| 词条 | 机械零件 |
| 释义 | § 概述 机械零件 研究和设计各种设备中机械基础件的一门学科，也是零件和部件的泛称。机械零件作为一门学科的具体内容包括:①零（部）件的联接,如螺纹联接、楔联接、销联接、键联接、花键联接、过盈配合联接、弹性环联接、铆接、焊接和胶接等。②传递运动和能量的带传动、摩擦轮传动、链传动、谐波传动、齿轮传动、绳传动和螺旋传动等机械传动，以及传动轴、联轴器、离合器和制动器等相应的轴系零(部)件。③起支承作用的零(部)件，如轴承、箱体和机座等。④起润滑作用的润滑系统和密封等。⑤弹簧等其他零（部）件。 作为一门学科,机械零件从机械设计的整体出发,综合运用各有关学科的成果，研究各种基础件的原理、结构、特点、应用、失效形式、承载能力和设计程序；研究设计基础件的理论、方法和准则，并由此建立了本学科的结合实际的理论体系，成为研究和设计机械的重要基础。 自从出现机械，就有了相应的机械零件。但作为一门学科,机械零件是从机械构造学和力学分离出来的。随着机械工业的发展，新的设计理论和方法、新材料、新工艺的出现，机械零件进入了新的发展阶段。有限元法、断裂力学分析、弹性流体动压润滑、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、系统分析和设计方法学等理论，已逐渐用于机械零件的研究和设计。更好地实现多种学科的综合，实现宏观与微观相结合，探求新的原理和结构，更多地采用动态设计和精确设计，更有效地利用电子计算机，进一步发展设计理论和方法，是这一学科发展的重要趋向。 § 选材原则 机械零件 一、材料的使用性能——选材的最主要依据 指的是零件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。对大多数零件而言，机械性能是主要的必能指标，表征机械性能的参数主要有强度极限σb、弹性极限σe、屈服强度σs或σ0.2、伸长率δ、断面收缩率ψ、冲击韧性ak及硬度HRC或HBS等。这些参数中强度是机械性能的主要性能指标，只有在强度满足要求的情况下，才能保证零件正常工作，且经久耐用。在材料力学的学习中，已经发现，在设计计算零件的危险截面尺寸或校核安全程度时所用的许用应力，都要根据材料强度数据推出。 二、材料的工艺性能 材料的加工工艺性能主要有：铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。其加工工艺性能的好坏直影响到零件的质量、生产效率及成本。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。 （1）铸造性能：一般是指熔点低、结晶温度范围小的合金才具有良好的铸造性能。如：合金中共晶成分铸造性最好。 （2）压力加工性能：是指钢材承受冷热变形的能力。冷变形性能好的标志是成型性良好、加工表面质量高，不易产生裂纹；而热变形性能好的标志是接受热变形的能力 好，抗氧化性高，可变形的温度范围大及热脆倾向小等。 （3）切削加工性能：刀具的磨损、动力消耗及零件表面光洁度等是评定金属材料切削加工性能好坏的标志，也是合理选择材料的重要依据之一。 （4）可焊性：衡量材料焊接性能的优劣是以焊缝区强度不低于基体金属和不产生裂纹为标志。 （5）热处理：是指钢材在热处理过程中所表现的行为。 如过热倾向、淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向以及变形开裂倾向等来衡量热处理工艺性能的优劣。 总之，良好的加工工艺性可以大减少加工过程的动力、材料消耗、缩短加工周期及降废品率等。优良的加工工艺性能是降低产品成本的重要途径。 三、材料的经济性能 每台机器产品成本的高低是劳动生产率和重要标志。产品的成本主要包括：原料成本、加工费用、成品率以及生产管理费用等。材料的选择也要着眼于经济效益，根据国家资源，结合国内生产实际加以考虑。此外，还应考虑零件的寿命及维修费，若选用新材料还要考虑研究试验费。 § 材料应用 机械零件 作为一个机械设计人员，在选材时必须了解工业发展趋势，按国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际出发全面考虑材料及其选择机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。 一、全属材料 1、铸铁 铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2％的称为铸铁。铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）均较好且成本低廉，因此在机械制造中应用甚广。常用的铸铁有：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造。在上述铸铁中，以灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之。 2、钢 与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。 按照用途，钢可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件；工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具；特殊钢（如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等）用于制造在特殊环境下工作的零件。