精密机械基础课件

机械工程学科发展现状与前景展望一、机械工程学科发展概述最古老学科之一(目前30个一级学科)，18～19世纪机械工程逐渐形成其理论基础，成为现代经济主要支撑的工程技术之一。1、机械制造技术的突破性创新，20世纪机械制造技术标志性创新有二：1）、50年代在美国出现数控加工技术，传统与计算机结合的开始；2）、20世纪80～90年代在美国、日本几乎同时出现的快速成形制造技术，是机械工程、计算机技术、信息技术、材料科学、激光技术、化工技术等多学科综合的突破性创新。在制造理念、手段、过程、周期等有革命性突破。“一天制造”成为可能。2、机械制造理论的突破性创新1959年美国物理学家、诺贝尔物理学奖得主R.Frynman提出微型机械的设想，1987年美国NSF启动了第一个微型机电系统（MEMS)计划；日本1991年开始实施微型机械技术大型研究开发计划。尺寸：微米与纳米级3、机械制造系统的突破性创新20世纪60年代美国开始的计算机网络技术的研究，到80年代的商业应用。90年代，经济全球化，成熟的管理技术，支撑，提出：动态联盟、虚拟企业战略。快速响应市场。4、机械制造哲理的突破性创新节能、节约资源、低排放、低（零）污染为目标的绿色制造、循环经济。2004年9月召开的中国共产党十六届四中全会“构建社会主义和谐社会”二、近年我国机械工程学科的发展（一）三大视角：机械工程学科发展的动力机制1、综合集成——面向科学技术：数字化、智能化、敏捷化、微型化、生命化、生态化。2、市场驱动——面向经济技术建设3、和谐发展——面向自然环境三、六大趋势：我国机械工程学科发展的时代潮流1、数字化：CAD/CAM、FMS、CAI、ERP、PDM等2、智能化3、精密化4、微型化5、生命化：主要体现于生物制造，人工假体生物制造、人体器官的生物制造。6、生态化：主要体现于绿色制造气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10四、课程特点与学习方法一、研究对象二、研究内容三、课程性质与教学目的精密机械基础绪论一、研究对象1、机械：机器（三个特征）：①人为的实物组合（不是天然形成的）；②各运动单元具有确定的相对运动；③必须能作有用功，完成物流、信息的传递及能量的转换。机构：有①②两特征。机器和机构的总称机器和机构最明显的区别是：机械的组成：1.原动机：机械动力的来源2.工作机：能完成机械预期的动作3.传动部分：把原动机的运动和功率传递给工作机的中间环节4.自动控制部分机器能作有用功，而机构不能，机构仅能实现预期的机械运动。两者之间也有联系，机器是由几个机构组成的系统，最简单的机器只有一个机构。2、概念构件：运动单元体，构件可由一个或几个零件组成。零件：制造单元体，不可拆散。分通用零件：螺栓、螺母、齿轮、皮带等；专用零件：曲轴、犁等。部件：若干可以完成统一功能，而在结构上连接在一起、协同工作的零件组合体。如：活塞连杆组，车辆各种总成等。工件：机械中的加工对象。装配：按设计要求，将零件与部件连接成产品的过程。制造业与机械工业机械工程：以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中积累的基础经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、应用和修理各种机械中的全部理论和实际问题。机械工程科学由机械学和机械制造组成。各个工程领域的发展都要求机械工程有与之相适应的发展，都需要机械工程提供所必需的机械。机械种类包罗万象，机械制造产品遍及人们的生产、生活、社会活动的方方面面。动力机械：原动机工艺类机械：机床、起重机械、交通运输机械、化工机械。产业机械：农业机械、矿山机械、工程机械建筑机械等。二、研究内容研究通用机械、常用机构和通用零件的性能，材料，热处理，公差与配合，工作原理、结构特点、设计的基本理论。三、课程性质与教学目的教学目的：该课程以一般通用零件的设计为核心，以培养学生具有一般机械设计能力为宗旨，为学生学习专业机械设备提供必要的理论基础，使学生在了解各种机械的传动原理、设备使用、维护及故障分析方面提供必要的基本知识。