1、機械結(jié)構(gòu)是機械功能的載體，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是依據(jù)所確定的功能原理方案設(shè)計出實體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能體現(xiàn)出所要求的功能，用結(jié)構(gòu)設(shè)計圖樣表示。結(jié)構(gòu)圖應(yīng)表示出結(jié)構(gòu)件的形狀、尺寸及所用的材料，同時還必須考慮加工工藝、強度、剛度、精度、壽命、可靠性及零件間的相互關(guān)系，有關(guān)造型設(shè)計及人機工程等問題也應(yīng)在這一階段解決。,第六章機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面內(nèi)容，它們之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別，本章將著重討論零件結(jié)構(gòu)設(shè)計的共性問題。如果說功能原理設(shè)計決定了產(chǎn)品的先進性、新穎性，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計則決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和成本的7080，因此說結(jié)構(gòu)設(shè)計是機械設(shè)計中涉及問題最多，工作量最大的一個環(huán)

2、節(jié)。本章將重點討論結(jié)構(gòu)設(shè)計的共性問題。,第一節(jié)結(jié)構(gòu)件的功用及基本類型零件是構(gòu)成機器的基本元素，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，可以把零件稱為結(jié)構(gòu)件。一、結(jié)構(gòu)件的功用各種結(jié)構(gòu)件具有的功能主要有：承受載荷、傳遞運動和動力、保證或保持有關(guān)零件或部件之間的相對位置或運動軌跡關(guān)系等。1承受載荷正確分析結(jié)構(gòu)件受力的類型、大小、方向及其對結(jié)構(gòu)件工作正常的影響，是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)和保證。,2傳遞運動和動力擺桿3的作用是把運動和動力傳給滑枕2，以便使刨刀1實現(xiàn)直線住復(fù)運動并切下金屬。,軸4和擺桿3都具有傳遞運動的功能。由于摩擦力的存在，它們也承受一定的彎矩和扭矩。,3.保持有關(guān)零部件之間的相對位置或運動軌跡關(guān)系仍以

3、車床為例：車床主軸箱和床身之間應(yīng)有嚴(yán)格的相對位置關(guān)系。即主軸中心線應(yīng)與床身上的導(dǎo)軌平行，保證沿導(dǎo)軌移動的刀架上所裝刀具的尖端走出與主軸軸線平行的軌跡，以車削出準(zhǔn)確的圓柱體。同時，還要求后座頂尖與主軸頂尖的連線與床身導(dǎo)軌平行。要求床身導(dǎo)軌本身要具有相應(yīng)的直線度，受熱、受力變形小等。,4其它功用有些結(jié)構(gòu)件還具有其它些功用，如箱體除了保證各傳動軸的相對位置及其中心距外還起著包容和保護傳動件的作用，還可以盛裝潤滑油。有的結(jié)構(gòu)件還兼有或主要用作防護或裝飾作用，要求具有定的外形及色彩。,二、結(jié)構(gòu)件的分類結(jié)構(gòu)件的形式多種多樣，從不同的角度可以有不同的分類。1）為了設(shè)計、制造和管理上的方便，通常將其分為：蓋盤

4、、軸套、支架、桿件、殼體、箱體和支承件等類別。2）從毛坯工藝角度可分為：鑄造件、焊接件、鍛造件、鉚接或粘結(jié)件等。,三、零件的相關(guān)在機械系統(tǒng)中，各零件通常成鏈狀、樹狀或網(wǎng)狀相互聯(lián)接，構(gòu)成完整的機械網(wǎng)絡(luò)。,說明：1）零件的相關(guān)分為直接相關(guān)和間接相關(guān)兩類：（1）直接相關(guān)：凡是兩零件有直接裝配關(guān)系的。（2）間接相關(guān)：沒有直接裝配關(guān)系的相關(guān)。間接相關(guān)又分為位置相關(guān)和運動相關(guān)兩類：位置相關(guān)是指兩零件在相互位置上有要求。運動相關(guān)是指一零件的運動軌跡與另一零件有關(guān)。要滿足運動相關(guān)條件，一般需要一個或幾個位置相關(guān)的中間件來達到，上例中的床身導(dǎo)軌就是這樣的中間件。,四、零件的結(jié)構(gòu)要素若把零件上與其它零件直接相關(guān)部

5、位稱為工作部分，則多數(shù)零件均由兩個或多個工作部分及聯(lián)結(jié)部分組成，聯(lián)結(jié)部分的作用是把各工作部分聯(lián)結(jié)起來并使它們保持各自的位置，同時也常常起到支承作用。有時，也把用以固定聯(lián)結(jié)的工作部分稱為安裝部分。,圖6-1所示車床中的床腿1是典型的支承件，也稱大件。它的底面是安裝部分，上表面是工作部分作用是支承床身7，而床腿的工作部分恰與床身的安裝部分相聯(lián)結(jié)，因此也具有安裝部分的持點，只是受力比底面小些。床身兩端下表面為安裝部分，床頭上表面及導(dǎo)軌為工作部分，而床頭與主軸箱的聯(lián)結(jié)部分相當(dāng)于安裝部分。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常先確定工作部分，后確定聯(lián)結(jié)部分。工作部分主要考慮工作面的形狀、尺寸、精度、表面質(zhì)量等，而聯(lián)結(jié)部分主要

6、考慮強度、剛度等要求。,第二節(jié)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則和原理一、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基本原則確定和選擇結(jié)構(gòu)方案時應(yīng)遵循三項基本原則：明確、簡單和安全可靠。1明確所謂明確是指對產(chǎn)品設(shè)計中所應(yīng)考慮的問題都應(yīng)在結(jié)構(gòu)方案中獲得明確的體現(xiàn)與分但。,(1)功能明確所選擇結(jié)構(gòu)要達到預(yù)期的功能，每個分功能有確定的結(jié)構(gòu)來承擔(dān)，各部分結(jié)構(gòu)之間有合理的聯(lián)系。要避免冗余結(jié)構(gòu)，盡量減少靜不定結(jié)構(gòu)。在圖6-2(a)中，傳遞轉(zhuǎn)矩是鍵還是圓錐面，零件的軸向定位是軸的臺階面還是圓錐面，兩者均不明確。這是一種功能不明確的結(jié)構(gòu)。圖6-2(b)兩種功能都是由圓錐面承擔(dān)，是一種好結(jié)構(gòu),(2)工作原理明確所選結(jié)構(gòu)的物理作用明確，從而可靠地實現(xiàn)能

7、量流(力流)、物料流和信息流的轉(zhuǎn)換或傳導(dǎo)。,（3)使用工況及承載狀態(tài)明確圖63為組合軸承設(shè)計的兩種方案。圖63(a)設(shè)計者原意是滾針軸承承擔(dān)徑向力，球軸承承受軸向力。圖63(b)徑向力和軸向力承受者都很清楚。圖64受拉焊縫。(a)圖為靜不定結(jié)構(gòu)；(b)圖為合理結(jié)構(gòu)。,2簡單結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單是指整機、部件和零件的結(jié)構(gòu),在滿足總功能前提下，盡量力求結(jié)構(gòu)形狀簡單、零部件數(shù)量少等。零部件數(shù)量少，實質(zhì)是縮短加工、組裝和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低生產(chǎn)成本。在設(shè)計中常采用一個零件擔(dān)任幾種功能的辦法，達到減少零件數(shù)量的目的。如圖6-5吊車軌道，除作導(dǎo)軌用外，還兼作水、空壓、油壓管道的作用，是多功能結(jié)構(gòu)件。,3安全可靠1）

