材料加工新技术与新工艺结构方案的创新设计.pptx
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材料合成与制备新技术PPT课件
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11
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
• 水解反应：M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n-x + xR-OH • 缩聚反应：(OR)n-1M-OH + HO-M(OR)n-1 → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O
金属无机盐
价格低廉、易产业化 受金属离子大小、电位性及配位数等多种因素影响
31
4. 溶胶-凝胶工艺参数
水解度的影响
物质量比
水 解 度 R≥2 ， TEOS 水 解 反 应 使大部分的-OR基团脱离，产 生-OH基团，形成了部分水解 的带有-OH的硅烷，在这些部 分水解的硅烷之间容易反应 形成二聚体，这些二聚体不 再进行水解，而是发生交联 反应形成三维网络结构，从 而缩短了凝胶化时间.
9
胶体稳定原理-DLVO理论 颗粒间的范德华力 双电层静电排斥能
粒子间总作用能
VT VAVR
➢ 溶胶是固体或大分子颗粒分散于液相的胶体体系，具有很大的界面 存在，界面原子的吉布斯自由能比内部原子高，粒子间便有相互聚结 从而降低表面能的趋势。
➢ 增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增 加粒子间能垒通常有三个基本途径：(1)使胶粒带表面电荷；(2) 利用空 间位阻效应；(3)利用溶剂化效应。
匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等优点 。
可以用于制备各种光学透镜、功能陶瓷块、梯度折射率玻璃等 。
成本较高，生产周期长，故不适宜材料大规模的生产 。
17
2.多孔材料
多孔材料是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。
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2.溶胶－凝胶合成方法基本原理
1、醇盐的水解-缩聚反应
• 水解反应：M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n-x + xR-OH • 缩聚反应：(OR)n-1M-OH + HO-M(OR)n-1 → (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O
金属无机盐
价格低廉、易产业化 受金属离子大小、电位性及配位数等多种因素影响
31
4. 溶胶-凝胶工艺参数
水解度的影响
物质量比
水 解 度 R≥2 ， TEOS 水 解 反 应 使大部分的-OR基团脱离，产 生-OH基团，形成了部分水解 的带有-OH的硅烷，在这些部 分水解的硅烷之间容易反应 形成二聚体，这些二聚体不 再进行水解，而是发生交联 反应形成三维网络结构，从 而缩短了凝胶化时间.
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胶体稳定原理-DLVO理论 颗粒间的范德华力 双电层静电排斥能
粒子间总作用能
VT VAVR
➢ 溶胶是固体或大分子颗粒分散于液相的胶体体系，具有很大的界面 存在，界面原子的吉布斯自由能比内部原子高，粒子间便有相互聚结 从而降低表面能的趋势。
➢ 增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增 加粒子间能垒通常有三个基本途径：(1)使胶粒带表面电荷；(2) 利用空 间位阻效应；(3)利用溶剂化效应。
匀性好、材料形状多样化、且可在较低的温度下进性合成并致密化等优点 。
可以用于制备各种光学透镜、功能陶瓷块、梯度折射率玻璃等 。
成本较高，生产周期长，故不适宜材料大规模的生产 。
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2.多孔材料
多孔材料是由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体所组成。
材料制备新技术PPT课件
材料制备新技术
（4）机械合金化（Mechanical Alloying, MA） 高能球磨，颗粒与颗粒之间、颗粒与球之间强烈、频
繁的碰撞，产生颗粒间反复的冷焊和断裂。
（5）高温自蔓延合成技术（Self-Propagation HighTemperature Synthesis, SHS）
利用原料间的化学反应热来进行化合物粉的合成，也 可以用于烧结、焊接、涂层。
激光束一层一层烧结粉末。 快速原型制作技术。
材料制备新技术
（3）热振荡活化烧结（Heat Shock Activated Sintering） （4）微波烧结（Micro Wave Sintering）
材料制备新技术
（5）等离子体烧结（Plasma Sintering） 放电等离子体烧结、等离子体活化烧结、脉冲电流
制得粉末：球形，粒 度分布窄，粒度小（小于 50微米）
