凸轮机构与工程材料.ppt

第 十 章 凸轮机构和其他常用机构,授课学时：3学时,10-1,10-2,基 本 要 求,1.了解凸轮机构的基本类型和应用。 2.了解凸轮机构从动件的常用运动规律。 3.掌握用图解法设计盘形凸轮轮廓的方法。 4.掌握凸轮机构的压力角与基圆半径的概念与应用。 5.了解棘轮机构和槽轮机构的工作原理、特点和应用。 6.了解不完全齿轮机构的工作原理。,10.1 凸轮机构的应用与分类,10.1.1 凸轮机构的组成,凸轮机构 是由凸轮、 从动件和 机架三个 基本构件 组成的高 副机构。,内 燃 机 配气机构,凸轮是该机构的主动件，具有曲线工作表面（即曲线轮廓和凹槽）。通常作连续等速转动（有时，作往复直线移动）。 从动件的运动是由凸轮给予的，在极限范围内，按要求作一定规律的运动。例如连续往复运动、间歇运动、摆动等，即可使从动件作连续的或不连续的任意预期运动。,内燃机配气机构简图,10.1.2 凸轮机构的应用,凸轮机构是一种结构简单且容易实现任意复杂的运动规律的常用机构。 利用凸轮轮廓曲线可使从动件实现各种给定的运动规律。因此，凸轮机构在多种机械，特别是在自动化和半自动化机械中得到了广泛的应用。,6.1.3 凸轮机构的分类 1.按凸轮型式分 盘形凸轮是一个绕固定轴回转、工作轮廓具有不同曲率半径的盘形零件。是凸轮的最基本型式。 移动凸轮是相对于机架作往复直线运动。当凸轮1在其他机构带动下左右移动时，凸轮上的沟槽通过滚子推动从动件上下运动。, 圆柱凸轮是在圆柱面上加工出曲线工作表面的凸轮，也可视为将移动凸轮卷成圆柱体而绕一固定轴回转而构成的。,移动凸轮机构,圆柱凸轮机构,2按从动件型式分,直动,摆动,凸轮机构,盘形凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,尖端,曲面,滚子,平底,按从动件的运动形式和工作端形式区分，从动件可直动或摆动，其工作端可为尖端、滚子、平底和其他曲面。,10.1.4 凸轮机构的特点,1优点：从动件可实现任意的运动规律；而且结构简单、紧凑。 2缺点：由于是高副接触，产生高接触应力，易磨损；不宜传递很大的力。此外，凸轮制造较复杂，精度要求高时需用数控机床加工。,10.2 从动件常用的运动规律,10.2.1从动件的位移图线,分析机凸轮构的工作原理可知，由凸轮轮廓的形状决定从动件的运动规律；而设计凸轮机构时，则是根据从动件的运动规律去确定凸轮的工作轮廓。,从动件位移图线是指从动件的位移S和凸轮转角的关系曲线。它是设计凸轮轮廓曲线的依据。,基 本 术 语,基圆：以凸轮轮廓的最小向径rb为半径绘制的圆。 推程：当凸轮以匀速角速度逆时针转过0角时，从动件被凸轮推动，以一定规律由距离回转中心最近位置到达最远位置的过程。 推程运动角：与推程对应的凸轮转角0。 升程：在推程中，从动件上升的距离h。 远休止角：当凸轮继续回转s角时，从动件在最远位置停留不动，s称为远休止角。 回程：从动件在弹簧或重力作用下，以一定运动规律（沿凸轮上相应轮廓）由最远位置回到最近位置的过程。是推程的逆向运动。 近休止角：当凸轮继续回转s角时，从动件在最近位置停留不动，s称为近休止角。,凸轮轮廓形状决定了从动件的位移图线。反之，从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。,10.2.2 从动件的常用运动规律,从动件常用的运动规律有匀速、匀加速匀减速、简谐运动规律等几种。以简谐运动规律为主介绍从动件的运动规律。,1简谐运动（余弦加速度运动）,质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。,为了便于设计和制造，通常把从动件的运动规律表示为凸轮转角的函数。, 以从动件升程h为直径画半圆,将该半圆分成n等分(n6)，得1、2、3、n点。 