机械设计简介

第 1 课 机械设计简介
从广义的观点看，机械设计被定义为开发一个机械系统以满足社会的某个技术需求的
系统化过程。特定的动机可能在于诸如运输、通讯或安全等领域。人们期待未来的产品可以
很好地解决一个特定的问题或提供新的功能乃至别人会买它。初期，公司的市场部会与工程
师和经理们共同研究以便从总体意义上找出开发新产品的机会。他们凭借潜在用户和相关产
品用户的反馈意见一起定义产品的概念。设计者继而拓展那些概念，拟出细节并实现有实际
功能的硬件。在此过程中要作出许多逼近、权衡和选择。机械工程师会留意所需的精度等级
将随着设计的成熟自然地、逐步地提高。譬如，在设计的概念完全成型之前，工程师解决特
定细节问题是没有意义的。毕竟，在设计循环的早期阶段，产品的尺寸、重量、功率或性能
还可能变化。设计工程师对这种模棱两可很适应，而且他们能够在存在变化的要求和约束情
况下进行设计。
一个市场概念演化为产品硬件的正式过程基于许多大原理和属性。大多数工程师会同
意这样一种看法—创新性、简单、和逐步逼近是任何一项成功努力的关键。革新始于一个好
的主意，但这也意味着始于一张白纸。无论如何，工程师仍迈出可能不太坚定的第一步来将
形式上的主意转化成铁定的现实。初步的设计决定凭借着大量资源作出，如：个人经验、数
学和科学知识、实验室和现场试验，良好判断所引导的试探。逼近对改善设计和改进硬件以
使之良好工作也很重要。你的第一方案，也许不是能够实现的最佳方案。随着每次逼近的逐
步改进，设计方案会表现得更好、更高效、更精致。
从宏观上看，机械设计过程可分解为四个主要步骤。
1．定义和研究对象。最初，设计者以产品的功能、重量、强度、成本、安全性，可靠
性等等来描述新产品的要求。在这一初始阶段，设计必须满足的约束条件也同时建立。这些
约束条件可能具有技术性质，比如说，尺寸和功耗方面的限制，或者，约束条件可能与商务
或市场意见有关，例如，产品的外观、成本、或易用性。当遇到新的技术挑战时，工程师分
别进行研究并汇集对设计概念和设计细节的日后评估可能有用的背景资料。设计者查阅相关
技术问题已发布的专利资料，咨询经销可被用于产品中的部件和子系统的推销商，参加展览
会和交易会，会见潜在的用户以更好的理解其应用。
2．总体概念。在这一设计阶段，设计者通常组成团队针对手头上的问题以提供广泛的
解决方案为工作对象。创造性努力包括理解新思

想并结合以前的思想以使之大于二者之和。
硬件方案被概念化并加以组合，好的和不太好的意见都被列出。草议阶段的结果被系统地记
录，各种方案的优缺点被界定，各种分歧方法之间的权衡要做出。为了把这一综合阶段涌现
出的整套思想存档，工程师勾划概念，作记录。没有特定的意见被深度评估，也不会用过分
挑剔的眼光来看待任一意见。尽管在这一早期阶段某个特定的方案可能看上去不可行，倘若
产品的要求或约束今后改变，其思路实际上还可能作为一个主要竞争者重新露面。
3．缩小选项范围。设计团队进一步朝着降低选项数量到可接受的少数几个目标来评价
设计理念。例如，工程师进行初步计算来比较强度、安全性、成本和可靠性，开始放弃较小
可行性的理念。在这一阶段也可能生产样品硬件。好比一幅图可抵千言，一个实体样机对工
程师显示复杂的机器部件和阐明其组装经常是很有用的。样机还可能被测试以便基于测量和
分析两方面的结果作出权衡决定。产生这种部件的方法之一称作快速建模，其关键功能在于
复杂的三维零件往往可以数小时内从计算机生成的图纸直接制造出来。
4．拓展细节设计。为达到设计过程的这一点，设计组已经过草议、试验、分析，集中
到被认为最好的理念上。设计的完善，样机的最终结构，加工程序的开发仍未完成。详细的
技术问题通过应用数学，科学，实验室，计算机辅助工程工具来解决。(准备好完整的图纸
和零件明细表)，设计者进行工程分析和实验以验证多各工况下的性能。如果需要，对形状、
尺寸，材料和零件作出更改直到所有的要求和约束条件都得到满足。设计以图纸和书面报告
的形式存档以便他人理解每个决定后面的理由。这种档案对今后的设计组从中学习并在本设
计组经验的基础上积累也是有用的。

第 2 课 齿轮类传动
齿轮系可用来提高转速降低扭矩，保持速度和扭矩恒定，或降低转速提高扭矩。在机
器设计中包含齿轮的机构很常见。本节，我们的目标仅在于探索各种类型的齿轮，重点是它
们的特性。
齿轮的齿形是按数学定义并按工业制定的标准精确加工的。例如美国齿轮加工协会就
已建立了一套使齿轮设计和加工标准化的规范。机械工程师可以从齿轮制造商或供应商处买
到散装的齿轮，也可以买到适合手头任务的齿轮箱和传动系。存在例外情况--标准齿轮或许
不能提供足够的性能(如低噪音和低振动)，在这些情况下，合约加工厂可以按用户要求生产
齿轮。然而，机器设计的大多数情况，齿轮和齿轮箱是作为现成零部件被选