材料制备新技术
（ 3 ） 真 空 雾 化 （ Vacuum Atomization） 一定气压下，含有过饱和气 体的金属熔体突然暴露于真空 中由于气体的迅速膨胀使液体 金属雾化成粉。 也称为熔体气体雾化 （Soluble Gas Atomization）； 熔体爆炸雾化（Melt Explosion Technique）
材料制备新技术
2.1.3 烧结新技术 （1）电场活化烧结（Field Activated Sintering Technique）
电场活化烧结技术(FAST)是指在烧结时施加电场。 施加电场可以固结难以烧结的粉末，比传统烧结温度 低、时间短、制品密度高、质量好。 （2）选择激光烧结（Selective Laser Sintering）
材料制备新技术
(8)树脂传递模塑
材料制备新技术
（4）机械合金化（Mechanical Alloying, MA） 高能球磨，颗粒与颗粒之间、颗粒与球之间强烈、频
繁的碰撞，产生颗粒间反复的冷焊和断裂。
（5）高温自蔓延合成技术（Self-Propagation HighTemperature Synthesis, SHS）
利用原料间的化学反应热来进行化合物粉的合成，也 可以用于烧结、焊接、涂层。
激光束一层一层烧结粉末。 快速原型制作技术。
材料制备新技术
（3）热振荡活化烧结（Heat Shock Activated Sintering） （4）微波烧结（Micro Wave Sintering）
材料制备新技术
（5）等离子体烧结（Plasma Sintering） 放电等离子体烧结、等离子体活化烧结、脉冲电流
制得粉末：球形，粒 度分布窄，粒度小（小于 50微米）
材料制备新技术
（ 3 ） 真 空 雾 化 （ Vacuum Atomization） 一定气压下，含有过饱和气 体的金属熔体突然暴露于真空 中由于气体的迅速膨胀使液体 金属雾化成粉。 也称为熔体气体雾化 （Soluble Gas Atomization）； 熔体爆炸雾化（Melt Explosion Technique）
材料制备新技术
2.1.3 烧结新技术 （1）电场活化烧结（Field Activated Sintering Technique）
电场活化烧结技术(FAST)是指在烧结时施加电场。 施加电场可以固结难以烧结的粉末，比传统烧结温度 低、时间短、制品密度高、质量好。 （2）选择激光烧结（Selective Laser Sintering）
材料制备新技术
(8)树脂传递模塑
材料制备新技术
材料加工新技术与新工艺结构方案的创新设计
材料加工新技术与新工艺结构方案的创新设计材料加工是指将原材料加工成所需产品的一系列工艺过程。
随着科技的不断进步和工业生产水平的提高，材料加工新技术和新工艺的出现对制造业的发展起到了至关重要的作用。
在这篇文章中，我们将探讨材料加工新技术与新工艺结构方案的创新设计。
首先，材料加工新技术的应用可以大大提高生产效率和产品质量。
例如，先进的数控加工技术可以实现精确的复杂零件加工，通过编程控制加工设备，不仅可以高速、高精度地完成加工任务，还可以避免了传统加工过程中人为操作的误差。
另外，激光切割技术在金属加工领域的广泛应用，不仅可以大大提高切割精度和切割速度，还可以实现多种形状的切割，掀起了金属加工行业的一场技术革命。
其次，新工艺的出现为传统材料加工带来了更多的可能性。
例如，3D打印技术的应用使得材料加工不再局限于传统的切削和热加工，而是通过逐层打印来实现设计所需的形状和结构。
这种先进的加工方法不仅实现了材料的高效利用，还可以制造出复杂、多样化的产品。
此外，新型材料的研发也为材料加工带来了新的挑战和机遇。
比如说，高强度、高导热性和高耐腐蚀性的先进材料可以替代传统材料，在航空航天和汽车工业等领域得到广泛应用。
如何进行材料加工新技术与新工艺的结构方案的创新设计呢？首先，我们需要充分了解加工材料的性质和特点。
只有深入了解材料的硬度、韧性、导热性、可加工性等特性，才能选择合适的加工工艺和设备。
例如，对于硬度较高的材料，我们可以选择超声波加工来实现高精度加工，而对于导热性较好的材料，我们可以选择激光切割技术来提高加工效率。
其次，我们需要关注材料加工的环境和安全问题。
例如，在3D打印技术中，我们需要考虑材料的成分和热量释放等因素，以防止因材料燃烧引发火灾等安全问题的发生。
同时，我们还需要设计合理的环境控制系统，以维持加工过程中的稳定性和安全性。
最后，我们还需要关注材料加工的节能和环保问题。
现代社会对节能减排的要求越来越高，作为一个制造业领域，材料加工也需要积极采取节能减排的措施。
《材料加工新技术》PPT课件
63
• 福特公司汽车结构用5754铝合金板哈兹列特工艺和 直冷铸锭热轧工艺性能对比
64
65
钢的薄带连铸
作为生产扁平材的近终形连铸技术，带钢连铸工艺生产的 钢带较之薄板坯连铸更接近于最终产品的形状，也就是连铸 带钢更薄一些。 它可将钢水直接浇铸出1～10mm厚的钢带，不经热轧或稍 经热轧（1～2个机架），即可进行冷轧，而产品的性能和质 量仍可与常规生产的产品相媲美。 薄带连铸能大大降低基建投资和生产成本，是当今钢铁工业 令人关注的新工艺，也是最热门的研究课题之一。
• 哈兹列特工艺.节能、减排，有利于可持续发展 .加快我国 铝加工业的技术进步和产业结构升级。
• 车身铝合金化,减轻汽车自重.提高燃油效率,减少污染.有利 于缓解能源,环保,安全三大问题.