8、機器安全包括4個方面：零件安全主要指在規(guī)定的載荷和規(guī)定時間內(nèi)，零件不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損，不喪失穩(wěn)定性。整機安全指整個技術(shù)系統(tǒng)保證在規(guī)定條件下實現(xiàn)總功能。工作安全對操作人員的防護，保證人身安全和身心健康。環(huán)境安全對技術(shù)系統(tǒng)的周圍環(huán)境和人不造成危害和污染，同時也要保證機器對環(huán)境的適應(yīng)性，如挖掘機對沼澤地工作的適應(yīng)。,2）安全技術(shù)法為了保證安全可靠性，而采取的技術(shù)措施：(1)直接安全技術(shù)法：是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分滿足安全可靠要求，保證在使用中不出現(xiàn)危險。如采用安全銷、安全閥和易損件等。對于可能松脫的零件加以限位，使其不致脫落造成機器事故。如圖67(a)表示螺釘松脫后落入機器內(nèi)，不能工作。圖6

9、7(b)表示螺釘松脫時，受到限位不致掉入系統(tǒng)中。,冗余配置原理當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)生故障或失效對會造成人身安全或重大設(shè)備事故，為了提高可靠性，常采用重復(fù)的備用系統(tǒng)。如飛機發(fā)動機的雙驅(qū)動、三驅(qū)動和副油箱；壓力容器中兩個安全閥；為確保煤礦井下絕對安全，對排水的水泵系統(tǒng)采用兩套或三套配置(一套運轉(zhuǎn)，一套維修，一套備用)。,(2)間接安全技術(shù)法。通過防護系統(tǒng)和保護裝置來實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的安全可靠。其類型是多種多樣的。如液壓回路中的安全閥、電路系統(tǒng)中的保險絲等，都是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)危險或超負(fù)荷時，自行脫離危險狀態(tài)。圖68具有故障顯示正常的精過濾器:液壓回路中，精過濾器芯2被堵時，差壓計1發(fā)出信號，而單向閥3打開，回路仍正

10、常工作。,(3)提示性安全技術(shù)法。既不能直接保證安全可靠，又沒有保護或防護措施，僅能在事故出現(xiàn)以前發(fā)出報警和信號，提醒人們注意，如指示燈，警鈴等。,二、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計原理在結(jié)構(gòu)設(shè)計中常應(yīng)用下述各項原理：1.等強度原理對于同一個零件來說，各處應(yīng)力相等，各處壽命相等，叫等強度。這樣可使結(jié)構(gòu)有相等強度，從而達到充分利用材料，提高經(jīng)濟效益。如圖5-12a)的結(jié)構(gòu)強度不等，而且強度差，b)圖的結(jié)構(gòu)強度不等，c)圖適用于鑄鐵的等強度結(jié)構(gòu)，d)圖適用于鋼的等強度結(jié)構(gòu)。,圖6-9所示為增加約束變形附件以降低高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力的兩個實例。圖中構(gòu)件1為承受載荷的主體構(gòu)件，當(dāng)在結(jié)構(gòu)中增加一個約束變形的輔助構(gòu)件2時，就使構(gòu)件

11、1左半部的應(yīng)力顯著減小，兩部分應(yīng)力趨于均勻。,2.合理力流原理可以認(rèn)為力在其傳遞路線上形成所謂力線，這些力線匯成力流。力在構(gòu)件中的傳遞軌跡就像電場中的電力線、磁場中的磁力線、水流中的流線一樣，按力流路線傳遞。力流密集程度反映力的大小。力線和力流方向用箭頭表示。力線和力流在連續(xù)物體中傳遞，數(shù)量不變，且連續(xù)不斷,力流路線直接、最短原則可以使零件尺寸縮小、節(jié)省材料，變形小，剛度好。固6-11a的力流路線最短，結(jié)構(gòu)尺寸最?。籦的力流路線比圖a的長，故尺寸大。,力流轉(zhuǎn)向平緩原則：當(dāng)結(jié)構(gòu)斷面發(fā)生突然變化，引起力流方向的急劇改變，使得力流密度增加，產(chǎn)生應(yīng)力集中。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)采取措施，使力流方向變化平緩，

12、減小應(yīng)力集中。圖6-13所示為輪轂聯(lián)結(jié)：圖a)力流方向變化急劇，A處應(yīng)力集中;圖b)力流方向變化較平緩，應(yīng)力集中小。,3變形協(xié)調(diào)原理所謂變形協(xié)調(diào)，就是使相聯(lián)接的兩零件在外載荷的作用下所產(chǎn)生的變形的方向相同，并且使其相對變形盡可能小。圖6-12為兩焊接板的變形及應(yīng)力分布。圖a)為一板受拉另一板受壓，兩零件在接縫的上端應(yīng)力集中很大，相對變形大，變形不協(xié)調(diào)，應(yīng)力分布不均勻；圖b)為兩板受拉，相對變形小，符合變形協(xié)調(diào)原理應(yīng)力分布均勻。,4力平衡原理在機器工作時，常產(chǎn)生一些無用的力。如離心慣性力、變速慣性力、斜齒輪的軸向力等，這些力不但增加了軸和軸承等零件的負(fù)荷，降低其精度和壽命，同時也降低了機器的傳動

13、效率。所謂力平衡就是指采取結(jié)構(gòu)措施，部分或全部平衡掉無用的力，以減輕或消除其不良影響。這些結(jié)構(gòu)措施主要有采用平衡元件、采取對稱布置等。,如圖6-30所示為通過人為增加一個偏心來平衡另一個偏心產(chǎn)生的離心力。圖5-30行星輪采用對稱布置，齒輪嚙合產(chǎn)生的徑向力被抵消。,5任務(wù)分配原理分配有三種可能：1）一載體承擔(dān)多種功能：功能集中于一載體，可簡化結(jié)構(gòu)、降低成本；2）一載體承擔(dān)一種功能：功能與載體一一對應(yīng)，便于做到“明確”、“可靠”，便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及準(zhǔn)確計算；3）多載體共同承擔(dān)一種功能：多載體承擔(dān)同一功能可以減輕零件負(fù)載，延長使用壽命。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況進行任務(wù)分配。例如將只靠螺拴預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力

14、來傳遞橫向載荷時，會使螺栓尺寸過大，可通過增加抗剪元件，如銷、套筒和端而鍵等，以分擔(dān)橫向載荷來解決這一問題。,圖52l是三種不同的密封和定位結(jié)構(gòu)，a圖軸承的密封和定位用同一個結(jié)構(gòu)1來完成，需用圓鋼車成，其制造費用高；b圖的密封和定位分別由1擋圈和2軸套承擔(dān)。2可用管料車成，節(jié)約材料減少加工時間；c圖中密封件1為沖壓件，用無屑加工代替有屑加工，確保了密封，大大節(jié)約工時和材料。,6自補償原理通過選擇系統(tǒng)元件及其在系統(tǒng)中的配置來自行實現(xiàn)加強功能的相互支持作用，稱為自補償。自補償在正常情況(額定載荷)下有加強功能、減載和平衡的含義，而在緊急情況(超載)下有自保護和救援的含義。常見的自補償原理應(yīng)用形式有