按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。为了改善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。 1）碳素结构钢 这类钢的含碳量一般不超过0.7％。含碳量低于0.25％的低碳钢，它的强度极限和屈服极限较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。含碳量在0．l％～0.2％的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳含金钢。含碳量在 0．3％～0．5％的中碳钢，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。含碳量在0.55％一0．7％的高碳钢，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。 2）合金结构钢 钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。例如：镍能提高强度而不降低钢的韧性；铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性；锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性；铝的作用类似于锰，其影响更大些；钒能提高韧性及强度；硅可提高弹性极限和耐磨性，但会降低韧性。合金元素对钢的影响是很复杂的，特别是当为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时。应当注意，合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理。 3）铸钢 铸钢的液态流动性比铸铁差，所以用普通砂型铸造时，壁厚常不小于10 mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。 选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用硅、锰、硼、钒类合金钢。 3、铜合金 铜合金有青铜与黄铜之分。黄铜是铜和锌的合金，并含有少量的锰、铝、镍等，它具有很好的塑性及流动性，故可进行碾压和铸造。青铜可分为含锡青铜和不含锡青铜两类，它们的减摩性和抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造。此外，还有轴承合金（或称巴氏合金），主要用于制作滑动轴承的轴承村。 二、非全属材料 1、橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量，常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。 2、塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂压结而成的塑料称为结合塑料，可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体，用热固性树脂压结而成的塑料称为层压塑料，可用来制作无声齿轮、轴承村和摩擦片等。 设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。这就要求设计者在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验。前面所述，仅是一些概略的说明。 各种材料的化学成分和力学性能可在有关的国家标准、行业标准和机械设计手册中查得。 § 设计准则 机械零件 1、强度准则 要求机械零件的工作应力σ不超过许用应力[σ]。其典型的计算公式是： σlim——极限应力，对受静应力的脆性材料取其强度极限，对受静应力的塑性材料取其屈服极限，对受变应力的零取其疲劳极限。 S——安全系数。 2、刚度准则 机械零件在受载荷时要发生弹性变形，刚度是受外力作用的材料、机械零件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。机械零件的刚度取决于它的弹性模量E或切变模量G、几何形状和尺寸，以及外力的作用形式等。分析机械零件的刚度是机械设计中的一项重要工作。对于一些需要严格限制变形的零件（如机翼、机床主轴等），须通过刚度分析来控制变形。我们还需要通过控制零件的刚度以防止发生振动或失稳。另外，如弹簧，须通过控制其刚度为某一合理值以确保其特定功能。刚度准则是要求零件受载荷后的弹性变形量不大于允许弹性变形量。刚度准则的表达式为 y是弹性变形量，如挠度、纵向伸长（缩短）：[y]为相应的许用弹性变形量。零件的弹性变形量可由理论计算或经实验得到，许用变形量则取决于零件的用途，根据理论分析或经验确定。 3、耐热性准则 由于摩擦等原因，机械在运转时，机械零件和润滑剂的温度一般会升高。过高的工作温度将导致润滑效果下降，同时，还会引起零件的热变形、硬度和强度下降，甚至损坏。如在高温时，金属机械零件可能发生胶合、卡死；塑料等非金属机械零件可能发生软化，甚至熔化等，在某些场合还会引起热应力。耐热性准则一般是控制机械零件的工作温度不要超过许用值，以保证零部件正常工作，其表达式是 为了改善散热性能、控制温升，必要时可以采用水冷或气冷等措施。 