08 机械零件设计概述PPT课件

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机械零件的强度
机械零件的强度是指其抵抗体积断裂、塑性变形 和表面损坏这类失效的能力。
⑴ 体积强度：是指拉伸、压缩、弯曲、
剪切、扭转等涉及零件整个体积的强度。 lim e S σ
⑵ 表面强度：是指挤压、接触等涉及零 件表面层的强度。
S σ lim e S σ
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机械零件的强度
机械零件设计概述
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整体概况
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概况2
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概况3
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主要内容
➢机械零件设计的一般流程； ➢机械零件设计的要求； ➢材料选择与结构工艺性； ➢机械零件的强度；
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根据各个参数和工况，选
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8.采用标准刀具
a）
a）孔距箱壁太近： ① 需加长钻头才能加 工 ②钻头在圆角处容易 引偏
b）
b）加长箱耳， 不需加长钻头即 可加工
c）
c）结构上允许， 将箱耳设计在某 一端，不需加长 箱耳
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9.足够的操作空间
螺钉长度大于架体装配座凹入 的高度、螺钉无法装入孔中， 应使架体凹入高度加大
因空间限制无法使用螺丝刀， 可改成用六角螺帽联接，用扳 手能方便地装配。
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结构工艺性
在满足使用要求的前提下制造该零件的可行性和经济 性。功能相同的零件，其结构工艺性可以有很大差异。所 谓结构工艺性好，是指在现有工艺条件下既能方便制造， 又有较低的制造成本。
1. 毛坯选择合理
铸件、锻件、 型材… ？单件生产、批量生产？
2. 结构设计合理
几何形状力求简单，截面大小尽可能均匀...
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材料选择
黑金属（碳钢、合金钢、铸铁） 有色金属及合金（铜合金、铝合金）
1.金属材料—力学性能较好，能满足机械零件的多种性能 和用途要求，应用广泛。
工程塑料、橡胶、合成纤维、胶黏剂
常
2.高分子材料—原料丰富，耐腐蚀性较好，主要用于化工
用
设备和冷冻设备中。
的
普通陶瓷、特种陶瓷
材
3.陶瓷材料—硬度高，耐磨，耐腐蚀，熔点高，主要用于
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4.便于进刀和退刀
在车螺纹、刨平面、插齿形、磨削等工序加工时必 须设计空刀槽，以方便进刀和退刀 。
a）车螺纹时，螺纹根 部不易清根，且工人操 作紧张，易打刀
b）留有退刀槽，可使 螺纹清根，工人操作相 对容易，可避免打刀
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a）
a）插齿无退刀空间，小齿轮无 法加工
b）
b）留出退刀空间，小齿轮可 以插齿加工
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工作能力要求
强度
刚度 耐磨性 稳定性 耐热性 寿命
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（一）强度
机械零件的强度是指其抵抗体积断裂、塑性变形 和表面损坏这类失效的能力。
⑴ 体积强度：是指拉伸、压缩、弯曲、
剪切、扭转等涉及零件整个体积的强度。
设计计算时应使零件危险截面上
,
lim
S σ
,
lim
S τ
的最大应力σ、τ不超过材料的许用应 力[σ][τ]、使危险截面上的安全系数
• 耐热性准则：工作温度低于许用值
• 针对失效形式：高温引起的润滑不良、蠕变
• 典型零部件：蜗杆、齿轮、滑动轴承等
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设计准则 计算公式 失效形式 典型零部件
强度准则
lim/S 断裂、疲劳 轴、齿轮、带
破坏、残余 轮等
变形
刚度准则 y[y]
弹性变形 轴、蜗杆等
寿命准则 满 足 额 定 寿 腐蚀、磨损、滚动轴承等
学要求等
⑷ 可靠性要求：在规定使用寿命和工况条件下机器完成
规定功能的能力。
⑸ 其他特殊要求：例如，机床有长期保持精度的要求；
食品机械有防止污染的要求；大型设 6
备有便于运输与安装的要求等。
使用要求
在满足预期功能的前提下：
➢性能好、效率高、成本低； ➢在预定使用期限内安全可靠； ➢操作方便、维修简单、造型美观等。
金属材料制成的零件，其破坏特性取决于：
载荷或应力的循环次数N
拉力、压弯力矩、M、剪扭力矩T
⑴ 载荷：力、力矩、联合载荷。
静载荷
动载荷
静应力
⑵ 应力：是指零件受载后产生工作应力。
应力的种类
变应力
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应力的种类