15、：自增強、自平衡和自保護：1)自增強當(dāng)輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同時，使得總效應(yīng)加強，就是所謂自增強。,在正常工作狀態(tài)下輔助效應(yīng)與初始效應(yīng)的作用方向相同，總效應(yīng)為兩者之和。如圖6-12高壓容器檢查孔蓋的設(shè)計。圖(a)擰緊螺桿，使端蓋2緊貼在密封件3上，形成初始效應(yīng)。工作時間，內(nèi)部高壓P作用在端蓋2上，加強密封效果，產(chǎn)生輔助效應(yīng)。總效應(yīng)是兩者疊加使密封自增強。圖(b)是自損結(jié)構(gòu)。效應(yīng)相互抵消，密封效果不好。,工作時，工件1受到一個F2力，該力使工件與偏心輪之間產(chǎn)生一個使偏心輪順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，該趨勢與Fl力的作用同向。故增大了夾緊力F的作用，且該作用隨著F2的增大而增大。,圖613自增強作用

16、的密封裝置，壓力P使帶錐面圓盤l更緊密地壓在密封2上，這就是利用主參數(shù)壓力P產(chǎn)生了增強密封的輔助作用。,2)自平衡自平衡通常是使正常載荷下的輔助效應(yīng)同初始效應(yīng)相反并達到平衡或部分平衡狀態(tài)，以克服不利影響。,如圖6-15所示。當(dāng)豎軸1的轉(zhuǎn)速升高而超過要求的轉(zhuǎn)速時，重錘2會自動抬起，帶動滑套3和杠桿系統(tǒng)4使閥門5轉(zhuǎn)動以減少蒸汽通過量。從而降低蒸汽機的轉(zhuǎn)速以恢復(fù)到正常值。若杠桿4聯(lián)結(jié)其它機構(gòu)，通過不同原理可調(diào)節(jié)其它機械的轉(zhuǎn)速。,圖614齒泵徑向力平衡。圖(a)為齒輪泵徑向力未平衡狀況，Pl與P1為液壓力，P2與P2為齒輪嚙合力，P和P為主動齒輪軸承和被動齒輪軸承所承受的徑向力。由圖可知，P和P加快了

17、軸承的磨損。圖(b)是徑向力得到平衡，在泵殼或側(cè)板上開有徑向力平衡槽將高壓油引到低壓區(qū)，把低壓油引到高壓區(qū)，,3)自保護超載時，特別是超載有可能反復(fù)出現(xiàn)時，采取自動防止破壞的措施同采取保護性破壞或采用持殊的防護裝置相比更為合理。有時，采取一定的結(jié)構(gòu)措施就可實現(xiàn)自動保護。例如：摩擦離合器中的摩擦片，由于超載而打滑使得離合器輸入和輸出端脫開，停止運動。高壓鍋當(dāng)壓力超過時，易熔塞失效，內(nèi)部壓力減小，保護高壓鍋不受損。,7穩(wěn)定性原理所謂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是指當(dāng)出現(xiàn)干擾，使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的同時，會產(chǎn)生一種與干擾作用相反的、使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的效應(yīng)。,汽缸壓力和作用在活塞桿上的工作抗力對活塞的狀態(tài)的不同影響,圖

18、625是幾種加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的措施：,對于熱膨脹變形而產(chǎn)生的干擾，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取措施，使之消除。如圖626(a)結(jié)構(gòu)，由于軸發(fā)熱伸長，使軸承內(nèi)部的游隙縮小甚至卡死，造成工作不穩(wěn)定；圖(b)則不會。,8、降低噪聲原理根據(jù)我國“工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，生產(chǎn)車間和作業(yè)場地噪聲不得超過85dB(90dB)，機床噪聲應(yīng)小于7585dB，小型電機為5080dB，汽油發(fā)動機為80dB，家用電器如電冰箱應(yīng)控制噪聲小于45dB，而洗衣機噪聲則應(yīng)小于65dB。,第三節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的強度和剛度問題本節(jié)討論如何在較少材料消耗的前提下獲得較高的強度和剛度的問題。一、通過結(jié)構(gòu)設(shè)計降低應(yīng)力減少變形1合理確定截面形狀傳動

19、軸一般采用圓形截面。小直徑：實心軸便于制造；大直徑：常做成空心軸?？招妮S：Ip、Iz大抗彎、抗扭剛度大,直徑D和質(zhì)量m的影響：,1）在截面積相等的情況下，受彎梁的截面在受力方向上尺寸愈大愈好如3號的剛度是l號的25倍；2）質(zhì)量愈向彎曲中性面兩側(cè)分散(即質(zhì)量向受力方向上的上、下兩面集中)愈好，如5號的強度都剛度比3號又有大幅度提高。,2.合理確定軸向尺寸改變截面形狀降低截面上各點的應(yīng)力，可以提高零件本身抗破壞和抗變形的能力，但不能改變其所受彎矩的大小，通過合理地確定零件軸向尺寸可以減少彎矩，從而更為有效地提高強度和剛度。這里所謂軸向尺寸，主要指梁或軸的支承跨距和懸伸長度。,3合理選擇支承形式,6

20、20所示：軸端受力為F，假設(shè)軸承和支座是剛體，則軸本身變形引起軸端位移為f1；若假設(shè)軸為剛體時，由于軸承和支座的彈性變形而引起的軸端位移為f2。而實際上，它們均為彈性體，會同時產(chǎn)生彈性變形，故軸端總位移應(yīng)為上述兩種情況的疊加，即為：fEf1十f2。,分析：由于成本或結(jié)構(gòu)的限制，軸和軸承(包括支座)的剛度都不能無限提高。因此必須合理選擇，以求得最滿意的結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，跨距L和懸伸長度l之比Ll變化時，f1和f2在fE中的比重會隨之變化，如圖62l所示。曲線1和2分別為主軸本身引起的軸端位移和軸承引起的軸端位移Ll變化的函數(shù)曲線，曲線3則為上述兩曲線合成的結(jié)果。fE最佳的問題！,4合理利用材料特性

21、材料的抗彎、抗拉和抗壓特性差別較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分利用這一特點，盡量揚長避短。例如：材料為鋼時應(yīng)盡量用拉、壓代替受彎；材料為鑄鐵時，則考慮用受壓代替受拉或受彎。圖622所示為用三角珩架代替簡支梁；圖623所示為結(jié)構(gòu)和大小完全相同，僅安裝方法不同的兩個鑄鐵托架。顯然圖623b方案合理。,二、改善零件的受力狀況改善零件的受力狀況對提高零件的強度和剛度作用比較明顯，常用的方法有載荷分流、載荷均化和載荷抵消等。這些方法實際上是第六章第二節(jié)所述的合理力流、任務(wù)分配和自補償?shù)仍淼膽?yīng)用。1.載荷分流載荷分流就是將一個較大的或復(fù)合的載荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，從而達到降低應(yīng)力、減小變形的效果

22、。特別適于強度和剛度較弱的零件。如：采用多根v帶、某些機床主軸采用并列的兩個或多個相同的軸承等。如CW6163型臥式車床采用了載荷分流的方法，即用一個徑向軸承和兩個推力軸承分別承受徑向力和兩個方向相反的軸向力。,圖624所示為某車床變速箱輸入軸帶輪卸荷結(jié)構(gòu)。這是一個將不同類型的載荷進行分流的例子。該軸直徑較小且為懸伸軸，故剛度低。采用卸荷結(jié)構(gòu)后，將膠帶的壓軸力通過軸承及軸承座5分流給箱體4，而帶輪3的轉(zhuǎn)矩則通過端蓋2的花鍵孔傳給軸1，故軸1只承受轉(zhuǎn)矩而不承受徑向力減少了彎曲變形。,2載荷均化載荷均化是指將集中成分布不均的載荷變成近似均布的載荷以降低構(gòu)件的最大應(yīng)力。圖示的非對稱布置的減速器中，在

