基本介紹
- 中文名：機械零件
- 外文名：machine element
- 又稱：機械元件
- 性質：機械工程學術語
- 類別：機械的元件或部件
簡介,起源,發展,調整,表面粗糙度的選擇,實例,材料套用,金屬材料,非金屬材料,工藝性及標準化,工藝性,標準化,變形形式,拉伸與壓縮,剪下,扭轉,選材分析,
簡介
研究和設計各種設備中機械基礎件的一門學科，也是零件和部件的泛稱。機械零件作為一門學科的具體內容包括：1、零（部）件的聯接。如螺紋聯接、楔聯接、銷聯接、鍵聯接、花鍵聯接、過盈配合聯接、彈性環聯接、鉚接、焊接和膠接等。
2、傳遞運動和能量的帶傳動、摩擦輪傳動、鍵傳動、諧波傳動、齒輪傳動、繩傳動和螺旋傳動等機械傳動，以及傳動軸、聯軸器、離合器和制動器等相應的軸系零（部）件。3、起支承作用的零（部）件，如軸承、箱體和機座等。4、起潤滑作用的潤滑系統和密封等。5、彈簧等其它零（部）件。作為一門學科，機械零件從機械設計的整體出發，綜合運用各有關學科的成果，研究各種基礎件的原理、結構、特點、套用、失效形式、承載能力和設計程式；研究設計基礎件的理論、方法和準則，並由此建立了本學科的結合實際的理論體系，成為研究和設計機械的重要基礎。
機械零件
機械零件起源
自從出現機械，就有了相應的機械零件。但作為一門學科，機械零件是從機械構造學和力學分離出來的。隨著機械工業的發展，新的設計理論和方法、新材料、新工藝的出現，機械零件進入了新的發展階段。有限元法、斷裂力學、彈性流體動壓潤滑、最佳化設計、可靠性設計、計算機輔助設計（CAD）、實體建模（Pro、Ug、Solidworks等）、系統分析和設計方法學等理論，已逐漸用於機械零件的研究和設計。更好地實現多種學科的綜合，實現巨觀與微觀相結合，探求新的原理和結構，更多地採用動態設計和精確設計，更有效地利用電子計算機，進一步發展設計理論和方法，是這一學科發展的重要趨向。
發展
23日發布的通知中指出，以企業進口申報時間為準，自2007年1月1日起，對國內企業為開發、製造大型露天礦用機械正鏟式挖掘機和大型煤炭採掘設備而進口的部分關鍵零部件、原材料所繳納的進口關稅和進口環節增值稅實行“先征後退”，所退稅款作為國家投資處理，轉為國家資本金，主要用於企業新產品的研製。通知確定了具體的挖掘機和煤炭採掘設備型號和類型，如電牽引採煤機、刮板輸送機、刮板轉載機、液壓支架、提升設備、大型破碎站等等。
機械零件
機械零件調整
另外，自1月起，對新批准的內外投資項目部分型號的整機如正鏟式礦用挖掘機、電牽引採煤機刮板輸送機、刮板轉載機，和液壓支架、大型破碎站、固定式帶式輸送機等，一律停止執行進口免稅政策。調整進口稅收政策體現了政府對振興國內裝備製造業的支持，進口關鍵零部件及原材料返還的稅款轉作企業的資本金，可為企業進行技術改造和科技創新提供資金投入來源。同時，在國產設備可以滿足國內基本需求的前提下，停止對進口整機的免稅，可為國產裝備提供一個與進口裝備開展公平競爭的機會，可在一定時期內減輕新研製的國產設備的生產成本壓力。
機械零件
機械零件表面粗糙度的選擇
