機械零件

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機械零件(Machine Part)

　　機械零件是指組成機器的不可拆分的基本單元，如螺栓、螺釘、鍵、帶、齒輪、軸、彈簧、銷等。

　　機械零件分為通用零件和專用零件。

　　通用零件是指能在各種機器中廣泛使用的零件，專用零件是指只能在某一類特定的機器中使用的零件。

　　一、機械零件常用材料

　　機械零件的材料有金屬材料、非金屬材料和複合材料。

　　金屬材料分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料包括各種鋼、鑄鋼和鑄鐵，具有較好的力學性能(如強度、塑性、韌性等)，價格相對便宜且容易獲得，而且能滿足多種性能和用途的要求。在各類黑色金屬中，由於合金鋼的性能優良，因而常常用來製造重要的零件。有色金屬材料包括銅合金、鋁合金、軸承合金等，具有密度小、導熱和導電性能好等優點，通常還可用於有減摩、耐磨及耐腐蝕要求的場合。

　　非金屬材料指塑料、橡膠、合成纖維等高分子材料及陶瓷等。高分子材料有許多優點，如原料豐富、密度小，在適當的溫度範圍內有很好的彈性，耐腐蝕性好等。其主要缺點是容易老化，其中不少材料阻燃性差，總體上講，耐熱性不好。陶瓷材料的主要特點是硬度極高、耐磨、耐腐蝕、熔點高、剛度大以及密度比鋼鐵小等。目前，陶瓷材料已應用於密封件、滾動軸承和切削刀具等結構中。其主要缺點是比較脆，斷裂韌度低，價格昂貴，加工工藝性差等。

　　複合材料是指用兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學性能的材料經複合工藝處理而得到所需性能的一種新型材料。例如用玻璃、石墨(碳)、硼、塑料等非金屬材料可以複合成各種纖維增強複合材料。在普通碳素鋼板錶面貼附塑料，可以獲得強度高而又耐腐蝕的塑料複合鋼板，主要優點是有較高的強度和彈性模量，而質量又特別小，但也有耐熱性差、導熱和導電性能較差的缺點。此外，複合材料的價格比較貴。所以目前複合材料主要用於航空、航天等高科技領域，在民用產品中，複合材料也有一些應用。

　　二、機械零件材料選擇原則

　　從各種各樣的材料中選擇出適用的材料，是一項受多方面因素所制約的工作。在以後的有關章節中，將分別介紹各種零件適用的材料和牌號。下麵就金屬材料(主要是鋼鐵)的一般選用原則作一簡介。

　　選擇機械零件材料的原則是：所需材料應滿足零件的使用要求，有良好的工藝性和經濟性等。

　　1．使用要求

　　機械零件的使用要求表現為以下幾點：

　　(1)零件的工作狀況和受載情況，以及為避免相應的失效形式而提出的要求工作狀況是指零件所處的環境特點、工作溫度、摩擦和磨損的程度等。在濕熱環境或腐蝕介質中工作的零件，其材料應有良好的緩蝕和耐腐蝕的能力，例如選用不鏽鋼、銅合金等。工作溫度對材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線脹繫數不能相差過大，以免在溫度變化時產生過大的熱應力或者使配合鬆動；另一方面也要考慮材料的力學性能隨溫度而改變的情況。在滑動摩擦下工作的零件，要提高其錶面硬度，以增強耐磨性，應選擇適於進行錶面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種或選用減摩和耐磨性能好的材料。

　　受載情況是指載荷、應力的大小和性質。脆性材料原則上只適用於製造在靜載荷下工作的零件；在多少有些衝擊的情況下，應以塑性材料作為主要使用的材料；對於錶面受較大接觸應力的零件，應選擇可以進行錶面處理的材料，如錶面硬化鋼；對於受變應力的零件，應選擇耐疲勞的材料；對於受衝擊載荷的零件，應選擇衝擊韌度較高的材料；對於尺寸取決於強度，且尺寸和質量又受限的零件，應選擇強度較高的材料；對於尺寸取決於剛度的零件，應選用彈性模量較大的材料。

　　金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理的手段來發揮材料的潛力。對於最常用的調質鋼，由於其回火溫度的不同，可得到力學性能不同的毛坯。回火溫度越高，材料的硬度和強度將越低，而塑性越好。所以在選擇材料的品種時。應同時規定其熱處理規範，併在圖樣上加以註明。