4、振动稳定性准则 当激励的频率等于物体固有频率时，物体振幅最大，激励的频率与固有频率相差越大，物体的振幅越小。激励的频率接近物体的固有频率时，受迫振动的振幅会很大，这种现象叫做共振。振动稳定性指机械零件在机器运转时避免发生共振的品质。 为了延长机器的寿命，为了避免轴和机器的损坏，应验算轴的振动稳定性，特别是高速机器的轴。振动稳定性准则要求机械零件的固有频率应与激励的频率错开，保证不发生共振。 设机器中受激励作用的零部件的固有频率为f，激励力的频率为fp，一般要求 fp < 0.85 f 或 fp >1.15 f 改变机械零件的刚度和质量可以改变其固有频率。增大机械零件的刚度和减小其质量，提高其固有频率；减小机械零件的刚度和增大其质量则降低机械零件的固有频率。有时，机器运转时为了防止共振要调节转速。 轴产生共振的主要原因是：由于材料内部质量不均匀，加之制造和安装的误差，使其质心和它的旋转中心产生偏差，轴旋转时产生惯性力，这个惯性力使转子作强迫振动。轴在引起共振时的速度称为临界速度。在临界速度下，这个惯性力的频率等于或几倍于转子的固有频率，因此发生共振。 机械零件 5、寿命准则 为了保证机器在一定寿命期限内正常工作，在设计机械零件时必然要对机械零件的寿命提出要求。需要说明，在机器寿命期限内，零件是可以更换的，也就是说某些机械零件的寿命可以比机器的寿命短。机械零件的寿命主要受材料的疲劳、磨损和腐蚀影响。 为了避免发生零件疲劳引起的失效，如疲劳断裂，应根据机械零件寿命对应的疲劳极限计算疲劳强度。即根据寿命要求，结合零件转速等具体情况，计算出应力循环次数为N时的疲劳极限，再代入强度条件式，计算疲劳强度。当满足疲劳强度时，可以保证机械零件在破坏前的应力循环次数达到寿命要求。 磨损一般是不可避免的。在一定条件下，腐蚀也是不可避免的，如桥梁结构件、地埋钢质管道的腐蚀等。在设计时，主要是保证机械零件在寿命内，不要发生过度的磨损和腐蚀。磨损发生的机理尚为完全被人们掌握，影响磨损的因素也比较多，一般根据摩擦学设计原理来改善摩擦副的耐磨性。主要措施有：合理选择摩擦副材料；合理选择润滑剂和添加剂；控制摩擦副的工作条件，如压强、滑动速度和温升。 到目前为止，还没有实用、有效的腐蚀寿命计算方法，通常从材料选择及防腐处理方面采取措施。如选用耐腐蚀的材料，采用表面镀层、喷涂、磷化等处理。 6、可靠性准则 可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。产品的质量一般应包含性能指标和可靠性指标。机械产品的性能指标是指产品具有的技术指标，如机械的功率、转矩、工作力、工作速度等。如果只有性能指标，没有可靠性指标，产品的性能指标也得不到保证。例如，一台技术先进的飞机，如果可靠性不高，势必经常发生故障，影响正常飞行和增加维修费用，甚至可能造成严重的事故。产品的可靠性用可靠度R（t）来衡量。可靠度的定义是：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。可靠度是时间的函数。有一批数量为n的相同产品，在t=0开始工作，随着时间的延续，失效的件数no（t）在加大，正常工作的件数ni（t）在减少，在任意时刻t产品可靠度为 若某产品工作至3000小时的可靠度R（t）=0.96，则表示有96%的产品可以正常工作到3000小时以上，对具体一件产品来讲，其工作到3000小时的概率为96%。 失效率 指产品工作到t时刻，在下阶段 的单位时间内发生失效的概率，可以证明，其数学表达式为 分离变量，两边积分，得 得 零部件的失效率和时间的关系一般如图3-13所示。可以用试验的方法求得失效率曲线。失效率曲线反映产品总体寿命期失效率的情况。从失效曲线可以看出，失效大体可以分为三个阶段。 第Ⅰ阶段为早期失效阶段，曲线为递减型。产品投入使用的早期，失效率较高而下降很快。其原因主要是设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起动不当等人为因素所造成的。当这些由于先天不良引起的失效发生后，设备运转逐渐正常，则失效率就趋于稳定。应该尽量设法避免零件的早期失效，降低失效率和早期失效阶段的时间t0。 第Ⅱ阶段为偶然失效阶段，其失效率缓慢增长。失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾等偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效阶段。降低偶然失效期的失效率则能提高有效寿命，所以应注意提高产品的质量，精心使用维护。 第Ⅲ阶段为损坏失效阶段，其失效率是递增型。在t1以后失效率明显上升。这是由于产品已经老化，疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。针对这一阶段失效的原因，应该注意检查、监控等，提前维修，使失效率仍不上升。 7、 精度准则 对于高精度的机械零件、机构或设备，要求其运动误差小于许用值。例如在精密机械中，导轨的直线性误差、主轴的径向跳动误差、齿轮传动的转角误差等，必须要有一定的精度要求。可以根据机器和零件的功能要求，选用合适的公差与配合，即进行精度设计，并能正确地标注到图样上。还可以按照零件图给定的公差值，求出机构的误差，与要求的机构精度比较。 § 工艺性及标准化 机械零件 一、工艺性 设计机械零件时，不仅应使其满足使用要求，即具备所要求的工作能力，同时还应当满足生产要求，否则就可能制造不出来，或虽能制造但费工费料很不经济。 