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Lesson 2
Lubrication
润滑
尽管润滑的主要目的之一是为了减少摩擦力，
任何可以控制两滑动表面之间的摩擦和磨
损
(w
ear)
的物质——不管是液体、固体或者气体，都可以归类为
(be
classed as)
润滑剂。
经过精心处理去除了所有杂质
(foreign materi
al)
的金属在相互滑动时，会粘附
(seize)
或
熔接
(weld)
到一
起
.
当达不到高的清洁度
(cleanliness)
时，
吸附在表面
的气体、
水蒸汽、
氧化物
(oxide
)
和污
染物会降低摩擦力并减少黏附的趋势，
< br>但通常会产生严重的磨损，
这种现象被称为
“无润滑”<
/p>
摩擦或干摩擦
(dry
sliding)
。
在滑动面之间引
入一层流体膜，把润滑表面完全隔离开，就产生了（
result
in
）流体膜润
滑。
这种流体可能是有意引入的，
例如
汽车主轴承中的润滑油；
也可能是无意中引入的，
例如
在光滑的橡胶轮胎与潮湿的路面
pavement
之间的水。尽管流体通常是油、水和很多其它种
类的液体，也可以是气体，最常用的气
体是空气。
为了把零件隔离开
，润滑膜中的压力必须和作用在滑动面上的负载（荷）
保持平衡。
如果
润滑膜的压力来自于外界，这种系统被称为流体静压
hy
drostatically
润滑
.
如
果润滑表面
之间的压力是由于滑动面本身的形状和运动所共同产生的，这种系统就称为流
体动压
（
hyrodynamically
）润滑。第二种润滑与润滑剂的粘性密切相关。
处在无润滑滑动和流体膜润滑之间的状态被称为边界润滑，
也可以被定义为这样一种润滑
状态，
在
这种状态中，
表面之间的摩擦力取决于表面性质和润滑剂中除粘度以外的其他因素。
边界润滑包括大部分的润滑现象，通常在机器的启停时出现。
当普通润滑剂没有足够的承载能力或者不能在极限温度下工
作时，
石墨
(graphite)
和二
硫
化钼
(molybdenum disulfide) <
/p>
这类固体润滑剂得到广泛的应用。但润滑剂不仅仅以油脂、
粉末和
气体这样一些为人们所熟悉的形态出现，
在一些精密的机器中，
金属也常作为润滑面。
尽管润
滑剂主要是用来控制摩擦和磨损的，
能够且通常也确实起到许多其他的作用，
这些
作用随其用途的不同而不同，但通常是相互联系。
润滑面之间润滑剂的数量和性质对摩擦力的产生有
极大影响。
例如不考虑热和磨损这些相
关因素，只考虑两个油膜
润滑表面间的摩擦力，它比两个同样表面但没有润滑时小
200
倍。
在流体膜润滑状态下，摩擦力与流体的黏度成正比（
be
proportional
to--
与…成正比）
。
一些诸如石油衍生物这类润滑剂，
可以有很多种黏度，
< br>因此满足广泛的润滑要求。
在边界润
滑状态，
润滑剂粘度对摩擦力的影响不像其他化学性质的影响那样显著。
磨损发生在
由擦伤
（
abrasion
）
、腐蚀
(corrosion)
引起的润滑表面
以及固体与固体接触的表面
.
适当的润滑剂
将能帮助克服上面提到的每种磨损现象
润滑剂通过增加滑
动面之间的距离，从而减轻了由
于磨料污染物和表面粗糙
(as
perity)
造成的损伤。
润滑剂通过减少磨损和带走
(carry off)
产生的热量来控制温度。其效果取决于润滑剂的
用量，环境温度和外部冷却
措施。
冷却剂的种类也会在较小程度上
(to
a
lesser
extent)<
/p>
，
影响表面温度。
润
滑
剂<
/p>
在
控
制
表
面
腐
蚀
时
有
双
重
作
用
。
当
机
器
闲
置
不
工
作
时
润
滑<
/p>
剂
起
防
腐
剂
(preservative)
的作用。<
/p>
当机器工作时，
润滑剂通过给被润滑零件涂上一层可能含有添加剂
(additive)
，能使腐蚀材料中和的保护膜来控制腐蚀
.
润滑剂控制腐蚀的能力与润滑剂保留
在金属表面的润滑膜的厚度和润滑剂的化学成分有直接关系。
除了减少摩擦外，润滑剂还经常有其他的用途。其中一些用
途如下所述。
传递动力：润滑剂被广泛用来作为液压传动中的工作液体。
绝缘：
在像变压器
< br>(transformer)
和配电装置
(switch
gear)
这些特殊用途中，
具有很高介电
常数的润滑剂起绝缘材料的作用。
为了获得最高的绝缘性能，
润滑剂中不能含有任何杂质和
水分。
减振：
在像减振器这种能量传递装
置中和在承受很高的周期性载荷的齿轮这样的机器零件
的周围，润滑剂被作为减振液使用
。
密封
(sealing)
：润滑脂
(grease)
通常还有一个特殊作用，就是形成密封层以防止润滑剂
外泄和污染物进入。<
/p>
Lesson 3 Machine Tool
Frames
机床床身
机身是机器的基础部件。大多数机身是铸铁（
cast ir
on
）
、焊接结构钢、复合材料、混
凝
土（
concrete
）材料制作而成。材料选择由下列因素来
决定。
材料必须能够抵抗变形和
断裂。
硬度必须与其弹性相平衡。
机身必须能承受冲击且在载荷
作用下不能裂缝和永久性变形。
机身材料具有消除或阻止振动（
oscillation
）传递的性能。以减轻降低精度和刀具寿命
的振荡。
< br>它必须面对不利的车间环境，
包括冷却液和润滑剂。
材料
的膨胀不能妨碍滑动部件
的运动。
在正常工作期间材料不能产生
太多的热量，
应能保护其形状，
且具有足够大的密度
以支承机床的其它部件。
铸件和焊接件应用都很广泛，哪种形式最好由给定条件下的成本来决定。
铸铁：
几乎所有传统机床的床身都
是由铸铁制成，
因为其他方式难以获得的形状都能铸造
而成。铸
件有好的刚度与重量比和好的减震
(damp)
性能。各种壁厚
都容易浇注而成。
尽管铸铁是
一种便宜的材料，
但是每个铸件都需要一个铸型。
铸型要用螺栓
紧固联接，
且
铸件需要退火处理使得大尺寸铸件受到限制，
这些条件也使得大尺寸铸件制作困难，
花费大
.
尺寸小，
大批量生产的机床由于分担的铸型费用较低，
常使用铸铁床身。
单件小批生产的机
床结构
用焊接或许是经济的。
焊接钢
结构：
当铸件不容易实现时，常用焊接钢结构制作床身。
由于钢
具有高的模数，常
设置肋提高刚度。焊接件的数量是设计时需权衡的因素。
焊接容易得到大尺寸零部件，而
且既使最初的设计
完成后也可以添加一些特征，但是（焊接产生的）热量会引起变形，
增加
费用。焊件也有助于削弱振动传递。制造有时通过冷却液循环和在床身空腔内加铅和沙子，
来抑制热变形和减振。
复合材料：包括高分子材料、
（优质）金属材料、陶瓷在内的这些新材料引起了机床设
计
的显著变化。基体和强化材料都能满足某一具体轴线方向的强度要求。
陶瓷：
二十世纪八十
年代，
日本制作了陶瓷床身的试验机床。
陶瓷具有足够的强度、
刚度，
尺寸稳定，耐腐蚀，低表面粗糙度，但脆性大，费用高<
/p>
.
低的传导率有时是优点，有时是缺
点。
复合材料和陶瓷的应用是有限的。
钢筋混凝土：
尽管普通预应力混凝土在简易零件中增大了质量，
减轻了振动，
另一种形式
应用更广，这是一种碾碎的混凝土
或花岗石粘接到高分子基体上而成的高分子基复合材料。
这种复合材料较铸铁有好的减震性能，
几乎能浇注成各种形状，
不需消除应力处理，
可以
嵌入紧固件和
设置横档。但它强度不如金属高、散热性能较差。
设计者必须考虑相联的复合材料件和金属件的不同膨胀系数。
这些材
料常用于高精度机床
和磨床。
基础主要保证机床的刚度，
吸振和隔振是次要因素。
机器本身刚度不足时必须让基础弥补。
选择基础时，
设计者必须考虑机器的重量，
产生的力，
精度要求及相邻机器
传到基础上的载
荷。由于地质条件的时常变化会影响机器的稳定，因此也是需要考虑的问
题。
如果一个小机床具有足够
的刚度，
它就不需要由基础再补充。
载荷较小时，
机床只需
152
～
203m
m
厚的混凝土基础。安装到机床基础上的弹性件常有助于隔离车间的其它力源。
浇筑
到车间地板上的独立固定的板支撑较重的
机床。
大多数复杂的结构是固定板坯来与车间其它
部分隔离，且
该板坯上安装有主动和被动的振动隔离装置。
床身设计的主要考虑因素有：载荷、阻尼、孔、热变形、噪声。
载荷：
搞清机器产生的静载和动载
是必不可少的。
基本静态载荷，
有机床及其工件的重量。
动载是机器运转时产生的所有载荷。
它包括加、减速，刀具切削产生的
力，
不平衡因素产生
的不规则载荷。力和振动相互作用产生的自
激载荷。
阻尼：
尽管床身材料和设计应具有和考虑阻尼，
但阻尼器常作为床身的一部分来处理
一些
具体问题。
阻尼器最好设在几乎没有动载的机床位置，且只有设计者彻底搞清了所有涉及到的载荷，
它们
（阻尼器）
才能有效工作。
例如一个在静载条件下工作良好的阻尼器在动载条件下弊大
于利。
< br>
孔：
每个床身本应是实
体的，
但机器需要装配和维护。
设计者必须处理好孔的数量、<
/p>
尺寸
与刚度、强度的关系。
热力因素：
来自内部和外部的热量
是床身变形的主要原因。
外部热源源包括：
周围车间条
件，冷却、润滑介质和阳光。
机器也有它自己的热源：电机、机器运动产生的摩擦，
刀具对工件的切削
加工。
理想的床
身温度要尽量低且保持恒定。
< br>
噪音：
从健康和安全方
面考虑，
降低噪音是人们近来相当关心的问题。
来自于运动部件
和
风扇的空气涡流是一特殊问题。机壳阻止声音传递，声音阻尼材料有助于减少有害声音
。
Lesson 4 Threaded
Fasteners
螺纹紧固件
螺纹紧固件起着定位、
加紧、
调整和从
一个机器零件向另一个传递力的作用。
它们已经完
全标准化，且
通常用于大批量生产的机器上。
尽管存在其它先进的联接方
式，
螺纹紧固件的应用仍保留了机器设计和制造过程中基本的装
配方法。因此，设计者在满足使用要求时应用标准类型和尺寸的螺纹紧固件。
螺纹紧固件是这样一个装置，
在切
线方向上施加一个较小的力，
能在轴线方向上有效地产
生并保持
一个较大的力。
所有这些都是基于单头螺纹螺钉的，
它是一个简
单机械，
可以在最
小的空间内产生很大的机械增益，
而且在理论上是自锁的。
而这一有效应用，
要借助
两个其
它简单机械：杠杆和轮轴机械。扳手是一种基本杠杆；螺丝刀是一种轮轴机械。<
/p>
螺纹紧固件是尺寸较小，
承受高拉应力的零件。
螺纹是通过在圆柱形棒料上切削加工或冷
压成型的沟槽形成的螺旋凸起物，这样产生了大家所知的螺钉、螺栓、双头螺柱。
螺纹也可在孔的内圆柱表面上生成，
这就形成了螺母。
内外螺纹匹配是所有螺纹紧固件装
< br>配的关键。
相对静止的螺栓，
螺母的旋转运动会产生一个
沿螺栓轴线方向的直线运动。
受到
阻力时，
螺纹产生轴向力的现象可由斜面原理来解释。
再进一步旋
转需要增加扭矩
（
torque
）
同时轴向力也增大。
这样只要没有像振动、
温度变化这些外部因素改变初始条件，
这种联接
就能维持紧固的
状态。
统一标准（
unified
shandard
）螺纹有三个基本系列的直径螺距组合。
统一标准粗牙螺纹系列是最普通的，
推荐用于一般的装配场合—
—振动较小，
频繁拆卸。
统
一标准细牙
螺纹系列具有较大张紧力，
较适用于精密调整的场合。
该系列常
用于航空器的装
配。统一标准超细牙螺纹用于薄壁零件的外螺纹配合。该系列用于要求抗
振动性强的场合，
及更精密调整的场合。
统一标准螺纹用一个简化符号标识在图形零件的细表等场合
。
该符号包括：
尺寸，