表面粗糙度是反映零件表面微觀幾何形狀誤差的一個重要技術指標，是檢驗零件表面質量的主要依據；它選擇的合理與否，直接關係到產品的質量、使用壽命和生產成本。 機械零件表面粗糙度的選擇方法有3種，即計算法、試驗法和類比法。在機械零件設計工作中，套用最普通的是類比法，此法簡便、迅速、有效。套用類比法需要有充足的參考資料，現有的各種機械設計手冊中都提供了較全面的資料和文獻。最常用的是與公差等級相適應的表面粗糙度。在通常情況下，機械零件尺寸公差要求越小，機械零件的表面粗糙度值也越小，但是它們之間又不存在固定的函式關係。例如一些機器、儀器上的手柄、手輪以及衛生設備、食品機械上的某些機械零件的修飾表面，它們的表面要求加工得很光滑即表面粗糙度要求很高，但其尺寸公差要求卻很低。在一般情況下，有尺寸公差要求的零件，其公差等級與表面粗糙度數值之間還是有一定的對應關係的。
實例
在一些機械零件設計手冊和機械製造專著中，對機械零件的表面粗糙度和機械零件的尺寸公差關係的經驗及計算公式都有很多介紹，並列表供讀者選用，但只要細心閱來，就會發現，雖然採取完全相同的經驗計算公式，但所列表中的數值也不盡相同，有的還有很大的差異。這就給不熟悉這方面情況的人帶來了迷惑。同時也增加了他們在機械零件工作中選擇表面粗糙度的困難。在實際工作中，對於不同類型的機器，其零件在相同尺寸公差的條件下，對表面粗糙度的要求是有差別的。這就是配合的穩定性問題。在機械零件的設計和製造過程中，對於不同類型的機器，其零件的配合穩定性和互換性的要求是不同的。
材料套用
作為一個機械設計人員，在選材時必須了解工業發展趨勢，按國家標準，結合我國資源和生產條件，從實際出發全面考慮材料及其選擇機械製造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑膠、橡膠等，在機械製造中也具有獨特的使用價值。
金屬材料
1、鑄鐵
鑄鐵和鋼都是鐵碳合金，它們的區別主要在於含碳量的不同。含碳量小於2%的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大於2%的稱為鑄鐵。鑄鐵具有適當的易熔性，良好的液態流動性，因而可鑄成形狀複雜的零件。此外，它的減震性、耐磨性、切削性（指灰鑄鐵）均較好且成本低廉，因此在機械製造中套用甚廣。常用的鑄鐵有：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、合金鑄鐵等。其中灰鑄鐵和球墨鑄鐵是脆性材料，不能進行輾壓和鍛造。在上述鑄鐵中，以灰鑄鐵套用最廣，球墨鑄鐵次之。
機械零件
機械零件2、鋼
與鑄鐵相比，鋼具有高的強度、韌性和塑性，並可用熱處理方法改善其力學性能和加工性能。鋼製零件的毛坯可用鍛造、衝壓、焊接或鑄造等方法取得，因此其套用極為廣泛。按照用途，鋼可分為結構鋼、工具鋼和特殊鋼。結構鋼用於製造各種機械零件和工程結構的構件；工具鋼主要用於製造各種刃具、模具和量具；特殊鋼（如不鏽鋼、耐熱鋼、耐酸鋼等）用於製造在特殊環境下工作的零件。按照化學成分，鋼又可分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼的性質主要取決於含碳量，含碳量越高則鋼的強度越高，但塑性越低。為了改善鋼的性能，特意加入了一些合金元素的鋼稱為合金鋼。1）碳素結構鋼這類鋼的含碳量一般不超過0.7%。