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1、1.5 机械零件的常用材料及其选择机械零件的常用材料及其选择机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。一、金属材料一、金属材料1.1.铸铁：铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2.2.钢：钢：结构钢、工具钢、特殊钢结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、不锈钢、耐热钢、耐酸钢等耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁铸铁常用金常用金属材料属材料钢钢铜合金铜合金-含碳量含碳量2%-含碳量含碳量 2%铁碳合金铁碳合金特点：特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。
2、良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。低廉。应用：应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 选用原则：选用原则：优选碳素钢，其次是优选碳素钢，其次是硅、硅、锰锰、硼、硼、钒类钒类合金合金钢钢。特点：特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：零件毛坯获取方法：锻造、
3、冲压、焊接、铸造等。锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用：应用范围极其广泛。应用范围极其广泛。表表9-2 9-2 常用材料的相对价格常用材料的相对价格材材 料料 种种 类类 规规 格格 相对价格相对价格热轧圆刚热轧圆刚 碳素结构钢碳素结构钢Q235（3342）1铸铸 件件优质碳素钢优质碳素钢（2950）1.51.8 合金结构钢合金结构钢（2950）1.72.5 滚动轴承钢滚动轴承钢（2950）3 合金工具钢合金工具钢（2950）320 4Cr9Si2耐热钢耐热钢（2950）5 灰铸铁铸件灰铸铁铸件 0.85 碳素钢铸件碳素钢铸件 1.7 铜合金、铝合金铸件铜合金、铝合金铸件 810 价格便宜且
4、供应充分 我国资源丰富 景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 3.3.铜合金铜合金-铜锌合金，并含有少量的铜锌合金，并含有少量的锰锰、铝铝、镍镍特点：特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用：应用范围广泛。应用范围广泛。种类种类青铜青铜黄铜黄铜轴承合金（巴氏合金）轴承合金（巴氏合金）-含锡青铜、不含锡青铜含锡青铜、不含锡青铜二、非金属材料二、非金属材料1.1.橡胶橡胶 橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量。橡胶富于弹性，能吸
5、收较多的冲击能量。常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。等。硬橡胶可用于制造用水硬橡胶可用于制造用水润润滑的滑的轴轴承承衬衬。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 2.2.塑料塑料 塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热热性、性、绝缘绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其机械制造中其应应用日益广泛。用日益广泛。3.3.其它非金属材料：其它非金属材料：皮革、
6、木材、纸板、棉、丝等。皮革、木材、纸板、棉、丝等。选材因素选材因素：设计机械零件时，选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。用途、用途、工作条件工作条件、物理物理、化学化学、机械工机械工艺艺性能性能、经济经济性。性。零件材料零件材料各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标和机械设计手册中查得。和机械设计手册中查得。为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料为了材料供应和生产管理上的方便，应尽量缩减材料的品种。的品种。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存
7、云教授研制 表表1 1 常用钢铁材料的牌号及力学性能常用钢铁材料的牌号及力学性能材材 料料 力力 学学 性性 能能 试件尺寸试件尺寸类类 别别 牌牌 号号 强度极限强度极限B B 屈服极限屈服极限S S 延伸率延伸率%mm%mmQ215 335-410 215 31 碳素碳素结构钢结构钢Q235 375-460 235 26 d 16 Q275 490-610 275 20 20 410 245 25 优质碳素优质碳素结构钢结构钢35 530 315 20 d 25 45 600 355 16 35 SiMn 883 735 15 d 25 合金合金结构钢结构钢 40Cr 981 785 9
8、d 25 20CrMnTi 1079 834 10 d 15 60Mn 981 785 8 d 80 ZG270-500 500 270 18 铸铸 钢钢ZG310-570 570 310 15 d100 ZG42SiMn 600 380 12 HT150 145 -灰铸铁灰铸铁HT200 195 -HT250 240 -壁厚壁厚1020QT400-15 400 250 15 球墨铸铁球墨铸铁QT500-7 500 320 7 QT600-3 600 370 3 壁厚壁厚30200景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 6 公差与配合、表面粗糙度和优先系数公差与配合、表面粗糙度和优先系数一