在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低，则这样的零件就称为具有良好的工艺性。有关工艺性的基本要求是： （1）毛坯选择合理机械制造中毛坯制备的方法有：直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技术条件有关，一般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。 （2）结构简单合理设计零件的结构形状时，警好采用最简单的表面（如平面、圆柱面、螺旋面）及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。 （3）规定适当的制造精度及表面粗糙度零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。 欲设计出工艺性良好的零件，设计者就必须与工艺技术员工相结合并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册中也都提供了一些有关工艺性的基本知识，可供参考。 二、标准化 标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的研究领域十分宽广，就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格、质量、检验或安全、卫生要求等制订标准并加以实施。 产品标准化本身包括三个方面的含义：（l）产品品种规格的系列化——将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户的广泛需要；（2）零部件的通用化——将同一类型或不同类型产品中用途结构相近似的零部件（如螺栓、轴承座、联轴器和减速器等），经过统一后实现通用互换；（3）产品质量标准化——产品质量是一切企业的“生命线”，要保证产品质量合格和稳定就必须做好设计、加工工艺、装配检验，甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。 对产品实行标准化具有重大的意义：在制造上可以实行专业化大运生产，既可提高产品质量又能降低成本；在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。 § 工作能力 机械零件 各种机械和工程结构都是由若干个构件组成的。这些构件工作时都要承受力的作用，为确保构件在规定的工作条件和使用寿命期间能正常工作，须满足以下要求： 1、有足够的强度 保证构件在外力作用下不发生破坏，是构件能正常工作的前提条件，故构件的强度是指构件在外力作用下抵抗破坏的能力。 2、有足够的刚度 构件在外力作用下产生的变形应在允许的限度内。构件在外力作用下抵抗变形的能力，即为构件具有的刚度。 3、有足够的稳定性 某些细长杆件（或薄壁构件）在轴向压力达到一定的数值时，会失去原来的平衡形态而丧失工作能力，这种现象称为失稳。所谓稳定性是指构件维持原有形态平衡的能力。 构件的强度、刚度和稳定性与所用材料的力学性能有关，而材料的力学性能必须由实验来测定。此外，还有些实际工程问题至今无法由理论分析来解决，必须依赖于实验手段。 实际的工程结构中，许多承力构件如桥梁、汽车传动轴、房屋的梁、柱等，其长度方向的尺寸远远大于横截面尺寸，这一类的构件在材料力学的研究中，通常称作杆件，杆的所有横截面形心的连线，称为杆的轴线，若轴线为直线，则称为直杆；轴线为曲线，则称为曲杆。所有横截面的形状和尺寸都相同的杆称为等截面杆；不同者称为变截面杆。材料力学主要研究等截面直杆。 § 变形形式 机械零件 机械零件在不同的外力作用下，将产生不同形式的变形。主要的受力和变形有如下几种： 1、拉伸与压缩 这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用线与杆件轴线重合的一对力引起的，表现为杆件的长度发生伸长或缩短[图3-1（a、b）]。如起吊重物的钢索，桁架的杆件，液压油缸的活塞杆等的变形，都属于拉伸或压缩变形。在工程中经常见到承受拉伸或压缩的杆件。例如紧固螺钉[ 图3-2(a) ], 当拧紧螺帽时，被压紧的工件对螺钉有反作用力，螺钉承受拉伸；千斤顶的螺杆[ 图3-2(b) ] 在顶起重物时，则承受压缩。前者发生伸长变形，后者发生缩短变形，直杆沿轴线受大小相等、方向相反的外力作用，发生伸长或缩短的变形时，称为直杆的轴向拉伸或压缩。本章只讨论直杆的轴向拉伸与压缩。 若把承受轴向拉伸或压缩的杆件的形状和受力情况进行简化，则可以简化成图3-1 所示的受力简图。图中用实线表示受力前的外形，虚线表示变形后的形状。 2、剪切 工程中经常见到承受剪切作用的构件。 这类杆件受力的共同特点是：在构件的两侧面上受到大小相等，方向相反，作用线相距很近而且垂直于杆轴的外力的作用。在这样的外力作用下，杆件的主要变形是：以两力 间的横截面m—m为分界面，构件的两部分沿该面发生相对错动。构件的这种变形形式称为剪切，截面m—m称为剪切面，剪切面与外力的方向平行。当外力足够大时，构件将沿剪切面被剪断。只有一个剪切面，称为单剪，同时构件受压，两侧还受到其它构件的挤压作用，这种局部表面受压的现象称为挤压。若压力较大，则接触面处的局部区域会发生显著的塑性变形，致使结构不能正常使用，这种现象称为挤压破坏。 联接件除了受剪切和挤压外，往往还伴随有其它形式的变形。例如，弯曲或拉伸变形。但由于这些变形相对剪切和挤压变形来说是次要的，故一般不予考虑。 