精密机械设计基础

精密机械与精密仪器系李永新[e-mail]TechnologyofChina2019年8月8日星期四机械设计基础IndexUpFirst第2页第一章机械设计基础知识设计精密机械时应满足的基本要求1．功能要求：设计精密机械时首先应满足它的功能要求。2．可靠性要求：要使精密机械在一定的时间内和一定的使用条件下有效地实现预期的功能，则要求其工作安全可靠，操作维修方便。为此，零件应具有一定的强度、刚度和振动稳定性等工作能力。3．精度要求：精度是精密机械的一项重要技术指标，设计时必须保证精密机械正常工作时所要求的精度。4．经济性要求：组成精密机械的零、部件能最经济的被制造出来，这就要求零件结构简单、节省材料、工艺性好，尽量采用标准尺寸和标准件。5．外观要求：设计精密机械时应使其造型美观大方、色泽柔和。IndexUpFirst第3页零件的工作能力–强度：□强度是零件抵抗外载荷作用的能力。强度不足时，零件将发生断裂或产生塑性变形，使零件丧失工作能力而失效。–刚度：□刚度是反映零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。–稳定性：□在变载荷作用下，零件将产生机械振动，如果零件的固有频率与载荷的频率相同时，将发生共振。一般情况下，共振将使零件丧失工作能力而失效。IndexUpFirst第4页变载荷和变应力maxminminmaxminmax22ramIndexUpFirst第5页名义载荷、计算载荷•在稳定和理想的工作条件下，作用在零件上的载荷称为名义载荷。•为了提高零件的工作可靠性，必须考虑影响零件强度的各种因素，如零件的变形、工作阻力的变动、工作状态的不稳定等。为计人上述因素，将名义载荷乘以某些系数，作为计算时采用的载荷，此载荷称为计算载荷。IndexUpFirst第6页变应力下的强度--疲劳破坏•疲劳破坏–在变应力作用下，零件的一种失效形式将是疲劳断裂，这种失效形式不仅与变应力的大小有关，也与应力循环的次数有关。表面无缺陷的金属材料的疲劳断裂过程可分为两个阶段，第一阶段是在变应力的作用下，零件材料表面开始滑移而形成初始裂纹；第二阶段是在变应力作用下初始裂纹扩展以致断裂。实际上，由于材料具有晶界夹渣、微孔以及机械加工造成的表面划伤、裂纹等缺陷，材料的疲劳断裂过程只经过第二阶段。零件上的圆角、凹槽、缺口等造成的应力集中也会促使零件表面裂纹的生成和扩展。IndexUpFirst第7页•提高零件的疲劳强度措施–①应用屈服极限高和细晶粒组织的材料；–②零件截面形状的变化应平缓，以减小应力集中；–③改善零件的表面质量，如减小表面粗糙度，进行表面强化处理（表面喷丸、表面辗压）等；–④减少材料的冶金缺陷，如采用真空冶炼，使非金属夹杂物减少。IndexUpFirst第8页疲劳点蚀•由表面接触应力引起零件的破坏形式—疲劳点蚀•在循环接触应力作用下，接触表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展导致表层小块金属剥落，这种失效形式称为疲劳点蚀。点蚀将使零件表面失去正确的形状，降低工作精度，引起附加动载荷，产生噪声和振动，并降低零件的使用寿命。IndexUpFirst第9页零件的表面接触强度•提高表面接触强度措施1.增大接触处的综合曲率半径ρ，以降低接触应力；2.提高接触表面的硬度，以提高接触疲劳极限；3.提高零件表面的加工质量，以改善接触情况；4.采用粘度较大的润滑油，以减缓疲劳裂纹的扩展。IndexUpFirst第10页表面磨损强度•表面磨损强度零件的表面形状和尺寸在摩擦的条件下逐渐改变的过程称为磨损，当磨损量超过允许值时，即产生失效。•引起磨损的原因，一种是由于硬质微粒落人两接触表面间而引起的，另一种是两接触表面在相对运动中相互刮削作用而引起的。•磨损会降低零件的强度，增大接触面间的摩擦，降低传动效率和零件的工作精度。