23、力的作用下，由于軸的彎曲使齒輪傾斜，從而導(dǎo)致輪齒沿齒寬方向載荷分布不均，對于重型減速器或齒輪箱尤為突出。若采用b圖的對稱布置形式，則可基本上克服上述缺點。,漸開線齒輪若沿齒寬方向齒厚相同。則嚙合齒沿接觸線長度方向上的數(shù)荷會較多地集中在兩端，圖626a所示。若將輪齒截面修整成鼓形，使端部齒厚較中間部分小2535um，則齒輪工作時靠齒面彈性變形而使載荷分布趨于均勻，如圖626b所示。,當(dāng)螺栓受拉和螺母受壓時，由于螺栓和螺母在旋合段內(nèi)所受軸向力的不同，導(dǎo)致旋合各圈螺紋牙載荷相差很大。圖6-27所示：第1圈牙受力可為第7圈的十幾倍，這對于重載荷或重要部位的螺母是很嚴(yán)重的問題。圖6-28所示為均化螺紋牙

24、載荷的三種螺母結(jié)構(gòu)形式。由圖可見，各結(jié)構(gòu)都在不同程度上減小了牙上的最大載荷，使載荷趨于均勻。,3載荷抵消廣義地講，載荷抵消是設(shè)法在結(jié)構(gòu)上將無用的力或有用的力的不利作用全部或局部抵消。圖6-29為機床主軸上傳動力F2的不同布置形式，圖中FI為切削力。,三、預(yù)加載荷預(yù)加載荷是構(gòu)件在制造或裝配時就被施加一定的載荷使其產(chǎn)生相應(yīng)的塑性變形或彈性變形，從而減小工作應(yīng)力或工作載荷引起的再變形。強化：以減小應(yīng)力為目的的預(yù)加載荷方法稱為強化，強化分彈性強化和塑性強化兩類。預(yù)緊：以提高剛度、減小工作時再變形為目的的頂加載荷方法稱為預(yù)緊。1彈性強化,彈件強化是使構(gòu)件在受工作載荷之前預(yù)受一個與工作載荷相反的載荷，產(chǎn)生

25、一個相應(yīng)的預(yù)變形，以及一個與工作應(yīng)力相反的預(yù)應(yīng)力，工作時該預(yù)加載荷部分地抵消工作載荷，預(yù)變形部分抵消工作變形，從而降低了構(gòu)件的最大應(yīng)力。圖631所示為裝有拉桿的預(yù)應(yīng)力工字梁。,如：加厚壁筒內(nèi)部承受壓力時愈靠近內(nèi)部應(yīng)力愈高，可改為兩個較薄的厚壁筒通過盈配合套裝在一起，使內(nèi)筒和外筒分別產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力和預(yù)拉應(yīng)力減小工作時內(nèi)筒的應(yīng)力。實際上，也可看成是一種應(yīng)力均化的措施。即此時通過外筒的應(yīng)力增大而減小內(nèi)筒的應(yīng)力。,2塑性強化塑性強化是使構(gòu)件在工作狀態(tài)下應(yīng)力最大那部分材料預(yù)先經(jīng)塑性變形而產(chǎn)生一個與工作應(yīng)力符號相反的殘留應(yīng)力，用以部分地抵消工件應(yīng)力。仍以梁為例：給梁預(yù)加一個與工作載荷F同向的預(yù)加藏荷P

26、，P去掉后梁內(nèi)產(chǎn)生殘留應(yīng)力，其分布如圖632a,以扭轉(zhuǎn)為主的軸也可用類似方法進行塑性強化，如圖633：圖633a為預(yù)加的與工作轉(zhuǎn)矩同向的轉(zhuǎn)矩T去掉后軸的殘留應(yīng)力分布情況。塑性強化的特點是預(yù)加載荷與工作載荷方向一致，而且在構(gòu)件工作時預(yù)加數(shù)荷已經(jīng)撤出，靠殘留應(yīng)力而不是靠預(yù)加載荷本身來抵消工作應(yīng)力。故要求材料必須具有足夠的塑性，構(gòu)件的塑性變形量不得超過一定限度。,3.預(yù)緊預(yù)緊是通過一個與工作載荷方向相同的預(yù)加載荷。使零件產(chǎn)生一定的與工作時同方向的彈性變形、以減少工作時的進一步變形，從而提高剛度的有效措施。如：滾動軸承在安裝時預(yù)加一個約等于徑向載荷2030的軸向力，彈性變形增加了接觸面積，各磙子受力也

27、趨于均勻從而提向了軸承的剛度。又如多數(shù)彈簧都預(yù)加了一個初載荷，使其產(chǎn)生定的初始變形以保證其具有足夠的剛度和工作彈力。螺栓在裝配時產(chǎn)生的拉力實際上也是預(yù)加載荷，工作時承受拉力的較長螺栓必須有足夠的預(yù)緊力才能保證被聯(lián)接件的聯(lián)接剛度。預(yù)緊的特點是預(yù)加載荷與工作載荷方向相同，工作時不撤出，因此，工作應(yīng)力不是抵消而是疊加，其目的是提高剛度，而不是減少應(yīng)力，故預(yù)應(yīng)力應(yīng)不超過一定限度。,上述三種預(yù)加載荷方法特點見表63。,四、有關(guān)強度和剛度的其它問題1提高疲勞強度和動剛度提高疲勞強度的措施很多，比較重要的是降低應(yīng)力集中程度應(yīng)特別注意在鉆孔、切槽、過渡圓角及截面急劇變化處的結(jié)構(gòu)，以減小應(yīng)力集中。又如螺紋聯(lián)接中

28、聯(lián)接件和被聯(lián)接件的剛度匹配、降低零件表面的粗糙度、改善零件的尺寸和形狀以及對零件表面進行處理等。提高零件的動剛度可從提高其靜剛度、增加阻尼和調(diào)整固有頻率等方面著手也可以采用各種類型的減震器。,2.提高零件的接觸強度和接觸剛度當(dāng)兩零件的表面為點、線接觸且有法向載荷作用時，雖然因彈性變形可形成小區(qū)域接觸，但因面積很小，應(yīng)力仍很大。合理地確定零件接觸面的結(jié)構(gòu)可以提高接觸強度。(1)增大球面支撐的綜合曲率半徑。R=R1R2/（R1R2）,(2)以面接觸代替線接觸或點接觸圖635a所示為通過中間件A把線接觸改為面接觸的實例。圖635b所示則是增加中間件B將點接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|的實例。,(3)采用變位齒輪傳

29、動提高齒面接觸強度在齒輪傳動中為提高齒面接觸強度可采用變位齒輪。設(shè)計變位齒輪時應(yīng)滿足兩個條件：兩相互嚙合齒輪變位系數(shù)之和最大，以獲得齒面的最大綜合曲率半徑，要保證足夠大的重合度，以使同時嚙合的齒數(shù)不致太少。機器的整體剛度既決定于各零件本身的剛度，又決定于各零件聯(lián)接面之間的接觸剛度，因此，提高接觸剛度也是結(jié)構(gòu)設(shè)計必須注意的問題。,接觸剛度不僅與接觸面的材料、硬度、幾何形狀和尺寸等條件有關(guān)，而且還與接觸面的表面粗糙度、加工方法、幾何精度、相對運動方向、接觸面間的介質(zhì)和預(yù)緊力等因素有關(guān)。目前，還沒有既簡單又準(zhǔn)確的關(guān)于接觸剛度的計算方法。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過限定接觸面的尺寸、幾何形狀誤差和表面粗糙度等以保

