【机械工程专业】机械工程专业英语武汉理工大学出版社详细翻译61

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材料和热加工

机械学的基本概念

功是力乘以该力作用在物体上使物体移动的距离。功用公斤·米来表示。1公斤·米等于1公斤力作用于物体上使物体移动1米的距离。例如，一项工作需要提升一台300公斤重的设备到两米半高的卡车上，那么就需要750公斤·米的功。由于没有一个人能直接举升300公斤重，因此必须使用一种装置去调节所需要的可以控制的作用力。常见的装置是一个斜面——在这个例子中，一个倾斜在地面和卡车之间的承载斜板，如果斜板有10米长，摩擦力忽略，那么就需要75公斤的力将机器滚上斜板。总功仍然是750公斤·米（用75公斤乘以10米），但作用力已经被改变，于是乎其所需的最大外力仅仅是75公斤。

使所需的作用力减少，同时这个较小的作用力使所通过的距离增加，这样的装置被称为力放大器。机器装置也可放大速度和距离。扫帚就是一个速度和距离放大器的例子。因为它把在手柄上输入的力和距离在扫帚的尾部转变成较小的力和较长的距离。由于与输入距离的同样时间里扫帚的尾部走过较大的距离，因此其速度也就增加了。机器装置除了放大力和距离之外，也能改变运动的方向。

效率和机械效益是用来测定机械装置性能的。效率定义为输出的相对有用的机械功，它以占输入功的百分率来表示。效率总是要比100％小，因为运动零件之间有摩擦损失。像刚才所举的那部机器的例子那样，如果某些人把该机器滚上斜板，他们可能发现那要花84公斤的力。这9公斤的差额就是需去克服滚子和轴承阻力的力。在这种情况下该机器装置将具有89％的效率。如果他们在没有滚子情况下，把冷冻机滑移上斜板，所需的力可能是215公斤或更大，那么效率就小于35％。理想机械效益是忽略摩擦损失并等于输入力移动的距离除以负载移动的有效距离。作为力放大装置，输入的距离要比负载的距离大，而理想的机械效益是比1要大的。在承载斜板例子中，该理想机械效益是4，因为该输入距离是10米，（斜板长度）而有效负载移距是2.5米（该负载移动的垂直距离）。斜面就是一个力放大装置。作为速度放大装置，输入距离是要比负载距离小的，而理想的机械效益亦比1要小。简易改变运动方向的机器装置具有一个等于1的理想机械效益。其实际机械效益包括了摩擦损失并等于实际输出力除以实际输入力。在承载斜板例子中的实际机械效益在有滚子条件下，大约是3.6，无滚子条件下，大约是1.4。

塑性理论的基本假设

在金属成形中应用塑性理论的目的是要探索金属成形的塑性变形机理。这样，调研可提供以下的分析和判断：（a）金属的流动性（速度、应变和应变率），（b）温度和热传导，（c）材料强度的局部变化或流动应力和（d）应力，成形中的负载、压力和能量。这样变形机理就可提供决断：金属如何流动，借助塑性成形可如何去获得所希望的几何形状以及用成形方法生产出的零件具有什么样的机械性能。

为了建立金属变形的可控制的数字模型（曲线图形），作出以下几个简化的但是合理的假设：

1）忽略弹性变形。然而当必要时，弹性复原（例如，弯曲回弹情况）和加工中的弹性弯曲（例如，成形加工精度非常接近公差）定要考虑；

2）作为一种连续体来考虑材料变形（如结晶，而晶间疏松和位错是不加考虑的）；

3）单向拉伸或压缩试验与多向变形条件下的流动应力相互有关；

4）各向异性和Bauschinger效应忽略不计；

5）体积保持恒定；

6）用简化法来表示摩擦，如用Coulomb's定律法或用恒剪切应力法。这将在后面进行讨论。 在压缩应力状态下的金属特性更加复杂。这可以从一金属圆柱体试样在两个模板之间被压缩时怎样发生变化的分析中可以看得出来。当工件达到金属的屈服应力的应力状态时，塑性变形就开始发生。当试样高度降低时，试样随着横截面的增加而向外扩展。这种塑性变形在克

服工件和模板的两端之间的摩擦力中发生。该金属变形状态是受到其复杂应力体系所支配。这应力体系可从单一的、单向的到三维的即三向发生变化。有一个由模板施加的应力和有两个由摩擦反力引起的应力。如果模板与工件间无摩擦，工件就在单向压应力下发生屈服，正像其受到拉伸载荷作用时的情形一样。而且压缩的屈服应力跟拉伸屈服应力极端一致。由于摩擦力的存在而改变了这一状况，故需要更高的应力才能引起屈服。为了找到拉伸屈服应力与三向应力状态下产生屈服时的应力值之间的数量关系，已经做了很多尝试。对于所有的金属在三向载荷作用下的各种情况下，包括各种塑性屈服试验情况中均未发现单一的（应力、应变）关系。已经存在的若干个建议使用的塑性屈服理论，其中每一种理论只能在一定的范围内有效。在考虑使用这些理论之前，研究三向应力体系并创立既利用数量关系又利用图解技术的解题方法，那是必要的。对于三维应力状态，最方便而有效的方法就是利用莫尔圆，当研究塑性屈服的各种复杂情况时，你可以很容易地运算和进行处理。

有限元优化的应用

在结构日益复杂的情况下，当工程师们工作时，他们需要合理的、可靠的、快速而经济的设计工具。过去二十多年里，有限元分析法已经成为判别和解决涉及这些复杂设计课题时的最常用方法。

因为工程中的大多数设计任务都是可定量的，所以实践上，为了快速找到一些可供选择的设计方案。计算机令繁琐的重复设计过程发生了深刻的变革。但是，即使是现在，许多工程师仍然使用人工的试凑法。这样一种方法使得即使是很简单的设计任务也变得困难，因为通常它要花更长的时间，需要广泛的人—机交互配合，且偏于用设计组的经验来设计。优化设计是以理论数学的方法为基础，改进那些对于工程师来说过于复杂的设计，使其设计过程自动化。如果在一部台式计算机平台上能实现自动优化设计，那就可以节省大量的时间和金钱。优化设计的目的就是要将对象极大化或极小化，例如，重量或基频，主要受到频响和设计参数方向的约束。尺寸和（或）结构形状决定着优化设计的方法。观察一下作为零件优化设计过程，使它变得更容易理解。第一步，包括预处理分析和后处理分析，正像惯常使用的有限元分析（FEA）和计算机辅助设计（CAD）程序应用。（CAD的特点在于根据设计参数建立了课题的几何图形）。

第二步，定义优化目标和响应约束。而最后一步，反复自动调节设计作业。优化设计程序将允许工程师们监督该设计步骤和进度，必要时停止设计，改变设计条件和重新开始。一项优化设计程序的功力取决于有效的预处理和分析能力。二维和三维设计的应用既需要自动进行也需要设计参数的结网性能。因为在优化循环过程中，课题的几何条件和网格会改变，所以优化程序必须包含误差估计和自适应控制。

修改、重配网格和重新估算模式以期获取特定设计目标的实现是以输入初始设计数据开始的。接着，是规定合适的公差并形成约束条件以获得最优结果，或最后改进设计，解决问题。为了使产品从简单轮廓图形到三维实体模型系统化、系列化，设计者必须广泛接触设计目标和特性约束条件。为了易于确定而利用下列参数作为约束和目标函数的附加特性条件，也将是需要的：重量、体积、位移、应力，应变，频率，翘曲安全系数、温度、温度梯度和热通量。

此外，工程师们应该能够通过多学科的不同类型的优化分析使多种约束条件结合起来。例如设计者为了应力分析，可以进行热力分析和加热以变更温度，也可将多种约束条件，诸如最高温度、最大应力和变形联系在一起进行研究，然后规定一个所希望的基本频率范围。目标函数代表着整体模式或部分模式。甚至更重要的是通过说明重量或者成本因素，就应该能反映该模式的各个部分的重要性。

金属

当有了其他各种材料，特别是有了塑料的今天，人类为什么仍然要使用如此之多的金属材料

呢？那是有益的吗？通常使用一种材料，是因为它能提供所需的强度，所需要的其他性能和低廉的费用。外观也是一个重要因素。金属的主要优点是它们所具有的强度和韧性。水泥可能是比较便宜的，并常用于建筑上，但就强度角度来说，即使是水泥仍然是取决于其内里的钢筋。

然而，并不是所有金属的强度都高，例如铜和铝都颇为脆弱，但如果将铜、铝混合在一起时，结果称为铜、铝合金即铝青铜，这铜铝合金比起纯铝来强度要高得多。合金化是获得下列所需各种特殊性能的一种重要方法：如强度，韧性，抗磨性，磁性，高电阻率或抗腐蚀性。以不同的方法生产不同的合金，但是几乎所有的金属都是以金属矿的形式（铁矿、铜矿等）被发现的。矿石是一种由金属与某些杂质相混合而组成的矿物质。为了用金属矿石来生产出一种金属，我们必须将杂质从金属矿中分离出去，那就要靠冶炼来实现。

提炼、生产和处理金属的种种方法，各个时代都在研究和发展，以满足工程的需要。这就意味着存在大量的各种各样的金属和有用的金属物质可供选择利用。

金属和非金属材料

在材料选择时所遇到的最普通的分类问题，大概是这种材料是金属材料还是非金属材料。最普遍的金属材料是铁，铜，铝，镁，镍，钛，铅，锡和锌以及这些金属的合金，例如：钢，黄铜和青铜。它们具有金属特性：光泽，热传导性和电传导性，有相应的延展性，而某些金属还具有良好磁性。较普遍的非金属有木头，砖，水泥，玻璃，橡胶和塑料。他们性能变化很大，但它们通常几乎没有延展性，脆弱，比金属疏松，而且它们不具有导电性，具有较差的导热性。

一种材料对于另一种材料常常借助于其物理性质来加以区别，例如颜色、密度、比热、热膨胀系数，电、热传导性能，磁性和熔点。其中某些性能比如电、热传导性、密度，对于物种的确定的用途来说，在选择材料时，其重要性是摆在首位的。描述一种材料在机械应用中的表现的那些性能，对于工程师在设计中选择材料来说，往往更为重要。这些机械性能关系到该材料在工作中对于各种载荷怎样地起作用。

机械性能是材料对所施加的作用力的特性反应（响应）。

这些性能主要归结到五大类：强度、硬度、弹性、延展性和韧性。

1．强度——是材料抵抗外力作用的能力。升降机的钢丝绳和建筑物的横梁都必须具备这种性能。

2．硬度——是材料抵抗穿透和磨损的能力。剪切工具（剪床）必须能抗磨损。轧钢机上的金属轧辊必须能抗穿透。

3．弹性——是材料弹回到原有形状位置的能力。所有的弹性材料都应具备这种性质。

4．延展性——材料承受永久变形而无裂损的能力。冲压和成形产品必须具备这种性能。

5．韧性——是吸收所施力的机械能的能力。

强度和延展性决定着材料的韧性。有轨电车、火车车厢、汽车轴、锤子和类似的产品都需要有韧性。

塑料和其他材料

塑料具有特殊的性能。对于某种用途而言，这些性能使得塑料比传统材料更为可取。例如，跟金属相比较，塑料既有优点也有缺点。金属易受到无机酸的腐蚀，如硫酸和盐酸。塑料能抵抗这些酸的腐蚀，但可被溶剂所溶解或引起变形，例如，溶剂四氯化碳与塑料具有同样的碳基。颜色必定只能涂到金属的表面，而它可以跟塑料混合为一体。金属比大多数塑料刚性要好，而塑料则非常之轻，通常塑料密度在0.9～1.8之间。大多数塑料不易传热导电。塑料能缓慢软化，而当其还是在软的状态时，能容易成形。

在某一温度下塑料是处于塑性状态的，这就使塑料具备超过许多其他材料的主要优点。它容许大量生产单位成本低廉的模制式器件，例如，各种容器。

于此，若用其他材料则需要大量劳力和往往需要很费钱的加工工艺，比如，切割、成形、加工、装配和装饰。

塑料器件可能需要与用其他材料，比如与金属或木材制作的类似的器件加以区别，这不仅是由于塑料的性能不同的原因，也是由于制造塑料产品所用的技术不同所致。这些技术包括注塑模制，吹塑模制，压模，挤压和真空成形等。

对粉末冶金所下的定义是：粉末冶金是制造金属粉末并将单一的、混合的或合金化的粉末通过成形的方法制成产品的技术。这一制造过程可添加或不添加非金属成份；可通过加压或模压成形；可在压制时同时加热或在制造后再进行加热，能使金属粉末形成一个粘结牢固的整体；加热过程中粉末可不熔化，或只有低熔点成分熔化。