将凸轮推程运动角0也分成相应的等分。 从圆周上各分点作水平线，分别与0角各对应分点的垂线相交，得1、点。 光滑连线。把上述交点连成的光滑曲线便是从动件的位移图线。,由加速度图线可知，从动件在行程的始末两点，加速度出现有限值的突变，因而产生有限的惯性力，引起所谓的“柔性冲击”。,2匀速运动,当凸轮等速运动时，从动件上升或下降的速度为一常数,这种运动规律称为匀速运动规律。,由图可知，从动件在运动开始和终止时的瞬时速度有突变，所以这时的加速度及其产生的惯性力在理论上为无穷大（由于材料有弹性变形，虽然加速度和惯性力不会达到无穷大，但仍很大），从而产生强烈的冲击、噪声、高应力和磨损。这种冲击称为“刚性冲击”。因此，匀速运动规律只适用于低速轻载。,3匀加速匀减速运动（抛物线运动）,这种运动规律在一个行程中，常取前半程作匀加速运动，后半程作匀减速运动，并取两加速度的绝对值相等。采用此运动规律可使凸轮机构的动力特性有一定的改善。,由于从动件的位移s与凸轮转角的平方成正比，其位移曲线为一抛物线，如图所示，当转角为1、2、3、4个单位时，位移的比值为1：4：9：16。,由图可知，这种运动规律在O、A和B各点处加速度出现有限值的突变，因而产生有限的惯性力，引起“柔性冲击”。 所以匀加速匀减速运动规律只使用于低、中速情况。,此外，为了使加速度曲线保持连续而避免冲击，特别对于高速凸轮机构，工程中还采用正弦加速度（摆线运动）、高次多项式等运动规律。,10.3 图解法设计盘形凸轮轮廓曲线,10.3.1反转法原理,凸轮机构工作时，若凸轮以角速度回转。,在设计凸轮时，则需要凸轮相对固定。根据相对运动原理，若给整个机构加上绕凸轮轴心的公共角速度（-），机构各构件间的相对运动不变。于是，凸轮变成不动，而从动件一方面和机架以角速度（-）绕轴心转动，另一方面仍按给定运动规律相对于机架导路作往复运动。由于尖端始终与凸轮轮廓保持接触，所以反转后尖底的运动轨迹就是凸轮轮廓。这种设计凸轮轮廓曲线的方法称为反转法，又称相对运动法。,10.3.2对心直动尖底从动件盘形凸轮,其理论根据是相对运动原理，在整个机构上附加公共角速度后，机构中各构件之间的相对运动关系仍保持不变。 建立在“反转法原理”基础上，根据从动件的位移图线和所确定（或已知）的基圆半径绘制凸轮轮廓的方法称为“图解法”。,当凸轮机构中的凸轮以等角速度逆时针转动，凸轮基圆半径为rb；从动件运动规律为：推程运动角120o，从动件等速上升一个行程h，远休止角60o，回程运动角90o ，从动件等速下降回到最低位置，近休止角90o，此时凸轮转动一周。试设计凸轮的轮廓曲线。,.根据已知条件（从动件的运动规律），选取长度比例尺和角度比例尺（实际角度/图样线性尺寸）作出位移图线。,.将位移图线的推程和回程所对应的转角等分为若干等分（图中推程为四等分，回程为三等分）。,.用同样的比例尺，以O为圆心，以,为半径作基圆。从动件导路与基圆的交点C0（B0）即为从动件尖底的起始位置。,.确定从动件在反转运动中依次占据的各个位置。自OB0开始沿-方向量取凸轮各运动阶段的角度，并将转角与位移图线相同的等分。等分线与基圆相交C1、C2、C3等点。等分线表示从动件在反转运动中依次占据的位置线。,，点B1、B2、B3，就是从动件尖底作复合运动时各点的位置，光滑连接各点即为所求凸轮轮廓曲线。,.在等分线上，过C1、C2、C3各点分别向外按位移曲线量对应的位移，得点B1、B2、B3；即,10.3.3 对心直动滚子从动件盘形凸轮,滚子中心的运动规律与尖底从动件尖底处的运动规律相同，故可把滚子中心看成从动件的尖底，按上述方法先求得尖底从动件的凸轮轮廓线，再以该曲线上各点为圆心，用滚子半径r为半径作一系列圆，这些圆的内包络线为与滚子从动件直接接触的凸轮轮廓，称为凸轮工作轮廓。