30、證表面間的良好接觸，對于用螺釘固定聯(lián)接的表面通過螺釘數(shù)量、分布及控制預(yù)緊力的大小來提高接觸剛度。對于重要的表面可通過合理確定其表面硬度，增加單位面積內(nèi)的接觸點數(shù)等措施進一步提高接觸剛度。必要時，可用模型或?qū)嵨镞M行試驗，以便確定所設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否可滿足接觸剛度或整體剛度的要求。,3.抗疲勞破壞的結(jié)構(gòu)設(shè)計上面所講的都屬于靜強度設(shè)計，而實際設(shè)備的斷裂事故中約80屬于疲勞破壞，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)給予足夠的重視。疲勞破壞是在局部應(yīng)力最高的部位發(fā)生的，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量避免不必要的應(yīng)力集中和設(shè)法減小應(yīng)力集中，為此采取如下措施：,零件的橫截面尺寸和形狀有改變的地方，應(yīng)盡可能用較大的圓角光滑過渡。結(jié)構(gòu)中的各種

31、孔都是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方，應(yīng)合理排列，達到減小峰值應(yīng)力的目的。受拉表面盡量不開缺口。如必須開時，則應(yīng)合理選擇開口形狀，以減小應(yīng)力集中系數(shù)。在應(yīng)力集中部位附近，可開卸載溝槽，以降低峰值應(yīng)力。采用表面強化工藝也可以提高零件的疲勞強度。合理選材，強度高的材料缺口敏感性也高，對疲勞強度不利，這就要求材料有較高的斷裂韌性，而兩者之間是有矛盾的，所以選材要兼顧兩個特性。,采取以上措施，不需要將零部件尺寸加大，最合理的辦法是改進結(jié)構(gòu)，使其應(yīng)力分布合理，或采取強化工藝。表61為結(jié)構(gòu)設(shè)計中降低峰值應(yīng)力，提高疲勞強度的實例。表中(a)圖局部應(yīng)力高、疲勞壽命低；(b)圖降低了局部應(yīng)力，疲勞壽命得到提高。,第四節(jié)支承

32、件的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、支承件的功用類型和基本要求1支承件的功用支承件是機器上大型受力構(gòu)件的總稱，它可以單獨或聯(lián)接起來構(gòu)成機器的主體、基礎(chǔ)或框架等，對其它零件起聯(lián)接、支承或包容作用，以保證零件之間的相對位置或相對運動關(guān)系，并承受其它零件的重力及工作載荷。,2支承件的類型支承件形式可根據(jù)形狀分為三大類型，即梁型、板型和箱型。1）梁型支承件：特點是其某一方向尺寸比其它兩方向尺寸大很多，因此，在分析或計算時可將其簡化為梁，如車床床身、各類立柱、橫梁、伸臂和滑枕等均屬于此類。2）板型支承件：特點是其某一方向尺寸比其它兩方向尺寸小得多，可近似地簡化為板件，如銑床工作臺、鉗工劃線平臺及某些機器較薄的底座等。3）箱

33、體支承件：三個方向的尺寸差不多，可看作箱體件。如減速器或變速箱箱體、銑床的升降臺及組合機床的中間底座等。,3對支承件的要求支承件通常應(yīng)滿足剛度，抗振性、熱穩(wěn)定件及內(nèi)應(yīng)力等方面要求。1)剛度支承件的功用決定了剛度是其最主要的指標(biāo)之一。支承件若受力變形過大，就無法保持相關(guān)零件之間的位置和運動的準(zhǔn)確關(guān)系。2)抗振性支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動的能力。若支承件發(fā)生振動，必然影響到其上安裝的零件特別是精密工作零部件如機床主軸、刀架和量具的測頭等的正常工作：。另外，支承件通常制成中空形式，有的支承件如箱體的壁厚較簿，面積較大，易于產(chǎn)生薄壁振動。因此，抗振性也是支承件主要要求之一。,3)熱穩(wěn)定

34、性機器工作時會有很多熱量傳給支承件，主要有：A）動力源熱：如電動機、內(nèi)燃機和電磁鐵等產(chǎn)生的熱量；B）摩擦熱：如傳動件、軸承、凸輪和離合器等摩擦產(chǎn)生的熱量；C）工藝熱：工藝過程本身如切削、鍛壓、焊接和注塑等產(chǎn)生的熱量；D）物料熱：某些被加工、處理的物熱，如熱鍛毛壞和液態(tài)塑料等的熱量；E）環(huán)境熱：由于工作在高溫地區(qū)或附近有高溫設(shè)備如加熱爐等帶給機器的熱量等等。,影響：支承件的變形會破壞其上相關(guān)零件之間的相對位置或相對運動精度。提高熱穩(wěn)定性，減少熱變形常用方法有：減少熱源、隔熱、散熱、冷卻等，還可通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如合理分配金屬量、用熱變形補償元件、其至用局部加熱等方法使其熱變形均勻。,4)內(nèi)應(yīng)力

35、鑄造、焊接等過程中會有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，而內(nèi)應(yīng)力在經(jīng)過一定時間它的重新分布或逐漸消失會使已加工或已工作的零件產(chǎn)生變形，甚至喪失精度。減少內(nèi)應(yīng)力的方法：A）支承件各部分金屬量應(yīng)盡量分布均勻；B）當(dāng)壁厚差別較大時，應(yīng)在厚、薄壁之間逐漸過渡；C）盡量避免過大的金屬堆積，必要時可在局部作出空腔；D）在鑄鐵中加入鎳和鉻等合金元素不但能減小內(nèi)應(yīng)力，而且可提高構(gòu)件運動表面的耐磨性。5)其它要求設(shè)計中還應(yīng)滿足支承件特定功能的要求，如電器、油箱等的位置和安裝方式；加工余料的排出，冷卻液回收；安裝、吊運的方法及加工工藝性，金屬消耗量等。本節(jié)著重討論支承件的剛度這一最突出的問題。,二、保證支承件剛度的結(jié)構(gòu)措施保證支承件剛

36、度及抗振性的措施主要有：合理確定截面形狀和尺寸，合理布置隔板和加強肋，合理開口和加蓋，提高局部剛度和接觸剛度，增強阻尼以提高抗振性等。1合理確定截面的形狀和尺寸支承件的受力、變形情況很復(fù)雜，而對其影響較大者為彎曲、扭轉(zhuǎn)或者二者的組合。如前所述，截面積相同而形狀不同時，其截面慣性矩和極慣性矩差別很大，因此其抗彎和抗扭剛度差別也很大。表64所列8種截面，其面積均10000mm2，由表中列出的抗彎、抗扭慣性矩的相對值可以看出：1）空心；2）受力方向尺寸大；3）加大外輪廓；4）封閉截面。,2.合理布置隔板和加強肋隔板和加強肋也稱肋板和肋條。合理布置隔板和加強肋通常比增加支承件的壁厚的綜合效果更好。1)

37、隔板隔板實際上是一種內(nèi)壁，它可連接兩個或兩個以上的外壁。對梁形支承件來說，隔板有縱向、橫向和斜向之分。縱向隔板的抗彎效果好，而橫向隔板的抗扭作用大，斜向隔板則介于上述兩者之間。所以應(yīng)根據(jù)支承件的受力特點來選擇隔板類型和布置方式。縱向隔板布置在彎曲平面內(nèi)才能有效地提高抗彎剛度，因為此時隔板的抗彎慣性矩最大。此外、增加橫向隔板還會減小壁的翹曲和截面畸變。,車床車身一般設(shè)計成由前、后兩壁和若干隔板組成。圖a）中采用了T形隔板，主要用于提高水平面內(nèi)抗彎剛度，其結(jié)構(gòu)簡單、鑄造工藝性好。圖b）為形隔板，在垂直平面內(nèi)和水平面內(nèi)的抗彎剛度都比T形隔板好，鑄造工藝也較好。圖c）隔板呈連續(xù)的w形，能較大地提高水平

