精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第8章

1、1 儀器設(shè)計(jì)概述1、功能要求2、可靠性要求3、精度要求4、經(jīng)濟(jì)性要求5、外觀要求6、其他特殊要求 第八章 精密機(jī)械設(shè)計(jì)概論一 機(jī)器設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：產(chǎn)品是否具有創(chuàng)新性，很大程度上取決于原理方案設(shè)計(jì)調(diào)查研究 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 原理方案設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)試制、批量生產(chǎn)、銷售 可行性報(bào)告設(shè)計(jì)任務(wù)書原理方案圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 總裝配圖部裝圖、零件圖技術(shù)文檔二、精密機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過程設(shè)計(jì)任務(wù)機(jī)械零件由于某種原因不能正常工作的現(xiàn)象。在不發(fā)生失效的條件下,零件所能安全 工作的限度失效工作能力承載能力對載荷而言2 精密機(jī)械零件的強(qiáng)度 機(jī)械零件設(shè)計(jì)的計(jì)算準(zhǔn)則： 計(jì)算量許用量 例如： 強(qiáng)度判定條件： 工作應(yīng)力許用應(yīng)力

2、 剛度判定條件： 變形量許用變形量 強(qiáng)度工作應(yīng)力許用應(yīng)力載荷：作用在零件上的外力或外力矩。載荷的類型： 名義載荷計(jì)算載荷：計(jì)算載荷=載荷系數(shù)K名義載荷 應(yīng)力：靜載荷變載荷動(dòng)載荷抵抗斷裂和殘余變形的能力 K1.21.5 正應(yīng)力：剪應(yīng)力：工作載荷：計(jì)算準(zhǔn)則 :應(yīng)力 靜應(yīng)力變應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力不穩(wěn)定變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力 一 、應(yīng)力的種類 二、 零件的整體強(qiáng)度: 計(jì)算準(zhǔn)則 : 工作應(yīng)力許用應(yīng)力1.靜應(yīng)力下的強(qiáng)度 整體斷裂(脆性材料) 過大的殘余變形 （塑性材料)失效形式 塑性材料 脆性材料 lim=S （屈服極限） lim=B （強(qiáng)度極限）許用應(yīng)力 失效形

3、式:疲勞斷裂(塑、脆性材料) 2.變應(yīng)力下的強(qiáng)度 疲勞斷裂與靜力斷裂不同,它與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān). =r /S ；=r/S 疲勞極限 = ?sN疲勞曲線 機(jī)械零件的疲勞大多發(fā)生在N曲線的CD段，D點(diǎn)以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū). sN疲勞曲線 疲勞曲線 由于ND很大，所以在作疲勞試驗(yàn)時(shí)，常規(guī)定一個(gè)循環(huán)次N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用N0及其相對應(yīng)的疲勞極限r(nóng)來近似代表ND和 r，于是有：有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限r(nóng)N的關(guān)系為：式中: r、N0及m的值由材料試驗(yàn)確定。 sN疲勞曲線N0NNrrN無限壽命區(qū)有限壽命區(qū)應(yīng)力疲勞曲線 mrN N=mrN0=Cm許用應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化

4、時(shí)，許用應(yīng)力為 當(dāng)應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，許用應(yīng)力為安全系數(shù) （查表選?。㏒ = S1S2S3。式中，S1考慮載荷及應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性；S2考慮材料機(jī)械性能的均勻性；S3考慮零件的重要性。 三、 機(jī)械零件的表面強(qiáng)度(接觸強(qiáng)度)失效形式：疲勞點(diǎn)蝕 機(jī)械零件在載荷重復(fù)作用下，首先在表層內(nèi)產(chǎn)生初始疲勞裂紋，然后裂紋逐漸擴(kuò)展，（如有潤滑油，則被擠進(jìn)裂紋中產(chǎn)生高壓，使裂紋加快擴(kuò)展）最終使表層金屬呈小片狀剝落下來，而在零件表面形成一些小坑，這種現(xiàn)象稱為疲勞點(diǎn)蝕。1.表面接觸強(qiáng)度 接觸應(yīng)力的計(jì)算 由彈性力學(xué)知，當(dāng)兩個(gè)軸線平行的圓柱體相互接觸并受壓時(shí)，其接觸面積為一狹長矩形，最大接觸應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)中線上，其值為

