机械工程专业英语武汉理工大学版Word文件下载.docx
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斜面就是一个力放大装置。
作为速度放大装置,输入距离是要比负载距离小的,而理想的机械效益亦比1要小。
简易改变运动方向的机器装置具有一个等于1的理想机械效益。
其实际机械效益包括了摩擦损失并等于实际输出力除以实际输入力。
在承载斜板例子中的实际机械效益在有滚子条件下,大约是3.6,无滚子条件下,大约是1.4。
塑性理论的基本假设
在金属成形中应用塑性理论的目的是要探索金属成形的塑性变形机理。
这样,调研可提供以下的分析和判断:
(a)金属的流动性(速度、应变和应变率),(b)温度和热传导,(c)材料强度的局部变化或流动应力和(d)应力,成形中的负载、压力和能量。
这样变形机理就可提供决断:
金属如何流动,借助塑性成形可如何去获得所希望的几何形状以及用成形方法生产出的零件具有什么样的机械性能。
为了建立金属变形的可控制的数字模型(曲线图形),作出以下几个简化的但是合理的假设:
1)忽略弹性变形。
然而当必要时,弹性复原(例如,弯曲回弹情况)和加工中的弹性弯曲(例如,成形加工精度非常接近公差)定要考虑;
2)作为一种连续体来考虑材料变形(如结晶,而晶间疏松和位错是不加考虑的);
3)单向拉伸或压缩试验与多向变形条件下的流动应力相互有关;
4)各向异性和Bauschinger效应忽略不计;
5)体积保持恒定;
6)用简化法来表示摩擦,如用Coulomb'
s定律法或用恒剪切应力法。
这将在后面进行讨论。
在压缩应力状态下的金属特性更加复杂。
这可以从一金属圆柱体试样在两个模板之间被压缩时怎样发生变化的分析中可以看得出来。
当工件达到金属的屈服应力的应力状态时,塑性变形就开始发生。
当试样高度降低时,试样随着横截面的增加而向外扩展。
这种塑性变形在克服工件和模板的两端之间的摩擦力中发生。
该金属变形状态是受到其复杂应力体系所支配。
这应力体系可从单一的、单向的到三维的即三向发生变化。
有一个由模板施加的应力和有两个由摩擦反力引起的应力。
如果模板与工件间无摩擦,工件就在单向压应力下发生屈服,正像其受到拉伸载荷作用时的情形一样。
而且压缩的屈服应力跟拉伸屈服应力极端一致。
由于摩擦力的存在而改变了这一状况,故需要更高的应力才能引起屈服。
为了找到拉伸屈服应力与三向应力状态下产生屈服时的应力值之间的数量关系,已经做了很多尝试。
对于所有的金属在三向载荷作用下的各种情况下,包括各种塑性屈服试验情况中均未发现单一的(应力、应变)关系。
已经存在的若干个建议使用的塑性屈服理论,其中每一种理论只能在一定的范围内有效。
在考虑使用这些理论之前,研究三向应力体系并创立既利用数量关系又利用图解技术的解题方法,那是必要的。
对于三维应力状态,最方便而有效的方法就是利用莫尔圆,当研究塑性屈服的各种复杂情况时,你可以很容易地运算和进行处理。
有限元优化的应用
在结构日益复杂的情况下,当工程师们工作时,他们需要合理的、可靠的、快速而经济的设计工具。
过去二十多年里,有限元分析法已经成为判别和解决涉及这些复杂设计课题时的最常用方法。
因为工程中的大多数设计任务都是可定量的,所以实践上,为了快速找到一些可供选择的设计方案。
计算机令繁琐的重复设计过程发生了深刻的变革。
但是,即使是现在,许多工程师仍然使用人工的试凑法。
这样一种方法使得即使是很简单的设计任务也变得困难,因为通常它要花更长的时间,需要广泛的人—机交互配合,且偏于用设计组的经验来设计。
优化设计是以理论数学的方法为基础,改进那些对于工程师来说过于复杂的设计,使其设计过程自动化。
