第1章機械制造概論

1.1機械制造的現(xiàn)狀、發(fā)展方向和課程任務1.2機械制造過程、工藝系統(tǒng)及生產(chǎn)系統(tǒng)1.3基本概念和定義思考與練習題1.1機械制造的現(xiàn)狀、發(fā)展方向和課程任務

1.1.1機械制造業(yè)的地位、現(xiàn)狀

制造業(yè)為人類創(chuàng)造了輝煌的物質(zhì)文明,其先進與否是一個國家經(jīng)濟發(fā)展的重要標志,制造業(yè)所占產(chǎn)值在多數(shù)國家的國民經(jīng)濟中占有重要的比重。全球性競爭和經(jīng)濟發(fā)展趨勢將制造業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)、分銷、成本、效率推向了一個新階段、新境界,也不斷向制造業(yè)提出了新的任務和挑戰(zhàn)。無論是國內(nèi)市場還是國際市場,制造業(yè)都將面臨復雜多變的外部環(huán)境。自從加入WTO，中國正在成為世界產(chǎn)品制造工廠和生產(chǎn)基地。

今天的制造業(yè),已不能從“機械制造”的狹義角度來理解。只要是對各種各樣的原材料進行加工處理,生產(chǎn)出為用戶所需要的中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品(它們可以是飛機、汽車、計算機、電子儀器,也可以是服裝、鞋帽、食品),都可以歸屬于“制造業(yè)”。由此可見,制造技術的外延正在不斷擴大。

隨著全球制造業(yè)之間的競爭日趨激烈,以及全球經(jīng)濟一體化,市場向企業(yè)提出了更高的要求。企業(yè)要贏得市場,在競爭中獲勝,就要以市場為出發(fā)點,以用戶為中心,快速及時地為用戶提供高品質(zhì)、低價格、個性化的產(chǎn)品。要以最短的產(chǎn)品開發(fā)時間(Time)、最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量(Quality)、最低的價格和成本(Cost)、最佳的服務(Service)(簡稱“TQCS”)來贏得用戶和市場。

機械工業(yè)是裝備產(chǎn)業(yè),是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),肩負著一個國家制造裝備的歷史使命。國民經(jīng)濟各部門生產(chǎn)技術的進步、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益的高低,在很大程度上取決于它所采用的裝備的性能和質(zhì)量。因此機械工業(yè)的技術水平和規(guī)模是衡量一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的重要標志。

新中國成立后,經(jīng)過幾十年的努力,機械工業(yè)已發(fā)展成為我國工業(yè)中產(chǎn)品門類比較齊全,具有相當規(guī)模和一定技術水平的支柱產(chǎn)業(yè)之一。制造產(chǎn)品從日常用品到航空、航天,制造市場從國內(nèi)到國外不斷擴大,特別是改革開放以來,通過引進、消化國外先進技術和管理模式,加上國內(nèi)自行研究開發(fā)的成果,機械產(chǎn)品的結構正向著合理化的方向發(fā)展,其市場適應能力也明顯增強。

然而,同發(fā)達國家相比,我國的機械工業(yè)仍存在著階段性、地區(qū)性和行業(yè)性的差距。集中表現(xiàn)為:制造技術的相對落后,在設計方法和手段、制造工藝、制造過程、自動化技術及管理技術諸方面都明顯落后于工業(yè)發(fā)達國家；制造產(chǎn)品和技術更多屬于勞動密集型,產(chǎn)品檔次和價位較低,對于技術密集型產(chǎn)品的制造則更多依賴國外技術,處于受制于人的局面；制造技術的落后嚴重制約了機械工業(yè)的進一步發(fā)展,人員勞動生產(chǎn)率低,機械產(chǎn)品質(zhì)量差,可靠性低,缺乏競爭能力；再加上受IT等行業(yè)的沖擊,機械制造的人才數(shù)量和質(zhì)量都顯得更加匱乏。

1.1.2機械制造工藝的發(fā)展方向——先進制造技術

與傳統(tǒng)制造技術相比,先進制造技術具有以下顯著特征:

(1)先進制造技術是涉及機械科學、信息科學、系統(tǒng)科學和管理科學的一門綜合性學科。

(2)先進制造技術除了能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本外,敏捷制造、可持續(xù)發(fā)展也成為其追求的重要目標。

(3)先進制造技術更加重視技術與管理的結合,重視制造過程的組織和管理體制的精簡及合理化,從而產(chǎn)生了一系列技術與管理相結合的新的生產(chǎn)方式。

先進制造技術的主要發(fā)展趨勢有以下方面:

①制造技術兼顧標準化、系列化、通用化(傳統(tǒng)的“三化”)向自動化、集成化和智能化(新的“三化”)的方向發(fā)展。如CIM、精良生產(chǎn)、并行工程、敏捷制造等。

②制造技術向高精度方向發(fā)展——納米技術。

③綜合考慮社會、環(huán)境要求及節(jié)約資源的可持續(xù)發(fā)展的制造技術將越來越受到重視。綠色制造提上日程。

④隨著全球一體化進程的推進,全球一體化制造越來越受到重視。其中虛擬制造和網(wǎng)絡化制造逐步呈現(xiàn)出來。

⑤制造技術工藝方法向非傳統(tǒng)加工(特種加工)發(fā)展,如電火花加工、線切割、電化學、光化學加工、超聲加工、快速原模成形技術、激光束、電子束、離子束、水射流、電鑄等。

⑥為適應復雜多變的市場形式,柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性裝配系統(tǒng)(FAS)將得到更多的應用。

近年來,先進制造技術的發(fā)展與應用已得到社會的共識,先進制造技術已被列為國家重點科技發(fā)展領域,并將企業(yè)實施技術改造列為重點,以尋求新的制造策略,建立新的包括市場需求、設計、車間制造和分銷集成在一起的先進制造系統(tǒng)。

1.1.3本課程的內(nèi)容與任務

機械制造工藝課程的主要任務之一是介紹典型表面的加工方法,以表面加工歸類方式來全面介紹各種加工工藝方法。

任務之二是研究零件加工工藝規(guī)程的制訂步驟、原則和方法。其中主要內(nèi)容有:毛坯的確定與選擇、加工方法的選擇、工件的定位及夾緊、加工余量及工序尺寸的計算、加工階段劃分、工序順序安排、工藝規(guī)程編制示例、效率提高的途徑等。這些知識是合理編制工藝規(guī)程的基礎,同時也為計算機進行輔助設計、數(shù)控工藝設計，減少工藝編制勞動量及縮短生產(chǎn)準備周期創(chuàng)造了條件。

對于裝配工藝,應樹立裝配精度概念、了解各種裝配方法及其應用、零件的連接方式及裝配工藝規(guī)程的編制、裝配輔助工序內(nèi)容、裝配組織形式等。

為鞏固工藝規(guī)程編制知識和實際應用能力,本書著重介紹幾類典型零件的加工工藝的分析和編制。

機械制造不僅要解決“會做”的問題,更要解決“做好”的問題,因而課程對機械加工質(zhì)量的含義、誤差來源及其相應措施做了多方位介紹。

采用工裝夾具是保證產(chǎn)品質(zhì)量、改進生產(chǎn)模式、提高勞動生產(chǎn)率及減輕勞動強度的重要手段和措施。書中簡要地介紹了機床夾具的常用定位方法、定位元件、夾緊原理及夾緊裝置的設計原則、步驟、方法以及各種機床典型夾具的結構。

為保證流水線、自動線生產(chǎn)的順暢進行,物料輸送裝置是自動化、現(xiàn)代化制造所必需的重要裝備和手段。書中主要介紹工件的自動輸送、自動上下料機構、自動換刀裝置和排屑裝置。

本課程的具體要求如下:

(1)了解制造零件典型表面的加工工藝方法、特點和應用范圍；面對零件圖,能結合實際選擇最佳的加工工藝方法。

(2)掌握零件加工工藝規(guī)程的制訂原則、步驟和具體方法;熟練編制加工工藝過程卡和工序卡;熟悉裝配工藝規(guī)程制定的一般規(guī)律以及各種裝配方法的確定。

(3)熟悉典型零件的結構特點、用途、毛坯、材料、工藝方法、加工步驟和工藝路線。

(4)理解加工質(zhì)量的內(nèi)涵、影響要素以及保證或提高質(zhì)量的各種措施。

(5)掌握專用夾具設計的原則、步驟、方法,熟悉各類機床的典型夾具結構。

(6)了解機械制造中的有關工件、刀具、夾具、切屑等“物料流”的輸送裝置的動作原理、典型結構和應用場合。

(7)通過案例學習,培養(yǎng)、啟發(fā)學生從現(xiàn)有的工藝水平和發(fā)展方向出發(fā),不斷改進產(chǎn)品結構,革新工藝,進行創(chuàng)造性的工藝工作,增強靈活處理、解決現(xiàn)場實際問題的能力。

