给机构、包装机械等间歇运动机构将连续转动转换为间歇转动或往复运动的机构。主要类型:棘轮机构:单向间歇转动槽轮机构:精确分度运动不完全齿轮机构:可调间歇运动应用:电影放映机、自动装配线、分度工作台等传动装置基础传动装置是机械系统的核心部分,负责将动力从动力源传递到工作机构,并根据需要改变转速和扭矩。带传动工作原理:依靠带与带轮之间的摩擦力传递运动和动力类型:平带、V带、同步带传动特点:结构简单、成本低、能缓冲吸振、过载打滑保护设计计算:确定带型、轮径、中心距,校核带的拉力和寿命链传动工作原理:通过链条与链轮的啮合传递运动和动力类型:滚子链、齿形链传动特点:平均传动比准确、效率高、可在恶劣环境工作设计计算:选择链条节距和排数,确定链轮齿数,校核链条强度齿轮传动工作原理:依靠轮齿的啮合传递运动和动力类型:圆柱齿轮(直齿、斜齿、人字齿)、圆锥齿轮传动特点:传动比准确、效率高、结构紧凑、可靠性高设计计算:选择齿轮材料和热处理,确定模数、齿数,校核弯曲和接触强度蜗杆传动工作原理:蜗杆与蜗轮的啮合实现交错轴之间的传动特点:传动比大、结构紧凑、运转平稳、可自锁应用:起重机、机床分度机构等需要大传动比的场合设计要点:合理选择蜗杆头数和蜗轮齿数,注意散热和润滑轮系传动与传动比计算轮系是由一系列齿轮组成的传动系统,可实现大传动比、变速、换向、分路传动等功能。轮系传动比等于各级传动比的连乘积,计算时需注意转向关系。定轴轮系传动比计算较简单,行星轮系需采用转化机构法进行分析。齿轮传动系统示意图图中展示了典型的多级齿轮传动系统。从输入轴到输出轴,通过三级齿轮副实现了减速和增扭功能。关键零件包括:1输入轴与主动齿轮连接动力源,承受输入扭矩,通常采用高强度合金钢制造2中间传动齿轮承担传动和变速功能,需要精确的齿形加工和热处理3从动齿轮与输出轴输出动力给工作机构,承受较大扭矩4轴承支承支承各轴,保证齿轮正确啮合,减少摩擦损失5箱体容纳传动件,密封润滑油,保护内部零件极限与配合基础极限与配合是保证零件互换性和装配质量的基础,是机械设计和制造中的重要技术标准。尺寸公差基本概念基本尺寸设计时确定的尺寸,是计算极限尺寸和偏差的起始尺寸极限尺寸允许尺寸变化的两个界限值,分为最大极限尺寸和最小极限尺寸尺寸偏差某一尺寸减去基本尺寸所得的代数差,有上偏差和下偏差尺寸公差允许尺寸的变动量,等于最大极限尺寸减去最小极限尺寸配合类型孔和轴装配时,根据其尺寸公差带的相互关系,形成三种配合:间隙配合:孔的尺寸大于轴的尺寸,有间隙,用于需要相对运动的场合过盈配合:孔的尺寸小于轴的尺寸,有过盈,用于需要固定联接的场合过渡配合:可能有间隙也可能有过盈,用于定心精度要求高的场合形位公差与标注形位公差用于控制零件的形状和位置误差,包括形状公差(直线度、平面度、圆度等)和位置公差(平行度、垂直度、同轴度、对称度等)。形位公差在图纸上用符号框格标注,明确被测要素、公差值、基准等信息。国家标准体系:我国采用基孔制和基轴制两种配合制度。基孔制以孔为基准,基轴制以轴为基准。优先采用基孔制,因为孔的加工比轴困难,用基准孔配不同轴更经济。根据使用要求,在标准公差等级(IT01~IT18)和基本偏差代号中选择合适的配合。第四章机械加工与装配基础机械加工是将原材料或毛坯转变为合格零件的过程,装配则是将零件组合成机器的最后环节。本章介绍常用的加工方法、工艺特点以及装配的基本知识。常用机械加工方法车削加工工艺特点:工件旋转,刀具进给,加工回转体表面适用范围:轴类、盘类、套类零件的内外圆、端面、螺纹、成形面等设备:普通车床、数控车床铣削加工工艺特点:铣刀旋转,工件进给,用于加工平面和成形面适用范围:平面、台阶、沟槽、齿轮、花键等设备:卧式铣床、立式铣床、数控铣床、加工中心磨削加工工艺特点:砂轮高速旋转磨削,获得高精度和低粗糙度适用范围:淬火零件、精密零件的精加工设备:外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床钻削加工工艺特点:钻头旋转进给,加工孔适用范围:钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等孔加工设备:台式钻床、立式钻床、摇臂钻床、镗床加工精度与表面粗糙度控制加工精度加工精度是指零件加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。