machine element

研究和设计各种设备中机械基础件的一门学科，也是零件和部件的泛称。机械零件作为一门学科的具体内容包括:

1、零(部)件的联接。如螺纹联接、楔联接、销联接、键联接、花键联接、过盈配合联接、弹性环联接、铆接、焊接和胶接等。机械零件2、传递运动和能量的带传动、摩擦轮传动、键传动、谐波传动、齿轮传动、绳传动和螺旋传动等机械传动，以及传动轴、联轴器、离合器和制动器等相应的轴系零(部)件。

3、起支承作用的零(部)件，如轴承、箱体和机座等。

4、起润滑作用的润滑系统和密封等。

5、弹簧等其它零(部)件。

作为一门学科，机械零件从机械设计的整体出发，综合运用各有关学科的成果，研究各种基础件的原理、结构、特点、应用、失效形式、承载能力和设计程序;研究设计基础件的理论、方法和准则，并由此建立了本学科的结合实际的理论体系，成为研究和设计机械的重要基础。

自从出现机械，就有了相应的机械零件。但作为一门学科，机械零件是从机械构造学和力学分离出来的。随着机械工业的发展，新的设计理论和方法、新材料、新工艺的出现，机械零件进入了新的发展阶段。有限元法、断裂力学、弹性流体动压润滑、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计(CAD)、实体建模(Pro、Ug、Solidworks等)、系统分析和设计方法学等理论，已逐渐用于机械零件的研究和设计。更好地实现多种学科的综合，实现宏观与微观相结合，探求新的原理和结构，更多地采用动态设计和精确设计，更有效地利用电子计算机，进一步发展设计理论和方法，是这一学科发展的重要趋向。

为鼓励大型国有装备制造企业的自主研发和生产，财政部2007年年初发出通知，对国内装备制造企业为开发、制造大型露天矿用机械正铲式挖掘机和大型煤炭采掘设备而进口的部分关键零部件、原材料所缴纳的进口关税和进口环节增值税将实行"先征后退"，同时停止相应整机及成套设备的进口免税政策。

2007年年初，财政部、国家发改委、海关总署、国家税务总局等四部门联合发布《关于落实国务院加快振兴装备制造业的若干意见有关进口税收政策的通知》，此次出台的税收调整通知，是落实上述装备业进口税收政策的最新举措。财政部透露，之前选定的16个重大技术装备关键领域中，已审批通过了纺织机械、盾构机、大型矿用挖掘机和煤炭采掘设备四个大类的关税调整政策，其余领域的关税调整政策将陆续出台。

机械零件23日发布的通知中指出，以企业进口申报时间为准，自2007年1月1日起，对国内企业为开发、制造大型露天矿用机械正铲式挖掘机和大型煤炭采掘设备而进口的部分关键零部件、原材料所缴纳的进口关税和进口环节增值税实行"先征后退"，所退税款作为国家投资处理，转为国家资本金，主要用于企业新产品的研制。通知确定了具体的挖掘机和煤炭采掘设备型号和类型，如电牵引采煤机、刮板输送机、刮板转载机、液压支架、提升设备、大型破碎站等等。

机械零件另外，自今年1月起，对新批准的内外投资项目部分型号的整机如正铲式矿用挖掘机、电牵引采煤机刮板输送机、刮板转载机，和液压支架、大型破碎站、固定式带式输送机等，一律停止执行进口免税政策。

调整进口税收政策体现了政府对振兴国内装备制造业的支持，进口关键零部件及原材料返还的税款转作企业的资本金，可为企业进行技术改造和科技创新提供资金投入来源。同时，在国产设备可以满足国内基本需求的前提下，停止对进口整机的免税，可为国产装备提供一个与进口装备开展公平竞争的机会，可在一定时期内减轻新研制的国产设备的生产成本压力。

表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要技术指标，是检验零件表面质量的主要依据;它选择的合理与否，直接关系到产品的质量、使用寿命和生产成本。 机械零件表面粗糙度的选择方法有3种，即计算法、试验法和类比法。在机械零件设计工作中，应用最普通的是类比法，此法简便、迅速、有效。应用类比法需要有充足的参考资料，现有的各种机械设计手册中都提供了较全面的资料和文献。最常用的是与公差等级相适应的表面粗糙度。在通常情况下，机械零件尺寸公差要求越小，机械零件的表面粗糙度值也越小，但是它们之间又不存在固定的函数关系。例如一些机器、仪器上的手柄、手轮以及卫生设备、食品机械上的某些机械零件的修饰表面，它们的表面要求加工得很光滑即表面粗糙度要求很高，但其尺寸公差要求却很低。在一般情况下，有尺寸公差要求的零件，其公差等级与表面粗糙度数值之间还是有一定的对应关系的。

在一些机械零件设计手册和机械制造专著中，对机械零件的表面粗糙度和机械零件的尺寸公差关系的经验及计算公式都有很多介绍，并列表供读者选用，但只要细心阅来，就会发现，虽然采取完全相同的经验计算公式，但所列表中的数值也不尽相同，有的还有很大的差异。这就给不熟悉这方面情况的人带来了迷惑。同时也增加了他们在机械零件工作中选择表面粗糙度的困难。