• 降低成本.提高性能.
<<返 回
37
万吨
全国年度原铝(电解铝)产量(万吨)
1400 1200 1000
800 600 400 200
7
材料加工新技术之一
近终形成型技术
8
连铸出的直接为坯，不再需要初轧开坯!
连铸技术
连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转 炉后又一次重大的技术革命。它取消了传统模铸中的初 轧开坯工序，具有节约能源、降低消耗、节省投资、机 械化和自动化程度高等优点，已成为现代钢铁企业广泛 应用的生产技术。目前不少发达国家已实现全连铸。一 个国家的连铸水平已成为衡量这个国家钢铁生产水平的 重要标志。90年代初，中国连铸比仅为30%，到2000年， 中国连铸比已达85.3%，到2007年，中国连铸比已跃至 96.95%，达到国际先进水平。
74
侧封堰
浸入式水口 铸辊
钢液 薄带产品
• 福特公司汽车结构用5754铝合金板哈兹列特工艺和 直冷铸锭热轧工艺性能对比
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钢的薄带连铸
作为生产扁平材的近终形连铸技术，带钢连铸工艺生产的 钢带较之薄板坯连铸更接近于最终产品的形状，也就是连铸 带钢更薄一些。 它可将钢水直接浇铸出1～10mm厚的钢带，不经热轧或稍 经热轧（1～2个机架），即可进行冷轧，而产品的性能和质 量仍可与常规生产的产品相媲美。 薄带连铸能大大降低基建投资和生产成本，是当今钢铁工业 令人关注的新工艺，也是最热门的研究课题之一。
• 哈兹列特工艺.节能、减排，有利于可持续发展 .加快我国 铝加工业的技术进步和产业结构升级。
• 车身铝合金化,减轻汽车自重.提高燃油效率,减少污染.有利 于缓解能源,环保,安全三大问题.
• 降低成本.提高性能.
<<返 回
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万吨
全国年度原铝(电解铝)产量(万吨)
1400 1200 1000
800 600 400 200
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材料加工新技术之一
近终形成型技术
8
连铸出的直接为坯，不再需要初轧开坯!