9、、一、公差与配合公差与配合互换性：互换性：零件在装配时，不需要选择和附加加工的就零件在装配时，不需要选择和附加加工的就 能满足预期技术与使用要求的特性。能满足预期技术与使用要求的特性。基本尺寸：基本尺寸：由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。由设计图纸给定的零件理论尺寸；为确定值。实际尺寸：实际尺寸：制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量制造加工后测量所得零件尺寸；由于测量 有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于有误差，所以实际尺寸并非真值。相对于 基本尺寸而言，总是有误差。基本尺寸而言，总是有误差。或大或小基本尺寸基本尺寸轴轴2525实际尺寸实际尺寸25.125.1轴轴24.924.9轴轴实际
10、尺寸实际尺寸实际尺寸实际尺寸基本尺寸基本尺寸实际尺寸实际尺寸24.924.9孔孔25.125.1孔孔2525孔孔景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 最小极限尺寸：最小极限尺寸：零件满足互换性要求的最小允许尺寸；零件满足互换性要求的最小允许尺寸；最大极限尺寸：最大极限尺寸：零件满足互换性要求的最大允许尺寸；零件满足互换性要求的最大允许尺寸；尺寸误差尺寸误差 ：实际尺寸与理论设计尺寸之差；实际尺寸与理论设计尺寸之差；上偏差上偏差 ：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：最大极限尺寸与基本尺寸之差；符号：ES,esES,es下偏差下偏差 ：最小极限尺寸与基本尺寸之差；符号：最小极限尺寸与基本尺寸
11、之差；符号：EI,eiEI,eiesesESESeieiEIEI尺寸公差：尺寸公差：最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即最大极限尺寸与最小极限尺寸之差；即 允许的尺寸变动量。允许的尺寸变动量。ES-EIES-EIes-eies-ei公差公差=L Lmaxmax-L Lmaxmax=ES-EI=ES-EI=es-eies-eiL Lminmin孔孔LL孔孔L Lmaxmax孔孔轴轴L LL Lmaxmax轴轴L Lminmin轴轴景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 轴轴L LL Lmaxmax轴轴L Lminmin轴轴零线：零线：代表基本尺寸所在位置的一条直线；代表基本尺寸所在位置的一条直
12、线；公差带：公差带：由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；由代表上、下偏差的两条直线所限定的区域；零线零线ESESEIEI孔公差带孔公差带eseseiei轴公差带轴公差带国标规定：孔与轴各有国标规定：孔与轴各有2828个，分别用如下符号表示：个，分别用如下符号表示：孔：孔：A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZCU V W X Y Z ZA ZB ZC轴：轴：a b c a b c cdcd d e d e efef f f
13、fgfg g h g h jsjs k m n p r s t k m n p r s t u v w x y z u v w x y z zaza zbzb zczc基本偏差：基本偏差：标准表列的，用于确定公差带相对于零线标准表列的，用于确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。位置的上偏差或下偏差，一般为靠近零线的那个偏差。+0 0-零线零线L L景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 孔：孔：A B C CD D E EF F FG G H A B C CD D E EF F FG G H JS K M N P R S T U V W X Y Z JS K
14、M N P R S T U V W X Y Z ZA ZB ZCZA ZB ZC轴：轴：a b c a b c cdcd d e d e efef f f fgfg g h g h jsjs k m n p r s t u v w x y z k m n p r s t u v w x y z zaza zbzb zczc基本偏差系列基本偏差系列呈正态分布BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔孔+0 0-基本尺寸基本尺寸bccddeefaffgg hkmnp rs tuvxyzzazbzcjs轴轴+0 0-基本尺寸基本尺寸景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研
15、制 配合：配合：基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间基本尺寸相同，相互结合的孔与轴公差带之间 的关系；的关系；间隙或过盈：间隙或过盈：孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差；孔的尺寸减去相配合轴的尺寸所得代数差；间隙：间隙：代数差为代数差为“+”+”，孔孔 轴轴;过盈：过盈：代数差为代数差为“-”-”，孔孔 轴，用于可动联接，如活动铰链；轴，用于可动联接，如活动铰链；孔孔 轴，用于静联接，如火车轮与轴。轴，用于静联接，如火车轮与轴。可能有间隙，也可能具有过盈。用于可能有间隙，也可能具有过盈。用于要求具有良好的同轴性而又便于拆装要求具有良好的同轴性而又便于拆装的静联接，如齿轮与轴；的静联接，如