如果在一部台式计算机平台上能实现自动优化设计,那就可以节省大量的时间和金钱。
优化设计的目的就是要将对象极大化或极小化,例如,重量或基频,主要受到频响和设计参数方向的约束。
尺寸和(或)结构形状决定着优化设计的方法。
观察一下作为零件优化设计过程,使它变得更容易理解。
第一步,包括预处理分析和后处理分析,正像惯常使用的有限元分析(FEA)和计算机辅助设计(CAD)程序应用。
(CAD的特点在于根据设计参数建立了课题的几何图形)。
第二步,定义优化目标和响应约束。
而最后一步,反复自动调节设计作业。
优化设计程序将允许工程师们监督该设计步骤和进度,必要时停止设计,改变设计条件和重新开始。
一项优化设计程序的功力取决于有效的预处理和分析能力。
二维和三维设计的应用既需要自动进行也需要设计参数的结网性能。
因为在优化循环过程中,课题的几何条件和网格会改变,所以优化程序必须包含误差估计和自适应控制。
修改、重配网格和重新估算模式以期获取特定设计目标的实现是以输入初始设计数据开始的。
接着,是规定合适的公差并形成约束条件以获得最优结果,或最后改进设计,解决问题。
为了使产品从简单轮廓图形到三维实体模型系统化、系列化,设计者必须广泛接触设计目标和特性约束条件。
为了易于确定而利用下列参数作为约束和目标函数的附加特性条件,也将是需要的:
重量、体积、位移、应力,应变,频率,翘曲安全系数、温度、温度梯度和热通量。
此外,工程师们应该能够通过多学科的不同类型的优化分析使多种约束条件结合起来。
例如设计者为了应力分析,可以进行热力分析和加热以变更温度,也可将多种约束条件,诸如最高温度、最大应力和变形联系在一起进行研究,然后规定一个所希望的基本频率范围。
目标函数代表着整体模式或部分模式。
甚至更重要的是通过说明重量或者成本因素,就应该能反
类合金。
铸造温度低于538℃的那些合金,就像锌、锡和铅,是属于低温类合金。
低温类合金具有低生产成本和低的模具维修费用等优点。
当铸造温度上升时,需要最佳条件下处理过的合金钢和其他特种钢来抵抗腐蚀及防止模具表面的热裂纹。
高温在模具上的损坏作用已经成为阻碍、延缓高温模铸发展的主要因素。
控制选择合金的另外一个因素就是熔融的金属在相关的机器零件上和模具上的腐蚀或溶解作用。
这种作用随着温度的升高而增加,甚至某些合金比另一些合金更为明显。
特别是,铝对黑色金属有一种破坏作用,为此,铝几乎不熔混于机器零件中,而铜基合金是决不能熔混于机器构件中的。
制造中的金属成形工艺
金属成形是基础制造工艺之一。
它在冶金、机器制造、电力、汽车、铁路、航空、船舶制造、武器工业、化工、电子、仪器仪表制造和轻工业中起着重要作用。
金属成形加工包括:
(a)笨重型成形工艺,例如锻造,挤压,辊轧、拉拔。
(b)轻薄型成形加工,例如,压弯成形,深冲(压)和张拉成形加工等。
早先讨论过的一组制造工艺中,对金属成形加工生产制造工业、军工零部件加工工业和消费品加工工业而言是具有重大意义的一套工艺加工方法。
成形加工工艺分类的一般方法是考虑冷成形加工(室温)和热成形加工(再结晶温度以上)。
大多数材料在不同的温度条件下其性能是有区别的。
在冷成形加工中,通常金属的屈服应力是随着应变值增加而增大,而热成形加工中,则随着应变率(即变形率)的增加而增大。
然而在各种温度条件下,控制成形加工的一般原则基本上是相同的。
因此,以材料的初始温度为依据的成形加工工艺,对于了解和改进这些工艺并没有多大的促进作用。
事实上,以成形前后的特殊几何形状而言,以所用材料和生产率为依据而不是以温度为依据的分类方法,可以更好地考虑工具设计,设备使用,自动化程度,制品输送及润滑等问题。
设计、分析和成形加工工艺的优化要求需要:
(a)关于金属流动、应力和热传导的分析知识以及(b)关于润滑、加热和冷却技术,材料处理、模具设计和制造、成形加工设备的技术资料。
关于成形加工的总体情况的了解,文献著作中的大量资料都是有用的。
锻造
锻造是借助于人工或动力锤,压力机或Spiel锻压机所施加的确定压力来进行的金属塑性加工过程,它既可是热锻也可以是冷锻。
然而,当其是冷锻的时候,通常就给予该工艺以专门的名称。
因此,一般讲的术语“锻造”指的是再结晶温度以上进行的热锻。
现代的锻造是由盔甲制造者和不朽的乡村锻工所实践的古代工艺发展而来的。
高动力锻锤和机械压力机代替了强有力的手臂、锤头和砧座。
而现代冶炼知识在控制加热和金属运送方面充实了技工的工艺技术。
已经研制出各种类型锻造工艺,这给生产提供了巨大的灵活性。
它使得单件的或数以千计的相同零件的批量锻造生产变得经济成为可能。
金属可能是
(1)被拉拔,增加其长度而减小其横截面,
(2)镦粗,增加其横断面,而减小其长度,(3)在闭式锻模中挤压迫使金属各向流动。
与锤锻的快速冲击不同,压力机锻造是用缓慢的挤压作用使塑性金属变形。
这挤压作用完全被施加到正在被压锻的零件中心位置上,直至彻底使整个工件得到加工。
这些压力机都是立式的,可能是机械操作也可能是液压操作的。
机械操作压力机,操作速度比较快,使用最普遍,锻造能力从5000吨到10000吨范围。
对于小型压力锻使用闭式锻模。
通常要求锻锤仅一个冲程就完成锻造工艺。
在冲程终端产生最大压力,该冲击压力迫使金属成形。
模具可由各自独立的单元装配而成,即把所有个别模腔都放到一起,组成整体。
对于小型锻件使用分模装置更为方便。
对于不同的金属在模具设计上有些区别,铜合金锻件比钢件用较小的拔模斜度,因此可生产更加复杂形状的锻件。
这些合金在该种模具中流动性好,而且能快速挤压成形。
锻压机比落锤锻,输入到机器里的总能量中有更大部分的能量被传输到金属坯料上。
落锤锻的冲击能量被机器和基础吸收得较多(比起压力机来)。
金属上的压力衰减较快,因此生产成本比较低。
大多数压力锻锻件形状、产生的表面都是对称的,而且表面非常光滑,并比落锤锻件的公差尺寸更加精确。
然而落锤锻造可以锻制形状复杂而不规则的锻件,因而较为经济。
锻压机常常用来为其他锻造工艺所生产的锻件进行整形和校正加工用。
在落锤锻中,一块金属坯料,粗糙的即大体像所要求零件形状那样,被放入到具有成品件那样精确形状的模面之间,然后施加压力使模具紧紧结合在一起以锻取模腔形状。
这一方法广泛用来制造钢件和黄钢件。
大型金属锭现在几乎都是用液压压力机来锻造的,而不用蒸汽锤。
因为用压力机锻造,变形更加深透。
将来压力机可对付冷金属锭并能加工得到更加精确的尺寸。
锻造将在大约与辊轧同样的温度下进行,这种工艺正像轧制那样可改善金属的物理性能。
最后火锻时,不使钢太热很重要,因为过热钢冷却后,其机械性能较差。
为锻件加热,温度通常是以肉眼来判断的,但在生产大量相同锻件的场合,要锻造的坯件是在有高温计指示温度的炉子中来加热,并且常常是自动控制的。
锻造的优点和工作原理
锻造——用锻锤或压力机成形制品的技术——无疑是压力加工工艺中最古老的加工方法。
它利用了金属最有价值的性能之一的优点——在高温下的塑性,即靠机械加工可使之变形的能力。
热锻是对塑性状态金属的加工。
作为靠压力加工成形的金属件,它能获得致密、均匀、流线特性好、强度高,为铸造和焊接成形所无法达到的质量。
自由锻质量高,生产各种形状、尺寸锻件的通用性强,它已成为一种最基本的现代加工技术。
对金属每施加一次载荷,该金属就承受一次变形。
随着施加的外力增加,这种改变就由小变大。
如果所施外力消失后金属回复到原有的形状就说明其是弹性的,并且一旦外力作用消失就没有永久性效应。