在实际工作中，对于不同类型的机器，其零件在相同尺寸公差的条件下，对表面粗糙度的要求是有差别的。这就是配合的稳定性问题。在机械零件的设计和制造过程中，对于不同类型的机器，其零件的配合稳定性和互换性的要求是不同的。

在现有的机械零件设计手册中，反映的主要有以下3种类型:

第1类主要用于精密机械，对配合的稳定性要求很高，要求零件在使用过程中或经多次装配后，其零件的磨损极限不超过零件尺寸公差值的10%，这主要应用在精密仪器、仪表、精密量具的表面、极重要零件的摩擦面，如汽缸的内表面、精密机床的主轴颈、坐标镗床的主轴颈等。

第2类主要用于普通的精密机械，对配合的稳定性要求较高，要求零件的磨损极限不超过零件尺寸公差值的25%，要求有很好密合的接触面，其主要应用在如机床、工具、与滚动轴承配合的表面、锥销孔，还有相对运动速度较高的接触面如滑动轴承的配合表面、齿轮的轮齿工作面等。

第3类主要用于通用机械，要求机械零件的磨损极限不超过尺寸公差值的50%，没有相对运动的零件接触面，如箱盖、套筒，要求紧贴的表面、键和键槽的工作面;相对运动速度不高的接触面，如支架孔、衬套、带轮轴孔的工作表面、减速器等等。

机械零件在此我们对机械设计手册中的各类表值进行统计分析，将旧的表面粗糙度国家标准(GB1031-68)转换为参照采用国际标准ISO颁布的1983年的新的国家标准(GB1031-83)，采用优先选用的评定参数，即轮廓算术平均偏差值Ra=(1)/(l)∫l0|y|dx。并采用Ra优先选用的第一系列数值，推导出表面粗糙度Ra与尺寸公差IT之间的有关关系式为

第1类:Ra≥1.6 Ra≤0.008×IT

Ra≤0.8Ra≤0.010×IT

第2类:Ra≥1.6 Ra≤0.021×IT

Ra≤0.8Ra≤0.018×IT

第3类:Ra≤0.042×IT

将上述3种关系式列表，如表1、表2、表3所示。 表1 公差等级与表面粗糙度值(用于精密机械)

选材的最主要依据

指的是零件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。对大多数零件而言，机械性能是主要的必能指标，表征机械性能的参数主要有强度极限σb、弹性极限σe、屈服强度σs或σ0.2、伸长率δ、断面收缩率ψ、冲击韧性ak及硬度HRC或HBS等。这些参数中强度是机械性能的主要性能指标，只有在强度满足要求的情况下，才能保证零件正常工作，且经久耐用。在材料力学的学习中，已经发现，在设计计算零件的危险截面尺寸或校核安全程度时所用的许用应力，都要根据材料强度数据推出。

机械零件材料的加工工艺性能主要有:铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。其加工工艺性能的好坏直影响到零件的质量、生产效率及成本。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。

(1)铸造性能:一般是指熔点低、结晶温度范围小的合金才具有良好的铸造性能。如:合金中共晶成分铸造性最好。

(2)压力加工性能:是指钢材承受冷热变形的能力。冷变形性能好的标志是成型性良好、加工表面质量高，不易产生裂纹;而热变形性能好的标志是接受热变形的能力 好，抗氧化性高，可变形的温度范围大及热脆倾向小等。

(3)切削加工性能:刀具的磨损、动力消耗及零件表面光洁度等是评定金属材料切削加工性能好坏的标志，也是合理选择材料的重要依据之一。

(4)可焊性:衡量材料焊接性能的优劣是以焊缝区强度不低于基体金属和不产生裂纹为标志。

(5)热处理:是指钢材在热处理过程中所表现的行为。

如过热倾向、淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向以及变形开裂倾向等来衡量热处理工艺性能的优劣。

总之，良好的加工工艺性可以大减少加工过程的动力、材料消耗、缩短加工周期及降废品率等。优良的加工工艺性能是降低产品成本的重要途径。

机械零件每台机器产品成本的高低是劳动生产率和重要标志。产品的成本主要包括:原料成本、加工费用、成品率以及生产管理费用等。材料的选择也要着眼于经济效益，根据国家资源，结合国内生产实际加以考虑。此外，还应考虑零件的寿命及维修费，若选用新材料还要考虑研究试验费。

作为一个机械设计人员，在选材时必须了解工业发展趋势，按国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际出发全面考虑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，在机械制造中也具有独特的使用价值。

1、铸铁

机械零件铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。铸铁具有适当的易熔性，良好的液态流动性，因而可铸成形状复杂的零件。此外，它的减震性、耐磨性、切削性(指灰铸铁)均较好且成本低廉，因此在机械制造中应用甚广。常用的铸铁有:灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。其中灰铸铁和球墨铸铁是脆性材料，不能进行辗压和锻造。在上述铸铁中，以灰铸铁应用最广，球墨铸铁次之。

2、钢

与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。钢制零件的毛坯可用锻造、冲压、焊接或铸造等方法取得，因此其应用极为广泛。