用的。
不存在唯一一种“最佳”的齿轮，每一种变体都适合一种不同的应用。以下描述被称
作直齿轮、齿条、锥齿轮、斜齿轮和蜗杆的齿轮类零件，工程师为一个产品最终选用哪种齿
轮，反映出成本和齿轮要完成的任务之间的平衡。
1． 直齿轮
直齿轮是最简单一类实用工程级齿轮。直齿轮由圆柱毛坯切制，其齿面平行于齿轮的安
装轴。对图 4.1a 所示外齿轮，轮齿在圆柱的外表面形成，相反，内齿轮或称为齿圈，其轮
齿位于内圆柱面(图 4.1b)。当具有共轭齿的两个齿轮结合从而使运动从一根轴传递到另一
轴时，两齿轮形成一对齿轮副。通常，小一点的(主动)齿轮称作“小齿轮”，另一个(被动)
就简单的称作齿轮。大小齿轮在轮齿相互接近、接触、和分离点称为啮合。
2． 齿条齿轮
齿轮有时用来将一根轴的旋转运动转化为一个滑块的直线运动或反之。齿条齿轮形成齿
轮副的一个极限状态—大齿轮具有无穷大半径。这种外形如图 4.2 所示。图中小齿轮与直齿
齿条啮合。当小齿轮的中心固定时，齿条会随着齿轮的旋转而水平移动，图示齿轮顺时针旋
转时齿条向左运动，反之向右。齿条本身可以有滚子支承，也可以在油润滑的坚硬表面滑动。
齿条齿轮经常用于汽车前轮的转向机构，也被置于老式计算机存储装置磁盘上方的读/写头。
3． 锥齿轮
有别于直齿轮轮齿分布在圆柱面上，锥齿轮通过在圆锥台表面形成轮齿面制成。图 4.3
为锥齿轮副照片和横截面图。锥齿轮适合于两轴必须以直角联接且其轴心延长线相交的应用
场合。
4． 斜齿轮
由于直齿轮齿面平行于轴，当两齿轮相互接近时，它们在整个齿宽上接触。类似地，轮
齿分离时在整个齿宽上立即失去接触。这种相对突然的啮合和分离使直齿轮产生比其它类型
齿轮更大的传动系噪声和振动。
斜齿轮是直齿轮的一种替代物，它们提供啮合更平稳的优点。斜齿轮与对应的直齿轮相
比，在齿廓仍是在圆柱面上形成这层意义上是类似的，但它们的齿不再平行于其轴。相反，
如其名称暗示的那样，斜齿轮轮齿倾斜一个角度从而轮齿以浅螺旋的形状包裹在齿轮的圆柱
面上。图 4.4 所示为单个斜齿轮。以轮齿逐渐啮合为同一目标，锥齿轮可同样地以螺旋齿而
不是直齿形成。
斜齿轮显然比直齿轮分析和制造起来更复杂。其反面是，斜齿轮确实具有在机械中产生
更小噪声和振动的优点。例如，汽车自动变速箱就非常典型地正是因为这个缘故而以斜齿轮
制造。在斜齿轮副中，齿与齿的接触从轮齿的一边开始继而逐渐向前越过整个齿宽，如此，
使轮齿的结合和分

离平顺。斜齿轮的另一特性是它们与相同尺寸的直齿轮相比能够传递更大
的扭矩和功率，因为齿与齿的接触力被分布到更多的表面积上。
我们已经看到螺旋形齿如何在安装于平行轴上的齿轮上形成，可垂直相联的齿轮上也可
采用斜齿。交错螺旋齿轮联接两垂直轴，但不像锥齿轮，此处，轮轴相互错开。其中心线的
延长线不相交。
5． 蜗杆
如果一对交错螺旋齿轮的螺旋角足够大，产生的传动副就叫蜗杆蜗轮。图 4.5 表明这种
类型的齿轮副，这里，蜗杆本身只有一个齿在其圆柱体上绕了若干圈，就像螺丝上的螺纹。
对于蜗杆的每一转，蜗轮仅转过一个齿。
蜗杆机构能以大减速比工作。例如，如果蜗轮有 50 个齿，减速比就是 50。将一个大传
动比的齿轮系装入一个小空间是蜗杆机构吸引人的特性。然而，蜗轮上齿廓的形状却不是渐
开线形。啮合过程中齿面间产生很大的滑动，因而与其它类型齿轮相比，摩擦导致功率损失、
发热和低效率。
可以设计只能以一个方向驱动的蜗杆机构，明确地说，从蜗杆传向蜗轮。对这样一种自
锁的齿轮机构，不可能逆转动力流而引起蜗轮驱动蜗杆。这种单向传动能力有时用于诸如卷
扬机和千斤顶，在这些地方，有必要机械地防止系统被逆向驱动。并非所有的蜗杆机构都能
自锁，这种特性取决于诸如螺旋角、螺杆与蜗轮间的摩擦、以及是否存在振动。