5、: 當(dāng)兩零件以點(diǎn)、線相接觸時(shí)，其接觸的局部會(huì)引起較大的應(yīng)力。這局部的應(yīng)力稱為接觸應(yīng)力。接觸應(yīng)力的特點(diǎn)是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。 式中1和2 分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑, 其中正號用于外接觸，負(fù)號用于內(nèi)接觸。對于線接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計(jì)算 接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算準(zhǔn)則 影響接觸疲勞強(qiáng)度的因素 2.表面磨損強(qiáng)度 磨損：運(yùn)動(dòng)副中，摩擦表面物質(zhì)不斷損失的現(xiàn)象（零件表面破壞）耐磨性：零件抗磨損的能力 計(jì)算準(zhǔn)則 在預(yù)定使用期限內(nèi)，零件的磨損量不超過允許值。 零件磨損的三個(gè)階段跑合磨損階段穩(wěn)定磨損階段劇烈磨損階段 影響磨損的因素 載荷的大小和性質(zhì)、滑動(dòng)速度、 潤滑劑的化學(xué)性

6、質(zhì)和物理性質(zhì)等；四.剛度：材料抵抗彈性變形的能力失效形式：過大的彈性變形典型零部件：軸、蝸桿等計(jì)算準(zhǔn)則： 彎曲剛度：撓度條件： y y 傾角條件： 扭曲剛度：扭角條件： j j 實(shí)際變形量許用變形量五、振動(dòng)穩(wěn)定性共振：振動(dòng)穩(wěn)定性：機(jī)器工作時(shí)振幅不能超過許可值振動(dòng)穩(wěn)定性準(zhǔn)則：針對失效形式：共振產(chǎn)生的工作失常典型零部件：軸等 0.85f fp 或 1.15ffp 應(yīng)力的種類 應(yīng)力的種類 3 機(jī)械零件的常用材料及鋼的熱處理 1、黑色金屬 鑄鐵：含碳量2， 灰鑄鐵，可鍛鑄鐵，球墨鑄鐵。 鋼：含碳量2（碳素鋼、合金鋼、鑄鋼） 合金鋼：加入合金元素 2、 有色金屬 銅(黃銅、青銅 )、鉛、錳等。 3、非金

7、屬 橡膠 、工程塑料 、人工合成礦物等 4、復(fù)合材料 一、機(jī)械零件的常用材料 金屬材料的力學(xué)性能應(yīng)力極限：1、比例極限p 3、強(qiáng)度極限B低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線力學(xué)性能指標(biāo)強(qiáng)度塑性硬度沖擊韌性 2、屈服極限s強(qiáng)度1彈性階段 (oa段) 2. 屈服階段 (ab段) 3.強(qiáng)化階段 (bd段) 塑性： 伸長率； 斷面收縮率 材料的和值越大，塑性越好。 5 塑性材料 5 脆性材料常用的硬度指標(biāo)：布氏硬度（HBS）硬度機(jī)壓頭為淬火鋼球，不能測太硬的材料，一般HBS450洛氏硬度 （HRC、HRB、HRA）120金剛石錐體，載荷分別為150kgf,、100kgf 、60kgf維氏硬度 （HV）136 金剛石四

8、角錐體，載荷小，5-30kgf硬度 硬度， 強(qiáng)度、耐磨性，但塑性沖擊韌性 彈性能，材料的韌性越好。金屬材料在加工和使用過程中，其力學(xué)性能受多種因素影響： 1.含碳量的影響 2.合金元素的影響 3.溫度的影響 4.熱處理工藝的影響常用的工程材料二、鋼的熱處理 目的: 1.改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu) 提高材料力學(xué)性能 2.消除內(nèi)應(yīng)力(加工,熱處理) 方法:退火、正火、淬火、回火、表面熱處理一、普通熱處理1.退火 降低硬度、提高韌性、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力、改善切削性能2.正火 用于處理低中碳鋼，代替低中碳鋼的退火。提高硬度，增加韌性， 易于切削，消除內(nèi)應(yīng)力(不如退火)3.淬火（蘸火） 提高硬度和耐磨性、但內(nèi)應(yīng)力增大，會(huì)發(fā)脆，應(yīng)再回火4.回火 消除淬火后的內(nèi)應(yīng)力，以獲得零件所需的性能，提高韌性正火(空冷)退火(爐冷)回火加熱保溫 淬火時(shí)間溫度 低溫回火：高強(qiáng)度、高硬度及良好的耐磨性、內(nèi)應(yīng)力及 脆性均, 刀具 中溫回火：高彈性、硬度中等、內(nèi)應(yīng)力及脆性均較大, 彈簧 高溫回火：強(qiáng)度、塑性、韌性都較好（綜合力學(xué)性能較好） 硬度較低 ，結(jié)構(gòu)件 (調(diào)質(zhì)淬火+高溫回火)表面硬度及耐磨性芯部韌性不變表面高硬度、耐磨性好,芯部韌性、塑性較好表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性、疲