螺纹系
列，配合等级，内外螺纹符号（
A
——外螺纹，
B
——内螺纹）及旋向。
如标示：
，表示：一
外螺纹零件，公称直径英寸，
20
牙
/
英寸
的统一粗牙螺纹，公差等级
2
，及右旋螺纹。
< br>
右旋
螺纹由于是标准旋向，其右旋标示常省略。另一例
子：表示：内螺纹，左旋，公称尺寸（直
径）英寸，统一细牙螺纹
16
牙
/
英寸，公差等级
2
。
ISO
标准包含许多直径螺距组合系列，但推荐的美国标准指定了单一的直径螺距组合系
列。公制螺纹标示为：字母
M
后接公称直径（
mm
）
X
螺距（<
/p>
mm
）
。
例如
M4
×
0.7
表示公制螺
纹公称直径
4mm
，螺距
0.7mm
。
垫片经常与螺纹紧固件一同使用，
为螺母和螺栓头提供一个较好的支撑面；
为在大的清洁
的孔和狭
槽上提供一个支撑面；
为了在较大的面上分布载荷；
为装配时免
于零件损坏；
为了
改善扭矩—张紧比（通过减少摩擦）
，为了在某些情况下通过弹簧（垫片）作用提供自锁。
平垫圈是薄的环片，主要用于提供支撑面，分布载荷，无自锁性能。
弹簧垫片实际是在载荷作用下变平的单圈螺旋形弹簧。
弹簧作用有助于
维持螺栓受力，
同时
开口咬入支承面提供自锁作用。
锁紧垫圈通常由淬硬钢
(hardened
steel)
制作。
碳钢和合金钢是
紧固件最常用的材料。在
要求较好抗腐蚀性能的场合，许多不锈钢
(stainless)
也常用于螺纹紧固件。像蒙乃尔铜合
金和因科合金，这样的镍高温合金常用于高温下强度不变及抗腐蚀性能好的紧固件。
<
/p>
铝
（
aluminum
< br>）
、
青铜
(bronze)
、
黄铜
(brass)
也用于螺纹紧固件。
在腐蚀环境中且强度要求不
高时，尼龙
和其它塑性材料制作的紧固件既适用又经济。
Lesson
5 Working Drawing
生产图纸
工作图是将设计变为实际产品所依据的图样。所有的正投影
（
orthographic
projection
）
原理和绘图技术都可用来在工作图中表达项目中的细节。
零件图
(detail drawing)
是在一
整套工作图中一个零件（或细节）的工作图。
< br>
技术要求
（
specificaion
）
是工作图中所附的文
字说明部分。
当一个设计方案需要用几张
图纸来表示时，通常将
技术要求以统一
(consolidate)
的格式写在工作图
上
。
在绘制零件图之前，
设计人员应该对工作图进行透彻的分析，<
/p>
以保证每个零件与其他零件
有适当的配合，所标注的公差（
tolerance
）准确无误，接触表面具有适当的粗糙度，零件<
/p>
之间可以产生正确的运动。
在准备工作图时，
大部分工作由绘图员来完成，
但设计人员通常是工程师，
要对图纸的正
确与否负责。正是
工作图使产品得以生产或建造出来。
< br>工作图是法律合同，
记录了在工程师的指导下，
制定的设
计细则和技术要求。
因此图纸必
须尽可能地清楚、准确和详尽。
对于一个项目，
在生产或建造时进行修改
（
revision
）
或更改
(modification)
所付出的代
价远比在设计初始阶段进行这项工作花费更多的费用。<
/p>
质量较差的工作图将会浪费时间
和资源，且会增加实施成本。为了在经济上有竞争优势，
图纸必须尽可能地没有差错（<
/p>
error-
free
）
。
英寸是英制的基本单位，实际上在美国所有的生产图纸中却
用英寸来标注尺寸。
毫米是公制
的基本单位。
标注尺寸时可以省略去数字后面公制单位的缩写，
因为标题栏附
近的
SI
符号表明所有单
位却是公制的。
有些工作图同时
使用英寸和毫米两种单位标注尺寸，
通常将用毫米标注的尺寸放在圆括号
或方括号中。单位也可以先用毫米给出。
然后换算成英寸，并且将其放在方括号
中表示，两
种单位之间的换算会产生必须舍入的数位误差。
每张
图纸所用的主要单位制，
必须在标准栏
中加以说明。
在实践中标题栏中通常包括标题或零件名
称、制图员、日期、比例、公司和图号。
另外，还可以包含公差、审核者和材料等信息，
在第一次制图之后，
任何为改进设计方案
而做的修改和更正都应该在修改栏中标明。
根据项目复杂度的不同，
一套工作图和图纸数量少则一张，
多至一百多张。
因
此在每张图
纸上标注上序号和这套图纸的总数是重要的。例如
6
张一套中的第
2
张，
< br>6
张一套中的第
3
张，等等。<
/p>
在零件明细表中，
零件的序号和名称必须与工作图中的同一个零件一致。
还要给出所需要
的图样零件的数量和制造零件所用的材料。
如果一套工作图中每一张图纸都采用同一种比例，只要在每
张图的标题栏中标明一次即
可。
如果一张工作图上有几个不同比
例的零件图，
要在每组视图上标明其比例。
在这种情况
下，在标题栏中对应比例的位置上标明“如图所示”
。当图纸没有按照比
例绘制时，将缩写
NTS
（不按比例）放在标题栏中。
零件名称和序号
给每个零件一个名称和序号，
所用的字母和数字的高度为
1/
8
英寸
（
3mm
）
。
将零件序号放在圆圈内，这种圆圈称
balloons
（气球）
，其直径大约是数字高度的
4
倍。
<
/p>
将零件的序号放在该零件视图附近，
以便清楚地表明它们之间的关
系
（
association
）
。
在
装配图中，圆圈是非常重要的，以为同样
的零件序号将用在零件明细表内。
图纸的审核人员应该具有特殊的素质，他们能够发现图中的错误，提出修改和改进意见，
以便制造出物美价廉的产品
。审核人员可以是在制图和加工
工艺方面有丰富经验的主任制
图员，
或是创始该项目的工程师或
者设计人员。
在一些较大的公司中，
图纸要由有关的各个
生产车间会同评审，确保为每个零件指定最有效的生产方法。
审核人员从不审核原图，
而是用彩
色铅笔在蓝图上进行修改。
并将修改后的图纸退还给制
图员，让
其对原图进行修改，并准备另一张图纸供最后核准用。
审核人员通过工作图、
零件图检查设计方案是否正确无误。
此外他们还负责检查图纸的完
整性、质量、易读性和清晰度
。
除了
(in
addition
to)
对每处修改却做好记录外，制图员应该记录整个项目期间所做
的一
切更改。随着项目的进行，制图员应该将所有的更改日期和有关人员记录下来。
这样的记录使得任何人员在将来对
项目进行复核时，
很容易清楚地了解获得最后设计方案
所经理的
过程。
在图纸的准备过程中，
经常要进行许多计算。
如果计算结果丢失或者计算工作完成的不
好，
则必须重新进行计算，因此，它们作为记录的永久组成部分
。
Lesson 6
Engineering
Design
工程设计
工程设计是一个系统（
syste
matic
）的过程，
通过它可以解决人类需要解决的问题。这
一
过程被用于解决许多变化的复杂性的问题。
例如，机械工程师应用这一设计过程去找到一
种有效的高效的方法，把用于动力
传送系统（
drive train
）的内燃机中的往复运动转
化为
旋转运动；
电力工程师应用这一设计过程去设计用落水做动
力源的发电系统；
材料工程师应
用这一设计过程研制烧蚀材料，
使宇航员能安全地重返地球（大气层）
。
现代高技术社会的大量复杂问题的解决，
< br>不是取决于单一的工程学科，
而是取决于由工程
师、科学
家、环境保护专家、经济学家、社会学家和法律专家组成的团队。解决问题不仅依
靠技术
的合理应用，
而且要考虑通过政府法规和政治影响引起的大众情绪。
作为工程师被授
权利用专门技术来研究和改进产品和系统，
但同时我们必须知道我们的行为一般对社会和环
境的影响，
并考
虑所有相关因素，尽责的工作，找出最好的解决办法。
设计是工程教育过程
的制高点；正是这一显著特征把
(
工程设计
)
和其他职业区分开来。
工程设计的正式定义可以在工程技术鉴定合格委员会
（
ABET
）
的课程
指导方针中找到。
ABET
安排工程学校的课程，
ABET
的成员人数来自各种工程专业协会。每一门授权的课程有一个
解释清楚的设计部分，该部分包含在
ABET
指导方针中。
ABET
对设计的解释如下：
工程设计是设计系统、元件的过程，或者是满足希望要求的
过程。
它是一个决策指定的过程（经常需要反复）
，在此过程中为了达到规定的目标，最佳地应用
基础科学、数学和工程科
学，把它们转化成资源。
课程的工程设计部分必须包括以下
大部分特性：
学生创造性的培养、
能适应未来发展的问题
使用、
现代设计理论和方法的发展和应用、
设
计问题的陈述和详细说明、
其它解决问题方法
的考虑、可行性研
究、生产过程、并行工程设计以及详细的系统描述。另外，还必须包括许
多实际约束，如
经济因素、安全、可靠性
(reliability)
、美学<
/p>
(aesthetis)
、道德
(eth
ics)
和社会反响等。
如果说二十世纪下半叶可以提到的大的事情，那就是信息的爆炸。
对大多数课题可以揭示的数据量是势不可挡的。
在大部分组织的
高层次人才都配有助手，
这
些助手把他们必须读到、
听到和看到的大部分事情进行精简。
当你查找一些信息资料时，
如
果这些资料很重要，做好准备浏览大量资料并记下它们的位置，这样做你
能容易地获得。
可得到的一些资源如下：
1
、现有的解决方案。如果实际的产品可以被确定、研究，以及在某些情况下可以买到以
用于详细的分析，
则从现有的解决方案到特定的需要可以知道许多事情
。
除非完全理解现有
的解决方案，否则不能找到一个改进的或革
新的解决方案。
2
、你的图书
馆。许多大学设有教你如何使用你的图书馆的课程。
这些课程
与化学和微积分学课程相比是容易的，
但不能低估它们的重要性。
在图书馆里有很
多资源能帮你找到你所要搜索的信息。
在一个索引中可以找到你想要的东西，
例如在工程索引中。
你的问题的性质将直接告诉你谁
可以帮助你。
不
要不好意思请求图书管理员的帮助。
你应该充分利用图书馆的计算机数据库
（
database
）和经常通过光盘只读存储器（
CD-ROM
）来获取信息。
3
、专业组织。美国机械工程师协会（
The
American Society of Mechanical Engineers
）
是一个技术协会，
它对机械专业的学生非常有吸引力。
你学院的每一个专业不仅与一个而且
经常与好几个这样的会有联系（
be associated with
）
。国家专业工程师协会是一个组织，
大部分工程方面的学生最终要加入这一组织，<
/p>
以及至少一个技术协会如美国土木工程师协会
（
< br>ASCE
）
、美国电气与电子工程师协会（
IEEE
）或十二个协会中的任何一个都对许多专业技
术感兴趣，
专业实践似乎与这些专业有非常紧密的联系。
许多
工程师是几个协会和学会的会
员。
4
、行业杂志（
trade
journal
）
。
钱和经济是工程设计和决策制定的一部分。我们生活在一个
以经济和竞争为基础
(be
based
on)
的社会。许多好的想法不能实施无疑
(no doubt
)
是真的，因为这些想法被认为在
经济上是不可行的。
我们中的大部分人都知道我们每天的生活条件。
我们的父母给我们解释为什么我们不能得到
某些我们想要的东西，是因为这些东西太贵
。
同样，
我们也不能把某些非常渴望
的东西加入到我们的设计中，
因为我们获得的价值与它的
成本相
比
(in relation
to)
不能获得足够的效益。
工业正在不断地寻找
(look
for)
所有类型的新产品。
某些产
品是渴望的，因为现有的产品在市场中不具有很好的竞争力。
其它的产品被简单的试做，
因为似乎人们将买它们。
生产厂商如
