《2018年机械专业基础与实务(中级)指导书(精编版)》

第一部分 工程制图与公差配合

2工程图是设计工程师用以表达机械结构设计意图的语言和工具。它由制图标准规范和一些符号、画法规则组成。

1.1 工程制图的一般规定

图框，即图纸的规格尺寸，由图纸是否需要装订和图纸幅面的5927小确定。优先采用的图纸幅面是：A0，A1，A2，A3，A4，A5.

粗线宽度b应按图的大小和复杂程度，在0.5～2mm之间选择b的推荐系列为0.25、0.35、0.5、0.7、1、1.4、2mm。

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新标准规定，标题栏中的文字方向为看图的方向，即图样中标注尺寸、符号及说明均以标题栏的文字方向为准。

第一视角和第三视角视图两种画法的主要区别在于视图的配置关系不同。

一张工程图中，一般都包含3个基本内容：标题栏、基本视图、技术要求。

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1） 零件图中，如剖面线为金属材料，剖面线画成45°平行线，而且在各视图中应方向一致、间隔相等。在装配图中，相邻两金属零件的剖面线方向相反或方向相同但间隔不同；还要注意在各视图中同一零件的剖面线方向仍相同。

2） 零件图中可用涂色代替剖面线，但标准中规定涂色仅能用于零件图而不可用于装配图。 3） 对于狭小面积的剖面，当在图中的宽度小于或等于2mm时，可以用涂黑代替剖面线。

1.2 机械、液压、气动系统图的示意画法

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能认识、绘制机械、液压、气动系统的原理图，并能运用原理图进行方案设计和分析。

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1.5 尺寸、公差、配合与形位公差标注

基孔制配合是基本偏差为一定的孔的公差带，选择改变轴的公差带获得所需配合（状态）的一种装配制度。

基轴制配合是基本偏差为一定的轴的公差带，选择改变孔的公差带获得所需配合（状态）的另一种装配制度。

根据GB/T 1800.2-1998规定，标准公差采用国际标准公差代号IT表示。标准公差等级分为01， 0， 1， 2， 3，?，18共20级，分别标记为IT01，?，IT18.

标准推荐，基孔制的间隙配合、轴的基本偏差用a，b，c，d，e，f，g，h；过渡配合用js，k，m，n；过盈配合用p，r，s，t，u，v， x，y，z。

零件单一实际要素（指构成零件几何特征实际存在的点、线、面）形状所允许的变动全量称为形状公差。关联实际要素（指对其他要素有功能关系的实际要素）的位置对基准所允许的变动全量称为位置公差。形状和位置公差简称为形位公差。

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表而粗糙度指已加工表面波距在lmm以下的微观几何形状误差。表面粗糙度由加工过程中的残留面积、塑性变形、积屑瘤、鳞刺以及工艺系统的高频振动等原因造成。

同一表面粗糙度值Ry＞Rz＞Ra，且Ry值约为Ra值的8倍。一般表面粗糙度标注优先采用Ra值。

尺寸链是在零件加工或机器装配过程中，由相互联接的尺寸形成的封闭尺寸组。按尺链的形成和应用场合，尺寸链可分为工艺尺寸链和装配尺寸链。在零件加工过程中，由同零件有关工序尺寸所形成的尺寸链，称为工艺尺寸链。在机器设计和装配过程中由有关零设计尺寸所形成的尺寸链，称为装配尺寸链。

按尺寸链各环的几何特征和所处空间位置，尺寸链可分为直线尺寸链、角度尺寸链、面尺寸链和空间尺寸链。

第二部分 工程材料

2.1金属材料

金属材料的主要性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料使用某种工艺方法进行加工的难易程度。使用性能是指金属材料在正常工作条件下所表现出来的力学性能、物理性能和化学性能。

力学性能是指材料在外力作用下表现出来的性能。其主要指标有硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。材料的力学性能主要取决于材料的组分和晶体结构。

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。

硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。

硬度和其他力学性能之间存在一定关系。金属材料的布氏硬度HBS与抗拉强度ζb在一定硬度范围内存

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在线性关系，即ζb=KHBS，钢铁材料和铝合金K值约为3.3～3.5，铜及铜合盆约为4.8～5.3。根据洛式硬度换算ζb=－801.24＋50.083HRC。

对于刀具、冷成型模具和粘着磨损或磨粒磨损失效的零件，其磨损抗力和材料的硬度成正比，硬度是决定耐磨性的主要性能指标。对于承受接触疲劳载荷的零件如齿轮、滚动轴承等，在一定硬度范围内提高硬度对减轻麻点剥落是有效的。用硬度作为控制材料性能的指标时，必须对热处理工艺作出明确的规定，设计零件时在图样上除注明材料外，还必须注明热处理技术条件和热处理后达到的硬度（硬度应有一定范围，一般波动为5个HRC）。

生产中常用的硬度测试方法有布氏（HB）硬度测试法、洛氏（HR）硬度试验方法和维氏（HV）硬度试验方法三种（HS-肖氏硬度）。

（一）布氏硬度试验法

布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷P（kgf或N）的作用下压入被测试金属表面，保持一定时间t后卸载，测量金属表面形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值。

布氏硬度指标有HBS和HBW，前者所用压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等；后者压头为硬质合金，适用于布氏硬度值为450～650的金属材料，如淬火钢等。

布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质后的硬度。试验数据稳定，重复性强。检测布氏硬度时，检测面应是光滑的，表面粗糙度一般为Ra<0.8μm，试样厚度至少应为压痕直径的10倍。试验时，压痕中心应距试样边缘≥4d，当材料硬度<35HBS时应为6d。相邻两个压痕之间的间隔必须大于压痕直径的3倍以上。布氏硬度测试法，因压痕较大，故不宜测试成品件或薄片金属的硬度。

（二）洛氏硬度试验法

洛式硬度是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。

洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为（1.558mm（1/16英寸）的淬火钢球为压头，以一定的载荷压入被测试金属材料表面，根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种。

洛氏硬度测试，操作迅速、简便，且压痕小不损伤工件表面，故适于成品检验，热处理质量检验。缺点是压痕小，代表性差，所测硬度值重复性差，分散度较大。常用于检查淬火后的硬度。

（二）维氏硬度试验法

维氏硬度试验的压头是两对面夹角α为136°的金刚石四棱锥体。压头在试验力F的作用下，将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后，卸除试验力，测量出压痕对角线平均长度d，用以计算压痕的表面积A 。

l） 金属维氏硬度试验方法。试验力范围为49.03～980.7N，共分六级，主要用于测定较大工件和较深表面层的硬度。

2） 金属小负荷维氏硬度试验方法。试验力范围为1.961～49.03N，共分七级，主要用于测定较薄工件和具有较浅硬化层零件的表面硬度，也可测表面硬化零件的表层硬度梯度或硬化层深度。

3） 金属显微硬度试验方法。试验力范围为18.07310-3～1.961N，共分五级，主要用于测量微小件，极薄件以及具有极薄的表面层的硬度以及合金中组成相的硬度。

维氏硬度不仅试验力可任意选取，而且压痕测量精度高，硬度值准确。缺点是硬度值需通过测量压痕对角线长度后进行计算或查表，效率较低。

其他还有努氏硬度（HK）试验，它是一种显微硬度的试验方法，对表面淬硬层或镀层，渗层等薄层区域的硬度测定以及截面上的硬度分布的测定较为方便；肖氏硬度（HS）试验也是一种动载荷试验法（也称回跳硬度），较为方便，可在现场测量大型工件的硬度，其缺点是硬度测量精度较低；里氏硬度（HL）试验法，

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是一种新型的反弹式硬度测量方法，便于携带，常用于测量大型铸锻件、永久组装部件等、精度较高，可自动转换成洛式硬度、布氏硬度、里氏硬度或肖氏硬度，并可直接打印出测量结果，被测表面的粗糙度应达到Ra=2μm，表面清洁，不得有油污，被测零件的重量≥100g，厚度＞5mm，硬化层深度＞0.8mm。

习题1. 材料的基本力学性能主要包括哪此内容？

答：力学性能主要指标有硬度、强度、塑性、韧性等。

硬度：制造业中，通常采用压入法测量材料的硬度，按试验方法不同，分有布氏硬度（HB）、洛式硬度（HR）、维氏硬度（HV），表达材料表面抵抗外物压入的能力。布氏硬度（HB）是用一定载荷将淬火钢球压入试样表面，保持规定时间后卸载，测得表面压痕的面积后，计算出单位面积承受的压力，为布氏硬度值（HB），单位是kgf/mm2，通常不标注；布氏硬度（HB）测试法一般用于HB<450。洛氏硬度（HR）以压痕深浅表示材料的硬度。洛式硬度有三种标尺，分别记为HRA、HRB和HRC，采用不同的压头和载荷。生产中按测试材料不同，进行选择，有色金属和正火钢，选用HRB，淬火钢选用HRC；硬质合金、表面处理的高硬层选用HRA进行测量。维氏硬度（HV）根据单位压痕表面积承受的压力定义硬度值，压头为锥角136度金钢石角锥体，载荷根据测试进行选择，适用对象普遍。肖氏硬度（HS）是回跳式硬度，定义为一定重量的具有金钢石圆头和钢球的标准冲头从一定高度落下，得到的回跳高度与下落高度的比值，适用于大型工件的表面硬度测量。

强度：常用的强度指标为屈服强度ζs，通过拉伸试验确定，定义为材料开始产生塑性变形的应力，其大小表达材料抵抗塑性变形的能力，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，因此将试样产生0.2%塑性变形时的应力值，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，用ζ0.2表示。

抗拉强度ζb是材料产生最大均匀变形的应力。ζb对设计塑性低的材料如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的零件具有直接意义。设计时以抗拉强度确定许用应力，即[ζ]＝ζb/K（K为安全系数）。

塑性：通过拉伸试验确定塑性指标，包括伸长率（δ）和断面收缩率（Ψ），分别定义为断裂后试样的长度相对伸长和截面积的相对收缩，单位是％。它们是材料产生塑性变形重新分布而减小应力集中的能力的度量。δ和Ψ值愈大则塑性愈好，金属材料具有一定的塑性是进行塑性加工的必要条件。塑性还可以提高零件工作的可靠性，防止零件突然断裂。

韧性：冲击韧度指标αk或Ak表示在有缺口时材料在冲击载荷下断裂时塑性变形的能力及所吸收的功，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，单位为kgf2m/cm2。

δ和ψ数值大小只能表示在单向拉伸应力状态下的塑性，不能表示复杂应力状态下的塑性，即不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸对零件断裂强度的影响，因此不能可靠地避免零件脆断。标准件厂在螺栓或螺钉成品检验时都必须随机抽样对螺栓或螺钉实物进行偏斜拉伸试验。

冲击韧度指标αk或Ak、表征在有缺口时材料塑性变形的能力，反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，而且对温度很敏感，正好弥补了δ和ψ的不足。在设计中对于脆断是主要危险的零件，冲击韧度是判断材料脆断抗力的重要性能指标。其缺点是αk或Ak不能定量地用于设计，只能凭经验提出对冲击韧度值的要求。若过分追求高的αk值，结果会造成零件笨重和材料浪费。尤其对于中低强度材料制造的大型零件和高强度材料制造的焊接构件，由于其中存在冶金缺陷和焊接裂纹，此时，仅以冲击韧度值已不能评定零件脆断倾向的大小。

应当指出，在冲击载荷作用下工作的零件，实际承受的载荷是小能量多次重复冲击，这与αk值的实验条件不同，因此材料承受小能量多次重复冲击的能力主要决定于强度，而无需过高的冲击韧度。

材料经受无数次重复交变应力作用而不致引起断裂的最大应力，此种应力称为疲劳强度，用ζ-l表示弯曲疲劳强度。

试验规范规定：钢的循环次数以107为基数，非铁合金或某些超高强度钢取108为基数。

疲劳断裂的原因是由于材料内部缺陷，表面伤痕及在工作中零件局部应力集中，导致微裂纹的产生。这些微裂纹在交变应力作用下，随循环次数增加而逐渐扩展，使零件有效截面减小，从而导致突然断裂。

为了提高零件的疲劳强度，在设计时可通过改变零件结构的形状，避免应力集中。加工时改善表面粗糙度，采取表面处理、滚压和喷丸等措施，以提高材料的疲劳强度。

习题5. 常用材料硬度的测定法有哪三种？它们主要适应于检验什么材料？ 答：（1）硬度（HB）测定法：布氏硬度测定是用一定直径D（mm）的钢球或硬质合金球为压头，测量压痕球形面积A（mm2）。布氏硬度（HB）就是试验力F除以压痕球形面积A所得的商。布氏硬度试验特别适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质后的硬度。

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（2）洛式硬度（HR）试验：洛式硬度是以测量压痕深度来表示材料的硬度值。洛式硬度试验所用的压头有两种。一种是圆锥角ɑ＝120°的金钢石圆锥体；另一种是一定直径的小淬火钢球。常的三种洛式硬度如表2.1-2所示。洛氏硬度试验常用于检查淬火后的硬度。

标尺 符号 压头类型 总试验力F（N） 测量硬度范围 应用举例

A HRA 金钢石圆锥 5.884 22-88 硬质合金、表面薄层硬化钢

B HRB Φ1.558钢球 980.7 20-100 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 C HRC 钢金石圆锥 1471 20-70 淬火钢、高硬铸件、珠光体可锻铸铁 （3）维氏硬度（HV）试验：维氏硬度试验适用于常规材料，其压头是两对面夹角ɑ＝136°的金钢石四棱锥体。测量出压痕对角线平均长度并计算压痕的表面积A（mm2），得到HV＝0.1891F÷d2。

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为ζ，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用ζs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用ζb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

从图2.1-1可看出，钢在低于弹性极限ζe的应力下，应力和应变成正比，服从虎克定律，即ζ=Eξ称为线弹性变形，式中E为拉伸杨式模量。显然比例极限ζp是应力和应变成正比的最大应力，而弹性极限ζe则是不产生塑性变形的最大应力。当应力超过弹性极限ζe后，在继续发生弹性变形的同时，开始发生塑性变形并出现屈服现象，即外力不增加，但变形继续进行。显然，屈服极限ζs是材料开始产生塑性变形的应力。当应力超过屈服极限 ζs后，随着应力增加，塑性变形逐渐增加，并伴随加工硬化，即塑性变形需要不断增加外力才能继续进行，产生均匀塑性变形，直至应力达到抗拉强度ζb后均匀塑性变形阶段结束，试样开始产生不均匀集中塑性变形，产生缩颈，变形量迅速增大至K点而发生断裂。显然，抗拉强度ζb是材料产生最大均匀变形的应力，而断裂强度ζK则是材料发生断裂的应力。除低碳钢外，正火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料也具有上述类似的应力—应变行为。

ζs是强度设计中应用最多的性能指标，设计中规定零件工作应力ζ必须小于许用应力[ζ]。即

??[?]??sK K—安全系数。

按此式计算材料的屈服强度ζs愈高，承载能力愈大，零件的寿命越长。实际上不能一概而论。对于纯剪或纯拉伸的零件，例如螺栓，ζs可直接作为设计的依据，并取K=1.1～1.3；对于承受交变接触应力的零件，由于表面经热处理强化（渗碳、渗氮、感应加热淬火），疲劳裂纹多发生在表面硬化层和心部交界处，因而适当提高零件心部屈服强度对提高接触疲劳性能有利；对于低应力脆断零件，其承载能力已不是由材料的屈服强度来控制，而是决定于材料的韧性，此时应适当降低材料屈服强度；对于承受弯曲和扭转的轴类零件，由于工作应力表层最高，心部趋于零，因此只要求一定的淬硬层深度，对于零件心部的屈服强度不需过高的要求。需要指出的是大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，因此将试样产生0.2%塑性变形时的应力值，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，用ζ0.2表示。

抗拉强度对设计塑性低的材料如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的零件具有直接意义。设计时以抗拉强度确定许用应力，即[ζs]=ζb/K。而对于塑性材料制作的零件，ζb虽然在设计中没有直接意义，但由于大多数断裂事故都是由疲劳断裂引起的，疲劳强度ζ-1与抗拉强度ζb有一定关系。对于钢，当ζb<1400MPa时，ζ-1/ζb=0.5；对于灰铸铁ζ-1/ζb=0.4；有色金属ζ-1/ζb=0.3～0.4。通常以抗拉强度来衡量材料疲劳强度的高低，提高材料的抗拉强度对零件抵抗高周疲劳断裂有利。此外，抗拉强度对材料的成分和组织很敏感。两种材料的成分或热处理工艺不同，有时尽管硬度相同，但抗拉强度不同，因此可用

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抗拉强度作为两种不同材料或同一种材料两种不同热处理状态的性能比较标准，这样可以弥补硬度作为检验标准的不足之处。

习题2. 设计中的许用应力[ζ]与材料的强度有何关系？如何确定设计中的许用应力？ 答：设计中规定零件工作应力ζ必须小于许用应力[ζ]，即屈服强度除以安全系数的值ζ≤[ζ]＝ζs÷K，式中K—安全系数，ζb对设计塑性低的材料，如铸铁、冷拔高碳钢丝和脆性材料，如白口铸铁、陶瓷等制作的具有直接意义。设计时以抗拉强度ζb确定许用应力，即[ζ]＝ζb÷K（K为安全系数）。

弹性模量（E）（等于弹性应力，即弹性模量是产生100%弹性变形所需的应力）

刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力。工程中弹性模量E被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。设计弹性零件必须考虑弹性极限和弹性模量。

金属材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。导热差的材料，在经热处理或锻压工艺加工的加热速度应缓慢些，以防止产生裂纹。

金属材料的化学性能是指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。

金属材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能和热处理工艺性能。 晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性的重复排列；非晶体中的这些质点，则是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。这就是晶体和非晶体的根本区别。

晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。

在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外，包括金属和合金在内的绝大多数固体都是晶体。 最典型、最常见的三种晶体结构类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。 晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。

最常见的点缺陷是空位和间隙原子，因为这些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能的变化。

晶体中晶格空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中，晶格空位和间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理过程起着重要的作用。

晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

位错密度愈大，塑性变形抗力愈大。因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。

面缺陷即晶界和亚晶界。晶界实际上是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层。晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的，每个晶粒皆是有许多位向差很小的小晶块互相镶嵌而成的，这些小晶块称为亚组织。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界。晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度越高。晶界还有耐蚀性低、熔点低，原子扩散速度较快的特点。晶粒越细，金属材料的强度和硬度便越高。对于在较低温度下使用的金属材料，一般总是希望获得细小的晶粒。

在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。

金属由液态转变为固态晶体的过程叫做结晶。而一般非晶体由液态向固态的转变则称为凝固。

每种金属都有一个平衡结晶温度，也称理论结晶温度。只有金属的实际结晶温度低于理论结晶温度才能结晶，这种现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。因此认为：金属要结晶就必须有过冷度，即过冷度是结晶的必要条件，冷却速度愈快，则过冷度愈大。

生产中，细化晶粒的方法如下：

1）增加过冷度。结晶时增加过冷度ΔT会使结晶后晶粒变细。增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数较大的金属铸型来提高冷却速度。但是，对大型铸件，很难获得大的过冷度，而且太大的冷却速度，又增加了铸件变形与开裂的倾向。因此工业生产中多用变质处理方法细化晶粒。

2）变质处理。变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。如往钢液中加入钛、锆、铝等。

3）附加振动。金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以增大形核率。

纯金属在固态下的转变有两种，一种是同素异晶转变，一种是磁性转变。

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纯铁的同素异晶转变是：1538～1394℃时为体心立方晶格称δ-Fe；在1394～912℃时为面心立方晶格，称γ-Fe；在912℃以下时为体心立方晶格，称α-Fe。晶格改变，其性能随之变化，这就是钢能利用热处理方法改变性能的原因所在。

面心立方结构的金属塑性最好，可加工成极薄的金属箔，体心立方结构的金属塑性次之，密封六方结构的金属塑性最差。具有同素异晶转变的金属有铁、锡、钛、锰等。

磁性转变与同素异晶转变有着原则上的区别，不发生晶格类型转变，而是发生磁性和无磁性的转变。铁、钻、镍均具有磁性转变特性。纯铁的磁性转变温度为768℃，低于768℃的铁才具有磁性。

合金是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。相是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。通常把合金中相的晶体结构称为相结构，而把在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。所以合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。

一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。通过对金属的热处理可以在不改变其化学成分的前提下而改变其显微组织，从而达到调整金属材料力学性能的目的。

根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物、机械混合物三大类。

合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。置换固溶体如铜镍二元合金，铁碳合金中，铁素体和奥氏体皆为间隙固溶体。

由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。

金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。如碳钢中的Fe3C、黄铜中的CuZn等。

金属化合物具有复杂的晶体结构，熔点较高、硬度高、而脆性大、电阻高。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此金属化合物在合金中常作为强化相存在。它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。

机械混合物具有比单一固溶体更高的硬度、强度、耐磨性和良好的切削加工性，但其塑性和抗蚀性较差，如锡、锑、铜组成的轴承合金。

Fe-Fe3C相图 （铁碳合金相图）

相图中各主要点的温度、碳的质量分数及意义如表2.1一1所示。

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一、铁碳合金中的基本相

铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe-Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。

1，铁素体（ferrite）

铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号\（或α）表示，体心立方晶格；铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。

铁素体的力学性能特点是塑性，韧性好，而强度，硬度低。

δ=30%～50%，AKU=128～160J，ζb=180～280MPa，50～80HBS。

铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。

2，奥氏体（Austenite ）

奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号\（或γ）表示，面心立方晶格；

虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%（1148℃时），727℃时为0.77%。

在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727～1394℃，故奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造，热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓\趁热打铁\正是这个意思。ζb=400MPa，170～220HBS，δ=40%～50%。

另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。 奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。 3，渗碳体（Cementite）

渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式\3C\表示。它的碳质量分数Wc=6.69%，熔点为1227℃，

质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。

渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状，网状，片状，粒状等形态，它们的大小，数量，分布对铁碳合金性能有很大影响。

总结：

在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体，奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分重要的。

铁碳合金在固态下的几种基本组织：铁素体（F）、珠光体（P）、渗碳体（Fe3C）、奥氏体（A）和莱氏体（Ld）。

铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C，Fe2C，FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图， 此时相图的组元为Fe和Fe3C。

由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分轴从0～6.69%。所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe-Fe3C相图。

二、铁碳合金相图分析

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1铁碳相图分析

Fe-Fe3C相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组成的，我们可以将Fe-Fe3C相图分成上下两个部分来分析。

1，上半部分——共晶转变

℃

在1148℃，4.3%C的液相发生共晶转变：Lc 1148 γE＋Fe3C，转变的产物称为莱氏体，用符号Ld表示。

存在于1148℃～727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号Ld表示，组织由奥氏体和渗碳体组成；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。

低温莱氏体是由珠光体，Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物。经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上，Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起，一般无法分辨。

2，下半部分 —— 共析转变

℃

在727℃，0.77%的奥氏体发生共析转变：γS 727 αp＋Fe3C，转变的产物称为珠光体。 共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而非液体。 3，相图中的一些特征点

相图中应该掌握的特征点有：A，D，E，C，G（A3点），S（A1点），它们的含义一定要搞清楚。 4， 铁碳相图中的特性线

相图中的一些线应该掌握的线有：ECF线，PSK线（A1线），GS线（A3线），ES线（Acm线）

水平线ECF为共晶反应线。碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。

水平线PSK为共析反应线。碳质量分数为0.0218%～6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。

℃

水平线HJB为包晶转变线。LB＋δH 1495 γJ。

GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。 ES线是碳在A中的溶解度曲线（固溶线），通常叫做Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%， 而在727℃时仅为0.77%， 因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中， 将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CII）。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。

PQ线是碳在F中溶解度曲线（固溶线）。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%， 室温时仅为0.0008%， 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中， 将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CIII）。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少，往往予以忽略。

例 根据铁碳合金相图分析亚共析钢的结晶过程及组织转变？

解 以含碳量Wc为0.4%的合金为例。当液相冷却至BC线时，液相中开始析出奥氏体晶粒，在温度不断下降过程中。奥氏体量不断增加，当温度降到JE线时，液相全部变为单一均匀奥氏体。在温度为JE线与GS线之间时仍为奥氏体。当冷却到GS线时，奥氏体中开始析出铁素体。随着温度不断降低，铁素体量逐渐增多，奥氏体量逐渐减少。当温度降到A1线（727℃）时，奥氏体的含碳量Wc升至0.77%则发生共析反应而转变为珠光体。继续冷却至室温合金的组织为铁素体和珠光体。所有的亚共析钢，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成的，不同之处在于铁素体和珠光体的相对量不同。含碳量愈高，组织中珠光体量愈多，而铁素体量愈少。因此，可根据亚共析钢缓冷下的室温组织估计其碳含量Wc=Sp30.77%。

式中Wc—钢中C的质量分数；Sp—珠光体在显微组织中所占的面积百分比；0.77%—珠光体的C的质量分数。

三、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响

按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系。

当碳的质量分数增高时，不仅其组织中的渗碳体数量增加，而且渗碳体的分布和形态发生如下变化：Fe3CIII（沿铁素体晶界分布的薄片状） 共析Fe3C（分布在铁素体内的层片状） Fe3CII（沿奥氏体晶界分布的网状） 共晶Fe3C（为莱氏体的基体） Fe3CI（分布在莱氏体上的粗大片状）。

2．含碳量对机械性能的影响

渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。

低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。随着含碳量的增加，钢的组织中铁素体量不断减少，而珠光体量不断增加，导致强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，当钢的含碳量增加至0.9%

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时，其组织大多数为珠光体，且有尚未成为网状的渗碳体作为强化相，使其强度达到最大值。当Wc＞1.0%时，由于网状Fe3CII出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度、硬度和适宜的塑性、韧性，其Wc一般不超过1.3%～1.4%。

3．含碳量对工艺性能的影响

对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。

对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度也不能过低，以免产生裂纹。

对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。

一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。 习题3. 简述低碳钢、中碳钢和高碳钢的划分标准及其各自的性能特点。 答：低碳钢（Wc为0.10％～0.25％），若零件要求塑性、韧性好，焊接性能好，例如建筑结构、容器等，应选用低碳钢；中碳钢（Wc为0.25％～0.60），若零件要求强度、塑性、韧性都较好，具有综合机械性能，便如轴类零件，应选用中碳钢；高碳钢（Wc为0.60％～1.30％），若零件要求强度硬度高、耐磨性好，例如工具等，应选用高碳钢。

习题4. 简述铁碳相图的应用。

（1）为选材提供成份依据 Fe-Fe3C相图描述了铁碳合金的平衡组织随碳的质量分数的变化规律，合金性能和碳的质量分数关系，这就可以根据零件性能要求来选择不同成份的铁碳合金。

（2）为制订热加工工艺提供依据 Fe-Fe3C相图总结了不同成份的铁碳合金在缓慢冷却时组织随温度变化的规律，这就为制订热加工工艺提供了依据。

a. 铸造 根据Fe-Fe3C相图可以找出不同成份的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度。

根据相图中液相线和固相线之间的距离估计铸造性能的好坏，距离越小，铸造性能越好，例如纯铁、共晶成分或接近共晶成分的铸铁铸造性能比铸钢好。因此，共晶成分的铸铁常用来浇注铸件，其流动性好，分散缩孔小，显微偏析少。

b. 锻造 根据Fe-Fe3C相图可以确定锻造温度。始轧和始锻温度不能过高，以免钢材氧化严重和发生奥氏体晶界熔化（称为过烧）。一般控制在固相线以下100～200℃。一般对亚共析钢的终轧和终锻温度控制在稍高于GS线（A3线）；过共析钢控制在稍高于PSK线（A1线）。实际生产中各处碳钢的始锻和始轧温度为1150～1250℃，终轧和终锻温度为750～850℃。

c. 焊接 由焊缝到母材在焊接过程中处于不同温度条件，因而整个焊缝区出现不同组织，引起性能不均匀，可根据相图来分析碳钢的焊接组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性和焊接应力。

d. 热处理 热处理的加热温度都以相图上的临界点A1、A3、Acm为依据。

由相图可知，任何成分的钢加热到A1温度以上时，都会发生珠光体向奥氏体的转变。将共析钢、亚共析钢和过共析钢分别加热到A1、A3、Acm以上时，都完全转变为单相奥氏体，通常把这种加热转变称为奥氏体化。显然加热的目的就是为了使钢获得奥氏体组织，并利用加热规范控制奥氏体晶粒大小。钢只有处于奥氏体状况才能通过不同的冷却方式使其转变为不同的组织，从而获得所需要的性能。

拉力试验是用来测定金属材料的强度、塑性。金属材料试验机可以做抗拉试验，还可进行弯曲、压缩、伸长率、断面收缩率等项目的试验。

材料的抗拉强度（ζb）按下式计算：?b?Fb A0式中Fb—试样拉断前承受的最大外力（N）。A0—试样原始横截面积（mm2）。 为了测定材料在受拉力状态下对缺口的敏感程度，还可做缺口拉伸试验。

对于在服役条件下承受附加弯曲的零件如螺栓等，必要时做缺口偏斜拉伸试验。缺口偏斜拉伸试验是在试验机的拉伸夹具中加一个带一定斜度的垫圈，常用的偏斜角为4°或8°，相应的缺口强度标记为?bN或

4 14

8?bN。

为了测定某些特殊材料在一定高温下的强度指标，在拉伸试验机上加一个电阻加热或感应加热的加热装置即可。低温试验则需安装一个低温箱，用干冰或液氮做为冷却剂。一些先进的材料试验机，本身带有高温和低温拉伸试验装置。

对于脆性材料和低塑材料可进行弯曲试验和压缩试验。 对于检测表面强化试件的力学性能进行扭转试验最为合适。

冲击试验是将冲击试样放在冲击试验机的支座上，使试样的缺口背向摆锤的冲击方向，再将具有一定质量的摆锤，由一定高度自由落下，测得一次冲击试样缺口处单位面积所消耗的功，称为冲击韧度（αk）。

冲击试验主要用于结构钢。对于脆性材料（如铸铁、铸铝等）和塑性很好的材料（如铜、黄铜和奥氏体钢等）一般均不采用冲击试验。

为了测定材料的韧脆转变温度，以判断材料的冷脆性或回火脆性，常常采用系列冲击试验。即通过不同温度下的冲击试验测得一系列的冲击值而得到材料冲击韧度随试验温度变化曲线，然后以（αk max＋αk min）/2相当的温度或50%纤维断口相当的温度确定为韧脆转变温度Tk。

测定金属材料化学成分的常用方法有化学分析法、火花鉴别法、光谱分析法和看谱镜法。 1. 化学分析法

（1）测定钢铁中的含碳量 其原理是首先在高温下将钢铁试样中的碳燃烧生成二氧化碳后再进行测定。较常用的是气体容量定碳法：将试样在高温（1100～1300℃）的氧气流中燃烧，使碳燃烧生成二氧化碳，硫燃烧生成二氧化硫，再把混合气体经除硫后收集于量气管中，用氢氧化钾溶液吸收二氧化碳，以吸收前后的体积之差测出二氧化碳的体积，通过换算确定碳的含量。此方法适用于含碳量约0. 10%～2.00%的碳钢及合金钢试样。

（2）钢铁中含锰量的测定方法 亚砷酸钠—亚硝酸钠容量法（过硫酸铵容量法）是将试样经酸溶解，在硫酸—磷酸混合酸介质中以硝酸银为催化剂，用过硫酸铵将二价锰氧化成七价，再用亚砷酸钠一亚硝酸钠标准液滴定。此方法适用于普通钢、铸铁及含铬质量分数为2%以上、含锰质量分数为3%以下的合金钢与合金铸铁。

（3）含铬量的测定方法 一般测试含铬质量分数为1%以下的低合金钢多采用二苯卡巴肼比色法，而对于高含铬量的合金钢则采用过硫酸铵银盐容量法。

（4）含钼量的测定方法 硫氰酸盐直接比色法可适用于含钼质量分数为0.1%～2.0%的钢和合金铸铁。 （5）含钨量的测定方法 硫氰酸盐直接比色法可适用于含钨质量分数为0.05%～1.0%的碳钢和合金钢。

2. 火花鉴别法

依靠观察材料被砂轮磨削时产生的流线、节点、苞花、爆花和尾花及色泽特征、形态来鉴别钢铁牌号。 砂轮片宜采用中硬度46～60号普通氧化铝砂轮，不宜使用碳化硅或白色氧化铝砂轮。火花鉴别法只能定性和半定量地对碳钢和合金元素含量较高的合金钢进行鉴别，适宜于生产现场初步判断钢种。

3. 光谱分析法

大型精密光谱仪适用中央实验室，对于热处理现场，一般可使用台式光谱仪或便携式光谱仪。 4. 看谱镜法

通常的化学分析法、光谱分析法和火花鉴别法只能测出材料的平均成分，无法测定微观尺度上元素分布不均或沉淀相及夹杂物的化学成分。目前微区化学成分分析的主要方法有电子探针X射线分析、离子探针显微分析、俄歇电子能谱分析以及激光显微光谱分析等。

金相分析包含以下三个方面：原材料缺陷的低倍检验、断口分析和显微组织检验。

钢的低倍检验通常是用肉眼或低倍放大后观察判断的，因此也称为宏观检验。钢材进厂前或使用前必须进行缺陷检查。低倍检验的内容一般包括疏松、缩孔、偏析、白点、夹杂和裂纹等。低倍检验的一般方法有：酸浸蚀方法，包括冷浸蚀、热浸蚀和电解浸蚀。评级标准参照《结构钢低倍组织缺陷评级图》。钢中若硫化物和磷化物偏析严重，最方便的检验方法是印痕法（硫印法和磷印法）。

断口分析主要用于失效分析、原材料缺陷分析、零件加工缺陷分析、热处理质量分析、使用环境分析。常用的断口分析方法有：宏观观察分析、光学显微镜分析、电子显微镜分析。典型的断口形貌特征可分为：韧性断口、解理型和准解理型脆性断口、沿晶开裂的脆性断口、疲劳断口、氢脆断口、应力腐蚀断口等。

显微组织检验：光学显微镜分析方法、定量金相分析方法、晶粒度测定方法、电子显微镜分析方法。 采用X射线探伤法可检验焊缝和铸钢件的内部缺陷，如焊缝中较宽的裂缝未熔合、未焊透、夹渣、气孔

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及铸钢件中的冷隔和缩孔等，但对于零件内部的裂纹不宜采用此法。对于焊缝中的裂纹、未熔合、未焊透，锻件及轧材中的白点、夹渣、缩孔等采用超声波探伤法其灵敏度和穿透深度都超过射线探伤法。

检查截面均一的型材、管材、棒材和线材等金属材料表面和内部的缺陷采用涡流探伤法，检验速度快。该方法多用于流水生产线上自动进行探伤。

磁粉探伤和莹光探伤多用于检验材料零件表面上的缺陷（如裂纹）；莹光及着色探伤多用于不锈钢及有色金属等非磁性材料的表面缺陷探伤。

钢按用途分类：碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 碳素结构钢 普通碳素结构钢如Q195、Q215，Q235，Q255，Q275等。一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。优质碳素结构钢主要用于制造机器零件，一般都要经过热处理以提高力学性能。15、20、25钢用于制做尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理调质后用于制做（受力不大的）轴类零件；50、55、65钢经淬火＋中温回火后具有高的弹性极限，常用于制做负荷不大、尺寸较小（截面尺寸小于12mm）的弹簧。

碳素工具钢 T7、T7A钢经淬火＋低温回火热处理后制造承受振动与冲击载荷、要求较高韧性的工具，如凿子、打铁用模、各种锤子、木工工具等；T8、T8A钢经热处理后制造承受振动与冲击载荷、要求足够韧性和较高硬度的各种工具，如简单模子、冲头、剪切金属用剪刀、木工工具、煤矿用凿等；T10、T10A钢用于制造不受突然振动、在刃口上要求有少许韧性的工具、如刨刀、冲模、丝锥、板牙、手锯锯条、卡尺等；T12、T12A钢等用于制造不受振动，要求极高硬度的工具，如钻头、丝锥、锉刀、刮刀等。

低合金结构钢 16Mn钢经热轧空冷后ζs≥325MPa，广泛用于制做桥梁、船舶及车辆等结构件；14CrMnMoVB钢经调质处理后ζs≥650MPa，用于制做中温高压容器（＜560℃）。

合金渗碳钢 经过渗碳热处理后使用的低合金钢主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作的零件，表面要求高的硬度及高的接触疲劳强度，心部则要求有良好的韧性。低淬透性合金渗碳钢

（ζb=800～1000MPa）如20MnZ、20MnV、20Cr、20CrV钢等，用于制造尺寸较小的零件，如小齿轮、活塞销等；中淬透性合金渗碳钢（ζb=1000～1200MPa）如20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB、20CrMnMo钢等，应用最广泛的是20CrMnTi钢，用于制造受高速、中速、冲击和在剧烈摩擦条件下工作的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等；高淬透性合金渗碳钢（ζb＞1200MPa）如18Cr2Ni4WA钢等，用于制造大截面、高负荷以及要求高耐磨性及良好韧性的重要零件，如飞机、坦克的曲轴、齿轮及内燃机车的主动牵引齿轮等。

合金调质钢 主要用于制造受力复杂，要求综合力学性能的重要零件。这些零件在工作过程中承受弯曲、扭转或拉—压交变载荷与冲击载荷的复合作用，它们既要有高强度，又要有高的塑性、韧性、良好的综合力学性能。低淬透性合金调质钢如40Cr、40MnB钢等，用于制造截面尺寸较小或载荷较小的连杆螺栓、机床主轴等零件；中淬透性合金调质钢，如35CrMo、38CrSi钢等，用于制造截面尺寸较大的火车发动机曲轴、连杆等；高淬透性合金调质钢，如38CrMoA1A、40CrNiMoA钢等，用于制造截面尺寸大，载荷大的零件，如精密机床主轴、汽轮机主轴、航空发动机曲轴、连杆等。

合金弹簧钢 弹簧应具有高的弹性极限和屈服强度，以保证其吸收大量的弹性能而不发生塑性变形。此外，还应具有较高的疲劳强度和足够的塑性、韧性，以防止弹簧发生疲劳断裂和冲击断裂。合金弹簧钢65、65Mn、60Si2Mn、70Si3MnA钢主要用于制造截面＜25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧；50CrVA、50CrMnA、60SiZMnWA、55SiMnMoVNb、60Si2MnBRe、65Si2MnWA钢等用于制造截面尺寸≤30mm，并在350～400℃工作的重载弹簧，如阀门弹簧、内烧机的汽阀弹簧等。

滚珠轴承钢 主要用于制造滚珠、滚针和套圈等，也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠及精密偶件如针阀体、柱塞、柱塞套等。滚珠轴承在工作时，承受高达3000～5000MPa的交变接触压应力及很大的摩擦力，还会受到大气、润滑油的浸蚀。因此，滚珠轴承应具有高的接触疲劳强度和高而均匀的硬度和耐磨性及一定的韧性和耐腐蚀性能。GCr9、GCr15淬透性较低，用于制做中、小型滚动轴承及冷冲模、量具、丝杠等；GCr9SiMn、GCr15SiMn钢用于制做大型滚动轴承。

合金工具钢 各类工具大多数在工作中既要承受很大的局部压力与磨损，又要承受冲击、振动与热的作用。因此，工具既要有高的硬度和耐磨性，又要有足够的韧性，对于刃口或型腔温度高的工具还应有高的热稳定性或耐疲劳性。9Mn2V、9CrSi、Cr2、CrWMn等高碳低合金工具钢，主要用于制做低速、中速切削刀具（板牙、丝锥、钻头、铰刀等）、中等负荷的冷成形模具（冷冲模冷轧辊、冷压模、冷轧辊等）及量具；5CrMnMo钢、5CrNiMo钢用于制做热锻模；3Cr2W8V钢用于制做高应力压模、铆钉或螺钉热压模、压铸模等；Cr12MoV钢用于制做冷切剪刀、圆锯、切边模、滚边模、标准工具与量规、拉丝模、螺纹滚模等。高速钢W18Cr4、W6Mn5Cr4V2等主要用于制造车刀、刨刀、钻头、铣刀等，还广泛应用于冷、热变形模具。

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铸铁与钢相比，虽然抗拉强度、塑性、韧性较低，但都具有优良的铸造性、可切削加工性、减振性，生产成本较低，在工业上得到广泛应用。

灰铸铁 具有高的抗压强度、优良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性。H150、HT200、HT250、HT300、HT350等主要用于制造汽车、拖拉机中的气缸、气缸套、机床的床身等承受压力及振动的零件。若将液态灰铸铁进行孕育处理即孕育铸铁或变质铸铁。可制造压力机的机身、重负荷机床的床身、高压液压筒等机件。

球墨铸铁 既具有灰铸铁优点，又具有中碳钢的抗拉强度、弯曲疲劳强度及良好的塑性与韧性。此外，还可以通过合金化及热处理来提高它的性能。QT400-18、QT400-15、QT450-10铁素体球铁主要制做汽车、拖拉机底盘零件及1600～6400MPa阀门的阀体和阀盖；QT500-7球铁用于制造机油泵齿轮；QT600-3、 QT700-2、 QT800-2等球铁主要制做曲轴、机床主轴、空压机、冷冻机缸体、缸套等；QT900-2球铁用于制造传动齿轮。

可锻铸铁 由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的切割作用小，故其强度、塑性及韧性均比灰铸铁高，尤其是珠光体可锻铸铁可与铸钢媲美，但不能锻造。KTH300-06适用于制造弯头、三通等管件；KTH330-08适用于制造螺丝扳手、犁刀、犁柱、车轮壳等；KTH350-10、KT370-12用于制造汽车、拖拉机前后轮壳、减速器壳、转向节壳、制动器等；KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02等可用于制造凸轮轴、连杆、齿轮、活塞环、轴套、耙片、万向接头、扳手、传动链条等。白心可锻铸铁因工艺复杂，常用黑心可锻铸铁代替，生产上应用较少。

蠕墨铸铁 其抗拉强度、塑性、疲劳强度等均优于灰铸铁，而接近铁素体基体的球铁。此外，它的导热性、铸造性、可切削加工性均优于球铁，与灰铸铁相近。

有色金属及其合金与钢铁材料相比具有许多优良特性，如特殊的电、磁、热性能，耐腐蚀性及高的比强度等。

铸造铝合金主要有Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系及Al-Zn系四类。其中以Al-Si系应用最多。常用代号ZL101、ZL104、 ZL105、ZL107、ZL109、ZL111等。这类合金用于制造低、中强度的形状复杂铸件，如缸体、风机叶片、变速箱体等。尤其是ZL108和ZL109合金，由于密度小、抗蚀性好、线膨胀系数小、强度和硬度高，耐磨性和耐热性较好，因而常用于制造活塞。

变形铝合金分为防锈铝合金和硬铝合金。防锈铝合金主要是Al-Mn和Al-Mg合金。

铜及铜合金 铜具有良好的导电性、导热性和抗蚀性，在冷态或热态下具有良好的塑性。

铝黄铜强度很高，塑性良好，抗蚀性也较高，如HA159-3-2铝黄铜可用来制做在常温下工作的高强度及高化学稳定性零件，在造船、电机及化学土业中广泛应用。

锡青铜主要有QSn4-3、QSn6.5-0.4、 ZCuSn10P1等主要用于制造弹性元件、轴承等耐磨零件、抗磁及耐蚀零件。

铝青铜。低铝青铜QA15、QA17主要用于制造要求高耐蚀性的弹簧及弹性元件；QA19-4、QAl10-3-1.5、ZCuA18Mn13Fe3Ni2等高铝青铜主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强度、耐磨和耐蚀零件，如齿轮、轴承、蜗轮、阀座、轴套、螺旋浆等。

铍青铜具有高的硬度、强度、耐磨性、弹性极限、抗蚀性、导电性、并有耐低温性、无磁性、受冲击不起火花，以及良好的冷、热加工性能等优良特性，并具有强烈的淬火时效硬化效应，可用于制造各种精密仪表的重要弹性元件、耐磨零件（如钟表、齿轮、高温高压高速工作的轴承和轴套）和其他重要零件（电焊机电机、航海罗盘、防爆工具等）。常用的铍青铜有QBe2、QBe1.7、QBe1.9。

要求零件具有高导电性和导热性，应选铜、铝等金属材料；要求零件具有好的绝缘性，则应选高分子材料和陶瓷材料；要求零件耐腐蚀或抗氧化，则应选不锈钢或耐热钢和陶瓷材料；要求零件质量轻，则应选用铝合金、钛合金或纤维增强复合材料等。

碳纤维复合材料（CFRP）具有最好的强度、刚度和比强度、比刚度、质量轻、尺寸小，是制做梁的最佳材料，但价格昂贵。

习题6. 请画表列出常金属材料的分类。 答：钢

碳素结构钢 合金结构钢 碳素工具钢 合金工具钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 低合金结构钢 合金渗碳钢（合金渗碳钢主要用来制造工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件。例如，制作承受动载荷和重载荷的汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机里的凸轮轴、活塞销等。这类钢经渗碳、淬火和低温回火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够韧性的零件。） 合金调质钢（合金调质钢指调质处理后使用的合金结构钢，其基本性能是具有良好的综合力学性能。） 合金弹簧钢（弹簧应具有高的弹性极限和屈服强度，以保证其吸收大量的弹性能而不发生塑性变形。此外，还应具有较高的疲劳强度和足够的

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塑性、韧性，以防止弹簧发生疲劳断裂和冲击断裂。） 滚珠轴承钢；