连铸技术
连续铸钢技术的开发与应用是钢铁生产中继氧气转 炉后又一次重大的技术革命。它取消了传统模铸中的初 轧开坯工序，具有节约能源、降低消耗、节省投资、机 械化和自动化程度高等优点，已成为现代钢铁企业广泛 应用的生产技术。目前不少发达国家已实现全连铸。一 个国家的连铸水平已成为衡量这个国家钢铁生产水平的 重要标志。90年代初，中国连铸比仅为30%，到2000年， 中国连铸比已达85.3%，到2007年，中国连铸比已跃至 96.95%，达到国际先进水平。
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侧封堰
浸入式水口 铸辊
钢液 薄带产品
现代材料加工方法先进连接技术ppt课件
资料衔接方法众多，仅常用的就有近30种。按照衔接机 理(母材和填充资料的形状)可以将衔接技术分为熔化焊，固 相焊和钎焊三大类。
熔化焊是指经过母材和填充资料的熔合实现衔接的一类 衔接方法。
固相焊是经过衔接资料在固态条件下的物质迁移或塑 性变形实现衔接的一类衔接方法。
钎焊是利用低熔点液态合金(钎料)对母材的润湿和毛 细填缝而实现衔接的一类衔接方法。
先进衔接技术
§10.1 概述
焊接是指经过适当的手段使两个分 别的固态物体产生原子〔分子〕间结合而成
为一体的衔接方法。
广义上实现资料衔接有多种方法， 如机械衔接、化学衔接(胶接)、冶金衔接等。
机械衔接是经过宏观的构造关联性 实现资料和构件之间的衔接，这种衔接是暂 时的、可装配的，承载才干和刚度普通较低。
科学上的发现、新资料的开展和工业新技术的要求一 直从不同角度推进着资料衔接技术的开展，例如，电弧的 发现导致电弧焊的发明，电子束、等离子束和激光的相继 问世构成了高能束焊接；高温合金和陶瓷资料的运用促进 了分散衔接技术的开展；高密度微电子组装技术的要求推 进了微衔接技术的提高等等。
经过一个多世纪的开展，资料衔接技术曾经成为资料 加工、成形的主要技术和工业制造技术的重要组成部分， 运用领域普及机械制造、船舶工程、石油化工、航空航天、 电子技术、建筑、桥梁、能源等国民经济和国防工业各部 门，在航空航天、电子技术和船舶等领域甚至成为部门开 展的最关键技术。
要使粒子系统对外来光有放大作用，必需使系统的 受激辐射粒子数大于受激吸收粒子数。即外界必需经过 一定的机制对系统提供能量，使系统处于高能量形状— —高能级上的粒子数(N2)多于低能级上的粒子数(N1)， 这种景象称为粒子集居数反转(简称粒子数反转)，而处 于高能量形状且具有粒子数反转特征的介质称为激活 (态)物质〔激活介质〕。
材料加工新技术与新工艺第4章常用创新技法
A
因素
B
C
形态
A1
A2
A3
B1
B2
B3
B4
B5
C1
C2
C3
C4
4) 方案评选 要对可行方案进行评选，找出最佳的可行方案。 评选时先要制订选优标准，一般用新颖性、先 进性和实用性三条标准进行初评，再用技术经济 指标进行综合评价，好中选优。
例：运用形态分析法探索新型单缸洗衣机的创意
1907年 手动洗衣机
l901年时的除尘器只能吹尘，飞扬的尘土 令人窒息。
英国人赫伯布斯运用对比联想，吹尘不好， 吸尘如何?
他用捂着手绢的嘴试着吸尘土，结果成功 了，他继而发明出带有灰尘过滤装置的负压 吸尘器。
在曲柄摇杆机构中，即使曲柄匀速转动，摇杆 摆动的角速度也并不均匀。
工程中，有时希望摇杆能获得近似均匀的角速 度。
1910年 电动洗衣机
例：运用形态分析法探索新型单缸洗衣机的创意
“托尔”电动洗衣机 海报
1922铸铝桶体旋转洗衣机
1) 因素分析 从洗衣机的总体功能 “洗涤衣物”，得到“盛
装衣物”、“分离脏物”和“控制洗涤”等分功能， 作为形态分析的3个因素。
2) 形态分析 对应分功能因素的形态，是实现这些功能的
柚子那漂亮的外壳 使他联想到了与之风 马牛不相及的建筑， 因而设计出了完全流 线型式样、把弯曲和 环转包涵其内的世界 一流建筑。
二、类比法
比较分析两个对象之间某些相同或相似之点， 从而认识事物或解决问题的方法，称为类比法。
类比法以比较为基础。将陌生与熟悉、未知与 已知相对比，这样，由此物及于彼物，由此类及于 彼类，可以启发思路，提供线索，触类旁通。
这种装置将压缩空气沿管道迅速送到各节车厢 的气缸里，通过气缸的活塞将刹车闸瓦抱紧在车轮 上，从而大大提高了火车运行的安全性，至今仍被 广泛采用。
新材料、新工艺在装饰工程中的应用实例PPT
仿古编钟工艺
制作工艺流程：
根据设计师及铸造厂的要求，对编钟表面的图 案进行深化设计，手绘画出其表面的纹理。
仿古编钟工艺
根据图纸制作石膏胚体、 翻制玻璃钢模具
再用玻璃钢模具翻制出 硅胶模具
根据硅 胶模具 翻出蜡 模
仿古编钟工艺
沙模烧制前需在表面涂有 根据蜡模再翻制出沙模 耐火材料
铸造出的铜编 钟还需要进行 打磨、抛光、 修复、做旧、 上漆等处理
木饰面嵌贝壳工艺
花饰图案木饰面的镶嵌方法： 由于花饰是连续图案，需将木饰面根据设计好的图 案进行通雕再镶嵌贝壳饰面板，木饰面底板雕刻由 木制品厂家完成、并做 好底漆，贝壳饰面板根 据雕刻好的图案进行切 割镶嵌。
木饰面嵌贝壳工艺
贝壳饰面板安装方法： 因为贝壳饰面板的加 工周期比较长，因此 需将贝壳饰面板于周 围木饰面分开制作， 留工艺缝，即可先安 装木饰面线条，最后 再安装贝壳饰面板。