含碳量低於0.25%的低碳鋼，它的強度極限和屈服極限較低，塑性很高，且具有良好的焊接性，適於衝壓、焊接，常用來製作螺釘、螺母、墊圈、軸、氣門導桿和焊接構件等。含碳量在0．l%～0.2%的低碳鋼還用以製作滲碳的零件，如齒輪、活塞銷、鏈輪等。通過滲碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韌而耐衝擊。如果要求有更高強度和耐衝擊性能時，可採用低碳含金鋼。含碳量在 0．3%～0．5%的中碳鋼，它的綜合力學性能較好，既有較高的強度，又有一定的塑性和韌性，常用作受力較大的螺栓、螺母、鍵、齒輪和軸等零件。含碳量在0.55%一0.7%的高碳鋼，具有高的強度和彈性，多用來製作普通的板彈簧、螺旋彈簧或鋼絲繩等。
2）合金結構鋼
機械零件
機械零件鋼中添加合金元素的作用在於改善鋼的性能。例如：鎳能提高強度而不降低鋼的韌性；鉻能提高硬度、高溫強度、耐腐蝕性和提高高碳鋼的耐磨性；錳能提高鋼的耐磨性、強度和韌性；鋁的作用類似於錳，其影響更大些；釩能提高韌性及強度；矽可提高彈性極限和耐磨性，但會降低韌性。合金元素對鋼的影響是很複雜的，特別是當為了改善鋼的性能需要同時加入幾種合金元素時。應當注意，合金鋼的優良性能不僅取決於化學成分，而且在更大程度上取決於適當的熱處理。
3）鑄鋼
鑄鋼的液態流動性比鑄鐵差，所以用普通砂型鑄造時，壁厚常不小於10mm。鑄鋼件的收縮率比鑄鐵件大，故鑄鋼件的圓角和不同壁厚的過渡部分均應比鑄鐵件大些。選擇鋼材時，應在滿足使用要求的條件下，儘量採用價格便宜供應充分的碳素鋼，必須採用合金鋼時也應優先選用矽、錳、硼、釩類合金鋼。
3、銅合金
銅合金有青銅與黃銅之分。黃銅是銅和鋅的合金，並含有少量的錳、鋁、鎳等，它具有很好的塑性及流動性，故可進行碾壓和鑄造。青銅可分為含錫青銅和不含錫青銅兩類，它們的減摩性和抗腐蝕性均較好，也可輾壓和鑄造。此外，還有軸承合金（或稱巴氏合金），主要用於製作滑動軸承的軸承襯。
非金屬材料
1、橡膠
橡膠富於彈性，能吸收較多的衝擊能量，常用作聯軸器或減震器的彈性元件、帶傳動的膠帶等。硬橡膠可用於製造用水潤滑的軸承襯。
2、塑膠
機械零件
機械零件塑膠的比重小，易於製成形狀複雜的零件，而且各種不同塑膠具有不同的特點，如耐蝕性、絕熱性、絕緣性、減摩性、摩擦係數大等，所以近年來在機械製造中其套用日益廣泛。以木屑、石棉纖維等作填充物，用熱固性樹脂壓結而成的塑膠稱為結合塑膠，可用來製作儀表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等層狀填充物為基體，用熱固性樹脂壓結而成的塑膠稱為層壓塑膠，可用來製作無聲齒輪、軸承村和摩擦片等。設計機械零件時，選擇合適的材料是一項複雜的技術經濟問題。設計者應根據零件的用途、工作條件和材料的物理、化學、機械和工藝性能以及經濟因素等進行全面考慮。這就要求設計者在材料和工藝等方面具有廣泛的知識和實踐經驗。前面所述，僅是一些概略的說明。各種材料的化學成分和力學性能可在有關的國家標準、行業標準和機械設計手冊中查得。
工藝性及標準化
工藝性