铸铁：灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 合金铸铁；

铝合金：铸造铝合金 变速铝合金 超硬铝合金 锻铝合金 防锈铝合金 硬铝合金； 铜合金：黄铜 青铜 锌黄铜 铝黄铜 锰黄铜 锰铁黄铜 锡青铜 铝青铜 铍青铜。 习题7. 材料选用的主要依据是什么？

答：在设计和制造工程结构和机构零件时，考虑材料的使用性能、材料的工艺性能和经济性。 （1）根据材料的使用性能选材：使用性能是零件工作过程中所应具备的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能），它是选材最主要的依据。在选材时，首先必须准确地判断零件所要求的使用性能，然后再确定所选材料的主要性能指标及具体数值并进行选材。具体方法如下：

a. 分析零件的工作条件，确定使用性能；

b. 进行失效分析，确定零件的主要使用性能。失效分为三大类：过量变形、断裂、表面损伤；

c. 根据零件使用性能要求提出对材料性能（力学性能、物理性能、化学性能）的要求。通过分析、计算转化成某些可测量的实验室性能指标和具体数值，按这些性能指标数据查找手册中各类材料的性能数据和大致应用范围进行选材。

（2）根据材料的工艺性能选材：工艺性能表示材料加工的难易程序。材料应具有良好的工艺性能，即工艺简单，加工成形容易，能源消耗少，材料利用率高，产品质量好。主要应考虑以下工艺性：

a. 铸造性能，主要指流动性、收缩、偏析、吸气性等。接近共晶成分的合金铸造性能最好。铸造性能较好的金属材料有铸铁、铸钢、铸造铝合金和铜合金等，铸造铝合金和铜合金优于铸铁，而铸铁又优于铸钢。

b. 压力加工性能，主要指冷、热压力加工时的塑性和变形抗力及可热加工的温度范围，抗氧化性和加热、冷却要求等。变形铝合金、低碳钢和低碳合金钢的塑性好，有较好的冷压力加工性能，铸铁和铸造铝合金不能进行冷、热压力加工，变形铝合金和铜合金、低碳合金钢有较好的冷压力加工性能。

c. 机械加工性能，主要指切削加工性、磨削加工性等。铝及铝合金的机械加工性能较好，钢中以易切削钢的切削性能最好，而奥氏体不锈钢及高碳高合金钢的切削加工性能较差。

d. 焊接性能，主要指焊缝区形成冷裂或热裂及气孔的倾向。铜合金和铝合金焊接性能不好，高碳钢的焊接性能差，低碳钢的焊接性能好。

e. 热处理工艺性能，主要指加热温度范围、氧化和脱碳倾向、淬透性、变形开裂倾向等。大多数钢和铝合金、钛合金都可进行热处理强化，少数铜合金可进行热处理强化。合金钢的热处理工艺性能比碳钢好，故对结构形状复杂或尺寸较大且强度要求高的重要零件都要用合金钢制造。

（3）根据材料的经济性选材：选材必须考虑经济性，使生产零件的总成本降低。零件的总成本包括制造成本（材料价格、零件自重、零件的加工费、试验研究费）和附加成本（零件寿命，即更换零件和停机损失费及维修费等）。

22.2 其他工程材料

按材料组成物质属性的特点将材料划分为三大类，即金属材料（原子主要是以金属键相结合）、高分子材料（原子则是以共价键和分子键相结合）、陶瓷材料（原子主要是以离子键相结合）。

常用的高分子材料包括工程塑料和橡胶材料。 习题1. 工程塑料一般具有哪些特性和主要用途？

工程塑料是指在工程中做结构材料的塑料，这类塑料一般具有较高的机械强度，或具备耐高温、耐腐蚀、耐磨性等良好性能，因而可代替金属做某些机械零件。

常用热塑性工程塑料

聚酞胺（商品名称为尼龙或锦龙） 具有较高的强度和韧性，低的摩擦系数，有自润滑性，其耐磨性比青铜还好，适于制造耐磨的机器零件。但尼龙吸水性大，影响尺寸稳定性，新品种尼龙已克服了这一缺点。一般尼龙使用温度在100℃以下。常用的尼龙有尼龙6、尼龙66、尼龙1010等几十个品种。尼龙后面的数字代表链节中碳原子个数。尼龙1010是我国独创的一种工程塑料，用蓖麻油做原料，提取癸二胺及癸二酸再缩合而成的。成本低、经济效果好、自润滑性和耐磨性极好、耐油性好，脆性转化温度低（约在-60℃），机械强度较高，广泛用于机械零件和化工、电气零件。铸造尼龙（MC尼龙）也称单体浇铸尼龙，力学性能和物理性能都比尼龙6高。可制作几十千克的齿轮、蜗轮、轴承和导轨等。芳香尼龙是由芳香胺和芳香酸缩合而成。具有耐磨、耐热、耐辐射和突出的电绝缘性能，在95%相对湿度下不受影响，能在200℃下长期工作，

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是尼龙中耐热性最好的一种。可用于在高温下工作的耐磨零件、绝缘材料和宇宙服。

聚甲醛 是一种高强度工程塑料。其耐疲劳性在热塑性塑料中是最高的。其弹性模量高于尼龙66、ABS、聚碳酸脂，同时具有优良的耐磨性和自润滑性，对金属的摩擦系数小。此外，还有好的耐水、耐油、耐化学腐蚀和绝缘性。缺点是热稳定性差、易燃，长期在大气中曝晒会老化。尤其适用于制造不允许使用润滑油的齿轮轴承和衬套。

聚碳酸脂 具有优异的冲击韧度和尺寸稳定性，较好的耐低温性能，使用温度范围为-100～130℃，良好的绝缘性和加工成型性。聚碳酸脂透明，具有高透光率。缺点是化学稳定性差，易受碱、胺、脂、酮、芳香烃的浸蚀，在四氯化碳中会发生“应力开裂”现象。聚碳酸脂用途十分广泛，可制做机械零件，还可制做防弹玻璃、灯罩、防护面罩、安全帽及其他高级绝缘零件。

ABS塑料 具有高的硬度和强度，高的弹性、韧性和耐冲击，耐油性和耐蚀性好，并具有良好的绝缘性、着色性和成型加工性。使ABS塑料成为一种“质坚、性韧、刚性大”的优良工程塑料。缺点是耐高温、耐低温性能差，易燃，不透明。ABS塑料在工业上应用广泛，汽车的方向盘、仪表盘、飞机舱内的装饰板窗框、隔音板，机械中的手柄、齿轮、泵叶轮等。

聚四氟乙烯（塑料王） 聚四氟乙烯是线型晶态高聚合物，结晶度为55%～75%，理论熔点为327℃，具有极优越的化学稳定性、热稳定性和良好的电性能。它不受任何化学试剂的浸蚀，即使在高温下的强酸（王水）、强碱、强氧化剂中也不受腐蚀。它的热稳定性和耐寒性都好，在-195～250℃内长期使用，其力学性能不发生变化。它的摩擦系数小（0.04），并有自润滑性。它的吸水性小，在潮湿的条件下仍能保持良好的绝缘性能，它的介电性能既与频率无关，也不随温度而改变。缺点是强度较低，尤其是耐压强度不高。在温度高于390℃时，它分解挥发出有毒气体。加工成型性较差，加热至450℃也不会从高弹态变为粘流态，因此不能用注射法成型。

常用热固性工程塑料

酚醛塑料 具有一定强度，层压塑料抗拉强度可达140MPa，刚度大，制品尺寸稳定。有良好的耐热性，可在110～140℃下使用。具有较好的耐磨性、耐蚀性和良好的绝缘性。用于制作电器开关、插头、外壳等各种电气绝缘零件；还可制做齿轮、凸轮、皮带轮、手柄等；此外还可做为化工用耐酸泵等。但是酚醛塑料（电木）性脆易碎，抗冲击强度低，在阳光下易变化，因此多做成黑色、棕色等。

环氧塑料 具有比强度高、耐热性、绝缘性和加工成型性好等特点。缺点是成本高，所用的固化剂有毒性。主要用于制造塑料模具、精密量具和各种绝缘器件，也可制做层压塑料、浇注望料等。

工程塑料的应用

1.一般结构件 一般机械上的外壳、手柄、手轮、支架，仪器仪表的底座、罩壳、盖板等。这些构件使用时负荷小，只要求一定的机械强度和耐热性。一般选用价格低廉，成型性好的塑料，如聚氯乙稀、聚丙烯、聚苯乙烯、ASS等。若制品常与热水或蒸汽接触或稍大的壳体构件要求有刚性时，可选用聚碳酸醋、聚砜等，如要求透明的零件，可选用有机玻璃、聚碳酸脂等。

2.普通传动零件 机器上的齿轮、凸轮、蜗轮等，这类零件要求有较高的强度、韧性、耐磨性和耐疲劳性及尺寸稳定性。可选用尼龙、MC尼龙、聚甲醛、聚碳酸脂、夹布酚醛、增强聚丙烯等。大型齿轮和蜗轮，可选用MC尼龙浇注成型；需要高的疲劳强度时选用聚甲醛；在腐蚀介质中工作的可选用聚氯醚；聚四氟乙烯充填的聚甲醛可用于有重载摩擦的场合。

3.摩擦零件 轴承、轴套、导轨和活塞环等要求强度一般，但要求摩擦系数小和良好的自润滑性，一定的耐油性和热变形温度，导热率低，可选用尼龙1010、MC尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯。由于塑料的线膨胀系数大，因此，只有在低负荷、低速条件下才适宜选用。

4.耐蚀零件 全塑结构的耐蚀零件，还要求较高的强度和抗热变形的性能。常用的耐蚀塑料有：聚丙烯、填充聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟氯乙烯等。还有耐蚀工程结构采用塑料涂层结构或多种材料的复合结构。通常选用热膨胀系数小、粘附性好的树脂及玻璃钢做衬里材料。

5.电器零件 用于工频、低压下工作的普通电器元件可选用酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等；对于高压电器的绝缘材料，要求耐压强度高、介电常数小、抗电晕及优良的耐候性，则常用：聚碳酸脂、氟塑料和环氧塑料；用于高频设备中的绝缘材料可选用聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等热固性塑料，也可选用聚酞亚胺、聚砜、聚丙烯等。

陶瓷是无机非金属材料，是用天然的或人工合成的粉状化合物，通过成型和高温烧结而制成的多晶固体材料。目前己同金属材料、高分子材料合称为三大固体材料。陶瓷材料具有高硬度（＞1500HV）、耐高温（熔点＞2000℃）、抗氧化（在1000℃高温下不氧化）、耐腐蚀（对酸、碱、盐有良好的耐蚀性）以及其他优良的物理、化学性能（优于金属的高温强度和高温蠕变能力，热膨胀系数小。热导率低，电阻率高，是良好的绝

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缘体，化学稳定性高等）。陶瓷材料是脆性材料，故其抗冲击韧度和断裂韧度都很低。陶瓷材料的抗压强度比其抗拉强度大得多（约为抗拉强度的10～40倍），大多数工程陶瓷材料的弹性模量都比金属高。由于工程陶瓷材料硬度高，常采用洛式硬度HRA、HT45N、小负荷维氏硬度或努氏硬度表示。陶瓷材料按原料来源，一般可分为普通陶瓷和特种陶瓷。特种陶瓷又分为氧化铝瓷、氮化硅瓷、氮化硼瓷、氧化镁瓷、碳化硅瓷、氧化铍瓷和氧化锆瓷等。（习题3）

氧化铝陶瓷 强度高于普通陶瓷2～3倍，抗拉强度达250MPa；硬度高，仅次于金刚石、碳化硅、立方氮化硼和碳化硼而居第五位；耐高温，可在1600℃高温下长期工作；有高的蠕变能力，在空气中最高使用温度为1980℃；耐蚀性和绝缘性好。缺点是脆性大，不能承受环境温度的突然变化。氧化铝陶瓷主要用于制做内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩，石油化工泵的密封环，坩埚、热电偶套管、刀具和拉丝模具等。

氮化硅陶瓷 热压烧结/反应烧结氮化硅陶瓷。硬度高，摩擦系数小（0.1～0.2），并有自润滑性，是极好的耐磨材料；蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性在陶瓷中最好；化学稳定性好，能耐各种酸（除氢氟酸）、王水和碱液的腐蚀；还具有优异的电绝缘性能。氮化硅陶瓷主要用于耐磨，耐腐蚀、耐高温零件，如石油、化工泵的密封环、电磁泵管道、阀门，热电偶套管，转子发动机刮片，高温轴承，刀具等。

碳化硅陶瓷 最大优点是高温强度高，在1400℃时，其抗弯强度仍保持500～600MPa，工作温度可达到1600～1700℃，导热性好；其稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性好；而且耐放射元素的幅射。碳化硅陶瓷主要用于制做火箭尾喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管，气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。

氮化硼陶瓷 具有良好的耐热性和导热性，其热导率与不锈钢相当，膨胀系数比金属和其他陶瓷低得多，故其抗热振性和热稳定性好；高温绝缘性好，在2000℃仍是绝缘体；化学稳定性好，能抗铁、铝、镍等金属的侵蚀，其硬度较其他陶瓷低，可进行切削加工；有自润滑性，耐磨性好。氮化硼陶瓷常用于制做热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩埚和冶炼用高温容器的管道，高温轴承，玻璃制品成型模，高温绝缘材料等。

金属陶瓷 具有某些金属性质的陶瓷，它是制造刀具、模具和耐磨零件的重要材料。

光学纤维亦称光纤，是一种非常细的可弯曲的光导材料。单根光纤的直径约为几到几十微米，它是由内层材料（芯料）和包层材料（涂层）组成的复合结构。为了保护其不受损坏，最外面再加一层塑料套管。

光纤按其结构可分为阶跃型和梯度型两种。按光的传输模式可分为单模光纤和多模光纤，按制造光纤芯子的材料可分为石英玻璃芯子光纤、多组分玻璃芯子光纤、晶伴芯子光纤和塑料芯子光纤。按制造光纤包层的材料又可将其分为石英玻璃包层光纤、多组分玻璃包层光纤和塑料包层光纤。光纤按其用途可分为用于传递信息的光导纤维和用于传递能量的导光纤维两种。

光导纤维的用途是传输信息，它主要有两方面的用途，一是光纤通信，二是光纤传感。导光纤维的用途是传输能量。

添加纳米粉体的材料与相同组成的普通粉体材料相比，材料的成分本身虽然并未改变，但活性增强，主要表现为高抗菌、防污、耐磨、强度加大，材料重量只是钢的十分之一，但是它的强度却是钢的100倍。人们通过改变塑料、石油、纺织物的原子、分子排列，使它们具有透气、耐热、高强度和良好的弹性等特征。

例 简述碳纳米管的主要性能与用途。

解 碳纳米管只有头发丝的十万分之一，但是导电率是铜的1万倍；强度是钢的100倍，而重量只有钢的六分之一。由于其强度是其他纤维的200倍，具有经受10万MPa而不破碎的奇异效果。广泛应用于金属、水泥、塑料、纤维等复合材料领域，在军事工业可制做防弹衣不仅轻巧而且具有防火、防毒、防辐射、防刀枪、防化学毒剂的功能，清洗简单；还可用于计算机领域和信息领域进行高密度信息存贮，一个DVD光盘可以看1000部电影。在医疗领域可以对癌症早期诊断、早期发现、早期治疗。

习题2. 简述工程塑料零件的工艺流程。

5.什么是纳米材料？纳米材料有哪些主要的特性？

答：纳米是一个长度计量单位，一纳米相当于十亿分之一米。当物质颗粒小到纳米级后，这种物质就可称为纳米材料。

由于纳米颗粒在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，因此在陶瓷增韧、磁性材料、电子材料和光学材料等领域具有广泛的应用前景。

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添加纳米粉体的材料与相同组成的普通粉体材料相比，材料的万分本身虽然并未改变，但活性增强，主要表现为高抗菌、防污、耐磨、强度加大，材料重量只是钢的十分之一，但是它的强度却是钢的100倍。人们通过改变塑料、石油、纺织物的原子、分子排列，使它们具有透气、耐热、高强度和良好的弹性等特征。例如被称为纳米材料中的“乌金“的碳纳米管具有非常奇异的物理化学性能。它的尺寸只有头发丝的十万分之一，但是它的导电率是铜的1万倍；它的强度是钢的100倍，而重量只有钢的六分之一，由于其强度是其他纤维的20倍，具有经受10万Mpa而不被破碎的奇异效果。

2.3 热处理

图1-8 钢的热处理工艺曲线

钢的热处理

习题1. 简述钢的热处理工艺方法和目的。

答：将钢在固态下加热到预定温度并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却，改变钢的内部组织，提高钢的性能，延长机器使用寿命的热加工工艺称为钢的热处理工艺。

恰当的热处理工艺不仅可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒，消除偏析，除低内应力，使组织均匀化；还可改善铸、锻件毛坯组织、降低硬度，便于切削加工；通过热处理工艺可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力，降低结构件重量、节省材料和能源，提高机械产品质量，大幅度提高零件的耐磨性、抗疲劳性、耐腐蚀性等，从而延长机器零件和工模具的使用寿命。

★钢的热处理原理

①铁碳合金平衡图 Fe-Fe3C平衡图中的临界点（A1、A3、Acm）是正确选择钢在热处理加热时的加热温度和冷却时结构发生变化温度的主要依据。

②钢在加热时的转变 珠光体向奥氏体的转变，是通过奥氏体晶核的产生和长大两个过程实现的。为了得到均匀一致的奥氏体，必须加热到足够高的温度和保持一定时间，才能使奥氏体均匀化。

奥氏体晶粒的大小，决定了冷却时奥氏体转变产物晶粒的大小。通常规定在加热到930℃时奥氏体晶粒的大小为本质晶粒度，而在这种条件下具有细小晶粒的钢，称为本质细晶粒钢，可以加热到较高温度而不致使晶粒过分长大，但是，当超过某一更高温度时，其晶粒长大倾向比本质粗晶粒钢还大。晶粒度的大小共分8级。本质晶粒度为1～4级的钢，是本质粗晶粒钢。在实际加热条件下新获得的钢的某种组织晶粒大小为实际晶粒度，实际晶粒度细小的钢，具有较高的力学性能。

加热速度愈快，加热温度愈高，过热度也愈大，这时钢在较高温度下的转变，得到的奥氏体起始晶粒比较细小。实际生产中采用高温、短时的加热方法就可以获得较高力学性能的细晶粒组织，高频感应加热淬火就是如此。

钢中加入微量铝、钦、钒、钨、铝、镍、硅、铜等，都会阻碍奥氏体晶粒长大；锰和磷有促使晶粒长大的倾向。

③钢在冷却时的转变 钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区间内等温保持时过冷奥氏体所发生的相转变称为等温转变。过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量（转变开始及终了）的关系曲线为等温转变曲线图（又称C曲线或TTT曲线）。过冷奥氏体的高温（ 727～550℃）分解产物为珠光体，形成温度越低，珠光体的分散度越大，硬度也就越高。过冷奥氏体的中温转变产物为贝氏体。 550～350℃的分解产物呈羽毛状，称为上贝氏体，硬度40～45HRC ；在350～240℃的分解产物呈黑色针状结构，硬度43～58HRC，而且伸长率和断面收缩率也相当高。贝氏体等温转变具有重大实际意义，生产中采用等温淬火就是根据这个理论。当奥氏体获得极大过冷度，即急速冷却到240℃以下时，只能进行

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非扩散转变，为碳在α-Fe中的过饱和固溶体，碳原子引起晶格歪曲，具有很高硬度的组织为马氏体。马氏体的比容比奥氏体大，所以钢的体积增大，引起很大内应力，使钢发生变形，甚至裂纹。

④钢在回火时的转变 淬火后的组织一般为马氏体和残余奥氏体，在回火过程中将要发生变化：在200℃以下转变为回火马氏体；200～300℃时残余奥氏体转变为回火马氏体；300～400℃时碳化物转变为Fe3C并开始聚集长大，组织为很薄的铁素体层和渗碳体层交替重叠的复相组织为回火托氏体；400℃～A1，渗碳体聚集长大，铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复相组织为回火索氏体。

钢的整体热处理（常规热处理）

钢铁材料的一般热处理 名称 热处理过程 热处理目的及应用 ①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工； 将金属或合金加热到一定温度，保温一定时间，②细化晶粒，均匀钢的组织，改善钢的然后缓慢冷却到室温。 性能及为以后的热处理作准备； ③消除钢中的内应力。防止零件加工后变形及开裂。 将钢件加热到临界温度（不同钢材临界温度也不同，一般是710～750℃，个别合金钢的临界温度可达800～900oC）以上30～50oC（完全奥氏体化），保温一定时间，然后随炉缓慢冷却（或埋在沙中冷却）。 细化晶粒，均匀组织，降低硬度，充分消除内应力。完全退火适用于含碳量（质量分数）在0.8％以下的锻件或铸钢件 ，过共析钢一般不用此法。 退火 完全退火 将铁碳合金加热到AC1～AC3（Acm）之间不完全退火 的温度达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却。 退火 去应力退火 将工件随炉加热至500～650℃，保温一段时间后，炉冷至200℃以下出炉空冷。 降低硬度，改善切削加工性能、消除内应力。主要适用于过共析钢，消除锻轧内应力，降低硬度和提高韧性。这种退火不能完全消除原始组织中的网状渗碳体，所以过共析钢锻造后，没有网状渗碳体析出或消除了网状渗碳体之后，才可以采用不完全退火。对于亚共析钢如果原始组织晶粒很细小，只是为了消除锻件产生的内应力或降低硬度，采用不完全退火为好，不必采用完全退火，以降低成本。 消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件（或冷拉件）及机加工件的残余应力。 缩短退火时间；得到的组织与性能较为均匀；适用于处理小批量生产的碳钢及合金钢的中型工件，重型铸件和锻件。 主要用于共析和过共析碳钢及合金钢。球化的目的是降低硬度、改善切削 加工性，并为以后的淬火做准备，减小工件淬火变形和开裂。 减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性。 等温退火 钢件或毛坯加热到高于AC3（Acm）温度，保持适当时间后，较快冷却到珠光体温度区间的某一温度并等温保持使奥氏体转变为珠光体组织，然后在空气中冷却。 将钢件加热到临界温度以上20～30oC，经过保温以后，缓慢冷却至500℃以下再出炉空冷（一次球化难以达到目的，可采用循环退火法进行球化。） 球化退火 均匀化退火加热到高温，长时间保持，然后进行缓慢冷却 （扩散退火）

续上表： 钢铁材料的一般热处理 名称 再结晶退火 热处理过程 热处理目的及应用 经冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶消除形变强化和残余应力。 粒。 将钢件加热到临界温度（亚共析钢AC3）或（过共析钢Acm）以上30～50oC，保温一定时间，然后在静止空气中冷却。低碳钢及含碳量为0.3～0.4%的钢，可用正火代替退火。 常用来消除过共析钢中的网状渗碳体； ①改善组织结构和切削加工性能； ②对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终热处理；③消除内应力； 22

正火

淬火 将钢件加热到淬火温度（AC3或AC1以上某一温①使钢件获得较高的硬度和耐磨性； 度），保温一段时间，然后在水、盐水或油（个②使钢件在回火以后得到某种特殊性别材料在空气中）中急速冷却获得马氏体和（或）能，如较高的强度、弹性和韧性等。 贝氏体组织。 将淬火后的钢件加热到临界温度（AC1）以下的某一温度，保温一段时间，然后在空气或油中冷却。回火是紧接着淬火以后进行的，也是热处理的最后一道工序。 将淬硬的钢件加热到250～50oC，并在这个温度保温一定时间，然后在空气中冷却。 将淬火的钢件加热到250～500℃，经保温一段时间冷却下来。 ①提高钢的韧性，获得所需要的力学性能； ②稳定组织，稳定尺寸； ③消除因淬火造成的内应力。 消除钢件因淬火而产生的内应力。多用于切削刀具、量具、模具、滚动轴承和渗碳零件等。 使钢件获得较高的弹性、一定的韧性和硬度。一般用于各类弹簧及热冲模等零件。 使钢件获得较好的综合力学性能，即较高的强度和韧性及足够的硬度，消除钢件因淬火而产生的内应力 。主要用于要求高强度、高韧性的重要结构零件，如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等 回火 低温回火 退回火 中温回火 高温回火 将淬火后的钢件加热到500～650oC，经过保温以后冷却。 调质 细化晶粒，使钢件获得较高韧性和足够将淬火后的钢件进行高温（500～600oC）回火。 的强度，使其具有良好的综合力学性能。调质一般是在粗加工之后进行的。 多用于重要的结构零件，如轴类、齿轮、连杆等。 将经过淬火的钢件加热到100～160℃，经过长时间的保温，随后冷却。 将铸件放在露天；钢件（如长轴、丝杠等）放在海水中或长期悬吊或轻轻敲打。 要经自然时效的零件，最好先进行粗加工。 时效处理 人工时效 自然时效 消除内应力，减少零件变形，稳定尺寸，对精度要求较高的零件更为重要。 化学热处理 化学热处理 将钢件放到含有某些活性原子（如碳、氮、铬等）改变钢件表层的化学成分和组织，使钢的化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，件表层具有某种特殊的性能，从而使其使介质中的某些原子渗入到钢件的表层。 表面具有与心部不同性能。 将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层。渗碳钢一般都是含碳量在0.25%以下的低碳钢和低合金钢。常用的渗碳钢如20钢、20Cr钢、18CrMnMo钢、12Cr2Ni4A钢、20CrMnMo钢等。 增加钢件表层的含碳量和一定碳的浓度梯度。使表面具有高的硬度（HRC60～65）和耐磨性，而中心仍保持高的韧性。常用于耐磨并受冲击的零件，如：轮、齿轮、轴、活塞销等。 钢的渗碳 23

续上表： 钢铁材料的一般热处理 名称 热处理过程 热处理目的及应用 提高工件表面硬度、耐疲劳和耐蚀性以及热硬性（在600～650℃温度下保持 在一定温度下（一般在（AC1以下）使活性氮较高硬度）。主要应用于交变载荷下工作原子渗入工件表面。常用的渗氮方法有：气体渗的，要求耐磨和尺寸精度高的重要零件，氮、液体渗氮、离子渗氮等。渗氮主要优点是工如高速传动精密齿轮、高速柴油机曲轴、艺温度低，变形小，渗层薄，硬度高，耐磨性好，高精密机床主轴、镗床镗杆、压缩机活疲劳强度高，有一定的耐蚀性和热硬性。缺点是塞杆等，也可用于在较高温下工作的耐生产周期长（30～50h），渗氮层脆性大。 磨、耐热零件，如阀门、排气阀等。重要的螺栓、螺母、销钉等零件。 在一定温度下同时将氮渗入工件表层奥氏体中并以渗碳为主。与渗碳相比，其耐磨性、抗蚀性比渗碳层高。零件变形小、速度快。 提高零件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。适用于低碳钢、中碳钢或合金钢零件，也可用于高速钢刀具。 化钢的渗氮 学热处理 钢的碳氮共渗（氰化） 淬火质量与加热介质、加热速度、加热方法、加热温度、保温时间、冷却速度及冷却方法有关。

淬火方法：根据材料特性和技术条件及工件形状等可分别采用单液淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。

淬硬性与淬透性：淬硬性仅与钢中含碳量有关；钢的淬透性大小取决于钢的临界冷却速度。C曲线位置愈靠右，则临界冷却速度愈小，淬透性就愈大。合金元素（除钴以外）都能提高钢的淬透性。

单液淬火只适用于形状比较简单，技术要求不太高的碳素钢及合金钢件。淬火时，对于直径或厚度大于5～8mm的碳素钢件，选用盐水或水冷却；合金钢件选用油冷却。

双液淬火：先在水中快速冷却至300—400oC，然后移人油中冷却。

表面淬火是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。常用的方法有火焰加热淬火、感应加热淬火和激光淬火。

火焰表面淬火：用乙炔和氧气混合燃烧的火焰喷射到零件表面，使零件迅速加热到淬火温度，然后立即用水向零件表面喷射。火焰淬火淬硬层深度一般为2～6mm。适用于单件或小批生产、表面要求硬而耐磨，并能承受冲击载荷的大型中碳钢和中碳合金钢件，如曲轴、齿轮和导轨等。缺点是加热不均匀，质量不稳定，需要熟练工操作。

感应加热淬火：将钢件放在感应器中，感应器在一定频率的交流电的作用下产生磁场，钢件在磁场作用下产生感应电流，使钢件表面局部或整体加热（2～l0min）到淬火温度，这时立即将水喷射到钢件表面。

电流频率愈高，淬硬层愈浅，电流的透入深度与电流的平方根成反比。根据电流频率不同，感应加热可分为：高频感应加热（10～1000kHz），淬硬层为0.2～2mm，，适用于中小齿轮、轴等零件；中频感应加热（0.5～10kHz）淬硬层为2～8mm，适用于在中型齿轮、轴等零件；工频感应加热（50kHz ） ，淬硬层深度为＞10～15mm，适宜于直径＞300mm的轧辊、轴等大型零件。

经表面感应淬火的零件，表面硬而耐磨，而心部保持着较好的强度和韧性。表面感应淬火适用于中碳钢和中等含碳量的合金钢件。感应加热淬火质量好，表层组织细、硬度高（比常规淬火高2～3HRC）脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备一次性投资较大，形状复杂的感应器不易制造，不适宜单件生产。

回火温度越高，硬度和强度越低，而塑性和韧性越高。回火后一般均空气中冷却，但对于铬钢、铬锰钢、硅锰钢等于400～600℃回火后应急冷（水冷或油冷），避免产生第二类回火脆性。淬火并高温回火生产上习惯称为“调质处理”，能获得良好的综合力学性能。

根据渗碳不同，渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。目前生产中应用最多的是气体渗碳法。可采用井式渗碳炉、可控气氛炉、真空炉等渗碳。

2发黑 ：将金属零件放在很浓的碱和氧化剂溶液中加热氧化，使金属零件表面生成一层带有磁性的四氧化三铁薄膜。起防锈、增加金属表面美观和光泽，消除淬火过程中的应力的作用。常用于低碳钢、低碳合金工具钢。由于材料和其他因素的影响，发黑层的薄膜颜色有蓝黑色、黑色、红棕色、棕褐色等，其厚度为0.6～0.8μm。

例 如何根据工件的服役条件选择表面化学热处理方法？

解 各种表面处理方法都能使钢件获得“表硬心韧”的性能，根据不同零件的工作特点合理选用。以齿

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轮为例，齿面硬度45～55HRC的齿轮，若模数大：冶金、矿山，机械上的大齿轮，应选用中碳合金钢如40Cr钢进行火焰淬火或中频感应加热单齿淬火；若模数小：如机床上的齿轮则选用45钢等中碳钢进行高频感应加热淬火；对齿面硬度要求58～62HRC并承受较大负荷及冲击力的齿轮，如汽车、拖拉机的变速箱齿轮选用20CrMnTi低碳合金钢进行渗碳淬火、回火处理；对齿面硬度65～72HRC的齿轮，如冲击力小的高速传动精密齿轮，选用38CrMoAl钢渗氮处理。

习题2. 钢的整体热处理包括哪此工艺内容？各自的主要目的何在？ 答：钢的整体热处理包括： a） 退火 将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间然后缓慢冷却（如炉冷）的热处理工艺称为退火。包括：完全退火、不完全退火、去应力退火、等温退火、球化退火、均匀化退火（扩散退火）、再结晶退火等。

b） 正火 将钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）Acm（过共析钢）以上30～50℃，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。目的是细化组织、降低硬度、改善切削加工性能，改善显微组织形态为后续热处理工艺作准备等。

c） 淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。钢制零件经淬火处理可以获得高强度、高硬度和高耐磨性，满足要求。

d） 回火 钢件淬火后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火的目的是为了调整淬火组织，降低或消除淬火内应力，降低硬度，提高钢的塑性和韧性，获得所需要的力学性能。淬火并高温回火习惯称为“调质处理”，能获得良好的综合力学性能。

习题3. 钢的表面淬火方法有哪几种？

答：表面淬火是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。常用的方法有火焰加热淬火、感应加热淬火和激光淬火。

（1）火焰淬火 应用氧-乙炔火焰对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。火焰淬火淬硬层深度一般为2～6mm。此法简便，无需特殊设备，适用于单件或小批量生产的各种零件。如轧钢机齿轮、轧辊、矿山机械的齿轮、轴、机床导轨和齿轮等。缺点是加热不均匀，质量不稳定，需要熟练工操作。

（2）感应加热淬火 利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺。电流频率愈高，淬硬层愈浅，电流的透入深度与电流的平方根成反比。根据电流频率不同，感应加热可分为：高频感应加热（100～1000kHz），淬硬层为0.2～2mm，适用于中小齿轮、轴等零件；中频感应加热（0.5-10kHz），淬硬层为2～8mm，适用于在中型齿轮、轴等零件；工频感应加热（50Hz），淬硬层深度为＞10-15mm，适宜于直径＞300mm的轧辊、轴等大型零件。感应加热淬火质量好，表层组织细、硬度高（比常规淬火高2-3HRC）、脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备一性投资较大，形状复杂的感应器不易制造，不适宜单件生产。

习题4. 钢的化学热处理工艺方法有哪几种？其目的是什么？

答：化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成份和组织，使其表面具有与心部不同性能的热处理方法。常用化学热处理的工艺方法有：渗碳、碳氮共渗和渗氮等。渗碳的目的是提高工件表层的碳含量，使工件经热处理后表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有一定强度和较高的韧性。这样，工件既能承受大的冲击，又能承受大的摩擦和接触疲劳强度。齿轮、活塞销等零件常采用渗碳处理。碳氮共渗的目的是为了提高零件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。与渗碳相比，其耐磨性、抗蚀性比渗碳层高。零件变形小、速度快。渗氮的目的是提高工件表面硬度、耐疲劳和耐蚀性以及热硬性（在600～650℃温度下保持较高硬度），主要应用于交变载荷下工作的，要求耐磨和尺寸精度高的重要零件，如高速传动精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精密机床主轴、镗床镗杆、压缩机活塞杆等，也可用于在较高温下工件的耐磨、耐热零件，如阀门、排气阀等。

习题5. 消除铸件的内应力应采用什么热处理工艺？ 答：消除铸件内应力采用退火工艺（又称人工时效），铸铁件铸造成型后产生很大内应力不仅降低铸件强度而且使铸件产生翘曲、变形，甚至开裂。因此，铸件铸造后必须进行退火，又称人工时效。将铸件缓慢加热到500～560℃适当保温（每10mm载面保温2h）后，随炉缓冷至150～200℃出炉空冷。去应力退火一般不能超过560℃，以免共析渗碳体分解、球化、降低铸造强度、硬度。

铸铁热处理

铸铁的力学性能主要受基体组织和石墨所控制，因此强化铸铁时，一方面要改变石墨的数量大小、形状和分布，尽量减少石墨的有害作用；另一方面又要通过合金化、热处理或表面处理方法调整基体组织，提高

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基体性能，以改善铸铁的强韧性。

1. 灰铸铁的热处理

(1)消除内应力退火（又称人工时效） 铸铁件铸造后产生很大内应力不仅降低铸件强度而且使铸件产生翘曲、变形，甚至开裂。因此铸件铸造后必须进行退火，又称人工时效。

将铸件缓慢加热到500～560℃适当保温（每10mm截面保温2h）后，随炉缓冷至150～200℃出炉空冷。去应力退火一般不能超过560℃，以免共析渗碳体分解、球化、降低铸造强度、硬度。

(2)消除铸件白口、降低硬度的退火或正火 退火工艺800～950℃31～4h，随炉缓冷，使部分渗碳体分解，最终得到铁素体＋珠光体的基体组织，从而消除白口、降低硬度，改善切削加工性能。正火工艺：800～950℃31～4h，空冷。

(3)表面淬火 为提高灰铸铁件表面强度、耐磨性和疲劳强度，可以采用感应加热、火焰加热和电接触加热等表面淬火工艺。对高、中频淬火铸铁，希望采用珠光体基体灰铸铁，最好是细片状石墨的孕育铸铁。

2. 可锻铸铁

可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火得到的一种高强度铸铁。由于石墨呈团絮状分布，对基体破坏作用小，所以可锻铸铁比灰铸铁具有较高的强度、塑性和冲击韧性。实际上可锻铸铁并不能锻造。

可锻铸铁石墨化退火：950～1000℃330～40h，然后以200～300℃/h冷速冷却到770℃后，再以极缓慢的冷却速度（2～3℃/h）冷却到720℃左右，再空冷。也可从高温加热后缓冷至680℃，长时间（15～30h）等温保持，使珠光体中渗碳体分解为铁素体＋石墨，然后出炉空冷。

3. 球墨铸铁

球墨铸铁是石墨呈球状的灰铸铁，简称球铁。比普通灰铸铁具有高得多的强度、塑性和韧性，同时仍有灰铸铁的耐磨、消震、易切削、好铸造、缺口不敏感等优点。另外也比可锻铸铁具有更高的力学性能。

（1）退火

①消除内应力退火。其工艺与灰铸铁相同。

②高温退火。为消除白口，获得高韧性的铁素体球铁。

③低温退火。主要用于基体组织中无共晶渗碳体且珠光体含量较高，要求具有较高塑性、韧性的铸件。 （2）正火 正火的目的是细化组织以提高球铁的强度、硬度和耐磨性。根据需要可分别采用高温正火或低温正火。

（3）调质处理 为了得到高的强度和韧性且比正火还高的力学性能的球铁。

（4）等温淬火 提高球铁的综合力学性能，在获得高强度时，具有较好的塑性和韧性。 4. 蠕墨铸铁

蠕墨铸铁在成分上与球铁相近，即要求高碳、低硫、低磷，一定的Si、Mn含量。为了使石墨呈蠕虫状，浇注前向高于1400℃的液态铸铁中加入稀土硅钙合金进行蠕化处理，处理后加入少量孕育剂以促进石墨化。与片状石墨相比，蠕虫状石墨长宽比明显减小，尖端变圆变钝，对基体的切割作用减小，应力集中减小，故蠕墨铸铁的抗拉强度、塑性、疲劳强度均优于灰铸铁，而接近铁素体基体的球铁。而其导热性、铸造性、可切削加工性均优于球铁。还具有优良的热疲劳性能。

5. 合金铸铁

在灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁中加入少量Cr，Ni，Mo，Cn等合金元素，显著提高铸铁强度和耐热、耐蚀、耐磨等特殊的物理化学性能。这就是合金铸铁。

（l）高强度合金铸铁 稀土镁钼系和稀土铜钼系合金铸铁，用于制造要求较高强度的重要结构件如曲轴、凸轮轴、变速齿轮。还可通过感应加热淬火或激光淬火进一步提高耐磨性和疲劳强度。

（2）耐磨合金铸铁 耐磨铸铁分为抗磨铸铁和减磨铸铁。生产中常在灰铸铁中加入Ni、Cr等合金，并采用“激冷”的办法使铸件表面获得白口铸铁组织，心部仍保留灰铸铁组织，使铸件既有高耐磨性，又有一定强度和适当的韧性，这种铸铁称为冷激合金铸铁，用于制造缸体、凸轮轴并可进行感应加热淬火或激光淬火。在白口铸铁中加入Cr， Mo等元素，使组织中Fe3C改变为Cr7C3和（Cr2Fe） 7C3，碳化物硬度极高（1300～1800Hv）耐磨性极好。且分布不连续，韧性也较好，这种高铬白口铸铁用于大型球磨机衬板和粉碎机的锤头等。

例 下列铸件宜选用何种铸铁制造。

①机床床身；②汽车、拖拉机曲轴；③1000～1100℃加热炉炉底板；④硝酸盛贮器；⑤汽车、拖拉机转向壳；⑥球磨机衬板。

解 ①机床床身选用灰铸铁为宜，因为此类铸铁具有高的抗压强度，优良的耐磨性和消振性，低的缺口敏感性，同时造价低。

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②汽车、拖拉机曲轴可选用球墨铸铁制造，有良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性，又有较高的抗拉强度，通过热处理正火、气体氮碳共渗可进一步提高耐磨性和疲劳强度。

③炉底板可选用耐热合金铸铁，此类铸铁在高温下抗氧化、耐高温。 ④硝酸盛贮器宜选用耐蚀合金铸铁，此类铸铁抗腐蚀能力强。

⑤汽车、拖拉机转向壳可选用可锻铸铁，此类铸铁强度、塑性及韧性均比灰铸铁高，用于铸造形状复杂、要求承受冲击载荷的薄壁零件较好。

⑥球磨机衬板选用耐磨合金铸铁，此类铸铁能承受在干摩擦条件下各种磨粒的作用。 有色金属热处理 1. 铝合金热处理

提高铝及铝合金强度的主要途径：冷变形（加工硬化）、变质处理（细晶强化）和热处理（时效强化）。 （1）变形铝合金热处理 ①扩散退火（均匀化退火）。消除合金铸锭中的晶内偏析现象，使合金具有良好的压力加工性能，以得到品质优良的半成品。扩散退火通常在冶炼厂或压力加工厂进行。

②再结晶退火 主要是消除各种加工应力、提高塑性。

③去应力退火 在150～360℃内低于再结晶温度，即合金组织不发生转变的退火，目的在于消除应力、保持强度。

④回归处理。仅用于经淬火和自然时效处理过的零件，即将零件在硝盐中迅速加热到200～250℃32～3min后在水中冷却。目的是恢复得到过饱和固溶体淬火相，使合金重新软化，便于校正、加工。但回归处理次数不得超过3次。

⑤淬火、时效。2A12， 2A14， 2B11合金：500±5℃320～90min，淬水，室温自然时效96～144h。 （2）铸造铝合金热处理 其目的主要是消除铸件的内应力；消除铸造偏析，改变合金组织中针状组成物的形状，提高合金的性能；稳定在高温下工作的铸件尺寸、组织与性能；改善铸件的切削性能。

①退火。290±10℃33～5h空冷，退火目的在于消除内应力和稳定铸件尺寸。淬火时效后的退火，也称软化退火。

②淬火、时效。ZL104铝合金缸体：535±5℃34h固溶处理，175±5℃39h时效。ζb=279～284MPa ，ζs=5.3%～5.4%，硬度96.5～105HBS。

2. 铜合金热处理

热处理不能强化的铜合金，如黄铜、锰青铜、铬青铜、含铝量小于9%的铝青铜、铁白铜、锌白铜、锌白铜和锰白铜。

热处理可以强化的铜合金，如含铝量大于9%的铝青铜、铍青铜、硅青铜、镉青铜和铝白铜。 铜合金淬火时效强化：属于这一类的铜合金，有铍青铜、硅青铜和镉青铜。

淬火回火强化：属于这一类的铜合金，有含铝量大于9%的铝青铜、铬青铜和铝白铜。

（l）去应力退火 去应力退火用于消除用黄铜加工制造的冷硬零件或半成品在应力状态下的季节性破裂，并减少应力、稳定尺寸，提高经冷冲压成形或冷卷绕成形弹簧的弹性。去应力退火工艺：一般采用250～300℃32～4h，空冷。

（2）再结晶退火 再结晶退火用于消除工件在加工过程中产生的冷作硬化，恢复塑性，以利继续加工，并作为硬态材料的软化退火。退火工艺：520～720℃31～2h，空冷。为了去除氧化皮也可以水冷。

（3）均匀化退火 主要目的是为了消除铸件内应力，减轻铸造偏析，改善组织，提高铸件力学性能。退火工艺：600～700℃34～5h，炉冷（锡青铜铸件应水冷）。高强度黄铜、铜铝合金退火工艺为：380℃32h，炉冷；青铜（Cu-Sn12 ）退火工艺为：500～520℃32h，炉冷。

（4）铜合金淬火时效 淬火温度略低于共晶温度，保温时间一般为1 ～2h，水冷。时效温度一般为250～350℃33～5h，空冷。

铍青铜工艺：780±10℃31～2h，30℃水冷。软态时效工艺：320±10℃31.5～2h；硬态时效工艺：300±10℃31.5～2h。

（5）铜合金淬火回火 淬火温度应使合金组织转变为单一β相，一般选择温度为850～950℃，保温时间1～2h，水冷。要求高强度、高硬度和低塑性时，采用250～350℃31～2h；要求较高硬度、强度和较高塑性、韧性时，则采用500～650℃31～2h。属于这一类的合金，有含铝量大于9%的铝青铜。铬青铜和铝白铜。

热处理设备

燃料炉：以重油、煤气、煤（或焦炭）等为燃料的加热炉。主要有油炉和煤气炉。

电阻炉：以电阻体做为发热元件（加热器）的电炉，统称为电阻炉。按加热介质不同可以分为空气炉、

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盐浴炉、控制气氛炉、真空炉。

真空炉：通过真空泵抽气使炉内真空度在13.3～1.33310-3Pa范围内进行加热，大部分低合金结构钢、合金工具钢、高铬钢淬火加热，真空度一般选用1.33～13.3Pa；高合金钢的高温回火，选用1.33310-2Pa；高速钢淬火加热时要充入6.67310-3Pa高纯氮，充氮前要停泵。按用途分为：真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空钎焊炉、真空烧结炉、真空高压高流率气淬炉、真空负压高流率气淬炉和真空油气淬火炉。真空热处理具有防氧化、脱碳，表面光亮，可进行成品热处理，节省材料、节省工序；并有真空脱气、脱脂作用，提高产品质量；无氢脆危险，防止钛合金和难熔金属表面脆化；淬火变形小，炉子热效率高可实现快速升温和降温；工艺稳定性、重复性好；耗电少、能耗少；操作安全，自动化程度高、无污染、无公害。因此真空热处理炉是热处理的最主要设备。但一次性投资大。