第 3 课 带和链传动
像齿轮副一样，带和链传动也可在两根轴之间传递运动、扭矩和动力。它们被用于诸如
压缩机、电器、机床汽车发动机和钢板轧机上。带和链传动的一些特性包括使传动系的不同
零件隔振，相对较大的轴距，允许相邻轴的不对中。这些优点大体上归结于带和链的柔性。
图 4.6 所示的普通传动皮带被称作三角带，以其横截面的楔形来恰当地命名。使皮带运转
的带槽轮子称为皮带轮。为了使轴间动力传递高效，皮带要张紧并与皮带轮有良好的摩擦接
触。实际上截面形状是设计用来使皮带楔入到皮带轮槽中以增加二者间的摩擦力。三角带在
轴间传递动力的能力由楔形角β，和皮带打滑点(打滑时常伴随着高频尖叫噪声)决定的。皮
带的外层用合成橡胶材料制造以便在皮带和皮带轮间产生摩擦。这些皮带的内部也用纤维或
金属芯加强，这能承受大部分的张力。
尽管三角带很适合用于传递动力，由于皮带与皮带轮之间的唯一接触是摩擦，二者间不
可避免地会产生一定打滑。如果你在皮带和皮带轮相邻处标一小块油漆，运转一会儿后，标
记会移动并分离。齿轮不可能出现打滑现象因为它们是以轮齿直接机械接触而结合。

齿轮系
是同步旋转，意味着输入和输出轴精确地一起旋转。
如果你只对传递动力感兴趣，如汽油机上驱动压缩机和发电机，皮带打滑就不成为问题。
而另一方面，像机械手操纵和汽车发动机气门正时机构这样的高精度应用，轴的旋转必须保
持完全的同步。对这样的需求，正时（配气机构）皮带上做成模压齿形与配套的皮带轮啮合。
正时传动皮带，如图 4.7 所示，把皮带传动隔振与长距离传动的最佳特性与齿轮副提供同步
运动的特性结合在一起。
链传动(图 4. 8)也可以用于需要同步运动场合，而且是需要传递大扭矩和动力的场合。
由于其金属链节结构，链条一般比皮带能承受更大的力，且它们可以承受高温环境。
最普通类型的链是滚子链，在这种链上，每个销上的滚子使链条与链轮间的摩擦格外小。
其它类型包括大量运用于输送带上的各种外伸链节的设计。
滚子链按节距(相邻链节对应部位之间的距离)划分。节距通常表述为相邻链销中心线之
间的距离。滚子链的平均抗拉强度与链的节距尺寸成正比。对链传递动力的能力的衡量要考
虑三种模式的失效：(1)由于在紧边反复施加张力而产生的链板疲劳，(2)滚子啮合链轮齿时
的冲击，以及(3)每个链节上销与销上衬套的啃咬。
有各种各样的附件可有助于滚子链在输送带和其它物料装卸方面的应用，通常为外伸链
板和带孔的凸块形式。附件使之易于将杆件、斗子、或输送带刮板联接到链上。
根据链的线速度不同，链条制造商推荐三种不同的润滑形式。但是，恒定的清洁润滑油
供应是链的平稳运行和满意寿命的根本。

第 4 课 螺纹紧固件和传动螺旋
如果任何一个平面图形(矩形、梯形、三角形等)沿着一条螺旋线移动，其结果就形成螺
纹。螺纹可在孔的内表面切制，也可在圆柱或圆锥的外表面切制，后者为外螺纹(阳螺纹)
而另一个为内螺纹(阴螺纹)。两个分别具有相同参数外螺纹(螺栓)和内螺纹(螺母)的零件形
成一对螺纹副。
当螺杆顺时针转动而结合螺纹副的另一元件时，称为右旋螺纹，逆时针旋转结合时称为
左旋螺纹。最常用的是顺时针旋合螺母的右旋螺纹。
可以同时在圆柱表面形成一条或多条螺纹线，相应地产生单头、双头、三头和多头螺纹。
在此，要提及螺纹联接中的两个重要的定义—螺距和导程。螺距是沿平行于轴线的方向量得
两相邻螺纹对应点之间的距离。导程是螺纹件旋转一圈相对于不动的配对螺纹件轴向前进的
距离。对于单头螺纹，导程等于螺距。其它各种情况下，导程超过螺距的倍数是螺纹的头数。
摩擦力，由此而及制动力，在相当程度上取