　　(2)對零件尺寸和質量的限制零件尺寸及質量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關。用鑄造材料製造毛坯時，一般可以不受尺寸及質量大小的限制；而用鍛造材料製造毛坯時，則需註意鍛壓機械及設備的生產能力。此外，零件尺寸和質量的大小還和材料的強重比有關，應儘可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質量。

　　(3)零件在整機或部件中的重要程度。

　　2．工藝要求

　　要考慮所用的材料從毛坯到成品都能方便地製造出來。例如，結構複雜、尺寸較大的零件難以鍛造，可以採用鑄造或焊接，其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能。

　　根據所選的工藝，要考慮材料對該工藝的加工可能性。對於鑄造，要考慮材料的液態流動性、產生縮孔和偏析的可能性等；對於焊接，要考慮材料的焊接性和產生裂紋的傾向等；對於鍛造，要考慮材料的延伸性、熱脆性和變形能力等；對於需要熱處理的零件，要考慮材料的淬透性、淬火變形的傾向性等；對於需經切削加工的零件，要考慮材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度和切削後能達到的錶面粗糙度等。

　　3．經濟要求

　　(1)材料本身的相對價格在滿足使用要求的前提下，應儘量選用價格低廉的材料。這一點對於大批量製造的零件尤其重要。

　　(2)材料的加工費用當零件質量不大而加工量很大時，加工費用在零件總成本中要占很大比例。儘管鑄鐵比鋼板價廉，但對於某些單件或小批量生產的箱體類零件來說，採用鑄鐵反而比採用鋼板焊接的成本更高，因為後者可以省掉模具的製造費用。

　　(3)材料的利用率採用無屑或少切屑加工，如模鍛、精鑄、衝壓等，可以提高材料的利用率。

　　(4)局部品質原則在很多情況下，零件在其不同的部位上對材料有不同的要求。要想選用一種材料滿足不同的要求，事實上是不可能的，即使可能，價格也非常昂貴。這時，可根據局部品質原則，在不同的部位上採用不同的材料或採用不同的熱處理工藝，使各局部的要求分別得到滿足。例如蝸輪的輪齒必須具有優良的耐磨性和較高的抗膠合能力，其他部分只需具有一般的強度即可，故在鑄鐵輪芯外套用青銅齒圈，以滿足這些要求。又如滑動軸承只在其和軸頸接觸的錶面處要求有減摩性，所以只需用減摩材料製成軸瓦，而不必把整個軸承都用減摩材料製造。

　　局部品質也可以用滲碳、錶面淬火、錶面噴鍍、錶面輾壓等方法獲得。

　　(5)材料代用以節約貴重、稀有材料由於供應上的原因或經濟性的要求，可以對所選材料用其他材料代用。例如，當強度為主要要求時，可選用強度較高而價格較貴的材料，也可用強度較差而價廉的材料代替，而將結構尺寸適當加大；當耐磨或耐腐蝕為主要要求時，可以不選用耐磨性或防腐性好的材料而選用較差的材料進行各種錶面硬化處理或防腐處理；對於稀有材料，也可以用普通材料代替，例如用鋁青銅代替錫青銅製造軸瓦。

　　(6)材料供應情況從簡化材料品種的供應和儲存出發，對於小批量生產的零件，應儘可能減少同一臺機器上使用材料的品種和規格。

　　一、機械零件的常規設計方法

　　1．理論設計

　　理論設計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辦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校零件是否安全。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。

　　2．經驗設計

　　經驗設計是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。這主要適用於使用要求不大變動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。

　　3．模型實驗設計

　　這種設計是對一些尺寸巨大、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，經過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。

　　二、機械零件設計的一般步驟

　　1)選擇零件的類型和結構。這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。分析和計算載荷，是根據機器的工作情況，來確定作用在零件上的載荷。

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

　　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，便可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。只是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。

　　三、機械零件的設計計算

　　機械零件的主要尺寸常常需要通過理論計算確定。理論設計計算是根據零件的結構特點和工作情況，將它合理簡化成一定的物理模型，運用理論力學、材料力學、流體力學、摩擦學、熱力學、機械振動學等理論或利用這些理論推導出設計公式、實驗數據來進行設計。理論設計計算可分為設計計算和校核計算兩種。