全固态高频、中频、超音频感应加热电源：感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料（即工件）的内部产生感应电流，依靠这些涡流的能量（焦尔热效应）达到加热的目的，对于非磁性材料（如Al，Cu， 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢等）主要是热源是磁滞效应。感应加热系统的基本组成包括交流电源、感应线圈（感应器）和工件。按电流频率分为：全固态（晶体管）高频电源（50～450kHz）、全固态（晶闸管式）中频电源（1～5050kHz）、固态工频电频（50Hz ）。感应加热不仅是一种生产率高的表面强化工艺，而且在一定条件下可代替渗碳、碳氮共渗等，可以大量节能而少公害，配少量计算机易于实现自动化。

典型零件热处理应用实例 轴类零件热处理

1.缸盖螺栓采用20钢低碳马氏体处理代替45钢调质。

缸盖螺栓原采用45钢调质、硬度24～30HRC，淬火时经常发生12%左右的螺纹纵向裂纹而报废，且螺纹易滑牙。

改用20钢，经910℃312min，淬盐水＋200℃32h回火，硬度40～43HRC（心部硬度30～35HRC）。其使用寿命比调质态45钢提高35%～-40%，热处理合格率100%。

2.汽车转向节选用40Cr钢调质处理和感应加热淬火

转向节是汽车最重要的零件，选用40Cr钢，锻压成形、毛坯调质，硬度241～285HBS，回火索氏体组织；轴颈、圆角及端面中频淬火，硬度52～63HRC，硬化层深度3 ～6mm，硬化层为针状或细针状回火马氏体（ 6～7级）。

调质处理：860℃370min，淬入0.2%聚乙烯醇水溶液，600℃33h回火；采用圆柱形感应器连续中频感应加热淬火。

采用上述工艺，在圆角及盲孔口发生裂纹严重。

（1）磁粉探伤 盲孔口发现径向裂纹；圆角处呈周向裂纹。

（2）化学成分分析 化学成分分析结果，C、Si、Mn、Cr、S、P等元素含量，均在标准范围内。

（3）金相组织分析 裂纹无氧化、脱碳现象，裂纹断口呈银灰色，周向裂纹在硬化层内，小于1.5mm，硬化层为隐晶马氏体，淬火区与非淬火区的过渡带在圆角区域内，心部组织为均匀索氏体3～4级；对盲孔口径向裂纹检查，盲孔无倒角，有轻微过热。

（4）疲劳极限试验 取5件无裂纹的转向节进行台架试验，其中有3件，循环次数不到33105次而且在圆角处产生裂纹，硬化层深度<1.5mrn。

从以上分析可知，裂纹大多数发生在圆角区域，属于中频淬火裂纹。主要原因是拉应力集中，圆角加热不足，盲孔过热，导致产生裂纹。

采用C型感应器对整个硬化区同时进行感应加热代替圆柱型感应器连续加热；强化圆角加热，避免盲孔过热从而避免了裂纹，提高了淬火质量，因此提高了转向节的疲劳极限。

弹簧类零件热处理

1. 65Mn钢弹簧卡碱液分级淬火、较高温度回火，去氢处理工艺

原采用工艺：820±10℃33min油冷，390±5℃360min空冷。弹簧由于硬度过高，脆性太大，加上硬度不均匀，极易断裂。

改进工艺：淬火之前进行250±10℃31h去应力处理。单液淬火改为830±10℃盐浴炉加热，160±10℃35min碱浴分级；回火温度改为450℃31～1.5h风冷；电镀后进行去氢处理工艺，合格率提高到98.7%。

2. 60Si2Mn钢板弹簧，感应加热调质、快速感应加热淬火、低温回火

采用2.5kHz中频电源电流透烧加热，以100℃/s的速度加热至950～1000℃，喷水冷却一定时间，得到淬火组织，并使板簧能以250～280℃余热回火，防止第二次淬火时产生裂纹。

第二次表面淬火：以300℃/s的加热速度使钢板表面加热到820℃（心部短时内可达到650～720℃）后

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喷水淬火，有效淬硬层深度2.5～4mm。350℃感应加热回火或250℃空气加热炉回火1.5h。硬度58～59HRC，心部38～40HRC。板簧疲劳强度比调质处理后再喷丸处理的板簧提高50%，而且还改善了劳动条件。

齿轮类零件热处理

40CrNi钢高精度等级齿轮采用锻坯正火、高温回火，成品真空淬火、回火 数控机床、高精度机床齿轮精度等级高（5级），要求传动平稳、强度高、硬化层深、耐磨和尺寸稳定性好。

锻造过程对齿轮坯料墩拔成形，使带状组织≤3级，组织致密。

锻坯退火：800～900℃32h炉冷。消除应力，均匀组织以及利于切削加工。

齿坯粗车后正火和高温回火：860℃31.5h空冷＋650℃32h缓冷。细化奥氏体晶粒及消除加工应力及均匀组织、稳定尺寸。

粗拉键后再进行200℃324h去应力退火。

精拉键槽后真空淬火、回火：133Pa真空度下加热，650℃加热再升至790℃加热淬油（回充氮气、低真空66.6Pa下油冷）；160～180℃33～4h回火。

经上述处理的40CrNi高精度齿轮达到5级精度要求，硬度47～49HRC，内孔变形量<0.06mm，内孔圆度误差≤0.015mm，键槽宽变化≤0.015mm。

2. 20CrNi4A钢高精度重载荷齿轮碳氮共渗、氮碳共渗、淬火、低温回火

20CrNi4A钢重载荷高精度齿轮采用920℃34h碳氮共渗；570℃33h气体氮碳共渗，然后再随炉升温至800℃310min，油淬；最后150℃33h回火，空冷。采用高温碳氮共渗提高了接触疲劳强度，又进一步采用低温氮碳共渗和中温淬火不仅细化了组织而且获得了高耐磨性的含碳、氮马氏体组织，其性能远优于单一渗碳或碳氮共渗。该工艺特别适合于高精度重载荷齿轮。

轴承类零件热处理

1. GCr15SiMn钢特大型轴承双液淬火

特大型轴承套圈的有效厚度较大（76mm）。原采用845℃3110min淬油，硬度较低，内径收缩1～2mm，废品率高。

改进工艺：825～90min水淬1min，油冷11.5min。双液淬火处理后的轴承套圈大端面硬度回火后可达到61～64HRC，内径尺寸收缩量为0.3～0.5mm，明显优于油淬的效果。

2. GCr15钢精密轴承双细化处理、保护气氛加热淬火、冷处理、稳定化处理

预备热处理：1050℃320～30min高温固溶后在320～340℃32h等温再升温至735～740℃33h炉冷至600℃出炉空冷。轴承钢经细化处理后可比原始晶粒细化1.5～2.0级，碳化物颗粒尺寸<0.6μm，有利于提高淬火后获得细小针状的马氏体组织，并可提高冲击韧度、耐磨性和疲劳强度。

淬火：835～850℃345～60min在保护气氛下加热，在150～170℃的10号机油中冷却5～10min后，再在30～60℃油中冷却。

冷处理：清洗后在-40～-70℃31～1.5h深冷处理。 回火：160～200℃33～4h回火。

稳定化处理：粗磨后进行140～180℃34～12h；精磨后120～160℃36～24h。 质量检验：

硬度：GCr15钢轴承淬火后硬度＞62HRC；回火后硬度60～64HRC。

显微组织：隐晶、细小针状马氏体和均匀分布的细小碳化物以及少量残余奥氏体。断口形貌为浅灰色的细瓷状。

脱碳层深度：一般淬火、回火后脱碳层深度单边应小于0.05mm左右。 模具热处理

1. Cr12MoV钢易拉罐冲嘴模二次硬化处理和离子氮碳共渗

易拉罐冲嘴模的失效形式主要是磨损、擦伤、接触疲劳和热疲劳。

基体硬化处理：1030℃油淬＋180℃回火一次硬化处理，为提高热硬性，采用二次硬化处理：1000℃油淬＋520℃回火两次。

为提高二次硬化处理后模具的耐磨性、抗咬合性和热硬性，再进行复合渗处理：200～300℃离子轰击0.5～1h，升至480～520℃38～16h进行离子渗N、C、S三元复合渗；最表层为碳化物，次表层为氮碳化合物，再往里是氮碳扩散层。表层硬度为1050～1200HV0.1。模具使用寿命在100万次以上，比常规热处理淬火回火工艺提高寿命10倍以上。

2.60Si2MnA钢四序冲模快速球化退火、高温淬火

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冷镦帽用60Si2MnA钢四序冲模，常规处理淬火温度偏低，保温时间不足，在淬火组织中存在着残留碳化物，心部存在未溶铁素体，导致强度和硬度降低，使用过程中产生弯曲、墩粗，成形部位过早软塌等缺陷。

预备热处理：快速球化退火工艺，870℃加热、淬油；790℃35min 然后以40℃/h冷速冷到680℃320min，炉冷到550℃后出炉空冷。

最终热处理：920～950℃30.4min/mm加热淬油；250℃34h盐浴回火。硬度57～59HRC。由于60Si2MnA钢在950℃附近淬火，可获得相当多的板条马氏体，使断裂韧度升高，有足够的冲击韧度，最好的屈服强度。较高的抗弯强度和抗压强度以及优良的耐磨性能。使用寿命比常规热处理工艺提高2～3倍。

工具热处理

1.高速钢直柄麻花钻头五元共渗

直柄麻花钻头消耗大，采用常规热处理工艺淬火、回火，寿命较低。

改进工艺：1220～1240℃分级淬火＋540～560℃31h33次，硬度63～66HRC。再经五元共渗：550±10℃390～150min，滴入混合剂（尿素、甲酷胺、硫脲、硼酸的水溶液）100d/min。五元共渗后，渗层深度58μm，表面硬度1085HV0.1，比氧氮共渗高，热硬性、冲击韧度和硬度均优于氧氮共渗，脆性1级。

θ5mm直柄麻花钻头经五元共渗后的耐用度比未共渗的高156%，比氧氮共渗的高92%。 2. CrWMn钢高精度量具调质预处理、淬火回火后多次冷处理、回火和长时间人工时效

量具应具有尺寸稳定性好、硬度高、耐磨性好及足够的韧性。其中尺寸稳定性尤为重要。对于高精度量具应当选用CrMn、CrWMn、9CrWMn和GCr15等过共析合金钢制造而不能采T10～T12A碳素钢。

CrWMn钢高精度量具热处理工艺：预处理采用820～850℃加热淬火，油冷。650～700℃32～3h回火的调质处理工艺；精加工后采用820～850℃油淬；-40℃330～40min冷处理；150～160℃34～5h回火，-78℃330min冷处理，150～160℃32～3h回火；粗磨后再150～160℃32～3h回火；精磨后进行120～150℃36～36h人工时效。最后研磨。

经过多次冷处理、回火和长时间人工时效后，使残余奥氏体量尽量完全转变，以保证尺寸的稳定性。 铸铁、铸钢件热处理

可锻铸铁具有缺口敏感性低，从而使铸造连杆比锻钢连杆能承受较高的拉压交变应力，从而提高使用寿命；产品设计上具有更大的灵活性，设计师可以有更大的自由度来选择连杆的最佳形状，并使铸件毛坯尺寸更接近零件尺寸，减少加工量，同时珠光体可锻铸铁可改善切削性能，降低加工成本。

（1）化学成分选择 必须严格控制Cr、V等微量元素含量。碳当量控制在3.10%为宜。

（2）采用冲天炉-电炉双联熔化工艺，熔化温度1530～1560℃为宜，浇注温度控制在360～1380℃，铁液在高温的保温时间不宜过长，浇注温度不宜过高，以免组织粗大。增大收缩和增加开裂的倾向。

（3）采用B-Bi联合孕育温度1520～1530℃，孕育剂加入量为0.015～0.03%。

（4）选择合理的浇冒系统尤为关键 冒口直径40mm，高度45mm，在连杆的中心杆部加一个5mm的冷铁，加强连杆的顺序凝固，保证杆部组织致密。

（5）热处理工艺 退火：400℃31h＋920℃312h＋860℃33h，空冷。

可获得细小粒状索氏体。防止出现二次渗碳体，形成理想的C型石墨形态；淬火：860℃31h，油淬；回火：640℃32h，空冷。

（6）精整 460～480℃加热，在800t精压机上精压，精压后表面应力可达150MPa，硬度可提高20HBS，影响深度＞2mm，组织更加细化。

（7）喷丸强化 表面残余压应力可达350MPa以上，影响深度＞0.5mm，进一步提高连杆耐磨性和疲劳性。

2. ZG30Cr2MnMoSiVRE钢铲齿的低碳马氏体强化处理

挖掘机铲齿原采用ZGM13钢制造，该钢经强烈冲击冷加工硬化后，硬度≥500HBW。铲齿服役不受强烈冲击时，便没有加工硬化作用，铲齿硬度仅为230～300HB，因此不能充分发挥耐磨作用。

采用ZG30Cr2MnMoSiVRE马氏体耐磨钢，经低碳马氏体淬火强化处理，硬度可达500HBW，且有较高的屈服强度，变形抗力大，提高使用寿命1～2倍。

ZG30Cr2MnMoSiVRE钢热处理强化工艺：600～650℃33min/mm预热，升至900土10℃31.5min/mm炉冷至750±10℃32～3h炉冷至≤500℃后空冷；600～650℃32min/mm升至880±5℃31min/mm淬入有机淬火剂，≤100℃时空冷；150～180℃32～3h空冷回火。

有色金属件热处理

1. 2A14铝合金的最佳热处理工艺

2A14铝合金采用500℃35h固溶，淬火（水温20～30℃），时效167℃36～10h。

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采用167℃时效时，达到峰值时间为6h，此时合金中有着高密度亚稳相质点，并与基体呈部分共格，合金强度高，综合性能好。因此167℃时效曲线比175℃时效平缓，故在6～16h之间，均能保持较高强度和良好的塑性。析出相仍保持细小分散的片状是保持高强度和良好塑性的原因。

2. 镍铬锆电极合金固溶时效工艺

电阻焊要求电极合金具有高的强度、高的软化温度和优良的导电性能。

铜铬锆镍电极合金的最佳热处理工艺：930℃33h固溶处理，而后进行60%冷变形，最后进行490℃33h时效处理。

第三部分 产品设计

★3.1新产品设计开发程序

产品可行性分析是通过对市场需求、技术水平及实现难度等方面的综合分析，判断产品开发的可行性，为产品开发提供指导意见。具体步骤为：市场调研-产品定位-可行性分析报告。

概念设计是指设计思维中已具备一个初步设计设想，但未形成具体方案的阶段。概念设计包括设计要求的拟定、产品功能分析、产品方案设计及设计任务书的编制。概念设计是产品设计开发、制造和验收的重要依据。通过概念设计形成的技术文件“设计任务书”，是产品设计开发的重要指导性文件。

技术设计的任务是在功能原理设计所取得优化方案的基础上，使原理构思转化为具有实用水平的具体结构，其中包括确定基本技术参数，进行总体布局设计和结构装配图设计。对所设计的产品应满足如下要求：制造和维护较经济、操纵方便安全、可靠性高、使用寿命合理。为了达到这些要求，零件应满足强度、刚度、抗振性、耐磨性、耐热性及工艺性等准则。

技术设计工作内容与要求：确定主要尺寸参数；确定质量参数；功率参数(包括运动参数、动力参数)；技术经济指标。

设计评价与决策：评价过程是对各方案的价值进行比较和评定，而决策是根据目标选定最佳方案，做出行动的决定。

2习题1. 简述一般新产品设计的主要程序过程是哪些？

答：新产品设计的主要程序包括：产品可行性分析、产品概念设计、产品技术设计和设计评价与决策。 产品可行性分析是通过对市场需求、技术水平及实现难度等方面的综合分析，判断产品开发的可行性，为产品开发提供指导意见。概念设计是指设计思维中已具备一个初步设计设想，但未形成具体方案的阶段。设计主意生成是概念设计中的重要的一个步骤，也是创新设计的重要内容之一。技术设计是使原理构思转化为具体的结构，内容包括确定产品的基本技术参数，进行总体布局设计和结构设计，编写设计计算说明书等。评价过程是对各方案的价值进行比较和评定，而决策是根据目标选定最佳方案，做出行动的决定。

习题2. 举出市场调查内容中有关同行调查的主要内容。

答：竞争对手与分析、技术水平、生产能力、经营销售状况与方法、市场占有率。 习题3. 叙述设计任务书编制的主要内容。

答：设计任务书编制的主要内容有：产品名称，产品的功能和使用范围，基本参数和主要技术指标，产品的工作原理，总布局和关键部件，对产品性能、寿命与经济性的分析比较，产品设计、试验、试制的周期。

习题4. 产品设计技术方案的评价主要包括哪三方面，每个方面的具体内容有哪些？ 答：评价方案在技术上的可行性和选进性，包括工作性能指标、可靠性、使用维护性。 习题5. 简述结构设计的三原则。（技术设计） 答：结构设计的三原则：明确、简单、安全可靠。

1）明确：指对产品设计中所应的问题都应在结构方案中获得明确的体现和分担；

2）简单：在确定结构时，应使其所含零件数目和加工工序类型尽可能减少，零件的几何形状力求简单，减少或简化与相关零件的装配关系及调整措施；

3）安全可靠：包括结构构件安全性、功能的安全、运行的安全性、工作的安全性和对环境的安全性等五个相关联的方面，设计时应综合考虑。

习题6. 简述设计评价目标三个方面的内容。

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答：设计评价目标三个方面的内容：

1） 技术评价：评价方案在技术上的可行性和先进性

2） 经济性评价：评价方案的经济效益，包括成本、利润、实施方案的费用及回收期

3） 社会评价：方案实施后对社会的效益和影响，是否符合国家科技、产业发展政策，是否符合环保要求等。

习题7. 叙述设计评价的方法有三，即经验评价法、数学评价法和试验评价法，请说明这三种方法分别采用的场合。

答：经验评价法用于方案不多，问题不太复杂的场合；数学评价可得到定量的评价参数，适用于多数的评价场合；试验评价法用于一些比较重要，且仅靠分析计算不够有把握的场合。

习题8. 叙述各种设计评价方法的优缺点。

答：经验评价法可对方案做定性的粗略评价，过程较为简单，多用于方案不多，问题不太复杂的场合；数学评价可得到定量的评价参数，适用面较广；试验评价法用于一些比较重要，且仅靠分析计算不够有把握的场合，评价结果较为准确，但成本较高。

23.2机械设计基本技术要素

机械设计基本要素有：材料、强度、挠度、刚度、稳定性、摩擦、磨损、润滑、形状、尺寸、表面加工、体积、重量、风格、温度、振动、噪声、腐蚀、可靠性、控制、实用性、安全、价格以及维修等。

在机械零件设计中，最基本的计算是静强度计算。各种机械零件首先必须满足静强度的要求，即使是承受循环应力的零件，除进行疲劳强度计算外，还应对作用次数少的高峰应力做静强度计算。对于不太重要的零件，为了简化只做静强度计算。但在计算中考虑应力变化的影响，一般采用较大的安全系数或较低的许用应力。

刚度是指构件（或结构）抵抗力变形的能力。用构件在力作用方向上的单位力所引起的变形量Y=e/F表示。对于有一定刚度要求的零件，其强度计算一般也采用较低的许用应力，并只进行静强度计算。承受次数较少冲击应力的零件，在工程计算中常引入动载系数。这样，抗冲击问题用静强度的计算方法来处理，以使问题简化。

设计时不仅要使机械具有良好的工作性能，而且要综合考虑制造、装配、使用、维修和经济等方面的技术条件。符合这种要求和条件的机械设计称为结构工艺性设计。影响结构工艺性设计的因素：生产类型—单件或批量；制造条件—毛坯、加工、热处理、（技术）人员；工艺技术的发展—新技术、新装备、新材料、新工艺。结构工艺性的基本要求：从整个机器的工艺性出发，分析零部件结构工艺性；在满足工作的前提下，零件造型尽量简单；考虑加工的可能性、方便性、精确性、经济性；尽量减少零件的机械加工量；合理选择零件材料。

对于锻件要视批量大小决定采用模锻还是自由锻。

自动装配时尽量减少螺纹联接，多采用粘接和焊接等联接方法；零件的组装方向尽可能一致，以便从一个方向完成装配作业，以简化装配工艺和保证装配质量。

可靠性是“产品”在规定条件下和规定“时间”内完成规定功能的能力。可靠性体现产品在整个使用期间能保持所需质量指标的能力。产品的可靠性主要决定于设计和制造，可靠性的高低表示在使用过程中。可靠性设计是在传统设计方法基础上增加的特殊内容，主要包括弄清影响可靠性的因素和确定提高可靠性设计的措施。

有摩擦即会产生摩擦阻力。由于摩擦力的作用，相对运动的摩擦面即引起磨损。磨损将导致工作性能与精度的下降和对寿命的影响。为了减少摩擦和磨损，重要措施之一是进行适当润滑。

摩擦的类型：按运动形式分滑动和滚动摩擦，按运动状态分静摩擦和动摩擦，按表面润滑情况分干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦。

动摩擦产生的磨损类型有：粘附磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。静摩擦产生的磨损称为微粒磨损。

机械振动是物体在其平衡位置附近来回往复运动的现象，能产生这种现象的系统即为振动系统。从动力学观点看，振动系统一般由三要素组成，即质量、弹簧和阻尼。

振动、噪声产生的根源与危害 噪声源于机械振动，机械振动则源于作用在系统上的力失衡和失恒（包括力的大小与方向的变化）。振动与噪声除其可以有益应用（如传递能量和信息等）的一面外，在工程、制造

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中，对人身、设备都有许多危害。（1）振动、噪声轻则使机器操作者感到不适，如关节疼痛、耳痛；严重者可导致骨质疏松、耳朵失聪等各种疾病。（2）振动会降低机械的工作性能与质量，如机床的加工精度、效率和定位可靠性；加速刀具磨损和降低寿命，严重者（如共振）可导致机件破断，机器失效。（3）振动与噪声还会造成环境污染，给周围群众带来影响与危害。

安全是指人员不会受到伤害，财产不会受到损失的状态和条件。它涉及到人和物两个方面。同样，导致不安全的原因也是这两个方面，即人的不安全行为和物的不安全状态。安全性设计的目的和任务是，使机械产品在其整个寿命期内均安全。为此，要对机器寿命期的各阶段，包括制造、运输、安装、调试、示教、过程转换、运行、清理、查找故障、维修以及从安全的角度停止使用、拆卸及处理等进行研究，针对各个阶段可能存在的危险，采取相应的安全措施，并对上述各阶段（制造除外）编写操作说明书。

习题1. 机械零件设计中最基本的计算是什么？计算的理论依据是什么？

答：机械零件设计中基本的计算包括强度准则计算，寿命准则计算和振动稳定性准则计算，基本最基本的是强度准则计算。

强度准则是指零件危险载面上的应力不得超过其许用应力。其表达式为：ζ≤[ζ]，式中[ζ]是零件的许用应力，由零件材料的极限应力ζlim和设计安全系数S确定。[ζ]=ζlim÷S [ζlim 材料的极限应力，数值根据零件的失效形式确定，静强度断裂时，ζlim为材料的静强度极限；疲劳断裂时，ζlim为材料的疲劳极限；塑性变形时，ζlim为材料的屈服极限。]

习题2. 说明高精度主轴设计时，刚度校核的内容。

答：零件或部件在工作时所产生的弹性变形不超过允许值，称为满足刚度要求。高精度主轴刚度校核的内容包括主轴（梁）、支点（轴承）在载荷作用下发生的综合弹性变形（伸长、挠曲、扭转）校核。

习题3. 机械结构工艺性包含哪些内容和要求？

答：结构工艺性设计涉及零件生产过程的各个阶段：材料选择、毛坯生产方法、机械加工、热处理、零件装配、机器操作、机器维护等。

结构工艺性的基本要求：在满足工作前提下，合理选择材料，机器的整体布局和结构尺量简单，合理划分零、部件并使其几何形状简单，合理确定毛坯，减少机械加工余量；考虑加工的可能性、方便性、精度和经济性，尽可能采用成熟的结构。

习题4. 举例说明机械设计工艺设计中“如何有利于保证顺利装配、拆卸和维护”手段。

答：以轴系零件的设计为例：为便于轴上零件的装入，轴端应有倒角；为便于轴承的装拆，用于轴承轴向定位和固定的轴肩高度应小于轴承内圈的高度。

习题5. 什么是产品的可靠性，可靠性评价通常有哪些表达指标？

答：可靠性是“产品”在规定条件下和规定“时间”内完成规定功能的能力。“产品”可以是元件、器件、设备或系统。“时间”可以是小时、周期、次数、里程或其他单位表示的周期。

可靠性的评价指标

1）可靠度（无故障概率）：对不可修复的产品，是指直到规定时间区间终了为止，能完成规定功能的产品数与在该时间区间开始时刻投入工作的产品数比；对可修复的产品，是指一个或多个产品的无故障工作时间达到或超过规定时间的次数与观察时间内无故障的总次数之比；

2）累计失效概率（故障概率）：产品在规定条件规定时间内失效的概率。可靠度与累计失效概率构成一个完整的事件组；

3）平均寿命（平均无故障工作时间）：产品在使用寿命期内的某个观察期间累计工作时间与故障次数之比；

4）失效率（故障率）：工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。 习题6. 说明确定可靠性关键件和重要件的原则。 答：确定可靠性关键件和重要件的原则是：

1）故障会导致人员伤亡、财产严重损失的产品； 2）人寿命周期费用考虑是昂贵的产品；

3）只要它发生故障即会引起系统故障的产品；

4）影响系统可用性，增加了维修费用和备件数量的产品； 5）难以采购的或用新工艺制造的产品； 6）需进行特殊处理、储存或防护的产品。

习题7. 请简述古典磨擦定律的主要内容及其不完全正确（或不完善）之处。 答：滑动磨擦定律（流体磨擦除外）古典磨擦定律认为：

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1）磨擦力与表面接触面积无关，但与接触物体表面的材料及状态（粗糙度、温度、湿度等）有关，即与磨擦因数有关；

2）静磨擦力正比于法向载荷，即F=μFn（μ为摩擦因数）； 3）动摩擦力的方向与接触物体的相对运动方向相反； 4）动摩擦因数小于静摩擦因数； 5）动摩擦力与相对滑动速度无关。

古典摩擦定律虽不完全正确，但由于具有较大的近似性和普遍性，至今仍在一般工程计算中广泛采用。而现代摩擦学研究发现，以下情况表明，古典摩擦定律有待进一步完善： 1）当法向载荷较大时，即真实接触面积接近于表观接触面积时， 摩擦力与法向载荷呈非线性关系，摩擦力增加很快；

2）粘弹材料的摩擦力与接触面积有关，只有金属等具有一定屈服 限材料的摩擦力才表观接触面积无关。

3）严格地说，摩擦力与滑动速度有关，金属的摩擦力随速度变化不大； 4）粘弹性材料的静摩擦系数不大于动摩擦系数。 ★习题8. 减少机械摩擦和磨损的主要措施有哪些？ 答： 1.减少摩擦力

（1）防止摩擦副表面因过载荷（包括机械载荷和热载荷）而产生塑性变形。 （2）尽可能使摩擦副上形成油膜以降低摩擦因数和接触应力。

（3）在润滑油中加入有极压作用的添加剂，在摩擦表面生成保护膜。

（4）选用经实践证明效果好的摩擦副材料，优先采用陶瓷对陶瓷、塑料对塑料、陶瓷与金属、塑料与金属、塑料与陶瓷配对副，避免使用金属对金属配对副。

（5）当使用金属配对副时，应优先采用密排六方晶体或体心立方晶体材料，避免采用面心立方晶体材料，特别要避免采用奥氏体钢。

（6）用非匀质组织的材料。

2.选用硬度高、抗磨性好的材料做摩擦副 摩擦副材料的硬度应比磨料的硬度高。

3.合理润滑，提高抗疲劳磨损能力 润滑油膜可使材料表面应力显著下降，摩擦减小，从而减轻了疲劳磨损。采用陶瓷材料时，其表面不能有显微裂纹，且其表面应尽可能光滑。使用润滑油润滑时，要注意润滑油的过滤，防止磨粒磨损。新零件要进行合理跑合，延长使用寿命等。

★习题9. 防止和减少机械结构振动的原则措施有哪些？

答：防的根本策略是消除内外部不平衡、不恒定的作用力在系统中出现。其主要措施有：

（1）旋转运动件（特别是高速）的质量分布要均匀对称，重心应在其旋转中心线上；避免偏心产生的离心力作用。

（2）尽量采用连续、平稳的切削过程，避兔产生各种周期的和非周期的力冲击（如飞刀铣削，滑枕、工作台往复运动时换向等），而导致强迫振动乃至共振。

（3）采用隔振地基或隔振器（垫）隔除外部振动能量向系统内部传入。

为了降低系统的振动和噪声强度，首先要提高系统抗振性，其次才是采取其他控制措施。主要方法如下： 1）选用刚度大、重量轻、阻尼性能好的材料作为结构的主体材料； 2）采用合理的壁厚和筋壁布置，提高结构刚度、减少结构重量；

3）采用适当的结构形式和工艺，如机床大件的双层壁不出砂结构和焊接结构等，增加结构内摩擦，提高结构阻尼能力；

4）使系统工作时产生的冲击力（如铣刀齿的切入，工作台换向，旋转件的离心力等）与系统结构的固有频率相互远离，避免产生共振；

5）根据系统的动态特性，采用外部输入能量的方法，实现减振的主动控制； 6）在系统中采用各类减振器（固体摩擦、液体摩擦、电磁声和涡流阻尼），减少振动的振幅；

7）采用粘弹性聚合物或滞弹性松弛高阻尼合金附着在振源处吸附振动能量，将其转为热量消散掉等； 此外，噪声还可以通过真空和密封加以隔绝。 习题10. 简述标准化设计的意义。

答：1）减轻设计工作量，缩短设计周期，有利于设计人员将主要精力用于关键零部件的设计；

2）便于建立专门工厂采用最先进的技术大规模地生产标准零部件，有利于合理使用原材料、节约能源、降低成本、提高质量和可靠性、提高劳动生产率；

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3）增大互换性，便于维修；

4）便于产品改进，增加产品品种；

5）采用与国际标准一致的国家标准，有利于产品走向国际市场。

因此，在机械零件的设计中，设计人员必须了角和掌握有关的各项标准并认真地贯彻执行，不断提高设计产品的标准化程度。

★3.3 机械零、部件设计

机械传动及其零、部件

在机械传动设计中，主要的设计内容包括：齿轮传动设计、轴传动设计、丝杠传动设计、带传动设计、减速器设计与选用、变速器设计与选用和制动器设计与选用等。

齿轮的功能特点及设计计算

目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度准则进行计算。对于高速大功率齿轮传动（如航空发动机主传动、汽轮发电机组传动等），还要按保证齿面抗胶合能力准则计算（参阅GB6413-86 ）。至于抵抗其他失效的能力，目前虽然一般不进行计算，但应采取相应措施，以增强轮齿抵抗失效的能力。

在闭式齿轮传动中，通常以验证齿面接触疲劳强度为主。但对于齿面硬度很高、齿芯强度又低的齿轮（如用20，20Cr钢经渗碳后淬火的齿轮）或材质较脆的齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为主。如果两齿轮均为硬齿面且齿面硬度同样高时，则视具体情况而定。

功率较大的传动，例如输入功率超过75kW的闭式齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等，为了控制温升，还应作散热能力计算。

对开式（半开式）齿轮传动，目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。为了延长开式（半开式）齿轮传动的寿命，应视具体需要而将所求得的模数适当增大。

对齿轮轮圈、轮辐、轮毂等部位的尺寸，通常仅作结构设计，不进行强度计算。

由轮齿的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形能力，齿根要有较高的抗折断能力。因此，对轮齿材料性能的基本要求为：齿面要硬、齿芯要韧。

齿轮材料的种类很多，选择时考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：①齿轮材料必须满足工作条件。工作条件是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。②应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法、热处理和制造工艺。 大尺寸齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮，常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作为毛坯。③不论毛坯的制作方法如何，正火碳钢只能用于载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷。调质碳钢可用于中等冲击载荷下工作的齿轮。④合金钢常用于高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。⑤飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合合金钢。⑥金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质，且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高大齿轮齿面的疲劳极限。因此，当配对两齿轮齿面具有较大硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20%，但应注意硬度高的齿面，其表面粗糙度值也要相应减小。

习题1. 指出齿轮传动的特点及适用范围。

答：齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式。齿轮传动的优点是：

效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率最高；结构紧凑；工作可靠、寿命长；传动比可靠。 瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广，功率从接近于零的微小值到数十万千瓦，圆周速度达200m/s；传动效率高，η=0.92～0.98.

齿轮传动的主要缺点是：制造和安装精度要求较高，需专门设备制造，成本较高，不宜用于较远距离两轴之间的传动。

轴的功能特点及设计计算

轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。按照承受载荷的不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴，各种机器中最为常见。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴，只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。轴还可按照不同的轴线形状，分为曲轴和直轴两大类。曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或做相反的运动变换。钢丝软轴又称钢丝挠性轴，由多组钢丝分层卷绕而成，具有良好的挠性，可以将回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。

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轴的结构设计包括选定轴的合理外形和全部结构尺寸。

轴的结构设计需要解决如下主要问题：①拟定轴上零件的装配方案。装配方案是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系，所以是进行轴结构设计的前提，决定着轴的基本形式。②轴上零件的定位。为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除有游动或空转要求外，都必须进行轴向和周向（固）定位，以保证其准确的工作位置。③各轴段直径和长度的确定。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等部位的轴径，应取相应标准值及所选配合的公差。为使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面擦伤，在配合轴段前应采用较小直径。为使与轴做过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应为锥度或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙确定。为保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的较段长度一般应比轮毅长度短2～3mm。④提高轴强度的常用措施。为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽量不采用悬臂式支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度。改进轴上零件结构以减小轴的载荷。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减小应力集中源和降低应力集中的程度，改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。⑤轴的结构工艺性。工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，并且生产率高，成本低。一般，轴的结构越简单，工艺性越好。因此，在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简化。为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45°倒角。需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽。需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置（或投影）在轴的同一母线上。为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同尺寸。

轴的强度和刚度计算

①强度计算 承受转矩直轴的强度计算主要应用转矩法

?（扭应力）?TT（扭矩）P（轴传递的功率） ???Tp（许用扭应力）W（轴的抗扭界面系数）WTnT对于常用光轴，代入WT≈0.2d3（1-γ4），可得光轴直径

d（轴外径）?C3P13 4n1??（空心轴的内外径之比）

②刚度计算 轴的刚度计算主要包括轴的扭转角计算和弯曲变形计算。轴受转矩T作用时，其扭转角为

??Tl（轴受转矩作用的长度）

G（轴材料的切变模量）I（轴的截面极惯性矩）pIp?44?[d（轴外径）?d（空心轴内径）]132

习题2. 轴零件在结构设计时要满足哪些条件？

答：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置，轴必须具有足够的强度和刚度，轴上的零件应便于装拆和调整，轴应具有良好的制造工艺性等。

丝杠的功能特点及设计计算

螺旋传动由螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副实现传动要求。它主要是将回转运动变为直线运动，同时完成运动和动力的传递。螺旋传动按功能用途的不同可分为：传力螺旋——以传递能量为主，将较小转矩转换成较大的轴向推力，如各种起重螺旋或加压装置螺旋；传导螺旋——以传递运动为主，应有较高传动精度，也可承受较大轴向载荷，如机床进给机构螺旋；调整螺旋——以调整、固定零件间的相互位置为主，如机床、仪器及测试装置中微调机构螺旋，轧钢机轧辊的压下螺旋等。按螺旋副摩擦性质的不同，又可分为滑动螺旋、滚动螺旋及静压螺旋。其应用特点见表3.3-4。

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丝杠一般为标准化、通用化、系列化产品。在机器设计中只需选用。只有特殊情况才自行设计。传动丝杠的设计依据是载荷（轴向载荷或扭矩）。根据载荷，按强度和刚度指标确定丝杠的直径，并按传动比计算给定螺矩。对于调整用螺纹，除载荷外应重点考虑调整量和调整精度，而后进行直径和螺矩等参数设计。

习题3. 滚珠丝杠副主要应用在哪些场合？

答：滚珠螺旋传动具有传动效率高、起动力矩小、传动灵敏平稳、工作寿命长等优点，故在机床、汽车和航空等制造业中应用广泛。主要缺点是制造工艺比较复杂。

带传动的功能特点及设计计算

带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同，有依靠带与带轮间摩擦力传动的摩擦型带传动，也有依靠带与带轮上的齿相互啮合专动的同步带传动。

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确；同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。带传动除传递动力外，有时也用于输送物料、进行零件整列等。

常用带传动有平带传动、V带传动、多楔带传动和同步带传动等。

平带传动结构最简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大情况下应用较多。

V带传动中，V带只与轮槽两侧面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦原理，在同样张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大摩擦力，是V带传动性能上的最主要优点，V带允许的传动力比较大，结构较紧凑，并多已标准化大量生产，因而比平带传动应用广泛。多楔带兼有平带和V带的优点，柔性好，摩擦力大，传递功率高，解决了多根V带长短不一而使各带受力不均的问题。多楔带主要用于传递功率较大而结构要求紧凑的场合。传动比可达10，带速可达40m/s。

同步齿形带综合了带传动和齿轮传动的优点。同步带通常由钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶或聚氨酯橡胶为基体、工作面上带齿的环状带等组成。工作时，带的凸齿与带轮外缘上的齿槽啮合传动。由于抗拉层承载后变形小，能保持同步带周节不变，故带与带轮没有相对滑动，从而保证同步传动。同步带传动时的线速度可达50m/s（有时允许达80m/s），传动功率可达300kW，传动比可达10（有时允许达20），传动效率可达0.98。

同步带传动的优点是：①无滑动，能保证固定传动比；②预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小；③带的厚度小，单位长度质量小，故允许的线速度较高；④带的柔性好，故所用带轮直径可以较小。其主要缺点是安装时中心距要求严格，且价格较高。同步带主要用于传动比要求准确的中、小功率传动中。

带轮的材料主要采用铸铁，常用材料牌号为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢或用钢板冲压后焊接而成；小功率时可用铸铝或塑料。

铸铁V带轮的典型结构有以下几种形式：1实心式；2腹板式；3孔板式；4椭圆轮辐式。带轮基准直径Dc ≤（2.5～3）d（d为轴径）时，可采用实心式；Dc≤300mm时，可采用腹板式，（当D1-d1≥100mm时，可采用孔板式）；D≥300mm时，可采用轮辐式。

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习题4. 带传动主要有哪些类型？

答：常用带传动有平带传动、V带传动、多楔带传动和同步带传动等。

平带传动结构最简单，带轮也容易制造在传动中心距较大情况下应用较多。

V带有普通V带、窄V带等多种类型，在同样张紧力下，V带传动较平带传动能产生更大摩擦力（是V带传动性能上的最主要优点），V带允许的传动力比较大，结构较紧凑，并多已标准化大量生产，因而比平带传动应用广泛。

多楔带兼有平带和V带的优点，柔性好，摩擦力大，传递功率高，解决了多根V带长短不一而使各带受力不均的问题。多楔带主要用于传递功率较大而结构要求紧凑的场合。

同步齿形带综合了带传动和齿轮传动的优点。同步带通常由钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶或聚氨酯橡胶为基体、工作面上带齿的环状带等组成。工作时，带的凸齿与带轮外缘上的齿槽啮合传动。由于抗拉层承载后变形小，能保持同步带周节不变，故带与带轮没有相对滑动，从而保证同步传动。

减速器的功能特点及设计选用

减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用以降低转速并相应增大转矩。某些场合也可用于增速装置，并称为增速器。若按传动和结构特点划分，减速器有下述5种：①齿轮减速器：主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器；②蜗杆减速器：主要有圆柱蜗杆减速器、环面蜗杆减速器、锥蜗杆成速器和蜗杆一齿轮减速器；③行星齿轮减速器；④摆线针轮减速；⑤谐波齿轮减速器。

齿轮减速器的特点是效率高，工作耐久，维护简便，因而应用范围很广。齿轮减速器按其减速齿轮的级数可分为单级、两级、三级和多级；按其轴在空间的相互配置可分为立式和卧式；按其运动简图的特点可分为展开式、同轴式（又称回归式）和分流式等。

单级圆柱齿轮减速器为了避免外廓尺寸过大，其最大传动比一般为i=8～10；当i＞10时，就应采用两级圆柱齿轮减速器。两级圆柱齿轮减速器应用最广，常用于i=8～50，高、低速级的中心距总和a=250～4000mm，其运动简图可以是展开式、分流式或同轴式。

蜗杆减速器的特点是在外廓尺寸不大的情况下，可获得大传动比。其工作平稳，噪声较小，但效率较低。应用最广泛的是单级蜗杆减速器。单级蜗杆减速器根据蜗杆位置可分为上蜗杆、下蜗杆及侧蜗杆三种，其传动比范围一般为i=10～70。上述蜗杆配置方案的选取，亦视传动装置组合的方便与否而定。应尽可能选用下蜗杆结构，因为润滑和冷却均较易解决，蜗杆轴承的润滑也很方便。当蜗杆圆周速度大于45m/s时，为了减少搅油和飞溅时损耗的功率，可采用上蜗杆结构。两级蜗杆减速器的特点是结构尺寸紧凑，常用于传动比很大处，但其效率较低。

选择减速器类型时，必须首先根据传动装置总体配置的要求，结合减速器的效率、外廓尺寸或质量、制造及运转费用等指标进行综合的分析比较，以期获得最合理的结果。

调速器的功能特点及设计

调速器就是能随时改变传动比的传动机构。常称其为调速机构。分为有级调速器（或分级调速器）和无级调速器两大类。前者的传动比只能按既定设计要求通过操纵机构分级改变；而后者则可在设计预定的范围内无级地调整传动比。机械无级调速器主要是依靠摩擦轮（或摩擦盘、球、环等）传动原理，通过改变主动件和从动件的传动半径，使输出轴的转速无级变化。各种机械无级变速器的变速范围都比较小。为了扩大变速范围，通常可将无级变速器与有级变速器串联使用。

2. 联接、紧固件

联接、紧固件主要用于联接和固定两相邻零件。联接类型分可动和不可动，联接方法分键联接、销联接和过盈联接等。

螺栓联接的功能特点与设计计算

设计螺栓组联接时，首先选定螺栓的数目及布置形式，然后确定螺栓联接的结构尺寸。确定螺栓尺寸时，重要联接应根据工作载荷，分析各螺栓的受力状况，找出受力最大的螺栓进行强度校核。

螺栓组联接结构设计的主要目的，是合理确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑：①联接接合面通常设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、框形、三角形等，不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证联接接合面受力均匀。②螺栓的布置应使各螺栓受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排布置8个以上螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓受力。如果同时承受轴向载荷和较大横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及结构尺寸。③螺栓联接通常应采用标准紧固件，其螺纹类型、螺栓头部尺寸、螺杆及其他部分以及相结合的螺母、垫圈

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等尺寸均根据等强度原则及经验确定，一般不需要全都进行强度计算。联接的强度计算主要是确定螺栓直径或校核危险截面的强度。螺纹强度计算如下：

d1?4F??p ?p??sSs

式中 F一螺栓所受轴向载荷； ζP—许用拉应力； ζs—螺栓屈服点；

Ss—安全因数，Ss=1.2～1.7； d1—螺纹小径。

④布置螺栓时应有合理的间距、边距，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小决定。⑤分布在同一圆周上的螺栓数目，应取4，6，8等偶数，以方便在圆周上钻孔时的分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同。⑥避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除在结构上保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件、螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸、锻件等粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。

螺栓组通常均能满足自锁条件，且拧紧后螺母和螺栓头部支承面与被联接件支承面间存在摩擦力，在静载荷且工作温度变化不大时，可保证联接自锁而不松退。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温、温度变化较大情况下，会出现联接松动甚至松退。

习题5. 螺栓组防松的方法有哪些？

答：有机械防松（如采用开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝等）、摩擦防松（如采用双螺母、弹簧垫圈、锁紧螺母等）和永久防松（即破坏螺纹副防松，如采用冲点、涂粘合剂）。

键的功能特点与设计计算

键是一种联接标准零件，通常用于实现轴与轮毂之间的周向固定、传递转矩及其实现零件在轴上的固定或轴向滑动的导向。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。

平键联接具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，平键联接不承受轴向力，因而对轴上零件不能轴向固定。根据用途的不同，平键分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键4种。普通平键和薄型平键用于静联接，导向平键和滑键用于动联接。

平键联接传递转矩时，对于常见材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接（静联接），其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。对于导向平键联接和滑键联接（动联接），其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。

半圆键联接键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载静联接中。

楔键联接在传递有冲击和振动的较大转矩时，仍能保证联接的可靠性。楔键联接的缺点是键楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜。因此，主要用于毂类零件定心精度要求不高和低转速场合。

切向键是由一对斜度为1：100的楔键组成。切向键的工作面是由一对楔键沿斜面拼合后相互平行的两个窄面，被联接的轴和轮毂上都制有相应的键槽。由于切向键的键槽对轴的削弱较大，因此常用于直径大于100mm的轴上。

平键联接传递转矩时，对于常见材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接（静联接），其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按二作面上的挤压应力进行强度校核计算。对于导向平键联接和滑键联接（动联接），其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。