决于螺纹的外形。较大的螺纹角增大螺纹间
的摩擦力，因此，矩形、梯形和锯齿形螺纹用于滑动螺纹联接以传递运动，在这些地方，由
于大摩擦力而带来的损失应当降低到最小值。三角形螺纹用于紧固零件，此处，大摩擦力是
防止自发松动所需要的。此外，三角螺纹线具有更好的抗剪强度，这将可以降低螺母高度。
三角螺纹符合国家标准。机械工程中对 1 至 500mm 的螺纹采用米制、螺纹角为 60 度。根据
应用目的不同，可在粗牙螺纹和细牙螺纹之间作出选择。二者之间的区别是直径相同的条件
下螺距不同。
螺纹还可分为圆柱螺纹和圆锥螺纹，后者用于需要密封的场合，如管螺纹。
紧固件是用于连接两个或多个零件的任意装置，学术意义上存在许多不同类型的紧固
件。最常用的是有许多不同名称的螺纹紧固件，他们当中有：螺栓，螺母、双头螺柱、方头
螺钉、及定位螺钉等。螺纹联接是可拆卸联接。
螺栓是设计用来穿过结合零件的通孔并在相对于螺栓头的另一端用螺母拧紧的螺纹紧
固件。螺钉是设计用来穿过被联接件之一上的通孔而后拧入另一被联接件上螺纹孔的螺纹紧
固件。螺纹孔可以预先形成，例如用丝锥攻丝，也可由螺钉自身强行钻入材料中而成。
大多数螺栓和螺钉有增大的头部支承在被夹紧的零件上以施加夹紧力。没有头的定位螺
钉，设计用来拧入螺孔中，并直接支承在被结合零件上使之定位。和其它螺纹联接件一样，
定位螺钉要采取措施，以便振动不会松动螺钉。
可以在螺栓头和螺母之一或二者的下面用一个垫片，将夹紧载荷分布到较大支承面积上
并为螺母的相对旋转提供一个支承面，尤其是被联接件是用软材料制成时。基本的垫片是平
垫，一个平圆盘中间开有孔以便螺栓或螺钉穿过。另一种形式，称为防松垫，具有轴向变形
或凸起(起弹簧的作用)，以便在压紧时在紧固件上产生轴向力。这些轴向力使结合件的螺纹
紧密接触从而降低了紧固件在工作中松动的可能性。
双头螺柱就像永久安装在被联接件之一上的固定螺栓。另一被联接件放在双头螺柱的上
面，旋紧螺母将两件夹持在一起。
在机械设计中，大多数紧固件用钢材制造，因为钢材有高强度，良好的延展性，以及良
好的加工和成型性能。
传动螺旋设计用来将旋转运动转化为直线运动并施加所需的力以使机械零件沿设计的
路线运动。传动螺旋按丝杠和它的配对螺母旋合的基本原理工作。如果丝杠由轴承支承并旋
转而螺母被限制旋转，螺母将沿丝杠平移。例如，车床的进给丝杠就是这样一种应用。刀架
与螺母做成一体，旋转的进给

丝杠驱动刀架沿床身移动来实现切削。相反，如果螺母被支承
并旋转，可以让丝杠平移。螺旋千斤顶采用这一方法。

第 5 课 滚动轴承
轴承用来支承必须相对于固定的支座旋转的轴，例如，马达壳体、齿轮箱、或传动系。
有大量各种轴承，它们被分为两大类—滚动轴承和轴瓦。每一种轴承都使用于不同的安装和
工作条件。本节仅讨论滚动滚轴承。
轴承典型地由内圈，外圈，以及球形、圆柱形或圆锥形的滚动体和防止滚动体相互摩擦
的保持架组成。它们在机器设计中无处不在，其应用之广，包括自行车轮、机械手、汽车传
动系都用到它。滚动轴承装配体的样品如图 4.9 所示。轴与轴承的内圈一起旋转，而外圈与
变速箱的壳体固定。当轴以这种方式支承时，轴承可以承受沿轴线方向的力(轴向推力)，也
可以承受垂直于轴线的力(径向力)。工程师会根据作用在轴承中的力是轴向推力、径向力或
二者的某种组合来决定选用哪种轴承。因此，工程师分析和选用轴承和其它机器零件时要根
据作用力系统的性质。
1． 球轴承
最普通的一类轴承是球轴承，它包含硬化、精确研磨过的钢球。图 4.10 描述了标准球
轴承的主要元件：内圈、外圈、钢球和保持架。内圈和外圈是轴承跟轴与壳体的联接件。保
持架使钢球均匀地分布在圆周中并防止它们相互接触。要不然，如果轴承用于高速或承受大
负荷，摩擦会使轴承过热而损坏。在某些情况下，要用橡胶或塑料环将内圈和外圈间的间隙
密封以保留润滑脂或防止碎屑进入。
从原理上说，钢球以一个点压在内圈和外圈上。每个钢球在内外圈间传递的力很强烈且
相对尖锐地集中。如果滚动体与内外圈间的力能分布一个大面积上，我们可以指望球轴承更
耐用。包含滚柱和滚锥的滚动轴承是均匀分布作用力的解决方案，我们将在下面讨论这些轴
承。
2．滚柱轴承
虽然球轴承很便宜，它们的承载能力却相对较小，因为球与滚道间存在点接触。圆柱滚
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子也可用于滚动轴承上以便将作用在轴承上的力更好地分布到滚道上。
图 4.11 所示为滚柱轴承的结构。在图中，滚柱与内外圈的轴线平行，同样用一个保持
架来将滚柱分布在圆周上。当机器要传递较大力时采用滚柱轴承，但它们不适用于支承轴向
推力。
3． 滚锥轴承
不同于以球体或圆柱体在滚道上滚动，滚锥轴承用圆锥台形状的滚子，如图 4.12 所示。
所有的锥形滚子具有相同的锥角且它们的中心线相交轴上于一点，稍远离轴承本身。图中所
示的保持架防止滚子对滚子的接触并将力更好地分布到轴承上。与滚柱轴承一样，滚子与内
外