設計機械零件時，不僅應使其滿足使用要求，即具備所要求的工作能力，同時還應當滿足生產要求，否則就可能製造不出來，或雖能製造但費工費料很不經濟。 在具體生產條件下，如所設計的機械零件便於加工而加工費用很低，則這樣的零件就稱為具有良好的工藝性。有關工藝性的基本要求是：（1）毛坯選擇合理機械製造中毛坯製備的方法有：直接利用型材、鑄造、鍛造、衝壓和焊接等。毛坯的選擇與具體的生產技術條件有關，一般取決於生產批量、材料性能和加工可能性等。（2）結構簡單合理設計零件的結構形狀時，警好採用最簡單的表面（如平面、圓柱面、螺旋面）及其組合，同時還應當儘量使加工表面數目最少和加工面積最小。（3）規定適當的製造精度及表面粗糙度零件的加工費用隨著精度的提高而增加，尤其在精度較高的情況下，這種增加極為顯著。因此，在沒有充分根據時，不應當追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也應當根據配合表面的實際需要，作出適當的規定。欲設計出工藝性良好的零件，設計者就必須與工藝技術員工相結合併善於向他們學習。此外，在金屬工藝學課程和手冊中也都提供了一些有關工藝性的基本知識，可供參考。
標準化
標準化是指以制訂標準和貫徹標準為主要內容的全部活動過程。標準化的研究領域十分寬廣，就工業產品標準化而言，它是指對產品的品種、規格、質量、檢驗或安全、衛生要求等制訂標準並加以實施。產品標準化本身包括三個方面的含義：（1）產品品種規格的系列化——將同一類產品的主要參數、型式、尺寸、基本結構等依次分檔，製成系列化產品，以較少的品種規格滿足用戶的廣泛需要；（2）零部件的通用化——將同一類型或不同類型產品中用途結構相近似的零部件（如螺栓、軸承座、聯軸器和減速器等），經過統一後實現通用互換；（3）產品質量標準化——產品質量是一切企業的“生命線”，要保證產品質量合格和穩定就必須做好設計、加工工藝、裝配檢驗，甚至包裝儲運等環節的標準化。這樣，才能在激烈的市場競爭中立於不敗之地。對產品實行標準化具有重大的意義：在製造上可以實行專業化大運生產，既可提高產品質量又能降低成本；在設計方面可減少設計工作量；在管理維修方面，可減少庫存量和便於更換損壞的零件。機械零件 - 工作能力機械零件各種機械和工程結構都是由若干個構件組成的。這些構件工作時都要承受力的作用，為確保構件在規定的工作條件和使用壽命期間能正常工作，須滿足以下要求：1、有足夠的強度 保證構件在外力作用下不發生破壞，是構件能正常工作的前提條件，故構件的強度是指構件在外力作用下抵抗破壞的能力。2、有足夠的剛度 構件在外力作用下產生的變形應在允許的限度內。構件在外力作用下抵抗變形的能力，即為構件具有的剛度。3、有足夠的穩定性 某些細長桿件（或薄壁構件）在軸向壓力達到一定的數值時，會失去原來的平衡形態而喪失工作能力，這種現象稱為失穩。所謂穩定性是指構件維持原有形態平衡的能力。構件的強度、剛度和穩定性與所用材料的力學性能有關，而材料的力學性能必須由實驗來測定。此外，還有些實際工程問題無法由理論分析來解決，必須依賴於實驗手段。實際的工程結構中，許多承力構件如橋樑、汽車傳動軸、房屋的梁、柱等，其長度方向的尺寸遠遠大於橫截面尺寸，這一類的構件在材料力學的研究中，通常稱作桿件，桿的所有橫截面形心的連線，稱為桿的軸線，若軸線為直線，則稱為直桿；軸線為曲線，則稱為曲桿。所有橫截面的形狀和尺寸都相同的桿稱為等截面桿；不同者稱為變截面桿。材料力學主要研究等截面直桿。
變形形式