相应尖底从动件的凸轮轮廓线在凸轮工作时并不直接，而与滚子接触，故称为凸轮理论轮廓。,滚子从动件凸轮的基圆半径rb是指理论轮廓的最小向径。,设计滚子从动件凸轮工作轮廓的步骤：,先按尖底从动件凸轮的设计方法作出其理论轮廓， 再根据滚子半径作出理论轮廓的法向等距曲线，即为滚子从动件的凸轮的工作轮廓线。,滚子半径大小对凸轮实际轮廓线的形状的影响,如图所示的外凸凸轮轮廓线，工作轮廓的曲率半径a等于理论轮廓曲线曲率半径与滚子半径之差，即a=-r。,在设计中，若r，则a 0，工作轮廓为一光滑曲线，即下图所示。,若=r，则a =0，工作轮廓线将出现尖点，如图b，这种轮廓极易磨损，不能使用。,若r，则a 0，工作轮廓线的曲率半径出现负值，而凸轮的一部分工作将成为自交曲线，如图c，图中的阴影部分在制造时将被切去，致使从动件不能完成预期的运动规律。,滚子半径的选择,对外凸凸轮应使滚子半径r小于理论轮廓的最小曲率半径min，通常取,为了防止凸轮磨损过快，工作轮廓线上最小曲率半径不宜过小，一般取,另一方面，滚子的尺寸还要受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取,此外，可以用加大基圆半径的方法使a0,10.4 凸轮机构的压力角和基圆半径,基圆半径rb是凸轮轮廓设计中的一个重要参数，它对凸轮机构的尺寸、受力、磨损和效率等都有着重要的影响。基圆半径是预先选定的，其大小取决于凸轮轴的直径和许用压力角。,10.4.1压力角及其许用值,凸轮机构的压力角是指在不计摩擦的情况下，凸轮对从动件的作用力方向（即接触点轮廓法线方向）与从动件运动方向之间所夹的锐角。 压力角是衡量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数。,凸轮给从动件的驱动力Fn将沿法线nn方向，Fn可分解为沿从动件运动方向的有用分力Fy和使从动件对导路产生侧向压力的有害分力Fx,当Fn一定时，压力角越大，机构的效率越低。当Fx增大到一定程度，致使它产生的摩擦阻力Ff等于或大于有用分力Fy时，无论凸轮给从动件的驱动力有多大，也不能使从动件运动。 仅在驱动力或驱动力矩作用下，所引起的摩擦使机构不能产生运动的现象称为自锁。,机构开始自锁时的压力角称为极限压力角。,为了保证凸轮机构能顺利地工作，并且有一定的传动效率，必须对压力角加以限制。凸轮轮廓线上各点的压力角是变化的，故设计凸轮机构应使最大压力角不超过许用值，即,许用压力角远小于极限压力角，一般设计中推荐许用压力角为：,在直动从动件推程中，,在摆动从动件推程中，,当从动件处于回程时，由于从动件实际上不是由凸轮推动，一般不存在自锁现象，故通常规定直动从动件和摆动从动件回程时的许用压力角,以上推荐的数据，当采用滚子从动件、润滑状态较好以及载荷不大、转速不高时，可取大值，否则取小值。,凸轮轮廓画好后，应检查其最大压力角是否超过许用值。用图解法检验压力角时，无论对尖底、滚子或斜平底从动件，都可在凸轮理论轮廓曲线比较陡的地方取若干点来进行检验。,一般情况下，最大压力角位于从动件位移图线的拐点处，即位移曲线从上凸至下凹（或反之）的转折点处。所以，可在理论轮廓曲线上找出相应的点进行检验，若最大压力角max超过许用值，可适当增大基圆半径rb，使max减小，或重新选择从动件运动规律。 对平底从动件凸轮机构，凸轮对从动件的法向力与从动件该点速度方向平行，故压力角始终为0，一般不会发生自锁。,10.4.2 压力角与基圆半径的关系,从动件位移S2与B点处凸轮向径r和凸轮基圆半径rb的关系,凸轮上B点的速度与从动件上B点的速度在接触点的速度在法线上的分量应相等,当给定运动规律后，1、2、s2均为已知。由上式可知，基圆的半径越小，则压力角越大，若基圆半径过小，则压力角将超过许用值，使得机构效率太低，甚至自锁。 