首先，必须生产合适的粉末。尽管理论上可以用粉末冶金的方法制造任何晶体材料，但在许多情况下，生产合适的粉末已经带来限制，或者是因难于获得足够纯度的粉末或者是因为经济上的原因。

选择和配制好粉末并制造好所要生产产品形状的模具后，就把粉末模压成符合尺寸和形状的产品。应用晶体生长中的热效应而生产出均匀的结晶体来。

利用热和压力的各种结合，某些粉末冶金就是在室温和高压下进行。然而在稍低于任一组分的最低熔点的温度下进行粉末冶金，通常紧跟着的就是施于冷压。在模压过程中，可利用介质的温升，然后是在较高的温度条件下，模压的成形品就从压模中脱出。在热模压过程中，同时施加压力以提高最终的粉末冶金的温度。

模具的寿命和失效

正确的选择模具材料和模具的制造技术，在很大程度上决定着成形模具的使用寿命。为着某些原因，模具可能不得不更换。例如，由于磨损或塑性变形而使尺寸发生改变，表面损坏、光洁度降低、润滑故障和裂纹即破裂。在热压模锻中，模具失效的主要模式是腐蚀作用、热疲劳、机械疲劳和永久性即塑性变形。

腐蚀，通常也叫做模具磨损，实际上模具由于受到压力后模具表面上的材料发生剥落。变形材料的滑移、模具材料的抗磨性，模具表面温度、模具和材料接触表面的相对滑动速度以及接触层的性质，都是影响模具磨损的最主要的因素。

热成形加工中会发生热裂效应，热疲劳都发生在模具模腔的表面。由于跟热变形材料接触，就在周期性屈服的模具表面引起了热疲劳。由于温度梯度的急剧变化，这种接触引起表面层的膨胀，而且表面层受到压应力的影响。在温度足够高的时刻，这些压应力可引起表面层的破坏。当模具表面冷却时，可发生反向应力，因而表面层将处于拉应力状态。这种状态循环往复将引起形成龟裂的模面，那就是作为识别热裂纹的特征。

模具破裂或产生裂纹是由于机械疲劳，并且是在模具过载和局部应力高等情况下发生的。在变形加工过程中，由于加载、减载，模具承受着交变应力作用，这就将引起开裂并发生重大破坏。

在给定的成形工艺条件下，模具材料的机械性能对模具寿命和模具的损坏影响很大。一般而言，最具影响的性能是取决于加工过程的温度。这样，用于冷却成形加工工艺的模具材料与用于热成形加工的材料有着极大的区别。

对于金属成形加工工艺的小批、单件生产，模具的设计、制造和模具材料的选择是非常重要的。为着提供成本合理和具有令人满意的寿命的模具，必须用合适的模具材料和用现代的制造方法来制造模具。成形加工的经济效益常常是取决于模具寿命和所制造的每件模具的成本。根据上述应用，合适的模具材料的选择取决于以下三方面的因素：

（a）与加工工艺本身有关的因素，包括模腔尺寸、所用机器形式和变形速度，毛坯尺寸和温度，要用的模具温度、润滑、生产率和要生产的零件数量。

（b）与模具加载形式相关的因素，包括加载速度，即模具与正在变形的金属之间的冲击时

间或逐渐接触的时间（在热变形加工中，这种接触时间显得特别重要），在模具上的最大载荷和压力，最大和最小的模具温度以及模具将要承受的加载周期的数目。

（c）模具材料的机械性能，包括硬度、冲击强度、热强度（如果考虑热成形加工的话）和抵抗热疲劳和机械疲劳的性能。

冷加工和热加工

上述考虑原则提供了锻造温度系列的分类基础，换句话说，分热加工（热锻）和冷加工（冷锻）。要在再结晶温度以上才能完成塑性变形加工的就考虑热加工。使用“热加工”这一术语通常意示着——材料一般要加热，但并不总是要加热。例如铅的再结晶就是在很低的温度下进行。根据以上定义，在室温条件下锻造铅也是在进行热加工。

在再结晶温度以下的塑性变形加工被定义为冷加工。几种普通金属或他们的合金其再结晶温度大约是750℃～900℃。为了改善性能，这些合金中的某些合金是在550℃～700℃温度范围内通过锻造来进行应变硬化处理的。

尽管根据定义，这是实实在在的“冷加工”，但它常常被看作“热加工”。进行加热主要是为了减少流动应力进而减少所需的锻造力。如果材料性质最终要获得改善，就必须非常严密地控制所谓“加热的加工”操作。实行以上操作工艺之后接着就要在低于锻造温度以下的温度中进行消除应力处理。

对于奥氏体不锈钢、高温合金钢和许多有色金属合金的再结晶温度可在超出相当大的范围内变化。影响再结晶温度的因素包括：目前的应变硬化程度、退火时间，变形前的晶粒度，以及固溶体中溶质原子的浓度。

在再结晶瞬间，再结晶晶粒度与变形程度成反比。

铸造

铸造是人类所掌握的最古老的金属加工技术之一。我国早在公元前2000年就已把金属制成铸件。而所使用的工艺从原理上和今天的工艺没有多大的区别。

铸造工艺由制模、备料和金属熔炼，金属液浇注入模和铸件清砂等。铸造的产品是铸件，铸件可能从零点几公斤到几百吨范围变化。实际上所有金属在成分上也是变化的，而合金也可以铸造。

最常铸造的金属是铸铁、钢、铝等等。这些金属中，铸铁，由于其低熔点，低价格和易控制，因而其铸造适应性是最突出的，而且使用也远比所有其他金属多。铸造工艺是一种广泛应用的生产金属制件的方法。实际上铸造工艺方法是复杂的。

由于熔融的物料能容易取得被浇注进去的容器（模型）的形状，因此，几乎像生产简单形状铸件那样颇为容易地铸造出复杂形状的铸件。

铸造金属的地方叫做铸造车间。最重要的铸造金属是铸铁，铸铁是用生铁在一个特殊的熔炉——叫冲天炉的炉子中重新熔炼而制造出来的。

从冲天炉中出来的铁水流入到不同规格的铁水包中，并从这些铁水包中被浇注到模型中。 模型有两种类型：砂模和金属模。金属模是由两个中空的部件组成，它们应被联结在一起以便将金属液浇入模箱中。这模腔的内侧是要涂以碳粉或石墨，因此金属不致于粘贴到型腔壁上。当金属液凝固后，这中空的型箱部件被打开并取出铸件。也有一种特殊模型，在该模型中可以铸造大型钢块。这些模型通常用铸铁来制造，并被称为锭模。而浇注金属液到这些模子中生产出的钢块被称为钢锭。该工艺过程叫锭铸。

相当大量的有色金属合金可以进行模铸。所用的主要而基本的金属，按其在工业上应用的重要性的顺序是锌、铝、铜、锰、铅和锡。这些合金可以进一步进行分类为低温类合金和高温类合金。铸造温度低于538℃的那些合金，就像锌、锡和铅，是属于低温类合金。

低温类合金具有低生产成本和低的模具维修费用等优点。当铸造温度上升时，需要最佳条件下处理过的合金钢和其他特种钢来抵抗腐蚀及防止模具表面的热裂纹。

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高温在模具上的损坏作用已经成为阻碍、延缓高温模铸发展的主要因素。

控制选择合金的另外一个因素就是熔融的金属在相关的机器零件上和模具上的腐蚀或溶解作用。

这种作用随着温度的升高而增加，甚至某些合金比另一些合金更为明显。特别是，铝对黑色金属有一种破坏作用，为此，铝几乎不熔混于机器零件中，而铜基合金是决不能熔混于机器构件中的。

制造中的金属成形工艺

金属成形是基础制造工艺之一。它在冶金、机器制造、电力、汽车、铁路、航空、船舶制造、武器工业、化工、电子、仪器仪表制造和轻工业中起着重要作用。

金属成形加工包括：（a）笨重型成形工艺，例如锻造，挤压，辊轧、拉拔。（b）轻薄型成形加工，例如，压弯成形，深冲（压）和张拉成形加工等。

早先讨论过的一组制造工艺中，对金属成形加工生产制造工业、军工零部件加工工业和消费品加工工业而言是具有重大意义的一套工艺加工方法。

成形加工工艺分类的一般方法是考虑冷成形加工（室温）和热成形加工（再结晶温度以上）。大多数材料在不同的温度条件下其性能是有区别的。

在冷成形加工中，通常金属的屈服应力是随着应变值增加而增大，而热成形加工中，则随着应变率（即变形率）的增加而增大。然而在各种温度条件下，控制成形加工的一般原则基本上是相同的。因此，以材料的初始温度为依据的成形加工工艺，对于了解和改进这些工艺并没有多大的促进作用。事实上，以成形前后的特殊几何形状而言，以所用材料和生产率为依据而不是以温度为依据的分类方法，可以更好地考虑工具设计，设备使用，自动化程度，制品输送及润滑等问题。

设计、分析和成形加工工艺的优化要求需要：（a）关于金属流动、应力和热传导的分析知识以及（b）关于润滑、加热和冷却技术，材料处理、模具设计和制造、成形加工设备的技术资料。关于成形加工的总体情况的了解，文献著作中的大量资料都是有用的。

锻造

锻造是借助于人工或动力锤，压力机或Spiel锻压机所施加的确定压力来进行的金属塑性加工过程，它既可是热锻也可以是冷锻。然而，当其是冷锻的时候，通常就给予该工艺以专门的名称。因此，一般讲的术语“锻造”指的是再结晶温度以上进行的热锻。

现代的锻造是由盔甲制造者和不朽的乡村锻工所实践的古代工艺发展而来的。高动力锻锤和机械压力机代替了强有力的手臂、锤头和砧座。而现代冶炼知识在控制加热和金属运送方面充实了技工的工艺技术。

已经研制出各种类型锻造工艺，这给生产提供了巨大的灵活性。它使得单件的或数以千计的相同零件的批量锻造生产变得经济成为可能。

金属可能是（1）被拉拔，增加其长度而减小其横截面，（2）镦粗，增加其横断面，而减小其长度，（3）在闭式锻模中挤压迫使金属各向流动。与锤锻的快速冲击不同，压力机锻造是用缓慢的挤压作用使塑性金属变形。这挤压作用完全被施加到正在被压锻的零件中心位置上，直至彻底使整个工件得到加工。这些压力机都是立式的，可能是机械操作也可能是液压操作的。机械操作压力机，操作速度比较快，使用最普遍，锻造能力从5000吨到10000吨范围。

对于小型压力锻使用闭式锻模。通常要求锻锤仅一个冲程就完成锻造工艺。在冲程终端产生最大压力，该冲击压力迫使金属成形。

模具可由各自独立的单元装配而成，即把所有个别模腔都放到一起，组成整体。对于小型锻件使用分模装置更为方便。对于不同的金属在模具设计上有些区别，铜合金锻件比钢件用较小的拔模斜度，因此可生产更加复杂形状的锻件。这些合金在该种模具中流动性好，而且能

快速挤压成形。

锻压机比落锤锻，输入到机器里的总能量中有更大部分的能量被传输到金属坯料上。落锤锻的冲击能量被机器和基础吸收得较多（比起压力机来）。金属上的压力衰减较快，因此生产成本比较低。大多数压力锻锻件形状、产生的表面都是对称的，而且表面非常光滑，并比落锤锻件的公差尺寸更加精确。然而落锤锻造可以锻制形状复杂而不规则的锻件，因而较为经济。

锻压机常常用来为其他锻造工艺所生产的锻件进行整形和校正加工用。

在落锤锻中，一块金属坯料，粗糙的即大体像所要求零件形状那样，被放入到具有成品件那样精确形状的模面之间，然后施加压力使模具紧紧结合在一起以锻取模腔形状。这一方法广泛用来制造钢件和黄钢件。大型金属锭现在几乎都是用液压压力机来锻造的，而不用蒸汽锤。因为用压力机锻造，变形更加深透。将来压力机可对付冷金属锭并能加工得到更加精确的尺寸。锻造将在大约与辊轧同样的温度下进行，这种工艺正像轧制那样可改善金属的物理性能。最后火锻时，不使钢太热很重要，因为过热钢冷却后，其机械性能较差。

为锻件加热，温度通常是以肉眼来判断的，但在生产大量相同锻件的场合，要锻造的坯件是在有高温计指示温度的炉子中来加热，并且常常是自动控制的。

锻造的优点和工作原理

锻造——用锻锤或压力机成形制品的技术——无疑是压力加工工艺中最古老的加工方法。它利用了金属最有价值的性能之一的优点——在高温下的塑性，即靠机械加工可使之变形的能力。