何知道其生产的新产品是否
受欢迎呢？他们很少能知道确切答案。
在市场分析时，
统计数字是重要的考虑。
你们中的大
部分人将会发现，
概率和统计是你们所选课程的一个整体部分。
数学领域的技术可以使我们
做出推论，即多大人群将根据少数人的反应而
反应。
Lesson 7 Engineering
Design and safety
factors
工程设计和安全系数
工程材料和应用材料的系统工程设计最初都会涉及材料的墨菲法则和材料应用法则。
墨菲
法则：如果任何材料有可能出问题，它（系统）终将出问题。材
料应用法则：
（
1
）任何材料
都是不牢固的；
（
2
）
材料系统的强度和牢固程度仅仅像它最薄弱的、最不牢固的部分。
< br>虽然这些法则是显见的、不容置疑的，我们还要详细描述这些法则，特别是材料应用法则。
所有材料确实是不牢固的。
即使像白金
（
platinum
）
这样的材料在特殊环境中也会性
能减弱。
在压力作用下，所有材料都会有变化。蠕变
(creep)
是一个例子。在蠕变压力作用下，若有
< br>足够的时间，所有材料一定会产生屈服。
Creep
deformation
蠕变变形
Creep fractur
e
蠕
变断裂蠕变：
在恒定温度恒定拉伸
载荷下，
试件变形随时间缓慢增大的现象。
压力和环境共
同（
in
concert
< br>）作用会造成屈服，例如，应力腐蚀裂纹。蠕变温度影响和应力—温度影响
都会导
致性能降低、零件和系统失败。
设计过程通常从解决方案的详细描述开始。
有时我们把设计过程说成是设计循环，
但它或
许是一个设计循环外加依赖于设计而进行实际生产的设计实施
过程。
设计循环涉及最初的构
想、
草图、
在详细描述阶段绘制工作图的知识。
计算机辅助设计现
在已用于设计过程，各种设计和设计思想能被检验和仿真。<
/p>
即使在早期的设计循环中，
具有一些材料的概念也是有用的。
除非开发出新的材料，
否则
由于材料不具有必要的性能而不能实现的设计只能是一个永远不能成为
现实的概念。
在制造
之前必须依据设计要求给出材料的技术要求
（
specification
）
。<
/p>
如果现存的材料不具备必
要的性能，<
/p>
或者只有新材料开发出来才能制造，
在设计仿真阶段就必须改动这
些材料的技术
要求。在设计中材料是现实的。
图
1
所示
为一个包括设计实施的设计过程简图（
schematic representati
on
）
。由于材料
使设计成为现实，因
此其地位当然是至关重要的。
图
1<
/p>
示意图或许不能描述最终产品。设
计之初或许要构想一个用于检验
和进一步完善的原型，以开发最终产品。
一般来讲，最终
产品要求工作可靠、经济（有利可图）和安全。
安全系数常用于估算和考虑用于设计中的材料强度。安全系
数一般用于材料的屈服强度
（
yield strength<
/p>
）
，也能用于极限抗拉强度。屈服应力是超过它以后材料（尤其是
金属、
合金）
会产生永久性变形的应力。超过屈服应力或屈服强
度，
材料开始蠕变。也就是产生位
移
(
dislocation)
，即连续施加一超过屈服强度的载荷材料将产生滑移。
再过一段时间或许会产生裂纹（
slip
）
。所以始终在不超过极限应力的状态下工作，材料不
会屈服。人们有时以屈服强度的一部分（几分之一）为基础进行设计。例如，假设材料永远
不会超过屈服应力值的一半，并在实际设计中应用，这样安全系数为
2
。在极限状态下，人
们或许允许最大应力为σ
< br>y/4
，这时安全系数为
4
。<
/p>
显然，一个设计让材料连续工作在极限
抗拉应力附近是不安全的。
另一方面，
由于没有材料具有规定的
强度，
很大的安全系数将使
设计不能实施。另外即使该强度可以
实现，材料选用也是不合理的。为了这种想要的应用，
从其它方面讲，材料或许太贵、易
腐蚀、不稳定。或许除高强度外，需要高的导电率。
最
后，
让我们看一下材料系统的概念。
一个系统
大多数情况下包括构成整体的要素和要素间的
联系。
机器是相互联系的零件构成的机械系统。
< br>材料也是材料之间相互联系构成的系统。
系统可
以分成相
互联系的不同材料部分，
在大多数理想系统中，
材料由连接不同
部分或在不同区域
（
regim
）过渡
的接触面或边界面分开。断裂会在晶粒接触面间产生，所以即使一个多晶的
金属或合金材
料也认为是一个相互联系的晶粒系统。
我们讨论屈服时，
这种认识是非常重要的：
屈服不但产
生在相互联接的区域，
而且发生在
联系本身。
< br>接触面也是系统的一部分，
所以在最薄弱环节——界面分离是必然结果，
符合墨
菲法则。
防止失效不是没有希望的，即使在很复杂的材料系统中，它需要大量的实验、计算、
弄清
各种条件下材料的变化。选择最优（
o
ptimum
）条件，不使用极限状态（面向最薄弱环节设
计，
使用安全系数）
，引入安全系数，考虑环境变化，甚至特殊条件的应用，所有这些都有<
/p>
利于产品的成功使用
.
人们只要看一下我
们身边的技术，就会欣赏到：我们设计的有效的、
可靠的、用途广泛的产品和设备是多么
的成功！
Lesson 8 Mechanical
Design
机械设计
历史上大部分时间内，
机械设计学科需要的知识仅仅局限于机械零件及其
装配。
但在二十
世纪早期，电的部分被引入到机械设备中。
从那时起，这门学科经历了从纯粹的机械产品
到机电产品的平稳转变。
然而，
设备无论电子设备如何发展，
仍然需要机械设备用来制造和装配，
需要箱体类的机械
零件用来安装。另外所有产品都需要机械的界面与人类交互。
在二十世纪六、七十年代，另外一个
学科又加入到电动机械设计中来，也就是软件设计。
许多机电产品现在都有作为它们控制
系统一部分的微处理器。
想想看！例如照相机、复印
机及许多“聪明”的玩具。具有机械的、电的、软件部分的产品称为机电设备。这些设备设
计的难度在于需要机、
电、
软三个相互交叉却
又明显属不同学科的专业知识和设计过程知识。
当我们按照传统的方式将机械工程分为各
个方面时，
我们将其分为各个学科：
流体力学、
热
力学、机械学等。
在对
机械设计进行分类时，
这种面向学科的方法已不再适用。
想一想
！
例如一种最简单的设
计——选择设计。
选择设计意思是在满足某种要求的供选择项目中选择一个或多个项目。
一
般的例子是：选择合适的轴承；为光学设备选择合适的透镜；为制冷设备选择合适的风扇；
为某一过程选择合适的热交换器。
即使学科不同，
这些问题的每一个解决过程基本上是一样
的。
本文的目的是描述独立于某一学科的设计的不同类型。
首先我们必须认识到大部分设计是
各种类型问题的综合。例如，我们
设计一个新型的消费品，该设备能放进一个生鸡蛋，
打碎
它，<
/p>
油煎到预设的某种程度，
最后传递到盘子里。
由于这是一个新产品有许多创新设计工作
要做。
随着设计的
进行，
我们发现必须配置各零部件；分析油煎部分的热传递，这就需要参
数设计；
选择加热元件和各种紧固件将各部分连接成一体。
每一个用斜体印刷的术语都包含
了一种不同类型的设计问题。很难找到一个问题纯属
于一种类型。
选择设计：
选择设计是从相似项目列表中选择一个或几个项目。
我们每次做这种
类型的设
计都要从目录中选一项。
听起来简单，
但是如果目录中包含多个项目而且某一项目有许多不
同的特征，那么问题就很复
杂了。
为了解决好选择设计问
题，
必须一开始就有明晰的需求。
这样选项的目录或列表才能产
生
问题的可能解决方案。
我们必须评估潜在的解决方案和我们的
具体需求，
以做出正确的选择。
一个稍微复杂一点的设计类型称
为配置设计。在这种设计中，所有的组成部分都已设计好，
问题是如何将它们装配成一个
完整的产品。
Configuration Design
配置性设计
Paragraph
7 Parametric design
参数性设计
参数设计是找到一个表达研究物体特征的变量或参数。
这看起来非常容易，
正像找到一个
满足方程
的值。
但是让我们看一个很简单的例子。
我们设计一个容纳
4m3
液体的立式圆柱形
储油罐。这一个罐
可以用参数
r-
半径和
l-
长度来描述。
cylindrical
tank
立式圆柱形油罐
这样体积由
V
=
π×
r2
×
l
来决定
，给定容积
< br>等于
4m3
，则
r2
×
l
=
1.273
我们可以发现有无穷多个半径和长度值满足这个方程。
参
数应准确的确定为何值？答案是不明确的，应该用已知信息进一步清
楚地定义。
任何时候如果一个
设计问题需要开发一个前所未有的工艺、
零件或装配件，
那么它
就需要
进行创新设计
（它也能描述为：
如果我们发明了一个以前未曾有的车轮，
那么我们就是在进
行创
新设计）
。
大多数的选择、
配置和参数设计问题能通过方程、
规则或其它一些合乎逻辑
的方案给出答案，而创新设计问题不能概括成任何算法。每个问题都有新的、独到的东西。
在许多情况下，
其它种类的设计——选择、
配置、
参数——都可以简单限定为创
新设计的
子问题。可能的解决方案可以被局限在一个列表、
一个
零件组合、
一系列相关特征值。
这样
如
果我们有一套完成创新设计的方法，那么我们就能通过多种可能的解决方法解决所有问
题
。
Lesson 9 Grinding
Machines
磨床
磨削是切屑加工的金属切削过程，
除了切屑小得难以发现和识别以外
其加工过程完全像车
削（
turning
）和铣削
(milling )
。磨削与形成大尺寸切屑的切
削方法相比另一个最基本的
不同是磨削刀具，它是磨料颗粒，在载体上形状和方向均不一
致，
是砂轮形状、石头或其它
装置。
从金属切削角度讲，磨削是车削和铣削的综合。像铣削一样
，磨削刀具（高速）运动，像
车削一样，工件虽不一定旋转但也总是运动的。
与工件旋转的相比，在磨削刀具下面直线
或往复
运动的工件及其安装方式的差别形成了磨削的各基本类型。
前者称为外圆磨削，
后者
称为平面磨削，两种形式都能加工出粗糙工件的高精度表面。
工件和刀具通常都是运动的这一事实
使得磨削的分析与控制与车削和铣削相比复杂得多。
这也是磨削生产者倾向于设计和制造
磨削（专用的）
CNC
系统的主要原因之一。
< br>
许多外圆磨床
（
cylindrical
grinder
）
设计成与车床相似的样式。
代替刀夹
（
toolholder
）
，
由一个机构实现磨削砂轮的进给
(feed)
，而
所有其它部件——主轴箱
(headstock)
、尾架
(tailstock)
、导轨
(ways)
和床身
(bed)
，通常都可以在车床
上找到一个相似的部件。
主要区别在于整个工件夹持系统安
装在一组导轨上，因此可以相对砂轮做轴向进给。
在外圆磨床上，砂轮沿径向对工件进给，工件或许保持静止或许（轴向）往复运动。工件
往复运动时，径向进给只是在每个行程
(stroke)
的端部进行。
第
三种主要形式的磨床是无心
(centerless)
磨床，<
/p>
所有车床没有与它相似的。
在无心磨床
上
工件既不通过中心也不用卡盘夹持，
而是放在砂轮和导轮之间的托板上，
导轮控制它的旋
转。导轮控制工件的旋转速度，
它是驱
动机构，砂轮使工件的速度增大时，
它又是一个制动
器。
托板使工件在两轮间就位。
平面磨床也有几种基本的设计。
或
许最一般的是砂轮及其相关的安装在往复运动的工作台
上或其它直线运动装置上，用于夹
持工件的机构。
工件来回运动时，砂轮作轴向进给。
从概念上讲，这种类型的磨床与（龙门）刨床
(planer)
相似，只是砂轮（装置）代替了刀
夹
.
