机械零件疲劳设计-PPT课件.ppt

1、机械零件的疲劳设计机械零件强度计算问题一般可以归纳为两种情况：一种为静应力作用下的强度计算，另一种为变应力作用下的强 度计算问题。两种计算的准则：许用应力计算准则，许用安全系数计算准则 变应力下，零件经受的是一种疲劳过程，产生的破坏形式为疲劳破坏；要求在机械设计过程中引入疲劳设计，建立疲劳设计的方法和计算准则，从而保证零件的疲劳强度。3.1 疲劳破坏的过程及断面特征 疲劳断面的特征为：(1)、断裂面由光滑的疲劳发展区和粗糙的脆性断裂区所构成；(2)、有以疲劳源为中心，同心弧状的前沿线；(3)、自疲劳源向外放射的垄沟条纹。对于表面无缺陷的金属材料，疲劳断裂的过程一般由两个阶段构成：第一个阶段是零

2、件表面上应力较大位置的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，疲劳源的个数可以是一个或多个，与表面的缺陷数目有关；第二个阶段为裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。对于实际的零件疲劳过程来说，由于材料内部存在夹渣、缺陷、微孔，表面存在划伤、微裂纹、酸洗等形成天然疲劳源，因此零件的疲劳破坏过程一般都是从第二阶段开始的。3.2 材料的疲劳特性曲线 抗疲劳性能是通过具体的大量实验确定的，在材料的标准试样上加上一定的循环特性的稳定循环变应力，通常是对称循环变应力，或是脉动循环变应力，试验过程记录下在不同的最大应力作用下引起试样疲劳破坏的应力循环次数N，得到材料的疲劳特性曲

3、线。材料的（）疲劳特性曲线 材料的a-m疲劳特性曲线 N疲劳极限-在循环特性一定的变应力作用下,经过N次循环作用而不发生疲劳破坏的最大应力称为疲劳极限(rN或rN)疲劳曲线-循环次数N与疲劳极限rN或rN之间的关系曲线 材料的疲劳曲线 疲劳曲线上每一点所对应的应力 或 称为疲劳极限，表示循环次数N下材料不发生疲劳破坏的应力最大值。钢在受到弯曲、拉压和扭转剪切作用时的疲劳极限值不同，但疲劳曲线具有大致相似的形状。rNrNm为随材料和应力而定的指数，一般对于受拉应力、弯应力和切应力的钢取m=9，受接触应力的钢取m=6；N0为与材料性质有关的循环基数，钢的硬度愈高，其循环基数就愈大。一般来说，硬度3

4、50HB的钢，N0106107，硬度350HB的钢N01010725107，有色金属N025107。通常的金属材料都是在107循环次数下试验取得的，所以在进行计算时常取N0107。C和C为试验常数。CNNCNNmrmrNmrmrN00N0左侧的水平直线段的含义为：当NN0或者说当作用在材料上的疲劳应力小到 时，疲劳极限不再随循环次数的增加而降低。r循环特性循环特性r r 对疲劳曲线的影响：对疲劳曲线的影响：循环特性的变化范围为+1r-1，不同循环特性的应力作用下的材料的疲劳曲线具有相似性，在同样的循环次数下，r的数值愈大，也愈大。这也说明，在所有的循环应力中，对称循环应力（r=-1）的疲劳破坏

5、作用最强。rN循环特性r对疲劳曲线的影响 寿命系数：寿命系数：rNrmrNrNrmrNkNNkNN000材料的材料的a m曲线曲线塑性材料的 曲线 低塑性和脆性材料的 曲线 mama 曲线的三种简化方法ma常用疲劳极限数值 疲劳强度还会受到应力集中、加工方法、热处理、尺寸大小、表面状态、环境介质、加载顺序、工作频率、加载速度等一系列因素的影响；应力集中、尺寸大小、表面状态三项因素的影响最为突出。三个系数：应力集中系数、尺寸系数、表面状态系数 应力集中、零件尺寸和表面状态三种因素都只对应力幅产生影响，而对平均应力的影响十分微弱，可以不予考虑 零件的综合影响系数（计算时要将零件的工作应力幅乘以综合

6、影响系数）)1(1)1(1qkqk）（、1、kkkkDD)()(编辑本段生产过程和工艺过程生产过程是指从原材料（或半成品）制成产品的全部过程。对机器生产而言包括原材料的运输和保存，生产的准备，毛坯的制造，零件的加工和热处理，产品的装配、及调试，油漆和包装等内容。生产过程的内容十分广泛，现代企业用系统工程学的原理和方法组织生产和指导生产，将生产过程看成是一个具有输入和输出的生产系统。能使企业的管理科学化，使企业更具应变力和竞争力。在生产过程中，直接改变原材料（或毛坯）形状、尺寸和性能，使之变为成品的过程，称为工艺过程。它是生产过程的主要部分。例如毛坯的铸造、锻造和焊接；改变材料性能的热处理1；零

