现代机械工程制图

第0章 绪论 Preface 　　进入工程专业的大学生，所遇到的**门专业技术基础课就是工程图学。这是一门什么样的课程？为什么要学习这门课程？怎样学好这门课？这是每一位选择了工程专业的学生面临的、必须认真思考的首要问题。要回答这些问题，还必须从你将要面对的职业道路说起。 　　0.1 工程师与工程图 　　选择了工程专业，就等于走上了工程师的专业道路。工程师是人类伟大的群体之一，选择了这一职业的人应该感到自豪，但也要准备付出更多的艰辛。工程师与科学家一样，对认识世界、改造世界、推动人类的进步均有着同等的作用和价值。科学家努力探索大自然，以发现一般性法则；工程师则遵照此既定原则，在数学和科学上解决技术问题。科学家研究事物，工程师建立事物。科学家关注的是“为什么”，工程师关注的是“为什么不能”。科学家探索世界以发现普遍法则，而工程师则要使用这些法则以设计并创造实际物品。 　　一般来说，工程师指具有从事工程系统操作、设计、管理和评估能力的人员。工程师的称谓，通常只用于在工程学其中一个范畴中持有专业性学位或相等工作经验的人士。按职称（资格）高低，分为：研究员级高级工程师（正高级）、教授级高级工程师（正高级）、高级工裎师（副高级）、工程师（中级）和助理工程师（初级）。 　　工程学是一个庞大的学科领域，包含的专业范畴种类繁多，因此工程师按工程项目来分类，也有很多种类，如机械工程师、网络工程师、电气工程师，土木工程师、建筑工程师、水利工程师、水利水电工程师、园林园艺工程师、统计工程师、概预算工程师和销售工程师等。每一专业领域的工程师根据侧重点不同，还可细分，如机械工程领域，还可分为机械设计、机械制造和机械设备工程师等。 　　值得一提的是，每一类工程师所应具备的知识和技能，只有侧重点的不同，但不可孤立分界。如机械工程类的工程师，还必须有工程测量、电子信息、电气工程、自动化工程、机电工程、热能动力、设备安装、水电工程、计算机技术乃至管理、规划等方面的基本知识和基本素质。因此，作为一名合格的机械工程师，应把自己的目光放远一些、广阔一些，积极适应当今世界制造业全球化、信息化、绿色化、服务化的发展趋势，努力提高自身的综合素质，成为具有良好职业道德和创新理念，掌握机械制造技术，懂得经济、管理知识以及相关国际通则的新一代机械工程专业技术人员。 　　机械类工程师应具备的基本条件有如下几条： 　　（1）熟练掌握工程制图标准和表示方法，掌握公差醌合的选用和标注。 　　（2）熟悉常用金属材料的性能、试验方法及其选用。掌握钢的热处理原理，熟悉常用金属材料的热处理方法及其选用。了解常用工程塑料、特种陶瓷、光纤和纳米材料的种类及应用。 　　（3）掌握机械产品设计的基本知识与技能，能熟练进行零、部件的设计。熟悉机械产品的设计程序和基本技术要素，能用电子计算机进行零件的辅助设计，熟悉实用设计方法，了解现代设计方法。 　　（4）掌握制订工艺过程的基本知识与技能，能熟练制订典型零件的加工工艺过程，并能分析解决现场出现的一般工艺问题。熟悉铸造、压力加工、焊接、切（磨）削加工、特种加工、表面涂盖处理、装配等机械制造工艺的基本技术内容、方法和特点并掌握某些重点。熟悉工艺方案和工艺装备的设计知识。了解生产线设计和车间平面布置原则及知识。 　　（5）熟悉与职业相关的安全法规、道德规范和法律知识。熟悉经济和管理的基础知识。了解管理创新的理念及应用。 　　（6）熟悉质量管理和质量保证体系，掌握过程控制的基本工具与方法，了解有关质量检测技术。 　　（7）熟悉计算机应用的基本知识；熟悉计算机数控（CNC）系统的构成、作用和控制程序的编制；了解计算机仿真的基本概念和常用计算机软件的特点及应用。 　　（8）了解机械制造自动化的有关知识。 　　如果你是工程专业的学生，那么，作为未来的工程师，你会发现，学校的专业主修课程都是围绕以上的基本条件设置的。从字面上看，工程图学这门工科专业学生的必修课对应的只是**个条件，但它的知识技能却贯穿于工程师的整个职业生涯。