機械零件 機械零件在不同的外力作用下，將產生不同形式的變形。主要的受力和變形有如下幾種：
拉伸與壓縮
這類變形形式是由大小相等，方向相反，作用線與桿件軸線重合的一對力引起的，表現為桿件的長度發生伸長或縮短[圖3-1（a、b）]。如起吊重物的鋼索，桁架的桿件，液壓油缸的活塞桿等的變形，都屬於拉伸或壓縮變形。在工程中經常見到承受拉伸或壓縮的桿件。例如緊固螺釘[ 圖3-2(a) ]， 當擰緊螺帽時，被壓緊的工件對螺釘有反作用力，螺釘承受拉伸；千斤頂的螺桿[ 圖3-2(b) ] 在頂起重物時，則承受壓縮。前者發生伸長變形，後者發生縮短變形，直桿沿軸線受大小相等、方向相反的外力作用，發生伸長或縮短的變形時，稱為直桿的軸向拉伸或壓縮。本章只討論直桿的軸向拉伸與壓縮。 若把承受軸向拉伸或壓縮的桿件的形狀和受力情況進行簡化，則可以簡化成圖3-1 所示的受力簡圖。圖中用實線表示受力前的外形，虛線表示變形後的形狀。
剪下
工程中經常見到承受剪下作用的構件。這類桿件受力的共同特點是：在構件的兩側面上受到大小相等，方向相反，作用線相距很近而且垂直於桿軸的外力的作用。在這樣的外力作用下，桿件的主要變形是：以兩力 間的橫截面m—m為分界面，構件的兩部分沿該面發生相對錯動。構件的這種變形形式稱為剪下，截面m—m稱為剪下面，剪下面與外力的方向平行。當外力足夠大時，構件將沿剪下面被剪斷。只有一個剪下面，稱為單剪，同時構件受壓，兩側還受到其它構件的擠壓作用，這種局部表面受壓的現象稱為擠壓。若壓力較大，則接觸面處的局部區域會發生顯著的塑性變形，致使結構不能正常使用，這種現象稱為擠壓破壞。 聯接件除了受剪下和擠壓外，往往還伴隨有其它形式的變形。例如，彎曲或拉伸變形。但由於這些變形相對剪下和擠壓變形來說是次要的，故一般不予考慮。 這類變形形式是由大小相等，方向相反，作用線相互平行的力引起的，表現為受剪桿件的兩部分沿外力作用方向發生相對錯動。機械中常用的聯接件，如鍵、銷釘、螺栓等都產生剪下變形。
機械零件
機械零件扭轉
這類變形形式是由大小相等，方向相反，作用面都垂直於桿軸的兩個力偶引起的。表現為桿件的任意兩個橫截面發生繞軸線的相對轉動。汽車的傳動軸，電機和水輪機的主軸等都是受扭桿件。在垂直於桿軸線的平面內有力偶作用時，桿件將產生扭轉變形，即桿的各橫截面繞桿軸相對轉動。桿的扭轉變形具有如下特點：受力：在桿的兩端垂直於桿軸線的平面內作用著兩個力偶，其力偶矩相等，轉向相反。變形：桿上各個橫截面均繞桿的軸線發生相對轉動。任意兩個橫截面之間相對轉過的角度稱為相對扭轉角。在工程中經常遇到扭轉變形的構件。例如駕駛員的兩手在方向盤上的平面內各施加一個大小相等，方向相反，作用線平行的力 ，它們形成一個力偶，作用在操縱桿的 端，而在操縱桿的 端則受到來自轉向器的反力偶的作用，這樣操縱桿便受到扭轉作用。4、彎曲 這類變形形式是由垂直於桿件軸線的橫向力，或由作用於包含桿軸的縱向平面內的一對大小相等，方向相反的力偶引起的，表現為桿件軸線由直線變為曲線。工程中，受彎桿件是最常遇到的情況之一。橋式起重機的大梁，各種心軸以及車刀等的變形，都屬於彎曲變形。受力後這些直桿的軸線將由原來的直線彎成曲線，這種變形稱為彎曲。以彎曲變形為主的桿件通常稱為梁。還有一些桿件同時發生幾種基本變形，例如車床主軸工作時發生彎曲、扭轉和壓縮三種基本變形；鑽床立柱同時發生拉伸和彎曲兩種基本變形。這種情況稱為組合變形。