在实际设计中应在保证最大压力角不超过许用值的前提下减小凸轮机构的尺寸，其基圆半径一般推荐为,d为凸轮轴直径,10.5 棘 轮 机 构,当机构的主动件连续运动时，从动件能产生“动作停止动作”的运动，这类机构称为间歇运动机构。,棘轮机构是指能实现短暂停留的一种间歇运动机构。,通常，我们所讲的间歇运动机构不包括凸轮机构。 常用的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构。,10.5.1 棘轮机构的组成和工作原理,常见的外啮合齿式棘轮机构主要由棘轮、主动棘爪、止回棘爪和机架组成。,10.5.2 棘轮机构的调节,棘轮机构中的棘轮的转向及转角不能改变，且转角不能太大或太小。在实际应用中，可采用一些方法进行调节。 1利用调节摇杆控制棘轮转角 2利用遮板调节棘轮的转角 3利用多棘爪以适应较小的转角 4利用双动棘爪以加大棘轮转角 以上棘轮机构的棘轮转角都是相邻两齿所夹中心角的倍数，即棘轮的转角只能有级地改变。若要实现转角的无级调节，可采用摩擦式棘轮机构。 5摩擦式棘轮机构,10.5.3 棘轮机构的特点和应用,齿式棘轮机构具有结构简单、制造方便和运动可靠等特点，在各类机械中有较广泛的应用。齿式棘轮机构不宜用于高速传动，也不宜直接用在具有很大质量的轴上。,棘轮机构可实现机械的间歇送进、制动和超越离合。,牛头刨床的示意图,棘轮机构在起重设备中，可用于防止机构逆转的制动器。,棘轮机构也常在各种机构中起超越离合作用。,起重设备中的防逆转棘轮机构,10.6 槽 轮 机 构,槽轮机构是指能实现从动件较长时间停留的间歇运动机构。,10.6.1 槽轮机构的组成与工作原理,一、槽轮机构的组成,单 圆 销 外 啮 合 槽 轮 机 构,槽轮机构由带圆销A的拨盘(曲柄)1、具有径向槽的槽轮2及机架等组成。拨盘上有一段外凸的锁止圆弧，槽轮上制有若干段内凹的锁止圆弧。,二、槽轮机构的工作原理 拨盘为主动件，当它以等角速度1作连续转动时，曲柄随之转动，其上的圆销进入槽轮的径向槽内时，槽轮即按2的方向转动；当圆销从径向槽内脱出时，槽轮上的内凹锁止圆弧被拨盘上的外凸锁止圆弧“卡住”，故槽轮停止不动，直至圆销进入下一个径向槽内时，才又重复上述的运动循环，使槽轮实现间歇的单向转动。,10.6.2 槽轮机构的特点和应用,槽轮机构结构简单，工作可靠，机械效率较高，在进入和退出啮合时运动较为平稳。 槽轮机构只能用于转角较大的间歇传动。 为了避免槽轮在开始和终止转动时发生刚性冲击，槽轮机构槽数z不能过少。 槽轮机构常在自动或半自动机械和轻工机械中用作转位机构，如六角车床的刀架转位机构、放映机的卷片机构。由于槽轮在转动过程中有较大的角加速度，故不宜用在速度过高的场合，尤其从动系统转动惯量较大时，将引起较大的惯性力矩。,图所示的六角车床刀架转位机构，可装六种可以变换的刀具，按加工工艺要求，自动改变需用的刀具。1-圆销拨盘，2-槽轮,内槽轮的运动规律与外槽轮相反，槽轮的转向2与主动圆销拨盘的转向1相同，且转动的时间大于停歇时间。,10.6.3 槽轮机构的主要参数,槽轮机构的主要参数是槽轮的槽数z和曲柄的圆销数目K。,在一个运动循环内，槽轮的运动时间t2与拨盘曲柄的运动时间t1的比值称为运动特性系数，用表示。,对于单销轴的槽轮机构，t2和t1所对应的转角为21和2。故,槽轮机构中，槽轮的径向槽数z3。,当有K个圆销时，故,由于槽轮机构为间歇机构，所以1，故,10.7 不完全齿轮机构简介,不完全齿轮机构是由齿轮机构演化而来的，这种机构的主动轮1是只有一个或几个齿的不完全齿轮，从动轮2由正常齿和带锁止弧的厚齿彼此相间地组成。当主动轮有齿部分作用时，从动轮2就转动；当主动轮1的无齿圆弧部分作用时，从动轮停止不动，因而，当主动轮连续回转时，从动齿轮获得时转时停的间歇运动。为了防止从动轮在停歇期间游动，两轮轮缘上均装有锁止弧。