但磨损并非都有害，如跑合、研磨都是有益的磨损。IndexUpFirst第11页磨损过程三个阶段•从零件开始工作到磨损量Δ超过允许值而失效的整个工作期间，可以分为三个阶段（图1-6）。IndexUpFirst第12页减小磨损的基本方法1.充分润滑摩擦表面，使接触表面部分或全部脱离接触；2.定期清洗或更换润滑剂；3.采用适当的密封装置；4.合理选择摩擦表面材料。对于一对相互摩擦的零件，为了避免其中比较贵重的零件过早磨损，常把另一零件的摩擦表面选用减摩材料制造，以减小摩擦阻力。常用的减摩材料有巴氏合金、青铜、某些牌号的铸铁和塑料等；5.用热处理、电镀、熔镀等方法提高接触表面的耐磨性；6.合理减小摩擦表面的粗糙度，以改善摩擦面的接触情况。IndexUpFirst第13页表面磨损强度--设计准则•由于影响磨损的因素很多，如载荷的大小和性质、相对滑动速度、润滑和冷却条件等，所以很难建立起有充分理论基础的抗磨损强度计算方法。通常根据摩擦表面的压强p和与摩擦功成正比的pv值，近似地判断零件的抗磨损强度，即令p和pv的计算值满足下列条件：p≤[p],pv≤[pv]–v—接触表面的相对滑动速度(m/s)；–[p]—许用压强(N/mm2)；–[pv]—许用pv值。精密机械与精密仪器系李永新[e-mail]TechnologyofChina2019年8月8日星期四精密机械设计第三章零件的几何精度IndexUpFirst第15页第一节概述•零件的几何参数，包括尺寸、形状及位置参数等。•加工后，零件的实际几何参数对其理想参数的变动量，称为加工误差；•而实际几何参数近似于理想几何参数的程度，称为几何精度；•零件的加工误差愈小，则其几何精度愈高。IndexUpFirst第16页误差和精度1)误差与精度零件加工后的实际几何参数与理想零件几何参数相符合的程度，称为加工精度（简称精度）。它们中间的差值称为误差。加工误差的大小反映了加工精度的高低，故精度可用误差来表示。误差是零件加工过程中实际产生的2)零件几何参数误差的种类•（1）尺寸误差：实际尺寸与理想尺寸之差；•（2）形状误差：实际形状与理想形状之差；•（3）位置误差：实际位置与理想位置之差。IndexUpFirst第17页•公差是零件几何参数允许的变化范围。•可分为：1、尺寸公差：零件尺寸允许的变动范围；2、形状公差：零件几何要素的形状允许的变动范围；3、位置公差：零件几何要素的位置允许的变动范围。公差是产品设计时给定的公差IndexUpFirst第18页第二节极限与配合的基本术语和定义一、轴与孔孔与轴的基本特征表现为包容和被包容的关系，即孔为包容面，轴为被包容面。IndexUpFirst第19页三、尺寸偏差和尺寸公差IndexUpFirst第20页3）零线与尺寸公差带（公差带）•在公差与配合图解（简称公差带图）中，确定偏差的一条基准直线，称为零线。通常用零线来表示基本尺寸。•公差带：在公差带图中，由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域，称为尺寸公差带。IndexUpFirst第21页•配合：是指基本尺寸相同、相互结合的孔和轴公差带之间的关系。•机器中，不同孔和轴的配合有不同的松紧要求。松紧程度用间隙和过盈的大小表示。•所谓间隙或过盈，就是孔的尺寸与轴的尺寸代数差，此差值为正时是间隙；为负时是过盈。•配合分类：间隙配合、过盈配合、过渡配合四、配合IndexUpFirst第22页基孔制－基准孔的公差带在零线以上，其下偏差为零，以H为基准孔的代号；基轴制－基准轴的公差带在零线以下，其上偏差为零，以h为基准轴的代号。基孔制和基轴制IndexUpFirst第23页基本偏差代号•基本偏差的代号用21个字母和7个双写字母表示，共28个代号。IndexUpFirst第24页公差带图IndexUpFirst第25页第四节形状与位置公差形状与位置误差对零件和产品功能的影响IndexUpFirst第26页IndexUpFirst第27页公差原则1．