课程性质：专业基础课通过本课程的学习，可以使学生：1.树立正确的设计思想和培养创造性的思维能力，了解国家技术经济政策和国民经济发展对工程技术人员的要求；2.掌握常用机构和通用零件的结构特点、工作原理及应用，掌握机械设计基本方法，具有初步设计机械传动装置和简单机械的能力；3.具有查阅技术资料的能力和应用标准、规范、手册、图册的能力及自觉性；4.掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练。并了解机械设计的最新发展及现代设计方法在机械设计中的应用。四、课程特点与学习方法主要特点：综合性实践性设计性学习方法：理论联系实际工程观点处理好重点与难点培养创造思维教学参考资料1张克猛.机械工程基础，西安交通大学出版社，20062冯鹤敏.机械工程基础，化学工业出版社，20053蔡兰.机械工程材料，武汉理工大学出版社，20044中国科学技术协会.2006-2007机械工程学科发展报告，中国科学技术出版社。5阎守礼.机械基础.北京理工大学出版社，19956卢晓春.汽车机械基础.机械工业出版社，20037范顺成.机械设计基础.第三版.机械工业出版社，19988陈良玉.机械设计基础.东北大学出版社，2006第一章精密机械设计的基础知识第一节概述一、设计精密机械时应满足的基本要求1.功能要求2.可靠性要求3.精度要求4.经济性要求5.外观要求二、精密机械设计的一般步骤1.调查决策阶段2.研究设计阶段3.试制阶段4.投产销售阶段第四节零件制造工艺性，标准化、系列化、通用化，设计方法及发展工艺的概念：零件加工出的过程。良好的工艺性应具备的条件：1.制造和装备的工时少；2.需要复杂设备的数量较少；3.材料的消耗较少；4.准备生产的费用较少。标准化、系列化、通用化，设计方法及发展。设计方法及发展：理论设计；经验设计；模型设计可靠性设计；机械优化设计；计算机辅助设计第二节零件的工作能力及其计算一、强度----材料抵抗外力产生塑性变形或断裂的能力，强度越高的材料，所承受的载荷越大。按照载荷不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。工程中常用屈服点和抗拉强度作为强度指标。(一)载荷和应力1.静载荷和静应力不随时间变化或变化缓慢的载荷和应力。2.变载荷和变应力随时间作周期性变化的载荷和应力（二）.交变载荷下性能指标(续)钢铁材料：107有色金属及合金：108刚度---材料在受力时抵抗弹性变形的能力。材料刚度的大小通常用弹性模量E来评价。弹性模量E：E=σ/ε式中σ---正应力；ε---正应变。切变模量G：G=τ/γ式中τ---切应力；γ---切应变。二、刚度弹性模量E、G越大，材料的刚度越大，即具有特定外形尺寸的零件(构件)保持其原有形状与尺寸的能力也越大。弹性模量E、G的大小主要决定于金属键，与显微组织的关系不大，合金化、热处理、冷变形等对它的影响很小，基体金属一经确定，其弹性模量值就基本上定了。在材料不变的情况下，只有改变零件的截面尺寸或结构，才能改变它的刚度。4硬度(1)布氏硬度硬度---硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测试，工业生产中常用的方法有“布氏、洛氏和维氏”三种方法。(1)布氏硬度布氏硬度试验方法是把规定直径的淬硬钢球或硬质合金钢球以一定的试验力压入材料表面，保持规定时间后，测量表面压痕直径，其硬度计算公式为：)(204.022dDDDFAFHB第二章工程材料和热处理(续)式中HB---布氏硬度值；F---试验力(N)；A---压痕凹印表面积(mm2)；D---球体直径(mm)；d---压痕平均直径(mm)。表示硬度值时应同时标出压头类型，当试验压头为淬硬钢球时，硬度符号为HBS；当试验压头为硬质合金钢球时，硬度符号为HBW。HBS或HBW之前数字为硬度值，如120HBS，450HBW。(续)(续)布氏硬度主要用来测量灰铸铁、有色金属、退火、正火及调质钢等材料。HBS适用于测量布氏硬度值小于450的材料，HBW适用于测量硬度值大于450小于650的材料。