38、面的抗彎、抗扭剛度。但鑄造工藝性較差。圖d）所示為對角縱向隔板與三角形隔板的組臺形式，既提高了床身的剛度，又解決了排屑問題，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、工藝性較差。,636a中采用了T形隔板，主要用于提高水平面內(nèi)抗彎剛度，其結(jié)構(gòu)簡單、鑄造工藝性好，通常用于剛度要求不高的車床上。圖636b為形隔板，這種隔板在垂直乎面內(nèi)和水平面內(nèi)的抗彎剛度都比T形隔板好，鑄造工藝也較好，多用在大、中型車床床身上。圖636c隔板呈連續(xù)的w形該形式能較大地提高水平面的抗彎、抗扭剛度，對中心距超過1500mm的長床身效果尤為顯著。但鑄造工藝性較差，故在較短床身上一般不用。圖636d所示為對角縱向隔板與三角形隔板的組臺形式，既提高了

39、床身的剛度，又解決了排屑問題，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、工藝性較差。,2)加強肋加強肋的作用主要在于提高外壁的局部剛度，以減小其局部變形和薄壁振動。一般布置在壁的內(nèi)側(cè)。圖6-37為加強肋的幾種常見形式，其中：圖a用于加強導(dǎo)軌的剛度；圖b用于提高軸承座的剛度；其余3種則用于壁板面積大于400mm400mm的構(gòu)件，以防止產(chǎn)生薄壁振動和局部變形。其中，圖c的結(jié)構(gòu)最簡單、工藝性最好，但剛度也最低、可用于較窄或受力較小的板形支承件上，圖d的結(jié)構(gòu)剛度最高但鑄造工藝件差，需要幾種不同泥芯，成本較高；圖e結(jié)構(gòu)居于上述兩者之間。常見的還有米字形和蜂窩形肋，剛度更高，工藝性也更差，僅用于非常重要的支承件上。肋的高度一般可取

40、為壁厚的45倍，肋的厚度可取為壁厚的0.8倍左右。,3合理開孔和加蓋支承件壁上開孔會降低剛度，但因結(jié)構(gòu)和工藝要求常常需要開孔。當(dāng)開孔面積小于所在壁面積的0.2時，對剛度影響較??；當(dāng)大于0.2時，扭轉(zhuǎn)剛度降低很多。故孔寬或孔徑以不大于壁寬的14為宜且應(yīng)開在支承件壁的幾何中心附近或中心線附近。開孔對抗彎剛度影響較小，若加蓋且擰緊螺拴，抗彎剛度可接近未開蓋的水平，且嵌入蓋比覆蓋蓋效果更好。扭轉(zhuǎn)剛度在加蓋后可恢復(fù)到原來的35一41左右。4提高局部剛度和接觸剛度所謂局部剛度是指支承件上與其它零件或地基相聯(lián)部分的剛度。當(dāng)為凸緣聯(lián)接時，其局部剛度主要取決于凸緣剛度、螺栓剛度和接觸剛度；當(dāng)為導(dǎo)執(zhí)聯(lián)接時，則主要

41、反映在導(dǎo)軌與本體聯(lián)接處的剛度上。,用螺栓聯(lián)接時，聯(lián)接部分可有不同形式，如圖638所示。其中圖a）的結(jié)構(gòu)簡單，但局部剛度差為提高局部剛度，可采用圖638b或圖638c的結(jié)構(gòu)形式。,圖6-39a所示為車床床身，其導(dǎo)軌與本體連接剛度較差，若在局部加肋，如圖s39b所示，則可提高剛度。圖639c為龍門刨床床身，其V形導(dǎo)軌處的局部剛度低，若改為如圖639d所示的結(jié)構(gòu)，即加一縱向肋板，則剛度得到提高。,5增加阻尼以提高抗振性增加阻尼可以提高抗振性。鑄鐵材料的阻尼比鋼的大。在鑄造的支承件中保留砂芯，在焊接件中填充砂子或混凝土，均可增加阻尼。圖640所示為某車床床身有無砂芯兩種情況下固有頻率和阻尼的比較。由圖

42、可見，雖然二者的固有頻率相差不多，但由于砂芯的吸振作用使阻尼增大很多，從而提高了床身的抗振性。其不足之處是增加了床身的重量。,第五節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的工藝問題一個機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，可從兩個方面考慮：首先是對該結(jié)構(gòu)要求實現(xiàn)的功能是否能充分地體現(xiàn)出來，其次是能否經(jīng)濟地加工安裝，即工藝性是否好。這種對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能綜合地考慮和處理制造、裝配、使用、維修等方面的各種技術(shù)問題，稱為結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝性。設(shè)計工藝性涉及的面很廣，從機器的總布局到零部件的結(jié)構(gòu)，從零件所用的材料到他們的毛坯選定，從制造工藝到運轉(zhuǎn)維護等，都有不少問題需在設(shè)計階段應(yīng)給以正確的考慮和處理。以一個零件而言，其尺寸決不是只通過計算就能確定的。實際

43、上，計算出來的數(shù)據(jù)往往要在考慮工藝性時作些修改。計算的目的主要是判明多大的尺寸才能滿足強度、剛度和壽命等要求，而最終的零件結(jié)構(gòu)，必須考慮工藝性后才能確定下來，該零件的毛坯如用鑄件，還得考慮鑄造工藝性，若用焊接件就得考慮焊接結(jié)構(gòu)工藝性等。,一般零件的毛坯由以下方式獲得：型鋼切割或鑄造、焊接和鍛造等。批量小的零件可用鍛造、焊接(大件)方法獲得毛坯；批量大的可用鑄造或精鍛方法獲得零件的毛坯。新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷產(chǎn)生也促進了結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷變化。精密鑄造、精密鍛造、精密沖壓、擠壓、軋制成形和粉末冶金等工藝，使毛坯趨近于成品；真空技術(shù)、離子氮化和鍍、滲工藝等在熱處理中的應(yīng)用，大大改善了零件的表面質(zhì)量

44、，在加工中，電火花、電解、激光、電子束和超聲加工等工藝的發(fā)展，使難加工的材料、復(fù)雜形面、精密微孔等的加工變得較為容易和方便。這些都為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了方便的條件。,一、機械加工的工藝性機械加工的工藝性可按表65所示的四個原則來考慮：,二、零件裝配的工藝性零件裝配的工藝性可以按表66所示原則來描述：,三、鑄件及焊接件設(shè)計準(zhǔn)則鑄件：用于形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，要求在轉(zhuǎn)折處有圓弧或斜坡等形狀。焊接件：用于由簡單的幾何面(平面或圓柱面等)結(jié)合而成的構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)具有薄板、長桿及大平板等特點。焊接件結(jié)構(gòu)變形比鑄造件嚴(yán)重，因此重要的焊接部件，如變速箱箱體，需要經(jīng)過回火消除內(nèi)應(yīng)力后再進行機械加工。不論鑄件或焊接件，都要經(jīng)