花键联结为多齿工作，承载能力高，对中性、导向性好，齿根较浅，应力集中小，轴与毂削弱小。花键联结按其齿形不同，分为矩形花键和渐开线花键两种。

键的功能特点与设计计算

销主要用于固定零件之间的相对位置，称为定位销，是组合加工和装配时的重要辅助零件；也可用于联接，称为联接销，可传递不大的载荷；还可作为安全装置中的过载剪断元件，称为安全销。

圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，经多次装拆会降低其定位精度和可靠性。圆柱销的直径偏差有u8， m6， h8和h11四种，以满足不同的使用要求。

圆锥销具有1：50的锥度，在受横向力时可以自锁。安装方便，定位精度高，可多次装拆而不影响定位精度。端部带螺纹的圆锥销可用于盲孔或不便拆卸的场合。开尾圆锥销适用于有冲击、振动的场合。

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定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，故不作强度校核计算。其直径可按结构确定，数目一般不少于两个。销装入每一被联接件内的长度，约为销直径的1～2倍。联接销的类型很据工作要求选定，其尺寸可根据联接的结构特点按经验或规范确定，必要时再按剪切和挤压强度条件进行校核计算。安全销在机器过载时应被剪断，因此，销的直径应按过载时被剪断的条件确定。

习题6. 销的主要功能包括哪些方面？

答：定位销（用于固定零件之间的相对位置）、联接销（用于联接并可传递不大的载荷）和安全销（用作安全装置中的过载剪断元件）。

联轴器的功能特点与设计计算

联轴器是将两同心或钝角相交的传动轴联接在一起，以传输运动或扭矩的器件。按联接性质分为刚性联接、弹性联接和万向联接。

选用联轴器的基本步骤如下：①选择联轴器的类型；②联轴器的计算转矩。由于机器启动时有动载荷或运转中可能出现过载现象，所以，应按轴上的最大传递转矩T确定计算转矩TCA；③确定联轴器的型号；④校核最大转速。联接轴的转速n不应超过允许的最高转速nmax；⑤协调轴孔直径；⑥规定部件相应的安装精度；⑦进行必要的校核。如有必要，应对联轴器的主要传动零件进行强度校核。使用非金属弹性元件的联轴器时，还应注意联轴器所在部位的工作温度不要超过该弹性元件材料允许的最高温度。

过盈联接的功能特点与设计计算

过盈联接是利用零件间的配合过盈达到联接目的。这种联接也叫干涉配合联接或紧配合联接。过盈联接分为无辅助件和有辅助件两类。前者应用广泛，主要用于轴与毂的联接、轮圈与轮芯的联接以及滚动轴承与轴或座孔的联接等；后者主要用于借助辅助件扣紧板。

过盈联接的装配方法有压入法和胀缩法（温差法）。

压入法是利用压力机将被包容件直接压入包容件中。由于过盈量的存在，在压入过程中，配合表面微观不平度的峰尖不可避免地受到擦伤或压平，因而降低了联接的紧固性。在被包容件和包容件上分别制出导锥，并对配合表面进行润滑，可以减轻上述缺点。但联接质量要求较高时，应采用胀缩法进行装配。即加热包容件或（和）冷却被包容件，使之既便于装配，又可减少或避免损伤配合表面，而在常温下即达到牢固的联接。胀缩法一般利用电加热；冷却则多采用液态空气（沸点为-194℃）或固态二氧化碳（又名干冰，沸点为-79℃）。加热时应防止配合面上产生氧化皮。加热法常用于配合直径较大时；冷却法常用于配合直径较小时。

由于过盈联接经过多次拆装后，配合面会受到严重损伤，当装配过盈量很大时，装好后再拆开就更加困难。因此，为了保证多次装拆后的配合仍能具有良好的紧固性，可采用液压拆卸，即在配合面间注入高压油，以涨大包容件内径，缩小被包容件的外径，从而使联接便于拆开，并减小配合面的擦伤。但采用这种办法时，需在包容件和（或）被包容件上制出油孔和油沟。

过盈联接主要用于承受轴向力或传递转矩，或者同时兼有以上两种作用（个别情况也用以承受弯矩）。为了保证过盈联接的工作能力，强度计算须包含两个方面：一方面是在己知载荷的条件下，计算配合面间所需产生的压力和产生该压力所需的最小过盈量；另一方面是在选定的标准过盈配合下，校核联接的诸零件（如轮圈与轮芯，轮毅与轴等）在最大过盈量时的强度。如采用胀缩法装配，还应算出加热及冷却的温度。此外，须算出装拆时所需的压入力及压出力。必要时还应算出包容件外径的胀大量及被包容件内径的缩小量。

3. 操作调节与控制件 离合器的功能特点与设计

离合器的接合和分离可以用啮合或摩擦方式实现，操纵离合的方法有机械式、气压式、液压式、电磁式、超越式和离心式。

摩擦离合器和牙嵌离合器相比，有下列优点：不论任何速度两轴均可接合或分离；接合过程平稳，冲击、振动较小；从动轴的加速时间和所传递的最大转矩可调节；过载时可发生打滑，以保护重要零件不致损坏。其缺点为外廓尺寸较大；在接合、分离过程中产生滑动摩擦，故发热量较大，磨损也较大。为了散热和减轻磨损，可以把摩擦离合器浸入油中工作。

习题7. 指出离合器的种类及适用范围。 答：离合器的种类见下表。

机械离合器 啮合式：如牙嵌式、齿式、转键式等

操纵离合器 气压离合器 摩擦式：如圆盘摩擦片（块）式、圆锥摩擦式、 液压离合器 涨圆摩擦式、扭簧摩擦式等 电磁离合器 电磁感应式：如转差式、磁粉式等

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离合器 啮合式：如牙嵌式、棘轮式等

超越离合器

摩擦式：如滚柱式、楔块式等

自控离合器 离心离合器 摩擦式：如闸块式、钢球式、钢砂式、钢棒式等 啮合式：如牙嵌式、钢珠式等；

安全离合器

摩擦式：如圆盘式、圆锥式等

1）牙嵌离合器 由两个端面上有牙的半边离合器组成。其中一个半边离合器固定在主动轴上，另一个半边离合器用导键（或花键）与从动轴联接，并可由操纵机构使其做轴向移动，以实现离合器将运动分离与接合的功能。牙嵌离合器是借牙的相互嵌合传递运动和转矩。为使两半离合器能够对中，在主动轴端的半边离合器上固定一个对中环，从动轴可在对中环内自由转动。牙嵌离合器一般用于转矩不大，低速接合处。材料常用低碳钢表面渗碳，硬度为56～62HRC或采用中碳钢表面淬火，硬度为48～54HRC；不重要和静止状态接合的离合器，也允许用HT200制造。

2）圆盘摩擦离合器 圆盘摩擦离合器是在主动摩擦盘转动时，由主、从动盘的接触面间产生的摩擦力矩传递转矩，有单盘式和多盘式两种。与牙嵌离合器相比，圆盘摩擦离合器的优点是：不论任何速度两轴均可接合或分离；接合过程平稳，冲击、振动较小；从动轴的加速时间和所传递的最大转矩可调节；过载时可发生打滑，以保护重要零件不致损坏。其缺点为外廓尺寸较大；在接合、分离过程中产生滑动摩擦故发热较大，磨损也较大。为了散热和减轻磨损，可以把摩擦离合器浸入油中工作。

3）电磁离合器 电磁离合器是利用电流通过激磁线圈时所产生的磁力操纵各种拼命元件，以实现接合和分离的离合器。电磁主合器可单独操纵，亦可集中控制和远距离控制，与其他机电元件亦可在主、从动部分有转速差的情况下保持恒定转矩（例如磁粉离合器）。电磁离合器具有结构简单操纵方便的优点。电磁离合器的缺点是有少量剩磁，尤其是磁力线通过摩擦片的离合器。剩磁会妨碍离合器主、从动摩擦片的彻底分离，而在切断电流后离合器还有残留转矩。

习题19. 什么是离合器？离合器的主要功能和设计要求是什么？

答：离合器是主、从动部分在同轴线上传递转矩和旋转运动时，在不停机状态下实现分离和接合的装置。安置在机械设备传动系统中的离合器通过操纵或自控进行离合，可以完成工作机启动、停止、换向、变速等工作。离合器还具有软启动、节能、吸收冲击能量、减缓振动、实现速度超越、防止逆转以及对传动系统的过载保护等功能。对离合器的基本要求是：接合平稳，分离彻底，动作准确；结构简单，外廓尺寸、重量和转动惯量小；工作安全可靠，操纵方便、省力，对接合元件的压紧力能在内部平衡；接合元件耐磨，散热性能好，工作寿命长。

制动器的功能特点与设计

制动器主要由制动元件、驱动装置和支架三部分组成。许多制动器还有制动元件磨损间隙的自动补偿等辅助装置。按照工作状态，制动器可分常闭式和常开式两种。前者靠弹簧力或重力经常处于制动（合闸）状态，只有驱动装置工作（即施加外力）时才能解除制动状态；后者与前者相反，经常处于非制动（松闸）状态，只有驱动装置工作亦即施加外力时，才实现制动。起重机械中的提升机构常采用常闭式制动器，各种车辆则常采用常开式制动器。

习题20. 什么是制动器？对制动器的基本要求是什么？

答：制动器是使运转中的机构或机器迅速减速、停止并保持停止状态的装置；有时也用作调节或限制机构或机器的运动速度（例如使重物以恒定速度下降）。制动器是保证机构或机器安全工作的重要部件。

对制动器基本要求是：制动可靠，操纵灵活，散热良好，重量轻，结构紧凑，便于安装和维护。为了减小制动转矩，缩小制动器的尺寸，通常将制动器安装在制动对象传动轴系的高速轴上。但对于安全度要求高的设备，如矿井提升机等，因高速轴距制动对象较远，安全可靠度较差，传动轴系发生断轴事故，制动对象的安全仍然没有保证。所以还需在低速轴上安装安全制动器。

2箱体、机架件的设计特点、准则和一般要求

正确设计机座和箱体的截面形状，可在不增大截面面积又不增大（甚至减小）零件重量（材料消耗量）的条件下，增大截面系数及截面的惯性矩，提高其强度和刚度。

箱体、机架件的设计特点

①大量采用矩形截面。空心矩形截面的弯曲强度不如工字形截面，扭转强度不如圆形截面，其扭转刚度却大很多。采用空心矩形截面的机座和箱体的内外壁上较易装设其他机件；②增加肋板。加设肋板既可增大强度和刚度，又可较增大壁厚时减小重量。对于铸件，无需增加壁厚，即可减少铸造的缺陷；对于焊件，薄壁更易保证焊接品质；③满足机器性能。机座、箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗振性能。若同时用作滑道，滑道部分还应具有足够的耐磨性；④模型试验；⑤满足工艺性要求。箱体零件上必

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须镗磨的孔数及各孔位置的相关影响应尽量减少。位于同一轴线上的各孔直径最好相同或顺序递减。当机座、箱体的重量很大时，应设有便于起吊的装置，如吊装孔、吊钩或吊环等。如需用绳索捆绑，必须保证捆吊时具有足够刚度，并考虑在放置平稳后，绳索易于解下或抽出。

箱体、机架的设计准则

刚度和强度的要求是箱体、机架设计的重要设计准则。对于某些箱体、机架零件，还应进行振动稳定性和热变形的校核计算。重载结构均以强度设计作为第一设计条件，如锻锤支架、水压机横梁、颚式破碎机底座等。

大多数的箱体、机架设计是以刚度作为第一设计条件，如机床主轴箱及床身、立柱、机械压力机机身等。按刚度条件设计所得到的截面尺寸一般比按强度设计所得到的尺寸要大。因此，满足刚度条件的箱体、机架往往也满足强度条件，但对某些结构也不尽然。

刚度是保证强度的重要条件，在箱体、机架的受压结构和压弯结构中存在失稳问题，薄壁箱体、机架也存在局部失稳问题，必须进行校核。

现行的强度设计主要以静载荷作为依据，对于重要的箱体、机架计算，还要考虑动载荷的影响；更精确的计算，应采用同类机器中典型的工况载荷谱对其进行动态分析；并校核疲劳强度。强度条件中，除体积强度外还要包括表面强度条件，具有导轨和滑道的机架要考虑表面挤压强度和表面磨损强度。

以刚度作为设计条件时，是以载荷作用下产生的最大变形量f作为参数和其许用值fp进行比较，使其满足f≤fp。

当结构的自振频率和外载荷周期变化的频率相同或接近时，即会发生共振。振动稳定性的计算准则是使箱体、机架的固有频率和外载荷的激振频率相互远离。机床中的床身、立柱、横梁和其他有高精度要求的箱体、机架都应进行振动稳定性计算。对于不进行振动稳定性计算的箱体、机架，在结构设计时也要采取一些减振措施。

2习题8. 箱体、机架件设计的一般要求有哪些？

答：①可靠性：在使用期内必须安全可靠，其结构应与所承受的外力相协调，能满足强度、刚度、振动稳定性、疲劳强度、热变形等方面的要求。②实用性：箱体、机架是机器重要的组成部分，其精度、表面粗糙度、尺寸和形位公差等技术指标必须确保机器的使用性能和使用寿命。③工艺性：结构应容易铸造或焊接，减少和防止铸造或焊接缺陷，便于加工装配和调试。焊接结构应便于实现机械化处自动化焊接。④经济性：要尺量减轻结构质量降低材料成本，减少能源消耗、加工工时和制造成本。根据箱体、机架的不同用途，设计中对以上各项既要有所偏重，又要统筹兼顾，要重视其外观造型设计。

习题9. 请说出齿轮传动、丝杠传动和普通皮带传动各自最大的区别特点（优点）。

答：①齿轮传动的主要优点是：瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广，功率从接近于零的微小值到数万千瓦，圆周速度从很低到300m/s；传动效率高，η=0.92-0.98，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率较高；工作可靠使用寿命长；外廓尺寸小，结构紧凑。

②丝杆传动的优点是：降速传动比大：对单丝螺旋而言，螺杆（或螺母）转动一圈，螺母（或螺杆）移动一个螺距，螺距一般很小，所以每转一圈的移动量比齿轮齿条传动要小得多，对高速转动转换成低速直线运动可以简化传动系统，侃结构紧凑，并提高传动精度；可获得大的轴向力：对于螺旋传动施加一个不大的转矩，即可得到一个大的轴向力；能实现自锁：当螺旋的螺纹升角小于齿面间当量摩擦角时螺旋具有反行程自锁作用即只能将传动转换成轴向移动，不能将移动转换成转动。这对于某些调整到一定位置后，不允许因轴向载荷而造成逆转的机械是十分重要的，例如铣床的升降工作台、螺旋千斤顶、螺旋压力机等；工作平稳无噪声。

③带传动的主要优点是：缓冲吸振，传动平稳、噪声小；带传动靠摩擦力传动，过载时带与带轮接触面间发生打滑，可防止损坏其他零件；适用于两轴中心距较大的场合；结构简单制造、安装和维护等均较为方便，成本低廉。

习题10. 简述一般传动齿轮的设计方法和步骤。

答：齿轮传动有多种失效形式但对于某一具体工作条件下工作的齿轮传动，通常只有一种失效形式是主要的失效形式，理论上应针对其主要失效形式选择相应的设计准则和计算方法确定其传动尺寸，以保证该传动在整个工作寿命期间不发生失效。但是，对齿面磨损、塑性变形等失效形式目前尚未建立行之有效的成熟的计算方法和完整的设计数据。

目前设计一般工况下工作的齿轮传动时，通常都只依据保证齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度两准则进行计算。而对高速重载易发生胶合失效的齿轮传动，则还应进行齿面抗胶合能力的核算。至于抵抗其他

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失效的能力，仅根据失效的原因，在设计中采取相应的对策而不作精确的计算。

一般情况下齿轮传动的设计准则为：

①对闭式软齿面齿轮传动，主要失效形式是齿面点蚀，故按齿面接触疲劳强度进行设计计算，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

②对闭式硬齿面齿轮传动，其齿面搞点蚀能力较强，主要失效形式表现为齿根弯曲疲劳折断，故按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，再按齿面接触疲劳强度进行校核。

③对开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨损和齿根弯曲疲劳折断，故先按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算，然后考虑磨损的影响，将强度计算所求得的齿轮模数适当增大。

习题11. 传动齿轮设计时，如何确定齿轮的结构参数。

答：通过齿轮传动的强度计算，确定出齿轮的主要尺寸（如齿数、模数、齿宽、螺旋角、分度圆直径等），齿圈、轮辐、轮子毂等的结构形式及尺寸大小，通常由结构设计而定，而不进行强度计算。

齿轮的结构设计与齿轮的几何尺寸、毛坯、材料、加工方法、使用要求及经济性等因素有关。进行齿轮的结构设计时，必须综合地考虑上述各方面的因素。通常是先按齿轮的直径大小，选定合适的结构形式，然后再根据荐用的经验数据，进行结构设计。

对于直径很小的钢制齿轮，若齿根圆到键槽底部的距离较小时，应将齿轮和轴做成一体（称为齿轮轴）。 当齿顶圆直径小于160mm时，一般做成实心结构的齿轮。但航空产品中的齿轮，也有做成腹板式的。 当齿顶圆直径小于500mm时，宜做成腹板式结构，腹板上开孔的数目按结构尺寸大小及需要而定。 当齿顶圆直径大于400mm而小于1000mm时，一般应做成轮辐截面为“十”字形的轮辐式结构的齿轮。 为了节约贵重金属对于尺寸较大的圆柱齿轮，可做成组装齿圈式的结构。齿圈用钢制，而轮芯则用铸铁或铸钢。

习题12. 传动轴设计时首先应考虑和解决哪些主要问题？

答：轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。合理的结构和足够的强度是轴设计必须满足的基本要求。

轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。

轴的工作能力计算包括轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。足够的强度是轴的承载能力的基本保证，轴的强度不足，则会发生塑性变形或断裂失效使其不能正常工作。对某些旋转精度要求较高的轴或受力较大的细长轴，如机床主轴、电机轴等，还需保证足够的刚度，以防止工作时产生过大的弹性变形；对一些高速旋转的轴，如高速磨床主轴、汽轮机主轴等，则要考虑振动稳定性问题，以防止共振的发生。

习题13. 简述采用普通丝杠和滚珠丝杠传动的各自优点和场合。

答：普通丝杠：结构简单制造方便，成本低，易于实现自锁，运转平稳，但当低速或作运动的微调时可能出现爬行。用于机床的进给、分离、定位等机构，压力机、千斤顶的传力螺旋等。

滚珠丝杠：摩擦阻力小，传动效率高，运转平稳，低速时不爬行，启动时无抖动，经调整和预紧可实现高精度定位，寿命长。用于精密机床和数控机床，测量机械，传动和调整螺旋，车辆，飞机上的传动和传力螺旋。

习题14. 简述非同步传动带选用的一般程序。 答：传动带选用的一般程序见下图：

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习题15 采用滚珠丝杠于垂直传动时应注意什么问题？应采用什么设计措施解决？

.滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。应考虑设置防逆转装置，如采用制动电机、步进电机，在传动系统中设有能够自锁的机构（如蜗杆传动）；在螺母、丝杠或传动系统中装设单向离合器、双向离合器、制动器等。选用离合器时，必须注意其可靠性。

习题16. 标准化的减速器按传动和结构特点划分主要有哪五种？选用时主要考虑哪些要求？

答：减速器是指原动机与工作机之间独立的闭式传动装置，用以降低转速并相应增大转矩。某些场合也可用于增速装置，并称为增速器。按传动和结构特点划分，减速器可分为齿轮减速器：（圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器）；蜗杆减速器：（圆柱蜗杆减速器、环面蜗杆减速器、锥蜗杆减速器和蜗杆-齿轮减速器）；行星齿轮减速器；摆丝针轮减速器；谐波齿轮减速器。上述五种减速器已有标准系列产品，使用时只需结合所需传动功率、转速、传动比、工作条件和机器的总体布置等具体要求，从产品目录或有关手册中选取。

习题17. 机械无级调速器结构主要有哪四种？他们的调速原理是什么？

①滚轮一平盘式调速器；②钢球无级调速器；③菱锥无级调速器；④宽V带无级调速器。 调速原理：略。

习题18. 两件联接常有哪些形式和方法？ 答：机械静联接又分为可拆联接和不可拆联接。可拆联接是不须毁坏联接中的任一零件就可拆开的联接，故多次装拆无损于其使用性能。常用的有螺纹联接、键联接（包括共花键联接、无键联接）及销联接等，其中尤以螺纹联接和键联接应用较广。不可拆联接是至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接，常见的有铆钉联接、焊接、胶接等。

23.4 气动、液压传动控制系统

常用气动、液压元件

按用途控制阀可分为压力控制阀（溢流阀、减压阀）、流量控制阀（节流阀、调速阀）、方向控制阀（液控单向阀、电磁换向阀、手动换向阀）。

溢流阀主要用途是保持系统或回路的压力恒定，如在节流调速系统中，保持泵的出口压力恒定；同时在系统中可用作安全阀，当系统正常工作时，溢流阀处于关闭状态，系统压力大于或等于调定压力时才开启溢流，对系统起过载保护作用。

流量控制阀通过改变节流口通流面积或通流通道的长短以改变局部阻力的大小从而实现对流量的控制。流量控制阀是节流调速系统中的基本调节元件。在定量泵供油的节油调速系统中，必须将流量控制阀与溢流阀配合使用，以便将多余流量排回油箱。

按用途控制阀可分为开关（或定值控制）阀、伺服控制阀、比例控制阀、数字控制阀。

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按结构形式控制阀可分为：滑阀（或转阀）、锥阀、球阀、喷嘴挡板阀、射流管阀。

按联接方式控制阀可分为：①螺纹联接阀；②法兰联接阀；③板式联接阀；④叠加式联接阀；⑤插装式联接阀。

习题1. 常用的气动、液压元件最基本的有哪些？按功能控制阀又分为哪几类？ 答：气动、液压最基本的元件是动力元件（液压泵、液压马达）、执行元件（液压缸）、控制元件（方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀等）和辅助元件（油箱、油管、滤油器、储能器等）。

泵在气动、液压传动装置中将原动机（电动机、柴油机等）输出的机械能（转矩T，转速n）转换为气、液体的压力能（压力P、流量l），为气动、液压系统提供压力源，属于动力元件；气动、液压马达则将压力能转换为旋转的机械能输出，对外做功，属于执行元件。

习题5. 说明叶片泵的工作原理。

液压泵和液压马达属于容积式液力机械，都是利用密闭容积的大小变化来工作。液压泵内的密闭容腔分吸油腔和压油腔，当泵轴旋转时，吸油腔的容积增大形成局部真空，油箱中的液体介质在大气压作用下进入吸油腔（吸油），压油腔容积减小，容腔内的液体介质被挤压排出（压油）。液压马达分进油腔和排油腔，当压力油进入马达进油腔时，迫使其容积增大并形成转矩，驱动马达旋转，与此同时，排油腔的容积减小排出液体介质。根据不同构件，液压泵分齿轮泵、螺杆泵、叶片泵和柱塞泵。

一般定义液压泵每转理论上可排出的液体体积为泵的理论排量（简称排量）；定义液压马达旋转一转理论上需要进入的液体体积为液压马达的理论排量（简称排量）。理论排量取决于液压泵和液压马达的结构尺寸，与其工作压力无关。

★气、液传动原理及系统设计（基本回路设计）

气动和液压系统是借助于封闭回路中的流体（液体和气体）以压力和流量为主要参数进行能量传递、转换、分配和控制的技术系统。

一个气动系统通常由气压传动系统和控制系统两部分组成。典型的气动系统有以下基本元件：①空气压缩机；②气缸或气马达；③用于控制工作介质的压力、流量和流动方向，使执行元件完成预定的运动规律；④传感元件检测出被控参数，并转换成气压信号，以及将气信号转换成电信号或将电信号转换成气信号等；⑤气动辅件包括各种管接头、气路板、消声器和气源净化装置等。

气动系统的优点①以压缩空气为工作介质，取之不尽、用之不竭。因此，获得工作介质简单，且工作压力低，作功后的压缩空气可以直接排放到大气中，无需回收管路；②对环境适应能力强，能在温度变化大、潮湿和有灰尘的环境下可靠工作，对环境无污染，使用安全；③空气粘度小，流动阻力小，便于集中供气和远距离传输；④气动执行元件运动速度高；⑤结构

简单，维护方便，成本低廉；⑥本身有过载保护性能，执行元件在过载时无损坏危险⑦能量储存方便。

气动系统的缺点①由于气体具有可压缩性，因而执行部件运动速度的稳定性差；②气动执行元件输出推力小；③噪声大，需要加消音装置；④气动信号的传递速度低于电信号，而且有较大延迟和失真，不宜用于高速传递复杂的信号，且气动信号的传递距离也受到一定限制。

气动系统基本回路：①换向控制回路。气缸、摆动气缸的换向利用方向控制阀实现。方向控制阀可以构成单作用执行元件和双作用执行元件的各种换向控制回路。②压力控制回路。压力控制方法可分为气源压力控制、气动系统工作压力控制、双压驱动、多级压力控制。③位置控制回路。如果要求气缸在运动过程中的某一位置停止，则要求气动系统具有位置控制功能。④速度控制回路。⑤同步控制回路。同步控制回路是指驱动两个或多个执行元件时，使其在运动过程中位置保持同步。⑥防止下落回路。气缸在垂直使用且带有负载的场合，为了保证安全，气动系统中应有防止下落回路。

液压系统是以液体为介质，利用各种液压元件组成具有不同控制功能的基本回路，再由若干基本回路组成传动系统进行能量转换、传递和控制。

液压传动装置一般由以下几部分组成：①液压泵。把机械能转换成液体压力能的元件。②执行元件。把液体压力能转换成机械能的元件。当输出不是直线运动而是旋转运动时，则为液压马达。③控制元件。通过对液体压力、流量、方向的控制，实现对执行元件的运动速度、方向、作用力等的控制，用以实现过载保护、程序控制等。④辅助元件。为上述三个组成部分以外的其他元件，如管道、管接头、油箱、滤油器等。

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习题2. 说出液压传动的主要优缺点。

答：与齿轮、螺旋等以固体作为传动构件相比，液压传动具有以下优点：易于获得很大的力或力矩，传递相同功率时体积小、重量轻、运动惯性小、反映速度快；可以在较大的范围内方便地实现无级调速；传动平稳，易于实现频繁的换向和过载保护；易于实现自动控制，且其执行机构能以一定的精度自动地按照输入信号（常为机械量）的变化规律动作（液压随动），并将力或功率放大；摩擦运动表面得到自行润滑，寿命较长；液压元件易于实现通用化、标准化、系列化，便于设计和推广使用，系统而已灵活方便；很容易实现直线运动。

液压传动的缺点是：由于油液存在漏损和阻力，效率较低；系统受温度的影响较大，以及油液不可避免地泄漏及管道弹性变形，不能保证严格的传动比；液压元件加工和装配精度要求较高，价格较贵，液压系统可能因控制元件失灵丧失工作能力，元件的维护和检修要求较高的技术水平；液压元件中的密封件易于磨损，需经常更换，费用较高，密封件磨损还会告成因泄漏而污染环境的弊端。

液压基本回路：①压力控制回路。利用压力控制阀控制系统中液体的压力，以满足执行元件对力或转矩的要求。这类回路包括调压、减压、增压、卸荷、保压、泄压、平衡等多种回路。②速度控制回路。包括调速回路、快速运动回路和速度换接回路。③方向控制回路。是控制执行元件运动方向的回路。④多油缸顺序动作回路。是使多个执行元件按预定顺序依次动作。同步回路是保证系统中的两个或多个油缸（马达）在运动中以相同位移或相同速度（或固定速比）运动。⑤锁紧回路。功用是在执行元件不工作时，切断其进、出油路，使之准确停留在原定位置上。⑥浮动回路。用是把执行元件的进、回油路连通或同时连通油箱，借助于自重或负载的惯性力，使其处于无约束自由浮动状态。⑦制动回路。⑧限速回路。液压马达限速回路的功用是限制液压马达转速不得超过规定值。

调压回路的功用是使液压系统整体或某一部分压力保持恒定或不超过某个数值。减压回路的功用是使系统的某一部分油路具有较低的稳定压力。增压回路用以提高系统中局部油路的压力，能使局部压力远远高于油源压力。

卸荷回路的功用是液压泵驱动电机不必频繁启闭，且液压泵可在接近零压的情况下运转，以减少功率损失和系统发热，延长泵和电动机的使用寿命。执行元件工作循环中的某一阶段内，若要保持规定压力，应采用保压回路。泄压回路的功用是使执行元件高压腔中的压力缓慢释放，以免泄压过快而引起剧烈振动和冲击。为了防止立式液压缸及其工作部件因自重而自行下落，或在下行运动中由于自重而造成失控失速的不稳定运动，应使执行元件的回油路上保持一定的背压值，以平衡重力负载。这种回路称为平衡回路。

常见故障诊断与维护

习题3. 液压系统中密封的重要意义是什么？常用的动密封有哪些类型？

答：液压系统中密封的重要意义是防止泄漏造成污染和浪费，以及对系统工作稳定性和可靠性的影响。 动密封按不同的相对运动类型分旋转式和移动式。旋转式动密封又按被密封两结合面间是否有间隙，分接触型和非接触型两种。动密封的设计和选用除考虑其适应性和密封能力，还应考虑使用时的寿命和可靠性。常用动密封形式有：成型填料密封、油封、机械密封硬填料密封和螺旋密封。

习题4. 画出锥阀式直动溢流阀的内部结构简图。 习题6. 画出气动换向回路的简图。

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习题7. 举例说明液压系统压力不足产生的原因和解决方法。

答：液压系统压力不足原因、解决方法：溢流阀卡死、 拆下溢流阀修理；油泵磨损严重、 更换新油泵；阀体上压力油堵崩掉、 重新堵死；管路过长或管径过细、改用大管径油管或重新设计管路长度。

习题8. 画出用螺旋密封型式密封剂内液体的结构简图。

3.5 电气传动基础

2习题1. 简述电动机的种类和用途。

答：在工程机械中应用的电动机主要分为两大类：机械能转化为电能是发电机，其中包括直流发电机和交流发电机；电能转化为机械能是电能机，其中包括直流电动机、交流异步电动机和同步电动机等。根据电动机不同的控制方式又可分为伺服电动机和步进电动机。

各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机 ）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机。

直流电动机与交流电动机比较，其结构复杂、有色金属消耗较多、维护工作量较大。但直流电动机具有以下优点：①调速范围宽，易于平滑精确调速；②启动、制动转矩大，过载能力大；③易于控制，能满足生产过程自动化系统各种特殊要求。

直流发电机能提供基本无脉动的直流电源，输出电压可精确调节与控制。目前大多数直流发电机已被晶闸管整流电源所取代，但在飞机、火车、轮船、电铲以及某些电焊设备等移动单元中，还常用作独立的直流电源。直流电动机的特性与励磁方式有关，按励磁方式划分为他励和自励两类。

★异步电动机的工作原理是，当电动机定子绕组接通交流电源后，在定子铁心与转子铁心间的空气隙产生旋转磁场，并在转子绕组中产生感应电流，电流与磁场相互作用产生电磁转矩，驱动负载机械，实现由电能向机械能的转换。

异步电动机工作时，其转子旋转方向与气隙旋转磁场的转向一致，且转子转速比旋转磁场转速略低，才能保证转子绕组中产生电流和产生电磁转矩。正由于存在该转速差，所以称为异步电动机。

异步电动机按转子绕组不同的结构型式，可分为笼型和绕线型两种。

异步电动机结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠，并具有接近恒速的负载特性，能满足大多数使用要求。

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同步电动机主要用作发电机（如水轮、汽轮、柴油发电机）产生交流电能，也可用作电动机。当电机极对数目一定时，转速n（r/min）与频率f（Hz）之间有严格关系，称为同步。

同步电动机的特性是以恒速或变频调速方式驱动功率较大的机械设备。与异步电动机相比，同步电动机可通过调节励磁电流改善自身和电网的功率因数，提高稳定性，使发电站装机容量得到充分利用。

电动机的调速即是通过改变输入电动机的电压、电流、磁通和电源频率的物理量改变电动机输出的转速。 习题2. 简述直流电动机和交流电动机的调速方法。 答：直流电动机主要调速方式为：

1） 改变电枢电阻：使用变阻器或接触器、电阻器通过调节电枢电阻调速；

2） 改变电枢电压：通过电动机—发电机组、晶闸管变流器或晶体管晶闸管开关电路改变电枢电压调速； 3） 改变磁通：通过直流电源变阻器、电动机扩大机或磁放大器、晶闸管变流器改变线圈磁量使电动机实现调速。

异步电动机的调速：由于异步电动机转子转速n=（1-s）60f/p，因此可以通过改变极对数p电源频率f和转差率s三种方法调节转速。改变极对数p采用有级电动机进行有级调速；应用电子变频器改变电源频率f实现电动机连续调速。

习题3. 简述直流电动机和交流电动机的制动方法。

答：直流电动机制动：在电动机转子上施加与转动方向相反的转矩，使电动机限速（如电动机带重物恒速下降），或减速（如停车过程）运行。制动转矩可以是电磁转矩，也可能是外加制动闸的机械摩擦转矩。电磁制动的制动力矩大、控制方便、没有机械磨损。常用电磁制动有以下几种方式：

1）动能（能耗）制动：一般电动机电枢断电后，其转子动能仍维持转子继续转动，靠风阻待摩擦损耗耗尽原有动能后停车，持续时间较长；为缩短停车过程占用时间，保持励磁不变，电枢从电源断开后接入电阻RL，则电枢中电动势Ea。产生电流Ia（与电动势状态方向相反），在电阻RL上耗能，并按发电机原理在电枢上产生与转动方向相反的电磁制动转矩，使转子快些减速。但转速降至较低值时电动势Ea和电枢电流Ia都较小，制动转矩也较小，常辅以制动闸加强低速制动效果。

2）反接制动：制动时保持励磁不变，电源反接使电枢电流反向，产生制动的电磁转矩。同时应串入附加电阻RL以限制过大的电流。当转速下降至零时，应及时切断电源，以防电动机向反方向重新启动。以上制动方式切使附加电阻上产生相当大的能量损耗，运行经济性较差。

3）反馈制动：在直流电动机带恒定转矩负载并采用调压调速运行时，如需降低转速，应先降低电枢电压，些时电动机转速n与电势Ea不会突变，因而暂时U〈Ea，电枢电流Ia反向，成发电状态运行，向电源反馈电能，并产生制动的电磁转矩，使转速下降。在此过程中电枢转子多余的动能反馈给电源，而不是空耗在附加电阻上，因此运行经济性较好。

异步电动机制动方法有：

① 能耗制动：当电动机定子绕组与交流电源断开后，立即接到一个直流电源上，流入的直流电流在气隙中建立一个静止不动的磁场，它在旋转着的转子绕组中感生电流、电阻损耗；转子电流与静止磁场相作用产生制动转矩。

② 发电（再生）制动：当电动机转子转速大于定子旋转磁场的同步转速（用外力使电动机转子加速或定子电源频率减低）时，电动机处于发电机制定运行状态。

③ 反接制动：电动机电源相序改变，使旋转磁场旋转方向改变；或因负载作用使转子反转，均可使电动机旋转磁场与转子旋转方向相反，产生制动转矩。与直流电动机反接制动相似，此时如仍维持电源电压不变，定子电流将很大，要采取限流措施。

习题4. 简述电动机选用的一般原则。

答：电动机的选用时应综合考虑下列问题：

（1）根据机械负载性质和生产工艺对电动机启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。

（2）根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力与启动转矩倍数选择电动机容量，并确定通风冷却方式。容量选择应适当留有余量。

（3）根据使用场所的环境条件如温度、湿度、灰尘、腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的防护等级和结构与安装方式。

（4）根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级与类型。 （5）根据生产机械的转速要求与减速机械的复杂程度，选择电动机的额定转速。

（6）由于目前已有相当多的派生与专用产品系列，能较好地适应与满足各行业的特殊要求，可优选考虑选用专用系列产品。

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另外，运行可靠性、条件通用性、安装与维修是否方便、产品价格、建设费用和运行维修费用等方面，也应在综合考虑之列。

23.6 设计方法与应用

实用设计方法

1. 工业造型设计。不仅是外观造型设计（形态、色彩、人机工程等）；还应包括实际使用功能的结构设计。其最终目的是满足人们对产品实用、经济和美观的基本要求。工业产品造型设计具有双重特性。作为物质产品，它具有一定的使用价值，即物质功能。这种物质功能由产品的实用性和科学性予以保证。另一方面，产品造型又是艺术作品，表现精神功能。

2. 优化设计。反映了人们对客观世界认识的深化，它要求人们根据事物的客观规律，在一定物质基础和技术条件下充分发挥人的主观能动性，得出最优设计方案。最优化技术是优化设计全过程中各种方法、技术的总称。主要包含两部分内容：优化设计问题的建模技术和求解技术。

3. 人机工程设计。人机工程学是从系统论的观点研究人（操作者或使用者）一机（人操作和使用的环境）组成的系统，研究其三要素及其相互间的关系。人机工程学的关键问题是人机之间的交互作用，其研究重点是系统中的人，即从人的生理特征和心理特征考虑，使机、环境与人相互协调。

4. 反求设计。反求工程也称反求工程设计法，是对国外、国内已有的先进产品或有关的影像、资料、图样等进行分解、试验、分析、研究，在充分掌握其功能特点的基础.上，吸收优点，允实提高，发展创新产品的一种设计方法。反求是相对于常规的产品设计一而言。反求工程则是由分析研究现有产品、实物或有关资科、图像等开始，反问求出有关产品的设计原理、结构尺寸、特点、性能参数及材料、工艺、技术要求等生产该产品的全部资料，通过试验、试制、分析研究达到完善产品的设计

5. 模块化设计。是在对产品进行市场分析、预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户要求，对模块进行选择和组合，按齿轮（同一模数）啮合原理，构成不同功能或功能相同性能不同、规格不同的产品。

6. 有限元法。是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20世纪50年代首先在连续体力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：①物体离散化；②单元特性分析；③单元组集；④求解未知节点位移。

7. 快速原型制造。又叫快速成形技术，其基本原理是“分层制造，逐层叠加”。快速原型制造系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再将其逐层粘结，即得到所需制造的立体零件。整个过程是在计算机控制下，由快速成形系统自动完成。该工艺可以形象地称为“增长法”或“加法”。

习题1. 简述计算机辅助设计方法在工程方面的应用。 答：（1）用于绘图及几何造型 绘图应用软件即图形处理软件，是计算机用于绘图的软件，由图形处理系统软件和图形处理应用软件组成。CAD绘图系统能完成主观图、侧视图、剖面、局部视图、正等轴侧图以及三维图形的绘制。

（2）用于计算和分析 CAD系统可进行产品的静/动态特性、磁场、温度场、流体场、振动、强度、应变分布、热变形等内容的分析研。CAD系统还可用于研究机构的运动学特性，干涉情况分析，自动给出结构的物理特性，如体积、重量、重心、惯性矩、截面二次矩等。

（3）用于产品设计 CAD系统可分为两大类，即人机交互会话型和非会话型。前者用于设计目标难以用数学模型定量描述的场合，人在设计过程中起到推理、分析、判断、决策的作用，该系统适于新产品的开发设计。非会话型设计过程即计算机按设计师编制的程序自动完成设计的各个工作步骤，适用于设计目标能够定量加以描述的场合，即变异性设计和适应性设计。

（4）计算机仿真及试验 CAD系统在设计阶段，为了对设计对象进行性能评价、决策，特别是对难以实时对实物进行性能试验的工程对象，如：价值昂贵的武器系统，难以进行实物试验的航空航天产品，难以复现的瞬态过程，大型结构及大型设备的性能预测研究等。采用模拟或仿真技术进行性能评价有重要的实用价值。另外，使用计算机控制产品的验收及性能试验，进行数据的采集、分析、处理已是现代产品试验技术的主要特征之一。

习题2. 简述人机工程设计的一般原则。

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答：人机工程设计的一般指导原则如下：

1）工作空间应符合人体尺寸和工作类型，身体姿势、体力和运动三者应适宜操作并互相制约。不同姿势下的工作空间和有利工作区域与方向在考虑工作空间时，应使四肢具有足够的活动空间。工作器具应与人的四肢相适应。各种操纵器具的布置应在人体功能可能实现的范围内。

2）信息的显示与信号的选择设计和布置，应与人的感觉能力（视觉、听觉、触觉）相适应。信息的显示有视觉、听觉和触觉三类。通常，信息通过视觉获得但在紧急情况下使用听觉显示的效果更大。因为对于突然发生的声音，人具有特殊的反应能力。但过度地应用听觉显示，易使人疲劳。

3）操纵、调节部件的选择造型和布置，应适合有关身体部位及其运动，并考虑有关灵敏度、精确度、速度、作用力等方面的要求。控制件设计的一般要求如下：

①控制件的运动方向应与被控制动作或显示器的运动方向一致； ②控制件的造型应使操作者只用一般的体力；

③要求精确度较高的操作活动只能使用较小的体力，但应保持适当 的阻力，使操作者对操作的精确度有所感觉；

④不同设备完成相同功能控制件的大小和形状应一致；

⑤控制件应易于识别，可以用颜色、尺寸、开关或在控制面板上加 说明予以区别；

⑥除非故意联动，控制件的使用不应互相干扰； ⑦要求迅速或精确高速的地方用手进行操作； ⑧为执行若干个分段控制，应采用止动型控制件；

⑨当控制件要求用力大或要求连续向前用力时，可选用脚操作。

4）环境、安全和技术文件等方面的考虑。工作环境对人的工作能力和安全有巨大影响。但广义工作环境设计的探讨已超出设备设计的范畴。环境条件包括温度、湿度、辐射热、灰尘、射线、气体、气压、重力、加速度、照明、色彩、噪声、振动等。在人-机设计中着重考虑的应是设备本身对人（操作人员或服务对象）所处环境的劣化和设备设计对人所处环境的改善两个方面。在交通运输市亩中，设备为有关人员提供了“小”环境备件，空调、通风、减振、降噪等是此类设备的设计所必须考虑的人机界面问题。

习题3. 简述模块化设计的含义和划分原则。

答：模块化设计是在对产品进行市场分析、预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户要求，对模块进行选择和组合，构成不同功能或功能相同性能不同、规格不同的产品。

模块化设计的划分原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应简单规范，模块间的联系尽可能简单。划分模块既要兼顾制造管理方便，具有较大灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。划分的优劣直接影响模块系列设计的成功与否。划分前必须对系统进行仔细、系统的功能分析和结构分析，并要注意以下各点：

1） 模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性； 2） 保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性； 3） 模块间的接合要素应便于联接与分离； 4） 模块的划分不能影响系统的主要功能。 现代设计方法

1. 并行设计。并行设计通过下列技术特征表现其具体内涵：①产品开发过程的并行重组；②支持并行设计的团队工作方式；③统一的产品信息模型；④具有人工智能处理不完备、不确定信息的功能；⑤基于时间的决策；⑥分布式软硬件环境；⑦开放式的系统界面。

2. 智能设计。是采用人工智能技术通过计算机辅助设计手段进行产品设计，其重要组成是智能CAD系统。智能CAD系统应具有以下三个功能：①系统可智能地支持设计者，即在知识库支持下，系统具有搜索、推理决策的能力，包括理解设计者的意图、设计条件和约束，提出各种可行的设计方案及结构，能正确解释设计者提出的问题，查找并改正设计错误。这就要求系统具有一个内容丰富的知识库和一个进行理解推理和决策的模块；②系统具备相应的设计资料数据库和计算分析程序库，还应有图形支撑系统和文件产生系统；③系统具有自学习能力，即能够不断总结经验，自动从知识库将过时、不合理的知识删除掉，并不断吸收新知识。这就要求系统的知识库具有开放性和灵活性。

3. 生命周期设计。产品生命周期设计（LCED）从并行工程思想发展而来，其目标是所设计的产品对社会的贡献最大，而对制造商、用户和环境的成本最小。它是一种在设计阶段即考虑产品整个生命周期内价值

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的设计方法。

4. 绿色设计一般是指对绿色产品或称为环境协调产品的开发，是相对于传统产品而言。绿色产品是在其生命周期全程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低的产品。绿色产品生命周期包括以下五个过程：①绿色产品规划及设计开发过程；②绿色产品制造与生产过程；③产品使用过程；④产品维护与服务过程；⑤废弃淘汰产品的回收、重用及处理处置过程。绿色设计是以绿色技术为原则所进行的产品设计。绿色技术或“环境友善技术”是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称。

5. 创新设计。设计一般分为产品规划、方案设计、技术设计、施工设计四个阶段。根据设计的内容特点，创新设计可分为开发型设计、变异设计和反求设计三种类型。

习题4. 简述生命周期设计的含义和应用。

答：产品生命周期设计其目标是所设计的产品对社会的贡献最大，而对制造商、用户和环境的成本最小。它是一种在设计阶段即考虑产品整个生命周期内价值的设计方法这些价值包括产品所需的功能、产品的可生产性、可装配性、可测试性、可拆卸性、可运输性及其循环利用性和环境友好性。生命周期设计要求设计师评估生命周期成本，并将评价结果用于指导设计和制造方案的决策。

生命周期设计的应用见下图。

习题5 简述创新设计的含义和方法。

答：创新设计是技术创新的重要内容，是希望在设计中更充分发挥设计者的创造力，利用最新的科技成果，在现代设计理论方法的指导下，设计出更具有竞争力的新颖产品。创新设计可分为开发型设计、变异设计和反求设计三种类型。