1.1.4機械制造(冷加工)學科的范疇、特點及學習方法

機械工程科學是一門古老而又年輕的學科,是國家建設和社會發(fā)展的支柱學科之一。機械制造是機械工程的一個分支學科,是一門研究各種機械制造過程和方法的科學。其特點表現(xiàn)為實踐性、靈活性和綜合性強。

機械制造工藝過程通常可區(qū)分為熱加工工藝過程(包括鑄造、鍛壓、焊接、熱軋、熱處理、表面改性等)及冷加工工藝過程(如車削、鉗工、刨削、銑削、鏜削、磨削、滾齒、拋光等),本書著重介紹冷加工工藝過程。

工藝過程一般是指零件加工工藝過程和部件、產(chǎn)品(機器)的裝配工藝過程。

零件的機械加工工藝過程是研究如何利用切削加工的原理使工件成形而達到預定的設計要求(即尺寸精度,形狀、位置精度和表面質(zhì)量要求)。

裝配工藝過程是研究如何將零件或部件進行配合和連接,使之成為半成品或成品,并達到要求的裝配精度的工藝過程。

機械制造工藝理論具有很強的實踐性、靈活性,對初學者來說,會感到有一定的難度。對于生產(chǎn)哲理與管理模式等概念,沒有足夠的實踐基礎也很難準確地把握與理解。因此,在學習本課程時,必須加強實踐性環(huán)節(jié),即通過生產(chǎn)實習、課程實驗、課程設計、電化教學、現(xiàn)場教學、工廠調(diào)研、案例示例與分析討論等來更好地體會和加深理解所學內(nèi)容,并在理論與實際的結合中,培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力。

1.2機械制造過程、工藝系統(tǒng)及生產(chǎn)系統(tǒng)

1.2.1制造過程、工藝過程與工藝系統(tǒng)

產(chǎn)品的生產(chǎn)過程主要劃分為四個階段,即新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品銷售和售后服務階段。其中產(chǎn)品制造過程是將設計零件圖樣或裝配圖樣轉化為實物零件、部件或整臺產(chǎn)品的一系列活動的總稱。

機械制造系統(tǒng)是完成制造過程的各種裝置的總和(如圖1－1所示)，其整體目標就是使生產(chǎn)車間能最有效地全面完成所承擔的零件機械加工任務。機械制造中,將毛坯、工件、刀具、夾具、量具和其他輔助物料作為“原材料”輸入機械制造系統(tǒng),經(jīng)過存儲、運輸、加工、檢測等環(huán)節(jié),最后作為機械加工后的成品輸出,形成“物質(zhì)流”。由加工任務,加工順序,加工方法,物料流要求等確定的計劃、調(diào)度、管理等屬于“信息”的范疇而形成“信息流”。制造過程必然消耗各種形式的能量,機械制造系統(tǒng)中能量的消耗及其流程則被稱為“能量流”。

圖1－1機械制造系統(tǒng)框圖

把制造過程中改變生產(chǎn)對象的形狀、尺寸、相對位置和物理、力學性能等,使其成為成品或半成品的過程稱為工藝過程。工藝過程可根據(jù)其具體工作內(nèi)容分為鑄造、鍛造、沖壓、焊接、機械加工、熱處理、表面處理、裝配等不同的工藝過程。

機械加工中由機床、刀具、夾具和工件(機、工、刀、夾)組成的相互作用、相互依賴,并具有特定功能的有機整體,稱為機械加工工藝系統(tǒng),簡稱為工藝系統(tǒng)。由它完成零件制造、加工或裝配。工藝系統(tǒng)的整體目標是在特定的生產(chǎn)條件下,適應環(huán)境要求,在保證機械加工工件質(zhì)量和生產(chǎn)率的前提下,采用合理的工藝過程,并盡可能降低工序的加工成本。

1.2.2生產(chǎn)過程與生產(chǎn)系統(tǒng)

不同的企業(yè)從自身的實際條件、外部環(huán)境等方面綜合考慮,組織產(chǎn)品生產(chǎn)的模式主要有:

(1)生產(chǎn)全部零部件、組裝產(chǎn)品(機器),即“大而全”的傳統(tǒng)模式。

(2)生產(chǎn)一部分關鍵的零部件,其余的由其他企業(yè)外協(xié)供應,再組裝整臺產(chǎn)品。

(3)完全不生產(chǎn)零部件,零件靠外協(xié)加工,購回后裝配產(chǎn)品,即所謂“大配套”模式。

機械工廠的生產(chǎn)過程是以整個機械制造工廠為整體,為了實現(xiàn)最有效的經(jīng)營管理,以獲得最高的經(jīng)濟效益,因此不僅要把原材料、毛坯制造、機械加工、熱處理、裝配、油漆、試車、包裝、運輸和保管等屬于物質(zhì)范疇的因素作為要素來考慮,而且還必須綜合分析和考慮技術情報、經(jīng)營管理、勞動力調(diào)配、資源和能源利用、環(huán)境保護、市場動態(tài)、經(jīng)濟政策、社會問題和國際因素等方面。由此而形成的比制造系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)更大的總體系統(tǒng)稱為生產(chǎn)系統(tǒng),見圖1－2。生產(chǎn)系統(tǒng)中同樣有物質(zhì)流、能量流和信息流等子系統(tǒng)貫穿其中,而且比制造系統(tǒng)更為復雜和龐大。生產(chǎn)系統(tǒng)將一個有機的企業(yè)整體劃分出不同的層次結構,它決定了企業(yè)人員的組配、人事、管理等組織架構。

圖1－2生產(chǎn)系統(tǒng)基本框圖

1.3基本概念和定義

1.3.1工藝過程的基本概念

機械加工工藝過程是指用機械加工方法(主要是切削加工方法)逐步改變毛坯的形態(tài)(形狀、尺寸以及表面質(zhì)量),使其成為合格零件所進行的全部過程。它一般由工序、工步、走刀等不同層次的單元所組成。

1.工序

一個或一組工人在一個工作地點(設備),對一個或同時對幾個工件所連續(xù)完成的那部分工藝過程稱為工序,簡記為“三定一連續(xù)”。如圖1－3所示的階梯軸由6道工序通過6種不同設備完成加工全過程,見表1－1。判定是否為一個工序的依據(jù)主要是看地點是否改變和加工是否連續(xù)。當加工對象(工件)更換時,或設備和工作地點改變時,或完成工藝工作的連續(xù)性有改變時,則變成另一道工序。所謂連續(xù)性是指工序內(nèi)的工作需先后連續(xù)完成,其中不能穿插其他加工工作。例如表1－1中第1道工序,對某個工件銑完端面后,接著鉆中心孔,則為一道工序。

圖1－3階梯軸零件圖

表1－1加工階梯軸的工序劃分和工藝過程

2.工步

一道工序(一次裝夾或一個工位)內(nèi),零件可能有多個表面需要加工,也可能雖只加工一個表面,但卻要用若干把不同刀具,或雖用一把刀具,但卻要用若干種不同切削用量分作多次加工。在加工表面、切削刀具和切削用量(僅指轉速和進給量)都不變的情況下連續(xù)完成的那部分工藝過程,稱為一個工步,簡記為“四同一連續(xù)”。

圖1－4所示為基體零件的孔加工工序,它由鉆、擴、锪三個工步組成,3個工步分別使用了鉆頭、擴孔刀和锪刀3種不同的刀具。對于六角自動車床的加工工序來說,六角頭(或轉塔)每轉換一個位置,一般是改變了切削刀具、加工表面以及機床的主軸轉速和走刀量,這樣就構成了不同的工步,如圖1－5所示。有的情況,為提高生產(chǎn)效率,可把幾個加工表面用幾把刀具(或組成復合刀具)同時進行加工,這通常看做是一個工步,稱為復合工步,如圖1－6所示。

圖1－4基座孔加工工步

圖1－5六角轉臺車床的不同工步

圖1－6復合工步

3.走刀

在一個工步中如果由于加工余量較大等原因(如工件剛度受限、刀具強度不足、粗糙度要求),需要同一把刀具及同一切削用量對同一表面進行多次切削操作,其中刀具對工件的每一次切削操作就稱為一次走刀，如圖1－7所示。

圖1－7以棒料制造階梯軸工步和走刀劃分

4.裝夾

工件在機床或夾具中定位并夾緊的過程稱為裝夾。它是指在進行一道工序的加工時,將一個(或數(shù)個)工件固定在機床上的夾具內(nèi),或直接固定在機床工作臺上的過程。各加工工序都有這一輔助過程,在某些工序中為加工不同表面需多次裝夾。

5.工位

在一個工序中,有時為了減少因多次裝夾而帶來的裝夾誤差及時間浪費,常采用轉位或移位裝置(移位/轉位工作臺或轉位夾具)來實現(xiàn)多工位加工。在一次裝夾中,工件與夾具或機床可動部分一起相對于刀具或機床固定部分所占據(jù)的每一個位置稱為工位,如圖1－8中就有裝/卸工位Ⅰ、鉆孔工位Ⅱ、擴孔工位Ⅲ和鉸孔工位Ⅳ等4個工位。