在这种机床上，
磨床是通过砂轮的
圆周
(periphery)
来工作的。
磨削是应用相当广泛的工
艺（方法）
，多年来开发了许多基于
基本设计的工艺方法，这里不可能全部涵盖。
坐标磨床、
超高精轴承球磨床和其它所有专用磨床，
每一个都很容易写成一篇长于本文的
文章。而原理基本上是一样的，几乎所有磨削加
工余量都很小。
一种值得一提
的专用磨床是工具磨床，
顾名思义，
它是用来磨切削刀具的。<
/p>
这种磨床集外
圆磨床和平面磨床于一身，对于我们要完成的一些特
殊任务是非常必要的。不管哪种磨床，
必须具有的最重要属性是刚度和稳定性。
在缓进给磨削中表现尤为突出，
这是一种特殊的磨削方式，
单走刀完成加工，
切削深度很
大，工件（进给）速度较低。缓进给磨削削减全部磨削加工时间高达
50%
，而尺寸精度、形
位精度和表面质量不降
低。
为达到这一目的，
磨床必须面向缓进给磨削专门设计，
因为静态
或动态稳定性对技术要求非常高，需要的主轴（砂轮）动力
可达传统工艺的三倍。
缓进给
磨削同时还要求特殊的修整能力，
特别是砂轮的硬度，
好的冷却
系统，
积累起来的
丰富的工艺知识。像其它的金工技术一样，缓
进给磨削在一些特殊场合有很大的优越性
.
但
< br>它不是灵丹妙药，也不是任何磨削问题都能解决。
从它相当特殊的本质上来看，
建议你
（
选择工艺方法）
投资前必须非常谨慎地了解该工艺
过程以做出正
确的决策。同车床相比，磨床结构设计没有任何秘诀。
你可能看到磨床具有聚合物或混凝土基础而比车床或加工中心稳定性增强，
振动阻尼性能
好，但总体来讲，结构为人们所熟悉，容易得到。
Lesson 15
Motors and
Drivers
电机和驱动
所有机构都需要某种形式的驱动装置提供动力和运动。
有许多种选择
。
像曲柄滑块机构、
凸
轮机构，如果需
要输入连续的旋转运动，那么选择发动机是合理的。
发动机最一般的能源是电，
压缩空气和具有一定压力的液体也常用于气
动和液压马达。
汽油
机和柴油机是另一选择。电机也有像交流<
/p>
/
直流电机、伺服电机步进电机几种形式。
AC
和
DC
分别指交流电和直流电。交流电一般由电厂（电力公司）提供，在美国交流电是
60HZ
、±
110V
或
±
220V
。
交流电
机是得到连续旋转运动的最经济选择，
有各种转矩—速度曲线适应不同载荷。
交流电
机有有限的几种速度，
这是
60HZ
交流电源的作用结果。
最普通的交流电机零负
载时速度为
1725
和
3450 rP
m
，
这同较贵的速度为
1800rPm
和
3600rPm
的同步交流电机比有
一定的转差
率。如果需要输出其它速度，可在电机输出轴上装一齿轮减速器来解决。
直流电机有几种不同的配置，
提供几种不
同的转矩—速度特性。
转矩—速度描述了直流电机
如何与负载一
致。
图
1a
所示为永磁直流电机特性曲线。转矩随速度变化较大，范围从零
转速时最大转矩到最大
转速时的零转矩。这种关系来自于关系式：动力
=
转矩
×
角速度
因为动力是一定的，转矩增大要求角速度减小，反之亦然。
我们谈论他们
,
他们也谈论我们。
图
1b
所示为在电机转矩—速度曲线上的一组负载线
.
这些负载曲线表示电机提供的作用到机构上的载荷变化。
这一变化的根据是：
随着需要的负
载转矩增
加，
电机输出的速度必须减小来适应这种变化。
这样速度将随着
负载变化。
若需要
速度恒定是不现实的。
一种可能的解决方案是使用速度控制的直流电动机，
它有一电路系统随着电机负载的变化增
大或减小输入给电机的电流以
试图保持恒定的速度。
控制器将交
流电转化为直流电，
因此这些直流电机的运行需要交流电源，
成
本较高。
另一种
方案是在输入轴上安装飞轮，储存动能来平缓负
载变化引起的速度波动。
这些交流和直流电机用于输出连续的
旋转运动。
虽然电机负载增大时速度可降低，
但不可能
实现全电流、零速度停车超过几分钟而不过热。
伺服电机是一种快速反应，闭环控制的电机，
具有可编程控制速度、加速度的功能，也可以
通过固定位置来应对载荷变化。<
/p>
闭环的意思是移动输出装置上的传感器能给出位置、
速度、
加速度的反馈信息。
电机控制装置中电路通
过增加或减小
（反向）
进入电机的电流，对反馈
信息作出反应。
这样输出装置处于精确的位置是可能的。
同时控制了速度、
对载荷变化和输
入指令的反应时间。
这是一种很昂贵的装置，一般用在像移动在飞行器和巡航导弹中的飞
行控制操作台。
和大直流
/
交流电机相比，这种电机体积小、功率和输出转矩也较小步进电机用于定
位输出
装置。不像伺服电机它是开环控制，意思是无论输出装置是否按要求动作，都没有
反馈。
内部结构包括在定子和转子
的圆周上分布的很多磁条。
每接收一个脉冲，
转子转动一步
（一
定角度）
到达下一个磁体。
这样它成为一个间歇运动装置，
不像其它电机一样提供连续的旋
转运动。磁条的数量决定了分度大小。和交直流电机相比，体积小、输出转矩小。它不算太
贵，要求特殊的控制器。
气动和液压马达和电
机相比应用很有限，
是因为它需要压缩空气和液压源。
同利用电
机直接
转化为机械能相比，
这些装置的能量利用率较低，
这是因为首先化学的或电的能量转化为流
体压力，然后转化为机械能，
这些相关的转换会有损耗。
每种能量转换都会有一些损失。在
工
厂和车间里，
高压空气因有其它用途，
可以方便获取，
所以气动马达得到广泛应用。
一个
最普通的例子
是在自动化维修车间使用的气动扳手。
虽然气压缸和气动马达
都比较便宜，
但计入所有辅助装置的成本，
这些气动系统是很贵
的。
液压马达常用于像建筑设备
（起重机）
、
飞行器和轮船等机器和系统中，在这些系统中高压液体有多种用途。
计入所有辅助设备的
成本，液压系统也是很贵的。
气压和液压缸是一线性执行机构（
活塞在缸体内）
，它可实现有限行程的直线运动，由工作
介质为
压缩空气或液压油的加压流体驱动。
如果你需要直线运动这是
一种选择。
然而它们都是成本高、
效率低、
具有像上述电机一样的
复杂因素。
另一个问题是它们的控制
。
大多数发动机倾向于恒速运行。
在恒压流体源—典型
的如大多数压缩机作用下，
执行机构将得到一个几乎恒定的加速度，
这意味着速度将随时间
线性增加。
执行机构以最高速到达行程末端时，对驱动机构产生剧烈的冲击。
<
/p>
为了放慢执行机构在行程末端的速度，用伺服阀控制流体流动是可行的，但是很昂贵。
Lesson 17
Machine Tool Motor
机床电机
电动机是大多数机床的原动机。
所有
电机都遵循磁极同极相斥，异极相吸的原理。电流通过线圈或永久磁铁时产生磁场。
<
/p>
交流电机中，
电流会自动从正极变到负极。
将交流电供给定子线圈就会产生磁场使转子旋转
起来。
在许多应用中，
机床制造商仍然在使用机械传动，
< br>因为有许多的多用途电机可以调速，
所以，
以主轴、滑块
、附属装置的三种速度运行的传动仍在广泛应用。在如今，人们会认为转速
3600
转
/
分钟是低速，高速一般为
10000
转
/
分，甚至更
高。
同时，
电机的设计和控制技术也
取得了巨大的进步。现在，要感谢计算机技术，使快速调整
电机速度和转矩成为可能。<
/p>
异步交流感应主轴电机也叫鼠笼式电机。按正弦波从正到付波动
的交变电流传到定子绕组，
产生了旋转磁场。
同时，
转子中的感应电流也生成了另一个磁场。
这两种
磁场形成的力使转子旋转。
控制电流
反向流动可实现停车。
矢量控制也可以提供定位控制和实时电流反馈。电流反馈可以显示
主轴和刀具正在做什么
（空转或切削金属）
。
< br>这些信息也可测定刀具工作了多长时间，
这对自动管理刀具非常重要。
在一些换刀装置中，
主轴定位控制对刀架定位非常重要。
< br>自动换刀装置必须确定刀具位置才
能正确工作。
另一种正
获得人们的认可的主轴驱动机构是配有永磁转子的直流无刷电机。
这
种电机低速时扭矩大，对使用大型刀具非常有用。
直流无
刷电机同交流电机比不会散发大量热量，但体积更大，价格昂贵，还有速度限制。
位置控制电机驱动滚珠丝杠，
使拖板带着主轴和工作台一起移动。<
/p>
该电机的主要特征是良好
的加速性、
减速
性、
光滑度和准确性，这样拖板或主轴才能快速到达指定位置。像主轴电机
一样，位置控制电机开始也是用直流电刷。然后交流感应电机开始流行，随后是液压传动。
由于质量轻，液压传动有着良好的加速性和功率重量比
.
< br>尽管在一些高重复性的应用中仍在
使用，液压传动基本被寿命长、效率高和发热量
小的交流伺服电机所取代。
电机通过编码器和分解器来告知自
己的位置。
编码器是一个装在电机轴上的设备。
它生成一
个标记电机轴旋转多少转的数字信号。
分解
器是装在电机上的装置，
在电机旋转时生成一个正弦波。
控制器
识别正弦波，
计算
波段数和正弦角来确定电机位置。
如今，
因为载荷和加速性要求，
这两种类型电机的
特性是
重叠的。位置电机需要大扭矩，
主轴电机的复杂操作需要
更好的加速、
减速性，还有在低速
和高速都要求大扭矩。
Lesson 19
Numerical Control
数控
数字
控制是指称为程序的一系列编码指令对机床操作的控制，
该程序主要由字母和数字符
号组成。
从定义中我们可以看到：
这一系列的事情可以预先计划也可以预报。
换句话说，
一系列
任何想要做的事情都可以通过编写适当的指令来实现，也可以通过修改编
码指令来修正。
数控的基本概念并不新鲜，时间可以追溯到工
业革命早期—约瑟夫?捷克尔德开发出一
种通过穿孔卡片控制织布机的方法。
然而当他为自己的发明申请专利时，
由于女王认为它会
造成工人失业
(
与今天的机器人很相似
)
而被否定。事实上，这些古老的发明是简单的、机械
式数
控的雏形。
现代数控
1947
年出现在密歇根州的帕森斯特拉弗斯城的工程公司，
当时公司主人约翰
?
帕森斯根据合同要求尽快生产飞机螺旋桨叶片。
后来帕森斯工
程公司得到了与美国空军装备
司令部签订的研究合同，
来提高生
产率和开发连续轨迹加工，
后来二次转包给麻省理工学院。
<
/p>
整个任务给了
MIT
，机器成功开发是在
1952
年。在美国
1953-196
0
年数控机床的生产与销
售量很小。由于（零件）尺寸一致接近
公差的需要，这种机床后来被广泛应用于工业生产。
Lesson 2
Lubrication
润滑
尽管润滑的主要目的之一是为了减少摩擦力，
任何可以控制两滑动表面之间的摩擦和磨
损
(w
ear)
的物质——不管是液体、固体或者气体，都可以归类为
(be
classed as)
润滑剂。
经过精心处理去除了所有杂质
(foreign materi
al)
的金属在相互滑动时，会粘附
(seize)
或
熔接
(weld)
到一
起
.