45、過時效處理消除內(nèi)應(yīng)力。一般機床床身是用鑄造件，但有時一些重型機械的機身、機匣架及框架等巨大的零件如果結(jié)構(gòu)簡單，也可以用焊接件。,（一）常有的鑄造方法及特點鑄件是由液態(tài)金屬在型腔內(nèi)成形的，其形狀和大小幾乎不受限制，可獲得形狀復(fù)雜的毛坯，而又易于大批量生產(chǎn)，在機械制造中使用得最多，約占機器總重量的5080。由于鑄件在冷卻過程中內(nèi)部冷卻速度不同，會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，故所有的鑄件均應(yīng)經(jīng)過時效處理消除內(nèi)應(yīng)力。常有的鑄造方法及特點見表62：,(二)鑄造件的工藝性1、鑄造工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求,(1)造型方法盡量采用整體模在平板上使用二箱造型。如圖614(a)所示，改進前鑄件是三箱造型，改成圖(b)后成為兩箱造型，

46、減少了分型面，簡化了造型工藝過程。(2)拔模斜度為起模方便，應(yīng)流有拔模斜度。如圖615(a)無拔模斜度。由圖(b)內(nèi)、外腔在起模方向均有。,(3)鑄件的內(nèi)腔利用型芯可以鑄出形狀極為復(fù)雜的鑄件內(nèi)腔，但生產(chǎn)成本會明顯地增加，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量不用或少用型芯。（4）鑄件壁不宜過厚，尤應(yīng)避免局部材料積聚，形成過大熱節(jié)、以致產(chǎn)生較大的鑄造應(yīng)力，使該處出現(xiàn)裂紋和縮孔等缺陷。圖617(a)為鑄件改進前的設(shè)計方案，出現(xiàn)很大的熱節(jié)；圖(b)為改進后的結(jié)構(gòu)，消除了熱節(jié)。,(5)鑄造內(nèi)、外圓角鑄件兩壁相連的內(nèi)側(cè)如不用內(nèi)圓角，則尖角處容易開裂，且澆注和清砂均困難。鑄件兩壁相連的外側(cè)如不用外圓角，會在直角部位集中很

47、多雜質(zhì)造成薄弱環(huán)節(jié)，不僅不美觀，還容易傷人。常用鑄造內(nèi)、外圓角半徑尺寸規(guī)范均可查機械設(shè)計手冊。,2、總之，鑄件的工藝性可按便于造型等原則來考慮，表67所示。,(三)焊接件結(jié)構(gòu)設(shè)計的工藝性焊接件的靈活運用可替代部分鑄件和鍛件，其適用于單件、小批量或大型部件的生產(chǎn)制造，故應(yīng)用面越來越廣。一般焊接后都要對焊接件進行消除殘余應(yīng)力處理。1焊接材料的選擇在滿足工作性能要求的前提下，應(yīng)選用可焊性較好的材料來制造焊接結(jié)構(gòu)件。最常見的是鋼材焊接，含碳量低的材料可焊性好。圖618為幾種鋼材的可焊性比較及可焊性與含碳量的關(guān)系。,焊接結(jié)構(gòu)件的金屬材料最好采用相等的厚度，這樣容易獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。如果接頭兩側(cè)的材料厚

48、度相差較大，則接頭處會造成應(yīng)力集中，而且由于接頭兩邊熱容量不等，容易產(chǎn)生焊接缺陷。圖619為不等厚金屑材料焊接時的接頭過渡形式。,2焊縫的布置焊接結(jié)構(gòu)件中的焊縫布置與產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率、工人勞動條件等都密切相關(guān)。一般焊縫形式如下：焊縫的布置應(yīng)盡可能分散。焊縫集中和重疊，會造成金屬的嚴(yán)重過熱，使組織惡化，機械性能下降。所以兩條平行的焊縫，一般要求相距l(xiāng)00mm以上。焊縫的位置應(yīng)盡可能對稱。焊縫位置對稱的優(yōu)點是焊縫冷卻后收縮，由于焊縫位置對稱，所以結(jié)構(gòu)件整體變形最小。焊縫應(yīng)盡可能避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置。對于受重載的結(jié)構(gòu)件、高壓容器等，在最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置上不應(yīng)設(shè)置焊縫。例如焊接大跨距的鋼

49、梁，如果原材料長度不夠，則寧可增加一條焊縫，以便使焊縫避開最大應(yīng)力的地方，如圖620(b)所示。壓力容器的封頭一般都設(shè)計成圖620(d)所示的形狀，使焊縫避開應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角位置。,處理好焊縫位置與加工面的關(guān)系。設(shè)計焊縫時要注意，不要讓焊縫被切削，以免影響焊縫強度。對于精度要求較高的焊接件，應(yīng)在全部焊成之后進行退火，然后進行機械加工，免除焊接變形的影響。對有些情況，焊接部件必須加工好之后再進行焊接，則焊縫的位置應(yīng)該離已加工表面盡可能遠(yuǎn)一點。在粗糙度要求較高的加工表面上，不要設(shè)置焊縫。因為不僅焊縫中有可能存在著某些缺陷，而且焊縫的組織與母材的組織有明顯的差別，加工后不能均勻地達到較高粗糙度的要求。

50、,焊縫位置應(yīng)考慮到焊接操作方便。焊縫位置應(yīng)考慮到焊接操作空間，內(nèi)側(cè)焊縫也能伸入焊條。焊縫的布置應(yīng)盡量能在水平位置上進行焊接，同時要減少或避免工件翻轉(zhuǎn)。良好的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，還應(yīng)盡量使全部焊接件(至少是主要部件)能在焊接前一次裝配點固，以簡化焊接工序，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。,2、焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，除應(yīng)當(dāng)正確選擇焊縫形式外，還應(yīng)注意表68所示的幾個方面。,四、鍛件的結(jié)構(gòu)設(shè)計許多零件要用鍛造毛坯，鍛件的機械性能比鑄件好，鍛件一般都要經(jīng)過機械加工，所以鍛件既要滿足切削加工工藝要求，又要滿足鍛造工藝要求。對鍛件結(jié)構(gòu)形狀影響最大的是鍛造工藝。1常用的鍛造方法自由鍛。自由鍛是在鍛錘或液壓機上進行的，鍛件重可達

51、150t以上，不使用特殊的模具只能鍛出簡單形狀、精度低、表面狀態(tài)差用于單件或小批量生產(chǎn)。這類零件都需要切削加工，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要考慮其切削加工工藝性，同時為了減少鍛造困難，不要過分增大余量和加工量，零件的形狀應(yīng)盡量簡單，用自由鍛的方法難以鍛出錐度、斜面、加強筋、工字型截面和其他復(fù)雜形狀。,模鍛。胎模鍛造是用簡單的模鍛工具在鍛錘或自由鍛壓機上鍛造，鍛件形狀接近零件形狀、精度比自由鍛好，適用小批量生產(chǎn)。錘上模鍛是用模鍛錘或無砧模鍛錘進行鍛造，鍛件形狀和精度比胎模鍛好，用于中批量生產(chǎn)。壓力機上模鍛及平鍛機上模鍛鍛件精度及形狀復(fù)雜程度都比較高，但設(shè)備較昂貴，用于大批量生產(chǎn)。平鍛機上頂鍛。用平鍛機頂鍛

52、，鍛件為實心或空心桿形零件，尺寸精確、精度較高。生產(chǎn)率高，用于大批量生產(chǎn)。非回轉(zhuǎn)體及中心不對稱的鍛件，一般不適宜在平鍛機上模鍛。精密鍛造。可鍛出形狀復(fù)雜少切削甚至無切削的大小鍛件。如燃?xì)廨啓C的葉片、閥門殼體、圓錐齒輪、階梯軸等。適用于大批量生產(chǎn)。,2鍛造件結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則盡可能避免鍛件截面積變化太大，又要與切削加工后的零件形狀接近，減少切削加工余量。盡可能使工件在模具平面上下對稱，模腔深度較淺或凸起部分兩邊的斜度對稱，以便簡化模具制造。當(dāng)鍛件比較復(fù)雜、難于鍛造時，可分成幾個形狀比較簡單的部分，鍛出后組合或焊接起來。在零件與分模面垂直的壁，要留有撥模斜度，鍛件上所有的銳角銳棱都應(yīng)代以圓弧。,第六節(jié)材