热锻是对塑性状态金属的加工。作为靠压力加工成形的金属件，它能获得致密、均匀、流线特性好、强度高，为铸造和焊接成形所无法达到的质量。自由锻质量高，生产各种形状、尺寸锻件的通用性强，它已成为一种最基本的现代加工技术。对金属每施加一次载荷，该金属就承受一次变形。随着施加的外力增加，这种改变就由小变大。如果所施外力消失后金属回复到原有的形状就说明其是弹性的，并且一旦外力作用消失就没有永久性效应。然而如果所施加外力消失，金属保持着形状的改变，则结果已发生了某些塑性变形或称非弹性变形。 热加工的主要方法是锤击、施压、辊轧和挤压，自由锻有别于其他锻造工艺在于金属始终没有被完全约束或限制。槽（印）模，闭合模或落锤锻都将金属完全限制在模腔中。所陈述的各种类型的锤击锻机和压力机也都是用于模锻的。

当热锻把坯料转变成所需尺寸和形状时，这是从锻造中仅仅获得一次调质处理。通过热锻铸件的内部构造被打乱并为更精细的晶粒所代替。低密度区，显微缩孔和气隙疏松被固结起来。这样通过消除铸件结构缺陷，提高密度，改善均匀性而使机械性能提高。锻造方法的选择提供了调整晶粒流向以获得最佳的所希望的定向性能的手段。

焊接

焊接技术已经变得如此通用以致今天定义“焊接”都感到困难。以前说焊接是“用熔焊把金属连接起来”，就是靠熔合，但这一定义将不再使用。尽管熔合方法仍然是最普遍的，但它们并不是总在使用。后来又曾定义焊接为“用热把金属连接起来”，但这也不再是正确的定义。不仅金属能焊接，许多塑料也能焊接。而且，几种焊接方法不需要热。每个机械工作者都熟悉无热焊接。冷压焊在某些情况下是一个合适的焊接方法。除压力焊接之外，我们还可用声焊和用著名的激光焊。面对年复一年地发展的焊接方法多样性，这里我们必须采用以下焊接定义：焊接是一种无须用固紧装置而使金属和塑料连接在一起的方法。

不存在焊接工艺统一命名的方法。许多焊接工艺是根据热源或防护方法来命名。但某种特殊工艺品则是在生产出焊缝的形式后才命名的。点焊和对接焊就是例子。总体分类不能考虑这个方法。因为同样的焊缝类型可能由各种工艺方法来产生。点焊可以用电阻、电弧、电子束等工艺来实现，对接焊可用电阻焊、烧焊或若干其他方法中的一种方法来实现。

把金属件连接在一起的方法有若干个，用哪一种方法，要根据金属种类和所要求的焊缝强度来决定。

软焊是要用熔融状态的第三种金属来使两件金属连接在一起的工艺。焊料由锡和铅组成。而常常含有铋和镉，目的是要降低熔点。软钎焊中最重要的工序之一就是清理焊缝表面。这可以用某种酸性清除剂来进行。软钎焊能为轻型钢件、铜件和黄铜件生产满意的焊缝，但软钎焊的焊缝强度比起硬钎焊、铆接和焊接来要弱些。连接金属的这些方法，通常用来产生强固的永久性的焊缝。

把两件金属焊在一起的最简单的方法称做压力焊。用火焰把金属两端加热到白炽状态——铁的焊接温度为1300℃左右——在这一温度下，金属变成塑性，然后对两端施压或锤击使之结合在一起。最后再将焊缝清理干净。必须注意首先保证表面完全清洁，因脏物将会使焊缝强度削弱。此外，加热铸铁或钢到高温会引起氧化并在焊接表面形成氧化皮。因此用助焊剂施于加热的金属上。达到焊接温度时刻，助焊剂熔化，将氧化物粒子跟任何其他可能存在的杂质一起都熔解于助焊剂中。金属表面被压合在一起，而助焊剂就从焊缝中间被挤出。可能使用若干不同类型的焊缝，但对于颇为粗厚的金属件，通常使用V型焊缝。该焊缝比起普通的对接焊缝来要强固些。

热处理

热处理是锻后进行一次或多次重新加热和冷却操作的热循环过程，以便使锻件获得所需的显微组织和机械性能。

生产出的绝大多数锻件都需要进行某种形式的热处理。不热处理的锻件，相对来说是为了非临界应用的低碳钢零件或者是打算进一步热机械加工而后再热处理的锻件。钢的化学成分、产品的规格和形状以及所希望的性质是后面要用到的决定生产循环的重要因素。

普遍使用的工业热处理有球化处理、正火、退火、淬火、和回火。它们包括加热材料到某一预定的温度，在此温度下进行均热即进行保温，并在规定速度下于空气中、液体中或于保温介质中冷却。以下各项处理可简要地定义如下：

球化处理——在略低于临界温度范围下，对铁基合金持续较长时间加热，紧接着以相对慢的速度在空气中冷却。在临界温度以上和略低于此温度相互交替长时间加热，高碳钢小件更迅速地球化。这一热处理的目的是使碳化物生成球状。

正火——加热铁基合金到临界温度以上50℃，紧接着在低于临界温度下空冷。其目的是使金属的组织结构，通过消除因某种加工操作产生的全部内应力、内应变而处于正常状态。 退火——是用于热处理的综合性术语，退火可用于消除应力，使金属变软，改变可锻性，消除气隙以构成某一显微组织。处理的温度和冷却的速率取决于处理的工件和要进行处理的材料的组分。

淬火——加热或者到临界温度内或者到临界温度以上而后冷却某件铁基合金。热处理的温度及其持续时间长度，即“保温周期”，那是取决于材料组分。所用的冷却介质可根据组分、所希望的硬度和零件结构的复杂性来决定。

回火——是铁基合金淬火后再加热到低于临界温度以下的某一温度，紧跟着以所要求的任一速率冷却。

回火的目的是消除应力、应变及降低硬度和减少脆性。

机构和机器原理 MECHANISMS AND MACHINE THEORY

[align=center][b]机构和机器原理[/b][/align][b]机构介绍[/b]

机构的功用是作为机械作用的一个部分从一个刚体到另一个刚体传送即传递运动。 一般能用作机构基本零件的机械装置有三种类型：

1．齿轮装置。那是在回转轴之间进行接触传动的啮合构件。

2．凸轮装置。把输入构件的均匀运动转换成输出构件的非均匀运动的装置。

3．平面机构和空间机构也是能使一个点或一个刚体产生机械运动的有用装置。

运动链是一个构件系统装置即若干个刚体，它们或者彼此铰接或者互相接触，方式上是允许它们彼此间产生相对运动。如果构件中的某一构件被固定而使任何其他一个构件运动到新的位置将会引起其他各个构件也运动到确定的预期的位置上的话，该系统装置就是一个可约束的运动链。如果构件中的某一构件仍保持固定而使任一运动到达一新的位置而不会使其他各个构件运动到一个确定的预期的位置上的话，则该系统装置是一个非约束运动链。

机构或连杆构件是一个可约束的传动链而且是一个从输入到输出以传递运动和（或）力为目的的机械装置。连杆机构是由通常被认为是刚体构件或杆组成的，它们是以销轴铰接的，例如用柱销（圆形的）或棱柱体销轴铰接，以便成形开式或闭式（回环式）的运动链。这样的运动链在至少有一个构件被固定的条件下：（1）如果至少有两个构件能保持运动，就变为机构，（2）如果没有一个构件能够运动，则就成为结构。换句话说，机构是允许其“刚性构件”之间相对运动，而结构则不能。由于连杆机构做成一简单机构而且能设定实现复杂的任务，例如非线性运动和力的传递运动。它们在机构学研究中将受到更多的关注。

机构被用于许多许多的机器和装置中。最简单的封闭式的连杆机构就是四杆机构，四杆机构有三个运动构件（加上一个固定构件）并且有四个销轴。连接动力源的构件即原动件，而具有一个移动铰和一个固定铰者叫做输入构件。输出构件将一个移动铰和另一个固定铰连系起来。连接构件即浮动构件将两个移动的铰（回转副）连系起来，因而连接构件就将输入传送到输出。

四杆机构若使一个或几个构件无限长而产生某些特殊的构造。曲柄滑块（即曲柄和滑块）机构就是一个四杆机构特例。其以一个滑块替换一个无限长的输出件。内燃机就是建立在这一机构基础上。有着另一种形式的四杆机构，其中滑块是在一运动的构件上导移运动而不是在一固定构件上。这些就被称为曲柄滑块机构的变换，它是其中一个构件（曲柄、连杆或滑块）被固定时形成的。

虽然四杆机构和曲柄滑块机构是非常有用而且在成千上万的应用中都可找到。但是我们还看到，这些连杆机构其性能水平的发挥已经受到限制。具有更多构件的连杆机构常常用于更多要求的情况中。然而可以设想多回环的连杆机构的运动常常是更为困难的，特别是当其他零件出现在同一图中的时候，要进行更复杂机构的运动分析：第一步是绘制一等效运动图即示意图。这示意图用于电路图解类似的目的，即仅仅表示机构的主要本质的意图，然而它要体现影响其运动的关键的尺寸。运动图可用两种形式中的一种：一是草图（按比例画出，但放大比例不精确），二是比例准确的运动图（通常用于进一步分析其位置、位移、速度，加速度，力和扭矩传递等等）。为了便于参考，对构件进行顺序编号，（以静止构件编号为1开始编写），而回转副则以字母表示。

机构运动分析的第二步：画一个图解图，是要确定机构的自由度数。依据自由度，可意指需要若干个独立输入的运动的数目，以确定机构所有的构件相对于地面的位置。人们可以想象存在数以千计的不同类型的连杆机构。你可想象一个袋子包容大量的连杆机构的组元：二杆组，三杆组，四杆组等等，以及构件，回转副，移动副，凸轮随动件，齿轮，齿链，链轮，皮带，皮带轮等等。（球形运动副，螺旋副以及允许三维相对运动的其他连接尚未包括进去，这里，仅仅讨论平行平面内的平面运动）。而且你可以想象一下把这些组元放在一起而形成

的各种类连杆机构的可能性。存在如何帮助人们控制所形成这些机构的规律吗？实际上，大多数机构的任务是要求一个单一的输入被传递到一个单一的输出。因此单一自由度的机构是使用最多的一种机构类型。例如，由直觉即可以看出：四杆机构就是一个单一自由度的连杆机构。

画运动图和确定机构自由度的过程，就是运动分析和综合过程的第一个阶段。在运动分析中，根据机构的几何形状加上可能知道的其特性（如输入角、速度，角加速度等）来研究确定具体的机构。另一方面，运动综合则是设计一个机构以完成一个所要求的任务的过程。于此，选择新机构的类型和尺寸是运动综合的一个部分。设想相对运动的能力，能推想出之所以这样设计一个机构的原因和对一个具体设计进行改进的能力是一个成功的机构学家的标志。虽然这些能力来自先天的创造性，然而更多的是因为掌握了从实践中提高的技术。

[b]运动分析[/b]

最简单最有用的机构之一是四杆机构。以下论述中的大部分内容集中讨论连杆机构上，而该程序也适用于更复杂的连杆机构。

我们已经知道四杆机构具有一个自由度。关于四杆机构，有没有要知道的有用的更多内容呢？的确是有的！这些包括格拉肖夫准则，变换的概念，死点的位置（分歧点），分支机构，传动角，和他们的运动特征，包括位置，速度和加速度。

四杆机构可具有一种称作曲柄摇杆机构的形式，一种双摇杆机构，一种双曲柄（拉杆）机构，致于称作哪一种形式的机构，取决于跟机架（固定构件）相连接的两杆的运动范围。曲柄摇杆机构的输入构件，曲柄可旋转通过360°并连续转动，而输出构件仅仅作摇动（即摇摆的杆件）。作为一个特例，在平行四杆机构中，输入杆的长度等于输出杆的长度，连接杆的长度和固定杆（机架）的长度，也是相等的。其输入和输出都可以作整周转动或者转换成称作反平行四边形机构的交叉结构。格拉肖夫准则（定理）表明：如果四杆机构中，任意两杆之间能作连续相对转动，那么，其最长杆长度与最短杆长度之和就小于或等于其余两杆长度之和。