1） 开发型设计是针对新任务进行从有所不同方案到结构方案的新设计，完成从产品规划到施工设计的全过程，是在探索中创新。

2） 变异设计是在已有产品的基础上，进行原理方案机构结构、参数、尺寸的变异以适用市场新的要求或提高竞争力，变型系列产品在生产中广泛应用，这是通过变异的一种创新。

3） 反求设计是针对已有产品或设计、进行分析、消化、吸收，掌握其关键技术，进而开心出同类的先进产品，这是一种在吸取中的创新。

第四部分 机械制造工艺学

4.1 工艺过程设计

机械制造工艺是将原材料或半成品制造成合格产品的方法和过程。按其作业性质和特点可分为铸造、压力加工、焊接、切（磨）削加工、特种加工、表面涂覆处理、装配等类。

★工艺过程的基本概念

产品的生产过程系指由原材料转变为产品之间的相互关联的全部过程。其中包括：原材料的运输与储存、生产准备、毛坯制造、毛坯经机械加工为零件、零件装配成产品、检验、试运行、产品涂装与包装等。

工艺是制造产品的方法。工艺过程是直接改变生产对象的形状、尺寸、材料性能和相对位置等，使其成为半成品或成品的过程。工艺过程又可分为机械加工、铸造、锻造、冲压、焊接、热处理、装配等工艺过程。

机械加工工艺过程是指用材料去除的方法改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其成为达到设计要求的零件的过程。

工序：一个（或一组）操作人员在一台机床（一个工作位置）上对一个（或同时对几人）工件进行加工所连续完成的那一部分工艺过程。工序是工艺过程的基本组成部分，并且是生产计划的基本单元。

安装：加工前对工件在机床上所进行的定位、夹紧操作。零件加工中应尽量减少安装次数，以减少加工误差和辅助加工时间。

工位：在多轴机床或多工位机床上，工件在机床上所占据的每一个加工位置。每一个工位都有一个相应的加工表面。若采用多工位加工，可减少工件安装次数以及实现辅助时间与加工时间的重合。

工步：在加工表面、切削工具和切削用量中的转速、进给量均保持不变的条件下所完成的那部分工序。一道工序可包含一个或若干工步。为提高生产率可使用若干把刀具同时加工苦干个表面，这种工步称为复合

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工步。

走刀：指加工表面、切削刀具和切削用量中的转速、进给量均保持不变的条件下刀具切除一部分余量的过程。若加工余量大，一般都需要多次走刀才能切除全部余量。

工艺过程设计

工艺规程设计时首先应对产品装配图样和零件图样进行两方面的分析，第一，了解产品的性能、用途和工作条件；熟悉零、部件间相互的装配关系和作用；熟悉对该零件所提出的各项技术要求及其依据，找出主要技术要求和关键问题，并考虑在制定工艺规程时采取适当与可靠的措施来保证。第二，检查零件图样的完整性与正确性，如视图、尺寸、公差、表面粗糙度等是否标注合理与齐全等；分析零件的结构工艺性是否合理，如退刀槽、键槽、过渡圆角、孔的位置等是否合理等。

毛坯类型一般包括：型材、板材、铸件、锻件、焊接件、冲压件、挤压件与粉末冶金件等。一般，大批量生产的零件采用高效、高精的毛坯。小批量生产的零件则应降低毛坯的精度要求。

拟订零件工艺路线是制定工艺规程的关键，其主要内容包括：选择定位基准面，确定各表面的加工方法，划分加工阶段，确定工序的集中和分散程度，安排加工顺序。

工序设计的主要内容包括：①确定各工序中的工步顺序与内容；②各工序所用设备、工艺装备；③各工序尺寸与加工余量，计算工序尺寸与公差；④确定切削用量；⑤确定各主要工序的技术要求和验收方法；⑥计算工时定额。

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★习题1. 什么是工艺规程？简述工艺规程的设计依据和基本程序。

答：工艺规程是规定产品和零部件加工工艺过程和操作方法等的工艺文件，是企业生产中的指导性技术文件。

设计工艺规程最主要的依据是产品图样，生产纲领和生产类型以及本企业生产条件。 设计工艺规程的基本程序（基本步骤）：①产品装配与零件图分析、产品性能功用、零件结构工艺性；②确定毛坯类型及其制造方法；③拟订零件制造工艺路线选择定位基准面；④工序设计；⑤编制工艺规程文件。

★习题2. 工艺规程设计中最应注意的问题是哪些？

答：工艺规程设计中最应注意的问题（即解决的主要问题）有：①零件的结构工艺性分析；②零件加工中的基准选择；③表面加工方法选择；④加工阶段的划分；⑤加工顺序的安排；⑥工序的合理组合；⑦加工余量的确定；⑧加工工序尺寸的计算；⑨主要工序的分析。

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产品的结构工艺性审查

结构审查时应考虑的主要因素有：①产品的类型、结构特点与复杂程度；②生产类型与产品发展前景；③企业现有生产条件；④工艺技术的发展趋势及可推广国内外的新工艺、新技术、新装备等。

习题3. 结构工艺性审查的主要对象和内容包括哪些？审查的目的和意义何在？

答：产品结构工艺性审查系指工艺设计人员对产品及零件部件的结构，分阶段进行可加工性、可装配性、可维修性和经济性分析、评价。

其审查的主要对象：① 自行设计的新产品；②根据引进的技术资料或样机开发的产品；③根据市场需求进行局部改造设计的老产品。

审查的内容：①产品概念设计阶段。从可制造性观点分析产品结构方案的合理性；分析产品结构的继承性，标准化与系列化程度；分析主要材料选用的合理性；分析主要件、关键件的加工可行性；分析产品主要组成部分是否便于装配、调整和维修等；②产品技术设计阶段。分析关键件在本企业加工、特殊零件外协加工的可行性；分析产品的主要参数可检验性和主要配合精度加工的合理性；分析产品各组成部件进行平行装配和检验的可行性；分析总装配的可行性；分析装配时避免或减少切削加工的可行性等；③产品施工图（或工作图）设计阶段。分析产品零件的铸造、锻造、冲压、焊接、热处理、切削加工、特种加工、包装等的工艺性；分析产品零件的几何形状与位置精度、尺寸精度和表面粗糙度是否合理匹配，尺寸标注是否合理、齐全，加工、装配、检验基准是否合理；分析各大装配单元分解成一平行装配的小装配单元的可行性；分析各部件是否具有装配基面以及正确的位置、尺寸联系，是否便于调整和维修等。

其审查目的和意义：①预先发现产品设计的工艺性问题并及时解决，防止或减少在生产中可能发生的重大技术问题，为编制最佳工艺方案创造条件；②提前预见制造新产品中主要件、关键件所需关键设备或专用工艺装备，以便提前安排设计或订货。

定位基准选择

定位基准是加工时工件定位所用的基准，它是工件上与定位支承直接接触的一个具体表面，是某工序直接获得加工尺寸的起点。定位基准又分为粗基准和精基准。

粗基准是在加工过程的最初工序中用于工件定位的未经加工的毛坯面。精基准是在加工中用于工件定位的己经过加工的工件表面。

★习题4. 什么是基准？工艺基准选择的主要原则是什么？

答：所谓基准就是零件上用来确定其它点、线、面的那些点、线、面。其可分为：设计基准——在零件力样上用来确定其它点、线、面的位置的基准；工艺基准——在加工和装配过程中使用的基准。其又可分为工序基准、定位基准、测量基准、装配基准等。

工艺基准选择的原则是（这里是指定位）： 1. 精基准选择的原则

①基准重合原则。应尽量选择主要加工表面的设计基准做为精基准，以避免基准不重合产生误差。 ②基准统一原则。即应选择多个表面加工时都能使用的定位基面为精基准，以避免基准变换所产生的加工误差，而且可以简化夹具的设计制造。

③互为基准原则。即在主要零件中的两个重要表面有高的相对位置要求时，一般在精加工时先以其中一面作为定位基准加工另一表面，再换它们的位置，如此多次加工就能保证它们之间的相互位置精度。

④自为基准原则。即当有些表面的精加工或光整加工工序要求加工余量小而均匀（如导轨面精磨）时，可利用被加工表面本身做为精基准，而该表面与其他表面间位置精度应由先行工序保证。

2. 粗基准的选择

①为保证加工表面与不加工表面之间的位置精度，则应以不加工表面作为粗基准。 ②为保证零件上的重要表面加工余量小而均匀，则要以该表面作为粗基准。

③为使毛坯上多个表面的加工余量较为均匀，应选择能使其余毛坯面到所选粗基准的位置误差得到均分的毛坯面为粗基准。如长阶梯轴的轴向粗基准应该选中间阶梯的端面。

④在没有设计要求保证表面余量均匀的情况下，若零件每个表面都需加工，则应选择加工小的表面为粗基准。

⑤粗基准应便于定位、装夹和加工。

⑥粗基准应尽可能平整、光洁；有飞边、浇口、冒口的表面以及分型面、分模面不应作为粗基准。 ⑦同一定位自由度方向的粗基准一般只允许使用一次。 工艺路线的设计

在选择加工方法时，首先选定其最终加工方法，而后再逐一选定前道工序的加工方法。

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拉削、无心磨削、珩磨、超精加工等方法一般不能提高加工面位置精度。

在确保质量的前提下尽量不要将加工阶段划分得太严格，例如，虽然加工质量要求高，但毛还刚性好而精度又较高，应用加工中心加工时就可不划分加工阶段，在同一设备上完成加工。又如，对于加工质量要求不高的大型、重型工件，也往往不划分加工阶段。

为了保护加工面的最后质量，光整加工总是安排在机加工工序的最后。 ★习题5. 工艺路线设计的内容和所要解决的问题是什么？

答：工艺路线设计中解决的主要问题包括：表面加工方法选择、加工阶段的划分与加工顺序的安排以及工序的合理组合等。

表面加工方法的选择应遵循下述原则（习题6）：①所选加工方法的经济加工精度和表面粗糙度应与所加工表面的要求相适应。②要考虑加工方法对相对位置精度的影响。③加工方法应对零件材料的可加工性相适应。④加工方法应与零件的生产类型相适应。⑤选择加工方法应与企业现有的生产条件相适应。

加工阶段划分：①粗加工阶段。高效地去除各加工表面的大部分余量，为进一步加工做准备。②半精加工阶段。降低粗加工时带来的误差，使工件达到一定精度，为精加工做好准备，并对一些次要表面完成加工。③精加工阶段。其主要目的是保证主要表面的精度。④光整加工。其主要目的是降低粗糙度或进一步提高加工精度。

加工顺序的安排（拟订）：①机械加工顺序安排。先粗后精；先基面后其它，先面后孔、先主后次；（习．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．题）②热处理工序安排。为改善毛坯、工件材料机械性能和加工性能，正火、退火、调质等热处理工序，．7．．

应安排在粗加工前或粗加工后，半精加工前。为消除工件内应力的时效处理等工序，最好安排在粗加工之后。为减少运搬工作量，对于加工精度要求不高的工件，也可安排在粗加工之前。为提高工件表面硬度的淬硬处理，一般安排在半精加工和精加工之间。氮化、氰化等热处理工序，可根据零件的加工要求，安排在粗磨和精磨工序之间或精磨工序之后。表面装饰镀层、发兰处理一般均安排在机械加工完毕后进行。③其它辅助工序的安排。检验工序的安排：粗加工全部结束后；送往外车间加工前、后；工时长的工序和重要工序的前、后；终加工之后。另外，去毛刺、倒棱、清洗、去磁和平衡等辅助工序也应根据零件加工要求合理安排。

工序合理组合：①集中和工序分散的合理组合：所谓工序集中就是在一次工装下尽可能同时加工多个表面；而工序分散是每个表面的加工尽可能分散到不同的工序中去加工。②工序集中的特点：有利于采用高效专用机床和工艺装备，工件安装次数少，操作工人少，占地面积小，容易保证各表面位置精度，设备制造周期长，可靠性好，要求高。③工序分散的特点：机床、夹具、刀具简单，调整简便，生产准备工作小，工序柔性好，可选较为合理的切削用量，设备多。④工序集中与工序分散之间的关系及组合应根据生产类型及加工精度和现场生产条件合理组合。

习题8. 简述工艺方案的技术经济评价原则和方法。 答：工艺方案的评价原则：

①成本指标：有关费用（工艺成本）；生产成本=工艺成本＋无关费用；工艺成本约占生产成本的70%～75%，作为评价工艺方案的成本指标。

②投资指标

③追加投资回收期Tr=（I2-I1）/（C2-C1） I1、I2——两种投资方案的投资总额 C1、C2——两种方案的工艺成本 工艺方案经济评价评价方法： （1） C=VN＋F——工艺成本 （2） C1=V＋F/N——单件成本

若两种方案投资额相差大时，必须考虑投资回收期： ①应小于工艺装备使用年限；②应小于产品生产年限；（3） 应小于国家规定的年限。

设计箱体加工工艺过程时应注意的问题：

①先面后孔。②粗、精加工分开。一是两者应分开在两台机床上进行加工，二是粗加工各表面后不应马上进行精加工，否则粗加工引起的加工变形与误差不易在精加工消除而影响精加工的精度。应当指出，为减少机床与夹具等工艺装备的需要量，在单件、小批量等产量不大或箱体技术要求较低时，粗、精加工安排在同一台机床上完成更为经济，但必须采取相应的措施减少加工中的变形。③基准选择。④热处理工序的安排。

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箱体在铸造后应时效处理。对于精度要求高的箱体和壁薄而结构又复杂的箱体都应在粗加工后再进行一次时效处理。

设计主轴加工工艺过程时应注意的问题：

①安排足够的热处理工序。主轴毛坯锻造后安排正火处理，以消除锻造残余应力，改善金属组织，细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能。主轴粗加工后安排调质处理，以获得均匀细致的索氏体组织，达到提高主轴的综合机械性能，以便在表面硬化处理时得到均匀致密的硬化层，并使硬化层的硬度由表及里逐步降低。②粗、精加工分开。无论是单件、小批生产还是大批大量生产，主轴加工均应划分为：备料—正火—粗加工—调质或时效—半精加工—表面淬火—次要表面加工—精加工等加工阶段。③合理安排工序。深孔加工安排在外圆表面粗车后，以便获得一个较精确的轴颈作为定位基面，保证中心孔与主轴旋转中心线的同心。外表面的加工顺序是由大到小，先加工大头的外表面，而后加工小头的外圆表面，以免一开始就降低了工件的刚度。主轴上键槽等次要表面的加工一般安排在外圆精车之后、磨削加工之前。主轴外圆表面磨削是主轴外圆表面加工的最后工序，一般安排在精磨内锥孔之前。以精磨后的外圆表面定位精磨内锥孔，容易保证两者之间的位置精度。④合理选择定位基面。

圆柱齿轮加工工艺过程一般可归纳为：毛坯制造—齿坯热处理—齿坯加工—轮齿加工—轮齿热处理—主要表面精加工—轮齿的精整加工—检验。

4.2 工艺装备的设计与制造

产品试制中的工艺装备费用不超过试制产品成本的10%-15%。产品正式生产阶段中工艺装备费用占产品成本的比例应该在5%以下。外购工艺装备、自制工艺装备与专用工艺装备的消耗成本比例应为2：1：3，以此来提高经济效益。

一般，大批大量生产可允许设计较多的专用工艺装备；单件、小批量生产应尽量选择标准工艺装备或组合工艺装备，应注意优化适合本企业的标准工艺装备及其品种、规格，以期简化订货和管理；样品试制阶段，只应设计制造必不可少的专用工艺装备，应尽量选择标准工艺装备、组合工艺装备；小批试制时，重点设计制造为保证加工质量所需要的专用工艺装备。

如采用通用工艺装备或专用工艺装备，均应编制设计任务书和相应的工艺装备明细表。

所选择的工艺装备和所编制的工艺装备设计任务书均应通过审核、批准。重大、关键工艺装备的设计任务书需经主管工艺师、车间会签。

工艺装备验证的范围：①首次设计制造和购进的工艺装备。②在结构上经过重大修改的工艺装备。③复制的大型、复杂、精密的工艺装备。

习题1. 工艺装备包括哪些内容？它们如何分类？

答：为完成加工工艺过程必须的切削刀具、机床夹具、压力加工和铸造加工用的各种模具和工具、焊接加工用的夹具和工具、装配用的工具、特种加工用工具、各种计量检测工具、各种加工用辅具以及各种工位器具等统称为工艺装备。工艺装备的类型：

①按制造工艺分类：切削加工用的工艺装备；装配用工艺装备； 特殊加工用工艺装备；铸造用工艺装备；压力加工用工艺装备；焊接用工艺装备；各种表面处理加工工艺用工艺装备。

②按标准化、通用化、组合化程度分类：标准工艺装备、通用工艺装备、专用工艺装备、组合工艺装备。 习题2. 工艺装备的选用和设计原则是什么？（理解）

答：①高效低耗原则；②遵守工装设备的通化（标准化、通用化、系列化和组合化）原则；③尽量缩短生产准备周期，满足试制和投产期要求；④缩短工艺装备投资回收期与满足相应的技术经济指标；⑤保证快速高效与安全方便；⑥工艺装备具有良好的结构工艺性。

习题3. 组合工艺装备（夹具）的特点是什么？（掌握）

答：组合工艺装备是一种带有柔性的特殊的工艺装备，其特点为：

①其完全或主要由标准元件和标准部件组装而成；②其是针对被加工工件的某道工序的要求设计、组装而成的；③用完后可拆卸还原以备后用；④一般可组成各类机床的组合夹具、焊接、检验、装配及冲模组合夹具。

习题4. 工艺装备选择的依据是什么？选择的原则是什么？选择的程序又是什么？

答：①工艺装备选择的依据是：工艺方案；工艺规程；工序要求与设备；本企业的现有工艺装备条件；

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各类工艺装备的标准、订购手册、图册及使用说明书。②其选择的原则是：高效低耗；标准化、通用化、系列化、组合化；生产周期短；满足投资回收期要求及经济指标；方便、省力；良好的结构工艺性，便于制造。③其选择的程序是：认真分析工艺方案；确定工艺装备类型（标准、通用、专用、组合）与规格；填写各种工艺装备明细表或编制工艺装备设计任务书；审核批准。

习题5. 进行工艺装备验证的目的和内容是什么？如何进行工艺装备的验证？

（1）进行工艺装备验证的目的：①保证产品零件部件加工质量符合设计和工艺要求。②验证工艺装备的可靠性、合理性、安全性以保证产品的正常生产。

（2）工艺装备验证的内容：①安装方便、可靠、安全、总重量是否超过设备承重能力。②保证工件正确、可靠的定位与夹紧等。③满足工艺要求，在加工余量、切削用量符合工艺要求的条件下工艺装备刚度是否满足加工要求，刀具是否干涉等。④满足生产进度和批量生产要求。

（3）工艺装备的验证方法：①固定场地、固定设备上验证。用于各种模具的验证。②现场验证。③重点验证。型、复杂、精密、关键的工艺装备应进行重点验证，必须在一般验证合格后才能纳入工艺文件。④一般验证。适用于一般复杂程度的工艺装备。这类工艺装备允许在验证前纳入工艺文件。⑤简单验证。适用于简单的工艺装备，可采用生产中首件检验的方法进行验证。

24.3 车间平面设计

习题1. 车间平面设备布置的原则是什么？

答：车间平面设备布置的原则：生产效率；生产设备的利用率稳定；生产过程的工件库存量小，加工流程平衡；生产柔性与适应性；生产的经济性。

习题2. 如何根据产品品种P和产品Q来确定车间生产设备的布置方案？

答：车间生产设备的布置方案基本取决于产品种类和生产量，根据P（产品种类）—Q（生产量）分析建立P—Q图，再确定车间生产设备的布置方案。①按产品（流水线生产线）的设备布置方案——Q/P比值大时，适合于连续的大量生产，应按照生产产品的工艺路线进行车间生产以及辅助设备的布置；②按工程（或专业化）的设备布置方案——当Q/P小时，即单件，多品种小批量生产。同类型生产设备集中布置在车间的一个区域内，形成专业化的加工区域；③成组（或单元）的设备布置方案——当Q/P介于上述两者之间，可按成组技术原理和方法将多种产品的零件分类成组，形成较大的成组批量，针对扩大批量的零件组的加工需要来布置车间生产设备和辅助设备形成生产单元。

习题3. 车间生产设备的布置方式都有哪几种？各有何特点？适合于何种场合？

答：车间生产设备的布置有机群式和流水线两种布置。①机群式布置 按工程或工艺专业化原则，将同类机床布置在一个区域其特点是对产品品种适应性强，有得工艺管理和提高设备利用率，生产管理方便，一般工件加工路线长周转多，生产周期长在制品量大且流动资金占用多，车间之间协作多，管理工作复杂。②流水线布置 按生产对象专业化原则对某种零件（或零件组）按其加工顺序来排列各种生产设备和辅助设备组成流水线。其特点：单一品种流水线，适用于大量生产方式；多品种（成组、可变）流水线，适用于少品种成批生产。柔性制造系统（FMS）由加工中心和数控机床为主的机床系统，物料搬运系统、计算机控制系统组成的柔性制造系统。有很高的柔性加工可变性，特别适用于多品种小批量生产，具有高效自动化水平高的特点。

4.4 切（磨）削加工

切（磨）削加工是通过工件（毛坯）和刀具（砂轮）的相对运动来切除工件表面上的金属余量，以获得具有所要求的形状、尺寸和表面质量的零件的加工方法。

刀具和工件的相对运动分主运动、进给运动和辅助运动（如分度运动、切入运动），主运动是使刀具切除工件余量所需的主要运动，进给运动是使刀具的切削能连续进行的运动。两者同时进行即组成合成的切削运动。

影响切削温度的因素包括：工件材料，切削速度、进给量及切削深度，刀具的前角和主偏角，切削液等。其中，刀具前角在一定范围内，其值增大，切削温度略有下降，但当其增大到某一数值后由于刀具散热条件变坏，切削温度反而上升，故前角不宣选取过大。

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习题1. 何谓切削合力，切削合力与主切削力、进给抗力和吃刀抗力四者的关系如何？

答：在切削过程中为克服工件的变形抗力及刀具前刀面、后刀面上切屑层摩擦力，刀具要受到一个作用力R称为切削合力，其方向与大小依切削条件变化而变化，为适应机床、夹具、刀具的设计、使用的需要，需将R分解为主切削力Pz、进给抗力Px和吃刀抗力Py，四者的关系为：R?Pz2?Py2?Px2；切削法向力PN为Px、Py的合力，当切深t远大于进给量s，并且刀尖圆弧半径re及刃倾角λs又不大时，切削合力将近似地处于于刀具与工件的正交平面内，则：Px≈PNsinKη，Py≈PNcosKη。

★习题2. 影响切削力的因素有哪些？刀具对切削力的影响因素有哪些？

答：影响切削力的因素有：工件材料，切削速度，进给量与切削深度，刀具的前角、主偏角、刃倾角、刀尖圆半径和刀具的磨损、切削液等。刀具对切削力的影响因素：①前角γ 一般γ增大时切削力下降，并且对Px（进给抗力）、Py（吃刀抗力）的影响比对Pz（主切削力）的影响大，当切削速度较高时，前角对切削力的影响相对较小。②主偏角Kη 切削塑性金属时当Kη在小于60°～75°的范围内增大时，切削力减小；当Kη在大于60°～75°范围内增大时，由于刀尖圆弧的影响切削力又增大；切削脆性金属时，当Kη＞45°后，切削力基本不变。主偏角越大，则Px增大，Py减小。③刃倾角λs 当λs在10°～45°范围内变动时，切削力基本不变；但当λs减小时，Py增大，Px减小。④刀尖圆弧半径 对切削力影响不大；但当刀尖圆弧半径增大时，Py增大，Px减小。⑤刀具磨损 磨损增大，切削力增大，尤其Py增大最明显。

习题3. 刀具磨损的类型以及刀具耐用度如何确定？

答：在切削过程中工件—刀具—切屑的接触区发生强烈的摩擦，刀具切削部分会不可避免的磨损，刀具磨损的形式有：①前刀面磨损，成月牙状凹洼，亦称月牙洼磨损；②后刀面磨损，是刀具后刀面与工件发生．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．磨损，形成一道后角为零的磨损区；③刀尖磨损，系刀尖圆弧下的后刀面及临近的副后刀面上的磨损，是刀具主后刀面磨损的延续；④边界磨损，系刀尖在后刀面上相应工件外圆处形成的磨损深沟。

刀具耐用度指刀具重新刃磨后开始使用到又磨损到规定的磨损限度内时总实际切削时间。

刀具磨损的原因有机械擦伤磨损、粘结磨损、相变磨损、扩散磨损和氧化磨损。刀具磨损的过程是典型的磨损过程：初期阶段磨损较快；而后磨损速度减缓和稳定一段时间；最后急剧磨损，磨损量达一定数值时，刀具钝化而失去切削能力。

对于粗加工的刀具，应以正常磨损阶段终点处的磨损量作为合理的磨损限度。对于精加工刀具，应根据工件加工精度或表面粗糙度要求，确定合理的磨损限度。

在一般情况下，刀具的耐用度主要取决于刀具材料和切削速度。

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习题4. 试述切削加工工艺方法类别。

答：我国现行的行业标准JB/T5992-1992《机械制造工艺方法分类与代码》，将工艺方法按大类、中类、小类和细分类四个层次划分。其中切削加工列为第三类：一般有外圆、平面和内孔及渐开线加工方法。

习题5. 试述外圆表面、孔和平面的加工方案。

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习题6. 试述经济加工精度的概念及如何正确理解其含义。

答：经济加工精度包括加工尺寸经济精度和加工表面形状、位置经济精度。是指在正常加工条件下，该加工方法所能保证的加工精度。其含义可进一步理解为：①经济加工精度是一个范围，在这范围内成本经济合理。②经济加工精度是一个动态概念，随机床、刀具、夹具和工艺技术水平的改善会随之提高。③有关手册文献所介绍的加工精度一般可代表加工经济精度。

采用正确的工件校直和装夹方法，并使用跟刀架、托架等附件，完成长径比＞20：1的细长轴和长径比＞100：1的细长杆的外圆车削。通过正确选择车刀切削刃参数和切削用量可减少车削时径向切削力引起的弯曲变形，完成细长轴高速车削和低速大进给车削细长轴.同时，应当采取正确的加工和操作方法，防止和消除车削细长轴时常见的弯曲、竹节形、多边形、锥度和表面粗糙度高等缺陷。

合理选择刀具材料、几何参数、切削用量，采取正确的装夹工件的方法及适当的冷却润骨，是加工薄壁类零件时减少变形的关键。

车削是用单刃刀具切除金属的加工方法，特点是切削过程中，工件旋转，刀具不转。主要用于加工外圆或内圆的回转表面和端面。在加工余量均匀、切削过程连续、平稳。常用车削方式有外圆车削、端面车削、内孔车削、螺纹车削、成形车削和切槽等

车床按其用途和结构的不同可分为以下主要类型：卧式车床，数控卧式车床和车削中心；单轴自动车床，卧式多轴自动（半自动）车床；数控卧式多轴车床，立式多轴半自动车床，转塔车床和回轮车床；仿形车床，卡盘多刀车床；立式车床，数控立式车床和立式车削中心；曲轴车床和凸轮轴车床和铲齿车床等。

铣削是用沿圆周或端面分布的多刃（齿）刀具切除金属的加工方法，特点是加工过程中刀具旋转，工件不转，可加工平面、曲面和沟槽等，切削过程载荷有波动，会产生振动。

由分布于圆柱铣刀圆周上的刀齿加工工件表面的方法称为周铣。周铣又包括周铣法顺铣和周铣法逆铣。 由分布在铣刀盘端面上的刀齿加工工件表面的方法称为端铣。端铣又包括对称铣、不对称逆洗（刀齿切入处的切削厚度小于切出处）和不对称顺铣（刀齿切入处的切削厚度大于切出处。可降低铣削面的冷硬程度。）。

对称铣宜用于切削淬硬钢和精铣机床导轨面。不对称逆铣宜用于加工低合金钢和高强度低合金钢。不对称顺铣宜用于切削不锈钢和耐热合金等冷硬严重的材料。

由双面刃铣刀或三面刃组合铣刀切削加工成型平面的加工方式属于周铣与端铣兼有的铣削方式。

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典型零件表面的铣削

①花键轴。采用钝角铣刀在卧式铣床上，由分度头逐齿分度加工花键轴，是单件、小批量生产中常用的方法。该方法仅能用于加工外径定心的花键轴。②齿条。在卧式铣床上采用模数铣刀和分度头分齿或专用分齿附件来分齿进行铣削加工齿条。③凸轮。平面凸轮与圆柱凸轮可采用分度头挂轮或靠模方法铣削加工。前者适用于单件、小批量生产，后者适用于成批或大批量生产。在数控机床上可采用两坐标或多坐标联动铣削加工凸轮，铣削精度高，可加工各种复杂曲面或空间曲面的凸轮。④曲面铣削。曲面铣削应根据生产类型、加工精度和企业设备条件进行选择。短、薄零件的曲面或单件加工时可采用划线后手动铣削加工。精度较高的曲面或批量生产时可采用仿形铣床或数控铣床加工。常用的曲面铣削方法：手动靠模铣削，重锤靠模铣削，直角坐标法铣削，小直径刀盘铣大直径球面，分度头挂轮铣螺旋面等。

实现超精铣削的要点是：提高工艺系统的刚度和精度；正确选用铣刀切刃的材料及刀具几何参数和刃磨方法；提高毛坯质量和正确选择铣削用量。采用这种方法铣削大型铸铁机床导轨面或非铁金属（如铝合金等）精密零件均具有显著的经济效益。

磨削是以超硬磨粒做切刃的工具（如砂轮、砂带等）来进行金属切除的加工方法，其特点是：同时参与切削的切刃较多，且刃口不定型，每个切刃一次的切深量很微小，主要靠切削速度来提高加工效率和质量。

常用磨削方式

外圆磨床上的磨削方式：①纵磨法。砂轮旋转和横向进给实现主运动和切入工件，工件旋转和纵向往复进给。其加工精度高，而生产率较低，多用于单件、小批量生产和精磨。②横磨法（切入磨法）。工件无纵向往复运动，砂轮横向进给。其加工精度较低，生产率高，适用于成批和大量生产。③综合磨法（混合磨法）。先用横磨法逐段磨削，最后由纵磨法磨至要求尺寸。其综合了纵磨法和横磨法优点，适用于生产批量较大的轴类。④深磨法。根据要求磨去的全部余量调整砂轮相对于工件的位置，以较小的纵向进给量在一次纵磨中磨去全部余量，而后在无横向切入的条件下纵向往复光磨若干次。其生产率高，精度较差，要求磨床功率大、刚度高，适用于大批大量生产中磨削轴颈长而刚度足够的轴类。

无心磨床上的磨削方式：①通过式进给磨削（贯通磨削）。导轮轴心线与磨轮轴心线交叉成一不大的角度，导轮既带动工件旋转又推动工件实现纵向贯穿进给。其适用于磨削光轴、活塞销等。②切入式进给磨削（切入磨削）。导轮轴心线与磨轮轴心线平行，或交叉成很小的角度。其适用于磨削阶梯轴等。

内圆磨床上的磨削方式：纵向进给磨削；横向进给磨削。

平面磨床上的磨削方式：回转砂轮周边磨削；回转砂轮端面磨削。

习题7. 试述典型的车削、铣削、磨削加工以及车削、铣削、磨削加工的新技术。

典型的车削加工：①二次曲面型面车削。a.锥体加工。移动小拖板车圆锥、移动尾座车圆锥，靠模法车圆锥。b.内、外圆弧面加工。c.成形面加工。成形刀车削，液压仿形车削，纵向靠模车削，横向靠模车削，同轴摆动车削，同轴推动车削，椭圆形轴、孔的靠模车削等；②多边形型面车削；③异形零件加工；④细长轴车削；⑤薄壁类零件加工。

铣削典型表面加工类型：铣平面、键槽；铣弧形面、圆曲面、球面；铣齿形，直、圆弧、锥、齿条；铣花键；铣凸轮。

磨削典型表面加工类型：磨外圆、外锥面；磨端面；磨内孔；磨曲面、凹球面、内球面；磨齿轮、齿形；

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专用表面磨削。

①车削新技术：加热车削：激光加热、等离子弧加热；超声车削（振动）；超精车削；硬态车削；双主轴车削。②铣削新技术：高速铣削；超精铣削。③磨削新技术：高速磨削；高速成型磨削；超精磨削。

★习题8. 试述顺铣与逆铣的特点：

答：顺铣和逆铣都属于周铣。顺铣时，铣刀旋转方向与工件前进方向一致，其特点：①每齿铣削厚度从最大到最小，刀具易切入工件，平均切削厚度大，顺铣时刀具耐用度高；②刀齿对工件的切削分为F1向下，有利于夹紧工件，加工过程平稳；③机床动力消耗较低；④其水平切削分力F2与工件进给方向一致，当大于工作台的摩擦阻力进会造成工作台窜动，因此只有调整铣床进给机构的丝杠、螺母之间间隙时才能采用顺铣；⑤其开始切削时，切削力较大，若刀杆刚度较差就会出现扎刀现象；⑥其不宜切削带有硬皮的工件表面，否则会导致刀具过快磨损甚至损坏。

逆铣时，铣刀旋转方向与工件前进方向相反，其特点：①其水平切削分力F2的方向与工件进给方向相反，切削进给平稳，有利于提高加工表面质量和防止扎刀现象；②其垂直切削分力F1向上，不利于工件夹紧；③平均切削厚度较小；④刀刃切入工件时，是从已加工表面开始进刀，切削厚度从零开始，刀刃受挤压，磨损严重，加工表面粗糙度差，有严重的加工硬化层。

★影响切削加工质量的因素和改进措施

影响切削加工质量的因素大体可归纳以下三方面：工艺系统、工艺过程本身和环境方面。

工艺系统是由机床、夹具、刀具和工件组成的系统，工艺系统方面的因素主要是由该系统的组成部分所引起的误差而影响加工质量。①机床因素。主要包括机床本身的制造几何精度，运动精度和机床结构的刚度。②夹具因素。主要是夹具结构设计的合理性（包括定位基准的选择、夹紧力的大小、方向、位置适当和可靠性、结构刚度）和夹具的制造精度及安装精度。③刀具因素。主要是刀具的几何形状和尺寸的制造误差，刀具的安装误差和刀具的尺寸磨损等，都直接影响加工件的形状、尺寸和表面质量。④工件因素。主要是工件毛还加工余量的均匀性、表层硬度的一致性和残余应力的分布状况等，这些因素都会造成对加工精度的影响。

工艺过程的因素主要有切削载荷，运动部件（含工件）的重力载荷、切削规范和切削热所引起的工艺系统的变形等。①切削载荷在加工过程中，不仅大小有变化，而且作用点和方向也有变化。因此，引起的工艺系统结构变形不一样，从而影响到加工的尺寸精度和形位精度。②运动部件的重力载荷，如带有工件的工作台，带有加工刀具的主轴头等，在加工过程中，虽然载荷量和作用方向基本不变，但它在工艺系统中作用的位置却是不断变化的，由于工艺系统的刚度分布不一致，故产生的弹性变形量（如在中间位置和在两端位置）也不一样，从而造成对加工精度的影响。③切削规范（主要指切削中的切削速度、进给量和切深），它们不仅决定切削载荷量并通过切削载荷来影响加工精度，而且还通过刀具的作用影响加工表面的质量，改变工件表层的状态。④切削热包括切屑变形产生的热和机床驱动系统（含电动机、主轴轴承、丝杠等内部热源）产生的热，前者通过切屑本身或冷却液传给机床工艺系统，后者则在热源处直接影响机床结构的局部变形，从而导致对加工精度的影响。

环境因素主要有环境温度、环境清洁度和环境振动等。

提高切削加工质量的原则措施：①合理设计工艺系统（含机床、刀具、夹具和工件），首先保证系统有足够的结构刚度、几何精度、合理的受力情况和定位基准，同时具有补偿调整装置等。②提高工艺系统自身的加工、装配质量，包括几何精度、位置精度和运动精度等。③选择合理的加工方式方法和合理的工艺参数，使切削载荷、重力载荷和切削热引起的变形尽量小或能够相互平衡（抵消）。④根据加工的质量要求情况，采取相应的技术措施，如恒温、净化和隔振等，以减少环境因素的影响。

切削用量的选择

切削用量包含三个要素：切削速度V，切削深度t和进给量：。选择切削用量的目的和原则是：在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，使切削时间最短，劳动生产率最高，因此，必须考虑其对加上质量、刀具耐用度和生产效率的影响。

①对加工质量的影响：在三要素中，t加大，切削力成倍增大，引起工艺系统弹性变形大，而且可能引起振动，从而降低加工精度，增大表面粗糙度；s增大，切削力和表面残留面积及高度增加，使表面粗糙度增加和工件精度降低；v增大，切削力有所下降，表面粗糙度也降低，但切削速度的增大受到工艺条件和刀具材料的限制。②对刀具耐用度的影响：在三要素中，t对刀具耐用度的影响最小，v的影响最大，从保证合理的刀具耐用度出发，选择切削用量的顺序是：先选大的切削深度t，再选较大的进给量s、，最后按刀具耐用度选合理的切削速度v。③对切削加工生产率的影响：切削生产率可以用单件工序时间tw（切削加工时间及辅助时间之和）来衡量，也可以用材料去除率Q来衡量。Q与切削用量三要素都成正比关系。但v、t、s三要素对辅助时间的影响不同，对生产率的影响也不同。从切削的经济性考虑，用单件件工序时间tw来衡量切

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削加工的生产率更为合理。

除此之外，切削用量的选择还应考虑机床的刚度、功率、断屑和振动等因素，因此，应按下列次序来选用：①根据工件的加工余量确定切深t。粗加工时，除留下精加工余量外，应尽可能用一次走刀切除全部加工余量，以使走刀次数最少；当毛坯粗大，加工余量也较大时，则应考虑工艺系统的刚度和机床的有效功率来选取最大的切削深度。然后逐步减少t，以便逐步提高加工精度和表面质量，实现精加工。超精车削和超精镗削加工时，常采用硬质合金、陶瓷或金刚石刀具，当t=0.05~0.2mm时，s取0.01~0.1 mm/r，v=4~15m/s，可获得Ra0.32~0.08μm和高于5级的精度。②在t选定后，s的选择直接决定了切削层的横截面积，从而决定了切削力的大小。粗加工时的s根据机床系统刚度和有效功率与扭矩确定，半精加工和精加工时，一般可通过查阅有关手册的切削数据确定。③t和s选定后，根据合理的刀具耐用度计算或查表方法确定v，一般原则是：粗切时，由于t和s较大。故选较低的v，精加工时，则选较高的切削速度v；工件材料的可加工性差时，要选较低的v，加工灰铸铁的v比中碳钢低，加工铝和铜合金时的v要比加工中碳钢高等。

磨削用量的选择原则通常是在保证工件表面质量的前提下尽量提高生产率，也就是说，在保证磨削温度较低、磨削表面粗糙度较低的条件下，尽量选取较大的径向进给量、轴向进给量和工件速度。砂轮速度v一般为30~35m/s。普通磨削时，砂轮速度不变，不必选择；高速磨削时，v=45~100m/s或更高。粗磨时工件速度常取15~85m/min，，精磨时取15~50m/min。外圆磨时，砂轮对工件的速度比60~250；内圆磨时40~80。工件速度太低，会使工件烧伤，太高，机床可能产生振动。径向进给量粗磨时取0.01~0.09mm，精磨时取0.0025~0.02mm，镜面磨时可取0.0005~0.0015mm。砂轮的轴向进给量粗磨时以取（0.3~0.85）b，精磨时取（0.1~0.3） b （b为砂轮宽度）。

刀具的切削部分要承受很大的切削力、很高的温度和强烈的机械摩擦，必须具备高硬度（常温硬度一般应在62HRC以上）、足够的强度和韧性、较高的耐热性、良好的导热性、抗粘结性和工艺性。

习题9. 试述按照机床夹具通用化程度的不同，机床夹具可分为那些类型及它们的应用范围。

答：按机床夹具通用化程度的不同，机床夹具可分为专用夹具、通用夹具、专业化可调夹具（成组夹具）和组合夹具等。

习题10. 什么是欠定位和过定位？在机床夹具设计时能否出现欠定位和过定位？为什么？

答：夹具上工件定位件所能限制的工件自由度小于按照相关工艺规程要求所必须限制的自由度，称为欠定位。在夹具的设计、制造中不允许出现欠定位。夹具上几个定位件都可能限制工件的同一个或若干个自由度，造成工件定位不稳定或破坏正确定位，称为过定位。过定位对工件会产生不良的影响，一般都应设法消除；过定位产生的不良影响未超出工件的技术要求，则可以允许存在，有时甚至有益。

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★习题11. 试述2-3类型的超硬材料刀具，并说明它们的应用对象。

★习题12. 试述刀具几何参数的选择原则。 答：刀具几何参数的选择原则：

①前角——工件材料的强度、硬度愈低，塑性愈好；刀具材料的抗弯强度和冲击韧度较高；工艺系统刚性差或机床功率不足等，应取大前角。

②后角——应取较大后角的情况：精加工时切削厚度薄；多刃刀具切削厚度薄；加工工件材料较软、粘，加工硬化倾向大，弹性模量小等。应取较小后角的情况：工件材料的强度、硬度较高；粗加工强力切削、承受冲击载荷大的刀具；工艺系统刚性差；定尺寸刀具（如拉刀、铰刀等）；铲齿刀具等。

③主偏角——应取较大主偏角的情况：采用硬质合金刀具进行粗加工和半精加工；在切削过程中刀具需做中间切入工件或阶梯轴等。应取较小主偏角的情况：工艺系统刚度允许的条件下；工件材料的强度、硬度高等。

④副偏角——应取较大副偏角的情况：工件或刀具的刚度较差；在切削过程中刀具需做中间切入工双向

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进给等。应取较小副偏角的情况：精加工刀具；切断、切槽也孔加工刀具；加工高硬度和高强度的材料或断

续切削；加工细长轴等。

⑤刃倾角——应取正刃倾角情况：精加工；微量切削的精加工刀具可取特大正刃倾角；镗刀、铰刀等孔加工刀具加工盲孔；工艺系统刚度不足等。应取负刃倾角情况：冲击负荷较大的断续切削；加工高硬度材料；孔加工刀具加工通孔等。

⑥刀尖形状——圆弧形刀尖（圆弧过渡切削刃）：多用于单刃刀具，钻头、铰刀也使用合理选用刀尖圆弧半径值，可提高刀具耐用度，并对工件表面有修光作用，但刃磨较困难。倒角形刀尖（直线过渡切削刃）；适用于各类刀具。可提高刀具耐用度和改善工件表面质量，同时其刃磨方便。

⑦刃口形式——锋刃（锐刃）：刃磨刀具的前面、后面时自然形成的，比较锐利，广泛应用于各类精切削刀具、成形刀具、齿轮刀具等。

1） 倒棱刃：通常是刃口附近的前刀面上的很窄负倒棱，主要适用于粗

加工或半精加工的硬质合金车刀、刨刀及端面铣刀。

2） 消振棱刀：系在刃口附近的后刀面上一条很窄的负后角棱边。主要用于工艺系统刚度不足条件下进行切削的单刃刀具（如车刀、刨刀、螺纹车刀等）。

3） 零度刃带（白刃）：系在刀具的主后刀面或副后刀面上靠近刃处磨出的一条后角为零的窄棱边。主要用于多刃刀具。

4） 钝圆刃（倒圆刃）：系在切削刃上特意研磨出一定的刃口圆角。主要适用于各种粗加工或半精加工的硬质合金刀具及其可转位刀片。

4.5 特种加工

特种加工可以完成对高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和工程陶瓷、磁性材料等用传统工艺方法难以加工的材料的加工，同时还可进行精密、微细、复杂零件的加工等。

特种加工还有电子束加工、离子束加工、化学加工、电解加工等多种形式。 2习题1. 什么是特种加工？常用特种加工的方法及特点有哪些？

答：特种加工是指不属于传统加工工艺范畴的加工工艺方法的总称。特种加工是将电、磁、声、光等物理能量及化学能量或其组合施加在工件被加工的部位上，使材料被去除、累加、变形或改变性能等。常见的特种加工有电火花加工（EDM）、激光加工（LBM）、超声加工（USM）。

（1）电火花加工：在液体中通过工具电极与工件之间的脉冲电路放电将材料调温蚀除。其特点为：①非接触式加工，无切削受力变形；②放电持续时间短，热影响范围小；③工具电极消耗影响加工精度；④可加工任何硬、脆、韧和高熔点的导电材料；⑤其一般可用来穿孔、行腔加工、切割等。

（2）激光加工：材料在激光照射下瞬时急剧溶化和气化，并且产生强烈的冲击波，使熔化物质爆炸式的喷溅和去除实现加工，其特点：①材料适应性广，金属、非金属均可以被加工；②非接触式加工；③不存在工具磨损；④设备造价较高；⑤其一般用来微孔、切割、焊接、热处理刻制等。

（3）超声（波）加工：利用超声振动的工具端面，使悬浮在工作液中的磨料冲向工作表面，去除工件表面材料，其特点：①作用力小，热影响小；②工具不旋转，加工与工具形状相似的复杂孔；③加工高硬度材料时，工具磨损大；④其一般用来型腔加工、穿孔、抛光、零件清洗等，主要用于脆性材料。

习题2. 电火花加工的基本原理。

答：电火花加工是利用工具电极和工件之间的间隙防电来蚀除金属的加工方法，其可以用来切割成形和表面（形腔）成形加工，前者用工具电极为导线，常称为电火花线切割加工，后者用的工具电极为铜或石墨成形电极，称为电火花成形加工。