　　1)設計計算。按設計公式直接求得零件的有關主要尺寸。

　　2)校核計算。已知零件各部分的尺寸，用設計公式校核它是否滿足有關的設計計算準則。

　　為了使設計計算的結果更符合實際，應該多方面參考過去成功的設計和實踐積累的經驗關係式、統計數據等。對於一些大型、結構複雜的重要零件，必要時還可以進行模型實驗或實物實驗。

　　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。

　　產品設計過程是智力活動過程，它體現了設計人員的創新思維活動，設計過程是逐步逼近解決方案並逐步完善的過程。設計過程中還應註意以下幾點。

　　(1)設計過程要有全局觀點，不能只考慮設計對象本身的問題，而要把設計對象看作一個系統，處理“人—機—環境”之間的關係。

　　(2)善於運用創造性思維和方法，註意考慮多種方案的解，避免解決問題的局限性。

　　(3)設計的各階段應有明確的目標，註意各階段的評價和優選，以求出既滿足功能要求又有最大實現可能的方案。

　　(4)要註意反饋及必要的工作迴圈。解決問題要由抽象到具體，由局部到全面，由不確定到確定。

　　一、載荷和應力

　　1．載荷

　　載荷是指零件或構件工作時所承受的外力。根據載荷性質的不同，可分為靜載荷和變載荷兩類。

　　·不隨時間變化或變化較緩慢的載荷稱為靜載荷，如重力，鍋爐中的壓力，螺栓擰緊後受到的拉力；

　　·隨時間變化的栽荷稱為變載荷，如內燃機活塞桿受到的力，機器中的齒輪受到的力等。

　　在計算中，將載荷分為名義載荷和計算載荷。

　　·根據原動機額定功率(或阻力、阻力矩)計算出來的作用於機械零件上的載荷稱為名義載荷，一般用F表示力，用T表示力矩。

　　·考慮機械零件在工作時有衝擊、振動和由於各種因素引起的栽荷分佈不均勻等．將名義載荷修正後用於零件計算的栽荷稱為計算載荷，以F_c，T_c表示。

　　式中，K為載荷繫數，一般取K≥1。

　　與載荷一樣，構件內的應力也分為兩類：靜應力和變應力。

　　·在靜載荷作用下產生的不隨時間變化的應力稱為靜應力，如圖1所示；

　　·在變栽荷作用下(或靜栽荷作用在運動的零件上)產生的隨時間變化的應力稱為變應力，如果應力隨時間做周期性的變化則稱為交變應力。

　　根據應力隨時間變化的規律，較典型的交變應力有：非對稱迴圈的交變應力(如圖2所示)、對稱迴圈的交變應力(如圖3所示)，脈動迴圈的交變應力(如圖4所示)。

,

　　由上述可知，交變應力參數共有5個，即σ_min、σ_max、σ_m、σ_a和r，已知其中兩個參數便可求出其餘參數。迴圈特征r可以用來表示應力的變化情況，對稱迴圈的交變應力，r=-1；脈動迴圈的交變應力，r=O；非對稱迴圈的交變應力，r隨具體受力情況不同在-1～+1之間變化：靜應力則可看作交變應力的一個特例，即r=+1。

　　二、零件的極限應力σ_lim

　　1．靜應力下的極限應力

　　在靜應力下工作的機械零件，其極限應力σ_lim取決於零件的失效形式。

　　·對於脆性材料製成的零件應防止發生斷裂，通常取材料的強度極限σ_B作為極限應力，即σ_lim = σ_B；

　　·當採用塑性材料製成零件時，應防止產生過大的塑性變形，通常取材料的屈服極限σ_a作為極限應力，即σ_lim = σ_a。

　　2．交變應力下的極限應力

　　在交變應力下長期工作的零件，其σ_lim抽取決於材料的疲勞斷裂，而疲勞斷裂是一種損傷積累，它會在遠低於強度極限的應力下，突然斷裂而無明顯的塑性變形，這時的應力稱為疲勞極限(或稱持久極限)。