应该注意：相同的四杆机构，可有不同的形式，这取决于哪一根杆被规定作为机架（即作固定杆）。运动变换的过程就是固定机构传动链中的不同的杆件以产生不同的机构运动过程。除了具备关于构件回转范围的知识之外，还要具备如何使机构在制造之前就能“运转”的良好措施，那将是很有用的。哈登伯格（Hartenberg）说到：“运转”是一个术语，其意义是传给输出构件的运动的有效性。它意味着运转平稳，其中能在输出构件中产生一个力或扭矩的最大分力是有效的。虽然最终的输出力或扭矩不仅是连杆几何图形的函数，而且一般也是动力或惯性力的结果，那常常是大到如静态力的几倍。为了分析低速运转或为了易于获得如何能使任一机构“运转”的指数，传动角的概念是非常有用的。在机构运动期间，传动角的值在改变。传动角0°可发生在特殊位置上。在此特殊位置上输出杆将不运动而与施加到输入杆上的力多大无关。事实上，由于运动副摩擦的影响，一般根据实际经验，用比规定值大的传动角去设计机构。衡量连杆机构传递运动能力的矩阵基础的定义已经研究出来。一个决定性因素的值（它含有对于某个给定机构图形，位置的输出运动变量对输入变量的导数）是该连杆机构在具体位置中的可动性的一个尺度。

如果机构具有一个自由度（例如四杆机构），则规定的一个位置参数，如输入角，就将完全确定该机构休止的位置（忽视分支机构的可能性）。我们可研究一个关于四杆机构构件绝对角位置的分析表达式。当分析若干位置和（或）若干不同机构时候，这将是比几何图形分析程序要有用得多，因为该表达式将使自动化计算易于编程。实现机构速度分析的相对速度法即速度多边形是几种有效的方法之一。这端（顶）点代表着机构上所有的点，具有零速度。从该点到速度多边形上的各点画的线代表着该机构上相应各点的绝对速度。一根线连接速度多边形上的任意两点就代表着作为该机构上两个对应的点的相对速度。

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另外的方法就是瞬时中心法，即瞬心法，该方法是非常有用的而且常常是在复杂连杆机构分析时较快的方法。瞬心是一个点，该点在那一瞬间，机构上的两构件之间不存在相对运动。为了找出已知机构某些瞬心的位置，肯尼迪（Kennedy）三中心理论就非常有用。它是说：彼此相对运动的三个物体的三个瞬心必定是在一直线上。

机构各构件的加速度是令人感兴趣的，因为它影响惯性力，继而影响机器零件的应力、轴承载荷、振动和噪音。由于最终的目的是机器和机构惯性力的分析，所有加速度的各分量都应一次性地画在同一坐标系中——机构的固定构件的惯性坐标系中表示出来。

应注意的是：相对于固定回转副的回转刚体上的一点加速度分量通常有两个。一个分力方向切于该点的轨迹，其指向与该物体的角加速度方向相同，并被称为切向加速度。它的存在完全是由于角速度的变化率引起的。

另一个分量，总是指向物体的回转中心，被称为标准的向心加速度，这个分量由于速度矢量的方向发生改变而存在。

[b]运动的综合[/b]

机构是形成许多机械装置的基本几何结构单元，这些机械装置包括自动包装机、打印机、机械玩具、纺织机械和其他机械等。典型的机构要设计成使刚性构件相对基准构件产生所希望的运动。机构的运动设计即运动的综合，第一步常常是先设计整部机器。当考虑受力时，要提出动力学方面的问题，轴承的荷载、应力、润滑等类似的问题，而较大的问题是机器结构问题。

运动学家把运动学定义为“研究机构的运动和创建机构的方法”。这个定义的第一部分就涉及运动学分析。已知一个机构，其构成的运动特性将由运动学分析来确定。叙述运动分析的任务包含机构的主要尺寸、构件间的相互连结和输入运动的技术特性或驱动方法。目的是要找出位移、速度、加速度、冲击或跳动（二阶加速度），和可能发生的各构件的高阶加速度以及所描述径迹和由某些构件来实现的运动。定义的第二部分可用以下两方面来解释：

1．研究借助机构来产生给定运动的方法

2．研究建造能产生给定运动机构的方法，在两个方案中，运动是给定的而机构是创建的。这就是运动综合的本质。这样运动综合涉及到为给定性能的机构的系统设计。运动综合方面又可归结为以下两类：

1．类型综合。规定所要求的性能，怎样一种类型的机构才是合适的？（齿轮系，连杆机构？还是凸轮机构？）而机构应具有多少构件？需要多少个自由度？怎样的轮廓结构才是所希望的？等等。关于杆件数目和自由度的考虑通常被认为是类型综合中被称作为数量综合的一个分支领域。

2．尺寸综合。运动综合的第二个主要类型是通过目标法来确定的最佳方法。尺寸综合试图确定机构的重要尺寸和起动位置，该机构是为着实现规定的任务和预期的性能而事先设想的。

所谓重要的尺寸意思是指关于两杆、三杆等的长度或杆间距离，构件数和轴线间的角度，凸轮轮廓尺寸，凸轮随动件的直径，偏心距，齿轮配额等等。预想机构类型可能是曲柄滑块机构、四杆机构，带盘型从动件的凸轮机构，或者是以拓扑学方法而非因次分析法所确定的具有某种结构形状更为复杂的连杆机构。对于运动综合，惯例上有三个任务：函数生成，轨迹生成和运动生成。

在函数生成机构中输入和输出构件的转动或移动必须是相互关联的。对于一个任意函数y＝f（x），一个运动综合的任务可能是设计一个连杆机构使输入和输出建立起关系以便使得在xo＜x＜xn-1的范围内输入按x运动，而输出按y＝f（x）运动。在输入和输出件回转运动情况下，转角φ和φ分别是x和y的线性模拟。当输入件回转到一个独立x值时，在一个“黑箱”的机构中，使输出构件转到相对应的由函数y＝f（x）决定的数值上。这可被认为是机械

模拟计算机的最简单的情形。各种不同的机构都可以包含在这个“黑箱”内，然而对于任意函数的无误差生成，四杆机构是无能为力的，仅仅可能在有限精确度内与之相匹配。它广泛用于工业上，因为四杆机构在构建和维修上都是简单的。

在轨迹生成机构中，在“浮动杆”上一个点要描画一条相对于一个固定坐标系确定的轨迹。如果该轨迹点是既要与时间相关又要与位置相关，该任务被称之为预定周期的轨迹生成。轨迹生成机构的一个例子就是设计来投掷棒球或网球的四杆机构。在这种情况下，点P的轨迹将是这样：在预定的位置捡起一个球，并在预定的时间周期内沿着预定的径迹把球传送出去，能达到合适的速度和方向。

机械装置设计中有着许多情形，在这些情形中既要导引刚体通过一系列规定的、受限制的独立位置，又要在减少受限制而且独立的位置的数目时，对运动体的速度和（或）加速度加以约束，那是必要的。运动生成或刚体导引机构要求：一个完整的物体要被导引通过一预定的运动序列。作为被导引的物体通常是“浮动构件”的一部分，那不仅是预定点P的轨迹，也是通过该点并嵌入该物体内的线的转动。例如，该线可能代表自动化机械中的一个载体件，那是在载体件上的一个点具有一个预定的轨迹而该载体件又具有一个预定的角度方位。预定方式装料机的吊斗的运动是运动生成机构的另一个例子。吊斗端的轨迹是有极限的。因为其端口必须实现挖掘的运动轨迹，紧跟着要实现提升和倾泻的轨迹。吊斗的角度方位对保证斗中物料从正确的位置倾泻（倒）同样是重要的。

[b]凸轮和齿轮[/b]

凸轮装置是把一种运动改变成另一种运动的方便装置。这种机器零件具有曲面或槽面，该曲面或槽面与从动件相配合并将运动传给从动件。凸轮的运动（通常是转动）被传递给从动件作摇动或移动，或两者均有。由于各种各样的几何体和大量的凸轮与从动件相结合，因此凸轮是一种极多功能的万用的机械零件。虽然凸轮和从动件可以为运动、轨迹和功能生成而设计，但其主要是用于利用凸轮和从动件作为功能生成构件。

根据凸轮形状，最普遍的凸轮种类是：盘形传动凸轮（两维的，即平面的）和圆柱形凸轮（三维的，即空间的）机构。从动件可以用几个方法分类：根据从动件的运动，例如移动或摇动来分类，根据平移式（直线）从动件运动是沿径向的还是从凸轮轴中心偏心的和根据从动件接触面的形状（比如平面、辊子、点——刀尖式，球面，平面曲线或空间曲面）。

对于一个对心直动滚子从动件盘形凸轮，可画出的与凸轮表面相切且与轮轴同心的最小圆是基圆。随动件的点就是产生节线的辊子中心的点。压力角就是辊中心轨迹方向线和通过辊子中心的节线的法线之间的夹角而且是传动角的余角。忽略摩擦影响，这法线方向跟凸轮与从动件之间接触力方向是重合一致的。像在一连杆机构中，压力角在循环运转过程中变化且是凸轮把运动作用力传递到从动件去的一种量度。大压力角将产生施加到从动件杆上的侧向力，因摩擦力存在，那将势必把从动件限制在导槽中。在自动化机械中的许多应用需要间歇运动。一个典型的例子将要求一个含有上升一停歇一返回和可能另一个停歇的周期，每阶段经过一个指定的角度，伴随着一个所要求的从动件的位移，这个位移以厘米或度来度量。设计者的工作就是相应地设计出该凸轮。首先要做的决策就是要选择凸轮从动件的类型。规定的应用可能要求凸轮和从动件相结合。转化为决策的某些因素有：几何形状条件，动力条件，环境条件和经济因素。一旦凸轮与从动件运动副类型被选定，则从动件运动就必定选定。因此，速度、加速度和在某些情况下，从动件位移的进一步的方案实属极端重要。

齿轮是借助于轮齿成功啮合来传递运动的机器零件。齿轮从一根回转轴到另一回转轴传递运动或传递运动到一传动齿条。多数应用中都以恒定角速比（或常定扭矩比）而存在。恒定角速比应用中必定是轴向传动。在各种各样有用的齿轮类型基础上，输入轴和输出轴需要在一直线上或需要互相平行都不受什么限制。由于使用非圆齿轮，非线性角速比也是很有用的。为了保持恒定的角速度，各个齿轮齿廓必须服从齿轮啮合的基本规律：为了一对齿能传递恒

定角速比，他们接触齿廓的形状必须是要这样：公法线通过两齿轮中心连线上的固定点。 满足啮合基本规律的两啮合齿廓被称为共轭齿廓。尽管有着许多满足相啮合齿的可能齿形能被设计出来，以满足基本啮合规律，但一般仅有两种在使用：摆线齿廓和渐开线齿廓。渐开线具有若干重要的优点：它易于加工制造和一对渐开线齿轮之间的中心距可以变化而不改变速比，当使用渐开线齿廓时，可不要求精密的轴间公差。

有几种标准齿轮可供选用。为了在平行轴条件下应用，通常使用直齿圆柱齿轮，平行轴斜齿轮或人字齿齿轮。在相交轴的情况下使用直齿锥齿轮或螺旋齿轮。对于非相交轴和非平行轴齿轮传动，交错轴螺旋齿轮，蜗杆蜗轮，端面齿轮、斜齿圆锥齿轮或准双曲面齿轮将被选用。对于直齿圆柱齿轮，相啮合齿轮的节圆是彼此相切的。他们互相滚动而无滑动。齿顶高是轮齿伸出超过节圆的高度（也是节圆和齿顶圆之间在径向的距离）。顶隙是一个给定齿的齿根高（在节圆以下的齿高）大于与它相啮合的齿轮的齿顶高的量（差值）。齿厚是沿着节圆圆弧上跨齿的距离，而齿间距（齿槽S）是沿着节圆圆弧上相邻两齿间的空间距离。而齿侧间隙是在节圆上的齿槽宽度大于其相啮合齿轮在节圆上的齿厚的差值。

[b]螺纹件、紧固件和联接件[/b]

固紧和联接零件的典型方法包括利用诸如螺栓、螺帽、有头螺钉、定位螺钉、铆钉、锁紧装置和键。零件也可以用熔焊、铜焊和夹紧连接。在工程图学和金属加工工艺研究中常常包括关于各种连接方法的说明，在工程上对此很感兴趣的，求知欲强的任何人自然会获得关于固紧方法上良好的基础知识。

如果让一个穿制服的人去选择他能想象的机械设计方面最枯燥最不感兴趣的学科的话，那么他就会选择紧固件学科，即螺栓和螺帽。事实上，术语“螺栓和螺帽”是与艰苦、单调的工作同义。但是乏味的工作总是需要的。人们严肃设想能有一群螺栓螺帽制造者组成一个协会并在一起召开年会吗？那样的话，还有什么学科不能让人感兴趣呢？

