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機械零件設計

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目錄

什麼是機械零件設計

  機械零件設計是從機器的工作原理、承載能力、構造和維護等方面研究通用機械零件的設計問題,其中包括如何合理確定零件的形狀和尺寸、如何合理選擇零件的材料以及如何使零件具有良好的工藝性等。

機械零件設計的基本要求[1]

  零件是組成機器的基本單元,要使所設計的機器滿足基本使用要求,就必須使組成機器的零件滿足以下要求。

  1.避免在預定壽命期內失效的要求

  在預定壽命期內不失效的要求包括三方面:強度、剛度、壽命。

  (1)強度

  零件在工作中發生斷裂、磨損或不允許的變形統屬強度不足。上述失效形式,除了用於安全裝置中預定適時破壞的零件外,對任何零件都是應當避免的。因此保證零件有足夠的強度,是機器正常工作的一個基本要求。

  為了提高機械零件的強度,在設計時原則上可以採用以下的措施:採用強度高的材料;使零件具有足夠的截面尺寸;合理地設計零件的截面形狀,以增大截面的慣性矩;採用熱處理和化學熱處理方法,以提高材料的力學性能;提高運動零件的製造精度,以降低工作時的動載荷;合理地配置機器中各零件的相互位置,以降低作用於零件上的載荷等。

  (2)剛度

  零件在工作時所產生的彈性變形不超過允許的限度,就叫做滿足了剛度要求。對於彈性變形過大就要影響機器工作性能的零件,設計時除了要作強度計算外,還必須作剛度計算。

  為了提高零件的整體剛度,可採取如下措施:增大零件截面尺寸或增大截面的慣性矩;縮短支承跨距或採用多支點結構,以減小撓曲變形等。

  (3)壽命

  有的零件在工作初期雖然能夠滿足各種要求,但在工作一定時間後,卻可能由於某些原因而失效。這個零件正常工作延續的時間就叫零件的壽命。

  零件壽命是決定機器壽命的基礎,零件的破壞會導致機器無法正常工作。影響零件壽命的主要原因有:材料的疲勞,材料的腐蝕以及相對運動零件接觸錶面的磨損。

  2.結構工藝性要求

  零件具有良好的結構工藝性,是指在既定的生產條件下,能夠方便而經濟地生產出來,並便於裝配。所以零件的結構工藝性應從毛坯製造、機械加工過程及裝配等幾個生產環節加以綜合考慮。工藝性還和批量大小及具體的生產條件相關。為了改善零件的工藝性,就應當熟悉當前的生產水平及條件。對零件的結構工藝性具有決定性影響的零件結構設計,在整個設計工作中占有很大的比重,因而必須予以足夠的重視。

  3.經濟性要求

  零件的經濟性首先表現在零件本身的生產成本上。零件的經濟性決定了機器的經濟性,設計零件時,應力求設計出耗費(包括錢財、製造時間及人工)最少的零件。

  要降低零件的成本,首先要採用輕型的零件結構,以降低材料消耗,並且採用廉價而供應充足的材料以代替貴重材料,可以降低材料費用;採用少餘量或無餘量的毛坯或簡化零件結構,以減少加工工時;工藝性良好的結構就意味著加工及裝配費用低,所以工藝性對經濟性有著直接的影響,對於大型零件採用組合結構以代替整體結構,這些對降低零件成本均有顯著的作用。另外,儘可能採用標準化的零、部件,就可在經濟性方面取得很大的效益。

  4.質量小的要求

  對絕大多數零件來說,都應當力求減小其質量。減小質量有兩方面的好處:一方面可以節約材料,節約材料就意味著節省成本;另一方面,對於運動零件來說,可以減小慣性,改善機器的動力性能。

  可採取以下措施減小零件的質量:採用緩衝裝置來降低零件上所受的衝擊載荷;使用安全裝置來限製作用在主要零件上的最大載荷;適當減少零件上應力較小處材料,以改善零件受力的均勻性,從而提高材料的利用率;施加與工作載荷相反方向的預載荷,以降低零件上的工作載荷,採用輕型薄壁的衝壓件或焊接件來代替鑄、鍛零件,以及採用強重比高的材料等。

  5.可靠性要求

  機器的可靠性是由零件的可靠性保證的,零件可靠度是指在規定的使用時間內和預定的環境條件下,零件能夠正常地完成其功能的概率。對於絕大多數機械來說,失效的發生都是隨機性的。因此,為了提高零件的可靠性,就應當在工作條件和零件的性能兩個方面使其隨機變化儘可能地小。此外,在使用中加強維護和對工作條件進行監測,也可以提高零件的可靠性。