木饰面嵌贝壳工艺
贝壳饰面板所用胶水同家具厂贴木皮一样，镶嵌完 毕后需进行面层的整体打磨，一般天然的贝壳厚度 在5mm，为了防止贝壳破损，打磨的厚度一般控制在 1-2mm，所以贝壳镶嵌时的平整度需严格控制。
贝壳进行整体打磨处理
加工成品后的贝壳饰面板
木饰面嵌贝壳工艺
几何图案贝壳木饰面的镶嵌方法： 由于木饰面与贝壳伸缩系数不一样，木饰面底板只能 浅雕，嵌贝壳前木饰面先做好油漆再嵌入贝壳、贝壳 与木饰面留伸缩缝， 贝壳嵌好后表面需 进行轻微的打磨， 再整体做一遍面漆。
在装饰工程中的应用
——XX国际博览中心大酒店装饰工程
尊敬的来宾、领导、各位同事你们好:
在这一年一度的施工大会召开之 际，作为一名战斗在一线的普通员工， 很高兴与各位领导及同事们共同分享 新材料及新工艺在装饰工程施工中的 应用。
新材料新工艺PPT课件
第3页/共23页
• 有机高分子材料 有机高分子材料将得到更大发展，特别是功能高分子材料。
包括导电高分子材料、铁磁高分子材料、光学高分子材 料、半导体和超导体材料以及存储和显示材料，都已有 广阔的发展前景，但高分子材料的稳定性和老化问题目 前仍是人们担心的问题。
第4页/共23页
• 先进复合材料 先进复合材料在20 世纪下半叶曾得到很大发展，但只有树脂基复合材料得
随着功能材料需求的增加，稀有金属与稀土金属的用途将
不断扩大。
第2页/共23页
• 陶瓷材料 功能陶瓷将会有更大发展。 结构陶瓷的性能也将进一步提高，生产成本将进一步下降， 但能否得到广泛应用，前途难卜。这主要取决于它们的 脆性和可靠性问题能否得到显著改善。 水泥和玻璃仍是重要的建筑材料。水泥的生产将大量采用 矿渣、炉渣等废料； 玻璃将走向智能化以实现节能的目的。
第6页/共23页
1.2 新材料
材料科学的主要发展是研究和开发新材料，目的是人工制造耐超高温、耐 超高压、超高强度、高速信息传输和在常温下表现超导等特殊性能的材料。
新材料主要有：新金属材料，如非晶态合金；新陶瓷材料；高分子材料， 如高性能碳纤维增强塑料；复合材料。纳米技术在材料中的应用将产生一 系列新材料。
新材料的开发研制对21世纪的科学研究和经济发展具有关键性作用，发展 新材料是提高产品竞争能力和提高生产力的重要手段。
第7页/共23页
新材料来源： 从传统材料的改进发展而来； 从基础研究和应用基础研究的成果逐步发展起来； 根据需要通过人为的材料设计而创造出来的。 上面新材料的三种不同来源代表了三个不同的层次。
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感谢您的观看！
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1.3 按需设计材料
• 有机高分子材料 有机高分子材料将得到更大发展，特别是功能高分子材料。
包括导电高分子材料、铁磁高分子材料、光学高分子材 料、半导体和超导体材料以及存储和显示材料，都已有 广阔的发展前景，但高分子材料的稳定性和老化问题目 前仍是人们担心的问题。
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• 先进复合材料 先进复合材料在20 世纪下半叶曾得到很大发展，但只有树脂基复合材料得
随着功能材料需求的增加，稀有金属与稀土金属的用途将
不断扩大。
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• 陶瓷材料 功能陶瓷将会有更大发展。 结构陶瓷的性能也将进一步提高，生产成本将进一步下降， 但能否得到广泛应用，前途难卜。这主要取决于它们的 脆性和可靠性问题能否得到显著改善。 水泥和玻璃仍是重要的建筑材料。水泥的生产将大量采用 矿渣、炉渣等废料； 玻璃将走向智能化以实现节能的目的。
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1.2 新材料
材料科学的主要发展是研究和开发新材料，目的是人工制造耐超高温、耐 超高压、超高强度、高速信息传输和在常温下表现超导等特殊性能的材料。
新材料主要有：新金属材料，如非晶态合金；新陶瓷材料；高分子材料， 如高性能碳纤维增强塑料；复合材料。纳米技术在材料中的应用将产生一 系列新材料。
新材料的开发研制对21世纪的科学研究和经济发展具有关键性作用，发展 新材料是提高产品竞争能力和提高生产力的重要手段。
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新材料来源： 从传统材料的改进发展而来； 从基础研究和应用基础研究的成果逐步发展起来； 根据需要通过人为的材料设计而创造出来的。 上面新材料的三种不同来源代表了三个不同的层次。
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1.3 按需设计材料
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4．移动、转动联接，限制5个相对运动自由度。
7.1.2 联接的变异