大型喷气发动机客机像波音747和洛希德1011，需要250万个紧固件，其中一些每个要花数美元。例如波音747，大约需要装70000个钛合金紧固件，全部大约要花150000美元；400000个具有精密公差的其他紧固件，大约要花250000美元；和30000个挤压用铆钉，价值每个50美分。为了保持低成本，波音和洛希德和他们的工程承包人常常重新审查紧固件的设计、安装技术和加工工具。节省设计和加工工具费用将找到一个预备市场，那将像Jumbo喷气发动机增值那样而增长价值。

紧固件是根据计划并以如何使用他们来命名的，而不是根据其在具体例子中实际的应用。如果记住了这个基本事实，就将不难区别螺钉和螺栓。如果所设计的产品其主要目的是把它装入到已攻丝的螺纹孔中，那就是螺钉。这样螺钉是要在螺钉头上施加扭矩来旋紧的。如果所设计的产品打算跟螺母配合使用，那就是螺栓。螺栓是靠在螺母上施加扭矩来旋紧的。双头螺栓就像刻了螺纹的杆，一端旋入螺纹孔中，另一端再装上螺帽，那就是确定产品名称的意义，并不是其实际使用。这样，在各种场合用钻头去钻孔穿过两块钢板，人们就会用螺栓和螺帽来连接它们，这可能是人们所希望的。有四种形式的螺钉头，最普遍使用四种带帽螺钉是：六角头螺钉，槽头螺钉，平头螺钉和内六角沉头螺钉。

当想要一个可以被拆开又不破坏被联接零件的联接时，而且这个联接又要有足够的强度以承受外拉力和剪力或这两种力的结合，使用淬火垫圈的简单螺栓联结是一个很好的方法。在这种连接中，首先把螺栓上紧以产生一预紧载荷初拉力，而后施加外拉力载荷和剪切载荷。预载荷的作用是使被联接零件处于压应力状态以便更好地抵抗剪切载荷。螺栓预加载荷的重要性不能被过高地估计。较高预载荷能提高螺栓联结的抗疲劳能力和改善锁紧作用。

已经知到：高预载荷在重要的螺栓联接中是非常希望的。下一步我们必须考虑，当要装配零件时，实际研制预载的保险的办法。

如果具有横截面积为A的螺栓总长度为L，当它被装配时，实际上是可以用千分表来测量

的。由于预载力F而使螺栓伸长为d,d可以利用公式d＝FL/AE来计算。式中E是螺栓材料的弹性模量。那么简便地旋紧螺母直至使螺栓伸长达到d。这就保证了所希望的预紧载荷已经达到。

然而螺钉的伸长通常是不可能被测量的。因为螺钉端部可能是盲孔。在许多情况下，去测量螺栓的伸长也是不实际的。在这样情况下，要求能产生具体预载荷的扭矩扳手必须加以测定。因为扭矩扳手，气动冲击扳手，或螺帽旋动圈数扳手等方法，可能被使用。

[b]减（耐）摩擦轴承[/b]

减摩擦（滚动）轴承这个术语被用于描述一类轴承，其主要载荷是通过滚动接触而不是滑动接触的元件传递的。在滚动轴承中起动摩擦和运行摩擦大体上是相同的，有关摩擦的有效载荷、速度和温度变化是小的。把滚动轴承说是“减摩擦轴承”可能是错的，因为某些轴承的摩擦不存在，但是这一术语已普遍地彻底地用于工业上了。从机械设计者的观点出发：研究减摩擦轴承当与所研究的课题相比较时，可提供几方面的思考。减摩擦轴承方面的专家面临着设计一组组成滚动轴承的元件，这些元件必须设计得能装入所规定的尺寸空间，它们必须设计成能承受具有某种特性的载荷而最后这些元件必须设计成当规定条件下运转时具有令人满意的寿命。因此轴承专家必须考虑这些事项：破坏荷载、摩擦力、热、抗腐蚀、运动学问题，材料性质、润滑、加工公差、装配、使用和费用。从所有这些因素的考虑出发，在判断中他要达到一种妥协方案。这一方案就是所陈述问题的最佳答案。

减摩擦轴承制造者已经做出了有用的几乎是无数规格和形式的滚动轴承。他们已经将这些规格和类型连同所建议的载荷和速度一起在手册中列表显示。这样机械设计专家的任务就不是如何去设计滚动轴承而是如何去选择滚动轴承的问题了。

然而我们不能如此简单地讨论这一课题。至少，简短地研讨减摩擦轴承的内容应该是关于机械设计文献的一部分，进而，如果我们考察过多种机械元件，例如齿轮、轴承、紧固件、离合器和类似元件，减摩擦轴承代表着关于机械寿命精确度，荷载能力和可靠性的完美的顶峰，那可能就是真的了。这完美程度未曾有过靠偶然的因素来实现。那是一个最佳工程实践的例子，并可将所掌握知识在别处运用。

制造出的轴承承受纯径向载荷、纯轴向载荷或者承担上述二者相结合的载荷。球轴承的术语在图1中有说明（在这未表示出来），该图表示了轴承的四个主要零件。这些零件就是外圈、内圈、钢球即滚动元件，和分隔器。在便宜的轴承中分隔器是被省略的，但它具有重要的分隔钢球的作用，因之将不会发生擦伤接触。

单列深沟轴承将承受径向载荷和一些轴向载荷。靠将内圈移偏到一定位置，然后将钢球塞入沟槽中，加载后钢球被分开，而分隔器是后来再装配上去的。

利用内外圈上的装填缺口，能让较多的钢球被填塞进去，这样来增加承载能力。然而要注意减小轴向载荷，因为当轴向的载荷出现在钢球正对准圈上缺口时，钢球将发生振摆擦伤，以致跳出。

角接触轴承会产生较大的轴向推力。所有这些轴承都可以在一边或两边用挡板防护。这些挡板并不是完全密闭的但对灰尘污物提供防护措施。许多轴承制造时在一端或两端予以密封。当两端都进行密封时，轴承在制造厂就已润滑。尽管密闭轴承假定为了提高寿命已被润滑过，但有时还是要规定润滑的方法。

单列轴承会经受小量的轴向偏移或挠曲，但这里是个严重的问题，可能要用自动调心轴承。双列轴承做成多种类型和规格。虽然双列轴承一般需要较少的零件，占有较小的空间，但为了同样的使用目的，有时两个单列轴承一起使用。

大量的标准的滚子轴承也是很有用的。圆柱滚子轴承比同样规格的球轴承将承受较大的载荷，因为有较大的接触面。然而他们也有缺点，那就是其滚道和滚子几乎都要求有精密的几何形状。圆形滚子推力轴承、滚针轴承，圆锥滚子轴承各自都用于不同的用途。

当减摩擦轴承中的钢球或滚子进入载荷区中滚动时，在内圈、滚动元件和外圈上产生Hertzian应力，因为接触元件在轴向的曲率与径向的曲率是不同的。为了计算这些应力的公式比起Hertzian方程要复杂得多。如果轴承清洁并得到合适的润滑和安装，对灰尘和污物入口处作了密封，并在这种状况下还作了维护且在合理的温度下运转，那么金属的疲劳将仅仅是由于受到损坏时才会发生。由于这应力的作用将是数以万计，因此，轴承寿命这术语就非常普遍地使用。

在疲劳损伤首次发生之前，单个轴承的寿命是以轴承运转的总转数来定义或以轴承在给定的常速下运转的小时数来定义。当然疲劳具有统计学上的本质意义，因此如果试验大量的轴承，某些离中趋势是可以预料到的。一组看起来相同的球轴承的额定寿命被定义为：其百分之九十的轴承在没有出现疲劳损伤前能够完成或者超额完成运行的转数，或当这组轴承以某个给定的恒定速度运行时的小时数。

减摩轴承在大量的机械产品中使用，例如玩具、家居用品，制冷设备、辊子底架、车库门、卡车、工业机械、牙科设备和引导导弹发射的装置等等。这些应用中的某些用途需要精密轴承，但对于其他场合，由于使用精密轴承成本高而被禁止使用。

为了识别各种各样类型的轴承的需要，AFBMA决定组建一些关于建立轴承公差标准的下属委员会。

AFBMA——耐摩轴承厂商协会（美国）

[b]斜齿轮、蜗杆蜗轮和锥齿轮[/b]

在直齿圆柱齿轮的受力分析中，是假定各力作用在单一平面的。在这一课中，我们将研究作用力具有三维坐标的齿轮。因此，在斜齿轮的情况下，其齿向是不平行于回转轴线的。而在锥齿轮的情况中各回转轴线互相不平行。像我们将要讨论的那样，尚有其他道理需要学习、掌握。

斜齿轮用于传递平行轴之间的运动。倾斜角度每个齿轮都一样，但一个必须右旋斜齿，而另一个必须是左旋斜齿。齿的形状是一渐开线螺旋面。如果一张被剪成平行四边形（矩形）的纸张包围在齿轮圆柱体上，纸上印出齿的角刃边就变成斜线。如果我展开这张纸，在斜角刃边上的每一个点就发生一渐开线曲线。

直齿圆柱齿轮轮齿的初始接触处是跨过整个齿面而伸展开来的线。斜齿轮轮齿的初始接触是一点，当齿进入更多的啮合时，它就变成线。在直齿圆柱齿轮中，接触线是平行于回转轴线的。在斜齿轮中，该线是跨过齿面的对角线。它是轮齿逐渐进行啮合并平稳地从一个齿到另一个齿传递运动，那样就使斜齿轮具有高速重载下平稳传递运动的能力。斜齿轮使轴的轴承承受径向和轴向力。当轴向推力变得大了或由于别的原因而产生某些影响时，那就可以使用人字齿轮。双斜齿轮（人字齿轮）是与反向的并排地装在同一轴上的两个斜齿轮等效。他们产生相反的轴向推力作用，这样就消除了轴向推力。当两个或更多的单向齿斜齿轮被装在同一轴上时，齿轮的齿向应作选择，以便产生最小的轴向推力。

蜗轮与交错轴斜齿轮相似。小齿轮即蜗杆具有较小的齿数，通常是一到四齿，由于它们完全缠绕在节圆柱上，因此它们又被称为螺纹齿。与其相配的齿轮叫做蜗轮，蜗轮不是真正的斜齿轮。蜗杆和蜗轮通常是用于向垂直相交轴之间的传动提供大的角速度减速比。蜗轮不是斜齿轮，因为其齿顶面做成中凹形状以适配蜗杆曲率，目的是要形成线接触而不是点接触。然而蜗杆蜗轮传动机构中存在齿间有较大滑移速度的缺点，正像交错轴斜齿轮那样。

蜗杆蜗轮机构有单包围和双包围机构。单包围机构就是蜗轮包裹着蜗杆或部分地包围着蜗杆的一种机构。当然，如果每个构件各自局部地包围着对方的蜗轮机构就是双包围蜗轮蜗杆机构。这两者之间的重要区别是，在双包围蜗轮组的轮齿间有面接触，而在单包围蜗轮组的轮齿间只有线接触。一个装置中的蜗杆和蜗轮正像交错轴斜齿轮那样具有相同的齿向，但是其斜齿齿角的角度是极不相同的。蜗杆上的齿斜角度通常很大，而蜗轮上的则极小。因此惯常

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规定蜗杆的导角，那就是蜗杆齿斜角的余角；也规定了蜗轮上的齿斜角，该两角之和就等于90°的轴线交角。

当齿轮要用来传递相交轴之间的运动时，就需要某种形式的锥齿轮。虽然锥齿轮通常制造成能构成90°轴交角，但它们也可产生任何角度的轴交角。轮齿可以铸出、铣制或滚切加工。仅就滚齿而言就可达一级精度。在典型的锥齿轮安装中，其中一个锥齿轮常常装于支承的外侧。这意味着轴的挠曲情况更加明显而使在轮齿接触上具有更大的影响。

另外一个难题，发生在难于预示锥齿轮轮齿上的应力，实际上是由于轮齿被加工成锥状造成的。

直齿锥齿轮易于设计且制造简单，如果他们安装的精密而确定，在运转中会产生良好效果。然而在直齿圆柱齿轮情况下，在节线速度较高时，他们将发出噪音。在这些情况下，通常设计使用螺旋锥齿轮，实践证明是切实可行的，那是和配对斜齿轮很相似的配对锥齿轮。当在斜齿轮情况下，螺旋锥齿轮比直齿轮能产生平稳得多的啮合作用，因此碰到高速运转的场合那是很有用的。当在汽车的各种不同用途中，有一个带偏心轴的类似锥齿轮的机构，那是常常所希望的。这样的齿轮机构叫做准双曲面齿轮机构，因为他们的节面是双曲回转面。这种齿轮之间的轮齿作用是沿着一根直线上产生滚动与滑动相结合的运动并和蜗轮蜗杆的轮齿作用有着更多的共同之处。