当达不到高的清洁度
(cleanliness)
时，
吸附在表面
的气体、
水蒸汽、
氧化物
(oxide
)
和污
染物会降低摩擦力并减少黏附的趋势，
< br>但通常会产生严重的磨损，
这种现象被称为
“无润滑”<
/p>
摩擦或干摩擦
(dry
sliding)
。
在滑动面之间引
入一层流体膜，把润滑表面完全隔离开，就产生了（
result
in
）流体膜润
滑。
这种流体可能是有意引入的，
例如
汽车主轴承中的润滑油；
也可能是无意中引入的，
例如
在光滑的橡胶轮胎与潮湿的路面
pavement
之间的水。尽管流体通常是油、水和很多其它种
类的液体，也可以是气体，最常用的气
体是空气。
为了把零件隔离开
，润滑膜中的压力必须和作用在滑动面上的负载（荷）
保持平衡。
如果
润滑膜的压力来自于外界，这种系统被称为流体静压
hy
drostatically
润滑
.
如
果润滑表面
之间的压力是由于滑动面本身的形状和运动所共同产生的，这种系统就称为流
体动压
（
hyrodynamically
）润滑。第二种润滑与润滑剂的粘性密切相关。
处在无润滑滑动和流体膜润滑之间的状态被称为边界润滑，
也可以被定义为这样一种润滑
状态，
在
这种状态中，
表面之间的摩擦力取决于表面性质和润滑剂中除粘度以外的其他因素。
边界润滑包括大部分的润滑现象，通常在机器的启停时出现。
当普通润滑剂没有足够的承载能力或者不能在极限温度下工
作时，
石墨
(graphite)
和二
硫
化钼
(molybdenum disulfide) <
/p>
这类固体润滑剂得到广泛的应用。但润滑剂不仅仅以油脂、
粉末和
气体这样一些为人们所熟悉的形态出现，
在一些精密的机器中，
金属也常作为润滑面。
尽管润
滑剂主要是用来控制摩擦和磨损的，
能够且通常也确实起到许多其他的作用，
这些
作用随其用途的不同而不同，但通常是相互联系。
润滑面之间润滑剂的数量和性质对摩擦力的产生有
极大影响。
例如不考虑热和磨损这些相
关因素，只考虑两个油膜
润滑表面间的摩擦力，它比两个同样表面但没有润滑时小
200
倍。
在流体膜润滑状态下，摩擦力与流体的黏度成正比（
be
proportional
to--
与…成正比）
。
一些诸如石油衍生物这类润滑剂，
可以有很多种黏度，
< br>因此满足广泛的润滑要求。
在边界润
滑状态，
润滑剂粘度对摩擦力的影响不像其他化学性质的影响那样显著。
磨损发生在
由擦伤
（
abrasion
）
、腐蚀
(corrosion)
引起的润滑表面
以及固体与固体接触的表面
.
适当的润滑剂
将能帮助克服上面提到的每种磨损现象
润滑剂通过增加滑
动面之间的距离，从而减轻了由
于磨料污染物和表面粗糙
(as
perity)
造成的损伤。
润滑剂通过减少磨损和带走
(carry off)
产生的热量来控制温度。其效果取决于润滑剂的
用量，环境温度和外部冷却
措施。
冷却剂的种类也会在较小程度上
(to
a
lesser
extent)<
/p>
，
影响表面温度。
润
滑
剂<
/p>
在
控
制
表
面
腐
蚀
时
有
双
重
作
用
。
当
机
器
闲
置
不
工
作
时
润
滑<
/p>
剂
起
防
腐
剂
(preservative)
的作用。<
/p>
当机器工作时，
润滑剂通过给被润滑零件涂上一层可能含有添加剂
(additive)
，能使腐蚀材料中和的保护膜来控制腐蚀
.
润滑剂控制腐蚀的能力与润滑剂保留
在金属表面的润滑膜的厚度和润滑剂的化学成分有直接关系。
除了减少摩擦外，润滑剂还经常有其他的用途。其中一些用
途如下所述。
传递动力：润滑剂被广泛用来作为液压传动中的工作液体。
绝缘：
在像变压器
< br>(transformer)
和配电装置
(switch
gear)
这些特殊用途中，
具有很高介电
常数的润滑剂起绝缘材料的作用。
为了获得最高的绝缘性能，
润滑剂中不能含有任何杂质和
水分。
减振：
在像减振器这种能量传递装
置中和在承受很高的周期性载荷的齿轮这样的机器零件
的周围，润滑剂被作为减振液使用
。
密封
(sealing)
：润滑脂
(grease)
通常还有一个特殊作用，就是形成密封层以防止润滑剂
外泄和污染物进入。<
/p>
Lesson 3 Machine Tool
Frames
机床床身
机身是机器的基础部件。大多数机身是铸铁（
cast ir
on
）
、焊接结构钢、复合材料、混
凝
土（
concrete
）材料制作而成。材料选择由下列因素来
决定。
材料必须能够抵抗变形和
断裂。
硬度必须与其弹性相平衡。
机身必须能承受冲击且在载荷
作用下不能裂缝和永久性变形。
机身材料具有消除或阻止振动（
oscillation
）传递的性能。以减轻降低精度和刀具寿命
的振荡。
< br>它必须面对不利的车间环境，
包括冷却液和润滑剂。
材料
的膨胀不能妨碍滑动部件
的运动。
在正常工作期间材料不能产生
太多的热量，
应能保护其形状，
且具有足够大的密度
以支承机床的其它部件。
铸件和焊接件应用都很广泛，哪种形式最好由给定条件下的成本来决定。
铸铁：
几乎所有传统机床的床身都
是由铸铁制成，
因为其他方式难以获得的形状都能铸造
而成。铸
件有好的刚度与重量比和好的减震
(damp)
性能。各种壁厚
都容易浇注而成。
尽管铸铁是
一种便宜的材料，
但是每个铸件都需要一个铸型。
铸型要用螺栓
紧固联接，
且
铸件需要退火处理使得大尺寸铸件受到限制，
这些条件也使得大尺寸铸件制作困难，
花费大
.
尺寸小，
大批量生产的机床由于分担的铸型费用较低，
常使用铸铁床身。
单件小批生产的机
床结构
用焊接或许是经济的。
焊接钢
结构：
当铸件不容易实现时，常用焊接钢结构制作床身。
由于钢
具有高的模数，常
设置肋提高刚度。焊接件的数量是设计时需权衡的因素。
焊接容易得到大尺寸零部件，而
且既使最初的设计
完成后也可以添加一些特征，但是（焊接产生的）热量会引起变形，
增加
费用。焊件也有助于削弱振动传递。制造有时通过冷却液循环和在床身空腔内加铅和沙子，
来抑制热变形和减振。
复合材料：包括高分子材料、
（优质）金属材料、陶瓷在内的这些新材料引起了机床设
计
的显著变化。基体和强化材料都能满足某一具体轴线方向的强度要求。
陶瓷：
二十世纪八十
年代，
日本制作了陶瓷床身的试验机床。
陶瓷具有足够的强度、
刚度，
尺寸稳定，耐腐蚀，低表面粗糙度，但脆性大，费用高<
/p>
.
低的传导率有时是优点，有时是缺
点。
复合材料和陶瓷的应用是有限的。
钢筋混凝土：
尽管普通预应力混凝土在简易零件中增大了质量，
减轻了振动，
另一种形式
应用更广，这是一种碾碎的混凝土
或花岗石粘接到高分子基体上而成的高分子基复合材料。
这种复合材料较铸铁有好的减震性能，
几乎能浇注成各种形状，
不需消除应力处理，
可以
嵌入紧固件和
设置横档。但它强度不如金属高、散热性能较差。
设计者必须考虑相联的复合材料件和金属件的不同膨胀系数。
这些材
料常用于高精度机床
和磨床。
基础主要保证机床的刚度，
吸振和隔振是次要因素。
机器本身刚度不足时必须让基础弥补。
选择基础时，
设计者必须考虑机器的重量，
产生的力，
精度要求及相邻机器
传到基础上的载
荷。由于地质条件的时常变化会影响机器的稳定，因此也是需要考虑的问
题。
如果一个小机床具有足够
的刚度，
它就不需要由基础再补充。
载荷较小时，
机床只需
152
～
203m
m
厚的混凝土基础。安装到机床基础上的弹性件常有助于隔离车间的其它力源。
浇筑
到车间地板上的独立固定的板支撑较重的
机床。
大多数复杂的结构是固定板坯来与车间其它
部分隔离，且
该板坯上安装有主动和被动的振动隔离装置。
床身设计的主要考虑因素有：载荷、阻尼、孔、热变形、噪声。
载荷：
搞清机器产生的静载和动载
是必不可少的。
基本静态载荷，
有机床及其工件的重量。
动载是机器运转时产生的所有载荷。
它包括加、减速，刀具切削产生的
力，
不平衡因素产生
的不规则载荷。力和振动相互作用产生的自
激载荷。
阻尼：
尽管床身材料和设计应具有和考虑阻尼，
但阻尼器常作为床身的一部分来处理
一些
具体问题。
阻尼器最好设在几乎没有动载的机床位置，且只有设计者彻底搞清了所有涉及到的载荷，
它们
（阻尼器）
才能有效工作。
例如一个在静载条件下工作良好的阻尼器在动载条件下弊大
于利。
< br>
孔：
每个床身本应是实
体的，
但机器需要装配和维护。
设计者必须处理好孔的数量、<
/p>
尺寸
与刚度、强度的关系。
热力因素：
来自内部和外部的热量
是床身变形的主要原因。
外部热源源包括：
周围车间条
件，冷却、润滑介质和阳光。
机器也有它自己的热源：电机、机器运动产生的摩擦，
刀具对工件的切削
加工。
理想的床
身温度要尽量低且保持恒定。
< br>
噪音：
从健康和安全方
面考虑，
降低噪音是人们近来相当关心的问题。
来自于运动部件
和
风扇的空气涡流是一特殊问题。机壳阻止声音传递，声音阻尼材料有助于减少有害声音
。
Lesson 4 Threaded
Fasteners
螺纹紧固件
螺纹紧固件起着定位、
加紧、
调整和从
一个机器零件向另一个传递力的作用。
它们已经完
全标准化，且
通常用于大批量生产的机器上。
尽管存在其它先进的联接方
式，
螺纹紧固件的应用仍保留了机器设计和制造过程中基本的装
配方法。因此，设计者在满足使用要求时应用标准类型和尺寸的螺纹紧固件。
螺纹紧固件是这样一个装置，
在切
线方向上施加一个较小的力，
能在轴线方向上有效地产
生并保持
一个较大的力。
所有这些都是基于单头螺纹螺钉的，
它是一个简
单机械，
可以在最
小的空间内产生很大的机械增益，
而且在理论上是自锁的。
而这一有效应用，
要借助
两个其
它简单机械：杠杆和轮轴机械。扳手是一种基本杠杆；螺丝刀是一种轮轴机械。<
/p>
螺纹紧固件是尺寸较小，
承受高拉应力的零件。
螺纹是通过在圆柱形棒料上切削加工或冷
压成型的沟槽形成的螺旋凸起物，这样产生了大家所知的螺钉、螺栓、双头螺柱。
螺纹也可在孔的内圆柱表面上生成，
这就形成了螺母。
内外螺纹匹配是所有螺纹紧固件装
< br>配的关键。
相对静止的螺栓，
螺母的旋转运动会产生一个
沿螺栓轴线方向的直线运动。
受到
阻力时，
螺纹产生轴向力的现象可由斜面原理来解释。
再进一步旋
转需要增加扭矩
（
torque
）
同时轴向力也增大。
这样只要没有像振动、
温度变化这些外部因素改变初始条件，
这种联接
就能维持紧固的
状态。
统一标准（
unified
shandard
）螺纹有三个基本系列的直径螺距组合。
统一标准粗牙螺纹系列是最普通的，
推荐用于一般的装配场合—
—振动较小，
频繁拆卸。
统
一标准细牙
螺纹系列具有较大张紧力，
较适用于精密调整的场合。
该系列常
用于航空器的装
配。统一标准超细牙螺纹用于薄壁零件的外螺纹配合。该系列用于要求抗
振动性强的场合，
及更精密调整的场合。
统一标准螺纹用一个简化符号标识在图形零件的细表等场合
。
该符号包括：
尺寸，
螺纹系
列，配合等级，内外螺纹符号（
A
——外螺纹，
B
——内螺纹）及旋向。
如标示：
，表示：一
外螺纹零件，公称直径英寸，
20
牙
/
英寸
的统一粗牙螺纹，公差等级
2
，及右旋螺纹。
< br>
右旋
螺纹由于是标准旋向，其右旋标示常省略。另一例
子：表示：内螺纹，左旋，公称尺寸（直
径）英寸，统一细牙螺纹
16