選材分析
工具機零件的品種繁多，按結構特點、功用和受載特點可分為：軸類零件、齒輪類零件、工具機導軌等。
工具機軸類零件的選材
工具機主軸是工具機中最主要的軸類零件。工具機類型不同，主軸的工作條件也不一樣。根據主軸工作時所受載荷的大小和類型，大體上可以分為四類：（1）輕載主軸。工作載荷小，衝擊載荷不大，軸頸部位磨損不嚴重，例如普通車床的主軸。這類軸一般用45鋼製造，經調質或正火處理，在要求耐磨的部位採用高頻表面淬火強化。（2）中載主軸。中等載荷，磨損較嚴重，有一定的衝擊載荷，例如銑床主軸。一般用合金調質鋼製造，如40Cr鋼，經調質處理，要求耐磨部位進行表面淬火強化。（3）重載主軸。工作載荷大，磨損及衝擊都較嚴重，例如工作載荷大的組合工具機主軸。一般用20CrMnTi鋼製造，經滲碳、淬火處理。（4）高精度主軸。 有些工具機主軸工作載荷並不大，但精度要求非常高，熱處理後變形應極小。工作過程中磨損應極輕微，例如精密鏜床的主軸。一般用38CrMoAlA專用氮化鋼製造，經調質處理後，進行氮化及尺寸穩定化處理。過去，主軸幾乎全部都是用鋼製造的，輕載和中載主軸已經可用球墨鑄鐵製造。
工具機齒輪類零件的選材
工具機齒輪按工作條件殼分為三類：（1）輕載齒輪。轉動速度一般都不高，大多用45鋼製造，經正火或調質處理。（2）中載齒輪。一般用45鋼製造，正火或調質後，再進行高頻表面淬火強化，以提高齒輪的承載能力及耐磨性。對大尺寸齒輪，則需用40Cr等合金調質鋼製造。一般工具機住傳動系統及進給系統中的齒輪，大部分屬於這一類。（3）重載齒輪。對於某些工作載荷較大，特別是運轉速度高又承受較大衝擊載荷的齒輪大多用20Cr、20CrMnTi等滲碳鋼製造。經滲碳、淬火處理後使用。例如：變速箱中一些重要傳動齒輪等。
工具機導軌的選材
工具機導軌的精度對整個工具機的精度有很大的影響。必須防止其變形和磨損，所以工具機導軌通常都是選用灰口鑄鐵製造，如HT200和HT350等。灰口鑄鐵在潤滑條件下耐磨性較好，但抗磨粒磨損能力較差。為了提高耐磨性，可以對導軌表面進行淬火處理。
拖拉機及汽車零件的選材分析
1、發動機和傳動系統零件的選材 這兩部分包括的零件相當多。其中，有大量的齒輪和各種軸，還有在高溫下工作的零件，如進、排氣閥、活塞等。它們的用材都比較重要，一般都是根據使用經驗來選材。對於不同類型的汽車和不同的生產廠，發動機和傳動系統的選材是不相同的。應該根據零件的具體工作條件及實際的失效方式，通過大量的計算和試驗選出合適的材料。2、減輕汽車自重的選材 隨著能源和原材料供應的日趨短缺，人們對汽車節能降耗的要求越來越高。而減輕自重可提高汽車的重量利用係數，減少材料消耗和燃油消耗，這在資源、能源的節約和經濟價值方面具有非常重要的意義。減輕自重所選用的材料，比傳統的用材應該更輕且能保證事業性能。比如，用鋁合金或鎂合金代替鑄鐵，重量可減輕至原來的1/3～1/4，但並不影響其使用性能；採用新型的雙相鋼板材代替普通的低碳鋼板材生產汽車的衝壓件，可以使用比較薄的板材，減輕自重，但一點不降低構件的強度；在車身和某些不太重要的結構件中，採用塑膠或纖維增強複合材料代替鋼材，也可以降低自重，減少能耗。