影响加工精度的因素包括:机床精度:主轴回转精度、导轨精度等刀具精度:刀具制造和安装误差夹具精度:定位和夹紧误差工艺系统变形:受力、受热变形表面粗糙度表面粗糙度反映零件表面的微观几何形状误差,用Ra、Rz等参数表示。控制方法:选择合理的切削用量(切削速度、进给量、切削深度)改善刀具几何参数和刃磨质量采用切削液充分润滑冷却提高机床-工件-刀具系统刚性热加工与冷加工技术热加工工艺热加工是在高温下对材料进行成形和改性的加工方法,主要包括铸造、锻造、焊接等工艺。01铸造将熔融金属浇入铸型,冷却凝固获得铸件。适合形状复杂的零件,但精度较低02锻造利用锻压设备对加热后的金属施加压力使其塑性变形。可改善组织、提高强度03焊接通过加热或加压使金属连接。焊接可制造大型复杂结构,但需控制变形和残余应力04热处理通过加热和冷却改变材料内部组织和性能,如淬火、回火、退火等工艺冷加工工艺冷加工是在常温或低温下对材料进行加工的方法,精度高但需要较大的加工力。主要工艺类型:冲压:利用模具对板材施加压力,进行剪切、弯曲、拉伸、成形等加工冷挤压:在常温下将金属坯料放入模具挤压成形,精度高、材料利用率高冷拉拔:将金属通过拉拔模孔拉制成所需形状,如拉制钢丝、钢管冷轧:将金属在常温下通过轧辊轧制,减小厚度或改变截面形状应用优势:尺寸精度高、表面质量好、提高材料强度硬度、生产效率高机械装配基础装配是机械制造的最后环节,装配质量直接影响产品的性能和使用寿命。装配工艺流程1准备阶段检查零件质量,清洗去除毛刺油污,准备装配工具和设备2部件装配按工艺规程将零件组装成部件,如齿轮轴组件、轴承座组件等3总装配将各部件按装配顺序组装成完整产品4调整检验调整配合间隙,检验装配精度,进行试运转和性能测试5涂装交付涂漆防锈,编制产品技术文件,包装交付装配质量控制装配精度要求距离精度:相关零件之间的距离尺寸精度相互位置精度:如平行度、垂直度、同轴度等相对运动精度:运动副之间的运动精度接触精度:配合表面的接触质量常用装配方法完全互换法:靠零件加工精度保证装配精度,成本高选配法:将零件分组选配,提高装配精度修配法:装配时修整个别零件,精度高但效率低调整法:改变调整件位置达到精度要求,应用广泛常用装配工具与检测仪器拆装工具扳手、螺丝刀、套筒、拉拔器、压力机等用于零件的拆卸和安装测量工具游标卡尺、千分尺、百分表、水平仪等用于尺寸和形位精度检测专用工具轴承加热器、液压拉伸器、扭矩扳手等提高装配效率和质量机械维护与故障诊断常见机械故障类型1磨损故障摩擦副长期工作导致尺寸改变、间隙增大,如轴承磨损、齿轮磨损预防:合理润滑、选用耐磨材料、控制载荷2疲劳故障交变应力作用下材料产生疲劳裂纹直至断裂,如轴的疲劳断裂预防:减少应力集中、提高表面质量、合理热处理3腐蚀故障化学或电化学作用导致材料损坏,如生锈、点蚀预防:采用防腐材料、涂层保护、隔离腐蚀介质4变形故障过载或温度变化导致零件变形,影响精度和性能预防:提高刚度、控制载荷、采取冷却措施维护保养基本原则01定期检查按计划进行日常、定期和专项检查,及时发现问题02润滑管理定期添加或更换润滑剂,保持良好润滑状态03清洁卫生保持设备清洁,防止灰尘杂质进入运动部位04紧固调整检查紧固件松动情况,调整配合间隙和运动精度维护方法体系预防性维护:定期保养,防患于未然,延长设备寿命预测性维护:监测设备状态,在故障前进行维修事后维修:故障发生后进行修理,成本高、影响生产改善性维修:改进设备结构,消除设计缺陷第五章机械传动与控制基础传动系统将动力源的能量传递给工作机构,控制系统则实现对机械运动的精确控制。