这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用线相互平行的力引起的，表现为受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动。机械中常用的联接件，如键、销钉、螺栓等都产生剪切变形。 3、扭转 这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用面都垂直于杆轴的两个力偶引起的。表现为杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。汽车的传动轴，电机和水轮机的主轴等都是受扭杆件。在垂直于杆轴线的平面内有力偶作用时，杆件将产生扭转变形，即杆的各横截面绕杆轴相对转动。 杆的扭转变形具有如下特点： 受力：在杆的两端垂直于杆轴线的平面内作用着两个力偶，其力偶矩相等，转向相反。 变形：杆上各个横截面均绕杆的轴线发生相对转动。任意两个横截面之间相对转过的角度称为相对扭转角。 在工程中经常遇到扭转变形的构件。例如驾驶员的两手在方向盘上的平面内各施加一个大小相等，方向相反，作用线平行的力 ，它们形成一个力偶，作用在操纵杆的 端，而在操纵杆的 端则受到来自转向器的反力偶的作用，这样操纵杆便受到扭转作用。 4、弯曲 这类变形形式是由垂直于杆件轴线的横向力，或由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小相等，方向相反的力偶引起的，表现为杆件轴线由直线变为曲线。工程中，受弯杆件是最常遇到的情况之一。桥式起重机的大梁，各种心轴以及车刀等的变形，都属于弯曲变形。受力后这些直杆的轴线将由原来的直线弯成曲线，这种变形称为弯曲。以弯曲变形为主的杆件通常称为梁。 还有一些杆件同时发生几种基本变形，例如车床主轴工作时发生弯曲、扭转和压缩三种基本变形；钻床立柱同时发生拉伸和弯曲两种基本变形。这种情况称为组合变形。 § 失效形式 机械零件 任何机械零件或部件使用一段时间后都要损伤或损坏，其损伤的程度有三种情况： 1、零件彻底破坏，不能再使用；如轴断裂。 2、严重损伤继续使用不安全；如有裂纹产生、表面磨损。 3、虽然还能安全工作，但已达不到预定的作用。 只要发生上面情况中的任何一种都可以认为零件已经失效。对机器零件或部件进行失效分析的目的就是要找出零件破坏的原因，并且提出相应的改进措施。失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工及使用都具有很大的指导意义。 一、机械零件失效的方式 零件失效的形式多种多样，按零件的工作条件及失效的宏观表现与规律可分为：变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。 二、机械零件失效的原因 失效原因有多种，在实际生产中，零件失效很少是由于单一因素引起的，往往是几个因素综合作用的结果。归纳起来可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面。可能的原因有如下： 1、设计原因 一是由于设计的结构和形状不合理导致零件失效，如零件的高应力区存在明显的应力集中源（各种尖角、缺口、过小的过渡圆角等；二是对零件的工作条件估计失误，如对工作中可能的过载估计不足，使设计的零件的承载能力不够。 2、材料方面的原因 选材不当是材料方面导致失效的主要原因。最常见的是设计人员仅根据材料的常规性能指标来作出决定，而这些指标根本不能反映出材料所受某种类型失效的搞力；材料本身的缺陷（如缩孔、疏松、气孔、夹杂、微裂纹等）也导致零件失效。 3、加工方面原因 由于加工工艺控制不好会造成各种缺陷而引起失效。如热处理工艺控制不当导致过热、脱碳、回火不足等；锻造工艺不良带状组织、过热或过烧现象等；冷加工工艺不良造成光洁度太低，刀痕过深、磨削裂纹等都可导致零件的失效。 有些零件加工不当造成的缺陷与零件设计有很大的关系，如热处理时的某些缺陷。零件外形和结构设计不合理会促使热处理缺陷的产生（如变形、开裂）。为避免或减少零件淬火时发生或开裂，设计零件时应注意：截面厚薄不均匀，否则容易在薄避处易开裂；结构对称，尽量采用封闭结构以免发生大的变形；变截面处均匀过渡，防止应力集中。 4、安装使用与失效 零件安装时，配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等，或操作不当均可造成使用过程中失效。 三、零件失效分析的方法步骤 1、现场调查研究 这是十分关键的一步。尽量仔细收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，从而确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位。 2、详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计图纸、加工方式及使用情况。 3、对所选定的试样进行宏观和微观分析，确定失效的发源点和失效的方式。扫描电镜断口分析确定失效发源地和失效方式；金相分析，确定材料的内部质量。 4、测定样品的有关数据：性能测试、组织分析、化学成份分析及无损探伤等。 5、断裂力学分析。 6、最后综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出分析报告。 § 表面精整与光饰 机械零件 机械零件投入机械加工的每张图纸都有去毛刺的技术要求，去毛刺工序，工艺人员往往无法编 制工艺文件，通常采用锉刀、布轮、砂布、砂带等办法来去除毛刺。