静应力：不随时间变化的应力称为静应力，纯粹的静应力是没
有的，但如变化缓慢，就可以看作是静应力（如图a)。
机械零件设计的一般流程用零件类型： 齿 确轮 定传 载动 荷？ 的带 性传 质动 、？ 大链 小传 、
选择零件类型、结构
动 方？ 向等。根据名义载荷、 载荷系数确定计算载荷。
分析零件的主要失效形式 ，确定计算准则
选择毛坯形式、材料及热 处理方法。 根据计算准则，确定零件 的基本尺寸
根据功能要求、结构—工 艺要求、标准化要求
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a） a）斜面钻孔，钻头易引偏
b）
b）结构允许，留出平台，可避 免钻头偏斜
a）a）孔壁出口处有台阶源自，钻 孔时钻头易引偏，易折断b）
b）结构允许，内壁出口处作成 平面，钻孔位置容易保证
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6.避免内表面的加工
由于内表面加工时，对刀、测量都比较困难，刀具的形 状和尺寸也受到限制，因此应尽量减少内表面的加工。
3.零件的尺寸及质量
对于毛坯的制造，结构简单的可用锻造 ，结构复杂的宜采用铸造或焊接。
在满足使用要求的基础上，尽可能选择价
4.零件结构的复杂程度及材料的格加低廉工的可材能料性，同时还应考虑到使材料的
利用率高、加工费用低和供应状况好等因
素。
5.材料的经济性——包括材料的相对价格、 加工费用、 材料的利用率等的考虑。
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10.拆卸方便
由于箱体的台肩(或轴肩)与轴承外环( 或内环)的接触尺寸过大，造成外环( 或内环)不易拆卸，故台肩(或轴肩) 应按规定尺寸进行设计。
销孔应改成钻通的结构，以 便直接将销子打出。
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主要内容
➢机械零件设计的一般流程； ➢机械零件设计的要求； ➢材料选择与结构工艺性； ➢机械零件的强度；
对于承受变应力的零件，应选择疲劳强
材料选择的基本原则度极限高的材料；对于受冲击载荷的零 件，应选用韧性较好的材料；对于受接 触应力较大的零件，应选用经表面强化 处理的材料。 在湿热环境下工作的零件，应选择防锈 1.载荷、应力的大小和性质 和耐蚀材料；在高温下工作的零件，应 选用耐热材料。在滑动摩擦下工作的零 件，应选用减摩、耐磨材料。 2.零件的工作情况——包括环境对强、于度温要极度求限与强等密度度高之而比质较量高小的 的零 材件 料， ；应 对选 于用 要 求刚度大而质量小的零件，应选用弹性模 量与密度之比较高的材料等。
工具钢、特殊钢
低碳钢（含碳量： 0.25% ） 中碳钢（含碳量： 0.3% ～ 0.5％）
高碳钢（含碳量： 0.55% ～ 0.7 ％）
根据化学成分
碳素钢 合金钢：18CrMnMo 、20Cr 、20CrMnTi 等
铸钢： ZG270 500 、 ZQ42SiMn
有色金属及合金 20
轴瓦磨损
nF
齿轮轮齿断裂
• 例如轴轴可承能内圈的断失裂 效形式1：6
断裂、塑性变形、过大弹性变形、共振
主要内容
➢机械零件设计的一般流程； ➢机械零件设计的要求； ➢材料选择与结构工艺性； ➢机械零件的强度；
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材料选择与结构工艺性
➢机械零件常用材料 ➢材料选择的基本原则 ➢机械零件的结构工艺性分析
为防止产生过大的磨损应满以下条件：
压强不超过许用值
p≤［p］
速度不超过许用值
v≤［v］
压强与速度乘积不超过许用值 pv≤［pv］
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（四）振动稳定性
机械零件周期性产生弹性变形的现象称为振动。
共振：当机器的自振频率与周期性干扰力变化频率相同或
整数倍时，就会发生共振，此时振幅急剧增大，导致零 件破坏或机器工作条件失常等
命
疲劳
振动稳定性 0.85f >fp 或
1.15f<fp 可靠性准则 R=N/N0
共振产生的 滚动轴承、齿 工作失常 轮、滑动轴承
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零件的主要失效形式
断裂：如轴、齿轮轮齿发生断裂
表面点蚀：工作表面片状剥落 塑性变形：零件发生永久性变形
强度问题
过大弹性变形
刚度问题
表面破坏
耐磨性问题
过大振动和噪声、过热等
变应力：随时间变化的应力称
为变应力。具有周期性的变应力称 为循环变应力，如图b为一般的非 对称性循环变应力，图中T为应力 循环周期。
变应力的种类 变应力的特征参数
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变应力的种类
对称循环变应力
变
稳定循环 变应力
脉动循环变应力
应
力
非对称循环变应力
的
种 类
非稳定循
规律性非稳 定变应力
环变应力
随机性非稳
3. 制造精度及表面粗糙度选择合理
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影响到零件的耐磨性、承载能力等
结构工艺性分析
1.工件要便于安装
2.减少工件装夹次数
3.减少刀具种类
4.便于进刀和退刀
5.钻孔表面应与孔的轴线垂直
6.避免内表面的加工
7.零件应尽量减少加工面积
8.采用标准刀具
9.足够的操作空间
10.拆卸方便