本章综合介绍传动系统设计方法和现代控制技术在机械工程中的应用。机械传动系统设计流程传动系统设计是一个系统工程,需要综合考虑性能、成本、可靠性等多方面因素。确定设计要求明确工作条件、载荷特性、转速范围、使用寿命、环境条件等设计参数和约束条件选择传动方案根据传动比、功率、速度等要求,选择合适的传动类型(齿轮、带、链等)和传动级数运动和动力参数计算计算各轴的转速、转矩、功率,确定传动比分配,进行载荷分析零件设计与校核设计齿轮、轴、轴承等零件,进行强度、刚度、寿命校核,确保满足使用要求结构设计与优化完成箱体、润滑、密封等结构设计,优化尺寸和重量,绘制装配图和零件图传动效率与动力损失分析传动效率传动效率η是输出功率与输入功率的比值,反映了传动过程中能量损失的大小。多级传动的总效率等于各级效率的乘积。各类传动效率参考值:齿轮传动:η=0.96~0.99(一级)蜗杆传动:η=0.70~0.85带传动:η=0.94~0.96链传动:η=0.96~0.98滚动轴承:η=0.98~0.99动力损失来源传动过程中的能量损失主要来自以下几个方面:摩擦损失:齿面、轴承、密封处的摩擦消耗能量搅油损失:齿轮在润滑油中旋转产生阻力空气阻力:高速旋转零件的风阻损失弹性滞后:带传动中带的弹性变形损失降低损失的措施包括:选择合理润滑、提高加工精度、优化结构、使用高效传动方式等。控制系统基础现代机械越来越依赖先进的控制技术来实现复杂功能和提高自动化水平。机械控制装置启动控制控制机械的启动过程,包括直接启动、软启动、变频启动等方式装置:启动开关、接触器、软启动器、变频器目的:平稳启动、减小冲击、降低启动电流停止控制实现机械的安全停止,包括正常停止和紧急停止装置:制动器、离合器、紧急停止按钮要求:停止迅速可靠、防止惯性冲击速度调节根据工作需要调整机械的运行速度方法:机械调速(变速箱)、电气调速(变频器、伺服系统)应用:满足不同工况要求、节能降耗现代机械控制技术PLC可编程控制器PLC是专为工业环境设计的数字运算控制器,具有可靠性高、编程简单、维护方便等优点。主要功能:逻辑控制:开关量的逻辑运算和顺序控制运动控制:位置、速度控制过程控制:温度、压力等模拟量控制数据处理:采集、显示、记录生产数据伺服控制系统伺服系统能够精确控制位置、速度和力矩,广泛应用于需要高精度控制的场合。系统组成:伺服电机:执行元件,将电信号转为机械运动伺服驱动器:功率放大和控制信号处理编码器:位置和速度反馈控制器:发出指令,进行闭环控制应用:数控机床、机器人、自动化生产线等机械设计案例分析卷扬机传动系统设计实例以矿井卷扬机为例,说明传动系统的完整设计过程。1设计要求分析提升重量5吨,提升高度100米,速度1.5m/s,每天工作8小时,使用年限10年2电动机选型计算所需功率,选择Y系列三相异步电动机,功率75kW,转速1470r/min3传动方案确定采用两级圆柱齿轮减速器,总传动比i=30,分配为i₁=5,i₂=64齿轮设计选择材料为20CrMnTi渗碳淬火,计算模数、齿数,校核齿面接触强度和齿根弯曲强度5轴系设计设计输入轴、中间轴、输出轴,选择轴承,校核轴的强度和刚度6结构设计设计箱体、润滑系统、密封装置,完成装配图关键零件受力分析与材料选用齿轮受力分析齿轮在啮合过程中主要承受:圆周力Ft:传递转矩的主要作用力径向力Fr:指向轮心,使轴产生弯曲轴向力Fa:斜齿轮特有,产生轴向推力材料选择:根据载荷选择合适的材料和热处理方式。重载齿轮选用20CrMnTi渗碳淬火,表面硬度HRC58-62;中等载荷选用40Cr调质处理,硬度HBS220-250。轴的设计与校核轴承受扭矩、弯矩和轴向力的复合作用,需要进行:强度校核:按弯扭合成应力校核,保证安全系数刚度校核:计算挠度和转角,避免过度变形疲劳强度:考虑应力集中,进行疲劳强度校核材料选择:常用45钢调质处理,承载大时选用40Cr等合金钢。轴的关键部位(键槽、轴肩)要注意减小应力