随着科学技术的进步和生产的发展，人工去毛刺已不能适应现代市场竟争的产品质量和生产方式的要求，光整加工技术逐步取代了传统的去毛刺工艺，而且越来越被人们所重视，目前有些先进企业机械零件的精整与光饰已被技术人员编入图纸技术要求的内容，并形成了标准工序。 1、自由磨具表面光整加工技术 自由磨具表面光整加工技术包括旋流式、离心式、叉轴式、卧式四大系列，及十几种机型及相应的磨料磨液辅料，经数百种机械零件的精整与光饰的工艺试验研究，取得了较好效果。取得了较好的经济效益和社会效益。 2、自由磨具光整加工注意事项 滚磨光整加工技术的实用工艺过程是： 除油处理→光整加工及去毛刺→分选→清洗→烘干→防锈处理 ◆除油处理：光整前的零件要进行彻底除油处理，常采用超声波清洗方法效果最佳。如果工件上油污进入，磨块切削力明显减弱，磨剂作用会降低、光整效果、效率下降，光整后的零件表面不光亮。 ◆光整加工：光整加工主要是根据被光整零件件的结构形状、尺寸大小及光整要求选择或确定设备形式、设备规格、工艺用料、工艺参数等内容。 ◆光整加工后处理包括三方面：磨块与工件的分选、磨块与工件的清洗及工件的脱水防锈。 磨块与工件的分选常用方法有：手工筛选、机械筛选、振动筛选、手工电磁分选和传送带式磁力分选，可根据实际情况选用。磨块与工件的清洗采用超声波清洗方法最佳，再用清请水冲洗干净，要特别注意工件的脱水烘干和防锈处理。 大量工艺试验发现，工件经滚磨光整加工后表面光洁铮亮，其表层的活跃金属分子赤裸暴露在空气中很快氧化变黑，继而生锈，原因清洗后留在零件表面上的水膜形成了电化学腐蚀所必须的一层电解质溶液。水的电离度虽小，但仍可电离成H+ 和[OH] -，这种电离过程随温度升高而加快。同时水中还溶解有CO2、SO2等，都极易与水结合。 H2O→H+ + [OH]- CO2 + H2O→H2CO3→H+ + [HCO3]- 铁和铁中的杂质浸泡在有H+、[OH]-和[HCO3]-等多种离子的溶液中一样，形成了腐蚀电池，铁是阳极、杂质是阴极。一般情况下，水膜里含有氧气，阳极上的铁被氧化成Fe2+离子，在阳极上获得电子的是氧，然后与水结合成[OH]-离子。腐蚀反应为： 2 Fe+ O2+2 H2O＝2Fe（OH）2 由此看来，光整前除油处理和光整后的脱水烘干、防锈处理是非常必要的，二者缺一不可，其方法也很多。脱水烘干通常采用工业型甩干机，防锈油用主要成份是羊毛脂，石油磺酸钡，石油磺酸钠及助剂。 3、磨粒流抛光 原理:在磨粒流加工过程中，夹具配合工件形成加工通道，两个相对的磨料缸使磨料在这个通道中来回挤动。磨料均匀而渐进地对通道表面或边角进行研磨，产生抛光、倒角作用。机械零件投入机械加工的每张图纸都有去毛刺的技术要求，去毛刺工序，工艺人员往往无法编 制工艺文件，通常采用锉刀、布轮、砂布、砂带等办法来去除毛刺。随着科学技术的进步和生产的发展，人工去毛刺已不能适应现代市场竟争的产品质量和生产方式的要求，光整加工技术逐步取代了传统的去毛刺工艺，而且越来越被人们所重视，目前有些先进企业机械零件的精整与光饰已被技术人员编入图纸技术要求的内容，并形成了标准工序。 § 应用实例 机械零件 工程材料中应用较多的是金属材料，具有强度高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能，用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。 一、机床零件的选材分析 机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为：轴类零件、齿轮类零件、机床导轨等。 1、机床轴类零件的选材 机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类： （1）轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。 （2）中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。 （3）重载主轴。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，例如工作载荷大的组合机床主轴。一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。 （4）高精度主轴。 有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。 过去，主轴几乎全部都是用钢制造的，现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。 2、机床齿轮类零件的选材 机床齿轮按工作条件壳分为三类： （1）轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。 （2）中载齿轮。一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。 （3）重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如：变速箱中一些重要传动齿轮等。 3．机床导轨的选材 机床导轨的精度对整个机床的精度有很大的影响。必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造，如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。