16、齿轮与轴；最大间隙最大间隙:X Xmaxmax =孔孔maxmax-轴轴minmin最小间隙最小间隙:X Xminmin =孔孔minmin-轴轴max max 最大过盈最大过盈:Y Ymaxmax =孔孔minmin-轴轴max max 最小过盈：最小过盈：Y Yminmin =孔孔maxmax-轴轴min min 景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 间隙间隙配合配合孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带过盈过盈配合配合过渡配合过渡配合孔公差带孔公差带轴公差带轴公差带孔公差带孔公差带轴公差带轴公
17、差带孔公差带孔公差带Y YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxX XmaxmaxY YmaxmaxY YmaxmaxX XminminX XmaxmaxX Xminmin=0=0Y Yminmin=0=0轴公差带轴公差带X XmaxmaxY Yminmin景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 H零线零线D孔公差孔公差kjshgefrpms间隙配合间隙配合过渡配合过渡配合过盈配合过盈配合配合配合基准制基准制基孔制配合：基孔制配合：孔是基准孔，下偏差孔是基准孔，下偏差EI=0EI=0，代号为代号为:H:H，通过改变轴的公差带来或得各种不同通过改
18、变轴的公差带来或得各种不同的配合特性。的配合特性。基孔制配合基孔制配合基轴制配合基轴制配合应用广泛应用广泛 ，可减少孔加工刀具，可减少孔加工刀具 景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 零线零线hD轴轴公差公差KJSHGEFRPMS间隙配合间隙配合过渡配合过渡配合过盈配合过盈配合基轴制配合：基轴制配合：轴是基准轴，上偏差轴是基准轴，上偏差eses=0=0，代号为代号为:h:h，通过改变孔的公差带来或得各种不同通过改变孔的公差带来或得各种不同的配合特性。的配合特性。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 基孔制常用与优先配合的选用基孔制常用与优先配合的选用景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存
19、云教授研制 基轴制常用与优先配合的选用基轴制常用与优先配合的选用景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 二、二、表面粗糙度表面粗糙度轮廓峰谷线轮廓峰谷线轮廓峰顶线轮廓峰顶线轮廓峰高轮廓峰高yp轮廓谷深轮廓谷深yv中线中线lyx定义：定义：零件表面的微观几何形状误差称为零件表面的微观几何形状误差称为表面粗糙度表面粗糙度特征：特征：加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。加工后零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。评定参数：评定参数：轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差-取样长度取样长度l l内，被测轮内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：廓上各点至轮廓中线偏居绝对值的算术平均值：景
20、德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 0.012 0.025 0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 表表3 用不同加工方法得到的用不同加工方法得到的Ra 加工方法加工方法表面粗糙度表面粗糙度 Ra m精精 粗粗刨削刨削钻孔钻孔铰孔铰孔精精 粗粗镗孔镗孔精精 粗粗车车精精 粗粗磨磨精精 粗粗研磨研磨滚、铣滚、铣精精 粗粗Ra愈小，零件的加工成本愈高。愈小，零件的加工成本愈高。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如：表面粗糙度对零件功能有重要的影响。例如：1.对摩擦磨损的影响对摩擦磨损的影响摩
21、擦系数摩擦系数Ra零件表面愈粗糙，摩擦系数愈大。但光滑到一定程度时，润滑油被挤出，产生亲和力反而使摩擦系数增大。2.对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生应力集中，使疲劳强度降低。易产生应力集中，使疲劳强度降低。3.对耐腐蚀的影响对耐腐蚀的影响4.对结合处密封性能的影响对结合处密封性能的影响5.对振动和噪声的影响等等对振动和噪声的影响等等零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。零件表面愈粗糙，在刀痕根部愈容易产生腐蚀渗透。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈光滑，密封性能愈好。零件表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。零件
22、表面愈粗糙，振动和噪声愈大。如滚动轴承。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 三、三、优先数系优先数系优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲优先数系是国际上统一的数值分级制度，是一种无量纲的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参的分级系数，适用于各种量值的分级。在确定产品的参数或参数系列时，应该最大限度采用。数或参数系列时，应该最大限度采用。产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和功率产品的主要参数如：型号、直径、转速、承载量和功率等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以等按优先数系形成系列，便于组织生产和降低成本，以实现产品的标准化和系列化。实现产品的标准