2习题3. 评价电火花成型加工工艺质量的主要指标是哪些？ 答：评价电火花成型加工工艺质量的主要指标是：（1）加工效率：单位时间内工件材料的去除量，单位：mm3/min。（2）加工表面质量：粗糙度、表层组织变化及表面显微裂纹等。（3）加工精度：尺寸、位置、形状精度。（4）工具电极损耗率：通常用工具电极的体积损耗量对工件材料的体积蚀除量之比表示。

如图4.5-1所示，工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相联接，调节装置3使工具和工件间经

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常保持很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀掉一小部分金属，各自形成小凹坑，随着相当高的频率连续不断地重复放电，工具电极不断向工件进给，就将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的零件。

电火花成形加工常用于加工压力加工用的成形模具、形腔等，形腔加工可以用成形电极等进行，也可以用简单形状的电极并通过数控来移动工件实现加工。

电火花成形加工工艺过程

①首先是根据工件的加工图样设计并制造相应的电极。包括电极材料、结构尺寸、形状和电极夹持方式的确定，冲液孔、排气孔的位置和基准面的选择，和将电极制造出来。与此同时对工件进行预加工，如基准面、定位孔、加工液孔的加工，包括材料的退磁、去磁等。②电极和工件在机床上定位，校正它们的垂直度、相对位置精度等。③选定加工电参数，包括电流、电压、极性、脉冲宽度、间歇时间和适应控制方法。④设定加工深度和液面高度。⑤蚀除物排除的方式方法落实。所有这些准备工作完成后，即可进行放电加工。

2电火花成形加工机床的技术核心和关键是脉冲电源及控制和机床主轴头伺服控制系统。 2习题4. 影响电火花加工精度的主要因素是什么？

答：影响电火花加工精度的主要因素：①脉冲电源的质量和加工参数的选择——包括脉冲宽度ti，放电时间te，放电周期tp，放电重复频率f，峰值电流ie等。②工作液——工作液可以提高放电点的能量密度，增大放电时的爆炸力，使熔化的金属容易排出。③电极材料及电极设计。④工艺系统的制造及安装调整的精度和质量。

2选择粘度小、流动性好、闪点高、绝缘性好、无污染、无公害的碳氢化合物为主要成分的矿物油为工作液，以提高排屑效果，从而提高加工效率和减少二次放电对表面质量的影响，提高安全和环保性。

2常用的电极材料有纯铜（紫铜）、石墨、铜钨合金等。 2习题5. 为提高电火花成型加工的效率应调整哪些工艺参数？如果为了降低表面粗糙度，工艺参数又应如何调整？

答：从电火花加工材料去除率（即加工效率）和表面粗糙度公式可以看出：为提高电火花成型加工的效率，可以提高放电时间te，或提高峰值电流ie，或提高放电重复频率f；如果为了降低表面粗糙度，则应减小放电时间te，或减小峰值电流ie。

2习题6. 为了保证电火花成形加工的效率和表面质量往往要牺牲什么？

答：只增加峰值电流ie，而减小放电时间te可保证加工效率和表面质量但工具电极相对损耗率增大。

2在一般较为理想的情况下，电火花成形加工的效率可达到近1000mm3/min（电极Cu，工件CrWMn）；最佳表面粗糙度达Ra0.63～0.04μm；尺寸精度0.01～0.05mm；工具电极的体积损耗率可小于1%（te/ie＞6）

如图4.5-5所示。它是利用导线做电极（铝丝或铜丝）以及电极与工件间的相对运动和放电来对工件进行切割。切割时，电极丝沿自身的轴向做往复式单向的连续运动。放置工件的工作台或电极丝的导丝机构则在控制系统的控制下按一定轨迹运动，从而切割出所需形状和尺寸的零件，电火花线切割加工常用于加工各种具有特定形状截面的冲模和喷射模具。

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电火花线切割加工工艺过程：

高速走丝线切割广泛采用Φ0.06～0.2mm的钼丝，因为它耐损耗、抗拉强度高，丝质不易变脆且较少断丝。

走丝速度一般以小于10m/s为宜。 2习题7. 什么是电火花线切割加工？

答：在电火花加工中利用导线电电极（钼丝或铜丝）以及电极与工件间的相对运动和放电对工件进行切割的加工方法叫做电火花线切割加工。

2习题8. 一般情况下电火花线切割加工达到什么样的切割效率、表面粗糙度和加工精度？ 答：一般情况下切割效率为20mm2/（min2A）。 表面粗糙度：①高速切割为Ra5-25μm，最佳只有Ra1μm；②低速切割一般可达Ra1.25μm，最佳Ra0.2μm。

加工精度指尺寸精度、形状精度和位置精度的总称。①快速切割时可控加工精度在0.01～0.02mm。②低速走丝时可达0.005～0.002mm。

2习题9. 线切割加工的主要工艺参数指标及经济性因素分析。

答：线切割加工的主要工艺参数指标是：①切削速度。指单位时间内电极丝中心线在工件上切割的面积

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总和，单位用mm2/min表示，通常40～80mm2/min为高速切削速度；将每安培电流的切割速度称为切割效率，一般切割效率为20 mm2/（min2A）。②表面粗糙度。高速切割为Ra5-25μm，最佳只有Ra1μm；低速切割一般可达Ra1.25μm，最佳Ra0.2μm。③电极丝损耗量。对高速走丝线切割机床，用电极丝在切割10000mm2面积后，电极丝直径的减少量来表示。一般每切割10000mm2，钼丝直径减少不应大于0.01mm。④加工精度。指尺寸精度、形状精度和位置精度的总称。快速切割时0.01～0.02mm。低速走丝时0.005～0.002mm。

影响线切割加工工艺经济性因素主要有：电极丝及移动速度、工件厚度及材料、工件材料、预置进给速度。

习题10. 什么是激光加工？（原理）

答：激光是一种亮度高，方向性好的相干光，其发散角小和单色性好，焦点处功率可达107-1011w/cm2，温度可达万度以上，其加工就是利用材料在激光照射下瞬时急剧熔化和汽化，并产生强烈的冲击波使熔化物质爆炸式地喷溅和去除来实现加工的。

激光加工可用于切割、打孔、打标、刻制等去除材料的加工。也可用于材料表面热处理等材料改性的加工和材料焊接等。

激光打孔可以在任何材料上进行，激光打孔的直径可以小到0.01mm以下，深径比可达50：1。

切割金属材料时，大多采用CO2激光器。大功率CO2激光器所输出的连续激光可切割钢板、钦板、石英、陶瓷及塑料、木材、布匹、纸张等。

2习题11. 金属加工常用的激光器是哪些？它们之间的区别除了在工件物质以外，还在于什么？

答：金属加工常用的激光器有两种，一种是固体激光器，如红宝石激光器、玻璃激光器、YAG激光器和金绿宝石激光器；另外一种是气体激光器：如CO2激光器、Ar（氩）激光器等。它们之间的区别除了在工作介质外，还在于激光波长、输出功率、应用范围等。

习题12. 影响激光打孔工艺质量的因素主要有哪些？

答：影响激光打孔工艺质量的主要因素有：①输出功率和照射时间。激光能量越大，孔径越大孔也越深，能量适当，才能获得好的圆度，能量提高，锥度减小，能量过大，孔成中鼓形，激光的照射时间一般为几分之一毫秒，激光能量一定时，时间太长会使能量扩散到非加工区，时间太短则因功率密度过大使蚀除物以高温气体喷出，那会使能量的使用效率降低。②焦距和发散角。发散角小的激光束经短焦距的聚焦物镜以后，在焦面上可以获得更小的光斑及更大的功率密度。焦面上的光斑直径小，打孔就小，而且，由于功率密度大，激光束对工件的穿透力也大，打出的孔不仅深，而且锥度小。所以要尽可能采用短焦距物镜（20mm左右），以减少激光束的发散角。③焦点位置。焦点位置低时，透过工件表面的面积大，不仅会发生很大的喇叭口，而且会由于能量密度减小而影响加工深度（增大了它的锥度），但焦点太高同样会分散能量密度而无法加工，激光的实际焦点往往在工件表面或低于工件表面为宜。④工件材料。由于各种材料吸收的光谱不一样，经透镜聚焦到工件上的能量不可能被全部吸收，相当一部分能量将被反射或透射而散失掉。在生产实践中，必须根据工件材料的性能（吸收光谱）选择合理的激光器。

习题13. 什么是超声加工？

答：超声加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型法。其可以加工硬质合金、淬火钢等脆硬金属材料。还可以加工玻璃、陶瓷、半导体锗和硅片，同时还可以用于清洗，焊接和探伤等。

习题14. 超声加工的基本原理？（过程）

答：加工时，工具1在工件2之间加入液体（水或煤油）和磨料混合的悬浮液3，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上，超声换能器6产生16000HZ以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.05～0.1mm，驱动工具端面做超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面，把被加工表面的材料粉碎成很细的细微粒，从工件上被打击下来，虽然每次下打下来的材料很小，但由于每秒种打击16000次以上，所以仍有一定的加工速度。

简单回答：利用超声振动的工具端面，使悬浮在工作液中的磨料冲向工作表面，去除工件表面材料。

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2超声加工表面粗糙度可达Ral ～0.1μm，加工精度可达0.01～0.02mm。

2影响加工速度的因素主要有：工具振动频率、振幅、工具和工件间的静压力、磨料的种类和粒度、工具和工件材料等。

2一般振幅在0.01～0.1mm，频率在16000～25000Hz之间。通常采用的浓度为磨料对水的质量比约0.5～1左右

2超声加工的精度，除受机床、夹具精度影响之外，主要与磨料粒度、工具精度及其磨损清况、加工深度、材料性质等有关。一般加工孔的尺寸精度可达±0.02～0.05mm。

超声清洗的原理主要是基于超声振动在液体中产生的交变冲击和空化作用。超声波在清洗液（汽油、煤油、酒精或水等）中传播时，液体分子往复高频振动产生正负交变的冲击波。当声强达到一定数值时，液体中急剧生长微小空化气泡并瞬时强烈闭合，产生的微冲击波使清洗物表面的污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落下来。虽然每个微气泡的作用并不大，但每秒钟有上亿个空化气泡在作用，就具有很好的清洗效果。

2习题15. 超声加工的应用

答：超声加工的应用主要有以下几个方面：①可以加工金属和非金属等硬脆材料；②可以对硬脆材料进行型孔和型腔加工，也可对半导体材料切割加工；③利用超声进行清洗：超声波在清洗液（汽油、煤油、酒精和水等）中传播时，液体分子往复高频振动产生正负交变的冲击波。当声强达到一定数值时，液体中急剧生产微小空化气泡并瞬时强烈闭合，产生的微冲击波使清洗物表面的污物遭到破坏。超声振动可用于喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、印刷电路板等的清洗。

4.6 铸造

★铸造及其特点

将熔化的金属液，浇铸入预先准备的铸型内，制作出所需金属零件的方法为铸造。其特点是：可制作各种复杂形状的机械零件；重量可从几克至几百吨；可生产多种金属或合金的产品；与锻压、冲压、粉末冶金等比较，其生产金属零件的重量、形状与合金种类均更多、更复杂。

铸件自液态、凝固态至固态的冷却过程中所发生的体积减小，称为铸件的收缩。当合金自凝固线冷却至常温时，铸件各方向线尺寸的缩小现象属固态收缩（线收缩率），它对铸件的尺寸精度影响最大。铸造收缩是造成铸件裂纹、变形、缩孔或缩松的基本原因。

习题1. 什么是合金的流动性与收缩，影响合金流动性与线收缩的因素是什么？

答：液态合金自身的流动能力称为流动能力。影响金属流动性的因素主要有：1）合金材料的物理与化学性质：化学成份、比热、热导率、粘度系数。2）外部条件的干扰，如铸型温度、铸型发气能力、浇铸温度、浇铸系统结构等。3）铸件结构的工艺性：如厚度大小与厚度变化的结构的复杂程度等。4）凝固态到固态的冷却过程所发生的何种减小称为铸件的收缩。铸件各方向线尺寸的缩小现象属固态收缩（线收缩率），它对铸件的尺寸精度影响最大。

影响合金收缩的因素：

①化学成份：碳素钢的含碳量增多，液态收缩增大，固态略减速，灰铁中C、Si量增加，石墨化能力增强，石墨的比容体积大，能弥补收缩，硫可阻碍石墨析出，使收缩率增大，适当增加Mn、生成MnS抵消了硫对石墨化的阻碍作用，但S过高又使收缩率增大。

②浇铸温度：通常浇铸温度提高100°C体积收缩增加1.6％。

③铸件结构和铸型条件：铸件在铸型中的冷却过程，往往不是自由收缩，其阻力来源于：a. 铸件各部分的冷却速度不同引起各部分收缩不一致，相互约束而对收缩产生阻力；b. 铸件的型芯对收缩的机械阻力，因此铸件的实际收缩率比自由收缩率要小一些。

习题2. 铸铁的收缩率及产生缩孔、缩松的几率比铸钢小的原因。

答：根据Fe-Fe3C相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度，根据相图中液相线和固相线之间的距离可估计铸造性能的好坏，距离越小铸造性能就越好，钝铁、共晶成份或接近共晶成份的铸铁铸造性能通常都比铸钢好，其流动性好，其收缩率及产生缩孔、缩松的几率都比铸钢小，显微偏析也少。

★铸造工艺设计

1. 铸件结构的工艺性审查。审查的内容主要有：①铸件的最小壁厚。②内壁厚度是否小于外壁厚度10%~20%。③厚壁断面与薄壁断面相连接时，应有合理的过渡形状和尺寸，当相交的两壁厚度为A与B（B＞A），连接处是否符合圆弧半径r= 0.5（A＋B），过渡长度L≥4（A＋B）。④检查铸件的细长比、结构斜度、

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壁间的间隔和最小间隙是否合理。

2. 确定工艺方案。①选择造型方法。②选择铸型种类。对要求质量高的单件、小批的大、中型铸件可选用干型，对大批、、小件可选用湿型。对要求精度高的单件或成批的大、中型铸件，可选择树脂砂造型、壳型、V一法、实型（消失模）等。③选择模型种类。产量大的可选用金属模或塑料模，产量小则选用木模。④选择浇铸位置。薄壁部位或较大的平面（加工面或非加工面）放于型腔的下面。如无法放在下面则放于立面，如机床床身的铸造将最重要的导轨面放于下面。铸型的放置应保证砂芯的定位、稳定支承和排气通畅。补缩冒口尽可能地放于铸件上部，暗冒口也应高于被补缩部位。⑤选择分型面。分型面尽量采用平面。铸件尽可能放在同一箱内，至少保证加工面和加工基准面放在同一砂箱内，以减少尺寸偏差。尽量减少分型面，一般机器造型只用一个分型面，手工造型可选择两个以上的分型面。应尽量减少砂芯、活块的数量。此外，选择分型面还应考虑下芯、合箱、起模、检查尺寸、定位和紧箱的要求。

3. 确定铸造工艺参数。确定工艺参数必须考虑对铸件的质量要求和实现质量达标的措施。①对铸件质量要求的内容主要有铸件表面粗糙度、铸件机械加工余量、铸件重量公差和铸件尺寸公差等，均可根据相关国家标准确定。②最小铸出孔及槽，若铸件上孔和槽的尺寸过小，铸件壁厚较薄及浇铸金属的压力较高时，将很难铸出。因此，对不同铸造合金规定了最小铸出孔和槽的尺寸（应用时可参照手册）。对不加工孔应尽量铸出。对于正方形及长方形的孔或油路、气路的弯曲小孔等，虽然难以铸造，仍必须铸出。③铸造线收缩率，不同铸造合金的铸造线收缩率可参照相关手册。④工艺补正量与分型负数，工艺补正量是指为了弥补因工艺因素造成铸件局部尺寸超差，而在铸件的相应部位的非加工面上，预先增加一定余量，以保证铸件的正确尺寸。分型负数是为解决铸型分型面变形等因素造成的铸件尺寸偏差，事先在模样分型面上减掉相应高度的尺寸。

4. 砂芯设计。砂芯是为了解决铸件的内腔及外型难于出砂的部位而设置的。砂芯设计的主要步骤：①确定砂芯数量和每个砂芯的形状和尺寸。②砂芯的编号。③造芯和使用芯砂的种类。④芯头数量、形状、尺寸和定位。⑤对悬臂、大、重砂芯使用芯撑时应确定芯撑的位置、数量、形状和尺寸。⑥芯骨设计和通气道设计。砂芯的设计原则如下：①对单件、小批生产一般用手工制造，对复杂和成批生产可用机器造芯。对砂芯强度和尺寸精度要求高，型状复杂并难于清理的砂芯可选用冷芯盒或热芯盒树脂砂芯。②一般情况下，应尽可能减少砂芯数量。③对宽度（直径）大而高度低的内腔或孔（通或不通）且易于出砂时，可自带砂芯即砂型上的凸砂（下箱）或吊砂（上箱）。④合理选择砂芯的形状，对尺寸大形状复杂或精度要求高的部位，砂芯可采用分体式。⑤为减少烘干砂芯时的变形，尽可能使摆放的支撑面是平面或应用成型烘芯板烘干。单件生产可在平板上用湿新砂垫好入炉烘干。⑥为保证铸件铸出后的壁厚均匀和砂芯排气，芯盒的分盒面应与铸型的分型面一致，起模斜度的大小、方向也应与铸模保持一致。⑦考虑下芯与合箱方便，特别是组合芯，还应考虑下芯次序和易于检查相关尺寸。⑧为提高砂芯强度，砂芯应加芯骨。同时应考虑砂芯在铸型中的固定方法。⑨芯撑的形状和尺寸可根据ZB J31001.2-88和ZBJ31001.34一88标准选用。

5. 浇铸系统设计。①浇铸系统（俗称浇口）是将注入型中的液体金属导入型腔的通道。它由四部分组成（浇口杯、直浇口、内浇口和横浇口）。铸件的浇铸系统应满足以下工艺要求：控制液体金属的流速与方向，并能充满铸型；应能除渣、减少气体混入和液体金属的氧化生成夹杂物；对壁厚不均匀的铸件，可控制冷却方向和均匀型腔温度的功能。浇铸系统组元间，横截面积的比例以及内浇口尺寸的确定，将根据铸件的合金种类、壁厚和浇铸铁水重量而定。②内浇口的经验计算。形状简单的中、大型铸件按下式计算：

；G件——铸件质量（kg）；X——经验系数；F内?XG件/Hp。式中 F内——铸件内浇口总面积（cm2）

Hp——平均静压头（cm）。形状复杂的薄壁中、小型铸件按下式计算：F。③特殊需要的浇铸系内?XG件统形式还有阻流式、滤渣式、集渣包式、雨淋式。

例 如求材质为HT200，质量为60kg,壁厚δ= 6mm铸铁件浇注系统各组元的截面积。 解 计算如下：

①如采用封闭式浇铸系统，根据手册可选用：F直：F横：F内=1.15：1.1：1。 ②用砂箱上箱总高及内浇口位置高度计算平均静压头:Hp=22cm。

F内=4.9360/22≈8.1cm2

则F直=1 .1538.1≈9.32cm2 F横=1.138 .1≈8.9 cm2

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6. 冒口设计。铸型中设置冒口是为了防止铸件在凝固收缩时产生缩孔或缩松，帮助铸型排气和集渣。①设计原则。必须保证冒口的凝固时间大于被补缩部位金属的凝固时间；必须保证铸件收缩和型腔因浇铸扩大所需的液体金属；保证冒口和铸件间液流通道处，冒口出口尺寸大于铸件入口尺寸；冒口应高于补缩部位一定高度；冒口的补缩位置，应放在铸件最高和最厚的部位或热节的侧位；尽可能减少冒口数量，并尽可能不要放在铸件受力大的部位。②冷铁的应用。对结构复杂、热节多、合金收缩率大的铸件，为改善铸件定向凝固的条件可用冷铁解决。冷铁可置于铸件内部，也可置于铸件外部。

7. 合箱与抬箱力。铸型的下芯、合箱是造型的最后工序，合箱前，检查砂芯位置和壁厚尺寸及合箱定位是否正确，合箱后，检查压箱铁是否合适。一般压箱铁的重量应是铸件重量的3~5倍。

习题3. 如何确定铸件的浇注位置和分型面。

答：铸件浇注位置的选择是指浇铸时铸件在铸型中所取得空间位置，浇铸位置选择正确与否对铸件影响很大，选择进应选择下列原则：①铸件的重要表面（加工面）应朝下或放于立面，这是因为铸件上部冷却速度慢，晶粒粗，易形成缩孔缩松，而且气体、非金属夹杂物密度小，易在铸件上部形成砂眼、气孔、渣气孔等缺陷。②铸件的宽大平面应朝下，这是因为在浇铸过程中，熔融金属对型腔上表面的强烈的辐射，容易使上表面型砂急剧地膨胀而拱走或开裂，在铸件表面形成夹砂结疤缺陷。③面积较大的薄壁部分应置于铸件型下部或垂直位置，这是因为如果置于上部可能产生浇不到、冷隔等缺陷。④易形成缩孔的铸件应将截面较厚的部分放在分型面附近的上部或侧面，这便于放置冒口，使铸件自上而下的顺序凝固。⑤应尽可能减少型芯的数量，便于型芯安装固定和排气。

铸件分型面的选择：①起模，使定型工艺简化：分型面应选择铸件最大的截面处；分型面的选择应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合型等工艺；分型面应尽可能垂直；尽量减小分型面。②尽量将铸件重要加工面或大部分加工面、加工基准放在同一砂箱中，这样可以减少错箱和毛刺的可能性，保持加工精度。③应使型腔和主要型芯位于下箱，便于下芯盒型和检查型箱尺寸。

习题4. 铸造工艺参数主要有哪些？简述铸造工艺设计的程序。

答：铸造工艺参数有：对铸件质量要求的内容主要有铸件表面粗糙度、铸件机械加工余量、铸件重量公差和铸件尺寸公差等；最小铸孔与槽；铸造线收缩率；工艺补正量与分型负数。

设计铸造工艺的程序一般如下：选择造型方法，选择铸型种类（干型、湿型、壳型V-I型），选择模型种类，选择浇铸位置，选择分型面。

砂型铸造

铸造对造型材料的要求。造型材料是用来制配造型混合料（型砂）和造芯混合料（芯砂）的原料。其技术性能必须满足以下两点：①具有足够的湿强度、干强度、良好的可塑性和透气性，以保证铸型在运输和浇铸时足以承受冲击力和静压力，以及铸型和砂芯的成型和尺寸精度。②具有必需的耐火能力，以减少铸型和砂芯的烧结和粘砂。

2砂型铸造常用材料：①硅砂是砂型铸造用造型混合料的主要组成部分。铸钢的浇铸温度高，天然硅砂不能满足需要，为此采用由石英石加工的人造硅砂。②铸造粘土（分粘土和膨润土两大类）。③铸造用煤粉，湿型生产时，在型砂中混入一定量的煤粉，对改善铸件表面粗糙度比较有效。④铸造用合成脂是合成脂肪酸蒸馏残渣的简称，用于制造一般复杂程度砂芯的芯砂粘接剂。⑤树脂砂用树脂，树脂砂的应用使铸件的尺寸精度和表面粗糙度得到显著改善。

熔化铸铁所使用的熔化设备主要是冲天炉和工频感应电炉。 习题5. 冲天炉的熔化配料计算。

答：为了实现铸件需要的铁水成分，首先要对所用的金属材料进行合格检验。冲天炉熔化铁水的含磷量在酸性操作时，基本无变化，硫因焦炭关系只增不减，因此只需计算碳、硅、锰的配入量。η是熔化时的合金元素的增减系数。酸性冲天炉熔化的η值：C=＋（0～15%）；Si=－（10%～20%）；Mn=－（15%～25%）。

常用铸钢的熔炼设备有三相电弧炉和中频感应电炉。三相电弧炉熔炼是靠三相电极通以交流电源后所产生的电弧放出的热量进行的。它不仅要熔化钢料，而且还要对钢水进行精炼。钢水的精炼分氧化期和还原期。

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氧化期内利用加入的铁矿石等铁的氧化物，来氧化钢水中的有害元素，使其进入熔渣后排出炉外。再利用铁矿石或吹氧以调整钢水的含碳量，C%合格后排渣，氧化期结束。还原期则利用石灰石和焦炭粉造还原渣，以还原氧化铁和硫化物，使氧和硫进入炉渣排出。为了在熔炼中够有效地去除磷、硫，电弧炉分酸性熔炼和碱性熔炼，碱性熔炼去除硫、磷更有效。中频感应电炉熔炼，常用的电源频率为600～4000Hz。有特殊要求或重要的部件还可用真空炉熔炼。

熔炼铜合金主要是用金属铜（电解铜）和回炉料及所需的中间合金（铜磷、铜镍、铜锰、铜铁、铜硅、铜镁等）。熔炼和浇铸铜合金时，为避免合金氧化蒸发，并对其进行精炼，则可选用覆盖剂、氧化剂、精炼剂、脱氧剂和晶粒细化剂。小批或小型铸件，多使用坩埚炉进行熔炼，对大批量或大型铸件，则选用不同型号的工频或中频感应电炉进行熔炼。感应电炉可分中性、酸性和碱性。

铸造铝合金是以纯铝为基础，加入其他金属或非金属做合金化元素熔炼制成的。因其受合金化的作用和经热处理后，表现出十分优越的性能而被工业广泛应用。使用最多的是铝硅系合金。

熔炼铝合金时需要注意以下几点：

（1）铝合金的熔炼温度低，易氧化，多采用电阻炉熔化。在综合性工厂，批量小、重量不大的仍有用坩埚炉生产的，但质量难以保证。

（2）铁是铝合金的有害杂质，禁止使用铁柑锅或直接用铁棒搅动铝液。

（3）随温度的提高，气体在铝液中的溶解度增高。因此，铝液过热，温度越高或保温时间越长，都会大量吸收有害气体，凝固后的晶粒粗大，严重影响其力学性能。必须严格控制熔炼温度与浇铸温度，避免不必要的过热和长时间保温。

（4）铝液精炼的目的是清除铝液所含的非金属夹杂物（各种固态氧化物和所含气体）。 生产中铝液的精炼方法有三种：加入氯化物，通入氮气或通入氯气；真空处理。

（5）为了改善铝合金的组织和性能，熔炼时加入晶粒细化剂，以得到优质的铸件，是铝合金变质处理的目的。常用的儿种晶粒细化剂有硼化铝、碳化钛、磷化锰等。为提高力学性能、消除内应力，多数铝铸件须进行热处理。

习题6. 金属型铸造的特点和影响金属型寿命的因素。

答：金属型铸造是采用铸铁、钢或其它金属铸型，在常规下浇铸铸件的方法，其特点是：金属型冷却速度快，铸件晶粒得到细化，改善了铸件的力学性能。金属型铸件的尺寸精度高，铸型周转快，不仅提高生产效率而且易于机械化或自动化。金属型加工困难，加工周期长，一次性投资高，适用于中、小件的成批生产。

金属型的使用寿命取决于制造铸型材料的熔点和耐急冷急热的能力。合金的浇铸温度与金属型的熔点（或软化点）相差越大，铸型的寿命就越高。金属型主要用来生产铜合金和铝合金铸件，而以铝合金铸件占大多数。

★习题7. 压铸的特点和压铸机。

答：压铸亦称压力铸造，是将液态或半液态的金属利用高压作用，使其以高速注入压铸模的型腔，并在压力下快速冷却凝固而得到铸体，其压力从几十到几百大气压，金属液充型的初始速度可达0.5～70m/s，可见高压力和高速度是其与其他铸造方法的最大区别。压铸方法生产效率高，尺寸精度高，表面粗糙度低，由于高压作用产品的品质和力学性能好。

2压铸机主要有冷压室和热压室两类：冷压式压铸机分立式和卧式两种，它是将金属液注入压室后，由压射冲头通过浇道将金属液高速压入型腔形成铸件。热压室压铸机的最大不同，是采用较低的比压，将装在浇壳内的金属液利用压射冲头将金属液由熔炉液面下部压入型腔形成铸件。

2压铸件的结构必须符合下列要求：①压铸模的设计与制造简单。②壁厚尽量均匀，无法减薄的截面可用镶嵌件处理。③内部或外部的装配面尺寸不应改变。④尽量减短弧长和减少不易压出的侧凹槽或面。⑤便于抽芯，细长比大的筒形结构可用寸一字或工字筋代替。⑥铸件结构型芯交叉等。

压铸合金的特点是：①应有足够的高温强度和可塑性，为保证充模后能快速凝固，合金的结晶温度范围应小②合金收缩率低，流动性好。③要有良好的加工性能和物理化学性能。压铸合金因模具寿命缘故，目前只能广泛应用于非铁合金。压铸合金品种较多，有铅一锡合金、铅一锑合金、锡一锑轴承合金、压铸锌合金、压铸铝合金、铸镁合金和压铸铜合金等。

熔模铸造或称失蜡法铸造，是精密铸造的一种。它是采用易熔的石蜡（或其他易熔材料）熔融后注入压模，制出精确度高、表面粗糙度变低的蜡模后，经过制型（在蜡模上分层粘敷由细到粗不同粒度的耐火材料后，进行烘干硬化、脱蜡、烧结），再进行浇铸、清理，即可获得尺寸精度高、表面粗糙度变低的铸件。

熔模铸造的工艺参数：①因型壳内部干燥光洁，且为热浇铸，因此熔模铸件的最小壁厚可比砂型铸造小近50%。圆角处理及壁间的连接应平稳过渡。②为使蜡模易于从压型中取出和抽‘芯，减少熔模变形，压型

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设计应考虑铸造斜度和最小铸出孔及槽的尺寸。③熔模铸件大多数是各种碳钢材质（JB/T 5100-91 ），铸件的尺寸公差可参阅GB6414-86。④为解决压型制作、型腔尺寸检查、铸件尺寸检查及机械加工，工艺设计中必须与机加工统一考虑基准面位置。⑤熔模铸造绝大多数是小件，因此常采用一型多铸。其浇铸系统有直浇道一内浇道式、横浇道一内浇道式、冒口顶注式、组合式等4种形式供选择。

★习题8. 精密铸造的特点及应用。

答：精密铸造一般是指与普通砂型铸造有明显区别的一些铸造方法，如金属型铸造，熔模铸造，压力铸造，低压铸造，离心铸造，陶瓷型铸造，精密薄壳壳型铸造。

★习题9. 模样分类的特点及模样尺寸的计算。

答：模样按结构特点一般可以分为整体、分体、刮（车）板；按材质可以分为木质、金属及塑料。

模样的实际尺寸Am Am=（AJ＋Ay）（1＋K）

Am——模样工作尺寸；AJ——产品零件尺寸；Ay——零件附加尺寸（加工余量＋起模斜度＋其他工艺余量），（mm）；K——收缩率。

木模在单件小批、维修配件和新产品试制的大、中、小件时被广泛应用。为提高中、大件使用木模的寿命，常使用金—木结构的模样，对易磨损、跨度大的部位和凸台、凹面、棱角及芯头等部位采用金属（铝、铜、钢）制作。

金属模样主要用于成批大量生产和各类造型线，一般是用铸造毛坯经机械加工制成，制作金属模样的材料主要有钢、铸铁和铝合金。

★习题10. 金属模样设计原则。

答：金属模样设计原则：一般使用分体式，机械造型用的模样是装在模板上使用的，设计时除考虑安装定位；还必须考虑模样和型板的强度以克服机械造型的振动力和紧实力的作用。

2消失模（气化模）的铸造工艺有些类似熔模铸造，只是工艺更简单实用。消失模的模样是用铸造聚苯乙烯泡沫塑料装入铝合金型盒内，经加热发泡成型（大件可用聚苯乙烯板材），制作出供浇铸用的一次性模样，粘上浇铸系统后直接放入砂箱业注满不含粘结剂的干石英砂，经紧实后。即可浇铸。采用消失模可铸造出十分复杂的铸件和艺术品铸件。

铸造用模板是由铸件模样、芯头、浇冒口系统、定位销（或孔）用紧固件装配在模底板上。模底板的平面即铸型的分型面。。模板大多数是金属材质或塑料材质，木制很少。

★习题11. 模底板的设计原则。

答：设计时应考虑：①选择制作模底板的材料，确定模底板的形状、各部位的尺寸、定位销的位置和中心距、并核对与选用砂箱的定位装置是否相符。②确定模底板的厚度，设计加强框、加强筋，核对造型机的定位与安装机构。中大型模板应有吊装和搬运柄、钩。

★习题12. 芯盒的设计原则。

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答：芯盒是为铸造型芯设计的：①芯盒的设计参数。设计芯盒首先应考虑芯盒的分盒面、填砂面和支撑面。应使分盒面与分型面一致，保持型与芯的起模斜度一致。尺寸精度高的部分要放在同一芯盒中。填砂面应保证利于充填和紧实，支撑面尽可能是平面，不能达到平直时可使用拱形烘干板。②芯盒的结构要求：芯盒的结构可采用多种形式，但必须与生产批量相适应；芯盒的结构应保证足够的强度和刚度，要有相应的耐磨性和工作寿命，要有放置芯骨和布置通气道的余地，机器造芯芯盒还应考虑安装紧固装置。芯盒的结构有整体敞开套式、水平和垂直对开式、敞开套框式和多向开盒式。

2热芯盒制芯。它是将混有热固性树脂的粘结剂和硬化剂的芯砂，利用射芯机射入被加热至一定温度的芯盒中使砂芯成型的工艺。这种工艺的特点是砂芯强度高，尺寸精度高，表面粗糙度低，生产周期短，生产效率高，主要应用在形状复杂、尺寸精度高和粗糙度要求低、大量生产的砂芯，如液压件的内腔芯、特殊阀门的内腔芯等。由于芯盒是在射砂机上工作的，因此设计芯盒时必须与设备相配。

2冷芯盒制芯。冷芯盒与热芯盒类似，是使用射芯机成型的工艺。它是将混有冷硬树脂或冷硬无机粘结剂的芯砂射入冷芯盒，在气体硬化剂的作用下硬化，制成所需砂芯。与热芯盒比较有许多优点。由于砂芯在常温下硬化，可降低成本和节约能源。芯盒变形小，砂芯尺寸精度高，可适用不同批量生产和不同制芯方法。

★习题13. 砂箱的分类和使用（原则）范围 答：砂箱的分类和使用（原则）范围见表所示： 砂箱分类 应用范围

手工造型用砂箱 根据铸件尺寸及铸件批量，有单人和双人手抬砂箱；吊运砂箱；单件超大、超重铸件可设计成装配式砂箱

普通机用砂箱 设计砂箱品种时，专用砂箱要少，尽可能用统一砂箱解决，并能适应不同造型机的要求 自动或半自动造型线用砂箱 成批大量生产用的震实、射压和高压造型用砂箱，强度和刚度要有保证，高压造型用砂箱断面应用双层结构，同时考虑上箱顶面加强筋的布置应与压头位置相符

脱箱造型用砂箱 湿型小件，有组装式和整体式两种，因是手工操作，砂箱尺寸不宜过大，极限尺寸应为<4003300mm，一般采用木质或铝合金制作。

★习题14. 砂箱尺寸计算原则 答：（1）吃砂量 吃砂量是指当模样与箱壁、模样与各加强筋之间应有的存砂距离。一般利用最小吃砂量S，对于砂箱内框尺寸（A＋B）/2≤500mm（A为长，B为宽）的砂箱，模型上面的S＞15mm；侧面S＞20mm，模型与箱口间的S＞20～40mm。

（2）砂箱尺寸 砂箱尺寸=A3B3H

砂箱尺寸主要根据铸件工艺图，模样（含芯头）的长、宽、高，浇冒口的最大尺寸、通气孔的位置、有无加强筋、有无冷铁或其他镶嵌件而定。

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4．7 压力加工

习题1. 简述压力加工的原理、特点和工艺分类

答：压力加工是利用金属的塑性，使金属在外力作用下成型或分离成一定现状的一种塑性加工方法。金属材料经过相应的成形加工后结构致密、组织改善、性能提高等，特别是对于锻造组织的改善，效果更为显著。一般，凡是承受交变载荷、工作条件比较苛刻的零件，通常希望利用塑性成形方法来制造。

压力加工不产生切屑，还可以使锻件获得合理的流线分布及较高的材料利用率，并且具有较高的生产率，易实现机械化和自动化。

按方法、用途分类，压力加工可分为用于生产金属型材（轧制、拉拔、挤压）和金属制件（锻造、冲压）两大类。

习题2. 各种压力加工工艺的优点和应用。 答：金属材料成型包括轧制、拉拔和挤压。（1）轧制：将大截面材料变成小截面材料，用于生产型材、板材和管材。（2）拉制：将大截面坯料通过特定形状的模孔，用于生产线材、管材和棒料。（3）挤压：通过正反挤压和复合挤压等方法生产型材和管材。

机械零件成型：（1）冲压加工属于板料成型，是利用专门的模具对板料进行塑性成型的加工方法，主要通过改变坯料各部位面积的空间位置而成型，其内部不出现较大距离的塑性流动，称为板料冲压，有冲裁、拉深等。（2）锻造加工属于体积成型，利用锻压机械对坯料施加压力，使之产生明显的塑性变形，通过金属体积的大量转移，从而获得所需金属的加工方法。由于金属具有受外力产生塑性流动后体积不变和变形金属总是向阻力最小的方向流动的特点，在生产中根据这一规律以控制工件现状，实现各种成型。

锻造冲压加工按照坯料在加工时的温度，可分为热锻、冷锻、温锻和等温锻。热锻：高于再结晶温度；冷锻常温或低于再结晶温度；温锻常温至再结晶温度之间。

习题3. 模锻和自由锻的特点和适用场合。

答：模锻：利用模具使坯料变形而获得锻件所需形状、尺寸的锻造方法称为模锻。优点：高生产率、高材料利用率，组织致密均匀，金属流线连续、分布与成品零件形状大致相同，提高了零件的可靠性、使用寿命及强度/重量比。模锻零件一般小于150Kg，适用于中小型锻件的大批量生产，广泛用于汽车、拖拉机、机床和动力机械等工业生产中。

自由锻：只用简单的工具或在模造设备上，砧铁间直接使坯料变形而获得所需几何形状及内部质量的锻件加工方法称为自由锻。灵活性大、生产准备周期短，但生产效率低，工人技艺要求高，锻件精度较差，后续机械加工量大等。适用于单件、小批量及大型锻件，特别是在重型机械中占有重要地位，如生产水轮机发电机机轴、轧辊等。

习题4. 冲压加工的特点、工艺分类和应用要求？

答：冲压加工的特点：金属及内部组织得到改善，机械强度提高；冲压具有质量轻、刚度好、形状和尺寸精度高、互换性好、外表光洁、美观等特点。一般情况下，可以直接满足装配和使用要求。小的如仪表零件，大的如汽车大梁、压力容器封头等。既能制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。

工艺分类：（1）冲裁 有落料、冲孔、切边、冲缺、剖切和整修等。（2）成型 有弯曲、拉伸、胀形和翻边等。

应用要求：⑴ 冲压用的板料厚度应精确、均匀；表面光洁，无斑、无疤、无擦伤、无表面裂纹等；屈服强度均匀，无明显方向性；均匀延伸率高；屈强比低；加工硬化性低。⑵冲压件的结构、形状、尺寸和精度要求应在冲压工艺所能满足的范围之内，尽量简化冲压模具。⑶制定冲压工艺的方法与步骤：首先，根据制件的生产批量和结构设计图样，审查制件采用冲压加工的经济合理性和技术可行性，采用冲压加工的制件必须符合以下条件：制件为批量或大批量生产；原材料（坯料）为板材或棒材，且具有较高的塑性和韧性；轮廓上无尖角，无窄长臂或切口，拐角上应有一定的圆弧半径，形状尽可能简单对称；拉深件的壁厚要均匀，法兰边直径不宜过大等。其次，选择适当的冲压工艺方法（冲裁、弯曲、拉深或其他成形方法）和相应的冲压设备，如单动压力机、双动或三动压力机、弯管机、旋压机等。第三，设计、制造冲压模具。第四，安排工艺流程：板材—剪切（下料）—冲裁或成形—清理—检验—（板、棒）卷料—开卷—校平。

习题5. 影响压力加工质量的因素和提高加工质量的措施？

答：影响压力加工质量的因素很多，主要可以归为工艺方案设计、模具设计和操作三个方面。

工艺方案合理与否，直接影响产品的质量、生产率和模具寿命，也是模具结构设计的基础。对于体积成形的工件，其质量主要取决于模具设计水平。而掌握金属塑性成形的最佳路径是保证锻压加工质量（充满、

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折纹、金属流线）的核心，具体体现在工序数目的确定和模具设计，尤其是预锻形状设计是生产合格锻件的关键。

到目前为止，在预成形设计和工艺设计中所依据的知识和采用的手段主要有三种：基于以往的经验、物理模拟技术和基于数值模拟的计算机辅助技术。前两种仅起先期指导和辅助作用，其定量准则主要基于体积的计算和圆角半径的修正。而基于数值模拟的计算机辅助设计，由于利用数值模拟方法，随着软件技术的发展，可方便确定塑性成形过程各阶段所需的变形功和载荷，获得工件内部应力、应变、温度分布和金属流动规律：获得模具的应力、应变、温度分布和合理形状；并预测工件的成形状态、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布，因此，它将成为工艺设计和模具设计有力工具为提高警惕锻压加工质量提供有力保障。

2习题6. 试述压力加工模具设计的要点。 答：压力加工模具分为冲压模和热锻模两类。

1） 冲压模具设计分为总体设计，总图、工作零件设计以及其他零部件设计及标准化选用和审查等。在总体设计中首先要确定模具的总体结构形式；模具类型的选定应以冲压过程为基础，结合考虑冲压件的要求、材料性能、生产方式、设备、模具加工等诸多因素，综合分析确定。需要明确：模具的类型；操作方式；进出料方式；压料和卸料方式；模具的精度。其实，要结合模具的类型进行压力中心的计算和确定模具的闭合高度。

2） 锻模设计的主要内容和步骤为： a． 根据零件图制定冷锻件图； b． 计算锻件的主要技术参数； c． 决定设备吨位；

d． 做热锻件图，确定终锻型槽； e． 决定飞边槽形式和尺寸； f． 做计算毛坯图； g． 选择制坯工步；

h． 决定坯料尺寸和计算下料长度； i． 设计预锻型槽和制坯型槽； j． 模具结构设计。

压力加工用的工艺装备包括基本工艺装备和辅助工艺装备。基本工艺装备主要是各类锻压机和各种模具。辅助工艺装备有开卷、下料设备、加热炉和检验设备及工具等。

由于模具中各种零部件的功能不同，所以对其材料的要求和选用原则也不同。一般，对凸、凹模等工作部件的选用原则是：对于形状简单、冲压件尺寸不大的模具，通常选用碳素工具钢制造；对于形状较复杂、冲压件尺寸较大的模具，选用合金工具钢或高速工具钢制造；而冲压精度要求较高、产量较大的高速冲压或精密冲压模具，选用硬质合金材料制造。模具工作部件的材料选用还包括对其热处理工艺的要求必须合理。冲压模工作部件一般硬度在58HRC以上。对于大型刃口模的工作部分除考虑采用镶拼结构外，可考虑在铸铁基体上进行火焰淬火等。

习题7. 锻造按坯料加工时的温度可分为几种形式？简述它们的区分方法。

答：铸造冲压加工按照坯料在加工时的温度，可分为冷锻、热锻、温锻或温热锻和等温锻等。

冷锻——是指坯料在低于金属再结晶温度下，通常多指在常温下进行的加工。这种状态下冷锻成形的工件，形状和尺寸精度较高，表面光洁，加工工序少，便于自动化生产。许多冷锻件或冲压件可直接用做结构零件或制品，而不再需要进行切削或其他加工。但冷锻加工时，因金属塑性低，变形时易产生开裂，变形抗力大，需要大吨位的锻压机械。

热锻——是指坯料在金属再结晶温度以上进行的加工，提高坯料加热温度能改善金属的塑性，有利于提高工件的内在质量，使之不易开裂。调温还能减小金属的变形抗力，降低所需锻压机械的吨位。但热锻工序多，工件精度差，表面不光洁，锻件容易产生氧化、脱碳、热膨胀或烧损等工艺缺陷。因此，热锻成形的工件，都需要经过大量的再加工之后才能成为制品。

温锻——是让被加工坯料温度在高于常温，但又不超过再结晶温度下进行的加工。坯料在相对软化的状态下进行塑性成形，成形时要比冷锻加工容易，所需成形设备的吨位也可以减小。由于是在较低温度范围内加热，氧化、脱碳的可能性小或大大减轻，成形制件的精度较高，表面较光洁而变形抗力不大，其机械性能也比退火件要高。特别是对于变形抗力较大及在室温下加工困难的材料，加温后变成可加工或容易加工。

习题8. 简要说明什么是自由锻生产中的基本工序，列举三种基本工序的名称，并简要说明它们的加工目

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的。

答：自由锻工序一般可分为基本工序、辅助工序和修整工序。为了增大锻件变形量和改善材质而设的工序，称为基本工序。基本工序是锻件成形过程中必须完成的变形工序，如镦粗——使坯料高度减小，横截面积增加；拔长——使坯料横截面积减小，长度增加；冲孔——在坯料上冲出通孔或盲孔；扩孔——扩大空心坯料内、外径并减小孔壁厚度；芯棒拔长——将空心坯料套在芯棒上进行拔长，以减小外径或厚度并增加其长度；切断——将坯料切断为几部分，或从内部或从外部割出一部分；弯曲——用工模具将坯料弯成一定角度；错移——将坯料的一部分错移开并保持轴心平行；扭转——将坯料的一部分相对于另一部分绕其旋转轴旋转成一定角度；镦挤——使毛坯在镦粗变形的同时还有局部挤压变形；锻接——将坯料加热后用锤快击，使两者在固相状态下结合。

