1、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) Foundation of Mechanical Manufacture Technology 授課：張秀全,第一章 機(jī)械制造概論,現(xiàn)代制造業(yè)，特別是機(jī)械制造業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。 本章主要介紹機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展過程、作用和地位。 重點介紹機(jī)械制造系統(tǒng)、機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)類型和制造方法。,第一節(jié) 機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展過程 及在國民經(jīng)濟(jì)中的地位 一、機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展過程 人類最早的制造活動可以追溯到新石器時代，當(dāng)時人們制做石器作為勞動工具，制造處于一種萌芽階段；到了青銅器和鐵器時代，為了滿足以農(nóng)業(yè)為主的自然經(jīng)濟(jì)的需要，出現(xiàn)了冶煉和鍛造等較為原始的制造活動。 制造業(yè)發(fā)展的歷史性

2、轉(zhuǎn)折點是18世紀(jì)中葉蒸汽機(jī)的發(fā)明。隨著蒸汽機(jī)的大量使用，機(jī)械技術(shù)與蒸汽動力技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了以動力驅(qū)動為特征的制造方式，產(chǎn)生,了第一次工業(yè)大革命。而后，隨著發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的發(fā)明，電氣化時代終于來臨，以電作為新的 動力源大大改變了機(jī)器結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)效率。這個階段制造業(yè)發(fā)展的一個標(biāo)志，就是開始使用機(jī)械加工機(jī)床。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始用機(jī)床大量生產(chǎn)“洋槍、洋炮”。 19世紀(jì)末內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明引發(fā)了制造業(yè)的又一次革命，20世紀(jì)初制造業(yè)進(jìn)入了以汽車制造為代表的批量生產(chǎn)時代，隨后出現(xiàn)了流水生產(chǎn)線和自動機(jī)床。在制造管理思想方面，勞動分工制度和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù),相繼問世。 1931年建立了具有劃時代意義的汽車裝配生產(chǎn)線，實現(xiàn)

3、了以剛性自動化為特征的大批量生產(chǎn)方式。 以大規(guī)模生產(chǎn)方式為主要特征的制造技術(shù)，在20世紀(jì)50年代逐漸進(jìn)入鼎盛時期，制造業(yè)通過降低生產(chǎn)成本(主要是降低勞動力成本)和提高生產(chǎn)效率，形成了“規(guī)模效益”的工業(yè)化生產(chǎn)理念。大規(guī)模生產(chǎn)方式作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一個重要特征，對人類社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會結(jié)構(gòu)、文化教育以及生活方式等，產(chǎn)生了深刻的影響。,20世紀(jì)60年代，隨著市場競爭的加劇，大規(guī)模生產(chǎn)方式面臨新的挑戰(zhàn)。制造企業(yè)的生產(chǎn)方式開始向多品種、中小批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。 與此同時，以大規(guī)模集成電路為代表的微電子技術(shù)以及以微機(jī)為代表的計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)了制造業(yè)的裝備技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步，為制造業(yè)實現(xiàn)多品

4、種、中小批量的生產(chǎn)方式創(chuàng)造了有利條件。這個階段誕生的制造裝備與制造技術(shù)主要有數(shù)控機(jī)床、計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)和計算機(jī)輔助制造(CAM)等。,進(jìn)入20世紀(jì)80年代，一方面，市場環(huán)境發(fā)生了新的變化，消費者的需求日趨多樣化和個性化，市場競爭日趨激烈。另一方面，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入了一個日新月異的時代，電子信息技術(shù)和自動化技術(shù)發(fā)展迅猛。制造理論、制造技術(shù)和制造裝備也迎來了新的發(fā)展時期，出現(xiàn)了制造資源規(guī)劃(MRP) 和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等。 20世紀(jì)90年代以來，以Internet為代表的信息技術(shù)革命給世界帶來了巨大變化，經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程打破了傳統(tǒng)的地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，市場變得更加廣闊和多,元