牙
/
英寸，公差等级
2
。
ISO
标准包含许多直径螺距组合系列，但推荐的美国标准指定了单一的直径螺距组合系
列。公制螺纹标示为：字母
M
后接公称直径（
mm
）
X
螺距（<
/p>
mm
）
。
例如
M4
×
0.7
表示公制螺
纹公称直径
4mm
，螺距
0.7mm
。
垫片经常与螺纹紧固件一同使用，
为螺母和螺栓头提供一个较好的支撑面；
为在大的清洁
的孔和狭
槽上提供一个支撑面；
为了在较大的面上分布载荷；
为装配时免
于零件损坏；
为了
改善扭矩—张紧比（通过减少摩擦）
，为了在某些情况下通过弹簧（垫片）作用提供自锁。
平垫圈是薄的环片，主要用于提供支撑面，分布载荷，无自锁性能。
弹簧垫片实际是在载荷作用下变平的单圈螺旋形弹簧。
弹簧作用有助于
维持螺栓受力，
同时
开口咬入支承面提供自锁作用。
锁紧垫圈通常由淬硬钢
(hardened
steel)
制作。
碳钢和合金钢是
紧固件最常用的材料。在
要求较好抗腐蚀性能的场合，许多不锈钢
(stainless)
也常用于螺纹紧固件。像蒙乃尔铜合
金和因科合金，这样的镍高温合金常用于高温下强度不变及抗腐蚀性能好的紧固件。
<
/p>
铝
（
aluminum
< br>）
、
青铜
(bronze)
、
黄铜
(brass)
也用于螺纹紧固件。
在腐蚀环境中且强度要求不
高时，尼龙
和其它塑性材料制作的紧固件既适用又经济。
Lesson
5 Working Drawing
生产图纸
工作图是将设计变为实际产品所依据的图样。所有的正投影
（
orthographic
projection
）
原理和绘图技术都可用来在工作图中表达项目中的细节。
零件图
(detail drawing)
是在一
整套工作图中一个零件（或细节）的工作图。
< br>
技术要求
（
specificaion
）
是工作图中所附的文
字说明部分。
当一个设计方案需要用几张
图纸来表示时，通常将
技术要求以统一
(consolidate)
的格式写在工作图
上
。
在绘制零件图之前，
设计人员应该对工作图进行透彻的分析，<
/p>
以保证每个零件与其他零件
有适当的配合，所标注的公差（
tolerance
）准确无误，接触表面具有适当的粗糙度，零件<
/p>
之间可以产生正确的运动。
在准备工作图时，
大部分工作由绘图员来完成，
但设计人员通常是工程师，
要对图纸的正
确与否负责。正是
工作图使产品得以生产或建造出来。
< br>工作图是法律合同，
记录了在工程师的指导下，
制定的设
计细则和技术要求。
因此图纸必
须尽可能地清楚、准确和详尽。
对于一个项目，
在生产或建造时进行修改
（
revision
）
或更改
(modification)
所付出的代
价远比在设计初始阶段进行这项工作花费更多的费用。<
/p>
质量较差的工作图将会浪费时间
和资源，且会增加实施成本。为了在经济上有竞争优势，
图纸必须尽可能地没有差错（<
/p>
error-
free
）
。
英寸是英制的基本单位，实际上在美国所有的生产图纸中却
用英寸来标注尺寸。
毫米是公制
的基本单位。
标注尺寸时可以省略去数字后面公制单位的缩写，
因为标题栏附
近的
SI
符号表明所有单
位却是公制的。
有些工作图同时
使用英寸和毫米两种单位标注尺寸，
通常将用毫米标注的尺寸放在圆括号
或方括号中。单位也可以先用毫米给出。
然后换算成英寸，并且将其放在方括号
中表示，两
种单位之间的换算会产生必须舍入的数位误差。
每张
图纸所用的主要单位制，
必须在标准栏
中加以说明。
在实践中标题栏中通常包括标题或零件名
称、制图员、日期、比例、公司和图号。
另外，还可以包含公差、审核者和材料等信息，
在第一次制图之后，
任何为改进设计方案
而做的修改和更正都应该在修改栏中标明。
根据项目复杂度的不同，
一套工作图和图纸数量少则一张，
多至一百多张。
因
此在每张图
纸上标注上序号和这套图纸的总数是重要的。例如
6
张一套中的第
2
张，
< br>6
张一套中的第
3
张，等等。<
/p>
在零件明细表中，
零件的序号和名称必须与工作图中的同一个零件一致。
还要给出所需要
的图样零件的数量和制造零件所用的材料。
如果一套工作图中每一张图纸都采用同一种比例，只要在每
张图的标题栏中标明一次即
可。
如果一张工作图上有几个不同比
例的零件图，
要在每组视图上标明其比例。
在这种情况
下，在标题栏中对应比例的位置上标明“如图所示”
。当图纸没有按照比
例绘制时，将缩写
NTS
（不按比例）放在标题栏中。
零件名称和序号
给每个零件一个名称和序号，
所用的字母和数字的高度为
1/
8
英寸
（
3mm
）
。
将零件序号放在圆圈内，这种圆圈称
balloons
（气球）
，其直径大约是数字高度的
4
倍。
<
/p>
将零件的序号放在该零件视图附近，
以便清楚地表明它们之间的关
系
（
association
）
。
在
装配图中，圆圈是非常重要的，以为同样
的零件序号将用在零件明细表内。
图纸的审核人员应该具有特殊的素质，他们能够发现图中的错误，提出修改和改进意见，
以便制造出物美价廉的产品
。审核人员可以是在制图和加工
工艺方面有丰富经验的主任制
图员，
或是创始该项目的工程师或
者设计人员。
在一些较大的公司中，
图纸要由有关的各个
生产车间会同评审，确保为每个零件指定最有效的生产方法。
审核人员从不审核原图，
而是用彩
色铅笔在蓝图上进行修改。
并将修改后的图纸退还给制
图员，让
其对原图进行修改，并准备另一张图纸供最后核准用。
审核人员通过工作图、
零件图检查设计方案是否正确无误。
此外他们还负责检查图纸的完
整性、质量、易读性和清晰度
。
除了
(in
addition
to)
对每处修改却做好记录外，制图员应该记录整个项目期间所做
的一
切更改。随着项目的进行，制图员应该将所有的更改日期和有关人员记录下来。
这样的记录使得任何人员在将来对
项目进行复核时，
很容易清楚地了解获得最后设计方案
所经理的
过程。
在图纸的准备过程中，
经常要进行许多计算。
如果计算结果丢失或者计算工作完成的不
好，
则必须重新进行计算，因此，它们作为记录的永久组成部分
。
Lesson 6
Engineering
Design
工程设计
工程设计是一个系统（
syste
matic
）的过程，
通过它可以解决人类需要解决的问题。这
一
过程被用于解决许多变化的复杂性的问题。
例如，机械工程师应用这一设计过程去找到一
种有效的高效的方法，把用于动力
传送系统（
drive train
）的内燃机中的往复运动转
化为
旋转运动；
电力工程师应用这一设计过程去设计用落水做动
力源的发电系统；
材料工程师应
用这一设计过程研制烧蚀材料，
使宇航员能安全地重返地球（大气层）
。
现代高技术社会的大量复杂问题的解决，
< br>不是取决于单一的工程学科，
而是取决于由工程
师、科学
家、环境保护专家、经济学家、社会学家和法律专家组成的团队。解决问题不仅依
靠技术
的合理应用，
而且要考虑通过政府法规和政治影响引起的大众情绪。
作为工程师被授
权利用专门技术来研究和改进产品和系统，
但同时我们必须知道我们的行为一般对社会和环
境的影响，
并考
虑所有相关因素，尽责的工作，找出最好的解决办法。
设计是工程教育过程
的制高点；正是这一显著特征把
(
工程设计
)
和其他职业区分开来。
工程设计的正式定义可以在工程技术鉴定合格委员会
（
ABET
）
的课程
指导方针中找到。
ABET
安排工程学校的课程，
ABET
的成员人数来自各种工程专业协会。每一门授权的课程有一个
解释清楚的设计部分，该部分包含在
ABET
指导方针中。
ABET
对设计的解释如下：
工程设计是设计系统、元件的过程，或者是满足希望要求的
过程。
它是一个决策指定的过程（经常需要反复）
，在此过程中为了达到规定的目标，最佳地应用
基础科学、数学和工程科
学，把它们转化成资源。
课程的工程设计部分必须包括以下
大部分特性：
学生创造性的培养、
能适应未来发展的问题
使用、
现代设计理论和方法的发展和应用、
设
计问题的陈述和详细说明、
其它解决问题方法
的考虑、可行性研
究、生产过程、并行工程设计以及详细的系统描述。另外，还必须包括许
多实际约束，如
经济因素、安全、可靠性
(reliability)
、美学<
/p>
(aesthetis)
、道德
(eth
ics)
和社会反响等。
如果说二十世纪下半叶可以提到的大的事情，那就是信息的爆炸。
对大多数课题可以揭示的数据量是势不可挡的。
在大部分组织的
高层次人才都配有助手，
这
些助手把他们必须读到、
听到和看到的大部分事情进行精简。
当你查找一些信息资料时，
如
果这些资料很重要，做好准备浏览大量资料并记下它们的位置，这样做你
能容易地获得。
可得到的一些资源如下：
1
、现有的解决方案。如果实际的产品可以被确定、研究，以及在某些情况下可以买到以
用于详细的分析，
则从现有的解决方案到特定的需要可以知道许多事情
。
除非完全理解现有
的解决方案，否则不能找到一个改进的或革
新的解决方案。
2
、你的图书
馆。许多大学设有教你如何使用你的图书馆的课程。
这些课程
与化学和微积分学课程相比是容易的，
但不能低估它们的重要性。
在图书馆里有很
多资源能帮你找到你所要搜索的信息。
在一个索引中可以找到你想要的东西，
例如在工程索引中。
你的问题的性质将直接告诉你谁
可以帮助你。
不
要不好意思请求图书管理员的帮助。
你应该充分利用图书馆的计算机数据库
（
database
）和经常通过光盘只读存储器（
CD-ROM
）来获取信息。
3
、专业组织。美国机械工程师协会（
The
American Society of Mechanical Engineers
）
是一个技术协会，
它对机械专业的学生非常有吸引力。
你学院的每一个专业不仅与一个而且
经常与好几个这样的会有联系（
be associated with
）
。国家专业工程师协会是一个组织，
大部分工程方面的学生最终要加入这一组织，<
/p>
以及至少一个技术协会如美国土木工程师协会
（
< br>ASCE
）
、美国电气与电子工程师协会（
IEEE
）或十二个协会中的任何一个都对许多专业技
术感兴趣，
专业实践似乎与这些专业有非常紧密的联系。
许多
工程师是几个协会和学会的会
员。
4
、行业杂志（
trade
journal
）
。
钱和经济是工程设计和决策制定的一部分。我们生活在一个
以经济和竞争为基础
(be
based
on)
的社会。许多好的想法不能实施无疑
(no doubt
)
是真的，因为这些想法被认为在
经济上是不可行的。
我们中的大部分人都知道我们每天的生活条件。
我们的父母给我们解释为什么我们不能得到
某些我们想要的东西，是因为这些东西太贵
。
同样，
我们也不能把某些非常渴望
的东西加入到我们的设计中，
因为我们获得的价值与它的
成本相
比
(in relation
to)
不能获得足够的效益。
工业正在不断地寻找
(look
for)
所有类型的新产品。
某些产
品是渴望的，因为现有的产品在市场中不具有很好的竞争力。
其它的产品被简单的试做，
因为似乎人们将买它们。
生产厂商如
何知道其生产的新产品是否
受欢迎呢？他们很少能知道确切答案。
在市场分析时，
统计数字是重要的考虑。
你们中的大
部分人将会发现，
概率和统计是你们所选课程的一个整体部分。