[b]轴、离合器和制动器[/b]

轴是一转动或静止杆件。通常有圆形横截面。在轴上安装像齿轮、皮带轮、飞轮、曲柄、链轮和其他动力传递零件。轴能够承受弯曲，拉伸，压缩或扭转载荷，这些力相结合时，人们期望找到静强度和疲劳强度作为设计的重要依据。因为单根轴可以承受静应力，变应力和交变应力，所有的应力作用都是同时发生的。

“轴”这个词包含着多种含义，例如心轴和主轴。心轴也是轴，既可旋转也可以静止的轴，但不承受扭转载荷。短的转动轴常常被称为主轴。

虽然来自M．H．G方法在设计轴中难于应用，但它可能用来准确预示实际失效。这样，它是一个检验已经设计好了的轴的或者发现具体轴在运转中发生损坏原因的好方法。进而有着大量的关于轴设计的问题，其中由于别的考虑例如刚度考虑，尺寸已得到较好的限制。 设计者去寻找关于圆角尺寸、热处理、表面光洁度和是否不需要进行喷丸处理等资料，目的是要实现所要求的寿命和可靠性，那才是真正的唯一的需要。

由于他们的功能相似，在这课中将离合器和制动器一起处理。简化摩擦离合器或制动器的动力学表达式中，各自以角速度ω1和ω2运动的两个转动惯量I1和I2，在制动器情况下其中之一可能是零，由于接上离合器或制动器而最终要导致同样的速度。因为两个构件开始以不同速度运转而使打滑发生了，并且在作用过程中能量散失，结果导致温升。在分析这些装置的性能时，我们应注意到作用力、传递的扭矩、散失的能量和温升。所传递的扭矩关系到作用力、摩擦系数和离合器或制动器的几何状况。这是一个静力学问题。这个问题将必须对每个几何结构形状分别进行研究。然而温升与能量损失有关，研究温升可能与制动器或离合器的类型无关。因为几何形状的重要性是散热表面。各种各样的离合器和制动器可作如下分类：

1．轮缘式内膨胀制动块；

2．轮缘式外接触制动块；

3．条带式；

4．盘型或轴向式；

5．圆锥型；

6．混合式。

分析摩擦离合器和制动器的各种形式都应用一般的同样的程序，下面的步骤是必需的：

1．假定或确定摩擦表面上压力分布；

2．找出最大压力和任一点处压力之间的关系；

3．应用静平衡条件去找寻（a）作用力；（b）扭矩；（c）支反力。

混合式离合器包括几个类型，例如强制接触离合器，超载释放保护离合器，超越离合器，磁液离合器等等。

强制接触离合器由一个变位杆和两个夹爪组成。各种强制接触离合器之间最大的区别与夹爪的设计有关。为了在接合过程中给变换作用予较长时间周期，夹爪可以是棘轮式的，螺旋形或齿形的。有时使用许多齿或夹爪。他们可能在圆周面上加工齿，以便他们以圆柱周向配合来结合或者在配合元件的端面上加工齿来结合。

虽然强制离合器不像摩擦接触离合器用得那么广泛，但它们确实有很重要的应用。该离合器需要同步操作。

装置，例如线性驱动装置或电机操作螺杆驱动器必须运行到一定的限度然后停顿下来。为着这些用途就需要超载释放保护离合器。这些离合器通常用弹簧加载，以使得在达到预定的力矩时释放。当到达超载点时听到的“咔嚓”声就被认定为是所希望的信号声。

超越离合器或连轴器允许机器的被动构件“空转”或“超越”，因为主动驱动件停顿了或者因为另一个动力源使被动构件增加了速度。这种离合器通常使用装在外套筒和内轴件之间的滚子或滚珠。该内轴件，在它的周边加工了数个平面。驱动作用是靠在套筒和平面之间楔入的滚子来获得。因此该离合器与具有一定数量齿的棘轮棘爪机构等效。

磁液离合器或制动器相对来说是一个新的发展，它们具有两平行的磁极板。这些磁极板之间有磁粉混合物润滑。电磁线圈被装入磁路中的某处。借助激励该线圈，磁液混合物的剪切强度可被精确地控制。这样从充分滑移到完全锁住的任何状态都可以获得。

MECHANISMS AND MACHINE THEORY

Introduction to Mechanism

The function of a mechanism is to transmit or transform motion from one rigid body to another as part of the action of a machine. There are three types of common mechanical devices that can be used as basic elements of a mechanism.

[list][*]Gear system, in which toothed members in contact transmit motion between rotating shafts.[*]Cam system, where a uniform motion of an input member is converted into a nonuniform motion of the output member.[*]Plane and spatial linkages are also useful in creating mechanical motions for a point or rigid body.[/list]A kinematic chain is a system of links, that is, rigid bodies , which are either jointed together or are in contact with one another in a manner that permits them to move relative to one another. If one of the links is fixed and the movement of any other link to a new position will cause each of the other links to move to definite

Lathes and other machines

Lathes, Boring Machines and Planing Machine

Lathes

Lathes are designed to rotate the workpiece and feed the cutting tool in the direction necessary to generate the required machined surface.

The most common form of lathe is the turret lathe it consists of a horizontal bed supporting the headstock, the carriage and the turret. The workpiece is gripped in a chuck or collet or is mounted on a faceplate mounted on the end of the main spindle of the machine.

The rotation of the workpiece is provided by an electric motor driving the main spindle through a

series of gears.

Cutting tools are mounted on the cross slide and on the turret. The tool on the cross slide can be driven or fed parallel to or normal to the axis of rotation of the workpiece. The turret can be indexed to bring the various tools into position and can be driven or fed along the bed of the lathe. Modern turret lathes are provided with computer control of all of the workpiece and tool motions. These are known as computer numerical control (CNC) lathes and the too or the cross slide can be fed in any direction in the horizontal plane to generate a required contour on the workpiece.

A cylindrical surface being generated by rotation of the workpiece an the movement of the carriage along the lathe bed; this operation is known as cylindrica turning.

车床及其他机床

车床、镗床和刨床

车床

车床用于旋转工件并从生成所需加工表面的所需方向进给切削刀具。

最常见的车床形式是以图解方式显示的六角车床，它由一个支承床头箱、拖板和六角刀架的水平床身组成。工件夹在卡盘或夹头中，或者安装在机床主轴端部的花盘上。

工件的旋转由一台电机通过一个齿轮系驱动主轴提供。

切削刀具安装在横向滑板及六角刀架上。在横向滑板上的刀具在平行于工件旋转轴线方向或在工件旋转轴线的法线方向驱动或进给。六角刀架可以通过改变将各种刀具定位并可以沿车床的床身方向驱动或进给.

现代六角车床由计算机控制所有工件和刀具运动。这些车床称为计算机数字控制(CNC）车床，而且刀具或横向滑板可以在水平面上的任一方向进给以使工件上产生所需的廓形。 通过工件旋转以及拖板沿车床床身运动所产生的柱面：这一工序称为外圆车削。

车床上进给运动的设置是在工件每转一圈刀具移动的距离。所有机床的进给量f规定为刀具相对于工件在进给运动方向刀具或工件每一行程或每转一圈的位移。这样，为了车削长度为l的柱面，工件的转数是l/f,而加工时间t,由下式给出

T=l/(fn）

式中n是工件的旋转速度。

在此应当强调t?是刀具沿工件通过一次（一次切削）的时间。但是，这一次通过并不意味着加工工序的完成。如果首次切削用于以高进给来去除大量材料（粗切），在操作过程中产生的力将有可能引起机床结构的明显挠曲。引起的精度损失可能需要以小进给量进一步加工(精切）使「件直径在规定的界限内并提供光滑的加工表面。由于这些原因在粗切时常被加工成稍大一点的尺寸，留下少量材料在随后的精加工中去除。

立式镗床

水平主轴的车床不适于车削沉重的大直径工件。否则机床主轴的轴线将不得不升高到机床操作工不易于够到固定刀具或固定工件的装置的高度。此外，在垂直的花盘上安装零件或在顶尖之间支承零件会有困难；因此使用了一种与车床相同的工作原理但具有垂直轴线的机床并称之为立式镗床。这种机床像车床那样旋转工件并向刀具施加连续的、线性的进给运动。 使用单刃刀具，而且进行的作业一般限于车削、端面车削和镗削。

便于定位大型工件的水平工件固定面由一个带有径向T型槽的起夹持作用的旋转工作台组成。

卧式镗床

这里介绍的另一种使用单刃刀具并具有旋转主运动的机床是卧式镗床。这种机床主要用于沉重的非圆柱形工件，在这种工件内有一个待加工的内圆柱形表面。一般讲，在描述机床时使用的卧式或立式这两个词指的是提供主运动的机床轴（主轴）的方向这样，在卧式镗床中，

主轴是水平的。

机床的主要特征是，工件在加工过程中保持静止，所有造型运动都施加到刀具上。最常见的加工工艺是镗削，通过旋转刀具来实现镗削，刀具安装在接到主轴上的镗杆上，然后沿旋转轴线进给主轴、镗杆和刀具。可用于移动工件的机床运动用来给工件定位，而且在进行加工时一般不使用。端面车削工序可以通过使用专用刀具架在其旋转时径向进给刀具来实现。 此外，先前推导的镗削和端面车削加工时间和金属切削率的方程仍将适用。

刨床

刨床适合于在非常大的部件上产生平面。在这种机床上，线性主运动施加到工件上并且刀具以垂直于该运动的方向进给。主运动通常利用变速马达通过齿条与齿轮传动来实现．而且进给运动是断续的。工件用提供的T型槽固定在机床的工作台上。加工时间t和金属切削率Z可以按下面的公式估算：

t＝b/（fn）

式中b是待加工面的宽度，n是切削行程的频率，f是进给量.金属切削率Z、由下式给出 Z＝fav

式中v是切削速度，a是切口深度（待去除的材料层的深度）。

钻床

钻床只能完成那些刀具旋转并沿其旋转轴线进给的工序。在加工过程中，工件总是保持静止。在小钻床上，刀具通过手工操纵手柄进给（称为手压钻削）工作台和动力头都可以升降来适应具有不同高度的工件。

在这种机床上最常见的作业是用麻花钻钻削来产生内柱面。这种刀具有两个切削刃，每个刀去除自己那份加工材料。

加工时间t由下面公式给出

t=l/(fn)

式中l是加工的孔的长度,f是进给量（每转），而n是刀具的旋转速度。

金属切削率Z可以通过用每转一圈的时间除钻头每转一圈切削材料的量得到

Z＝(л/4)fdm2 n

式中dm是加工孔的直径。如果对一个直径为dw的已有孔进行扩孔，那么

Z=(л/4)f(dm2-dw2)n

由于切削刃切除的切屑成螺旋形并沿钻沟向上运动，麻花钻通常被认为适合于加工孔长不超过五倍孔径的孔。可用需要专用钻床的专用钻头来钻较深的孔。

工件常常固定在栓接于机床工作台上的台钳内。然而，圆柱形工件内同心孔的钻削常常在钻头安装在转刀架上的六角车床上进行。

大麻花钻通常带有锥柄。该柄用于插入机床主轴内相应的锥度孔里.