5、化。在這種時代背景下，提高制造企業(yè)的快速響應(yīng)能力以適應(yīng)瞬息萬變的市場需求，成為制造企業(yè)贏得市場競爭的關(guān)鍵。圍繞這一目標(biāo)，出現(xiàn)了許多先進(jìn)制造系統(tǒng)模式，如敏捷制造、虛擬制造、智能制造和綠色制造等。 二、機(jī)械制造在國民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用 物質(zhì)生產(chǎn)是人類社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，制造業(yè)是人類財富的主要貢獻(xiàn)者，沒有制造業(yè)的發(fā)展就沒有人類社會的現(xiàn)代物質(zhì)文明。,在我國，處于工業(yè)中心地位的制造業(yè)，特別是機(jī)械制造業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是工業(yè)化、現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)動機(jī)和動力源，是參與國際競爭取勝的法寶，是技術(shù)進(jìn)步的主要舞臺，是提高國民生活水平、保證國家安全、發(fā)展現(xiàn)代文明的物質(zhì)基礎(chǔ)。 機(jī)械制造工業(yè)是制造業(yè)最重要的組

6、成之一，它擔(dān)負(fù)著向國民經(jīng)濟(jì)的各個部門提供機(jī)械裝備、辦公設(shè)備，向人們提供交通工具和家用電器等任務(wù)。我國現(xiàn)代建設(shè)的發(fā)展速度和國家的安全(統(tǒng)一、獨立) 在很大程度上取決于機(jī)械制造工業(yè)的發(fā)展水平。,我國是世界上文化、科學(xué)發(fā)展最早的國家之一，早在公元前2000年左右，我國就制成了紡織機(jī)械。由于封建主義的壓迫和帝國主義的侵略，我國的機(jī)械工業(yè)長期處于停滯和落后狀態(tài)。從1865年清政府在上海創(chuàng)辦江南機(jī)械制造局到1949年這80多年的時間里，全國只有少數(shù)城市建有一些機(jī)械廠。新中國成立50多年來，我國已建立了一個比較完整的機(jī)械工業(yè)體系。建國初期以萬噸水壓機(jī)為代表的各種重型裝備的研制成功，標(biāo)志著國民經(jīng)濟(jì)有了自己的脊

7、梁；20世紀(jì)6070年代的“兩彈一星”的問世以及21世紀(jì)的“神舟號”遨游太空，表明了我國綜合國力的提高，使我國躋身于世,界大國的行列。目前，我國電力、鋼鐵、石油、交通、礦山等基礎(chǔ)工業(yè)部門所擁有的機(jī)電產(chǎn)品總量中，約有80是我國自己制造的，其中6000m電驅(qū)動沙漠鉆機(jī)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，300MW和600MW火電機(jī)組已成為國家電力工業(yè)的主要機(jī)組。2003年，我國汽車年產(chǎn)量已達(dá)445萬輛，機(jī)動車產(chǎn)量居世界首位。許多與人們生活密切相關(guān)的機(jī)電產(chǎn)品(如電冰箱、空調(diào)機(jī)等)已位居世界前列，我國已成為名副其實的機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)大國。,新中國用了50多年的時間走過了工業(yè)發(fā)達(dá)國家200年的歷程，成就舉世國矚目；但與世界

8、先進(jìn)水平相比，我國機(jī)械制造業(yè)的整體水平和國際競爭能力仍有較大的差距。我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需的許多裝備目前仍然依賴于進(jìn)口；其次，制造業(yè)的人均生產(chǎn)率較低，約為美國、日本、德國的45；第三，企業(yè)對市場需求的快速響應(yīng)能力不高，我國新產(chǎn)品開發(fā)的周期平均為18個月，而美、日、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的新產(chǎn)品開發(fā)周期平均為46個月；第四，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)的機(jī)電產(chǎn)品少，主要機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)來源的57來自國外，大多數(shù)電子通信設(shè)備的核心技術(shù)仍然依賴進(jìn)口。,今后一段時期，我國機(jī)械工業(yè)的主要任務(wù)是：加快發(fā)展國計民生、涉及國家經(jīng)濟(jì)安全且對工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有重大影響的重大技術(shù)裝備；發(fā)展為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化服務(wù)的先進(jìn)適用的