数学领域的技术可以使我们
做出推论，即多大人群将根据少数人的反应而
反应。
Lesson 7 Engineering
Design and safety
factors
工程设计和安全系数
工程材料和应用材料的系统工程设计最初都会涉及材料的墨菲法则和材料应用法则。
墨菲
法则：如果任何材料有可能出问题，它（系统）终将出问题。材
料应用法则：
（
1
）任何材料
都是不牢固的；
（
2
）
材料系统的强度和牢固程度仅仅像它最薄弱的、最不牢固的部分。
< br>虽然这些法则是显见的、不容置疑的，我们还要详细描述这些法则，特别是材料应用法则。
所有材料确实是不牢固的。
即使像白金
（
platinum
）
这样的材料在特殊环境中也会性
能减弱。
在压力作用下，所有材料都会有变化。蠕变
(creep)
是一个例子。在蠕变压力作用下，若有
< br>足够的时间，所有材料一定会产生屈服。
Creep
deformation
蠕变变形
Creep fractur
e
蠕
变断裂蠕变：
在恒定温度恒定拉伸
载荷下，
试件变形随时间缓慢增大的现象。
压力和环境共
同（
in
concert
< br>）作用会造成屈服，例如，应力腐蚀裂纹。蠕变温度影响和应力—温度影响
都会导
致性能降低、零件和系统失败。
设计过程通常从解决方案的详细描述开始。
有时我们把设计过程说成是设计循环，
但它或
许是一个设计循环外加依赖于设计而进行实际生产的设计实施
过程。
设计循环涉及最初的构
想、
草图、
在详细描述阶段绘制工作图的知识。
计算机辅助设计现
在已用于设计过程，各种设计和设计思想能被检验和仿真。<
/p>
即使在早期的设计循环中，
具有一些材料的概念也是有用的。
除非开发出新的材料，
否则
由于材料不具有必要的性能而不能实现的设计只能是一个永远不能成为
现实的概念。
在制造
之前必须依据设计要求给出材料的技术要求
（
specification
）
。<
/p>
如果现存的材料不具备必
要的性能，<
/p>
或者只有新材料开发出来才能制造，
在设计仿真阶段就必须改动这
些材料的技术
要求。在设计中材料是现实的。
图
1
所示
为一个包括设计实施的设计过程简图（
schematic representati
on
）
。由于材料
使设计成为现实，因
此其地位当然是至关重要的。
图
1<
/p>
示意图或许不能描述最终产品。设
计之初或许要构想一个用于检验
和进一步完善的原型，以开发最终产品。
一般来讲，最终
产品要求工作可靠、经济（有利可图）和安全。
安全系数常用于估算和考虑用于设计中的材料强度。安全系
数一般用于材料的屈服强度
（
yield strength<
/p>
）
，也能用于极限抗拉强度。屈服应力是超过它以后材料（尤其是
金属、
合金）
会产生永久性变形的应力。超过屈服应力或屈服强
度，
材料开始蠕变。也就是产生位
移
(
dislocation)
，即连续施加一超过屈服强度的载荷材料将产生滑移。
再过一段时间或许会产生裂纹（
slip
）
。所以始终在不超过极限应力的状态下工作，材料不
会屈服。人们有时以屈服强度的一部分（几分之一）为基础进行设计。例如，假设材料永远
不会超过屈服应力值的一半，并在实际设计中应用，这样安全系数为
2
。在极限状态下，人
们或许允许最大应力为σ
< br>y/4
，这时安全系数为
4
。<
/p>
显然，一个设计让材料连续工作在极限
抗拉应力附近是不安全的。
另一方面，
由于没有材料具有规定的
强度，
很大的安全系数将使
设计不能实施。另外即使该强度可以
实现，材料选用也是不合理的。为了这种想要的应用，
从其它方面讲，材料或许太贵、易
腐蚀、不稳定。或许除高强度外，需要高的导电率。
最
后，
让我们看一下材料系统的概念。
一个系统
大多数情况下包括构成整体的要素和要素间的
联系。
机器是相互联系的零件构成的机械系统。
< br>材料也是材料之间相互联系构成的系统。
系统可
以分成相
互联系的不同材料部分，
在大多数理想系统中，
材料由连接不同
部分或在不同区域
（
regim
）过渡
的接触面或边界面分开。断裂会在晶粒接触面间产生，所以即使一个多晶的
金属或合金材
料也认为是一个相互联系的晶粒系统。
我们讨论屈服时，
这种认识是非常重要的：
屈服不但产
生在相互联接的区域，
而且发生在
联系本身。
< br>接触面也是系统的一部分，
所以在最薄弱环节——界面分离是必然结果，
符合墨
菲法则。
防止失效不是没有希望的，即使在很复杂的材料系统中，它需要大量的实验、计算、
弄清
各种条件下材料的变化。选择最优（
o
ptimum
）条件，不使用极限状态（面向最薄弱环节设
计，
使用安全系数）
，引入安全系数，考虑环境变化，甚至特殊条件的应用，所有这些都有<
/p>
利于产品的成功使用
.
人们只要看一下我
们身边的技术，就会欣赏到：我们设计的有效的、
可靠的、用途广泛的产品和设备是多么
的成功！
Lesson 8 Mechanical
Design
机械设计
历史上大部分时间内，
机械设计学科需要的知识仅仅局限于机械零件及其
装配。
但在二十
世纪早期，电的部分被引入到机械设备中。
从那时起，这门学科经历了从纯粹的机械产品
到机电产品的平稳转变。
然而，
设备无论电子设备如何发展，
仍然需要机械设备用来制造和装配，
需要箱体类的机械
零件用来安装。另外所有产品都需要机械的界面与人类交互。
在二十世纪六、七十年代，另外一个
学科又加入到电动机械设计中来，也就是软件设计。
许多机电产品现在都有作为它们控制
系统一部分的微处理器。
想想看！例如照相机、复印
机及许多“聪明”的玩具。具有机械的、电的、软件部分的产品称为机电设备。这些设备设
计的难度在于需要机、
电、
软三个相互交叉却
又明显属不同学科的专业知识和设计过程知识。
当我们按照传统的方式将机械工程分为各
个方面时，
我们将其分为各个学科：
流体力学、
热
力学、机械学等。
在对
机械设计进行分类时，
这种面向学科的方法已不再适用。
想一想
！
例如一种最简单的设
计——选择设计。
选择设计意思是在满足某种要求的供选择项目中选择一个或多个项目。
一
般的例子是：选择合适的轴承；为光学设备选择合适的透镜；为制冷设备选择合适的风扇；
为某一过程选择合适的热交换器。
即使学科不同，
这些问题的每一个解决过程基本上是一样
的。
本文的目的是描述独立于某一学科的设计的不同类型。
首先我们必须认识到大部分设计是
各种类型问题的综合。例如，我们
设计一个新型的消费品，该设备能放进一个生鸡蛋，
打碎
它，<
/p>
油煎到预设的某种程度，
最后传递到盘子里。
由于这是一个新产品有许多创新设计工作
要做。
随着设计的
进行，
我们发现必须配置各零部件；分析油煎部分的热传递，这就需要参
数设计；
选择加热元件和各种紧固件将各部分连接成一体。
每一个用斜体印刷的术语都包含
了一种不同类型的设计问题。很难找到一个问题纯属
于一种类型。
选择设计：
选择设计是从相似项目列表中选择一个或几个项目。
我们每次做这种
类型的设
计都要从目录中选一项。
听起来简单，
但是如果目录中包含多个项目而且某一项目有许多不
同的特征，那么问题就很复
杂了。
为了解决好选择设计问
题，
必须一开始就有明晰的需求。
这样选项的目录或列表才能产
生
问题的可能解决方案。
我们必须评估潜在的解决方案和我们的
具体需求，
以做出正确的选择。
一个稍微复杂一点的设计类型称
为配置设计。在这种设计中，所有的组成部分都已设计好，
问题是如何将它们装配成一个
完整的产品。
Configuration Design
配置性设计
Paragraph
7 Parametric design
参数性设计
参数设计是找到一个表达研究物体特征的变量或参数。
这看起来非常容易，
正像找到一个
满足方程
的值。
但是让我们看一个很简单的例子。
我们设计一个容纳
4m3
液体的立式圆柱形
储油罐。这一个罐
可以用参数
r-
半径和
l-
长度来描述。
cylindrical
tank
立式圆柱形油罐
这样体积由
V
=
π×
r2
×
l
来决定
，给定容积
< br>等于
4m3
，则
r2
×
l
=
1.273
我们可以发现有无穷多个半径和长度值满足这个方程。
参
数应准确的确定为何值？答案是不明确的，应该用已知信息进一步清
楚地定义。
任何时候如果一个
设计问题需要开发一个前所未有的工艺、
零件或装配件，
那么它
就需要
进行创新设计
（它也能描述为：
如果我们发明了一个以前未曾有的车轮，
那么我们就是在进
行创
新设计）
。
大多数的选择、
配置和参数设计问题能通过方程、
规则或其它一些合乎逻辑
的方案给出答案，而创新设计问题不能概括成任何算法。每个问题都有新的、独到的东西。
在许多情况下，
其它种类的设计——选择、
配置、
参数——都可以简单限定为创
新设计的
子问题。可能的解决方案可以被局限在一个列表、
一个
零件组合、
一系列相关特征值。
这样
如
果我们有一套完成创新设计的方法，那么我们就能通过多种可能的解决方法解决所有问
题
。
Lesson 9 Grinding
Machines
磨床
磨削是切屑加工的金属切削过程，
除了切屑小得难以发现和识别以外
其加工过程完全像车
削（
turning
）和铣削
(milling )
。磨削与形成大尺寸切屑的切
削方法相比另一个最基本的
不同是磨削刀具，它是磨料颗粒，在载体上形状和方向均不一
致，
是砂轮形状、石头或其它
装置。
从金属切削角度讲，磨削是车削和铣削的综合。像铣削一样
，磨削刀具（高速）运动，像
车削一样，工件虽不一定旋转但也总是运动的。
与工件旋转的相比，在磨削刀具下面直线
或往复
运动的工件及其安装方式的差别形成了磨削的各基本类型。
前者称为外圆磨削，
后者
称为平面磨削，两种形式都能加工出粗糙工件的高精度表面。
工件和刀具通常都是运动的这一事实
使得磨削的分析与控制与车削和铣削相比复杂得多。
这也是磨削生产者倾向于设计和制造
磨削（专用的）
CNC
系统的主要原因之一。
< br>
许多外圆磨床
（
cylindrical
grinder
）
设计成与车床相似的样式。
代替刀夹
（
toolholder
）
，
由一个机构实现磨削砂轮的进给
(feed)
，而
所有其它部件——主轴箱
(headstock)
、尾架
(tailstock)
、导轨
(ways)
和床身
(bed)
，通常都可以在车床
上找到一个相似的部件。
主要区别在于整个工件夹持系统安
装在一组导轨上，因此可以相对砂轮做轴向进给。
在外圆磨床上，砂轮沿径向对工件进给，工件或许保持静止或许（轴向）往复运动。工件
往复运动时，径向进给只是在每个行程
(stroke)
的端部进行。
第
三种主要形式的磨床是无心
(centerless)
磨床，<
/p>
所有车床没有与它相似的。
在无心磨床
上
工件既不通过中心也不用卡盘夹持，
而是放在砂轮和导轮之间的托板上，
导轮控制它的旋
转。导轮控制工件的旋转速度，
它是驱
动机构，砂轮使工件的速度增大时，
它又是一个制动
器。
托板使工件在两轮间就位。
平面磨床也有几种基本的设计。
或
许最一般的是砂轮及其相关的安装在往复运动的工作台
上或其它直线运动装置上，用于夹
持工件的机构。
工件来回运动时，砂轮作轴向进给。
从概念上讲，这种类型的磨床与（龙门）刨床
(planer)
相似，只是砂轮（装置）代替了刀
夹
.