独立原则（IP）–独立原则是指图样上给定的每一个尺寸和形状、位且要求均是独立的，应分别满足要求的公差原则。IndexUpFirst第28页2.相关要求（1）包容要求–包容要求是指实际要素应遵守其最大实体边界，其局部实际尺寸不得超出最小实体尺寸的一种公差要求。–采用包容要求的单一要素应在其尺寸极限偏差或公差带代号后加注符号“”，见图3-21aEIndexUpFirst第29页•包容要求轴的实际表面必须在最大实体边界内，该边界尺寸为dM＝φ150mm，其局部实际尺寸不得小于dL＝φ149.96mm（图c、d）；当轴径均为dM＝φ150mm时，其允许的形状误差为零（图b）；当轴径均为dL＝φ149.96mm时，其允许的形状误差可达到最大值0.04mm，即等于尺寸公差（图d）。IndexUpFirst第30页（2）最大实体要求•最大实体要求是指被测实际要素的实际轮廓应遵守其最大实体实效边界，当其实际尺寸偏离最大实体尺寸时，允许其形位误差值超出在最大实体状态下给出的公差值的一种要求。•最大实体要求仅适用于中心要素，且保证装配互换的场所。•最大实体要求的符号为“”。当应用于被测要素时，应在被测要素形位公差框格中的公差值后标注符号“”，见图3-22a；当应用于基准要素时应在形位公差框格内的基准字母代号后标注符号“”，如⊕tA。MMMMMIndexUpFirst第31页最大实体要求应用于被测要素•图3-22a表示轴200-0.3的轴线直线度公差采用最大实体要求。当被测要素处于最大实体状态时，其轴线直线度公差为图样上的给定值0.1mm（图3-22c）。•该轴应满足下列要求：①实际尺寸应在19.7－20mm范围内；②实际轮廓不得超出最大实体实效边界，即dfe不大于dMV（dMV=dM＋t＝（20＋0.1）mm=20.1mm）；③当该轴处于LMC时，其轴线直线度误差允许达到最大值，即等于图样给出值0.1mm与轴的尺寸公差0.3mm之和0.4mm（图3-22b）。IndexUpFirst第32页最大实体要求应用于被测要素IndexUpFirst第33页第五节表面粗糙度及其选择表面粗糙度的概念表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距和“峰”、“谷”所组成的微观几何形状特性。一般它是由所采用的加工方法和其他因素形成的。表面粗糙度直接影响零件的配合性质、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性以及密封性等使用性能，也影响外观质量。因此，表面粗糙度也是评定零件和产品质量的重要指标，因此，设计中应合理给出零件的粗糙度要求。表面越粗糙，表面粗糙度越大。IndexUpFirst第34页niiaynR111、轮廓算术平均偏差Ra•Ra的值越大，则表面越粗糙。Ra能客观地反映表面微观几何形状误差，但因受到计量器具功能的限制，不宜用做过于粗糙或太光滑表面的评定参数。dxylRla01IndexUpFirst第35页三、表面粗糙应的符号、代号及其注法1）表面粗糙度的基本特征代号为：①——用去除材料的方法（如车、铣、磨等）获得的表面；②——用不去除材料的方法（如铸、锻等）获得的表面；③——基本符号，若单独使用则无意义。IndexUpFirst第36页粗糙度标注示例•表面粗糙度在图样上标注方法：例如，在同一图样上，每一表面一般只标注一次代[符]号，并尽可能靠近有关的尺寸线，当地位狭小或不便标注时，可引出标注，如图3-27a所示；中心孔的工作表面，键槽工作面，倒角、圆角的表面粗糙度代号，可以简化标注，如图3-27b所示。精密机械与精密仪器系李永新[e-mail]TechnologyofChina2019年8月8日星期四精密机械设计第四章平面机构的结构分析IndexUpFirst第38页第四章平面机构的结构分析•运动副•自由度•运