7、件的机械加工等，都属于工艺过程。工艺过程又是由一个或若干个顺序排列的工序组成的。工序是工艺过程的基本组成单位。所谓工序是指在一个工作地点，对一个或一组工件所连续完成的那部分工艺过程。构成一个工序的主要特点是不改变加工对象、设备和操作者，而且工序的内容是连续完成的。例如图32-1中cc1的零件，其工艺过程可以分为以下两个工序：工序1：在车床上车外圆、车端面、镗孔和内孔倒角；工序2：在钻床上钻6个小孔。在同一道工序中，工件可能要经过几次安装。工件在一次装夹中所完成的那部分工序，称为安装。在工序1中，有两次安装。第一次安装：用三爪卡盘夹住 外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒角，车外圆。第二次安装：调头用

8、三爪盘夹住外圆，车端面A和B，内孔倒角。编辑本段生产类型生产类型通常分为三类。1单件生产 单个地生产某个零件，很少重复地生产。2成批生产 成批地制造相同的零件的生产。3大量生产 当产品的制造数量很大，大多数工作地点经常是重复进行一种零件的某一工序的生产。拟定零件的工艺过程时，由于零件的生产类型不同，所采用的加方法、机床设备、工夹量具、毛坯及对工人的技术要求等，都有很大的不同。编辑本段加工余量加工余量概述为了加工出合格的零件，必须从毛坯上切去的那层金属的厚度，称为加工余量。加工余量又可分为工序余量和总余量。某工序中需要切除的那层金属厚度，称为该工序的加工余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量，称为

9、总余量，等于相应表面各工序余量之和。机床在工件上留加工余量的目的是为了切除上一道工序所留下来的加工误差和表面缺陷，如铸件表面冷硬层、气孔、夹砂层，锻件表面的氧化皮、脱碳层、表面裂纹，切削加工后的内应力层和表面粗糙度等。从而提高工件的精度和表面粗糙度。加工余量的大小对加工质量和生产效率均有较大影响。加工余量过大，不仅增加了机械加工的劳动量，降低了生产率，而且增加了材料、工具和电力消耗，提高了加工成本。若加工余量过小，则既不能消除上道工序的各种缺陷和误差，又不能补偿本工序加工时的装夹误差，造成废品。其选取原则是在保证质量的前提下，使余量尽可能小。一般说来，越是精加工，工序余量越小。机械加工余量标准

10、1主题内容与适用范围 本标准规定了磨削加工的加工余量。本标准适用于磨削各类材料时的加工余量。机械零件是由若干个表面组成的，研究零件表面的相对关系，必须确定一个基准，基准是零件上用来确定其它点、线、面的位置所依据的点、线、面。根据基准的不同功能，基准可分为设计基准和工艺基准两类。1设计基准在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。如图32-2所cc2示的轴套零件，各外圆和内孔的设计基准是零件的轴心线，端面A是端面B、C的设计基准，内孔的轴线是外圆径向跳动的基准。2工艺基准零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。工艺基准按用途不同又分为装配基准、测量基准及定位基准。（1）

11、装配基准 装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准。（2）测量基准 用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准，称为测量基准。如图32-2中的零件，内孔轴线是检验外圆径向跳动的测量基准；表面A是检验长度L尺寸l和的测量基准。（3）定位基准 加工时工件定位所用的基准，称为定位基准。作为定位基准的表面（或线、点），在第一道工序中只能选择未加工的毛坯表面，这种定位表面称粗基准.在以后的各个工序中就可采用已加工表面作为定位基准，这种定位表面称精基准。编辑本段拟定工艺路线的一般原则机械加工工艺规程的制定，大体可分为两个步骤。首先是拟定零件加工的工艺路线，然后再确定每一道工序的工序尺寸、所用设

12、备和工艺装备以及切削规范、工时定额等。这两个步骤是互相联系的，应进行综合分析。工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局，主要任务是选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序，以及整个工艺过程中工序数目的多少等。拟定工艺路线的一般原则1、先加工基准面零件在加工过程中，作为定位基准的表面应首先加工出来，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。称为“基准先行”。2、划分加工阶段加工质量要求高的表面，都划分加工阶段，一般可分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。主要是为了保证加工质量；有利于合理使用设备；便于安排热处理工序；以及便于时发现毛坯缺陷等。3、先面后孔1对于箱体、支架和连杆等零件应先加工平面后加