按照用途，钢可分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造各种机械零件和工程结构的构件;工具钢主要用于制造各种刃具、模具和量具;特殊钢(如不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)用于制造在特殊环境下工作的零件。按照化学成分，钢又可分为碳素钢和合金钢。碳素钢的性质主要取决于含碳量，含碳量越高则钢的强度越高，但塑性越低。为了改善钢的性能，特意加入了一些合金元素的钢称为合金钢。

1)碳素结构钢

这类钢的含碳量一般不超过0.7%。含碳量低于0.25%的低碳钢，它的强度极限和屈服极限较低，塑性很高，且具有良好的焊接性，适于冲压、焊接，常用来制作螺钉、螺母、垫圈、轴、气门导杆和焊接构件等。含碳量在0.l%~0.2%的低碳钢还用以制作渗碳的零件，如齿轮、活塞销、链轮等。通过渗碳淬火可使零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击。如果要求有更高强度和耐冲击性能时，可采用低碳含金钢。含碳量在 0.3%~0.5%的中碳钢，它的综合力学性能较好，既有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，常用作受力较大的螺栓、螺母、键、齿轮和轴等零件。含碳量在0.55%一0.7%的高碳钢，具有高的强度和弹性，多用来制作普通的板弹簧、螺旋弹簧或钢丝绳等。

机械零件2)合金结构钢

钢中添加合金元素的作用在于改善钢的性能。例如:镍能提高强度而不降低钢的韧性;铬能提高硬度、高温强度、耐腐蚀性和提高高碳钢的耐磨性;锰能提高钢的耐磨性、强度和韧性;铝的作用类似于锰，其影响更大些;钒能提高韧性及强度;硅可提高弹性极限和耐磨性，但会降低韧性。合金元素对钢的影响是很复杂的，特别是当为了改善钢的性能需要同时加入几种合金元素时。应当注意，合金钢的优良性能不仅取决于化学成分，而且在更大程度上取决于适当的热处理。

3)铸钢

铸钢的液态流动性比铸铁差，所以用普通砂型铸造时，壁厚常不小于10mm。铸钢件的收缩率比铸铁件大，故铸钢件的圆角和不同壁厚的过渡部分均应比铸铁件大些。

选择钢材时，应在满足使用要求的条件下，尽量采用价格便宜供应充分的碳素钢，必须采用合金钢时也应优先选用硅、锰、硼、钒类合金钢。

3、铜合金

铜合金有青铜与黄铜之分。黄铜是铜和锌的合金，并含有少量的锰、铝、镍等，它具有很好的塑性及流动性，故可进行碾压和铸造。青铜可分为含锡青铜和不含锡青铜两类，它们的减摩性和抗腐蚀性均较好，也可辗压和铸造。此外，还有轴承合金(或称巴氏合金)，主要用于制作滑动轴承的轴承衬。

1、橡胶

橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量，常用作联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。

机械零件2、塑料

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、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂压结而成的塑料称为结合塑料，可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体，用热固性树脂压结而成的塑料称为层压塑料，可用来制作无声齿轮、轴承村和摩擦片等。

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。这就要求设计者在材料和工艺等方面具有广泛的知识和实践经验。前面所述，仅是一些概略的说明。

各种材料的化学成分和力学性能可在有关的国家标准、行业标准和机械设计手册中查得。

设计机械零件时，不仅应使其满足使用要求，即具备所要求的工作能力，同时还应当满足生产要求，否则就可能制造不出来，或虽能制造但费工费料很不经济。 在具体生产条件下，如所设计的机械零件便于加工而加工费用又很低，则这样的零件就称为具有良好的工艺性。有关工艺性的基本要求是:

(1)毛坯选择合理机械制造中毛坯制备的方法有:直接利用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。毛坯的选择与具体的生产技术条件有关，一般取决于生产批量、材料性能和加工可能性等。

(2)结构简单合理设计零件的结构形状时，警好采用最简单的表面(如平面、圆柱面、螺旋面)及其组合，同时还应当尽量使加工表面数目最少和加工面积最小。

(3)规定适当的制造精度及表面粗糙度零件的加工费用随着精度的提高而增加，尤其在精度较高的情况下，这种增加极为显著。因此，在没有充分根据时，不应当追求高的精度。同理，零件的表面粗糙度也应当根据配合表面的实际需要，作出适当的规定。

欲设计出工艺性良好的零件，设计者就必须与工艺技术员工相结合并善于向他们学习。此外，在金属工艺学课程和手册中也都提供了一些有关工艺性的基本知识，可供参考。

标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的研究领域十分宽广，就工业产品标准化而言，它是指对产品的品种、规格、质量、检验或安全、卫生要求等制订标准并加以实施。

产品标准化本身包括三个方面的含义:(1)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、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户的广泛需要;(2)零部件的通用化--将同一类型或不同类型产品中用途结构相近似的零部件(如螺栓、轴承座、联轴器和减速器等)，经过统一后实现通用互换;(3)产品质量标准化--产品质量是一切企业的"生命线"，要保证产品质量合格和稳定就必须做好设计、加工工艺、装配检验，甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。