,不完全齿轮机构,图所示的为不完全齿轮传动的往复移动机构。1为不完全齿轮，2为齿条。,作业 10-2、10-3、10-6 10-5(将滚子改为尖顶）,第 十一 章 机械工程常用材料,授课学时：1学时,1.碳钢 碳钢的主要成分为铁和碳两种元素，此外还含有少量的锰、硅、硫、磷、氢、氧等元素。 按碳钢的碳含量分为低碳钢（0.25%）、中碳钢（0.25%0.6%）和高碳钢（0.6% 2.5%）；按钢的质量好坏分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢；按用途分为碳素结构钢和碳素工具钢。 （1）普通碳素结构钢简称碳钢，磷、硫含量较高，多用于工程结构件，如轧制钢板、钢筋、钢管、建筑物构件、普通螺钉、螺母等，其中Q215、Q235、Q255等比较常用。 （2）优质碳素结构钢的磷、硫含量较低，主要用来制造各种机械零件，如冲压件、焊接件、轴、齿轮等。 （3）碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具。 （4）铸钢用来铸造一切形状复杂而需要一定强度、塑性和韧性的零件。,11.1常用金属材料,合金钢是指特意加入合金元素的碳钢。合金钢种类繁多，分类方法也很多。按含合金元素数量多少分为低合金钢、中合金钢和高合金钢；按所含合金元素质量高低分为铬钢、铬镍钢、锰钢和硅锰钢等；按用途分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。 （1）合金结构钢 低合金高强度钢，主要用于制造桥梁、船舶、车辆等大型钢结构件； 合金渗碳钢，主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴活塞销等机械零件； 合金调质钢，广泛用于制造汽车、拖拉机。机床的各种重要零件，如齿轮、连杆； 弹簧钢，主要用于制造各种弹簧和弹性组件； 滚动轴承钢，主要用于制造轴承中的滚动体（如滚柱、滚针等）、内外滚套。,2.合金钢,合金刃具钢，可分为低合金工具钢和高速钢，具有高硬度、高耐磨性和高热硬性，主要用于车刀、铣刀和钻头等金属切削刀具； 合金模具钢，主要用于制作各种冷冲模、冷挤压模、热锻模、热压模等； 合金量具钢，主要用于制作各种量测工具，如卡尺、千分尺、量规等。,（2）合金工具钢,不锈钢：具有很高的耐腐蚀性，主要用来制作在各种腐蚀介质中工作并具有较高抗腐蚀能力的零件，如化工装置中的各种管道、泵，医疗器械和日常生活用品等； 耐热钢是指在高温下具有较高的化学稳定性和强度的钢，主要用于汽轮机、内燃机、锅炉等设备中。,（3）特殊性能钢,铸铁是含碳量大于2.5%的铁碳含金，并且含有较多的硅、锰、磷、硫等元素。 （1）灰铸铁 拉伸强度和塑性较低，但价格便宜，主要用来制造阀壳、轴承座，机床底座、床身、滑台等。 （2）可锻铸铁 具有较高的强度、塑性和冲击韧性，可部分代用碳钢。常用于制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车的后桥外壳、管接头等。 （3）球墨铸铁 抗拉强度明显超过灰铸铁，与钢相当，主要用来制作柴油机、汽油机的曲轴，磨床、铣床和车床的主轴，阀体、阀盖、汽车、拖拉机底盘零件。 （4）蠕墨铸铁 其强度接近于球墨铸铁，并具有一定的韧性、较高的耐磨性和良好的铸造性能和导热性能，主要用于制造气缸盖、气缸体等。 （5）合金铸铁 在铸铁中加入某些合金元素，可得到具有较好的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性的合金铸铁。,2.铸铁,工程上通常将钢铁材料以外的金属及其合金，称为有色金属及其合金（或非铁金属及其合金）。有色金属及其合金具有钢铁材料所没有的许多特殊的力学、物理和化学性能，是现代工业不可缺少的金属材料。 （1）铝及其合金 密度小、比强度高；导电性好、抗大气腐蚀能力好；磁化率极低；具有良好的冷成形、切削加工和铸造成形性能。 纯铝中含有铁、硅、铜、锌等杂质，使其性能略微下降。按纯铝中铝的含量不同，纯铝可分为： 高纯铝（铝含量为99.9399.99%），主要用于科学研究和制作电容器。 工业高纯铝（铝含量为98.8599.9%），用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金的原料。 工业纯铝（铝含量为 98.099.0%） ，用于制作电线、电缆、日用器皿及配制合金。,4.有色金属及其合金,纯铜导电性、导热性极佳，是抗磁性物质；铜合金的导电性、导热性也很好；具有很高的对大气和水的抗蚀能力；具有良好的加工性能，容易铸造成形；具有优良的减摩性、耐磨性，以及高的弹性极限和疲劳极限；但储量小、价格较贵。 纯铜呈紫红色，俗称紫铜，主要用于制作电导体及配制合金；由于强度低，不宜作结构件。,铝合金是在纯铝中加入合金元素后而获得的具有较高强度、硬度的金属材料。 铝合金一般分为变形铝合金和铸造铝合金。 变形铝合金塑性较好，适合于变形加工。主要用于铆钉、管道、受力构件及高载荷零件，形状复杂的锻件。 铸造铝合金流动性好，适合于铸造生产。主要用于形状复杂的零件，如汽车、飞机、仪器零件和抽水机壳体等。,（2）铜及其合金,黄铜是指以锌为主要合金元素的铜合金。 按化学成分，黄铜可分为普通黄铜和复杂黄铜。复杂黄铜又分为压力加工黄铜（以黄铜加工产品的形式供应）和铸造黄铜。其中，普通黄铜主要用于机械及电器零件、冲压件、散热器外壳等。压力加工黄铜主要用于机器结构零件、耐腐蚀和耐磨零件。铸造黄铜主要用于散热器和耐腐蚀、耐磨零件，如轴承、衬套等。 青铜原指铜锡合金，但目前习惯上将含铝、硅、铅、铍、锰等的铜基合金统称为青铜。 青铜可分为压力加工青铜（以青铜加工产品的形式供应）和铸造青铜。其中，压力加工青铜主要用于轴承、轴套等耐磨零件及一些弹性组件。铸造青铜主要用于阀门、泵体、齿轮及轴承等耐磨零件。,铜合金是指在纯铜中加入合金元素后而获得的较高强度的金属。铜合金一般分为黄铜和青铜。,为了工程上使用方便，金属材料常常被做成各种型材、板材和带材等。如铝镁合金可以被挤压成角形型材、丁字型材、槽形型材、工字型材。,5.金属型材,碳钢和铸铁的主要成分为铁和碳两种元素，此外还含少量的锰、硅、硫、磷、氢、氧等元素，因此也将它们称为铁碳合金。铁碳合金的成分不同（碳和铁的含量不同），则内部组织和性能不同，在实际中应用也不同。,11.2钢的热处理,1.铁碳合金的内部组织,铁碳合金有以下一种或几种内部组织构成： 铁素体：有很低的强度、硬度和良好的塑性、韧性； 奥氏体：有良好的塑性和较低的变形抗力； 渗碳体：有很高的硬度和很低的塑性、冲击韧性； 珠光体：为铁素体和渗碳体的机械混合物，有较好的强度、适中的硬度和一定的塑性； 莱氏体：为奥氏体和渗碳体的机械混合物，有很高的硬度和很差的塑性。 钢的热处理是把钢在固态下加热到一定的温度后保温一段时间，再以适当的冷却速度进行冷却，从而改变钢的内部组织，以获得预期的性能的工艺方法。,铁碳合金的内部组织构成,热处理分为常现热处理和特殊热处理。 常规热处理包括： （1）退火 将钢件加热到某一合适温度范围，保温一段时间后，在炉中或埋入导热性差的介质中，使其缓慢冷却的热处理方法。退火可以使工件内部组织均匀细化，提高性能；可以降低硬度，改善加工性能；可以消除内应力。 （2）正火 将钢件加热到某一合适温度范围，保温一段时间后，从炉中取出工件在空气中冷却的热处理方法。正火与退火的主要差别在于正火的冷却速度快，可以使工件获得稍高的强度和硬度。 （3）淬火 将钢件加热到某一合适温度范围，保温一段时间后，在水中或油中急剧冷却的热处理方法。