因此，工程图学这门课的重要性和必要性不言自明。 　　图0.1（a）所示的是～个高压锅，这是大家熟悉的一个家用产品；图0.1（b）也容易理解，这是一个结构简图，往往可以在产品说明书上看到，它说明了组成该高压锅的零件和部件；图0.1（c）则专门放大地表示了其中的一个部件（限压阀）的外观形状。这几个图都是对一个现成产品的形象描述和简单说明，仅此而己，显然不是工程图学的“图”。那么，工程图学中的“图”又是怎样一种图呢？图0.2和图0.3可以立刻给出答案。它们分别是限压阀的整体安装图（又称为装配图）和组成这个限压阀的各个零件的工作图（简称为零件图）。这才是工程图学之图——工程图样。 　　图0.1 高压锅及其上的限压阀 　　任何一个产品，都是人们根据需要“设计”和“制造”出来的。例如，用一种新型的煮饭锅代替传统的煮饭锅，将人从煮饭过程中解脱出来，无需守在炉灶边等候水开揭盖、调节火力，是人们生活中的一种使用需求。根据煮饭的过程，设计师首先要对其进行功能设计和结构设计：为了使生米煮成熟饭又不至夹生或烧焦，就要合理设计锅内米与水的比例；为了防止水开了以后顶开锅盖，就必须设计限压阀、止开杆和自锁阀；要防止锅内压力过高，就要设计安全阀等。设计时还要研究采取何种制造方法、制遣工序来低成本高质量地实现设计要求。因此，整个设计制造过程是一个创作过程，需要随时记录、交流和不断修改，这就要用到一种特定的表达交流方式——工程图样。 　　图0.2 高压锅限压阀的CAD三维模型和装配图 　　图0.3 高压锅限压阀的零件图 　　以图0.1（c）所示的限压阀为例。它被称为一个部件，是因为它由阀体、阀门和螺母等若干零件组成，其中阀门又由阀门体和阀门胶镶嵌而成。在工程上，把由多个零件组成的物品叫做“部件”，反过来，“零件”是组成部件的*小单元。图0.1（c）所示的限压阀由4个零件组成。图0.2是它的CAD（计算机辅助绘图）模型和装配图，图0.3中的3幅图分别是该阀的零件的工作图。 　　仔细观察这些零件图和装配图，其上除了表示产品形状的图形，还有很多尺寸、符号、文字、表格等标注。这说明，工程图样不仅是“图”，而是用图形、文字、符号的总和来记录和表达所设计的产品的形状、大小、生产和装配过程中应达到的技术要求、加工方法等，从而指寻它的生产、制造、装配和维修。因此，工程图样是产品从设计、制造到成品完整过程中的一件不可或缺的指导性技术文件，被誉为工程界通用的技术语言。设计与绘制工程图样、用工程图样进行表达、解读和交流，是工程师**的专业技能与专业素质。 　　工程图样也是随着所表达的工程对象的不同范畴有着不同分类的。如机械工程图、建筑工程图、电气工程图和化工设备图等。所以确切地说，图0.2与图0.3属于机械工程图。这也是本书所研究的主要对象。 　　0.2 机械工程师的研究对象 　　机械工程师的研究对象是机械产品，是如何设计、创作与指导制造机械产品。因此，作为一个未来的机械工程师，在面对**门专业技术基础课的时候，首先有必要对机械产品有一个初步的概念性的了解。 　　0.2.1 机械产品的功能概念 　　机械产品的功能概念是机械。机械是机器和机构的总称。 　　1．机器、机构与构件 　　机器是人类改造自然、发展进步的主要而重要的工具。 　　机器有以下3个特点： 　　（1）它们都是人们根据某种使用要求而设计创造的一种装置。 　　（2）它们必须执行确定的机械运动。 　　（3）用于完成包括机械力、运动和能量转换等动力学任务。 　　现代机器的定义则是：机器是执行机械运动的装置，它用来变换或传递能量、物料（指被加工的对象或被搬运的重物）与信息。按此定义，可将机器分为动力机器、工作机器和信息机器。动力机器是能量变换装置，如内燃发动机、电动机、涡艳机、发电机等，它们都能进行机械能和其他形式的能量之间的转换。工作机器是完成有用的机械功的装置，如各种金属切削机床、轧钢机、插秧机、汽车、拖拉机、缝纫机、飞机、起重机等。