为了提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。 二、拖拉机及汽车零件的选材分析 1、发动机和传动系统零件的选材 这两部分包括的零件相当多。其中，有大量的齿轮和各种轴，还有在高温下工作的零件，如进、排气阀、活塞等。它们的用材都比较重要，目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂，发动机和传动系统的选材是不相同的。应该根据零件的具体工作条件及实际的失效方式，通过大量的计算和试验选出合适的材料。 2、减轻汽车自重的选材 随着能源和原材料供应的日趋短缺，人们对汽车节能降耗的要求越来越高。而减轻自重可提高汽车的重量利用系数，减少材料消耗和燃油消耗，这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。 减轻自重所选用的材料，比传统的用材应该更轻且能保证事业性能。比如，用铝合金或镁合金代替铸铁，重量可减轻至原来的1/3～1/4，但并不影响其使用性能；采用新型的双相钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件，可以使用比较薄的板材，减轻自重，但一点不降低构件的强度；在车身和某些不太重要的结构件中，采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材，也可以降低自重，减少能耗。 三、典型零件的选材实例 1、机床主轴 机床主轴是典型的受扭转—弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。 车床主轴的选材结果如下： 材料：45钢。 热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。 性能要求：整体硬度NB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。 工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。 该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。 2、拖拉机半轴 汽车半轴是典型的受扭矩的轴件，但工作应力较大，且受相当大的冲击载荷，其结构如图5所示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性，并在油中淬火防止变形和开裂，中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。 例：铁牛45半轴 材料：40Cr。 热处理：整体调质。 性能要求：杆部HRC37～HRC44；盘部外圆HRC24～HRC34。 工艺路线：下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。 3、机床齿轮 机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kg•m/cm2的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。 例：普通车床床头箱传动齿轮。 材料：45钢。 热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。 性能要求：齿轮心部硬度为HB220～HB250；齿面硬度HRC52。 工艺路线：下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火 （拉花键孔）→精磨。 4、拖拉机齿轮 拖拉机齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以拖拉机的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国拖拉机齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC1～3单位，耐用性可提高7～11倍。 例：拖拉机后桥圆锥主动齿轮。 材料：20CrMnTi钢。 热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2mm～1.6mm。 性能要求：齿面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC33～HRC48。 工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨加工。 以上各类零件的选材，只能作为机械零件选材时进行类比的参照。其中不少是长期经验积累的结果。经验固然很重要，但若只凭经验是不能得到最好的效果的。在具体选材时，还要参考有关的机械设计手册、工程材料手册，结合实际情况进行初选，重要零件在初选后，需进行强度计算校核，确定零件尺寸后，还需审查所选材料淬透性是否符合要求，并确定热处理技术条件。目前比较好的方法是，根据零件的工作条件和失效方式，对零件可选用的材料进行定量分析，然后参考有关经验作出选材的最后决定。 [1] |
| 随便看 |
百科全书收录594082条中文百科知识，基本涵盖了大多数领域的百科知识，是一部内容开放、自由的电子版百科全书。