小麻花钻具有直柄并被固定定在一个手钻中常见的三爪卡盘内。片盘带有锥柄，用于在钻床主轴内或在车床的尾架内定位。

在钻床上可以进行几道其他的加工工序。钻中心孔工序加工底端带有问隙的浅锥度孔。这一中心孔可以为后来的钻削工序提供导向以防止在钻削开始时钻尖“漂移”。铰削工序用于精加工先前钻过的孔。铰刀与钻头相似，但有几个切削刃和直槽。它仅用于去除少量的加工材料，但显著提高了孔的精度和表面光洁度。锪孔工序用于提供一个围绕孔端并垂直于其轴线的平面；这一平面可以提供一个相配件的基座，

例如热圈和螺帽

砂轮与磨床

砂轮

砂轮由许多小砂粒组成，通过粘接材料固定在一起它完全可以称为带有很多齿的切削刀具，因为砂轮面上每个凸出物切削下的小切屑与先前介绍的切削刀具切下的切屑类似。两种极为常用的砂粒是金刚砂和氧化铝，都是晶体状态。晶体被碾碎，产生的砂的颗粒，按大小分类，再用某些材料如陶化土、玻璃、橡胶、虫胶或酚醛树脂粘接。砂轮的切削面可以是周边、侧而或两者都是。

当小砂粒的切削刃变钝，切削力增大时则从粘接材料中拉出这些钝的颗粒。这就暴露出新的颗粒，即称为砂轮的自然磨损。如果砂轮切削面的廓形包含太锋利的角，在该点的砂粒没有得到足够的支承并因砂粒过早地从粘接材料中拉出而引起砂轮的快速磨损。

有许多切削刃都有断续切削的钝化效应，因此通过磨削可以去除的最小切屑厚度可能小于砂粒切削刃的厚度。由于这个刃极薄，使用砂轮而非其他切削刀具来将某些面加工成较高精度是可行的。因用于切除微小切屑的砂轮压力轻，引起的工件或砂轮挠曲相对较小。 磨床

较为常见的磨床类型有万能磨床、外圆磨床、内圆磨床、立式平面磨床、卧式平面磨床和无心磨床。

万能磨床和外圆磨床工件可以安装在顶尖之间或卡在万能磨床的主轴中。对于外圆磨床，安装主轴和尾架的工作台平行于砂轮的轴线。对于其他磨削工序，有可能旋转主轴箱、朝工作台水平力向进给砂轮以及让砂轮做平行于工作台运动方向的短距离的往复运动。外圆磨床是限于磨削直的和锥度的圆柱形工件的专用机床。

内圆磨床用于终饰内表面，如发动机汽缸、滚珠轴承座圈和类似的需要极高精度和高光洁度的工件。工件靠在砂轮上以相反的方向以及慢于砂轮的速度旋转。砂轮的直径必须小于待磨面直径，而且当表面直径小时，砂轮每分钟转的圈数必须极高以期在砂轮周边产生需要的表面速度。小砂轮磨损速度很快，因此应该设计出通过磨削要去除的材料很少的工件。在切口的端部应允许有适当的砂轮间隙。

平面磨床平面磨床是用于精加工平面的多用途机床。有两种类型,卧式和立式。在卧式机型中、砂轮的轴线是水平的并且磨削在其周边进行。在立式机型中，砂轮的轴线是垂直的并且磨削在其底面上进行。两种类型的磨床可能有往复式工作台或旋转工作台。磁性材料可以通过电磁卡盘固定在这些工作台上。非磁性材料被夹在或用螺栓固定在工作台上带有旋转工作台的平面磨床尤其适合于同时磨削类似的小工件。

无心磨床无心磨床是用于在柱面、锥面和球面，如活塞销、滚柱和滚珠轴承、锥型销和小轴上产生高光洁度，精密加工的重复性机床。如果用费用来评价机床，它是到目前为止最经济的加工这种平面的方法。这种机床主要的元件有砂轮、调整轮和工件架这三种元件，彼此相对适当定位．在磨削进，用于支撑和引导工件，而无须其它支撑或引导。调整轮控制工件的旋转速度和进给速率。

贯穿进给法用于磨削没有干扰凸肩的圆柱形零件·工件在机床的一侧通过砂轮。进入时表面粗糙，从另一侧出来时具有了精加工的表面。横磨法用于磨削有干扰凸肩的圆柱形零件和锥度面或型面。工件放在工件支架上，后者与调整轮一起向前进给，迫使工件顶着砂轮。砂轮将其周边加工成工作所需的轮廓。

铣床

卧式铣床

铣床有两种主要型式：卧式与立式，卧式铣床中，铣刀安装在由主轴驱动的水平轴上。 最简单的工序，为阔面铣削，用于在工件上制成一个水平面。

在估计一铣削操作中的加工时间时，应该记住铣刀的移动距离将大于工件的长度。这一延长的距离见说明，铣刀行程的距离由I + 给,这里l是工件长度，ae是切口深

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度,d是铣刀直径加.时问由下式给出

t= [l+ ]/v

式中v是工件的进给速度

金属切削率Z等于进给速度与去除的金属在进给运动方向上测量的横截面积的乘

积。如果ap等于工件宽度，则：

Z＝aeapvf

还有一些其他的水平铣削工艺。在成形切削中，专用铣刀带有成形的切削刃以便在工件上形成所需的截面。这些铣刀一般制造费用高，成形切削只有在产量足够大时才使用。在开槽工序中，使用一个标准铣刀在工件内加工一个长方形槽类似地，在斜面铣削中，用标准铣刀加工一个三角形槽。图中所示的跨铣工序仅仅是无数种通过在机床轴上安装多个铣刀可以完成的工序之一。这样，铣刀组合可以加土各种各样的断而形状。当组合使用铣刀时，工序常称为组合铣削.

固定工件既可通过栓接于工作台上的台钳也可直接用提供的T型槽将工件夹持在工作台上。 立式铣床

各种各样的水平面、垂直面和斜面的加工工序都可以在立式铣床上完成。该机床，顾名思义，主轴是垂直的。在升降型铣床上，工件可以以下面任意一种方式进给:

1通过升降升降台，沿垂直轴线进给

2通过沿升降台移动滑板，沿水平轴线进给。

3通过移动工作台穿过滑板，沿水平轴线进给

在较大型的立式铣床上，滑板直接安装在床身上，刀具与工件间沿垂直轴线的相对运动是通过铣床头顺立柱上下的运动来完成的；这些机床统称为床身型立式铣床。

一种加工水平平面的典型端面铣削工序所使用的铣刀称为端面铣刀。

为了估算加工时间t，间隙还应有助于工件与刀具间额外的相对运动。当刀具轴线运动的路径在工件上通过时，总的运动距离由（l+d,)给出，因此加工时间由下式给出

t=[l+2])/v,

式中l是工件长度，d是铣刀直径，v是工件进给速度.

当刀具轴线的路径没有在工件上通过时，则

t= [l+2]/v

式中ae是立铣中切口的宽度。

两种情况下的金属切削率z都由方程z=aeapv给出

工件固定也是通过机用台钳或用机用工作台内T型槽来完成。

拉床

拉削在各种型号的设备t进行，包括便携式装置、手提式拉削装置以及从小型手工操作或动力驭动的芯轴压床到大型卧式表面拉床等机床。然而，传统的压力机是多功能的机床且很少用于拉削。对任何一个拉床的主要要求包括工具与工件间精确的相对运动以及用以承受遇到的很大的力。大多数机床设计简单又非常可靠

拉床的分类

拉床可以根据上作特性和当机床完全装好工具后所完成的作业类型进行分类；根据切削行程的方向，拉床可以分为切削行程的轴垂直于地面的立式拉床、切削行程的轴平行于地面的卧式拉床以及包含所有其他变种和组合的专用型拉床；拉床还可以进步分为表面拉床、内拉床和通用拉床或组合拉床。

用驱动拉床的动力类型也可用于描述拉床。机床由机械或液压提供动力，对立式或小型卧式拉床最好使用液压驰动。但是，有些机床如连续（链）型和大型卧式表面拉削类型都几乎毫无例外地由机电方式提供动力。由于机电驱动可能节省能源，这种类型的动力现在已用在其他拉床上

对拉床的进一步分类是建立在工作特性的基础上如单推杆式或双推杆式、下拉式或上拉式、下推式或上推式回转式、连续式、壶式和盲键式，图中表示的是按照传动类型拉削行程的方向以及工作特性对拉床分类的略图

拉床具有单速、双速或变速驱动。对于某些应用而言，最好用双速控制来驱动拉刀，在部分行程中以一个速度驱动，而在另一部分行程中以第二个速度驱动。

机床控制系统可以从简单到复杂在某些机床上具有的高级控制系统可以调节任何所需的推杆运动顺序、加载、紧夹具、工件运动、松夹具和卸载在一些机床上使用了可编程控制器。虽然数字控制（NC）和计算机数字控制(CNC)一般不用于拉削的简单需求，但它们已经用于某些特殊应用

有许多不同的附件和附属装置供拉床使用，它们包括往复移动送件装置用于垂直平面拉床的带有横进给、交叉进给或旋转运动的倾斜和有刻度的工作台根据应用不同，常常需要自动加载/卸载、紧夹／松夹和拉刀修正系统，在涉及大块金属切除的大量生产中经常使用切屑传送机。有很多不同的材料处理装置用于使拉削工艺自动化。数个合并成连续生产线的拉床还可以完成其他诸如钻削.锉削和铣削的作业

拉床的选择

为某一具体应用选择拉床的重要因素包括作业所需的刀具类型和生产需求。需要考虑机床的基本特点，包括结构、能力（以吨为单位计的推杆力）、推杆行程和速度、工具和工件的尺寸容量。机床的大小和容量是刀具和工件大小、拉削功率需求和可用生产空间的函数。

立式拉床的优点有减少车间面积需求；让刀具在立面上运动．这样就避免了可能发生的下垂；一般能更好地分散切削液以及更容易除屑、更容易加载、夹紧和卸载工件。与卧式类型相比，一些立式机床的缺点包括行程长的拉床需要更高的天花板或更深的地面凹陷，而且更换工具更难进行。然而，一些小型直立台式拉床相对便宜，而且具有由一种设置到下一种设置改变快的特点。

通常卧式拉床的优点有可以处理更大和更重的工件以及适于切除较大原材料的更长的拉刀。拉床可以快速设置来拉削不同的零件，往往提高了多用性。但是除连续型拉床、专用拉床以及大型快速的卧式拉床外，大多数正在使用和建造的拉床都是立式的。

切削技术

加工基础

作为产生形状的一种方法，机械加工是所有制造过程中最普遍使用的而且是最重要的方法。机械加工过程是一个产生形状的过程，在这过程中，驱动装置使工件上的一些材料以切屑的形式被去除。尽管在某些场合，工件无支承情况下，使用移动式装备来实现加工，但大多数的机械加工是通过既支承工件又支承刀具的装备来完成。

机械加工在制造过程中具有两方面。小批生产低费用。对于铸造、锻造和压力加工，每一个要生产的具体工件形状，即使是一个零件，几乎都要花费高额的加工费用。靠焊接来产生的结构形状，在很大程度上取决于有效的原材料的形状。一般来说，通过利用贵重设备而又无需特种加工条件下，几乎可以从任何种类原材料开始，借助机械加工把原材料加工成任意所要求的结构形状，只要外部尺寸足够大，那都是可能的。因此对于生产一个零件，甚至于当

零件结构及要生产的批量大小上按理都适于用铸造、锻造或压力加工来生产的，但通常宁可选择机械加工。

严密的精度和良好表面光洁度。机械加工的第二方面用途是建立在高精度和可能的表面光洁度基础上。许多零件，如果用别的其他方法来生产属大批量生产的话，那么在机械加工中则是属低公差且又能满足要求的小批量生产了。另方面，许多零件靠较粗的生产加工工艺提供其一般表面形状，而仅仅是在需要高精度的且选择过的表面上才进行机械加工。例如内螺纹，除了机械加工之外，几乎没有别的加工方法能进行加工。又如已锻工件上的小孔加工，也是被锻后紧接着进行机械加工才完成的。

基本的机械加工参数

切削中工件与刀具的基本关系是以下四个要素来充分描述的：刀具的几何形状，切削速度，进给速度，和吃刀深度。

切削刀具必须用一种合适的材料来制造，它必须是强固、韧性好、坚硬而且耐磨的。刀具的几何形状——以刀尖平面和刀具角为特征——对于每一种切削工艺都必须是正确的。

切削速度是切削刃通过工件表面的速率，它是以每分钟英寸来表示。为了有效地加工，切削速度高低必须适应特定的工件——刀具的配合。一般来说，工件材料越硬，速度越低。 进给速度是刀具切进工件的速率。若工件或刀具作旋转运动，进给量是以每转转过的英寸数目来度量的。当刀具或工件作往复运动时，进给量是以每一行程走过的英寸数度量的。一般来说，在其他条件相同时，

进给量与切削速度成反比。

吃刀深度——以英寸计——是刀具进入工件的距离。它等于旋削中的切屑宽度或者是等于线性切削中的切屑的厚度。粗加工比起精加工来，吃刀深度较深。

切削参数的改变对切削温度的影响

金属切削操作中，热是在主变形区和副变形区发生的。这结果导致复杂的温度分布遍及刀具、工件和切屑。图中显示了一组典型的等温曲线，从中可以看出：像所能预料的那样，当工件材料在主变形区被切削时，沿着整个切屑的宽度上有着很大的温度梯度，而当在副变形区，切屑被切落时，切屑附近的前刀面上就有更高的温度。这就导致了前刀面和切屑离切削刃很近的地方切削温度最高。