13、工孔。这样就可以以平面定位加工孔，保证平面和孔的位置精度，而且对平面上的孔的加工带来方便。4、光整加工 光整加工后的工件独特作用也证实了二者的有机结合，具有肯定的临床疗效。编辑本段东西方医学交融（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）不管是中医学还是西医学，从二者现有的思维方式的发展趋势来看，均是走向现代系统论思维，中医药学理论与现代科学体系（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）之间具有系统同型性，属于本质相同而描述表达方式不同的两种科学形式。可望在现代系统论思维上实现交融或统一，成为中西医在新的发展水平上实现交融或统一的支撑点，希冀籍此能给（df高血压958心

14、脏病983u6糖尿病87fr）中医学以至生命科学带来良好的发展机遇，进而对医学理论带来新的革命。编辑本段现代中医史（df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）轴心时代中、西医学的峰巅之作。雅斯贝而斯曾说：“如果历史有一个轴心，那么我们就必须将这轴心作为一系列对全部人类都有意义的事件，发生于公元前800至200年间的这种精神历程似乎构成了这样一个轴心。本文档下载后可以修改编辑，欢迎下载收藏。3.4 机械零件的疲劳极限应力图零件的疲劳极限应力图 在实际的工作中，机械零件的应力增长方式有很多种，同样的工作应力点，在不同的应力增长方式下，最终发生的失效方式可能完全不一样。常见的应力增长方式有：ma

15、xminr常数m常数min常数三种常见的应力增长方式 3.5 机械零件的疲劳安全系数计算方法 判断零件的安全程度，采用的方法仍然是通过计算安全系数，看是否满足 的条件。SS r=常数的零件的极限应力图 OCCOHCOHCGOGSamammaxmaxHCCGSaaaOCCOHCOHCGOGSamammaxmaxHCCGSaaa图解法求安全系数111111OCCOMCCLOMOLMCOMCLOLSamS111111OCCOMCCLOMOLMCOMCLOLSamS塑性强度安全系数（静强度安全系数）maDNNDNDNkkkkkkk)(2)(2)(1001解 析 法求 安 全系数0012mDDNakkk

16、)(1)(1aammamDNakk)(1)(11aaeNmaDNaaaSkkkS引入11()aNNaaaDamaekkSSk 对于位于塑性安全区，按照 常数进行加载的机械零件，其安全系数的计算公式为：maxminrSSSSmaSmaS为了安全起见，采用解析法计算疲劳安全问题时，疲劳安全系数和塑性安全系数都要进行计算。对于低塑性和脆性材料，其疲劳极限应力图为直线，上述安全系数的解析计算公式仍然适用，但由于脆性材料没有屈服现象，也就不用计算塑性安全系数。3.6 线性疲劳损伤积累假说及其应用 稳定变应力和非稳定变应力 变应力的变化方式 线性疲劳损伤积累假说：在零件受变应力作用发生裂纹到破坏的过程中，

17、零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应力的作用都会使零件受到微量的损伤，当这种损伤累积到一定程度达到疲劳极限后就发生疲劳断裂。这一理论的根据是，材料在失效前所吸收的总功都是相等的，而与作用的应力的变化方式（应力谱）无关。寿命总损伤率：零件发生疲劳破坏时 大量的试验表明，总寿命损伤率约在0.72.2之间，为计算方便起见，通常取1。niiinnNNNNNNNNF12211.1.12211niiinnNNNNNNNNF非稳定变应力下安全系数的计算方法：非稳定变应力下安全系数的计算方法：基本思想：首先要将非稳定变应力折算成一个等效变应力，然后按稳定变应力的安全系数计算方法进行计算。VVnnNNNNN

18、NNN.2211VmVnmnmmmNNNNN.332211imniViVNN1mVNNNk0规律性非稳定变应力时安全系数的计算步骤：-取等效应力-求等效循环次数-求等效循环次数下的寿命系数和疲劳极限-按等效应力计算疲劳强度和安全系数-按最大非稳定变应力计算塑性材料屈服强度安 全系数复习思考题1、机械零件疲劳强度计算方法有哪两种？2、零件的疲劳断裂过程分为哪几个过程？断裂面有何特点？何谓疲劳极限？3、什么叫疲劳曲线？分为哪几个区？KN,N0,m,r的几何意义及如何确定？r对rN如何影响？4、什么是极限应力图？如何绘制简化？5、影响零件疲劳强度的主要因素有哪些？如何加以修正？铸铁件为何不考虑应力集