3．转动联接，限制5个相对运动自由度。 4．移动、转动联接，限制5个相对运动自由度。
由于轮毂要相对于轴移动，所以联接中轴的表面形 状必须是柱面(不能是锥面)
联接中轴的截面形状必须是圆形
考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面
两种联接中的轴表面形状为圆柱面
摇杆及绳索等配合使用。
板簧通常刚度较大，可在较
小的变形条件下产生较大的
压紧力。
7.1.1 功能面的变异
7.1.1 功能面的变异
机器上的按键外形通常为方形 或圆形，这种形状的按键在控制 面板上占用较大的面积。
由于采用三角形按键，使最 小宽度缩小为24mm，比原方案 减小29％。
7.1.1 功能面的变异
引言
机械结构设计的重要特征之一是设计问题的 多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯 一的。
机械结构设计的任务是在众多的可行结构方 案中寻求较好的或最好的方案。
找出所有的局部最优解，并从中找出全局最 优解，得到最好的设计方案。这就需要发挥创造性 思维方法的作用。
7.1 结构方案的变异设计
变异设计的基本方法是首先通过对结构设计 方案的分析，得出一般结构设计方案中所包含的技 术要素的构成。
然后再分析每一个技术要素的取值范围，通 过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合， 就可以得到足够多的独立的结构设计方案。
7.1 结构方案的变异设计
一般机械结构的技术要素包括零件的几何形 状，零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。 以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。
7.1.1 功能面的变异
描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、 尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几 个方面的变异，可以得到多组构型方案。
7.1.1 功能面的变异
7.1.1 功能面的变异
压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳，如确需使用 较大的压缩距离则应设置导向结构。
拉簧无失稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独使用，也可与
7.1.2 联接的变异
按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂 联接分为形锁合联接和力锁合联接。
力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生 的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产 生可以依靠多种不同的结构措施。
过盈配合是一种常用的结构措施，它以最简单 的结构形状获得足够的压力，缺点是装配和拆 卸都很不方便，并引起较大的应力集中。
曲柄摇杆机构
偏心轮机构
机构中销孔尺寸变化
7.1.1 功能面的变异
普通电动机中转子和定子的布置
直线方向布置
直线方向布置的转子和定子再沿另一轴线旋转
7.1.2 联接的变异
一个不与其他零部件相接触的零件具有6个自 由度，机械设计中通过规定零件之间适当的联 接方式限制零件的某些自由度，保留机器的功 能所必需的自由度，使机器在工作中能够实现 确定形式的运动关系。
机械创新设计
机械工程与自动化学院机械设计系
第七章 结构方案的创新设计
7.0 引言
机械结构设计的任务是在总体设计的基础上， 根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械 结构，需要决定的内容包括：
结构的类型和组成，
结构中所有零部件的形状、尺寸、位置、数 量、材料、热处理方式和表面状况，
所确定的结构除应能够实现原理方案所规定 的动作要求外，还应能满足设计对结构的强度、刚 度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面 的要求。
结构方案的变异设计方法使设计者从一个已知 的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方 案。
通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者 得到多个局部最优解，再通过对这些局部最优解的 分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。
变异设计的目的是寻求满足设计要求的独立 的设计方案，以便对其进行参数优化设计
7.1 结构方案的变异设计
7.1.2 联接的变异
常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆 键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。