圈的接触为线接触而不是点接触，从而降低了磨损。滚柱轴承与滚锥轴承通常将滚子做成
略带冠状或鼓形以进一步改善寿命，这同时也是用于使内外圈传力平顺的一个特性。
尽管滚锥轴承不像球轴承那样为你所熟悉，他们在机械工程中却很普遍。他们被用于推
力和径向力都存在的应用场合—汽车车轮轴承就是一个最基本的例子。车轮轴承既要承受来
自车辆的重力(这是径向力)又要承受转向过程中产生的横向力(这是轴向力)。
滚锥轴承价格适中，能承受大径向力和较小的横向力。
4． 止推轴承
滚柱轴承很合适于支承绝大部分来自径向的载荷而滚锥轴承能支承径向与轴向的组合
力，止推滚子轴承却能承受主要沿轴线方向的力，图 4.13 给出了一种止推轴承。这些轴承
的滚子是略带鼓形的圆柱体。与图 4,11 所示的滚柱轴承相对比，这种轴承里的滚动体沿轴
的径向安放。止推轴承适合用于像转盘那样需要支承车辆沉重重力又需要灵活转运的地方。

第 6 课 材料的选用
材料通常因为它能以合理的成本提供需要的性能而被选用。外观也是一个重要的因素。
材料选择中碰到的最普通的分类或许在于材料是金属还是非金属。常用的金属材料有铁、铜、
铝、锰、镍、钛、铅、锡、锌和它们的合金，如钢、黄铜、青铜。金属材料被进一步分为黑
色金属(铁及其合金)和有色金属(所有其它金属材料)。他们具有金属的光泽、导热性、导电
性等特性，相对而言延展性好，有些具有良好的磁性。常用的非金属有木材、砖、混凝土、
玻璃、橡胶和塑料。它们的性能变化很大，但通常趋于延展性差、强度低、比金属密度小、
无导电性且导热性差。
尽管金属可能总是两类中更重要的一个，非金属的相对重要性正在迅速攀升，并且由于
不断有新的非金属造出，这种趋势必定还将继续。在许多情况下，在金属和非金属之间的选
择根据对需要的性能的考虑来决定。在两种材料都能提供所需性能时，总成本就成了决定性
因素。
一种金属常常通过物理性能来区别于另一种金属，例如，颜色、密度、比热、热膨胀系
数、导热性和导电性、磁性和熔点。某些性能，如导热性、导电性和密度，在为某一特定用
途选用材料时可能是首要的。而那些反映材料对种种机械用途所表现的性能，对机械工程师
涉及的设计选材往往更为重要。这些性能关系到材料对各种负载工作的反应。
机械性能是材料对所施外力的响应特征。这些性能分为五大类：强度、硬度、弹性、延展性
和韧性。
1． 强度是材料抵抗外力的能力。电梯吊缆和建筑梁都有这样的性能。
2． 硬

度是材料抵抗侵入和磨损的能力。切削工具必须抵抗磨损轧机的金属辊必须抵抗侵
入。
3． 弹性是弹回到原始形状的能力。所有的弹簧必须有这种性能。
4． 延展性是承受永久变形而不破裂的能力。冲压成型产品必须有这种性能。
5． 韧性是吸收机械能量的能力。强度和延展性决定材料的韧性。铁路车辆、汽车车桥、锻
锤及类似产品需要这种性能。
金属的主要优点在于它们的强度和韧性。混凝土也许廉价因而经常用于建筑，可甚至混
凝土也依赖其钢筋来提高强度。并非所有的金属都很坚强。例如紫铜和铝强度都低，但如果
它们混合在一起，结果产一种称为铝青铜的合金，就比纯铜或纯铝强得多。合金是获得各种
所需特殊性能—强度、韧性、耐磨性磁性、高电阻或耐腐蚀性－的重要方法。
塑料有特殊的性能，这使它们对某些特定用途比传统材料更可取。例如与金属相比，塑
料有优点也有缺点。金属易于被诸如硫酸、盐酸等无机酸锈蚀。塑料能抵抗这些酸但会被同
样有碳基的四氯化碳这样的溶剂溶解或致变形。颜色只能加在金属的表面而却可以混入塑料
内部。金属比大多数塑料刚性更好，而塑料非常轻，比重在 0.9 到 1.8 间。大多数塑料不能
导热或导电。缓慢软化的塑料极易在软化状态成型。
正是在特定温度下的塑性，使得塑料比其它材料具有优点。塑性使模压产品的大规模生
产单价低，而其它材料需要费力的，往往是昂贵的加工，如铸造、成型、机加工、装配和装
饰。塑料更轻、更耐腐蚀，但它们通常强度低。塑料的另一个问题是用过之后怎么处置。金
属件通常可以解体将金属回收；塑料只能丢弃或焚烧。