然而如果所施加外力消失,金属保持着形状的改变,则结果已发生了某些塑性变形或称非弹性变形。
热加工的主要方法是锤击、施压、辊轧和挤压,自由锻有别于其他锻造工艺在于金属始终没有被完全约束或限制。
槽(印)模,闭合模或落锤锻都将金属完全限制在模腔中。
所陈述的各种类型的锤击锻机和压力机也都是用于模锻的。
当热锻把坯料转变成所需尺寸和形状时,这是从锻造中仅仅获得一次调质处理。
通过热锻铸件的内部构造被打乱并为更精细的晶粒所代替。
低密度区,显微缩孔和气隙疏松被固结起来。
这样通过消除铸件结构缺陷,提高密度,改善均匀性而使机械性能提高。
锻造方法的选择提供了调整晶粒流向以获得最佳的所希望的定向性能的手段。
焊接
焊接技术已经变得如此通用以致今天定义“焊接”都感到困难。
以前说焊接是“用熔焊把金属连接起来”,就是靠熔合,但这一定义将不再使用。
尽管熔合方法仍然是最普遍的,但它们并不是总在使用。
后来又曾定义焊接为“用热把金属连接起来”,但这也不再是正确的定义。
不仅金属能焊接,许多塑料也能焊接。
而且,几种焊接方法不需要热。
每个机械工作者都熟悉无热焊接。
冷压焊在某些情况下是一个合适的焊接方法。
除压力焊接之外,我们还可用声焊和用著名的激光焊。
面对年复一年地发展的焊接方法多样性,这里我们必须采用以下焊接定义:
焊接是一种无须用固紧装置而使金属和塑料连接在一起的方法。
不存在焊接工艺统一命名的方法。
许多焊接工艺是根据热源或防护方法来命名。
但某种特殊工艺品则是在生产出焊缝的形式后才命名的。
点焊和对接焊就是例子。
总体分类不能考虑这个方法。
因为同样的焊缝类型可能由各种工艺方法来产生。
点焊可以用电阻、电弧、电子束等工艺来实现,对接焊可用电阻焊、烧焊或若干其他方法中的一种方法来实现。
把金属件连接在一起的方法有若干个,用哪一种方法,要根据金属种类和所要求的焊缝强度来决定。
软焊是要用熔融状态的第三种金属来使两件金属连接在一起的工艺。
焊料由锡和铅组成。
而常常含有铋和镉,目的是要降低熔点。
软钎焊中最重要的工序之一就是清理焊缝表面。
这可以用某种酸性清除剂来进行。
软钎焊能为轻型钢件、铜件和黄铜件生产满意的焊缝,但软钎焊的焊缝强度比起硬钎焊、铆接和焊接来要弱些。
连接金属的这些方法,通常用来产生强固的永久性的焊缝。
把两件金属焊在一起的最简单的方法称做压力焊。
用火焰把金属两端加热到白炽状态——铁的焊接温度为1300℃左右——在这一温度下,金属变成塑性,然后对两端施压或锤击使之结合在一起。
最后再将焊缝清理干净。
必须注意首先保证表面完全清洁,因脏物将会使焊缝强度削弱。
此外,加热铸铁或钢到高温会引起氧化并在焊接表面形成氧化皮。
因此用助焊剂施于加热的金属上。
达到焊接温度时刻,助焊剂熔化,将氧化物粒子跟任何其他可能存在的杂质一起都熔解于助焊剂中。
金属表面被压合在一起,而助焊剂就从焊缝中间被挤出。
可能使用若干不同类型的焊缝,但对于颇为粗厚的金属件,通常使用V型焊缝。
该焊缝比起普通的对接焊缝来要强固些。
热处理
热处理是锻后进行一次或多次重新加热和冷却操作的热循环过程,以便使锻件获得所需的显微组织和机械性能。
生产出的绝大多数锻件都需要进行某种形式的热处理。
不热处理的锻件,相对来说是为了非临界应用的低碳钢零件或者是打算进一步热机械加工而后再热处理的锻件。
钢的化学成分、产品的规格和形状以及所希望的性质是后面要用到的决定生产循环的重要因素。
普遍使用的工业热处理有球化处理、正火、退火、淬火、和回火。
它们包括加热材料到某一预定的温度,在此温度下进行均热即进行保温,并在规定速度下于空气中、液体中或于保温介质中冷却。
以下各项处理可简要地定义如下:
球化处理——在略低于临界温度范围下,对铁基合金持续较长时间加热,紧接着以相对慢的速度在空气中冷却。
在临界温度以上和略低于此温度相互交替长时间加热,高碳钢小件更迅速地球化。
这一热处理的目的是使碳化物生成球状。
正火——加热铁基合金到临界温度以上50℃,紧接着在低于临界温度下空冷。
其目的是使金属的组织结构,通过消除因某种加工操作产生的全部内应力、内应变而处于正常状态。
退火——是用于热处理的综合性术语,退火可用于消除应力,使金属变软,改变可锻性,消除气隙以构成某一显微组织。
处理的温度和冷却的速率取决于处理的工件和要进行处理的材料的组分。
淬火——加热或者到临界温度内或者到临界温度以上而后冷却某件铁基合金。
热处理的温度及其持续时间长度,即“保温周期”,那是取决于材料组分。
所用的冷却介质可根据组分、所希望的硬度和零件结构的复杂性来决定。
回火——是铁基合金淬火后再加热到低于临界温度以下的某一温度,紧跟着以所要求的任一速率冷却。
回火的目的是消除应力、应变及降低硬度和减少脆性。
机构和机器原理MECHANISMSANDMACHINETHEORY
[align=center][b]机构和机器原理[/b][/align][b]机构介绍[/b]
机构的功用是作为机械作用的一个部分从一个刚体到另一个刚体传送即传递运动。
一般能用作机构基本零件的机械装置有三种类型:
1.齿轮装置。
那是在回转轴之间进行接触传动的啮合构件。
2.凸轮装置。
把输入构件的均匀运动转换成输出构件的非均匀运动的装置。
3.平面机构和空间机构也是能使一个点或一个刚体产生机械运动的有用装置。
运动链是一个构件系统装置即若干个刚体,它们或者彼此铰接或者互相接触,方式上是允许它们彼此间产生相对运动。
如果构件中的某一构件被固定而使任何其他一个构件运动到新的位置将会引起其他各个构件也运动到确定的预期的位置上的话,该系统装置就是一个可约束的运动链。
如果构件中的某一构件仍保持固定而使任一运动到达一新的位置而不会使其他各个构件运动到一个确定的预期的位置上的话,则该系统装置是一个非约束运动链。
机构或连杆构件是一个可约束的传动链而且是一个从输入到输出以传递运动和(或)力为目的的机械装置。
连杆机构是由通常被认为是刚体构件或杆组成的,它们是以销轴铰接的,例如用柱销(圆形的)或棱柱体销轴铰接,以便成形开式或闭式(回环式)的运动链。
这样的运动链在至少有一个构件被固定的条件下:
(1)如果至少有两个构件能保持运动,就变为机构,
(2)如果没有一个构件能够运动,则就成为结构。
换句话说,机构是允许其“刚性构件”之间相对运动,而结构则不能。
由于连杆机构做成一简单机构而且能设定实现复杂的任务,例如非线性运动和力的传递运动。
它们在机构学研究中将受到更多的关注。
机构被用于许多许多的机器和装置中。
最简单的封闭式的连杆机构就是四杆机构,四杆机构有三个运动构件(加上一个固定构件)并且有四个销轴。
连接动力源的构件即原动件,而具有一个移动铰和一个固定铰者叫做输入构件。
输出构件将一个移动铰和另一个固定铰连系起来。
连接构件即浮动构件将两个移动的铰(回转副)连系起来,因而连接构件就将输入传送到输出。
四杆机构若使一个或几个构件无限长而产生某些特殊的构造。
曲柄滑块(即曲柄和滑块)机构就是一个四杆机构特例。
其以一个滑块替换一个无限长的输出件。
内燃机就是建立在这一机构基础上。
有着另一种形式的四杆机构,其中滑块是在一运动的构件上导移运动而不是在一固定构件上。
这些就被称为曲柄滑块机构的变换,它是其中一个构件(曲柄、连杆或滑块)被固定时形成的。
虽然四杆机构和曲柄滑块机构是非常有用而且在成千上万的应用中都可找到。
但是我们还看到,这些连杆机构其性能水平的发挥已经受到限制。