　　在對稱迴圈交變應力下，r=-1，取其持久極限σ₁，作為極限應力；在脈動迴圈交變應力下，r=0取其持久極限σ₀作n為極限應力。

　　三、機械零件的強度計算

　　強度是指零件抵抗破壞的能力，是保證機械零件工作能力的最基本要求。如果零件的強度不夠，不僅會因零件的失效而使機器不能正常工作，甚至還可能導致安全事故。

　　零件的強度分為體積強度和錶面接觸強度。

　　·零件在栽荷作用下，如果產生的應力在較大的體積內，這種應力狀態下的零件強度稱為體積強度(通常簡稱強度)。

　　·若兩零件在受載前後由點接觸或線接觸變為小錶面積接觸，而且其錶面產生很大的局部應力(稱為接觸應力)，這時零件的強度稱為錶面接觸強度(簡稱接觸強度)。

　　若零件的強度不夠，就會出現整體斷裂。錶面接觸疲勞或塑性變形等失效而喪失工作能力。所以，設計零件時，必須滿足強度要求。強度計算準則為

　　σ≤[σ]或τ≤[τ]

　　[σ]=；[τ]=

　　式中，σ、τ——零件工作時的正應力和切應力；

　　[σ]、[τ]——零件材料的許用正應力和許用切應力。

　　S、S_τ ——正應力和切應力的安全繫數；

　　σ_lim、τ_lim——材料的極限正應力和極限切應力。

　　機械零件的失效是指零件在使用過程中，零件部分或完全喪失了設計功能。零件完全被破壞不能繼續工作；或零件已嚴重損壞，若繼續工作將失去安全；或雖能安全工作，但已失去設計精度等現象都屬於失效。

　　為了預防零件失效，需對零件進行失效分析，即通過判斷零件失效形式、確定零件失效機理和原因，有針對性地進行選材、確定合理的加工路線，提出預防失效的措施。

　　1．機械零件失效形式

　　機械零件常見的失效方式可以分為三種類型：過量變形失效、斷裂失效和錶面損傷失效。

　　(1)過量變形失效：零件因變形量過大超過允許範圍而造成的失效。它主要包括過量彈性變形、塑性變形和高溫下發生的蠕變等失效形式。

　　(2)斷裂失效：因零件承載過大或疲勞損傷等原因而導致分離為互不相連的兩個或兩個以上部分的現象。斷裂是最嚴重的失效形式，它包括韌性斷裂失效、低溫脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效和環境破斷失效等幾種形式。

　　(3)錶面損傷失效：零件工作時由於錶面的相對摩擦或受到環境介質的腐蝕在零件錶面造成損傷或尺寸變化而引起的失效。它主要包括錶面磨損失效、腐蝕失效、錶面疲勞失效等形式。

　　需要指出，同一種機械零件在工作中往往不只是一種失效方式起作用。但是，一般造成零件失效時總是一種方式起主導作用。失效分析的核心問題就是要找出主要的失效方式。

　　2．機械零件失效的原因

　　引起機械零件失效的因素很多且較為複雜，涉及零件的結構設計、材料選擇、材料的加工製造、產品的裝配及使用保養等多個方面。

　　(1)設計不合理：主要是指零件結構和形狀不正確或不合理，如零件存在缺口、小圓弧轉角、不同形狀過渡區等。另一方面是指對零件的工作條件、過載情況估計不足，造成零件實際工作能力不足，致使零件早期失效。

　　(2)選材不合理：設計中對零件失效的形式判斷錯誤，所選的材料性能不能滿足工作條件需要；選材所依據的性能指標不能反映材料對實際失效形式的抗力，選擇了錯誤的材料；所選用的材料質量太差，成分或性能不合格導致不能滿足設計要求等都屬於選材不合理。

　　(3)加工工藝不合理：零件的加工工藝不當，可能會產生各種缺陷，導致零件在使用過程中較早地失效。如熱加工過程中出現過熱、過燒和帶狀組織；熱處理過程中出現脫碳、變形、開裂；冷加工過程出現較深的刀痕、磨削裂紋等。

　　(4)安裝使用不當：裝配和安裝過程不符合技術要求，如安裝時配合過緊、過松，對中不准，固定不穩等都可能導致零件不能正常工作或過早出現失效；此外，使用過程中違章操作、超載、超速、不按時維修和保養等也會造成零件過早出現失效。