在这种机床上，
磨床是通过砂轮的
圆周
(periphery)
来工作的。
磨削是应用相当广泛的工
艺（方法）
，多年来开发了许多基于
基本设计的工艺方法，这里不可能全部涵盖。
坐标磨床、
超高精轴承球磨床和其它所有专用磨床，
每一个都很容易写成一篇长于本文的
文章。而原理基本上是一样的，几乎所有磨削加
工余量都很小。
一种值得一提
的专用磨床是工具磨床，
顾名思义，
它是用来磨切削刀具的。<
/p>
这种磨床集外
圆磨床和平面磨床于一身，对于我们要完成的一些特
殊任务是非常必要的。不管哪种磨床，
必须具有的最重要属性是刚度和稳定性。
在缓进给磨削中表现尤为突出，
这是一种特殊的磨削方式，
单走刀完成加工，
切削深度很
大，工件（进给）速度较低。缓进给磨削削减全部磨削加工时间高达
50%
，而尺寸精度、形
位精度和表面质量不降
低。
为达到这一目的，
磨床必须面向缓进给磨削专门设计，
因为静态
或动态稳定性对技术要求非常高，需要的主轴（砂轮）动力
可达传统工艺的三倍。
缓进给
磨削同时还要求特殊的修整能力，
特别是砂轮的硬度，
好的冷却
系统，
积累起来的
丰富的工艺知识。像其它的金工技术一样，缓
进给磨削在一些特殊场合有很大的优越性
.
但
< br>它不是灵丹妙药，也不是任何磨削问题都能解决。
从它相当特殊的本质上来看，
建议你
（
选择工艺方法）
投资前必须非常谨慎地了解该工艺
过程以做出正
确的决策。同车床相比，磨床结构设计没有任何秘诀。
你可能看到磨床具有聚合物或混凝土基础而比车床或加工中心稳定性增强，
振动阻尼性能
好，但总体来讲，结构为人们所熟悉，容易得到。
Lesson 15
Motors and
Drivers
电机和驱动
所有机构都需要某种形式的驱动装置提供动力和运动。
有许多种选择
。
像曲柄滑块机构、
凸
轮机构，如果需
要输入连续的旋转运动，那么选择发动机是合理的。
发动机最一般的能源是电，
压缩空气和具有一定压力的液体也常用于气
动和液压马达。
汽油
机和柴油机是另一选择。电机也有像交流<
/p>
/
直流电机、伺服电机步进电机几种形式。
AC
和
DC
分别指交流电和直流电。交流电一般由电厂（电力公司）提供，在美国交流电是
60HZ
、±
110V
或
±
220V
。
交流电
机是得到连续旋转运动的最经济选择，
有各种转矩—速度曲线适应不同载荷。
交流电
机有有限的几种速度，
这是
60HZ
交流电源的作用结果。
最普通的交流电机零负
载时速度为
1725
和
3450 rP
m
，
这同较贵的速度为
1800rPm
和
3600rPm
的同步交流电机比有
一定的转差
率。如果需要输出其它速度，可在电机输出轴上装一齿轮减速器来解决。
直流电机有几种不同的配置，
提供几种不
同的转矩—速度特性。
转矩—速度描述了直流电机
如何与负载一
致。
图
1a
所示为永磁直流电机特性曲线。转矩随速度变化较大，范围从零
转速时最大转矩到最大
转速时的零转矩。这种关系来自于关系式：动力
=
转矩
×
角速度
因为动力是一定的，转矩增大要求角速度减小，反之亦然。
我们谈论他们
,
他们也谈论我们。
图
1b
所示为在电机转矩—速度曲线上的一组负载线
.
这些负载曲线表示电机提供的作用到机构上的载荷变化。
这一变化的根据是：
随着需要的负
载转矩增
加，
电机输出的速度必须减小来适应这种变化。
这样速度将随着
负载变化。
若需要
速度恒定是不现实的。
一种可能的解决方案是使用速度控制的直流电动机，
它有一电路系统随着电机负载的变化增
大或减小输入给电机的电流以
试图保持恒定的速度。
控制器将交
流电转化为直流电，
因此这些直流电机的运行需要交流电源，
成
本较高。
另一种
方案是在输入轴上安装飞轮，储存动能来平缓负
载变化引起的速度波动。
这些交流和直流电机用于输出连续的
旋转运动。
虽然电机负载增大时速度可降低，
但不可能
实现全电流、零速度停车超过几分钟而不过热。
伺服电机是一种快速反应，闭环控制的电机，
具有可编程控制速度、加速度的功能，也可以
通过固定位置来应对载荷变化。<
/p>
闭环的意思是移动输出装置上的传感器能给出位置、
速度、
加速度的反馈信息。
电机控制装置中电路通
过增加或减小
（反向）
进入电机的电流，对反馈
信息作出反应。
这样输出装置处于精确的位置是可能的。
同时控制了速度、
对载荷变化和输
入指令的反应时间。
这是一种很昂贵的装置，一般用在像移动在飞行器和巡航导弹中的飞
行控制操作台。
和大直流
/
交流电机相比，这种电机体积小、功率和输出转矩也较小步进电机用于定
位输出
装置。不像伺服电机它是开环控制，意思是无论输出装置是否按要求动作，都没有
反馈。
内部结构包括在定子和转子
的圆周上分布的很多磁条。
每接收一个脉冲，
转子转动一步
（一
定角度）
到达下一个磁体。
这样它成为一个间歇运动装置，
不像其它电机一样提供连续的旋
转运动。磁条的数量决定了分度大小。和交直流电机相比，体积小、输出转矩小。它不算太
贵，要求特殊的控制器。
气动和液压马达和电
机相比应用很有限，
是因为它需要压缩空气和液压源。
同利用电
机直接
转化为机械能相比，
这些装置的能量利用率较低，
这是因为首先化学的或电的能量转化为流
体压力，然后转化为机械能，
这些相关的转换会有损耗。
每种能量转换都会有一些损失。在
工
厂和车间里，
高压空气因有其它用途，
可以方便获取，
所以气动马达得到广泛应用。
一个
最普通的例子
是在自动化维修车间使用的气动扳手。
虽然气压缸和气动马达
都比较便宜，
但计入所有辅助装置的成本，
这些气动系统是很贵
的。
液压马达常用于像建筑设备
（起重机）
、
飞行器和轮船等机器和系统中，在这些系统中高压液体有多种用途。
计入所有辅助设备的
成本，液压系统也是很贵的。
气压和液压缸是一线性执行机构（
活塞在缸体内）
，它可实现有限行程的直线运动，由工作
介质为
压缩空气或液压油的加压流体驱动。
如果你需要直线运动这是
一种选择。
然而它们都是成本高、
效率低、
具有像上述电机一样的
复杂因素。
另一个问题是它们的控制
。
大多数发动机倾向于恒速运行。
在恒压流体源—典型
的如大多数压缩机作用下，
执行机构将得到一个几乎恒定的加速度，
这意味着速度将随时间
线性增加。
执行机构以最高速到达行程末端时，对驱动机构产生剧烈的冲击。
<
/p>
为了放慢执行机构在行程末端的速度，用伺服阀控制流体流动是可行的，但是很昂贵。
Lesson 17
Machine Tool Motor
机床电机
电动机是大多数机床的原动机。
所有
电机都遵循磁极同极相斥，异极相吸的原理。电流通过线圈或永久磁铁时产生磁场。
<
/p>
交流电机中，
电流会自动从正极变到负极。
将交流电供给定子线圈就会产生磁场使转子旋转
起来。
在许多应用中，
机床制造商仍然在使用机械传动，
< br>因为有许多的多用途电机可以调速，
所以，
以主轴、滑块
、附属装置的三种速度运行的传动仍在广泛应用。在如今，人们会认为转速
3600
转
/
分钟是低速，高速一般为
10000
转
/
分，甚至更
高。
同时，
电机的设计和控制技术也
取得了巨大的进步。现在，要感谢计算机技术，使快速调整
电机速度和转矩成为可能。<
/p>
异步交流感应主轴电机也叫鼠笼式电机。按正弦波从正到付波动
的交变电流传到定子绕组，
产生了旋转磁场。
同时，
转子中的感应电流也生成了另一个磁场。
这两种
磁场形成的力使转子旋转。
控制电流
反向流动可实现停车。
矢量控制也可以提供定位控制和实时电流反馈。电流反馈可以显示
主轴和刀具正在做什么
（空转或切削金属）
。
< br>这些信息也可测定刀具工作了多长时间，
这对自动管理刀具非常重要。
在一些换刀装置中，
主轴定位控制对刀架定位非常重要。
< br>自动换刀装置必须确定刀具位置才
能正确工作。
另一种正
获得人们的认可的主轴驱动机构是配有永磁转子的直流无刷电机。
这
种电机低速时扭矩大，对使用大型刀具非常有用。
直流无
刷电机同交流电机比不会散发大量热量，但体积更大，价格昂贵，还有速度限制。
位置控制电机驱动滚珠丝杠，
使拖板带着主轴和工作台一起移动。<
/p>
该电机的主要特征是良好
的加速性、
减速
性、
光滑度和准确性，这样拖板或主轴才能快速到达指定位置。像主轴电机
一样，位置控制电机开始也是用直流电刷。然后交流感应电机开始流行，随后是液压传动。
由于质量轻，液压传动有着良好的加速性和功率重量比
.
< br>尽管在一些高重复性的应用中仍在
使用，液压传动基本被寿命长、效率高和发热量
小的交流伺服电机所取代。
电机通过编码器和分解器来告知自
己的位置。
编码器是一个装在电机轴上的设备。
它生成一
个标记电机轴旋转多少转的数字信号。
分解
器是装在电机上的装置，
在电机旋转时生成一个正弦波。
控制器
识别正弦波，
计算
波段数和正弦角来确定电机位置。
如今，
因为载荷和加速性要求，
这两种类型电机的
特性是
重叠的。位置电机需要大扭矩，
主轴电机的复杂操作需要
更好的加速、
减速性，还有在低速
和高速都要求大扭矩。
Lesson 19
Numerical Control
数控
数字
控制是指称为程序的一系列编码指令对机床操作的控制，
该程序主要由字母和数字符
号组成。
从定义中我们可以看到：
这一系列的事情可以预先计划也可以预报。
换句话说，
一系列
任何想要做的事情都可以通过编写适当的指令来实现，也可以通过修改编
码指令来修正。
数控的基本概念并不新鲜，时间可以追溯到工
业革命早期—约瑟夫?捷克尔德开发出一
种通过穿孔卡片控制织布机的方法。
然而当他为自己的发明申请专利时，
由于女王认为它会
造成工人失业
(
与今天的机器人很相似
)
而被否定。事实上，这些古老的发明是简单的、机械
式数
控的雏形。
现代数控
1947
年出现在密歇根州的帕森斯特拉弗斯城的工程公司，
当时公司主人约翰
?
帕森斯根据合同要求尽快生产飞机螺旋桨叶片。
后来帕森斯工
程公司得到了与美国空军装备
司令部签订的研究合同，
来提高生
产率和开发连续轨迹加工，
后来二次转包给麻省理工学院。
<
/p>
整个任务给了
MIT
，机器成功开发是在
1952
年。在美国
1953-196
0
年数控机床的生产与销
售量很小。由于（零件）尺寸一致接近
公差的需要，这种机床后来被广泛应用于工业生产。
Lesson 2
Lubrication
润滑
尽管润滑的主要目的之一是为了减少摩擦力，
任何可以控制两滑动表面之间的摩擦和磨
损
(w
ear)
的物质——不管是液体、固体或者气体，都可以归类为
(be
classed as)
润滑剂。
经过精心处理去除了所有杂质
(foreign materi
al)
的金属在相互滑动时，会粘附
(seize)
或
熔接
(weld)
到一
起
.
当达不到高的清洁度
(cleanliness)
时，
吸附在表面
的气体、
水蒸汽、
氧化物
(oxide
)
和污
染物会降低摩擦力并减少黏附的趋势，
< br>但通常会产生严重的磨损，
这种现象被称为
“无润滑”<
/p>
摩擦或干摩擦
(dry
sliding)
。
在滑动面之间引
入一层流体膜，把润滑表面完全隔离开，就产生了（
result
in
）流体膜润
滑。
这种流体可能是有意引入的，
例如
汽车主轴承中的润滑油；
也可能是无意中引入的，
例如
在光滑的橡胶轮胎与潮湿的路面
pavement
之间的水。尽管流体通常是油、水和很多其它种