機械零件設計的一般方法[2]

  機械零件的常規設計方法有以下幾種。

  • 理論設計。所謂理論設計,就是根據設計理論和實驗數據所進行的設計。它又可分為設計計算和校核計算兩類。設計計算是根據零件的工作情況,選定計算準則,按其所規定的要求計算出零件的主要幾何尺寸和參數。校核計算是先按其他方法初步擬定出零件的主要尺寸和參數,然後根據計算準則所規定的要求校核零件是否安全。由於校核計算時已知零件的有關尺寸,因此能計入影響強度的結構因素和尺寸因素,計算結果比較精確。
  • 經驗設計。經驗設計是指根據已有的經驗公式或設計者本人的工作經驗,或藉助類比方法所進行的設計。它主要適用於使用要求變動不大而結構形狀已典型化的零件,如箱體、機架、傳動零件的結構要素等。
  • 模型實驗設計。這種設計主要是針對一些尺寸巨大、結構複雜的重要零件,根據初步設計的結果,按比例製成小尺寸的模型,採取實驗手段對其各方面的特性進行檢驗,再根據實驗結果對原設計進行逐步修改,從而達到完善的設計。模型實驗設計是在設計理論還不成熟,已有的經驗又不足以解決設計問題時,為積累新經驗、發展新理論和獲得好結果而採用的一種設計方法。但這種設計方法費時、耗資,一般只用於特別重要的設計中。

機械零件設計的一般步驟[2]

  (1)選擇零件的類型和結構要根據零件的使用要求,在熟悉各種零件的類型、特點及應用範圍的基礎上進行。

  (2)分析和計算載荷。根據機器的工作情況,確定作用在零件上的載荷。

  (3)選擇合適的材料。根據零件的使用要求、工藝要求和經濟性要求選擇合適的材料。

  (4)確定零件的主要尺寸和參數。根據對零件的失效分析和所確定的計算準則進行計算,確定零件的主要尺寸和參數。

  (5)零件的結構設計。應根據功能要求、工藝要求、標準化要求,確定零件合理的形狀和結構尺寸。

  (6)校核計算。只對重要的零件且有必要時才進行這種校核計算,以確定零件工作時的安全程度。

  (7)繪製零件的工作圖。

  (8)編寫設計計算說明書。

機械零件設計的材料選用[3]

  機械零件常用的材料有鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屬等,常用材料的牌號、性能及熱處理知識可查閱機械設計手冊。

  在機械設計中選擇材料是一個重要環節。隨著材料科學的不斷發展,機械製造業對零件的要求在提高。因此,設計者在選擇材料時,應充分瞭解材料的性能和適用條件,並考慮零件的使用、工藝和經濟性等要求。

  1.使用要求

  為保證機械零件不失效,根據載荷作用情況,對零件尺寸的限制和零件重要程度,對材料提出強度、剛度、彈性、塑性、衝擊韌性、阻尼性和吸振性等力學性能方面的相應要求。同時,由於零件工作環境等其他需求,對材料可能還有密度、導熱性、抗腐蝕性、熱穩定性等物理性能和化學性能方面的要求等。

  2.工藝要求

  選擇零件材料時必須考慮到加工製造工藝的影響。鑄造毛坯應考慮材料的液態流動性、產生縮孔或偏折的可能性等;鍛造毛坯應考慮材料的延展性、熱脆性和變形能力等;焊接零件應考慮材料的可焊性和產生裂紋的傾向等;對進行熱處理的零件應考慮材料的可淬性、淬透性及淬火變形的傾向等;對於切削加工的零件應考慮材料的易切削性、切削後能達到的錶面粗糙度和錶面性質的變化等。

  3.經濟性

  從經濟觀點出發,在滿足性能要求的前提下,應儘可能選用價廉的材料,以降低材料費用。另外,還應綜合考慮到生產批量等因素的影響,如大量生產宜用鑄造毛坯;單件生產採用焊接件,可以降低製造費用

機械零件設計的工藝性及標準化[4]

  一、工藝性

  良好的工藝性是指所設計的機械零件能用最短的時間、最少的勞動量、最低的製造費用生產出來,且裝拆、維修方便。零件製造一般包括毛坯生產、切削加工、熱處理、裝配等階段,各階段都是有機聯繫著的,設計時必須全面考慮。設計機械零件時有關工藝性的基本要求有以下幾方面的內容:

  1.零件的結構與生產條件和規模相適應

  單件或小批量生產的零件,應充分利用現有的生產條件。如直徑大於600mm的齒輪毛坯,用一般的鍛壓設備難以鍛造,應採用鑄件或焊接件。在單件或小批量生產時,不宜採用鑄件或模鍛件,以免模具造價太貴(尤其是模鍛)而提高零件成本。如果沒有磨齒機床,就不要採用齒面硬度高、熱處理變形大的熱處理方法。

  2.毛坯選擇合理

  零件的毛坯可以是鑄件、鍛件、軋製件、焊接件和衝壓件等。毛坯的選擇應考慮生產批量大小、材料性能和加工性能等。如對鍛件而言,單件或小批量生產宜用自由鍛,大批量生產宜用模鍛。

  3.結構和形狀應簡單合理

  零件的結構和形狀越複雜,製造、裝配和維修就越困難,成本也就越高,因此,要儘可能採用簡單的圓柱面、平面、共軛曲面及其組合,儘量減少被加工面的數目和被加工面的面積,儘量採用相同尺寸(直徑、圓角半徑、配合尺寸和公差,螺紋的直徑、線數和螺距,齒輪模數等)。

  4.規定合理的製造精度和錶面粗糙度

  製造精度過高、錶面粗糙度值過低,都會明顯增加機械零件的製造成本。因此,在滿足使用要求的前提下,應儘可能降低製造精度、增大錶面粗糙度值。

  5.滿足熱處理的要求

  為避免熱處理時變形、開裂或降低熱處理質量(如硬度不足、軟點、強度低、滲碳層薄或不均勻等),零件的幾何形狀應簡單、對稱,長徑比不可太大,儘量減少應力集中源,截面均勻,無銳邊和尖角,避免不通孔、配作孔和局部滲碳、滲氮等。零件也應有足夠的剛度。為使淬火氣膜不易附著、冷卻均勻、變形較小,對零件錶面粗糙度有一定要求。

  6.考慮裝拆的工藝性

  設計中,應考慮零件能便於裝配、拆卸,並儘可能減少裝拆的工作量,還應考慮搬運、安裝、使用、維修的方便性和經濟性。

  二、標準化

  標準化是指對零件的尺寸、結構要素、材料性能、檢驗方法、設計方法、製圖要求等制定出各式各樣的標準,供大家共同遵守。與標準化密切相關的是零部件的通用化、產品的系列化。

  通用化是指最大限度地減少和合併產品的形式、尺寸和材料的品種,使零部件儘量在不同規格的同類產品乃至不同類產品中通用,以減少企業內部的零部件種數,從而簡化生產管理,並獲得較高的經濟效益

  系列化是指將尺寸和結構擬訂出一定數量的原始模型,然後根據需求,按照一定的規律優化組合成產品系列

  標準化、通用化和系列化被統稱為“三化”。“三化”的優越性表現在:

  1)採用標準結構及零部件,可以簡化設計工作,縮短設計周期,提高設計質量。

  2)便於安排專門工廠採用先進技術進行專業化大生產,保證產品質量,並能大幅度降低勞動量、材料消耗和製造成本。

  3)技術條件和檢驗、試驗方法的標準化,可以改進和提高零部件的質量。

  4)增強互換性,便於維修。

  我國現已頒佈的與機械設計有關的標準,可以分為國家標準(GB、GB/T)、部頒標準(如JB、YB等)、專業標準和企業標準四級。我國已加入國際標準化組織(ISO),許多新的國家標準已採用了相應的國際標準。設計時,應執行和採用各項標準。

參考文獻

  1. 鄢利群,高路主編.8 機械零件設計概論 機械設計基礎.化學工業出版社,2011.02.
  2. 2.0 2.1 劉鐵鑄等編著.第1章 AutoCAD2011機械設計基礎 AutoCAD2011機械設計行業應用實踐.機械工業出版社,2011.01.
  3. 李力,向敬忠主編;韓澤光,羅繼曼副主編.第一章 緒論 高等學校應用型特色規劃教材 機械設計基礎(近機、非機類).清華大學出版社,2007年05月第1版.
  4. 陸鳳儀等主編.第二章 機械及機械零件設計概述 機械設計.機械工業出版社,2011.01.
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