第 7 课 热处理
热处理是为了使锻件获得所需的显微组织结构和机械性能，在锻造后进行一次或多次重
新加热和冷却作业的热循环过程。
极少锻件生产不用热处理。不经热处理的锻件通常是用于非危险场合低碳钢零件或需要
进一步进行热加工和后续热处理的零件。钢的内部化学成分，产品的形态和尺寸以及所需的
机械性能是决定采用下列哪种生产循环的重要因素。
热处理的目的是使金属获得某种需要的物理性能或消除在加工制造过程中出现的不合
要求的组织状态。在任一种热处理的应用中都需要了解金属的“原先过程”或组织状态以便
给出热处理方法来获得所需的效果。没有原先处理的资料就要对结构进行显微研究来决定正
确的后续热处理过程。
通常运用的商用热处理有球化、常化、退火、淬火和回火。它们包括把材料加热到一定
的温度，在这一温度下“均热”即保温，并以预定的速率在空

气、液体或延缓介质中冷却。
以上热处理可简述如下：
球化--长时间的加热铁基合金到略低于临界温度范围，接着相对缓慢地，通常在空气中
冷却。高碳钢小工件被持续交替地加热到临界温度范围或略低于此温度以更快的球化。这种
热处理的目的是使碳产生球状。
正火—将碳基合金加热到大约高于临界温度 50℃，接着在空气中冷却到低于这一温度
范围。目的在于通过消除加工中产生的所有内部应变和应力使组织结构成为正常状态。
退火是适用于多种热处理的通用术语，这些处理可用于消除应力，促进软化；改变延展
性、韧性、电、磁或其它物理性能；改善晶体组织；除去气体；或产生一种显微组织。热处
理的温度和冷却速度取决于处理的目的和被处理材料的组成成分。
淬火是将碳基合金的加热临界温度或此温度以上并骤冷。加热的温度和在这温度下的时
间长短，即“保温期”，决于材料的组成。淬火介质取决于组成成分、所需的硬度和工件的
复杂程度。
回火是碳基合金淬火后重新加热到临界温度以下，接着以任意需要的速度冷却。回火的
目的是消除应变、降低硬度和脆性。

第 8 课 铸造和锻造
铸造是人类已知最早的金属成型方法之一。它通常意味着将熔化的金属灌注到具有待造
型空腔耐火铸模里，并让它固化。固化后，或打碎耐火模子或将模子分开取出所需的金属物
体。固化的物体被称为铸件，这个过程也称作翻砂。
铸造加工因为诸多优点而被广泛用于制造业。熔化金属流入铸模空腔的任一小区段因
而任何内部或外部复杂的形状都能用铸造来生产。实际上不管是黑色金属还是有色金属，任
何材料都可铸造。更且铸模所需的工具非常简单和廉价。因此，对试生产和小批量生产，这
是一种理想的方法。在铸造工艺中，可以只用精确所需的金属量。因此，设计中可以实现减
轻重量。铸件通常从各侧面均匀冷却，所以可认为它们是没有方向性的。有些金属和合金出
于冶金学的考虑只能用铸造而不能用任何其它像锻造之类的方法加工。任何尺寸和重量，甚
至重达 200 吨都可以铸造出来。
普通砂模铸造工艺不管其尺寸精度和表面光洁度能达到多高，在许多情况下都还不满
足最终使用的要求。考虑到这些情况，一些特殊的铸造工艺如压模铸造应运而生。况且砂模
铸造在某种程度上说劳动强度大，因而许多改进如机器制模和铸造机械化都是针对它的。对
某些材料往往难于去除由于砂模铸造中水分的存在而引起的缺陷。
典型的砂模铸造应用有气缸体、机床底座、活塞、活塞环、轧辊、轮子、壳体、水管
和

钟。
锻造是将金属加热然后施加一个力来处理金属使之获得所需的最终形状。锻造通常是
热加工，尽管有时也用到冷锻。因此，术语“锻造”一般指在再结晶温度以上的锻造。
为了获得工件最终外形，在锻造中有两种操作，即压延和镦锻。压延作业中材料伸长同
时横断面面积减小。为此，施加的力垂直于纵轴线。镦锻应用于以长度为代价增大工件的横
断面面积。为达到锻粗的目的，外力施加在平行于纵轴的方向上。
通常采用的锻造方法有四种：
1. 锻打：这是开式或在铁模里用人工锤打或用动力锤传统的锻造加工。
2. 冲锻：这是在封闭的冲压模中用冲锻锤进行的加工。此处用于零件成型的力是多
次打击的。
3. 压锻：类似于冲锻，压锻也是在封闭的锻模中进行，不同的是所用的力是水压机
施加的连续挤压力。
4. 机锻：不同于冲锻中材料被压延细，机锻中，材料只被镦粗以获得所需的形状。
锻打包括在炉中加热工件，然后在砧座上敲打。为了获得所需的形状，操作工必须在敲
打之间操纵工件。有锻槽，锻扁，弯制，镦粗，和锻细等类型的操作。
冲锻利用一个合起的压模来获得所需的零件形状。成型是借助对锻模中的材料进行重复
锤打来完成的。发出锤打的设备称为冲锤。冲锻模由两半组成。下半部固定在机器的砧座上，
而上半部固定在冲锤头上。热工件放在下半模中，锤头对材料发出四至五次快速锤打从而使
材料伸展到完全充满锻模空间。当两半闭合时，所需的形状就形成了。
压锻模与冲锻模相似，压锻与冲锻的过程也相似。压锻过程中，金属不是像冲锻那样
用一系列的锤打来成型而是用一次连续的挤压作用。这种挤压通过水压机获得。由于水压机
的连续作用，金属在整个深度获得均匀的变形。冲锻中更多的力传递给了机器的底座而压锻
过程中力被工件完全吸收。
由于机锻涉及镦锻作业，有时就称之为镦锻。尽管冲锻和压锻也都是由机器完成的，历
来仅将镦锻称为机锻。最初，这是用来连续式制造螺栓头。现在这种工艺已有大量不同用途，
例如用于制造齿轮坯，轴及类似零件。类似于冲锻，机锻也不可能在一次行程内获得最终形
状。因此，机锻作业分数个阶段完成。