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1.工件要便于安装
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a）两端轴颈需磨削加工，但砂 轮圆角不能清根
b）留有退刀槽，磨削时可以清根
a）锥面磨削加工时易碰伤圆柱 面，且不能清根
b）留出砂轮越程空间，可方便 地对锥面进行磨削加工
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5.钻孔表面应与孔的轴线垂直
钻孔表面应与孔的轴线垂直，如果两边不垂直, 就会使两边切削力不等,导致钻孔轴线歪斜，甚 至使钻头折断。
振动稳定性准则：应使受激振作用零件的自振频率 远离外力变化的频率。
即 fp ＜0.85f 或 fp＞1.15 f 式中： fp――外力变化的频率. f――零件的自振频率（固有频率）
典型零部件：轴等
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（五）耐热性
高温引起承载能力降低、蠕变，也会造成热变形、 附加热应力，破坏正常的润滑条件，改变零件间的 间隙，降低精度等
定变应力
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变应力的特征参数
绝对值最大的应力 绝对值最小的应力
平均应力
m
m
axm
2
in
应力幅
a
m
axm
2
in
循环特征（应力比）
r min max
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静应力
脉动循环变 应力
对称循环变 应力
任意不对称 循环变应力
料
切削刀具等结构中。 金属基复合材料、非金属基复合材料
4.复合材料—具有较高的强度和弹性模量，主要用于航空、 航天等领域。
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铸铁（含碳量 2％）： HT200 、 QT400 15 等；
根据用途分
金属
钢
根据含碳量
结构钢
优质：10、15、20、45 等 普通： Q235 、 Q275
等
如图a)所示，由于齿轮端面与 箱体内表面会产生摩擦，所以 箱体内凸台表面必须加工。改
成图b)虽然増加了两个轴套， 但好加工。
如图c)所示，在套内加工三个 槽，比较困难。改成图d)变成 在轴上加工槽，尺寸就好控制 了。
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7.零件应尽量减少加工面积
减少切削加工量，尤其是减少要求高的精加工面积。可 从减少加工表面数和加工面积来考虑。这样可提高生产 率，降低刀具消耗，从而降低成本。
轴承盖在加工两端面和外 圆时无法装夹，改成图b、 c所示的结构就容易装夹了。
a)所示的床身立柱结构加 工导轨面时不便于安装, 加上一个工艺凸台（图b） 就好安装了。
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2.减少工件装夹次数
减少工件的装夹次数有利于提高切削效率， 保证加工面之间的位置精度。
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3.减少刀具种类
尽量减少刀具种类有利于提高劳动 生产率和降低成本。
对重要零件进行强度校核 ，保证安全性
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主要内容
➢机械零件设计的一般流程； ➢机械零件设计的要求； ➢材料选择与结构工艺性； ➢机械零件的强度；
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机械零件设计的基本要求
⑴ 使用功能要求：实现预定功能，达到规定性能要求。
⑵ 经济性要求：贯穿在设计、制造、使用的全过程中，
以求获得最高经济效益的要求。
⑶ 社会要求： 人机工学要求、安全运行要求、工艺美
如果零件的刚度不足，产生过大的弹性变形，会影响机器 的正常工作（如机床主轴刚度不足会影响零件的加工精 度）。这类零件应进行刚度计算，计算时须使零件在载荷 作用下产生最大的弹性变形量不超过允用变形量，即
弯曲刚度：挠度条件： y ≤[y] 倾角条件：θ≤[θ]
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扭曲刚度：扭角条件：j ≤ [j]
（三）耐磨性
耐磨性：是指在载荷作用下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。
影响磨损的因素包括载荷的大小和性质、滑动速度、 润滑剂的化学性质和物理性质等。影响磨损的因素很 多而且比较复杂，因此，到目前为止对于磨损失效还 没有一个完善的计算方法。
通常只进行条件性计算，通过限制影响磨损的主要条件防 止产生过大的磨损量。
S σ lim
S
σ
Sσ、Sτ不小于许用安全系数[Sσ][Sτ]， 即
S τ lim
S
τ
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（一）强度
⑵ 表面强度：是指挤压、接触等涉及零件表面层的强度。
设计计算时，应使零件的最大挤压应力σH不超过材 料的许用挤压应力[σH]。
σHσH，σHσ SHHlim
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（二）刚度
刚度：是指零件在载荷作用下抵抗变形的能力。