9、裝備；重點開發(fā)符合安全、節(jié)能、清潔排放的各種類型的汽車；盡快提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性，扭轉(zhuǎn)我國高速、高效、高精度數(shù)控機(jī)床長期依賴進(jìn)口的局面；加速發(fā)展工業(yè)自動化控制系統(tǒng)和儀器儀表；重點開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的敏捷制造技術(shù)和應(yīng)用軟件，增加數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化機(jī)電產(chǎn)品品種。,機(jī)械制造技術(shù)是機(jī)械制造企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、完成產(chǎn)品生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的共性技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。在全球范圍內(nèi)，機(jī)械制造技術(shù)正朝著精密化、自動化、敏捷化和可持續(xù)發(fā)展方向發(fā)展。,第二節(jié) 機(jī)械制造系統(tǒng)、生產(chǎn)類型與機(jī)械制造方法 一、機(jī)械制造系統(tǒng)的概念 機(jī)械制造工廠作為一個生產(chǎn)單位，它的生產(chǎn)過程和生產(chǎn)活動十分復(fù)雜，包括從

10、原材料到成品所經(jīng)過的毛坯制造、機(jī)械加工、裝配、涂漆、運輸、倉儲等所有的過程及開發(fā)設(shè)計、計劃管理、經(jīng)營決策等所有的活動，是一個有機(jī)的、集成的生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1一l所示。圖中雙點劃線框內(nèi)表示生產(chǎn)系統(tǒng)，即由原材料進(jìn)廠到產(chǎn)品出廠的整個生產(chǎn)、經(jīng)營、管理過程；框外表示企業(yè)外部環(huán)境(社會環(huán)境和市場環(huán)境)。,圖11 生產(chǎn)系統(tǒng),整個生產(chǎn)系統(tǒng)由三個層次組成： 決策層，根據(jù)國家的政策、市場信息和企業(yè)自身的條件，進(jìn)行分析研究，就產(chǎn)品的類型、產(chǎn)量及生產(chǎn)方式等作出決策； 計劃管理層，根據(jù)企業(yè)的決策，結(jié)合市場信息和本部門實際情況進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)研究、制訂生產(chǎn)計劃并進(jìn)行經(jīng)營管理； 生產(chǎn)技術(shù)層，是直接制造產(chǎn)品的部門，根據(jù)有關(guān)計劃和圖

11、樣進(jìn)行生產(chǎn)，將原材料直接變成產(chǎn)品。,制造系統(tǒng)是生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，即由原材料變?yōu)楫a(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程，它包括毛坯制造、機(jī)械加工、裝配、檢驗和物料的儲存、運輸?shù)人泄ぷ?。在制造系統(tǒng)中，存在著以生產(chǎn)對象和工藝裝備為主體的“物質(zhì)流”，以生產(chǎn)管理和工藝指導(dǎo)等信息為主體的“信息流”，以及為了保證生產(chǎn)活動正常進(jìn)行而必需的“能量流”，如圖12所示。,能量流 =物質(zhì)流 一一信息流 圖12 機(jī)械制造系統(tǒng),機(jī)械制造系統(tǒng)中，機(jī)械加工所使用的機(jī)床、刀具、夾具和工件組成了一個相對獨立的系統(tǒng)，稱為工藝系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)之間互相關(guān)聯(lián)、互相依賴、共同配合，實現(xiàn)預(yù)定的機(jī)械加工功能。,二、生產(chǎn)類型及其工藝特征 1生產(chǎn)

12、綱領(lǐng) 企業(yè)根據(jù)市場需求和自身的生產(chǎn)能力制定生產(chǎn)計劃。在計劃期內(nèi)應(yīng)當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和進(jìn)度計劃稱為生產(chǎn)綱領(lǐng)。計劃期一般為一年，所以生產(chǎn)綱領(lǐng)一般就是年產(chǎn)量。零件的生產(chǎn)綱領(lǐng)N應(yīng)當(dāng)計入備品和廢品的數(shù)量，常按下式計算 N = Q n ( 1 + a ) ( 1 + b ) 式中Q產(chǎn)品的年產(chǎn)量(生產(chǎn)綱領(lǐng))； n每臺產(chǎn)品中該零件的數(shù)量； a、b零件生產(chǎn)備品率( )、廢品率( )。,2生產(chǎn)類型 生產(chǎn)綱領(lǐng)的大小決定了產(chǎn)品(或零件)的生產(chǎn)類型，而各種生產(chǎn)類型下又具有不同的工藝特征，因此生產(chǎn)綱領(lǐng)是制訂和修改工藝規(guī)程的重要依據(jù)。 根據(jù)工廠(車間或班組)生產(chǎn)專業(yè)化程度的不同，存在著三種不同的生產(chǎn)類型，即大量生產(chǎn)、成批生產(chǎn)