实质上由于在金属切削中所做的全部功都被转化为热，那就可以预料：被切离金属的单位体积功率消耗增加的这些因素就将使切削温度升高。这样刀具前角的增加而所有其他参数不变时，将使被切离金属的单位体积所耗功率减小，因而切削温度也将降低。当考虑到未变形切屑厚度的增加和切削速度，这情形就更是复杂。未变形切屑厚度的增加势必导致通过工件的热的总数上产生比例效应，刀具和切屑仍保持着固定的比例，而切削温度变化倾向于降低。然而切削速度的增加，传导到工件上的热的数量减少而这又增加主变形区中的切屑的温升。进而副变形区势必更小，这将在该区内产生升温效应。其他切削参数的变化，实质上对被切离金属的单位体积功率消耗上并没有什么影响，因此实际上对切削温度没有什么作用。因为事实已经表明：切削温度即使有小小的变化对刀具磨损率都将有实质意义的影响作用。这表明如何从切削参数来确定切削温度那是很合适的。

为着测定高速钢刀具温度的最直接和最精确的方法是W．＆．T．法，这方法也就是可提供高速钢刀具温度分布的详细信息的方法。该项技术是建立在高速钢刀具截面金相显微测试基础上，目的是要建立显微结构变化与热规律图线关系式。当要加工广泛的工件材料时，Trent已经论述过测定高速钢刀具的切削温度及温度分布的方法。这项技术由于利用电子显微扫描技术已经进一步发展，目的是要研究将已回过火和各种马氏体结构的高速钢再回火引起的微观显微结构变化情况。这项技术亦用于研究高速钢单点车刀和麻花钻的温度分布。 刀具的磨损

从已经被处理过的无数脆裂和刃口裂纹的刀具中可知，刀具磨损基本上有三种形式：后刀面磨损，前刀面磨损和v形凹口磨损。后刀面磨损既发生在主刀刃上也发生在副刀刃上。关于主刀刃，因其担负切除大部金属切屑任务，这就导致增加切削力和提高切削温度，如果听任而不加以检查处理，那可能导致刀具和工件发生振动且使有效切削的条件可能不再存在。关于副刀刃，那是决定着工件的尺寸和表面光洁度的，后刀面磨损可能造成尺寸不合格的产品而且表面光洁度也差。在大多数实际切削条件下，由于主前刀面先于副前刀面磨损，磨损到达足够大时，刀具将失效，结果是制成不合格零件。

由于刀具表面上的应力分布不均匀，切屑和前刀面之间滑动接触区的摩擦应力，在滑动接触区的起始处最大，而在接触区的尾部为零，这样磨蚀性磨损在这个区域发生了。这是因为在切屑卡住区附近比刀刃附近发生更严重的磨损，而刀刃附近因切屑与前刀面失去接触而磨损较轻。这结果离切削刃一定距离处的前刀面上形成麻点凹坑，这些通常被认为是前刀面的磨损。通常情况下，这磨损横断面是圆弧形的。在许多情况中和对于实际的切削状况而言，前刀面磨损比起后刀面磨损要轻，因此后刀面磨损更普遍地作为刀具失效的尺度标志。然而因许多作者已经表示过的那样在增加切削速度情况下，前刀面上的温度比后刀面上的温度升得更快，而且又因任何形式的磨损率实质上是受到温度变化的重大影响。因此前刀面的磨损通常在高速切削时发生的。

刀具的主后刀面磨损带的尾部是跟未加工过的工件表面相接触，因此后刀面磨损比沿着磨损带末端处更为明显，那是很普遍的。这是因为局部效应，这像未加工表面上的已硬化层，这效应是由前面的切削引起的工件硬化造成的。不只是切削，还有像氧化皮，刀刃产生的局部高温也都会引起这种效应。这种局部磨损通常称作为凹坑性磨损，而且偶尔是非常严重的。尽管凹坑的出现对刀具的切削性质无实质意义的影响，但凹坑常常逐渐变深，如果切削在继续进行的话，那么刀具就存在断裂的危机。

表面精整加工机理

对已加工表面进行精整加工的机理，基本上有五个方面，它们是：

1）切削过程的基本几何结构。例如在工件每转一转，单点车刀将轴向前进一个等距。当垂直对着走刀运动方向观察时，结果在工件表面上有一系列基本形状一样，即似切割刀具刀尖形状复制而成的三角槽纹。

2）切削加工的效率。已经论述过，带不稳定切屑瘤的切削加工将产生含有硬切屑瘤碎屑的表面，这些碎屑将导致表面光洁度的破坏（降级）。已经证明，在采用进给量大，前角小，切削速度低的不利情况下，除了产生不稳定的切屑瘤外，切削过程也会不稳定。同时，在切削区里进行的也不再是切削，而是撕裂，导致厚度不均匀，不连续的切屑，加工出的表面质量差。当加工可塑性大的材料，如加工铜和铝时，这种情形特别突出。

3）机床的稳定性。在各种切削条件（如工件尺寸装夹的方法，刀具相对于机床的刚度）相结合情况下，刀具的不稳定性可能产生，那将引起振动。在某些情况下，这振动将达到维持稳定而在另一种情况下，这振动将加重，直至停止切削，否则可能使刀具和工件发生相当严重的破坏。这种现象称作“刀振”，而且在轴向车削中是以工件表面上长间距螺旋带状和已加工表面瞬间短距波纹为特征的。

4）切除金属切屑的有效性。断续产生切屑的机械加工中，像铣削或脆性材料车削中，切屑或者是由于重力作用或者是由于切削运动而引起切屑辅助喷射作用而离开切削区，那是所希望得到的。同样它们也将不会以任何方式影响已切削表面。然而当切屑的产生明显是连续不断时，除非采取措施控制切屑外，否则它将冲击伤害已加工过的表面并且会在表面上留下划痕，除了看起来会令人厌恶外，还常导致较差的表面光洁度（精度）。

极限和公差

制造机器零件应使它们具有互换性。换句话说，每一个机器或机构的零件应制造成具有一定

的尺寸和形状以便使之能装入到任何其他同类型的机器或机构中。为了把零件制造成可以互换，每一个具体零件都必须把它制造成一定尺寸以便将以合适的方式装入到与其相配合的零件中去。把许多零件做成有准确的尺寸，那不仅是不可能的，而且也是不实际的。这是因为机床并不是完美的，刀具也会被磨损的，偏离准确尺寸稍有点偏差也是允许的。尺寸偏差大小数量取决于要制造零件的种类。例如，一个零件可以制成6英寸长，其长度偏差为±0.003英寸（即正负千分之三英寸）。因此该零件可以是5.997到6.003英寸长，而仍然是合格的尺寸。这两个尺寸被称为极限尺寸。上下极限尺寸之间的差值就称做公差。

公差是一个零件尺寸允许变化的总值。

基本尺寸是那样的尺寸，从基本尺寸出发，靠运用偏差和公差来得到（推导出）极限尺寸。有时极限尺寸仅允许在单一方向。这就叫做单向公差（偏差）。

单向公差标注是尺寸标注制度。于此公差（亦即偏差）仅在基本尺寸（又叫公称尺寸）的一侧表示。

标注单向公差允许变更孔或轴公差而不影响配合。

当公差分布于基本尺寸的两侧，那就叫做双向公差（偏差）或叫正负偏差。

标注双向公差也是一种尺寸标注制度，于此，，公差（亦即偏差）被分别表示在基本尺寸（亦叫公称尺寸）两侧。

标注极限尺寸也是一种尺寸标注制度，于此仅仅表示极大和极小尺寸。这样，公差就是这两个极限尺寸之间的差值。

尺寸控制和表面精整

已经加工完成而且具有正确尺寸和形状的零件常常需要进行某种表面精整处理，以便使它们能充分达到其功能要求。某些情况下，改善表面材料的物理性质以便抗渗透抗磨损，那是必需的。许多制造过程中，零件表面留有脏物、切屑、油脂或其他有害物质在上面。以不同材料制成的装配件或用不同方法加工的相同材料制成的装配件可能需要某些特殊的表面处理，以提供装配件外表面的均匀性。

表面精整加工有时可能是一种中段处理加工。例如在任何种类的涂漆、电镀之前，清洗和抛光通常是很重要的的工序。某些清洗程序也用于改善相配零件表面的光滑度和用于去除毛刺和锐角。因为这些毛刺和锐角在以后的使用中是有害的。在各种环境中防止腐蚀是表面精整处理的另一种重要作用和需要。防护措施将主要取决于原先暴露部分的状况以及尚需考虑防护的材料和包括考虑经济因素在内。

当一个零件可用作“配件”去更换另一个同样的尺寸和材料规格的零件时，那么就说这些配件是可互换的。互换性制度通常可降低生产成本，因此对于一种昂贵的、琐碎的修配加工没有必要存在，万一需要更换已磨损了的零件时，这种制度就有利于雇主购买配件了。 自动夹具设计

用作装配设备的传统同步夹具把零件移动到夹具中心上，以确保零件从传送机上或从备件盘上取出后置于已定位置上。然而在某些应用场合、强制零件移动到中心线上时，可能引起零件或设备破坏。当该零件易损而且小小振动可能导致报废时，或当其位置是由机床主轴或模具来确定时，再或者当公差要求很精密时，那宁可让夹具去适应零件位置，而不是相反。为着这些工作任务，美国俄亥俄州Elyria的Zaytran公司已经开发了一般性功能数据的非同步系列柔顺性夹具。因为夹具的作用力和同步化装置是各自独立的，该同步装置可以用精密的滑移装置来替换而不影响夹具的作用力。夹具规格范围是从0.2英寸行程、5英磅夹紧力到6英寸行程、400英磅夹紧力。

现代生产的特征是批量变得越来越小而产品的品种规格变化更大。因此，生产的最后阶段，装配因生产计划、批量和产品设计的变更而显得特别脆弱。这种情形正迫使许多公司更多地致力于广泛的合理化改革和前面提到过情况那样装配自动化。尽管柔性夹具的发展很快落后

机械工程专业英语武汉理工大学出版社详细翻译61_机械工程专业

于柔性运输处理装置的发展，如落后于工业机器人的发展，但仍然试图指望增加夹具的柔顺性。事实上夹具是重要的装置——生产装置的专项投资就加强了使夹具更加柔性化在经济上的支持。

根据它们的柔顺性，夹具可以分为：专用夹具、组合夹具、标准夹具和高柔性夹具。柔性夹具是以它们对不同工件的高适应性和以少更换低费用为特征的。

结构形式可变换的柔性夹具装有可变更结构排列的零件（例如针形颊板，多片式零件和片状颊板），标准工件的非专用夹持或夹紧元件（例：气动标准夹持夹具和带有可移动元件的夹具配套件），或者装有陶瓷或硬化了的中介物质（例如流动粒子床夹具和热夹紧夹具）。为了生产，零件要在夹具中被固紧，需要产生夹紧作用，其有几个与夹具柔顺性无关的步骤： 结构造型任务就是要产生若干稳定平面的组合，这样在这些平面上的各夹紧力将使工件和夹具稳定。按惯例，这个任务可用人-机对话即几乎完全自动化的方式来完成。以人-机对话即以自动化方式确定夹具结构造型的优点是可有组织有规划进行夹具设计，减少所需的设计人员，缩短研究周期和能更好地配置工作条件。简言之，可成功地达到显著提高夹具生产效率和经济效益。

在充分准备了构造方案和一批材料情况下，在完成首次组装可以成功实现节约时间达60％。 因此夹具结构造型过程的目的是产生合适的编程文件。

下面的部分将阐述自动化夹具设计的程序编制步骤和应用实例。

CUTTING TECHNOLOGY

Introduction of Machining

Machining as a shape-producing method is the most universally used and the most important of all manufacturing processes. Machining is a shape-producing process in which a power-driven device causes material to be removed in chip form. Most machining is done with equipment that supports both the work piece and cutting tool although in some cases portable equipment is used with unsupported workpiece.

Low setup cost for small Quantities. Machining has two applications in manufacturing. For casting, forging, and press working, each specific shape to be produced, even one part, nearly always has a high tooling cost. The shapes that may he produced by welding depend to a large degree on the shapes of raw material that are available. By making use of generally high cost equipment but without special tooling, it is possible, by machining; to start with nearly any form of raw material, so tong as the exterior dimensions are great enough, and produce any desired shape from any material. Therefore .machining is usually the preferred method for producing one or a few parts, even when the design of the part would logically lead to casting, forging or press working if a high quantity were to be produced.

Close accuracies, good finishes. The second application for machining is based

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