为了保证基本工序的顺利进行而设的一些变形工序称为辅助工序。

而为了提高锻件尺寸精度、表面光洁度、形状准确度而采用变形量很小的一些工序称为修整工序。 习题9. 简述热模锻加工的主要工艺流程。 答：通常模锻工艺流程由以下的工序组成：备料工序——一般只是按变形工序要求的规格尺寸（或重量），将4-6m长的原材料切割成单件的原毛坯。特殊情况下，还包括原毛坯表面的除锈、防氧化和润滑处理等；加热工序——按变形工序要求的加热温度和生产节拍，加热原毛坯或中间坯料；变形工序——即锻造工序，可分为制坯工步和模锻工步两种。制坯的方法比较繁多，模锻工步只分为始锻和终锻；锻后工序——是补充完成的模锻工序和其他前期工序的不足，是锻件能正电子后完全符合锻件图（包括技术条件）的要求。这类工序包括有：切边、冲孔、弯曲、扭转、热处理、校正、表面清理、磨毛刺、精压等；检验工序——分为工序间检验（又称中间检验）和最终检验。检验项目包括：几何形状尺寸、表面质量、金属组织和机械性能等方面，具体检验项目根据锻件的要求确定。

2习题10. 简要说明什么是冷锻件图？什么是热锻件图？它们的作用分别是什么？ 答：冷、热锻件图是锻模设计中的二个重要步骤。

首先要求根据加工零件图制定冷锻件图，以计算锻件的主要技术参数，即决定坯料重量和尺寸，确定变形工序和锻造比，同时决定设备的选择和设备吨位。

然后以以上基础上再做热锻件图，以确定终锻型槽，决定飞边槽形式和尺寸，并据此计算毛坯图，选择制坯工序，决定坯料尺寸和计算下料长度，设计预锻型槽和和制坯型槽，再进行模具结构设计，这对合理考虑错移的平衡，保证锻件尺寸精度和延长锻模、设备寿命都是致关重要的。

4.8 焊接

习题1. 三大类焊接方法的焊接原理和适用范围。

答：根据金属材料在焊接过程中所处的状态，焊接方法可分为三类：熔焊，压焊，钎焊。

熔焊是将焊件接头加热至熔化状态，冷凝后形成焊缝，使两块材料焊接在一起，如电弧焊、埋弧焊、气焊等，用于机械制造中所有同种金属、部分异种金属及某些非金属材料的焊接。

压焊是焊接时焊件可加热或不加热，但必须加压，使两个结合面紧密接触，从而将两个材料焊接在一起，如电阻焊、磨擦焊、冷压焊、高频焊等，主要用于汽车等薄板结构件的装配、焊接。

钎焊是利用熔点比焊件低的钎料与焊件共同加热至钎料熔化（但焊件不溶化），借助毛细现象填入焊件连接处的缝隙中，钎料冷凝后使工件焊合，如烙铁钎料、火焰钎料、电阻钎料、感应钎料等，适用于金属、非金属、异种材料之间的钎焊。

★习题2. 熔焊的冶金原理和改善焊缝冶金质量的措施。

答：熔焊的冶金原理：在熔焊过程中，金属母材和焊条被加热熔化形成溶池，当金属自高温冷却，必然要发生冶金化学反应，这将影响焊缝的化学成分、金相组织和力学性能，如金属中铁、碳、锰、硅诸元素的大量烧损、增加了焊缝的含氧量，降低了焊缝的韧性、增加了冷脆等；又如氮和氢溶入高温金属液，冷却后氮与铁形成的Fe4N在焊缝组织中将形成片状夹杂物，氢则形成气孔，同样增加焊缝的脆性和冷裂的倾向。

改善焊缝的冶金质量可采取：①制造保护气氛 使池与空气隔离，防止空气进入高温区。②添加合金元素 以补充被烧损的元素及清除深池内的夹渣及有害元素。如利用药皮或焊剂，加入锰铁或其他需用合金或配入造渣剂等。又如对熔融金属进行脱氧、脱硫、脱磷、去氢以及渗入合金等。

★焊接方法与特点

改善焊接接头组织与性能的措施：①正确选择线能量（即由焊接电源输入给单位长度焊缝的能量值）；②

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焊缝的合金化处理；③焊件预热和热处理 对于焊接强度级别要求高、淬硬倾向大、导热性高和厚度较大的焊件，更须预热和热处理，以确保焊接接头的组织和性能，增加焊件的质量可靠性。

焊接电弧是由焊接电源供给并具有一定电压的电流，在两电极或电极与焊件间及气体介质间产生的持久放电而引发的电弧，其特点为：低电压（一般为10~50V ），大电流（一般为几安~几千安），温度高（5000~30000K）。等离子弧是利用等离子焊炬将阴极和阳极间的自由电弧压缩成高温、高电离、高能量密度的电弧。其特点为：能量集中密度大，温度高（18000~24000K ）熔透力强，焰流速度大（可超过300m/s ） 。

★焊接电弧的特性

①焊接电弧由阴极区（接近阴极部分）、阳极区（接近阳极部分）和弧柱（阴极与阳极区域之间部分）组成。阴极区与阳极区所占范围很小，因此电弧长度主要由弧柱长度决定。

②电弧电压与电弧长度成正比。当焊接接头周围条件（介质、温度等）不变，给定电流不变，电弧稳定燃烧时，电弧具有保持最小能量消耗的特性，称为最小电压原理。

③当电极材料、气体介质和弧长不变的情况下，电弧稳定燃烧时，焊接电流和焊接电压的变化关系，是电弧的静特性。它决定焊接电弧对焊接电源的要求。不同电弧焊方法其电弧的静特性不相同。

2弧焊电源的特性

弧焊电源是能按要求供给焊接电弧电能，并具备电弧焊所要求的电气性能的设备。它是由变压器、整流器或发电机以及各种电器元件组成。其特性主要由以下参数描述。

①当焊接回路处于无负载运行时，弧焊电源输出端的电压为空载电压。在满足电弧稳定燃烧的情况下，应尽可能地降低空载电压。

②短路电流（Ix）是在弧焊过程中电极与焊件发生短路，此时焊机输出的电流最大，弧焊电源会出现危险但短路电流过小，又不易引弧。因此建议：Ix=（1.25～2）倍的额定电流（（I额定）。

③弧焊电源的外特性。即弧焊电源稳定输出的电流与其电压间的关系。

④弧焊电源的动特性。即弧焊工作时的动态变化。要求弧焊电源必须具备根据动态负载提供电流和电压相对时间的变化特性。

⑤弧焊电源的调节特性。即根据弧焊电源的静特性和外特性的关系，当弧长确定时。对每一弧长，电源只有一个对应的电流和电压。因此，选择不同焊接工艺参数时，就要求电源能够提供不同的特性曲线，以满足焊接需要。

⑥焊接电源的负载持续率。是指焊接电源在工作时会发热，温升过高将损毁电源设备，其升温的程度取决于输出电流的大小，而工作性质（间歇或连续）不同，可使用的电流也不同，用焊接周期所需设备的负载时间和工作时间（含辅助时间）周期的百分比表示。

焊接坡口的作用是保证焊件在全部厚度上完全焊透。

焊缝的结合形式有：对接焊缝，角焊缝，塞焊缝和端焊缝。

不同厚度的钢板对接（特别对重要的焊接结构）时，如果厚板厚度大于薄板厚度30%或超过5mm，厚板应削薄。当直形焊口与曲线焊口对接时，应保证曲线焊口能有一段直的部分相接。

习题3. 熔焊焊接的基本方法有哪些？电弧焊和气焊各有何特点？

答：熔焊焊接的基本方法有：气焊、电弧焊、铝热焊、气体保护焊、等离子焊、电子束焊、激光焊等。 电弧焊是在电弧调温的作用下，焊条和被焊金属（母材）被熔化，在母材焊接处形成金属熔池；焊条表面有药皮，焊接时焊条一方面作为电极同时本身被熔化，作为填充金属熔入熔池中。药皮在调温下分解并熔化产生大量保护性气体，保护粉池及焊缝免受空气的有害作用。

气焊是利用可燃气和氧气混合燃烧的热量熔化金属进行焊接的方法。可燃气体主要是乙炔、氢气和天然气。使用最多提是氧-乙炔焊（一般说的气焊即指此种方法）。根据氧和乙炔不同的混合比，火焰可分三类：氧化焰，用于黄铜和镀锌薄板焊接；中性焰，用途很广，主要用于中、低碳钢，低合金钢、不锈钢，紫铜、青铜，铝及铝合金，铅、锡、镁合金以及灰铸铁焊接；碳化焰，多用于高碳钢，各种铸铁、高速钢、硬质合金、蒙耐尔合金、碳化钨及铝青铜等焊接。

习题4. 什么是焊接热影响区？低碳钢的焊接热影响区的组织和性能。

答：焊接热影响区是指焊缝两侧金属因焊接热作用而发生组织和性能变化的区域。由于焊缝附近各点受热情况不同，热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区。

①熔合区：是焊缝和基本金属的交界区。此区温度处于固相线和液相线之间，由于焊接过程中母材部分熔化，所以也称为半熔化区。此时，溶化的金属凝固成铸态组织，未溶化金属因回执温度过高而成为过热粗晶。在低碳钢焊接接头中，熔合区虽然很窄（0.1-1mm），但因其强度、塑性和韧性都下降，而且此处接头断

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面变化，易引起应力集中，所以熔合区在很大程度上决定着焊接接头的性能。

②过热区：被回执到AC3以上100-200℃至固相线温度区间。由于奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，故塑性及韧性降低。对于易淬火硬化钢材，此区脆性更大。

③正火区：被加热到AC1到AC3以上100-200℃区间，金属发生重结晶，转变为细小的奥氏体晶粒。冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其力学性能优于母材。

④部分相变区：相当于加热到AC1-AC3温度区间。珠光体和部分珠光体发生重结晶，转变为细小的奥氏体晶粒。部分铁素体不发生相变，但其晶粒有长大趋势。冷却后晶粒大小不均，因而力学性能比正火区稍差。

习题5. 减小焊接应力的工艺措施和消除焊接残余内应力的方法。

答：焊接应力的存在将影响焊接构件的使用性能，其承载能力大为降低，甚至在外载荷改变时出现脆断的危险后果。对于接触腐蚀性介质的焊件（如容器），由于应力腐蚀现象加剧，将减少焊件使用期限，甚至产生应力腐蚀裂纹而报废。

对于承受重载的重要结构件、压力容器等，焊接应力必须加以防止和消除。首先，在结构设计时应选用塑性好的材料，要避免使焊缝密集交叉，避免使焊缝截面过大和焊缝过长。其次，在施焊中应确定正确的焊接次序。焊前对焊件预热是较为有效的工艺措施，这样可减弱焊件各部位间的温差，从而显著减小焊接应力。焊接中采用小能量焊接方法或锤击焊缝亦可减小焊接应力。第三，当需较彻底地消除焊接应力时，可采用焊后去应力退火方法来达到。此时需将焊件加热到500-650℃，保温后缓慢冷却至室温。此外，亦可采用水压试验或振动消除焊接应力。

习题6. 中、低碳钢焊接的特点及焊材的选用。

答：低碳钢有良好的焊接性，焊接过程中一般不采取特殊的工艺措施。中碳钢碳的质量分数（CE）为0.25%-0.60%，当其处于0.25％时，如含锰%低，其焊接性能良好。随碳质量分数增加，焊接性变差。在采用手弧焊时，可采取焊前预热或减小熔合比等措施予以改善。编制中碳钢焊接工艺应注意几方面：

1）为防止裂纹和改善韧性可对焊接接头进行预热。焊接接头附近至少要有100-200mm范围的预热区，预热温度一般在150-250℃范围；2）焊条应使用碱性焊条，采用U型坡口，并且选用小电流并降低焊接速度；3）对大件、厚件、高刚性件、承受动载荷或冲击载荷的工件，一般选用600-650℃回火。

含C＞0.6%高碳钢的焊接性极差，很少用于焊接结构，多数用于焊补修复。

焊接的特点是集中热源，局部加热，使焊件处在不均匀的温度场内，所产生的热应力造成焊接变形，焊件冷却后出现的残留变形有纵向和横向收缩变形、弯曲和扭曲变形、角变形和波浪变形。控制这些变形可采用的方法：①合理安排装配和焊接次序；②利用反变形法控制残余变形；③利用刚性固定法控制残余变形等。

手弧焊是指用手操作的电弧焊方法。它利用焊条和焊件间产生的电弧孤使焊条和焊件同时局部熔化，以达到焊接的目的。

焊接材料

①焊条。用于手弧焊的可熔化电极称焊条，是由金属焊芯和涂于焊芯外部的药皮红成。其技术特性是：易引弧；药皮能均匀熔化无脱落；少烟雾和飞溅；保证焊芯的化学成分和力学性能；焊缝成形好，渣皮易清除；可达到GB3323-87焊缝射线探伤标准II级。不同金属材料应用不同材质的焊条。选用焊条可参照相应国家标准。对于同一直径的焊条，其电阻率越高长度应越短。例如，不锈钢的电阻率是碳钢的5倍，所以焊条长度相对碳钢焊条要短。

②药皮。焊接结构钢使用焊条的药皮，最常用的是钛钙型（酸性焊条）和低氢钠型（碱性焊条）。凡以酸性氧化物（氧化钛、硅砂等）为主要成分做外皮涂料的为酸性，如钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型等。凡以碱性氧化物（氧化钙等）为主要成分做外皮涂料的为碱性。使用钦钙型焊条，其熔渣流动性好，易脱渣，电弧稳定，熔深适中，飞溅小，焊波整齐，适用全位置焊接，交、直流及正、反接均能使用。使用低氢钠焊条，其熔渣流动性好，工艺要求一般，采用短电弧，熔深适中，焊波粗，焊接时要求焊条必须干燥，可全位置焊接，电源为直流反接。

★手弧焊焊接工艺参数的选择：①使用碱性低氢钠焊条，因其电弧稳定性差，应使用直流电源。酸性焊条是交、直流两用焊条，多数使用交流电源。②手弧焊的焊接电流不能过大或过小。在保证焊接质量的前提下，尽可能选用大电流，以提高生产效率。对奥氏体不锈钢，当与普通碳钢用同一直径焊条时，工作电流应小于碳钢的20%。③使用的焊条可根据焊件厚度进行选择。

使用低氢纳焊条时，只能选用直流电源。使用低氢钾焊条可选用直流或交流电源。对酸性焊条虽可交、直流两用，但应尽量选用交流电源，也可按生产需要的焊接电流或根据工作要求及焊机的特性选用。

电弧在焊剂层下进行焊接的方法称埋弧焊。有自动埋弧焊（工序全部由机械完成）和半自动埋弧焊（手

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送焊丝）。优点是焊接电流大，焊件坡口小，工作速度快，焊剂的保护效果好，工艺要求低。唯一缺点是只能平焊。

埋弧焊的焊接工艺主要是选择和确定焊接电流、电弧电压和焊接速度。焊接电流和电流密度直接与焊条直径有关，焊条直径越大，焊接电流越大，电流密度越小。电弧电压可选两段：22～34V；34～60V。焊接速度一般选用10～40m/h和40～100m/h。

2利用钨或活化钨（钍钨、铈钨）做电极的惰性气体保护焊（TIG），称钨极惰性气体保护焊。利用氩气做保护气体的，称钨极氩弧焊——氩弧焊。氩弧焊分手工焊、半自动焊和自动焊，应用最广的是手工氢弧焊。其工艺特点是：可适用于易氧化、化学活泼性强的金属；电弧稳定，故适用焊接薄或超薄材料，并可适用于各种位置的焊接；不产生飞溅，焊缝美观。其缺点是工作电流不能过大，有碍提高生产效率，与其他焊接手段比较，生产成本较高。

2氩弧焊焊接工艺参数的选择：1.根据使用电流种类可采用直流正、反接电源和交流电源；2.氩弧焊在使焊件处于负级时，具有阴极清理作用，适于焊接易氧化金属。3.钨极氩弧焊的钨极的尺寸是一项重要的工艺参数。钨极尺寸（直径、顶端直径及夹角）不同，工作电流不同，如不匹配则引弧、稳弧均受影响。钨极直径越大，选用的电流也越大。4.氩弧焊的坡口形式及尺寸可参阅GB 985.5.选择焊接速度应根据：焊接导热性好的材料，应该选择比母材导热速度快的焊接速度；对有热裂倾向的材料，焊接速度不宜选择过大；对平焊，则可适当提高焊接速度。

氧气瓶工作压力15MPa，容积40L。

乙炔气是由碳化钙（电石）加水反应生成的。

气割是利用氧乙炔焰及高压氧流氧化燃烧金属，以割断工件的方法。被割金属必须具备以下条件方可采用气割：燃点比熔点低；燃烧生成的氧化物熔点比金属熔点低；金属被燃烧时，能放出大量热量。气割的操作可分三个步骤：预热，碳钢约1100～1150℃；利用喷出的高速氧流使金属燃烧、氧化；利用高速氧流吹掉氧化物的熔渣，使被割物形成切口并直到全部切割完成。

焊接定位器是保证焊件在模具或焊接平台上焊接时的尺寸和形状位置的常用工具。有挡铁、支承钉、定位销、V型块和定位样板五类。挡铁用于平面定位，定位销用于孔定位，V型铁用于圆柱体或圆锥体定位，定位样板用于已焊件和未焊件间的指定定位。为使用灵活，定位器有：可拆卸，可进退，可翻转或其他生产需要的形式。设计定位器时必须考虑其耐磨度、刚度和制造及安装精度。

焊接用夹紧装置可分为手动和气动两大类。手动夹紧装置结构简单，制造容易，有自锁和增力能力，设计其高度时，应考虑保持在0.8～1.0m范围内，操作力应在150N以下较为恰当，同时必须保证有自锁能力。气动夹紧装置的特点是夹紧速度快，夹紧力稳定，操作方便，无污染，利于程序控制，广泛用于装焊生产线。其主要类形有：气动拉紧器，气动楔一杠杆夹紧器，气动铰链一杠杆夹紧器和气动杠杆一铰链夹紧器（典型结构可参见相关手册）。将气缸改为液压夹紧装置。

2焊接滚轮架按结构可分长轴式滚轮架和组合式滚轮架。长轴式滚轮架主要用于细长且薄的焊件组对与焊接。和组合式滚轮架可适应多种焊件，能很好控制焊接速度。

2为使焊件能在任何情况均处于焊接的有利位置，可利用翻转机构。翻转机构可沿水平轴或倾斜轴翻转，使焊件按需要速度旋转并使焊件处于焊接的最佳位置。翻转机可分为：框架式，头尾架式，链式，环式和推举式。

习题7. 电弧焊的气焊各用哪些基本的工艺装备？

答：属于电弧焊的焊接方法有多种，普遍使用的是手弧焊和埋弧自动焊。手弧焊使用的基本工艺装备有：焊条、药皮、电源。埋弧自动焊使用的基本工艺装备有：焊丝、焊剂、送丝焊机。气焊设备有：氧气瓶、氧减压器、乙炔发生器（乙炔瓶及乙炔减压器）、回火保险器、焊（割）距和胶管。焊接工艺装备可分为基本装备、工夹具和辅助设备三大类。

习题8. 焊接前必须进行哪些准备？

答：焊接前必须的准备：1）准备好必须的工艺装备；2）选择好合适的工艺参数。

4.9 表面处理

习题1. 什么是表面处理？其目的、作用是什么？

表面处理（表面工程）是使材料或零件表面具有特殊的成分、结构和性能（或功能）的化学、物理方法与工艺。

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表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。 对于金属铸件，我们比较常用的表面处理方法是，机械打磨，化学处理，表面热处理，喷涂表面，表面处理就是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等。

★表面处理的特点与分类

表面处理具有以下特点：①它主要作用于基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。②采用表面涂（镀）、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零、部件的耐磨性和耐蚀性，降低生产成本。③表面处理兼有装饰和防护功能。④化学气相沉积、物理气相沉积、掩膜、光刻技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元、器件的基础技术。⑤计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处理技术发展成为三维零件制造技术，创造了生长型制造法，降低了零、部件制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。⑥表面处理己成为制备新材料的重要方法，如可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。

表面工程技术分类：①表面改性技术；②表面微细加工技术；③表面加工三维成型技术——快速原型制造；④表面合成新材料技术。

2一般涂料主要是由成膜物质、颜料、溶剂、助剂四部分组成。涂装材料主要包括：预处理材料、涂料、后处理材料。

2涂膜质量的评价

涂膜性能检测内容：基本物理性能的检测，其中有外观及光学性质、力学性能和应用性能（如重涂性、打磨性等）；物理环境变化时的有关性能检测，如对光、热、声、电等的抵抗能力的检测；耐化学防腐性能的检测，主要是检查涂膜对各种化学品的抵抗性能和防腐蚀性能；耐久性能的检测。

习题2. 常用的表面处理技术有哪些？

酸洗、喷砂、喷丸、发兰、磷化、涂漆、电镀等。

★习题3. 简述涂装工艺的一般过程和轿车车身的典型涂装工艺。

①涂装预处理工艺。普通装饰性涂装常采用脱脂和浸蚀处理；普通防护装饰性涂装，一般进行脱脂、浸蚀及磷化处理；高级涂装，采用脱脂、浸蚀、表面调整、磷化及钝化处理。表面处理工艺方式有喷淋式、浸泡式、喷浸结合式。

②涂料涂覆。涂漆的工艺方式依据产量、被涂物形状及质量要求确定。产量高的多用流水线作业，自动或半自动喷涂。形状复杂的工件可采用白动喷涂与人工喷涂相结合。

通常采用空气喷涂、高压无气喷涂、静电喷涂、静电粉末喷涂、电泳涂装（阴极电泳涂装优于阳极电泳涂装）、喷漆室（干式喷漆室、水帘式喷漆室、无泵式喷漆室、水旋式喷漆室、射流式喷漆室）。

轿车车身典型涂装工艺：手工预擦洗（高压水冲洗）——进入预处理设备（预清洗、预脱脂、脱脂、水洗、表面调整、磷化、水洗、钝化、循环去离子水洗、新鲜去离子水洗、烘干、热风吹干、冷却）——进入电泳涂装设备泳涂底漆（采用电泳涂装法涂阴极电泳底漆、电泳后清洗、在槽上用UF液冲洗（浸、喷）、用新鲜去离子水去离子水淋洗、用循环去离子水浸洗、用新鲜去离子水冲洗、晾干或吹干漆面的水滴）——在175～180℃下烘干24min，强制冷却一检查（表面质量、膜厚、干燥程度）一所有缝隙处理涂密封胶一车身底板下表面喷涂PVC车底涂料一去遮蔽，车身内帖或铺防振垫片，擦净车身外表面——在120～140℃下烘干10～15 min一中涂前准备，按需进行打磨电泳底漆层，擦净表面——采用“湿碰湿”或一次喷涂干膜厚度35～40μm的中涂层，晾干5～10 min——140℃下烘干20min，强制冷却——检查（表面质量、膜厚、干燥程度）——涂面漆前的表面准备，按需进行湿打磨——擦净被涂表面——采用“湿碰湿”工艺喷漆面漆（手工喷涂车身内表面和自动涂装难以涂到的表面、手工或自动静电喷涂第一道面漆或底色漆、手工或自动空气喷涂第二道面漆或底色漆、晾千或热风吹干、手工喷涂在车身内表面罩光清漆、车身外表面手工或自动静电喷涂罩光清漆、晾干）——在135～140℃烘干20min，强制冷却——最终检查（检查涂层的外观质量、膜厚、干燥程度），合格品抛光装饰后发往总装，不合格品送往返修或小修补漆。——空腔注蜡：涂装合格的车身在送往总装内饰前，为提高内腔的耐蚀性需进行灌或注蜡处理。

轿车车身的涂装需进行43套工序。

热喷涂、喷焊、堆焊技术都是利用热能（如氧一乙炔火焰、电弧、等离子火焰等）将具有特殊功能的涂层材料熔化涂敷在工件上形成涂层的技术。这些技术的特点之一是可以制备比较厚的涂层（0.1～10mm），因此，对于制造具有复合结构的机械零件和各类零件的修复非常有用。

★习题4. 简述热喷涂工艺及其技术特点。

热喷涂技术是采用各种热源使涂层材料加速熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速

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撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。

其技术特点：①在各种基体上制备各种材质的涂层。金属、陶瓷、金属陶瓷以及工程塑料等都可用做热喷涂的材料；而金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可做为热喷涂的基材。②基体温度低。基材温度一般在30～200℃之间，因此变形小，热影响区浅。③操作灵活。可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层，并可在野外作业。④涂层厚度范围宽从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制；喷涂效率高，成术低，喷涂时生产效率为每小时数千克到数十千克。

热喷涂技术的局限性主要是热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。 ★习题5. 热喷涂的工艺流程和常用的热喷涂方法特点有何不同？

热喷涂工艺流程：基体表面预处理（清洗、粗化、粘结底层）——热喷涂（热能产生、热能与喷涂材料交互作用、颗粒与基体交互作用）——后处理（封孔、密实化）——机加工（车削、磨削、抛光）。

①火焰喷涂一般通过氧一乙炔气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料，通过压缩空气雾化并加速喷涂材料，随后在基体上沉积成涂层。

火焰喷涂的优势在于投资设备少，操作容易，设备可携带到现场施工，无电力要求，沉积效率高等，至今仍是喷涂纯钼层的最好选择。但是涂层氧含量较高，孔隙较多，涂层结合强度偏低，涂层质量不高。

②电弧喷涂。两根彼此绝缘并加有18～40v直流电压的线形电极，由送丝机构向前输送，当两极靠近时，在两线顶端产生电弧并使顶端熔化，同时吹入的压缩空气使熔融的液滴雾化并形成喷涂束流，沉积在工件表面。

电弧喷涂只能用于具有导电性能的金属线材，当前主要用于喷涂锌铝防腐蚀涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，用于大型零件的修复和表面强化。电弧喷涂的涂层密度可达70%～90%，比火焰涂层要致密，结合强度（10～40MPa）要高，运行费用较低，喷涂速度和沉积效率都很高，因此是喷涂大面积涂层尤其是长效防腐锌、铝涂层的最佳选择。

③等离子喷涂采用等离子火焰作为热源对喷涂材料进行加热。等离子体是由电离子的原子、分子、离子与电子组成的导电气体。热喷涂是高温低压等离子体，约有1%以土的气体被电离，具有几万度的温度。等离子体高效加热除了等离子火焰温度高（可达到2000K）以外，提供巨大能量的一个重要原因是分子气体分解成原子气体以及电离时发生的能量变化。

等离子喷涂的最大优势是焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别是适合喷涂高熔点材料。等离子喷涂层的密度可达85%～90%，真空喷涂可达到95%～99.5%，结合强度达35～70MPa，而且涂层中夹杂较少，喷涂质量优于火焰喷涂层。

④爆炸喷涂也属于燃烧喷涂的一种，由美国联合碳化物公司发明，其设备和工艺参数至今仍然保密。技术关键在于爆炸枪的构造，它包括一个长的水冷枪筒，并开有进气门和送粉口。氧气和燃料输送到枪管内，同时喂入一份喷涂粉末，然后点火器点燃混合气体，引起燃烧爆炸，使喷涂粉末加热和加速，并以超音速的速度喷射出枪管，沉积在基体表面，粉末每喷射一次，就通入一股脉冲氮气清洗枪管。此过程重复多次就可获得涂层。

爆炸喷涂最大特点是射流速度高，喷涂温度低，所以不适宜喷涂陶瓷等高熔点材料，但喷涂碳化物类金属陶瓷材料时，可有效地抑制碳化物的分解，并可保证获得高密度、高强度的涂层。因此爆炸喷涂是喷涂含碳化物金属陶瓷的理想方法。爆炸喷涂效率非常低，运行成本较高。

⑤超音速火焰喷涂实质上与普通火焰喷涂一样，只是多了一个使喷涂火焰达到超音速的机构。超音速火焰喷涂的工艺特性与爆炸喷涂一样，射流速度高而焰流温度相对较低，同样适合喷涂含碳化物涂层材料，结合强度略低于爆炸喷涂，涂层杂质较少，涂层残余应力小，在某些情况下甚至可以得到残余压应力，因此可以喷涂更厚的涂层（最高喷涂过12.7mml的不锈钢涂层）。超音速火焰喷涂燃料消耗大，虽然其喷涂效率比爆炸喷涂略高，但喷涂成本仍然比较高。

2所有热喷涂过程都取决于四个基本因素：设备、材料、工艺和人员，称之为4M因素，严格控制4M因素，可以获得优良的热喷涂涂层。

2在热喷涂过程中涂层材料受热后的温度和加速后的速度是决定涂层强度的两个关键因素，所有热喷涂的工艺设计与改进都围绕这两点展开。

2热喷涂材料分为金属热喷涂材料（线性和粉末两种形式），陶瓷热喷涂材料、塑料热喷涂材料、热喷涂用复合材料。

2最成功的热喷涂防腐涂层是锌、铝涂层，可用于大型桥梁、海洋钻井平台、水利设施等，使用寿命达到20年以上，塑料涂层是一种较好的防腐涂层，适合于化工、食品行业。

2热喷涂技术同样可以用于改善机械零件的抗高温氧化性能。连续退火炉的炉底辊采用超音速火焰喷涂

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Cr2C3-NiCr涂层，在900℃以下是非常好的耐磨层。在900℃以上，则可以采用大气等离子喷涂氧化锆涂层。

2热喷涂涂层质量标准，常用的指标是显微硬度或宏观硬度、结合强度、涂层厚度及界面和涂层显微结构等。

2喷涂含碳化物金属陶瓷哪种热喷涂工艺最好？

2采用爆炸喷涂工艺，由于喷涂温度低，可有效地抑制碳化物的分解，同时其超音速的喷射速度可保证获得高密度、高结合强度的含碳化物金属陶瓷涂层，所以爆炸喷涂是喷涂含碳化物金属陶瓷的理想方法。超音速火焰喷涂同样适合喷涂含碳化物涂层材料，结合强度略低于爆炸喷涂。等离子喷涂、火焰喷涂均无法保证质量。

2电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，起到防止腐蚀、提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。

2电镀的目的是改善材料的外观，赋予材料表面的各种物理化学性能，如耐蚀性、装饰性、耐磨性、钎焊性以及导电、磁、光学性能等。电镀具有工艺设备简单、操作方便、加工成本低、操作温度低等特点，是表面工程技术中最常用的方法。按镀层的性能可分为三类：防护性镀层、防护装饰性涂层和功能性涂层。任何一种电镀层都必须满足三个基本条件：与基体金属结合牢固，附着力好；镀层完整，结晶细致，孔隙少；镀层厚度分布均匀。

★常用电镀工艺及实施方式

电镀的实施方式最常见的方式有挂镀、滚镀、刷镀和高速连续电镀等。

挂镀是生产中最常用的一种方式。挂镀的特点是适合于各类零件的电镀，特别适合于外形尺寸较大的零件。挂镀时单件电流密度高且不会随时间而变化，槽电压低，镀液温升慢，带出量小，镀件均匀性好；但劳动生产率低，设备和辅助用具维修量大。挂镀的主要设备包括镀槽、电源、挂具等，辅助设备如阴极移动装置、压缩空气搅拌、连续过滤装置等。

滚镀是将欲镀零件置于多角形的滚筒中，依靠零件自身的重量来接通阴极，在滚筒转动过程中实现金属电沉积的。滚镀最大优点是节省劳动力，提高生产效率，设备维修费用少且占地面积小，镀层均匀性好。但镀件不宜太大和太轻；单件电流密度小，电流效率低，槽电压高，槽液温升快，镀液带出量大。滚镀设备包括镀槽、滚桶（多为六角形，也有圆形、八角形等）、电源等。滚镀主要通用于尺寸较小，批量较大的零件。

刷镀，也称涂镀、局部镀、选择性电镀。它是通过有饱吸电解液包套的阳极与作为阴极的零件表面接触，并做相对运动，电解液中的离子在阴、阳极间进行电化学反应，使金属离子沉积，在零件表面形成金属镀层的工艺过程。刷镀不需要电镀槽，具有设备简单、工艺灵便、沉积速度快、镀层与基体材料结合力好，环境污染小等优点。普遍用于填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀和孔洞、修复加工超差和尺寸磨损的零件以及改善局部性能等，但不适用于面积大、尺寸大的零件修复，也不能用于大批量零件的生产。刷镀的设备包括电源、镀笔等。可用刷镀的方法沉积的金属有20多种，合金10多种。

连续电镀主要用于薄板、金属丝和金属带的电镀。镀锡钢板、镀锌薄板和钢带、电子元件引线、镀锌铁丝等的生产均采用连续电镀技术。连续电镀采用垂直浸入式或水平运动式、盘绕式。连续电镀时金属丝或金属带在镀槽中连续通过，电镀时间较短，因此，要求镀液允许使用的电流密度高、导电性好、沉积速度快、镀液的成成分变化不显著和对杂质不敏感等。

电镀的工艺过程包括镀前处理（抛光或打磨、脱脂、除锈、活化等）、电镀、镀后处理（钝化和浸膜）。 镀层质量主要取决于镀层金属自身的性能，但镀液的组成、电镀规范、析氢的影响、基体金属的特征及镀前处理等均有重大影响。

2镀锌层纯度很高，属阳极性镀层。锌层对钢铁基体起机械保护作用，还起电化学保护作用。

2镀铜层属阴极性镀层，它仅能对基体金属起机械保护作用。镀铜层通常不单独用作防护装饰性镀层，而是作为镀层的底层或中间层，以提高表面镀层与基体金属结合力。

2镀镍层属阴极性保护层，对底金属仅起机械保护作用。除某些医疗器械、电池外壳直接使用外，镀镍层常常用作底层或中间隔层。

2镀铬层属阴极性镀层，仅起机械保护作用。装饰性镀铬，底层一般是经抛光或者说电沉积的光亮镀层（镀铜一锡合金或光亮镀镍层）。

2电镀层质量评价

电镀层质量检查包括镀层外观（均匀性、颜色、光亮度、结晶状况和宏观结合力等）、镀层厚度、耐蚀性、结合力，还有延展性、显微硬度、脆性、耐磨性、可焊性等。但镀层的外观、厚度、耐蚀性和结合力是所有镀层都必须检查的内容。检查方法和评判遵循国家标准。

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★ 4.10 装配

任何机器或产品都是由许多零件和部件所组成。按照机器或其组成单元所规定的技术要求，将若干零件结合成组件，并进一步结合成部件及至整台机器或产品的装配过程，分别称为组装、部装和总装。

可以单独进入装配（组装、部装、总装）的零件、组件或部件均称为该装配过程的装配单元。任何装配过程均有若干装配单元参与。

基准零件与基准组件、基准部件是该装配过程的基础，其作用一是该装配过程从其开始，二是其连接进入该装配的其他有关装配单元并决定它们之间的相互位置。

装配是整个机器或产品制造过程的最后阶段，包括装配过程、调试、检验等工艺技术工作。凡是装配好的机器或产品必须达到规定的装配精度要求。

装配精度主要包括：零、部件间尺寸精度、相对运动精度、相互位置精度、接触精度等。 零件、部件间尺寸精度：包括配合精度和距离尺寸精度。

相对运动精度：系指具有相对运动的零件、部件在运动方向和运动位置上的精度。 相互位置精度：包括零件、部件间的平行度、垂直度、同轴度和各种跳动精度等。 接触精度：系指两配合表面、接触表面间的接触面积与接触点分布要求。

影响装配质量的主要因素包括：机械产品结构的装配工艺性，零件、部件的加工质量，装配工艺的合理性，零件、部件的清洁度，装配车间的环境条件（如温度、湿度、清洁度、振动、噪声、光照等），装配工具与工人技术水平，检验工具与仪器精度以及装配过程的管理等。

习题1. 何谓装配尺寸链，装配方法与装配尺寸链的关系。

反映进入装配的零件、组件、部件之间的尺寸和位置关系的尺寸链，称为装配尺寸链。

装配方法与装配尺寸链密切相关。选择何种在技术上和经济上合理可行的装配方法来保证达到规定的装配技术要求，从装配尺寸链的观点看，就是保证其封闭环达到规定的装配技术要求。可以讲，各种装配方法都是建立在装配尺寸链求解原理的基础上的，而所谓求解装配尺寸链，就是综合分析考虑装配技术要求和制造经济性等诸方面，确定其各组成环公差和达到封闭环精度的方法。

习题2. 从装配尺寸链求解原理分析，试述保证装配精度的五种方法以及它们的特点。

可保证装配精度常用的五种装配方法为：完全互换装配法、部分互换装配法、选择装配法、修配装配法和调整装配法。

完全互换装配法特点：进入装配的零件、组件、部件无需任何选择或修整，装配后即能达到规定的装配精度。

部分互换装配法（亦称大数互换装配法）特点：在绝大多数同批产品中进入装配的零件、组件、部件无需选择或修整，装配后即能达到规定的装配精度。但有极少量产品在装配后其封闭环误差可能会超过规定的装配精度要求。

选择装配法特点：其可将装配尺链中组成环的公差放大到经济可行的程度，装配时选择“合适”的零件进入装配，保证达到装配精度的要求。

修配装配法特点：装配时根据装配实际的需要，改变装配尺寸链中某一预定组成环的尺寸，即对该组成环（零件）进行补充加工或就地临时配制，使封闭环达到规定的装配精度要求。

调整装配法特点：其达到封闭环规定精度的原理与修配装配法相同，只是只是采取的补偿方法不同，它是采取改变可动补偿件的位置或选择装入一个合适的固定补偿件来改变补偿环的尺寸，以达到封闭环的规定精度。

滚动轴承部件装配

安装轴承时的装配压力应直接施加于轴承的配合套圈的端面上，严禁通过其滚动体传递装配压力。 1. 圆柱孔滚动轴承安装

不可分离型滚动轴承：若其内圈与轴为过盈配合，外圈与外壳孔为间隙配合时，可先将轴承安装在轴颈上，通过垫在轴承内圈上的套筒施加装配压力，将轴承压装在轴颈上，而后将轴与轴承组件装入外壳孔中。反之，则先通过装配套筒向轴承外圈施加装配压力，将轴承压入外壳孔，而后将轴的轴颈装入轴承内圈孔内。

分离型滚动轴承：可分别将轴承外圈和内圈装入外壳孔与轴的轴颈上，然后调整工作游隙。

精密轴承或配合过盈量大的轴承：常采用温差法装配，其加热温度不应高于100℃，冷却轴承多采用低温箱或固态二氧化碳（干冰）冷却。

2. 安装时轴承游隙的调整

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⑴滚动轴承游隙与测量。滚动轴承游隙分为径向游隙和轴向游隙，分别表示轴承的外圈或内圈固定时，其内圈或外圈沿径向或轴向由一个极限位置到另一个极限位置的移动量。滚动轴承工作游隙过大，会造成其内载荷不稳定，运转时产生振动，轨迹漂移，精度与疲劳强度降低，寿命减低；工作游隙过小，会造成运转温度过高，易产生“热咬合”。

安装轴承时应根据机构工作精度、使用条件、转速，选择合适的工作游隙。同时应考虑安装时轴承与轴或轴承与孔的配合公差以及运转时的温升对工作游隙的影响。

轴承工作游隙可直接在安装到设备后进行测量，也可以将安装好轴承的组件或部件放置在检验装置上测量。

⑵圆锥孔滚动轴承径向游隙调整。通过调整该轴承内圈沿轴颈圆锥面的移动量L，可调整其与轴颈配合的过盈量和其径向工作游隙。其中，径向工作游隙减小量△与轴承内圈轴向移动量L之间的关系为△=（1/15）L。

⑶圆锥滚子轴承、角接触球轴承的工作游隙调整。这两类轴承通常都是成对使用，轴承的工作游隙必须在装配时调整，一般采用调整垫圈、调整螺母和调整隔套等方法进行轴承工作游隙的调整。

调整垫圈法的特点：通过调整法兰盘端面与壳体孔端面之间的调整垫圈厚度a改变轴承的轴向工作游隙。其应用场合：该类轴承一般是轴转动，其内圈与轴为过盈配合，而外圈与壳体孔为间隙配合。

调整螺母法的特点：轴承工作游隙由调整螺母进行调整，先锁紧螺母使轴承游隙为零，然后将螺母松开一定角度α，使轴承得到规定的工作游隙△。应用场合：该类轴承一般是其外圈为转动部分，轴静止，外圈与外壳孔为过盈配合，内圈与轴为间隙配合。

调整隔套法的特点：通过改变两轴承外圈之间的隔离套尺寸和两轴承内圈之间隔离套的尺寸，进行轴承工作游隙△的调整。应用场合：成对安装的角接触球轴承。

⑷滚动轴承负工作游隙的调整。为提高滚动轴承的支承刚度和回转精度，滚动轴承在安装时需要进行预紧，即进行负工作游隙调整。

①预紧方法。滚动轴承预紧分为径向和轴向两类。径向预紧可利用锥孔轴承内圈沿其相配合的锥颈作轴向移动，使其胀大来实现。②预紧力的测量。利用隔套预紧时，应测出在给定预紧力F作用下轴承内圈与外圈的端面间错位量，以确定隔套厚度，从而在安装轴承和隔套后获得预紧力F。

圆柱齿轮传动部件装配

1.装配质量要求。运动精度、齿轮副接触斑点、齿轮副隙和工作平稳性均应达到规定的质量要求。

2.运动精度的调整。为控制传动件误差的积累，装配精密齿轮传动部件时通常利用传动件误差的相位不同，即传动件的最大误差的最高点和最低点，采取定向装配法补偿齿轮齿圈径向跳动和齿距累积误差。

3.圆柱齿轮副接触斑点的调整。导致齿轮副接触不良的因素常是安装轴的轴线平行度误差，可通过修刮轴瓦或微量调节轴承支座位置，使安装轴的轴线平行度误差符合GB 1095-88的规定。平行度误差符合CAB 1095-58的规定。常见的接触斑点分布位置及相应调整方法如表4.10-2所示。（习题4）

4.齿轮副侧隙的调整。一般采取调整齿轮副的中心距方法进行齿轮副侧隙的调整。 习题3. 试述装配时滚动轴承游隙的调整方法。

圆锥孔滚动轴承径向游隙调整。通过调整该轴承内圈沿轴颈圆锥面的移动量L，可调整其与轴颈配合的过盈量和其径向工作游隙。其中，径向工作游隙减小量△与轴承内圈轴向移动量L之间的关系为△=（1/15）L。

习题4. 试述常见的圆柱齿轮副接触斑点分布位置及相应的调整方法。

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第五部分 管理/经济

5.1 安全/环保

习题1. 什么是“预测性保养”？它比“预防性保养”有哪些优点？

答：预测性保养是使用各种类型的传感器来预测设备的磨损和潜在的损坏，从而来预测和判断设备的运行状态是否正常，是否需进行维护保养。

预测性保养是比预防性保养（PM）更为先进的一种保养形式。它是在设备监测技术基础上产生的一种新的设备维护保养方式，与“预防性保养”相比，其区别和优点如表5-1所示。

项目 预防性保养 预测性保养

分析方法 根据设备修理历史记录，估计零件使用期限 根据仪表指示，对设备进行全面评价，绘制零件的标准工作曲线图

异常现象测定方法 定期检查、直观检查有关零件的情况，发生故障很少有警报 用仪表在设备运行中连续进行监测，能早期测出即将发生的故障，故障发生前有警报信号

维修费用 零件更换数量大、费用多，但不用购置监测仪表 只对坏损的零件才更换，费用少，但要购置自动监测仪表，投资较多，一般在化工装置，自动流水线，大型设备等情况下才安装

生产设备的保养目前有三种方法：全面修理、预防性保养（又叫计划性保养，简写为PM）和预测性保养。

全面修理，指在日常正确保养下如每天清洗设备和加润滑油，某些机件损坏后的全面修理。

预防性保养的内容是：定时向设备注入润滑油；根据磨损寿命按时强迫更换设备中的易损零件；无论设备有无问题定时调整和全面检查设备。实施预防性保养（PM）可延长设备使用寿命，避免经常性的或突发严重的设备损坏事故，可靠地保证质量并提高生产安全水平，减少了平时的保养时间，由于设备利用率的增加而提高了生产率和降低了成本。

习题2. 生产车间中机械设备最容易对人身造成哪些伤害？

答：在生产车间中，机械设备最容易对人身造成以下六种伤害：

1）卷绕和绞缠：做回转运动的机械部件在运转时，人们靠近不慎头发、饰物（如项链）肥大的衣袖、裙子的下摆被卷入回转部件，卷缠后会对人身造成重大伤害。

2）卷入和碾压：在靠近相互啮合的齿轮间、齿轮与齿条、带与带轮、链与链轮进入啮合部位的夹紧点，以及两个轧辗之间夹口，不慎时均会引发卷入事件，滚动的旋转件会对人身造成严重的碾压伤害。