具有更多构件的连杆机构常常用于更多要求的情况中。
然而可以设想多回环的连杆机构的运动常常是更为困难的,特别是当其他零件出现在同一图中的时候,要进行更复杂机构的运动分析:
第一步是绘制一等效运动图即示意图。
这示意图用于电路图解类似的目的,即仅仅表示机构的主要本质的意图,然而它要体现影响其运动的关键的尺寸。
运动图可用两种形式中的一种:
一是草图(按比例画出,但放大比例不精确),二是比例准确的运动图(通常用于进一步分析其位置、位移、速度,加速度,力和扭矩传递等等)。
为了便于参考,对构件进行顺序编号,(以静止构件编号为1开始编写),而回转副则以字母表示。
机构运动分析的第二步:
画一个图解图,是要确定机构的自由度数。
依据自由度,可意指需要若干个独立输入的运动的数目,以确定机构所有的构件相对于地面的位置。
人们可以想象存在数以千计的不同类型的连杆机构。
你可想象一个袋子包容大量的连杆机构的组元:
二杆组,三杆组,四杆组等等,以及构件,回转副,移动副,凸轮随动件,齿轮,齿链,链轮,皮带,皮带轮等等。
(球形运动副,螺旋副以及允许三维相对运动的其他连接尚未包括进去,这里,仅仅讨论平行平面内的平面运动)。
而且你可以想象一下把这些组元放在一起而形成的各种类连杆机构的可能性。
存在如何帮助人们控制所形成这些机构的规律吗?
实际上,大多数机构的任务是要求一个单一的输入被传递到一个单一的输出。
因此单一自由度的机构是使用最多的一种机构类型。
例如,由直觉即可以看出:
四杆机构就是一个单一自由度的连杆机构。
画运动图和确定机构自由度的过程,就是运动分析和综合过程的第一个阶段。
在运动分析中,根据机构的几何形状加上可能知道的其特性(如输入角、速度,角加速度等)来研究确定具体的机构。
另一方面,运动综合则是设计一个机构以完成一个所要求的任务的过程。
于此,选择新机构的类型和尺寸是运动综合的一个部分。
设想相对运动的能力,能推想出之所以这样设计一个机构的原因和对一个具体设计进行改进的能力是一个成功的机构学家的标志。
虽然这些能力来自先天的创造性,然而更多的是因为掌握了从实践中提高的技术。
[b]运动分析[/b]
最简单最有用的机构之一是四杆机构。
以下论述中的大部分内容集中讨论连杆机构上,而该程序也适用于更复杂的连杆机构。
我们已经知道四杆机构具有一个自由度。
关于四杆机构,有没有要知道的有用的更多内容呢?
的确是有的!
这些包括格拉肖夫准则,变换的概念,死点的位置(分歧点),分支机构,传动角,和他们的运动特征,包括位置,速度和加速度。
四杆机构可具有一种称作曲柄摇杆机构的形式,一种双摇杆机构,一种双曲柄(拉杆)机构,致于称作哪一种形式的机构,取决于跟机架(固定构件)相连接的两杆的运动范围。
曲柄摇杆机构的输入构件,曲柄可旋转通过360°
并连续转动,而输出构件仅仅作摇动(即摇摆的杆件)。
作为一个特例,在平行四杆机构中,输入杆的长度等于输出杆的长度,连接杆的长度和固定杆(机架)的长度,也是相等的。
其输入和输出都可以作整周转动或者转换成称作反平行四边形机构的交叉结构。
格拉肖夫准则(定理)表明:
如果四杆机构中,任意两杆之间能作连续相对转动,那么,其最长杆长度与最短杆长度之和就小于或等于其余两杆长度之和。
应该注意:
相同的四杆机构,可有不同的形式,这取决于哪一根杆被规定作为机架(即作固定杆)。
运动变换的过程就是固定机构传动链中的不同的杆件以产生不同的机构运动过程。
除了具备关于构件回转范围的知识之外,还要具备如何使机构在制造之前就能“运转”的良好措施,那将是很有用的。
哈登
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