淬火可以提高工件的硬度和耐磨性。,2.常规热处理,（4）回火 将淬火后的钢件加热到某一合适温度，保温一段时间后，然后冷却到室温的热处理方法。回火的目的是为了消除淬火工件的内部应力，防止工件的变形和开裂，减少脆性。 （5）调质处理 是指淬火加高温回火的热处理工艺。调质处理能兼顾强度、硬度和韧性要求，广泛用于要求具有较好综合力学性能的重要零件，如齿轮、连杆、螺栓和轴等。,特殊热处理可分为表面热处理和化学热处理。如表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗。 表面热处理是指仅对钢的表面进行加热、冷却，改变其表层组织和性能而不改变其内部的组织和性能的热处理工艺。,3.特殊热处理,最常用的表面热处理工艺为表面淬火。钢的表面淬火是通过感应加热、火焰加热等快速加热方法将工件表面迅速地加热到某一个温度，在心部组织尚未发生相变时，立即予以淬火冷却，使工件表层发生相变，获得硬且耐磨的组织的一种工艺。表面淬火可以使工件表面具有较高的硬度和耐磨性，而工件的心部仍然保持着原来的韧性和塑性；另外还可以显著提高工件的疲劳强度。,化学热处理是指将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，达到改变表层的成分、组织和性能，满足技术要求的热处理工艺。 按照表层渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等种类。 渗碳是将钢件放在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入到钢件表层的化学热处理。 渗氮是指向钢件表层渗入氮的工艺。 碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮的工艺。,高分子材料是由大量低分子化合物聚合而成。它包括工程塑料、橡胶、纤维和粘结剂。按热性能不同，工程塑料可分为： （l）热塑性塑料 这种塑料的特点是加热时软化，可塑造成型，冷却后变硬。此过程可重复进行。 （2）热固性塑料 这种塑料的特点是初加热时软化，可塑造成型，但固化之后再加热将不再软化，也不溶于溶剂。,11.3机械工程中常用的非金属材料,1.高分子材料,陶瓷是指用各种粉状原料做成一定形状后，在高温窑炉中烧制而成的一种非金属固体材料。在传统上，陶瓷是指陶器和瓷器；现在，陶瓷实际上是对包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦、水泥、石灰、石膏等无机非金属材料的统称。 陶瓷的性能特点：刚性和硬度在各种材料中最高；抗拉强度很低、抗弯强度较好、抗压强度非常高；在室温下几乎没有塑性；韧性极低、脆性极高，抗冲击韧性极差（陶瓷的最大缺点）；热膨胀系数低；导热性差，是较好的绝缘材料；热稳定性很低，在不同温度范围波动时容易破裂（陶瓷的又一缺点）；化学稳定性好，具有很高的耐火性或不可燃性，是很好的耐火材料；另外，陶瓷对于酸、碱、盐等腐蚀性较强的介质均有较强的抗蚀能力。,2.陶瓷,复合材料是指由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质经人工制作而成的一种多相固体材料。 复合材料的性能特点是：比强度和比刚度高；抗疲劳性能好；抗断裂能力强；减震能力强；高温性能好。 复合材料为多相固体材料，全部相可分为两类：一类相为基体，起粘结剂作用；另一类为增强相，起提高强度（或韧性）作用。按基体和增强相不同，复合材料的分类。,3.复合材料,为了工程上使用方便，像金属材料一样，非金属材料也常常被做成各种管材、棒材和板材等，如硬聚氯乙烯（PVC-U）管材、聚四氟乙烯棒材、织物强力液压橡胶软管、钢化玻璃、钛-钢复合板等。,4.