按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂 联接分为形锁合联接和力锁合联接。
形锁合联接要求被联接表面为非圆形，可以是 三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表面。
7.1.2 联接的变异
非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更 困难，所以这些形状的截面实际应用较少。
非圆截面通常通过在圆形截面上铣平面、铣槽 或钻孔等方法产生，通过变换这些平面、槽或 孔的尺寸、数量、在轴段的位置和方向就形成 不同形式的轴毅联接。
联接的作用是通过零件的工作表面与其他零 件的相应表面的接触实现的，不同形式的联接 由于相接触的工作表面形状不同，表面间所施 加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不 同的约束。
7.1.2 联接的变异
以轴毂联接为例。按照设计要求，轴与轮毂的 联接对相对运动自由度的限制可能有：
1．固定联接，限制6个相对运动自由度。 2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。 3．转动联接，限制5个相对运动自由度。
7.1.2 联接的变异
1．固定联接，限制6个相对运动自由度。 2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。
由于轮毂要相对于轴移动，所以轴表面必须 是除完整圆柱面以外的其他柱面，如滑键联 接、导键联接。
固定式联接，限制条件少，所有满足可加工 性和可装配性条件的表面形状都可以作为这 种轴毅联接的表面形状。
7.1.2 联接的变异
7.1.1 功能面的变异
机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形 状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。
零件的几何形状由它的表面所构成，一个零 件通常有多个表面，在这些表面中与其他零部件相 接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表 面称为功能表面。
零件的功能表面是决定机械功能的重要因素， 功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对 功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功 能的多种结构方案。
在包含中间齿轮的直齿圆柱齿轮传动中，中间轴 所受合力的大小与三个轴的相对位置有关。
7.1.1 功能面的变异
挺杆2与摇杆1通过一球面相接 触，球面在挺杆上。
将球面改在摇杆上，则接触面 上的法线方向始终平行于挺杆 轴线方向，不产生横向推力。
7.1.1 功能面的变异
上方零件为凹形，下方零件为 凸形。
7.1.1 功能面的变异
7.1.2 联接的变异
3．转动联接，限制5个相对运动自由度。 4．移动、转动联接，限制5个相对运动自由度。
由于轮毂要相对于轴移动，所以联接中轴的表面形 状必须是柱面(不能是锥面)
联接中轴的截面形状必须是圆形
考虑加工方便和避免产生附加轴向力通常也采用柱面
两种联接中的轴表面形状为圆柱面
摇杆及绳索等配合使用。
板簧通常刚度较大，可在较
小的变形条件下产生较大的
压紧力。
7.1.1 功能面的变异
7.1.1 功能面的变异
机器上的按键外形通常为方形 或圆形，这种形状的按键在控制 面板上占用较大的面积。
由于采用三角形按键，使最 小宽度缩小为24mm，比原方案 减小29％。
7.1.1 功能面的变异
引言
机械结构设计的重要特征之一是设计问题的 多解性，即满足同一设计要求的机械结构并不是唯 一的。
机械结构设计的任务是在众多的可行结构方 案中寻求较好的或最好的方案。
找出所有的局部最优解，并从中找出全局最 优解，得到最好的设计方案。这就需要发挥创造性 思维方法的作用。
7.1 结构方案的变异设计
变异设计的基本方法是首先通过对结构设计 方案的分析，得出一般结构设计方案中所包含的技 术要素的构成。
然后再分析每一个技术要素的取值范围，通 过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合， 就可以得到足够多的独立的结构设计方案。
7.1 结构方案的变异设计
一般机械结构的技术要素包括零件的几何形 状，零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。 以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。
7.1.1 功能面的变异
描述功能表面的主要几何参数有表面的形状、 尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对这几 个方面的变异，可以得到多组构型方案。
