机械零件的材料、结构工艺性与承载能力优化

1.机械零件的材料

材料是制造机械零件的原料，零件有强度和使用寿命的要求，不同的零件需要选用不同的材料。如汽车轮胎具有一定的弹性和耐磨性，选用橡胶作为原料；汽车大梁需要承受较大的载荷和冲击，选用具有一定强度和韧性的低碳合金钢。机床的主轴不仅要有强度，还有能抗弯曲变形的刚度要求，选择45或40Cr钢材，并做成中空形状；机床的床身要求不变形且耐磨损，选用不变形的铸铁材料，导轨表面做淬火处理。

（1）机械零件的材料有金属材料、非金属材料和复合材料

①机械零件的材料的金属材料、非金属材料，如表0-1-1所示。

表0-1-1　常用金属材料和非金属材料

②复合材料是指用两种或两种以上具有明显不同的物理和力学性能的材料经复合工艺处理而得到所需性能的一种新型材料。例如用玻璃、石墨、硼、塑料等非金属材料可以复合成各种纤维增强复合材料。

在普通碳素钢板表面贴附塑料，可以获得强度高而又耐腐蚀的塑料复合钢板。主要优点是有较高的强度和弹性模量，而质量又特别小；但也有耐热性差、导热和导电性能较差的缺点，此外，复合材料的价格比较贵。所以目前复合材料主要用于航空、航天等高科技领域，在民用产品中，复合材料也有一些应用。如图0-1-19所示为复合材料在医疗器材上的应用；如图0-1-20所示为复合材料在4G通信设备上的应用。

图0-1-19　复合材料在医疗器材上的应用

图0-1-20　复合材料在4G通信设备上的应用

（2）机械零件材料选用的原则

材料的品种很多，各有特点，应做到物尽其用、用其所长。当然要考虑零件工作中的使用要求、工艺要求和经济性，如表0-1-2所示。

表0-1-2　机械零件材料选用的原则(www.xing528.com)

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2.机械零件的结构工艺性

零件的结构工艺性指所设计的零件在满足使用要求的前提下，制造的可行性和经济性，即难易程度，其内容包括零件机械加工的结构工艺性和产品结构的装配工艺性。

良好的结构工艺性是指在现有工艺条件下既能方便制造、又有较低的制造成本，包括结构工艺性内容和结构工艺性原则，如表0-1-3所示。

表0-1-3　机械零件的结构工艺性

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3.机械零件的承载能力

失效是指机械零件丧失工作能力或不能达到设计要求。如彩色电视机的显像管，由于老化而出现的图像模糊不清，达不到设计时的要求，称之为失效。机械零件主要的失效形式有：因强度不足而断裂；过大的弹性变形或塑性变形；摩擦表面的过度磨损、打滑或过热；压力容器、管道等泄露；运动精度达不到要求；零件松动等。

零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。对载荷而言的工作能力称为承载能力。

例如，乘坐电梯时，如果乘坐的人数过多，电梯就会报警并提示“超载”导致电梯无法正常工作，这就是电梯的承载能力不足造成的。