23、化和系列化。优先数系是一个以公比为：优先数系是一个以公比为：qr=10 的十进等比级数，的十进等比级数，rGB321-80规定了四个优先数系的基本系列：规定了四个优先数系的基本系列：R5:q5=10 1.6 5R10:q10=10 1.25 10R20:q20=10 1.12 20R40:q40=10 1.06 40景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 优先数系的基本系列优先数系的基本系列 R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1
24、.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25 1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.
25、00R40 R20 优先数优先数-表中任意一个数值。表中任意一个数值。大于大于10的优先数，可将表数值分别乘以的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 7 机械零件的工艺性及标准化机械零件的工艺性及标准化一、一、工艺性工艺性零件设零件设计要求计要求使用要求使用要求-具备所要求的工作能力；具备所要求的工作能力；制造要求制造要求-制造工艺可行，成本低；制造工艺可行，成本低；零件工艺性良好的标志：零件工艺性良好的标志：在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。很低。工艺性的基本要求：工艺性的
26、基本要求：1)毛坯选择合理毛坯选择合理制备方法：制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 2)结构简单合理结构简单合理最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；尽量减少加工面数和加工面积
27、；尽量减少加工面数和加工面积；3)合理的制造精度和表面粗糙度合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。尽量采用较低的精度和表面质量。尽量采用标准件；尽量采用标准件；增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；螺纹、键、齿轮模数等）的数量；4)尽量减小零件的加工量尽量减小零件的加工量毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本
28、身的形状和尺寸。毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。冶金等先进工艺满足上述要求。欲设计出工艺性良好的零件，设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习，在实践中积累经验。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 二、二、标准化标准化内容：内容：1)1)产品品种规格的系列化产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依
29、次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足依次分档，制成系列化产品，以较少的规格品种满足用户的广泛要求。用户的广泛要求。定义：定义：标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标践中，对重复事务和概念，通过制定、发布和实施标准，以获得最佳秩序和效益。准，以获得最佳秩序和效益。2)零部件的通用化零部件的通用化将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经将用途、结构相近的零部件（如轴承、螺栓等），经过统一后实现互换；过统一后实现互换；3)产品质量标准化产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、要保
30、证产品产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。加工工艺、装配检验、包装储运等环节的标准化。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制 基本特征：基本特征：统一、简化。统一、简化。意义：意义：1)制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品制造上可以实现专业化大批量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；质量，又能降低成本；2)设计方面可减少设计工作量；设计方面可减少设计工作量；3)管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。管理维修方面可减少库存量，便于更换损坏的零件。标准化是组织社会化大生产的重要手段，是实施科学管理的基础，也是对产品设计的基本要求之一。通过标准化的实施，以获得最佳的社会经济成效。标准层次：标准层次：国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。推荐性标准（推荐性标准（GB/T）-鼓励企业自愿采用。鼓励企业自愿采用。标准标准性质性质强制标准（强制标准（GB）-必须强制执行；必须强制执行；作为设计人员，要求必须熟悉现行的相关标准，学会查询和使用标准资料。无论设计何种产品，必须遵循相关标准。景德镇陶瓷学院专用 国防科大潘存云教授研制