因压痕较大，布氏硬度不适宜检验薄件或成品。(续)表示方法：硬度值HBS(HBW)球径d值(mm)/载荷大小(Kgf)/保持时间(s)，如：120HBS10/1000/30表示d=10mm、载荷大小为1000Kgf、保持时间为30’(注：d=10mm、载荷大小为3000Kgf、保持时间为10’时只写数值和HBS或HBW)。说明：HBS适用布氏硬度值低于450的金属材料(未淬火的钢、有色金属或铸铁件)；HBW适用布氏硬度值为450～650的金属材料。(2)洛氏硬度洛氏硬度---有HRA、HRB、HRC，其中用得最广的是HRC试验原理：用顶角为1200金刚石圆锥体(HRA、HRC)或直径为1.588(即1/16in)的淬火钢球(HRB)作压头，先施加初始试验力F1(98N)，再加上主试验力F2(490N、883N、1373N)，其总试验力为F=F1+F2(588N、981N、1471N)。002.0hKHR使用金刚石压头时，K=0.2；使用淬硬钢球压头时，K=0.26。(续)1---在初始试验力F1作用下压头的位置；2---在总始试验力F=F1+F2作用后的压头位置；3---卸去主试验力F2只保留F1时压头的位置；(续)常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围见P8表1.2。洛氏硬度HRC测试可用于硬度很高的材料，操作简便迅速，压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。但由于压痕小，硬度值代表性就差些。如果材料有偏析或组织不均匀的情况，测所测硬度值的重复性差，故需在试样不同部位测定三点，取其算术平均值。(3)维氏硬度维氏硬度HV---为了更准确地测量金属零件表面的硬度或测量硬度很高的零件，常采用维氏硬度，其符号用HV。维氏硬度试验用金刚石正四棱锥体作压头，其测量原理如下图所示：试验力F的大小可根据试样厚度和其他条件使用，一般试验力可用10～1000N。2.3碳钢2.3.1常存杂质元素对钢性能的影响1.锰(Mn)一般认为锰在钢中是一种有益元素：形成置换固溶体，固溶强化；形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C；增加珠光体的含量并使珠光体变细；减轻S的危害(形成MnS)。碳钢中一般规定W(Mn)＜0.80%；在合锰合金钢中，一般控制W(Mn)=1.0%～1.2%(续)2.硅(Si)硅在钢中也是一种有益元素：可溶入F中，产生固溶强化。碳钢中一般规定W(Si)＜0.35%；3.硫(S)硫是有害元素：FeS与Fe能形成低熔点的共晶体，熔点仅有9850C且分布在奥氏体的晶界上，当钢在1000～12000C锻压时由于晶界熔化造成钢“热脆”4.磷(P)磷是有害元素：使室温下钢的塑性、韧性急剧下降，称为“冷脆”。2.3.2碳钢的分类1.按冶炼方法及设备分类①平炉钢；②转炉钢；③电炉钢。2.按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分类①沸腾钢；②镇静钢；③半镇静钢。3.接含碳量分类①低碳钢W(C)≤0.25%；②中碳钢0.25%W(c)0.6%；③高碳钢W(c)≥0.6%。(续)4.按碳钢的质量分类普通碳素钢---含S≤0.055%、P≤0.045%；优质碳素钢---含S≤0.040%、P≤0.040%；高级优质碳素钢---含S≤0.030%、P≤0.035%。(当存在优质和高级优质时，在高级优质碳素钢钢号后标注“A”或“高”，如T8A；当全部为高级优质钢，如合金工具钢全部为高级优质钢，则不面在牌号后标注“A”字样)。(续)5.按钢的用途分类①碳素结构钢---用于制造工程构件(如建筑、桥梁、船舶)和机器零件(如齿轮、轴、曲轴、连杆、螺钉、螺母等)，含碳量大多在0.7%以下，属低碳钢和中碳钢；②碳素工具钢---用于制造各种刀具、量具、模具，含碳量大多在0.7%以上，属高碳钢；(续)注：J(碱)---碱性空气转炉钢；S(酸)---酸性空气转炉钢；注：平炉钢则不标J、S