19、中？高强度钢零件为何表面要求加工质量较高？综合影响系数如何定义？它只影响什么？6、何谓稳定变应力、非稳定变应力？怎样对随机非稳定变应力进行处理？7、如何在极限应力图中绘制许用极限应力图？工作应力增长的方式有哪几种？8、许用极限应力图中的塑性安全区及疲劳安全区如何划分？每个区中的安全系数如何计算？复合应力作用下安全系数如何计算？9、什么是疲劳损伤积累假说？规律性非稳定变应力作用下零件的安全系数如何计算？SEMINAR TOPIC为什么说零件的疲劳过程、疲劳强度、疲劳计算是机械设计课程考虑的一个重要问题？本章作业2-1，2-4，2-9，2-14，2-21，2-23，2-26不管是中医学还是西医学，

20、从二者现有的思维方式的发展趋势来看，均是走向现代系统论思维，中医药学理论与现代科学体系之间具有系统同型性，属于本质相同而描述表达方式不同的两种科学形式。可望在现代系统论思维上实现交融或统一，（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）成为中西医在新的发展水平上实现交融或统一的支撑点，希冀籍此能给中医学以至生命科学带来良好的发展机遇，进而对医学理论带来新的革命。编辑本段现代中医史（4f肿瘤fbb癌症yuw3胃癌d65io肠癌.f2tr肺癌65ff）替了事实认识，决定最终结果劳而无功”，因此，中、西医学应并存共荣而不必强求统一。（df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）尽管目前中、西医

21、学还不可能融合成为一种统一的医学模式，但可以独立发展，并存共荣，整合互补。（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）缘于现代信息论、（df肺25s血液f369血小板t5172红血球gdf55m白血球fd2）系统论和控制论的影响，西医学的发展趋势若仅仅是单纯地重视分析而忽略了整体结构和整体功能，无疑将渐行渐窄。而中医讲究“感悟”，（4f肿瘤fbb癌症yuw3胃癌d65io肠癌.f2tr肺癌65ff）未免夹带有很多主观因素，难以客观地定量，定性。若中医的诊察疾病能参考现代医学的微观分析，将辨证与辨病相结合，实现宏观与微观的统一，使中医诊断客观化，即把分析与综合相结合的方法引入中医

22、理、法、方、药的研究，使二者有机结合，互相借鉴、补充，避免各自的片面性、局限性，这将有利于中西医学的优势互补，（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）“和而不同”，多元发展。近年来，中医药在防治非典、禽流感和艾滋病方面发挥的独特作用也证实了二者的有机结合，具有肯定的临床疗效。编辑本段东西方医学交融（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）不管是中医学还是西医学，从二者现有的思维方式的发展趋势来看，均是走向现代系统论思维，中医药学理论与现代科学体系（45传染病q566丙肝964jo乙肝28jgsx甲肝gh）之间具有系统同型性，属于本质相同而描述表达方式不同的两种科学形式。可望在

23、现代系统论思维上实现交融或统一，成为中西医在新的发展水平上实现交融或统一的支撑点，希冀籍此能给（df高血压958心脏病983u6糖尿病87fr）中医学以至生命科学带来良好的发展机遇，进而对医学理论带来新的革命。编辑本段现代中医史（df4肺炎88gdg青霉素d25f肝炎df6）轴心时代中、西医学的峰巅之作机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工会引起工件的化学或物相变化称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热

24、处理煅造铸造和焊接。另外装配时常常要用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在依旧应用于某些零部件的转配过程中）。机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。机械加工：广意的机械加工就是指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（Lathe Machine）、铣床(Milling Machine)、钻床(Driling Mac

25、hine)、磨床(Grinding Machine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。1959年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50500m的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为6012m的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与

26、研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、StanfordAT&T的15名科学家在上世纪八十年代末提出小机器、大机遇：关于新兴领域-微动力学的报告的国家建议书，声称由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面，建议中央财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制发现号微型卫星，美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从2019年开始，资助MIT，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这

27、一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的美国国防部技术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了1115m2研究开发MEM

28、S的超净实验室。日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于19901993年拨款4万马克支持微系统计划研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启

29、动的7000万法郎的微系统与技术项目。欧共体组成多功能微系统研究网络NEXUS，联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5m的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm7mm2mm的微型泵流量可达250l/min能开动汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为

30、一体的微型惯性组合(MIMU)。德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器(机械部分)和集成电路(电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上3mm3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5m的微细轴。工艺基础的基本概念。雅斯贝而斯曾说：“如果历史有一个轴心，那么我们就必须将这轴心作为一系列对全部人类都有意义的事件，发生于公元前800至200年间的这种精神历程似乎构成了这样一个轴心。本文档下载后可以修改编辑，欢迎下载收藏。