53、料的選擇一、材料選擇應(yīng)注意的主要問題針對具體的應(yīng)用條件選擇合適的機械零件材料時，需要考慮的主要問題有三：所選材料的特性和在承載或溫度或其它環(huán)境因素變化條件下的行為能否滿足零件在工作時所遇到的各種情況下的要求，包括使用壽命方面的要求，這是材料的工作能力，常常表現(xiàn)為承載能力的問題；所選材料是否容易加工，適合所設(shè)計的零件的可能的加工條件，這是材料的加工工藝性能問題；用所選材料制成的零件，其材料費和由材料引出的加工費是否較低而在零件成本中占的百分?jǐn)?shù)比較合理，這是材料的經(jīng)濟性問題。,()材料的工作能力問題1、不同零件所要求的材料使用主要有：強度、剛度、耐磨性、美觀的要求。2、選材時首要任務(wù)：準(zhǔn)確地判斷零

54、件所要求的主要使用性能。3、零件工作情況、工作條件的分析：1）分析零件工作所承受載荷的類型、大小、方向，以及隨時間的變化，包括沖擊性載荷與振動載荷等；2）摸清由載荷引起的零件內(nèi)力反應(yīng)，變形和應(yīng)力，以及它們的分布與集中情況等。在此基礎(chǔ)上分析零件可能的失效形式，并從防止失效出發(fā)，明確對材料使用性能的要求。3）零件的工作環(huán)境因素，如溫度和介質(zhì)的性質(zhì)(如鹽霧)和對材料的特殊性能。如絕緣性、導(dǎo)電性、磁性、導(dǎo)熱性、熱膨脹特性等的要求，也是選擇零件材料時的重要使用性能依據(jù)。,(二)材料的工藝性能的問題選擇零件的材料時，對材料的工藝性能要比使用性能處于次要地位但也是個重要的考慮因素它關(guān)系列零件的制造是否可能、

55、難易和經(jīng)濟。金屬零件的工藝路線大體分為三類：1力學(xué)性能要求不高的一般零件毛坯正火或退火機械加工零件。毛坯一般用鑄鐵或碳鋼。如果采用型材直接加工成零件，則因材料出廠前已經(jīng)過退火及正火，就不必再經(jīng)過熱處理了。這類零件由于對力學(xué)性能要求不高，一般用比較普通的材料，其加工性能都很好。,2力學(xué)性能要求較高的一般零件毛坯正火或退火粗加工最后熱處理(淬火、回火或滲碳處理等)精加工預(yù)先熱處理中的正火(低、中碳鋼)或退火(中、高碳鋼)的主要作用是消除組織缺陷和改善機械加工性能，例如各種合金鋼、高強度合金制造的齒輪軸等均采用這種工藝。3要求較高的精密零件這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要求有相當(dāng)高的尺寸精度

56、和較低的表面粗糙度。由于加工工藝一般比較復(fù)雜，性能與尺寸要求很高，零件所用材料的工藝性能應(yīng)充分保證。,此外，選擇材料時，根據(jù)毛坯制造工藝要考慮材料的鍛造性能、鑄造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要選用低碳鋼。以上以金屬材料為例的注意各項，對塑料等材料的選用也是基本適用的。(三)材料的經(jīng)濟性問題材料的經(jīng)濟性不僅是指材料本身價格應(yīng)便宜，更重要的是采用所選用的材料來制造零件時。有助于產(chǎn)品的總成本降至最低，同時所選材料應(yīng)符合國家資源狀況和供應(yīng)情況等。,二、常用材料機械結(jié)構(gòu)常用材料有鑄鋼、鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵、有色金屬、非金屬材料和復(fù)合材料等。1、鑄鋼鑄鋼主要用于制造承受重載的大型零件。由于內(nèi)部組織不

57、如軋制或鍛造鋼件，其強度略低于普通鍛鋼但其杭彎強度約為灰鑄鐵的二倍，抗壓強度相當(dāng)，抗扭強度約高50其減震性和減摩性均較灰鑄鐵略差。目前大都采用正火、回火作為最終熱處理。按用途可分為一般用途的普通碳素鑄鋼、低合金鑄鋼、耐腐蝕鑄鋼和耐熱鑄鋼等特殊用途鑄鋼。其中碳素鑄鋼應(yīng)用最廣，占鑄鋼總產(chǎn)量的80以上。低碳素鑄鋼有良好的導(dǎo)磁性，常用于鑄造電磁吸盤和電機殼體以及各種形狀的機件，如機座、變速箱殼等。中碳素鑄鋼的綜合的機械性能比較全面，廣泛應(yīng)用于鑄造重要的機械零件如軋鋼機機架、機車車架、重型齒輪、聯(lián)軸器等。高碳素鑄鋼因韌性較差，很少應(yīng)用。,不銹耐酸鑄鋼可用于石油、化工、原子能工業(yè)中的流體機械的零件，如泵殼

58、、閥、葉輪、水輪機轉(zhuǎn)輪或葉片、螺旋槳、離心鑄件等。一般工程用國產(chǎn)鑄鋼有五種牌號，其力學(xué)性能見表6l6,2、鋼鋼是機器制造中用得最廣泛的材料，常用的鋼材有碳素鋼、合金鋼，品種較多。選擇鋼材時，除了零件的使用要求外，還必須考慮材料的熱處理性能和機械加工性能。1）鋼的分類：在碳素鋼的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同要求再加人各種元素如Ni，Cr，Mo，W，V，Ti，B等，以改善各種性能，例如提高淬透性、耐磨性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌性和高溫強度等。,常根據(jù)合金元素含量的多少，把合金鋼分為：低合金鋼（5，中合金鋼(5一10)，以及高合金鋼(10)。也可按用途分：合金結(jié)構(gòu)鋼。這類鋼含碳量低，含合金元素不超過5，有良好的

59、韌性和可焊性，適合橋梁，船舶、車輛、鍋爐、壓力容器、起重機等用。而在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上增加某些元素而成的合金結(jié)構(gòu)鋼能制造重要的機械零件，常用的有20Cr40Cr，35CrMo，18CrMnTi，40CrNiMo等可用于各類軸、齒輪、活塞銷等零件。這類零件都必須進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?、才能達到所需的機械性能。合金工具鋼。這類鋼主要用于制造刀具、量具和模具。特殊性能合金鋼。這類鋼具有特殊的物理化學(xué)性能，如耐磨、耐蝕、導(dǎo)磁、抗磁等。ZGMn13是著名的耐磨鋼，用于回旋破碎機主軸，掘土機鏟齒、拖拉機履帶等零件。,例如：工具鋼中的刃具鋼：刃具鋼用于在工作中受到很大的切削力、摩擦與切削熱作用的產(chǎn)品，因而要具備高的硬度(60HRC以上)、耐磨性和高的熱硬性，還應(yīng)有足夠的強度和韌性，以防斷裂或崩刃。根據(jù)化學(xué)成分，刃具鋼可分為碳素工具鋼、低合金刃具鋼及高速鋼三類。A）碳素工具鋼含碳量在0