非金属型材,11.4机械零件材料及毛坯选择,机械设计不仅包括机构设计、零件结构设计，还包括零件的材料选择。零件的材料选择对零件的工作性能、制造质量和加工成本都有重要影响。 选择零件材料时必须保证零件在使用过程中具有良好的工作性能，在加工过程中具有良好的工艺性能，并尽量降低零件的成本。,零件材料选择的一般原则是在满足零件使用性能的前题下，考虑材料的加工工艺性能和经济性。,11.4.1零件材料的选择,使用性能是指零件在工作状态下为了完成所规定的功能，要求材料应具有的力学性能、物理和化学性能。它是在大多数情况下零件选材首要考虑的原则。零件材料的使用性能是在充分分析零件工作条件和失效形式基础上提出的。,1.材料的使用性能,零件的工作条件包含三个方面： 受载荷情况 包括载荷的类型（动载、静载、循环载荷和冲击载荷等）、大小、形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转等）。 工作环境情况 包括物理环境（温度、摩擦等）和化学环境（酸、碱、盐的腐蚀等）。 特殊要求 主要是指对材料的导电性、导热性、抗磁性等方面提出的特殊要求。,工艺性能是指材料加工的难易程度。金属材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性能等。 3.材料的经济性 经济性也是选材的根本原则之一。只有选择既能够满足使用性能、工艺性能要求，又价格便宜的材料，才能使产品质优、成本低，具有较强的市场竞争力，为企业赢得更大的经济效益。,2.材料的工艺性能,1.齿轮的工作条件分析 齿轮是机械工业中应用最广泛的零件之一，主要用于传递转矩和调节速度。齿轮在工作时的受力情况如下： （1）齿根承受很大的交变弯曲应力。 （2）齿部承受一定的冲击载荷。 （3）齿面承受很大的接触应力，并发生强烈的摩擦。 2.齿轮的失效形式分析 （1）疲劳断裂 是齿轮最严重的失效形式，主要在根部发生。 （2）齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小。 （3）齿面点蚀 即齿面接触疲劳破坏，在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹发展，引起点状剥落。 （4）过载断裂 主要是冲击载荷过大造成断齿。,11.4.2典型零件的选材举例,（1）应具有较高的弯曲疲劳强度。 （2）应具有较高的接触疲劳强度和耐磨性。 （3）应具有较高的强度和冲击韧性。 （4）应具有较好的热处理工艺性能，如热处理后变形较小等。 4.齿轮零件的选材 齿轮类零件材料要求的性能主要是疲劳强度高，并且应有足够的冲击韧性。因此应选用低、中碳钢或合金钢，并经表面强化处理，使表面具有较高的强度和硬度，心部具有较好的韧性。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理。具体的钢种可根据齿轮的载荷类型和淬透性要求来决定。,3.齿轮的性能要求,1.毛坯的种类和特点 （1）铸件 适用于制作形状复杂的零件毛坯，尤其是用其他方法难以成形的复杂件毛坯。 （2）锻件 适用于要求强度高、形状不太复杂的零件毛坯。 （3）型材 是钢、有色金属或塑料等通过轧制、拉拔、挤压等方式生产出来的，沿长度方向横截面不变的材料。多用于制造毛坯精度要求较高的中小型零件。 （4）焊接件 用焊接方法组合在一起的毛坯。 （5）冷冲压件 多用于中小尺寸零件的大批量生产。 2.选择毛坯的原则 （1）适用性原则 （2）经济性原则,11.4.3 毛坯的选择,（1）零件材料对工艺性能的要求。 （2）生产批量。 （3）零件的结构、形状、尺寸和设计的技术要求。 此外，还应考虑现有生产条件，如技术水平、设备状况及外协的可能性。,3.选择毛坯时应考虑的其他因素,