第 9 课 机加工
除熟悉机械零件外，作为一个高效的工程师还要具有一些机床和机加工技术和经验，也
许有一天这些经验将用于制造你所设计和产品。本节我们讨论用钻床、带锯、车床、磨床和
铣床切削，这些机床是样机加工和生产车间进行标准机械加工的可选用工具。每一种机床都
是基于通过刀具切削作用去除工件多余材料的

原理。
钻床在工件上钻孔。钻头被夹持在旋转的卡盘上，当机械工转动手轮，钻头降低进入到
工件的表面。钻头将材料变成碎屑除去而在工件上产生一个孔。正如实际情况那样，任何时
候金属被机加工刀头切入工件的点上要润滑。油液降低摩擦，也有助于从切削区带走热量。
为了安全的缘故，钻孔时夹具牢牢地夹住工件以防材料意外移位。
带锯粗糙地切穿金属和塑料坯。锯条是边缘开了锐齿的连续长环，它在主动轮和从动轮
间运行。高速电机使操作者可根据材料的种类和切削的厚度调节锯条的速度。一个可倾斜的
工作台用来支承。机械工将工件进给到锯条上并用手工导向以切成直线或略带弧形。当锯条
变钝或万一断裂需要更换时，锯床的内部磨齿机和焊机可用来清洁锯条的端部，将它联接成
环状。
磨床是一种采用轮状、粘结在带上、棒状或仅仅悬浮在液体中的研磨材料进行随机点切
削机床。在圆柱磨床上，砂轮以 5500 至 6500 r/min 的速度旋转，而工件以 60 至 125 r/min
的速度旋转。切削深度通过移动砂轮头来控制。冷却剂被提供用来降低热翘曲并将切屑和磨
料粉带走。磨削加工因多项理由而非常重要：
1． 它是切削硬质工具钢或其它热处理过钢材的最普通方法。
2． 它无需高成本而可提供 0.5μm 的表面精度。
3． 磨削加工可以相对较短的时间保证精确的尺寸。
4． 细小和薄的零件只能用这种方法精加工。
车床夹持工件并使它旋转，而锋利的刀具则切除材料。车床的应用包括轴的加工和螺纹
切削。床头箱上的卡盘夹住圆柱形毛坯的一端,传动机构使之快速地绕中心线旋转。尾架可
用来为长工件另一自由端提供支承。当刀具对着工件进给并沿长度方向移动时，工件的直径
被减小到需要的尺寸。安装轴承的轴肩，容纳止推环的槽，阶梯轴的直径突变部位都可用这
种方法制造。
刨削是相对简单的一种切削作业，用这种方法可沿工件的纵向加工出平面以及各种带沟
槽的截面。刨削一般用于大工件—大至 25m*15m。在刨床上，工件被安装直线移动的工件台
上。可垂直移动的横向水平导轨上装备有一个或多个刀头。刀具安装在刀头上，切削沿纵向
完成。由于工件的往复运动，返程花去的非切削时间很多。
铣床是加工扁平工件的粗糙表面和在工件上形成槽、孔很有用的多功能机床。工件由可
调工作台上的台钳夹持以便能够沿三个方向精确运动(工作台平面内和垂直于工作台方向)
来定位刀具下的工件。在典型的应用中，一块钢板可用锯床锯成大致的形状，用铣床来加工
表面和边缘使之平整、方正并达到最终尺寸。
通常