圖1－8多工位加工

圖1－9工序與裝夾、工位及工步、走刀間的關系

1.3.2生產(chǎn)綱領和生產(chǎn)類型

工藝過程的要求是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗。由于產(chǎn)品的種類和數(shù)量不同,其合理的工藝路線也大不相同。

對各種機械產(chǎn)品的需要量取決于它的類型和用途。產(chǎn)品的類型和用途不同,生產(chǎn)類型也不同。某些產(chǎn)品只需要單件生產(chǎn),某些產(chǎn)品卻需要成批,甚至大量生產(chǎn)。

生產(chǎn)綱領是指工廠的生產(chǎn)任務,其內(nèi)容包括產(chǎn)品對象(結構型號和類別),全年或季度或每月的產(chǎn)量。產(chǎn)品中某零件的生產(chǎn)綱領,除了年生產(chǎn)計劃數(shù)量外,還必須包括它的備品量及平均廢品量,即

式中:N——零件的生產(chǎn)綱領(年產(chǎn)量,件／年);

Q——產(chǎn)品的年產(chǎn)量,臺／年;

n——每臺產(chǎn)品中所含該零件的數(shù)量,件／臺;

α——零件的備品百分率;

β——零件的廢品百分率。

N=Qn(1+α+β)

(1－1)零件的年生產(chǎn)綱領按下列公式計算:生產(chǎn)綱領對工廠的生產(chǎn)過程、工藝方法和生產(chǎn)組織起決定性的作用,包括決定各工作地點的專業(yè)化程度、所用工藝方法、機床設備和工藝裝備(工藝裝備是指刀(工)具,夾具,量具,輔助工具和物料輸送裝置等),因此也就對產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗問題起決定性作用。同一種產(chǎn)品由于生產(chǎn)量不同(也就是生產(chǎn)綱領不同),就可以有完全不同的生產(chǎn)過程,因此研究產(chǎn)品的制造工藝就必須了解各種生產(chǎn)類型的工藝特點。由于產(chǎn)品結構與工藝有密切關系,所以對產(chǎn)品設計者來說,也必須根據(jù)所設計產(chǎn)品的生產(chǎn)類型的工藝特點,合理地確定其結構形狀和技術要求。

表1－2生產(chǎn)類型劃分參考值

1.單件生產(chǎn)

單件生產(chǎn)是指制造的產(chǎn)品數(shù)量不多,生產(chǎn)過程中各工作地點的工作完全不重復,或不定期重復的生產(chǎn)。單件生產(chǎn)的產(chǎn)品一般是需要量不大,或是生產(chǎn)勞動量很大,生產(chǎn)周期很長,投資額巨大的產(chǎn)品。例如重型機械、軋鋼機、大型船舶、航空母艦和航天飛機的生產(chǎn),各種精密機械的試制過程,一般都屬于單件生產(chǎn)。

單件生產(chǎn)中所用設備,除了有特殊技術要求的工件外,絕大多數(shù)采用通用設備和通用的工藝裝備,現(xiàn)代制造中越來越多地采用數(shù)控機床。機床在車間內(nèi)按類型排列,一般利用劃線和試切方法加工零件。零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率主要依靠操作技術好的工人來保證。單件生產(chǎn)的工藝特點是能適應產(chǎn)品品種多變和產(chǎn)量小的特點。

2.成批生產(chǎn)

成批生產(chǎn)是指產(chǎn)品成批地投入制造,通過一定的時間間隔生產(chǎn)呈周期性的重復。成批生產(chǎn)的標志是在每一工作地點周期性地完成若干個工序。如通用機床、光學儀器、液壓傳動裝置、火炮、車輛等的生產(chǎn)均屬于成批生產(chǎn)。每批制造的相同產(chǎn)品的數(shù)量稱為批量。根據(jù)批量的大小,又可將成批生產(chǎn)分為大批、中批和小批生產(chǎn)三種類型。小批生產(chǎn)與單件生產(chǎn)的工藝特點比較接近,大批生產(chǎn)與大量生產(chǎn)的工藝特點比較接近。

在成批生產(chǎn)中,一方面采用通用設備和通用工藝裝備,另一方面也采用專用設備和專用工裝。車間中設備的布置應考慮零件加工順序,制訂的工藝規(guī)程比單件生產(chǎn)時所用的詳細。在零件的生產(chǎn)過程中較多地采用尺寸自動獲得法加工,因而對工人的操