3）挤压、剪切和冲撞：做往复直线运动的设备零部件（机床移动工作台，输送带链，剪、冲床压料装置和刀具）当安全距离不够，常会对人身造成夹挤，冲撞和剪切手指等伤害。

4）飞物打击和物体坠落打击：由于紧固件松动或脱落引起被紧固运动零部件的飞出，高速运动零件的自身破坏碎块甩出，切屑的崩甩，高处掉下的零件，工具，吊挂零件因夹挂不住引起物体坠落；不平衡，重心不稳发生设备、装置倾翻，人工搬动不当脱手等均会对人身造成不同程度的砸伤。

5）切割，戳扎和擦伤：刀具的锋刃、工件毛刺、切屑的锋利飞边，机械设备的尖棱，锐边，砂轮或手坯

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的粗糙表面，机械结构上的凸出部分都容易引起人的伤害。

6）跌倒和坠落：地面乱堆物或地面凹凸不平，或接触面过于光滑、油污，也易造成打滑、跌倒和摔伤。

加工机械安全技术措施，机械加工设备安全技术中一般安全要求应符合GB 5083-1985《生产设备安全卫生设计总则》，GB 12266-1990《机械加工设备一般安全要求》，GB 12801-1991《生产过程安全卫生要求总则》以及GB/T 4064-1983《电气设备安全设计原则》。此外还应遵从专业和行业标准的规定。

（1）采用本质安全技术，也称固有安全技术，系指机器设备设计时就应当满足机器自身安全的要求。其中包括结构和动力源充分考虑安全的设备。（2）防护装置，机器设备上外露的运动部件、工具和危险作业区．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．均应装备防护罩、防护屏或栏杆，活动栏板开启时应接通联锁装置，使设备不能启动。（3）压力加工设备安．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．全装置，压力加工设备包括冲压设备、压力机、弯板机和剪板机等。压力加工最根本的安全技术措施是送料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．机械化和操作过程自动化，尽量不让人参与。如做不到时，应采用防护栏杆以及各种安全控制装置。压力加工设备安全装置必须符合GB/T 8176-1987《冲压车间安全生产通则》、GB 509 1-1985《压力机的安全装置技术要求》。

起重机安全技术中主要有两方面：（1）起重机零部件的安全。如起重机关键零部件吊钩、钢丝绳、卷筒、．．．．．．．．．．．．．．．．．．滑轮等，其使用、维修必须符合GB 6067- 1985《起重机械安全规程》的要求。 ．．．

（2）起重机安全装置。必须要具备超载限制器、力矩限制器、上升极限位置限制器、运行极限位置限制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．器和缓冲器以及联锁保护装置等各项安全装置。 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

习题3. 机器人和“生产自动机”最主要的安全措施是什么？ 答：机器人工作场所应有以下安全防护措施：

1） 应设自检安全功能系统，以防止病毒给机器人电脑系统带来危害。

2） 机器人的自由度应根据工艺要求选择，为保证安全不应采用自由度冗余或过多的机器人。

3） 机器人周围必须根据其运动范围设置防护栏杆，其入口应与控制系统互锁，以保证一旦有人进入隔离区时机器人不能开动。

生产自动线的主要安全措施如下：

（1） 自动线四周应该设围栏，实行封闭式作业。

（2） 自动线启动时应有声响和灯光信号，并设自动线所处状态的灯光信号。

（3） 各台设备上应设紧急事故安全联锁开关，以保证出现设备故障或操作失误时立即停止运转。 （4） 在工件传输系统交接处和一定长度内（10m左右）必须设置醒目的急停联锁开关。

预防燃烧和爆炸的技术措施是：（1）对工业生产厂房的设计和布置，对防火等级、防火间距以及消防用水等均应按照GBJ16-1987《建筑设计防火规范》执行。（2）厂房内的一切电气设备均应符合QB 50058-1992《爆炸和火灾危险场所电力装置设计》的要求。（3）对可能形成易燃或易爆性的可燃气体，应有良好的自然通风或机械强迫通风。应该用可燃气体浓度检测仪加以监视。（4）控制各种火源。如明火、高温高热表面、电气火花、静电火花、摩擦火花的自燃等。

此外，还应该用火灾早期及发展期的火灾信息，如烟火光、温度等传感器和监测仪表组成火灾报警网，以便在火灾一出现时就能组织力量及时扑灭。

触电事故规律①季节性明显，尤其在潮湿多雨的季节，电气设备的绝缘性能有所降低；②低压设备触电事故多，因低压设备使用广泛普遍；③电气连接部位触电事故多，因为部位机械牢固性差，电气可靠性也较低，是薄弱环节，易出现故障。

防触电技术措施①使用安全电压。安全电压取决于人体电阻和人体允许通过的电流。我国规定的安全电压为12V和36V；②重验绝缘。只有绝缘物遭到破坏时，人才能触及带电体，所以应该经常检查绝缘是否完好；③屏护。当不使绝缘或绝缘不足以保证人身安全时，应该用栅栏、护网等屏护装置。当用金属材料制成屏护装置时必须接地或接零；④间距。为防止人体或车辆触及或过分接近带电体造成事故，在带电体与地面之间，带电体与其他设备之间，带电体相互之间均需保持一定的安全距离。此距离的大小取决于电压的高低、设备的类型、安装方式等各种因素。⑤接地接零。接地与接零是触电后防止电击的重要安全措施。接地是指将电气设备的线路中某一部分同大地相连。接零是指电气设备中不带电的导电部分（如金属机箱）同电网中零线连接在一起。

防静电的基本措施：第一，减少静电荷的产生；第二，将带电体进行局部或整体的静电屏蔽，屏蔽体应．．．．．．．．．

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可靠接地；第三，在设计、制造工艺装置时，尽量避免存在静电放电的条件。

习题4. 生产中噪声会造成哪些影响和人体伤害？

答：长期接受高噪声会使人的听力下降直到耳聋；并同时会诱发神经、心血管、消化内分必等疾病，噪声也会影响人们的正常工作和生活，并常常掩盖了生产中的各种报警信号而引起事故，会对人体造成严重伤害。

噪声的控制和防护：（1）从源头上控制噪声噪声源于振动，原则上减少或消除振动能降低和消除噪声。因此，各种机械设备设计时要用合理的结构措施，如改变材料、改变零部件结构、提高结构刚度，同时采用平稳无冲击的传动装置形式和结构等，以便从源头上消除或降低震动和噪声的产生。（2）吸声。在声源多面、分散，混响声突出，工作地处于工作较多的声场中时，可在工厂周围悬挂吸声板降低噪声。（3）隔声。通常将噪声大的设备四周用隔声间或隔声罩密封起来将噪声与人隔离。这是控制噪声对人影响的有效措施。隔声材料要求密实而厚重，如隔板、砖、水泥、木板等。（4）消声和减振。对气流造成的噪声可用专门的消声器降低噪声。在振动大的机器设备上减振、隔振和加大阻尼也能减少噪声。

习题5. 造成环境污染的主要工业源有哪些？

答：工业污染源是指工业生产中产品的废水、废气、废渣、废热和放射性物质的排放。

工业废气主要来源于锅炉、工业炉窑、火电厂、炼焦炉、水泥厂等相关工业产生的大气污染物，以及汽车、摩托车排气污染物共33种，主要是二氧化硫、颗粒物、一氧化碳、二氧化碳以及一些苯类有机化合物等。

工业废水主要来源于造纸工业、船舶、船舶工业、海洋石油工业、纺织染整工业，肉类加工业，合成氨工业、钢铁工业，航天推进剂，兵器工业，磷肥工业，烧碱、聚氢乙烯工业，酒工业等的水污染物。

工业固体废弃物主要来源于各种工业生产工艺过程中的固体废物，国家公布了49类危险废弃物。

工业废气处理技术主要有：吸收法、吸附法、催化法、燃烧法、冷凝法、生物法、膜分离法。

工业废水工业废水中主要污染物为重金属、有机物、悬浮物、放射性物质、色度、氨氮、磷以及油类化合物等。处理技术主要有：物理法、化学法、物理化学法、生物法。

几种工业废水处理及水资源再利用的典型工艺路线：

①印染工业废水治理。印染工业废水中的主要污染物为较高浓度的有机物COD和BOD。悬浮固体SS，高色度以及根据印染工艺不同而排放的各种碱液、浆液和染色添加剂等。针对此种废水多采用厌氧/好氧组合生化处理与物化处理相结合的方法，对有机物、悬浮固体和色度进行针对性的治理，简要工艺流程为：调节池—顶处理（如格栅、除砂、计量、预沉）—厌氧处理—好氧处理—沉淀—最终加药混凝沉淀处理—排放。如需要水资源回用，可根据回用水质的要求采用进一步混凝—过滤—消毒的物化处理方法。在处理工艺中所产生的生物污泥和化学污泥必须经浓缩脱水后集中填埋处置。

②钢铁工业废水治理。钢铁工业的主要生产流程可分以下8类，选矿、烧结、焦化、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等产生的。主要污染物为悬浮物SS、PH、有机物、挥发酚、油类和少量氰化物，采取的主要工艺多为：预处理（如冷却、漩流、沉淀）—隔油处理—好氧系统—混凝沉淀过滤处理—一排放和初步回用；如需要高要求的水资源回用，可根据回用水质的要求采用进一步过滤—脱盐—消毒的物化处理方法。

③糖酒类工业废水治理。糖酒类工业产生废水中的主要污染物为高浓度的有机物COD和BOD，酒糟类悬浮固体SS，以及根据酿造工艺不同而排放的各种污染物等。针对此种废水多采用UASB厌氧处理、生化处理与物化处理相结合的方法，对高浓度有机物和悬浮固体进行针对性的治理，简要工艺流程为：预处理—酸碱度调节—UASB厌氧处理一简单好氧处理—沉淀—排放。如需要水资源回用，可根据回用水质的要求采用进一步混凝一过滤—消毒的物化处理方法。在处理工艺中所产生的生物污泥和化学污泥必须经浓缩脱水后集中填埋处置。

④城市生活污水治理与回用。城市生活污水中的主要污染物为有机物COD和BOD悬浮固体ss，氨氮、总磷等，以及城市工业企业排放的各种污染物等。市政污水处理多采用生化处理与物化处理相结合的方法，简要工艺流程为：预处埋（进水格栅、提升泵站、除砂、计量等）—好氧处理—沉淀—排放。如需要水资源回用，可根据回用水质的要求（绿化、景观河道、冲厕等）采用进一步混凝—过滤—消毒的物化处理方法。在处理工艺中所产生的生物污泥必须经浓缩脱水后集中填埋处置。

工业固体废弃物。根据国家有关部委联合颁布的《国家危险废物名录》，共列出49类危险废弃物；在国家危险废弃物名录中并不全是固体废弃物，在生产工艺过程中产生的废酸、废碱、废有机溶剂等也被列为危险废弃物。其他工业固体废弃物被归类为一般工业固体废弃物。在《中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法》中，国家对固体废物污染环境的防治采用减量化、资源化和无害化的“三化”治理原则，即实行减少

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固体废弃物的产生、充分合理利用固定废弃物和无害化处置固体废弃物的原则。处置技术主要有：海洋处置（倾倒、焚烧）、陆地处置（土地耕做处置、深井灌注处置、土地填埋处置）。但陆地处理所选场地应符合当地城乡建设总体规划要求。①应选在工业区和居民集中区主导风向下风侧，厂界距居民集中区500m以外。②应选在满足承载力要求的地基上，以避免地基下沉，特别是不均匀或局部下沉。③应避开断层、断层破碎带、溶洞区以及天然滑坡或泥石流影响区。④禁止选在江河、湖泊、水库最高水位线以下的滩地和洪泛区。⑤禁止选在自然保护区、风景名胜区和其他需要特别保护的区域。

习题6. 环境保护法的基本方针和政策是什么？

答：环境保护法的基本方针：坚持环境保护基本国策，推行可持续发展战略，贯彻经济建设，城乡建设、环境建设同步规划、同步实施、同步发展的方针，积极促进经济体制和经济增长方式的转变，实现经济、社会效益和环境效益的统一。

环境保护法的基本政策：预防为主、防治结合的政策；污染者负担的政策；强化环境管理的政策。 ．．．．．．．．．．

6个环境保护法律是：中华人民共和国环境保护法、大气污染防治法、噪声污染防治法、固体废弃物污染环境防治法、水污染防治法和海洋环境保护法。

习题7. 我国对环境管理都有哪些制度。 答：（1）环境影响评价制度：为了严格控制产生新的污染，对可能影响环境的工程项目，在兴建前，应进行环境影响评估，获得有关主管当局批准后，方可实施。

（2） “三同时”制度：与新建工程项目配套的环境保护设施，必须与主体工程同时设计、同时施工、同时投产。

（3） 征收排污费用制度：根据污染者负担的原则征收排污费。 （4） 限期治理制度：对现有的存在严重污染的企业实行限期治理。

（5） 环境保护许可证制度：排污者应向环境行政主管部门申报其污染物的排放和防治情况，并接受监督和管理。

从事有害或可能有害环境的活动必须事前向有关管理机关提出申请，并经审查批准，发证后方可进行。

环境标准通常是指为了防治环境污染、维护生态平衡、保护社会物质财富和人体健康、保障自然资源的合理利用，对环境保护中需要统一规定的各项技术规范和技术要求的总称。

环境标准层次：分为国家环境标准、地方环境标准和国家环保局标准。国家环境标准分为：环境质量标准、污染物排放标准、方法标准、标准样品标准和基础标准。地方标准只有地方环境质量标准和地方污染物排放标准（或控制标准）。地方标准不能与国家标准相冲突，地方标准必须严于国家标准。地方标准颁布后，管辖区域内的一切企事业单位执行地方标准。国家环保局标准是指对环保中的污染治理设备和环保仪器设备的环保指标进行的统一规范，以及在环保工作中对环境影响评价、检测技术规范等统一技术要求。当相应国家标准公布后该标准即行废止。该标准属于推荐性标准，唯有法律和行政法规规定强制执行后，才能转化为强制性标准。

所谓清洁生产，是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头控制污染，提高资源利用率，减少或避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或消除对人类健康和环境的危害。这是环境保护法对所有生产、服务企业的要求。

企业在进行技术改造过程中，应当采取的清洁生产措施有：①采用无毒、无害或低毒、低害的原料，替代毒性大、危害严重的原料。②采用资源利用率高、污染物产生量少的工艺和设备，替代资源利用率低、污染物产生量多的工艺和设备。③对生产过程中产生的废物、废水和余热等进行综合利用或循环使用。④采用能够达到国家或地方规定的污染物排放标准和污染物排放总量控制指标的污染防治技术。⑤产品和包装物的设计，应当考虑其在生命周期中对人类健康和环境的影响，优先选择无毒、无害、易于降解或便于回收利用的方案。企业应当对产品进行合理包装，减少包装材料的过度使用和包装性废物的产生。⑥企业应当在经济技术可行的条件下对生产和服务过程中产生的废物、余热等自行回收利用或转让给有条件的其他企业和个人利用。⑦生产大型机电设备、机动运输工具以及国务院经济贸易行政主管部门指定的其他产品的企业，应当按照国务院标准化行政主管部门或其授权机构制定的技术规范，在产品的主体构件上注明材料成分的标准牌号。

根据《中华人民共和国清洁生产促进法》清洁生产应进行审核，即要求：①企业应当对生产和服务过程中的资源消耗以及废物的产生情况进行监测，并根据需要对生产和服务实施清洁生产审核。②污染物排放超过国家和地方规定的排放标准或者超过经由有关地方人民政府核定的污染物排放总量控制指标的企，应当实

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施清洁生产审核。③使用有毒、有害原料进行生产或在生产中排放有毒、有害物质的企业，应当定期实施清．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．洁生产审核，并将审核结果报告所在地的县级以上地方人民政府环境保护行政主管部门和经济贸易行政主管．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．部门。④清洁生产审核办法，按国务院经济贸易行政主管部门会同国务院环境保护行政主管部门制定的执行。 ．．．

ISO 14000是国际标准化组织制定的环境管理领域的国际标准的总称。它包含了7个方面内容即：环境管理体系、环境表现评价、环境审核、生命周期评价、环境标志、产品标准中的环境因素、术语和定义等。

ISO 14000的目标是通过建立符合各国的环境保护法律、法规要求的国际标准，在全球范围内推广ISO 14000系列标准，达到改善全球环境质量，促进世界贸易，消除贸易壁垒的最终目标。

ISO 14000的主要特点坚持自愿的原则；具有广泛的适用性；灵活性；兼容性；全过程预防；持续改进原则。“预防为主”是贯穿ISO 14000系列各标准的主导思想；持续改进是ISO 14000系列标准的灵魂。

标准之间的关系：ISO 14000是规范。既是组织建立环境管理体系的依据、必须做到的要求，又是对进行环境管理体系进行审核的准则，其模式是描述环境管理体系建成后的运行状态。ISO 14004是指南性质的标准，其内容仅供组织做为自愿使用的内部管理工具，提供步骤和方法，不能用于对环境管理体系的审核和认证。

5．2 与职业相关的道德、法律知识

公民道德建设的主要内容：《纲要》指出：“从我国历史和现实的国情出发，社会主义道德建设要坚持以为人民服务为核心，以集体主义为原则，以爱祖国、爱人民、爱劳动、爱科学、爱社会主义为基本要求，以社会公德、职业道德、家庭美德为着力点”。

习题1. 我国公民基本道德规范的内容是什么？

答：爱国守法、明礼诚信、团结友善、勤俭自强、敬业奉献。 习题2. 试述机械工程师职业行为规范的主要内容。

答：具体如下：①应在自身的能力和专业领域内提供服务并明示其具有的资格。②要以国家的现行法律、法规和规章制度规范自己的行为，必须承担自身行为的责任。③依靠自身职业表现和服务维护职业的尊严、标准和自身名誉。④在处理职业关系中不应有种族、宗教、性别、年龄、国籍或残疾等偏见。⑤在为每个组织或用户承办业务时要做忠实的代理人或委托人。⑥工程师应诚信公平对待同事和专业人士。

总的“机械工程师职业道德规范”由职业品德，职业能力及服务、促进人类进步的意识和行为三部分组成。

习题3. 简述我国的会计基本制度？“财务三表”指哪“三表”？ 答：我国的会计基本制度包括会计法和国家统一的会计制度。

会计法是会计法律制度中层次最高的法律规范，是制定其他会计行政法规和会计规章的依据，是指导会计工作的最高准则。包括以下基本内容：总则、会计核算；公司、企业会计核算的特别规定；会计监督；会计机构和会计人员；法律责任和附则等共七章52条。

国家统一的会计制度是指国务院财政部门根据“会计法”制定的关于会计核算、会计监督、会计机构和会计人员以及会计工作管理的制度。包括包括规章、准则、办法等。

财务三表是指资产负债表、利润表和现金流量表。

资产负债表是反映企业在一定日期（如月末、季末、年末）资产、负债、所有者权益的会计报表。 利润表是反映企业在一定时期（如月、季、年）内盈利或亏损情况的会计报表。

现金流量表是反映企业在一定时期内现金及现金等价物的流入量、流出量及净流量的会计报表。

会计要素，是会计核算对象的基本分类，是设定会计报表结构和内容的依据，也是进行确认和计量的依据。会计要索主要包括资产、负债、所有者权益、收入、费用和利润。

财政部颁布的《企业会计制度》是贯彻执行《会计法》的重要步骤。也是完善我国企业会计核算制度，统一会计核算标准，提高会计信息质量的具体措施。

增值税纳税人划分为一般纳税人和小规模纳税人两种。

增值税税率：①一般纳税人适用的税率有基本税率和低税率两档。基本税率：纳税人销售或进口货物，提供加工、修理修配劳务的，税率为17%。低税率：纳税人销售或进口下列货物按低税率计征增值税：粮食、食用植物油；自来水、暖气、冷气、热水、煤气、石油液化气、天然气、沼气、居民用煤炭制品；图书、报

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纸、杂志；饲料、化肥、农药、农机、农膜；农业产品；金属矿采选产品、非金属矿采选产品（原油、人造原油、井矿盐适用17%的税率）和国务院规定的其他货物，税率为3%。②小规模纳税人适用的税率。一般为6%。对商业企业小规模纳税人为4%。

增值税的免税项目主要有：①农业生产者销售的自产农业产品。②避孕药品和用具。③古旧图书。④直接用于科学研究、科学实验和教学的进口仪器、设备。⑤外国政府、国际组织无偿援助的进口物资和设备。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⑥来料加工、来件装配和补偿贸易所需进口的设备。⑦由残疾人组织直接进口供残疾人专用的物品。⑧销售．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．自己使用过的物品。

《增值税暂行条例实施细则》规定了起征点政策。如：①销售货物的起征点为月销售额500～2000元。②销售应税劳务的起征点为月销售额200～800元。③按次纳税的起征点为每次（日）销售额50～80元。

增值税起征点的规定只适用于个人。个人销售额没有达到起征点的，免征增值税；超过起征点的，应按其全部销售额依法计算缴纳增值税。

消费税共有14个档次的税率，最低3%，最高45%。如：实行比例税率的汽缸容量在2000毫升以下的面包车，税率仅为3%；而卷烟的税率（指每条调拨价在50元以上的）则高达45%。实行定额税率的，如啤酒的税率为每吨220元，柴油的税率为每升0.1元。

营业税的纳税人是在中华人民共和国境内提供应税劳务、转让无形资产或销售不动产的单位和个人。交通运输业、建筑业、邮电通信业和文化体育业4类税目的税率为3%；金融保险业、服务业、转让无形资产和销售不动产4类税目的税率为5%；娱乐业视不同经营内容税率则为5%～20%。

资源税税目税额幅度：最低者0.3～0.5元/吨（煤炭），最高者可达30～60元/吨（如原油、固体盐）。 企业所得税税率有法定税率和优惠税率两种。法定税率是33%；优惠税率是指对应纳税所得额在一定数额之下的企业给予低税率照顾，分为18%和27%两种。年应纳税所得额在3万元以下（含3万元）的减按18%的税率征收；年应纳税所得额超过3万元至10万元以下（含10万元）的，减按27%的税率征收。

习题4. 企业主要应缴纳哪些税种？

答：企业应缴纳的税种主要有：增值税、消费税、营业税、资源税、企业所得税等。

增值税是对销售货物或提供加工、修理修配劳务以及进口货物的单位和个人实现的增值额征收的税种。 消费税是对一些特殊消费品和消费行为征收的税种。 营业税是对有偿提供应税劳务、转让无形资产和销售不动产的单位和个人，就其营业收入额征收的税种。 资源税是以各种自然资源为课税对象、为了调节资源级差收入并体现国有资源有偿使用而征收的税种。 企业所得税是指对企业生产经营所得和其他所得征收的税种。 习题5. 什么是知识产权？

答：知识产权是指智力成果的创造人对所创造的智力成果和工商活动的行为人对所拥有的标记依法所拥有的权利的总称。

知识产权具有五个特征：无形性；法定性；专用性；地域性；时间性。 习题6. 我国知识产权法主要包括哪些内容？ 答；我国有关知识产权的法律法规主要有：《中华人民共和国商标法》、《中华人民共和国专利法》、《中华人民共和国著作权法》、《中华人民共和共反不正当竞争法》、以及相关的实施细则和配套条例。此外，我国加入的一系列有关保护知识产权方面的国际公约，如《建立世界知识产权组织公约》、《保护工业产权巴黎公约》、《保护文学艺术作品的伯尔尼公约》、《商标注册马德里协定》、《录音制品公约》、《专利合作条约》、《世界版权公约》等，也都构成我国保护知识产权法律体系的组成部分。

专利权是指由国家专利机关授予发明人、设计人或其所属单位等专利权人，在一定期限内对其发明创造亨有的专有权利。

专利权的主体是指参加特定的专利权法律关系并享有专利权的人。专利权的客体是指专利法保护的对象，即依法可以取得专利权的发明创造，包括发明、实用新型和外观设计。

授予专利权的发明和实用新型，应当具备新颖性、创造性和实用性。

对下列各项，不授予专利权：科学发现：智力活动的规则和方法；疾病的诊断和治疗方法；动物和植物品种（动物和植物品种的生产方法除外）；用原子核变换方法获得的物质。

专利申请的原则：先申请原则；优先权原则；一发明一专利原则。

发明专利权的期限为二十年，实用新型和外观设计专利权的期限为十年，均自申请日起计算。 侵犯专利权的诉讼时效为二年。

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商标是生产经营者在其生产、制造、加工、捡选或者经销的商品或者服务上采用的，区别商品或者服务来源的，由文字、图形或者其组合构成的，具有显著特征的标志。

注册商标的种类包括商品商标、服务商标、集体商标和证明商标。

侵犯注册商标专用权的行为包括：①未经商标注册人的许可，在同一种商品或者类似商品上使用与其注册商标相同或者近似的商标的。②销售侵犯注册商标专用权的商品的。③伪造、擅自制造他人注册商标标识或者销售伪造、擅自制造的注册商标标识的。④未经商标注册人同意，更换其注册商标并将该更换商标的商品又投入市场的。⑤给他人的注册商标专用权造成其他损害的。

著作权亦称版权，是指作者及其他著作权人对其创作的文学、艺术和科学作品依法享有的权利。著作权的主体①作者。②其他依照本法享有著作权的公民、法人或者其他组织。

著作权的内容是指著作权人享有的权利和承担的义务，包括以下两方面的内容：著作权的人身权和著作权的财产权。

著作权的保护期限：①作者的署名权、修改权、保护作品完整权的保护期不受限制。②发表权和其他财产权利的保护期为作者终生及其死亡后五十年。

不正当竞争是指经营者违反本法规定，损害其他经营者的合法权益，扰乱社会经济秩序的行为。

不正当竞争行为的具体表现：假冒行为；限制正常市场竞争；商业贿赂；虚假宣传；侵犯商业秘密；低于成本价销售商品；搭售行；不正当的有奖销售；商业诽谤；串通投招标行为。

不正当竞争行为的法律责任：民事责任；行政责任；刑事责任。

公司是由法定数额的股东共同出资依法设立的，以营利为目的的企业法人。

我国《公司法》所称公司是指依照《公司法》在中国境内设立的有限责任公司和股份有限公司。

公司每年应当提取当年税后利润的10%作为公司法定公积金（又称储备金）用于弥补公司亏损和扩大再生产、经营。

习题7. 有限责任公司和股份有限公司有何区别？ 答：两者有以下区别：

1） 有限公司股东数额为2-50人，既有上限又有下限，而股份有限公司则要求5人以上，只有下限，无上限；

2） 有限公司的股份不需等额，股东以其出资额为限承担责任，股份有限公司则将资本分为等额股份，股东以其认购的股份为限承担责任。

3） 有限公司不公开发行股票，股份有限公司则可以公开募股；

4） 有限公司的财产情况和帐目不需公开，其募股集资具有“封闭性”，而股份有限公司的财务状况则需要公开，募股集资具有“公开性”；

5） 有限公司的股份表现形式为出资证明，其股份一般不得随意转让，而股份有限公司的股份表现形式为股票，其股票可以自由转让。

合同是平等主体的自然人、法人、其他组织之间设立、变更、终止民事权利义务关系的协议。 国家质检总局对全国工业产品生产许可证工作实施统一管理。 习题8. 合同法的基本原则是什么？

答：平等、自原、公平、诚信、守法、不损害公共利益。

习题9. 哪些项目必须进行招标？招、投标法的基本原则是什么？

答：在中华人民共和国境内进行下列工程建设项目包括项目的勘察、设计、施工、监理以及与工程建设有关的重要设备、材料等的采购，必须进行招标，其工程建设项目包括：

1） 大型基础设施、公用事业等关系社会公共利益、公众安全的项目； 2） 全部或部分使用国有奖金投资或国家融资的项目； 3） 使用国际组织或外国政府贷款、援助资金的项目。 招、投标的基本原则是：

1） 任何单位和个人不得将依法必须进行招标的项目化整为零或以其他任何方式回避招标。

2） 依法必须进行招标的项目，其招标活动不受地区或部门的限制。任何单位和个人不得违法限制或排斥本地区、本系统以外的法人或其他组织参加投标，不得以任何方法非法干涉招、投标活动。

习题10. 什么叫“反补贴”和“反倾销”？各适用于哪些产业和产品？

答：反补贴是指针对一国对农业生产实行的补贴行为，采取反补贴调查、产业损害的确定及救济、征收

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反补贴税等行为。

反倾销是一国指针对他国企业的倾销行为，所采取的中止协议、征收反倾销税和反壁垒措施等行为。 反补贴往往针对的是农业（农产品）领域，而反倾销一般针对加工企业、尤其是工业品的出口。

世界各发达国家政府对农业生产实行的补贴，以便促进其出口，从而严重扭曲和扰乱了国际农产品市场，因而WTO规定农产品的各种出口补贴措施必须削减。发达国家应在6年内将农产品出口补贴全额在1986～1990年水平的基础上削减36%，发展中国家在10年内最低削减幅度在24%。根据WTO的规定，反补贴措施实施包括反补贴调查、产业损害的确定及救济、征收反补贴等各步骤及内容。

“反倾销”有关规则规定有以下三个条件：一国产品以低于正常价值的价格进入另一国市场，则该出口产品被视为倾销产品；该倾销产品对进口国相似产品工业造成实质性损害或产生实质性威胁，或实质性地阻碍某一相似产品工业的建立；倾销与损害有因果关系。

如果一国进入另一国市场的产品符合以上三个条件，进口国为了抵销或阻止倾销，可以对倾销产品征收不超过该产品倾销幅度的反倾销税。

各国通常的反倾销制裁措施主要有中止协议、征收反倾销税和反壁垒措施等。

2001年加入世贸组织。我国政府在经济和贸易方面做出了一系列承诺：主要包括关税和非关税措施；工业（汽车、信息产业、纺织品、石油、化工医疗）；农业；服务业；行政和法制等五个方面。其中主要为中国进口货物关税水平将下降到8.9%，同时农产品的平均关税水平将下降到15%。向中国提供电信服务的外国公司将可马上拥有25%的经营股份，并可在3年内达到占49%的股份，5年内外国运营商将可在中国全国范围内扩展业务。外国银行可立即向中国客户提供外币业务服务，5年内它们将可以向中国所有客户提供本币和外币业务服务。

WTO的基本原则：民主、法制、市场经济、和平协商、均衡和可持续发展原则。 WTO的四大宗旨：（1）提高各国人民生活水平，保证扩大就业。（2）扩大各国货物、服务的生产和贸易。（3）坚持走可持续发展之路，保证对世界资源最佳的利用，保护环境和维持生态平衡。（4）努力确保发展中国家尤其是不发达国家，在国际贸易增长中获得与其经济发展水平相应的份额和利益。

5．3 工程经济

2在条件相同时，物品的市场价格和需求之间的关系称为需求表，将表画成曲线即为需求曲线。 2价格和销售数量呈反比关系。这一性质称为“需求向下倾斜规律”。市场需求仍符合需求向下倾斜规律。 2下述5种因素通常影响了某一价格下某种商品需求量的变化：消费者的平均收入；人口；相关物品的价格；爱好或偏好；特殊因素。当上述5种因素中任一因素影响需求的变化时，就使需求曲线产生移动。

2平衡价格发生在供给与需求曲线的交点上。

2习题1. 哪些主要因素影响供给曲线？如何影响？

答：技术、投入原材料价格或投入品价格、相关物品价格、政府政策和特殊因素都是影响市场供给，继而影响供给曲线的主要因素。一般来说，①技术进步使得成本降低，供给增加，供给曲线右移；②原材料价格下降，使得成本降低，供给增加，供给曲线右移；③替代品的价格上升，另一种替代品的供给就会下降，供给曲给左移；④政府政策中，鼓励政策使得供给增加，供给曲线右移，反之则左移。⑤特殊因素也可以造成供给曲线的左移或者右移，需具体分析。

总成本如按经济职能可分为生产成本、销售成本和管理成本三类。按习性可分为固定成本和可变成本两大类。

生产成木指企业为生产产品或提供劳务而发生的成本，生产成本在加工企业也称制造成本。生产成本按其经济用途又可划分为“料、工、费”三大项目。

销售成本指企业为进行推销活动而发生的推销费用。

管理成本指企业为组织和管理生产经营活动而发生的成本。

凡成本总额在一定时期和一定产量范围内或称在相关范围内，不受产量增减变动的影响而固定不变的，称为固定成本。但若就单位产品中的固定成本而言，则与产量的增减成反比例的变化。

凡成本总额与总产量成正比增减变动关系的成本，称可变成本。但若就单位产品中的可变成本（或单位可变成本）而言则是不变的。

量一本一利基本关系式：利润=销售收入总额一成本总额

=销售单价3销售量－（固定成本总额＋可变成本总额）

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=销售单价3销售量－（固定成木总额＋单位可变成本3销售量） 即：P=px－（a＋bx）

在利用量一本一利关系计算利润时，应注意两点：①应采用专用的方法将企业的总成本划分为固定成本和可变成本。②量一本一利关系式中的利润是指利润总额或税前会计利润，即在计算利润时，成本总额中不包含所得税费用，但按销售收入的一定比率计算缴纳的营业税、销售税一般做可变成本处理。

单位贡献毛益是指产品的销售单价减去它的单位可变成本后的余额，计算公式为：单位贡献毛益（um=销售单价－单位变动成本=p－b。单位贡献毛益可反映企业产品的盈利能力，即每增加一个单位的销售可提供多少毛益。

贡献毛益总额是指产品的销售收入总额减去它的变动成本总额后的余额。其计算公式为：贡献毛益总额（Tum）=销售收入总额一变动成本总额=px－bx=（P－b）x=umx。贡献毛益总额指标意在反映它将给企业的营业利润做出多大贡献，当贡献毛益，总额超过固定成木总额时，企业才可能盈利。

贡献毛益率是指单位贡献毛益除以销售单价的百分率，或以贡献毛益总额除以销售收入总额的百分率。贡献毛益率反映的是企业每百元销售收入中，能提供多少贡献毛益。计算公式为： 贡献毛益率=（单位贡献毛益/销售单价）3100%=（贡献毛益总额/销售收入总额）3100%

可变成本率。是指以单位可变成本除以销售单价的百分比率，或以可变成本总额除以销售收入总额的比率。可变成本率反映的是每百元销售收入中含有多少可变成本。计算公式为： 可变成本率=（单位可变成本/销售单价）3100%=（可变成本总额/销售收入总额）3100%

贡献毛益率与可变成本率的关系：

保利销售量=（固定成本总额＋目标利润）/单位贡献毛益

保利销售额=（固定成本总额＋目标利润）/贡献毛益率=保利销售量3销售单价

价值是指产品的功能与成本之比，用公式表示为：

习题2. 分别写出总成本、毛利总额、毛利润率和保本点的销售量，写出保本点销售额公式。

答：1） 企业总成本是固定成本和可变成本之和。总成本=固定成本总额＋可变成本总额=固定成本总额＋（单位可变成本3产量）y=a＋bx

2） 毛利总额=销售收入总额-成本总额

=销售单价3销售量－（固定成本总额＋可变成本总额）

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=销售单价3销售量－（固定成本总额＋单位可变成本3销售量）

3） 毛利润率是指单位毛利除以销售单价的百分率或是毛利总额除以销售 收入总额的百分率，反映的是企业每百元销售收入中能提供多少毛利。 毛利润率=单位毛利/销售单价3100%=毛利总额/销售收入总额3100%

4） “保本点”是指使得企业利润等于零的销售点，这是一个企业的重要财务指标，保本点的计算有两种形式，一种是计算保本点的的销售量，另一种是计算保本点的销售额。

保本点销售量=固定成本总额/（销售单价-单位变动成本） 或=固定成本总额/单位贡献毛益 保本点销售额=保本点销售量3销售单价 或 =固定成本总额/贡献毛益率

式中C， F——用货币量表示，当V=1时，说明实现该功能所花费费用与其成本相适应，可认为比较理想的状况。当时，说明实现该功能的实际成本比其必要成本大，应该大力降低成本，使价值系数趋近于1。由于必要（最低）成本常常作为降低成本的目标，所以也称目标成本。价值系数小于1的功能，应作为价值工程活动的重点对象。

5．4 管理

2管理的基本职能，即管理工作所包含的基本活动内容是计划、组织、领导和控制。

2现代企业制度1.企业所有制。所有制就是产权归属制度。企业也有一个归谁所有的问题。有三类所有制：一是公有制，二是私有制，三是混合所有制。2.两权分离。即财产的所有权与经营权、占有权和使用权是分离的。3.企业财产组织形式。个人业主制或称独资企业；合伙制企业；公司制企业（公司制是现代企业制度的主体形式）。公司制是现代企业制度的主体形式。 习题1. 什么是生产率，如何计算劳动生产率？

生产率是一个国家、一个地区或一个行业生产力水平和经济发达程度的重要标志，是衡量组织从投入资源（人、设备、材料、能源、资金、信息等）经过转换而获得产出（产品或服务）整个过程的转换绩效的重要经济指标，通常用产出与投入的之率（生产率=产出/投入）来表示。

劳动生产率?一定时期的产出量

一定时期投入的劳动量

外部因素是提高组织生产率的条件和基础，是起间接作用的要素。内部因素是企业提高生产率的直接要素，两者相辅相成。

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方法研究的工作程序：明确任务—选取适当的技术、工具进行现场调查、测定、记录、汇总，发现问题，—分析、改进或重新设计—制定标准—实施、控制—规范化。

方法研究的记录工具主要有通用图形符号、要素工序图和专用程序图。

方法研究的分析、改进工具。主要有5W1H设问技术、工作改进的4种技巧、动作经济原则、检查表等。 5W1H设问技术是从目的、地点、时间、人员和方法等5个方面提出问题。 工作改进的4种技巧，对照程序图还可以从“取消”、“合并”、“重排”、“简化”四个方面考虑改进措施。 方法研究的记录工具和分析、改进工具之间的关系，可以简单的归纳为：通用符号和各种专用程序图主要是用以记录现状；而5W1H设问技术、工作改进4种技巧、动作经济原则、工作改进检查表等主要是用来分析现状、发现问题和为解决问题提供方向。使得改进系统更加合理，程序更加紧密，路径更直接，做到多、快、好、省。

在方法研究中一般将分析技术分为流程分析，作业分析和动作分析三个层次。

一个工艺过程的全部时间由三部分组成：基本工作时间；由于设计原因或工艺规程及制造方法产生的多余时间；由于管理不善及作业者的原因产生的无效时间。

习题2. 如何正确设计和使用生产工艺流程图、动作分析图？

答：正确设计和使用生产工艺流程图、动作分析图、要按照我国专业标准ZB/TJ04009-1990工艺流程图用图形符号要求进行编制，包含标题、现行方法或建议方法、图样编号或其他识别编号、绘制日期、绘制人员等；绘制的活动必须是实施的次序，根据需要有选择地将实现的作业、检验、运输、存储几大要素在纵向流程图上表示，对于要素的性质、消耗的时间、运输的距离依次表示在适当位置。

习题3. 如何保证工时抽样的准确性和可靠性？

习题4. 无效时间的分类，如何消除由于设计和工原因产生的无效时间？

答：无效时间包括由于设施才工艺原因产生的无效时间和由于管理不善及作业者原因产生的无效时间。 要消除由于设计和工艺原因产生的无效时间，先要遵循相关的研究方法，即按照：明确任务——选择适当的技术、工具进行现场调查、测量、记录汇总，发现问题——分析、改进或重新设计——制订标准——实施、控制——规范化等程序进行。然后 进行流程分析，按照“取消“、“合并”、“重排”、“简化”四个方面优化流程。

宽放率分为作业宽放率、生理宽放率、疲劳宽放率和管理宽放率。 直接测定法主要包括工时测定和工时抽样。

开展定置管理对提高现场管理水平和加强企业管理具有重要作用，其主要表现为：减少物品寻找时间，取送方便；有效地防止混料、损坏、变形等问题的产生；避免了物品的丢失和长期积压；充分利用作业空间；改善了现场环境；减轻作业者的劳动强度。有利于提高作业效率；有利于加强生产的计划性、加速物料周转，减少物料损耗，降低成本；有利于提高全体员工的素质。

最常用的起重搬运设备有：起重机、起重电梯、叉车、搬运车、自动导引车（ASV）和搬运机器人等。 运输机械。按其构造和使用特点分为：无轨道运输机械（载重汽车、自卸汽车、拖车、工程专用汽车等）；有轨道运输机械（蒸汽机车、内燃机车、电力机车、各种铁路车辆）；连续运输机械（带式输送机、螺旋输送机、斗式提升机等）；装卸与堆列机械（堆料机、队取机等）。

物料搬运器具是人工与机械化之间的桥梁，包括垫板、托盘、标准料箱、料架、料斗、装运箱、集装箱等。

习题5. 如何计算熟练系数m。Y=axm

习题6. 什么是定置管理的三种结合状态和三种关系，定置管理设计的内容是什么？ 答：定置管理的三种结合状态是指：物与人、物与场所、场所物品与信息的结合状态。 定置管理的三种关系是指：物与人、物与场所、场所物品与信息的关系。

定置管理设计的内容是：一是根据规划做好基础工作，包括确定区域划分原则和类型；二是进行定置管理设计，不同部门根据自身实际情况按照总体规划和要求，创造性地进行设计；三是进行定置实施及检查，不断总结与完善。

习题7. 5S活动与工业工程的关系。

55活动是指对生产现场各生产要素所处的状态，经常地进行整理、整顿、清扫、清洁和提高职工素质的活动。它是现场管理的主要方法之一。开展5S活动是一项群众性活动，白始自终贯彻着一条自我管理的原

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则，只有发动并组织广大职工共同参与，坚持经常化和制度化，使5S活动成为全体员工的自觉行动，才能使之持之以恒，真正做到不断改善现场管理工作。

任何物流工作所追求的最终目标就是以下七个“正确”，即将正确的产品按正确的数量和条件（包括安全），以正确的价格，根据顾客要求的时间和地点，准确无误地送交顾客。

25．5 管理创新

当代对制造业的管理思想要求制造企业从枣核型变成哑铃型，哑铃型指企业的主要力量放在研发和产品销售上即两头大，中间小，指的是缩小传统生产部门，企业只抓产品的装配和关键零部件的制造，而将大量的制造工作交给供应链系统中的其他中小企业。

MPⅡ是以生产计划为核心的企业制造资源的计划与控制系统，其生产计划分为三个层次，即主生产计划、物料需求计划和生产作业（日程）计划。它们分别用来编制产品进度计划、零部件进度计划和基层生产单位的工序进度计划。

MPⅡ系统保证企业的生产部门、技术部门、销售部门、供应部门、库存部门以及财务部门共同享用数据库中同一套数据，则企业中各部门在工作上相互联系、协调以及配合成一个整体，使企业能正常顺利运行。

ERP企业资源规划。在最佳的时间和地点，获得资源的最大增值和企业最大效益。ERP就从企业内部管理的MPⅡ扩展到企业外部管理。

精益生产（Lean Production，简称LP，也称精益制造LM）的基本原则就是“企业应该减肥”，其宗旨就是在企业中要消除一切形式的浪费，用以持续改进生产系统，实现客户最大满意的一组原则、观念和技术。精益生产注重通过内部挖潜来降低生产成本，以提高经济效益，精益生产方式的重要特点是强调人在经营活动中的主导作用，因此重视对员工的培养，重视建设良好的企业文化，在企业内部树立“同呼吸共命运”的观念，通过团队工作，建立QC小组，推行合理化建议制度和自标管理等最大限度地调动所有员工的积极性的创造性。

许多企业在实施精益生产时都将下列4项做为杜绝浪费的重要途径：①消除一切非增值过程或活动；②消灭所有停滞和等待；③没有废品、缺陷和返修；④不做不满足或超越客户的需求。

精益生产区别于传统生产的两大特色是准时制生产和所用工具看板。

生产中“看板”主要有三种作用：①传递取货指令和生产指令；②控制过量生产和过量储备；③加速资金周转和降低成本。

习题1. 什么是准时制（JIT）生产？它有何特点和优点？ 所谓“准时制（JIT）”就是在需要的时机生产所需的品种和数量，不允许提前生产和超额生产。

项目管理的目标：通过有效使用与控制人力、物力、财力、信息等资源，确保在规定时间内、上级批准的预算内、达到质量性能要求，最终使客户能满意接受项目的交付成果。

项目管理的过程：项目是有始有终的一次性任务，通常都会经历概念形成、研究开发、实施控制、移交收尾的过程，此过程也可称之为项目管理的生命期。按照项目实施顺序，将项目管理生命期分成四个阶段即启动项目、计划项目、实施跟踪与控制项目和收尾项目。

习题2. 工程项目一般有哪项特征？项目管理三要素是什么？ 答：工程项目的特征有4个：

①有明确的三维目标——质量要求、时间、成本；②一次性——特定的，针对具体项目；③有资源保障——人、财、物、信息等；④是有组织的活动——强调协调。

项目管理三要素是：团队、工具与技术和流程。

习题3. 灵捷性的含义是什么？灵捷制造的原理是什么？

灵捷性指的是制造企业能满足顾客要求的高质量、高性能产品和服务的要求。并能从急剧变化和多变的市场中适应变化、利用变化和改变变化，击败竞争者盈利获胜的能力。按照灵捷性进行的制造就称为灵捷制造。

灵捷制造的原理，具体体现在以下4个方面：①以竞争能力和信誉度为基础，选择合作伙伴，组成虚拟公司。②知识、技艺和信息是灵捷制造最重要的财富，将人与信息投入生产基层。③基于合作需要的伙伴间的信任、分工协作和为同一目标的共同努力，以增强企业整体的竞争能力。④以满足用户包括潜在用户的满意度，作为产品和服务质量评定标准和获取报酬的依据。

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灵捷制造提出：革新的组织和管理机构、柔性技术和掌握熟练技艺的有知识的人员，是实施灵捷制造的三块基石。

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