信息机器是用来获得和变换信息的机器，如机械式计算机、打字机、绘图仪等。 　　机构——由两个或两个以上构件通过活动连接形成的构件系统。按组成的各构件间相对运动的不同，机构可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。 　　相对于机器而言，机构主要反映机器的机械运动传递和运动形式转换的特征，但一个独立的机构是不能转换能量而做功的，这是机构与机器的主要区别。 　　构件与零件一一“零件”是指组成机器或机构的单个个体。“构件”则是指机械中具有确定运动的某个整体。构件可以是一个零件，也可以是连接在一起、不发生相对运动的几个零件的组合体。图0.4给出了一个实例：图0.4（a）是摩托车上发动机上的曲柄连杆机构，囹0.4（b）是其上的连杆，它由6种零件组成（图0.4（c））。安装时，连杆体与连杆盖用螺栓螺母连接固定，为了减小轴与轴孔之间的滑动摩擦，设置了轴瓦和衬套。这6种零件组装之后成为一个具有确定运动的整体，即总称为连杆，组成连杆的各零件之间不再产生相对运动。 　　而作为一个运动单元，连杆与曲轴（零件）组成了一个机构（曲柄连杆机构）。因此也可以说：零件是制造的单元，而构件是机器中运动的单元。 　　图0.4 内燃机中的曲轴和连杆 　　【机器组成示例】 　　内燃机是一部机器，它由曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构、带传动机构等主要机构组成（图0.5）。其中： 　　曲柄滑块机构将活塞的往复移动转化为曲轴的连续转动； 　　齿轮机构——实现转动的传递； 　　凸轮机构——将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动； 　　带传动机构——将曲轴的转动传递给凸轮轴。 　　由此，通过上述4个机构的协调工作便能将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。 　　结论：机器是由各种机构组成的。一部机器可能由多种机构组成，如上述的内燃机就是由曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构和带传动机构等组合而成的；也可能仅由一个*简单的机构组成，如电动机就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。 　　2．机器的功能组成 　　机器的种类虽然很多，但一台完整的机器包括以下三个基本部分。 　　（1）动力部分。其功能是将其他形式的能量变换为机械能（如内燃机和电动机分别将热能和电能变换为机械能）。原动部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。 　　（2）工作部分（或执行部分）。其功能是利用机械能变换或传递能量、物科、信号，如发电机把机械能变换成为电能，轧钢机变换物料的外形等。 　　（3）传动部分。其功能是把原动机的运动形式、运动和动力参数转变为工作部分所需的运动形式、运动和动力参数。 　　以上三部分都必须安装在支承部件上。为了使三个基本部分协调工作，并准确、可靠地完成整体功能，必须增加控制部分和辅助部分。 　　因此，一部机器的功能组成系统如图0.6所示。 　　1）动力系统 　　动力系统包括动力机及其配套装置；它的功能是向机器提供运动和动力，是机械系统的动力源。 　　2）执行系统 　　如图0.7所示自动曲柄冲压机机械系统中的电液压缸、气缸及电磁驱动等，都属于动力源。 　　执行系统包括执行机构和执行构件，它的功能是驱动执行构件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。执行系统一般处于机械系统的末端，执行构件直接与工作对象接触。执行系统可以只包含一个执行机构和多个执行构件，如图0.7中的曲柄冲压机，其曲