7.1.1 功能面的变异
7.1.1 功能面的变异
压簧的压缩距离不应过大，否则容易引起弹簧的失稳，如确需使用 较大的压缩距离则应设置导向结构。
拉簧无失稳问题，设计中受空间约束较少，既可单独使用，也可与
7.1.2 联接的变异
按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂 联接分为形锁合联接和力锁合联接。
力锁合联接依靠被联接件表面间的压力所派生 的摩擦力传递转矩和轴向力，表面间压力的产 生可以依靠多种不同的结构措施。
过盈配合是一种常用的结构措施，它以最简单 的结构形状获得足够的压力，缺点是装配和拆 卸都很不方便，并引起较大的应力集中。
曲柄摇杆机构
偏心轮机构
机构中销孔尺寸变化
7.1.1 功能面的变异
普通电动机中转子和定子的布置
直线方向布置
直线方向布置的转子和定子再沿另一轴线旋转
7.1.2 联接的变异
一个不与其他零部件相接触的零件具有6个自 由度，机械设计中通过规定零件之间适当的联 接方式限制零件的某些自由度，保留机器的功 能所必需的自由度，使机器在工作中能够实现 确定形式的运动关系。
机械创新设计
机械工程与自动化学院机械设计系
第七章 结构方案的创新设计
7.0 引言
机械结构设计的任务是在总体设计的基础上， 根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械 结构，需要决定的内容包括：
结构的类型和组成，
结构中所有零部件的形状、尺寸、位置、数 量、材料、热处理方式和表面状况，
所确定的结构除应能够实现原理方案所规定 的动作要求外，还应能满足设计对结构的强度、刚 度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面 的要求。
结构方案的变异设计方法使设计者从一个已知 的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方 案。
通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者 得到多个局部最优解，再通过对这些局部最优解的 分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。
变异设计的目的是寻求满足设计要求的独立 的设计方案，以便对其进行参数优化设计
7.1 结构方案的变异设计
7.1.2 联接的变异
常用的形锁合联接有销联接、平键联接、半圆 键联接、花键联接、成形联接和切向键联接。
按照联接中形成锁合力的条件可将固定式轴毂 联接分为形锁合联接和力锁合联接。
形锁合联接要求被联接表面为非圆形，可以是 三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表面。
7.1.2 联接的变异
非圆截面加工困难，特别是非圆截面孔加工更 困难，所以这些形状的截面实际应用较少。
非圆截面通常通过在圆形截面上铣平面、铣槽 或钻孔等方法产生，通过变换这些平面、槽或 孔的尺寸、数量、在轴段的位置和方向就形成 不同形式的轴毅联接。
联接的作用是通过零件的工作表面与其他零 件的相应表面的接触实现的，不同形式的联接 由于相接触的工作表面形状不同，表面间所施 加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不 同的约束。
7.1.2 联接的变异
以轴毂联接为例。按照设计要求，轴与轮毂的 联接对相对运动自由度的限制可能有：
1．固定联接，限制6个相对运动自由度。 2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。 3．转动联接，限制5个相对运动自由度。
7.1.2 联接的变异
1．固定联接，限制6个相对运动自由度。 2．滑动联接，限制5个相对运动自由度。
由于轮毂要相对于轴移动，所以轴表面必须 是除完整圆柱面以外的其他柱面，如滑键联 接、导键联接。
固定式联接，限制条件少，所有满足可加工 性和可装配性条件的表面形状都可以作为这 种轴毅联接的表面形状。
7.1.2 联接的变异
7.1.1 功能面的变异
机械结构的功能主要是靠机械零部件的几何形 状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。
零件的几何形状由它的表面所构成，一个零 件通常有多个表面，在这些表面中与其他零部件相 接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表 面称为功能表面。
零件的功能表面是决定机械功能的重要因素， 功能表面的设计是零部件设计的核心问题。通过对 功能表面的变异设计，可以得到为实现同一技术功 能的多种结构方案。
在包含中间齿轮的直齿圆柱齿轮传动中，中间轴 所受合力的大小与三个轴的相对位置有关。
7.1.1 功能面的变异
挺杆2与摇杆1通过一球面相接 触，球面在挺杆上。
将球面改在摇杆上，则接触面 上的法线方向始终平行于挺杆 轴线方向，不产生横向推力。
7.1.1 功能面的变异
上方零件为凹形，下方零件为 凸形。
7.1.1 功能面的变异