在铣床的内部机构中常用一个称为丝杠的部件来将工件在主轴下定位。丝杠将手轮
或电动机产生的轴的旋转运动转化为工作台的直线运动。当丝杠转动并结合螺母(不允许转
动)时，螺母沿丝杠移动，丝杠每转一圈，螺母移动一个螺距。
通过电动机来驱动丝杠并定位工件或刀具，铣床或其它机床可用计算机控制。按那种方
式，车间的作业可自动化以达到高精度或在大量零件上完成重复的任务。一台计算机数字控
制机床(CNC)完成普通铣床同样的工作，但它不是手动操纵而是由键盘或下载由工程软件产
生的机器指令操纵。数控机床提供从计算机图纸到硬件“无缝”生产的潜力。由于机床快速
再编程的能力，甚至一个通用的车间可生产大量不同的高质量机器零件。
工程师为某一特定产品选用的加工工艺将部分地取决于调整加工工具的时间和成本。某
些装置(例如，空调压缩机、微处理器、液压阀和轮胎)是批量生产的，这意味着一个基于广
泛采用的机械自动化过程。批量生产可能是你最先想象到发生在大工厂的情况，汽车发动机
生产就是一个主要例子。那种情况下的装配线包括专用工具、夹具、和仅能生产某种车上特
定型号发动机的专门化工艺。装配线的建立是使得任一个工位在发动机移动到下一工位前只
需完成很少量的操作。因为发动机将以相对较快的速度生产，所以公司将大量的厂房空间和
昂贵机器用于生产线的成本投入是高效的，其中每一台机器仅需钻少数几个孔，或焊接几个
地方。除了批量生产的硬件，其它产品是单件加工(例如哈勃天文望远镜)或小量生产(例如
商用喷气式客机)，对某一给定产品的生产方法将最终取决于生产的数量，允许的成本和可
接受的零件与零件之间的差异级别。

第 10 课 焊接
焊接技术已变得如此多用途乃至现在难于定义“焊接”。原先，焊接被定义为“通过熔
融连接金属”，也就是说通过熔化，但这种定义已不在适用。尽管熔融法仍然是最普通的，
却并非总被采用。焊接随后被定义为“借助热量将金属连接”，现在这个定义也不完善。不
仅金属可以焊接，很多塑料也可以。尤其是多种焊接方法并不需要热量。每个机械工都对无
热焊接很熟悉。冷压焊接在某些情况下是很合适的生产焊接方法。除压力焊接外，我们还可
以用声波甚至激光来焊接。面对历年创造的多样化焊接方法，我们必须在这里采用下述焊接
定义：“焊接是金属和塑料不采用紧固件的联接法”。
没有命名焊接的一致方法。许多焊接过程根据热源和保护方法来命名，某些专门的焊接
过程按照形成的联接形式来

命名，例如点焊和对焊。总体的分类不可能考虑这一点，因为同
样的联接可以通过许多焊接过程产生。点焊可借助电阻焊、电弧焊或电子束焊接来完成，而
对焊可以借助电阻焊、闪光焊(火花对焊)、或其它多种方法中的一种产生。
根据金属的种类和所需的强度，可有几种将金属件连接到一起的方法。
软钎焊是通过施加第三种熔化金属来联接两种金属的方法。焊接材料有锡和铅，经常包
含铋和镉来降低熔化点。软钎焊极重要的一项操作是焊接表面的清洁，这可用某种酸来完成。
软钎焊对轻型钢、紫铜或黄铜工件焊接效果令人满意，但软钎焊的强度比硬钎焊、铆接或（常
规）焊接低很多。这些连接金属的方法通常用于高强度的永久联接。
将两块金属焊接在一起的最简单的方法为压焊。用火焰将金属的端部加热到白热状态
—铁的焊接温度应在 1300℃左右。在这个温度下，金属成为塑性状态。然后将端部被挤压
或用锤敲打在一起，再将接头修平。应当注意确保先将表面彻底清洁，否则污物会降低焊接
强度。尤其是铁和钢加热到白热温度时引起氧化，在加热表面形成一层氧化膜。因此，要在
加热表面施加焊剂。在焊接热作用下，焊剂融化，氧化物颗粒和任何其它可能存在的杂质溶
解在焊剂里。金属表面被压在一起，焊剂被挤出焊接中心。可采用几种不同的焊缝，但对相
当厚的金属条，正常地使用 V 型焊缝，它比通常的平焊缝强得多。
按照被焊接金属的种类和形状不同，熔融焊接的热量可由多种方式产生。极热的火焰
可由氧乙炔炬产生。
用电弧来产生热量是最高效的方法之一。大约 50%能量以热能的形式释放。电弧焊利
用电弧产生的热量来熔化被焊接金属件。这是最广泛采用的焊接方法之一，主要是因为易用
用且可经济地获得高产量。当两个导电体，阴极和阳极接触以产生电流然后分开微小距离，
两极之间产生一道电弧。电弧是通过两极间称为等离子体的电离气柱的持续的放电。一般认
为从阴极释放的电子向阳极移动并在运动中加速。当它们以高速撞击阳极时，产生了大量的
热。
焊接者的不懈努力总是要获得和被焊金属本身一样强度的联接并且同时联接处要尽可
能均匀。为此，完全排除有害于焊接质量的氧和其它气体就非常重要。在手工电弧焊中，采
用棒状电极可一定程度上完成这一任务但不完全。在惰性气体保护焊过程中，焊接的同时一
股高压的惰性气体从焊接电极周围流过，将实质上排除焊接金属周围全部的大气而完全保护
它。
电阻焊是一种在联接处同时施加热和压力的熔融焊接，但不采用填料金属

或焊剂。熔化联接
所需的热量通过联接的电阻效应获得，因而取名电阻焊。在电阻焊中，一股低电压(典型 1 V)
但很强的电流(典型 15000 A)以很短的时间流经联接处(典型 0.25 S)。由于联接处的电阻，
这股强电流加热并熔化它。联接处的压力持续作用，联接处的金属在压力下熔融在一起。