13、和單件生產(chǎn)。,(1)大量生產(chǎn) 產(chǎn)品的產(chǎn)量大，大多數(shù)工作按照一定的節(jié)拍重復(fù)地進(jìn)行某一零件某一工序的加工，例如汽車、手表、手機(jī)等的制造。 (2)成批生產(chǎn) 一年中輪番周期地制造一種或幾種不同的產(chǎn)品，每種產(chǎn)品均有一定的數(shù)量，制造過程具有一定的重復(fù)性。一次投入或產(chǎn)出的同一產(chǎn)品(或零件)的數(shù)量稱為生產(chǎn)批量。批量的大小主要根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)、零件的大小、資金的周轉(zhuǎn)、調(diào)整費用及倉庫的容量等情況來確定。,按照批量的大小，成批生產(chǎn)又可分為小批生產(chǎn)、中批生產(chǎn)和大批生產(chǎn)。 (3)單件生產(chǎn) 單個地生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，很少重復(fù)，例如重型機(jī)器制造、專用設(shè)備 制造、新產(chǎn)品試制等。 由于大批生產(chǎn)的工藝特點與大量生產(chǎn)相似，小批生產(chǎn)的特點與

14、單件生產(chǎn)相似，因此生產(chǎn)類型也可分為大批大量生產(chǎn)、中批生產(chǎn)、單件小批生產(chǎn)。,表11機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)類型與生產(chǎn)綱領(lǐng)的關(guān)系(單位：件/年),3不同生產(chǎn)類型的工藝特征,續(xù)表一,續(xù)表二,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場需求的變化，生產(chǎn)類型正在發(fā)生深刻的變化，傳統(tǒng)的大批大量生產(chǎn)往往不能很好地適應(yīng)市場對產(chǎn)品及時更新?lián)Q代的需求，多品種中、小批量生產(chǎn)的比重逐漸上升。隨著數(shù)控加工和成組技術(shù)的普及，各種生產(chǎn)類型下的工藝特征也在起著相應(yīng)的變化。 三、機(jī)械制造的方法 從原材料到產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，主要包括毛坯制造、零件加工、零部件裝配三個主要工藝過程。毛坯的制造、零部件的加工和零部件的裝配隨著產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)類型(生產(chǎn)批量)以及工

15、廠生產(chǎn)條,件的不同，其制造方法也不盡相同，按零件加工時加工工具與零件之間是否需要機(jī)械作用力，可將機(jī)械制造的方法分為機(jī)械加工和特種加工。 1機(jī)械加工 按機(jī)械加工成形零件時是否產(chǎn)生廢料可分為凈成形和切削加工。 (1)凈成形 凈成形技術(shù)是指由原材料到零件成形后不再加工(或僅需少量加工)就可用作機(jī)械零件的成形技術(shù)。采用凈成形技術(shù)加工方法不同，所獲得的機(jī)械零件尺寸精度、形位精度和表面質(zhì)量也不盡相同。,凈成形技術(shù)涵蓋精密鑄造成形(失蠟鑄造和壓鑄加工)、精密塑性成形(精密模鍛、冷擠壓成形)以及精密注塑成形等，其特點是加工不產(chǎn)生切屑，因此原材料利用率高，生產(chǎn)效率高，常用于機(jī)械零件毛坯或形狀比較復(fù)雜的中小零件加

16、工制造。 (2)切削加工 切削加工即由原材料(毛坯)到零件需經(jīng)過切削加工(產(chǎn)生切屑廢料)得到所需零件的形狀、尺寸和精度的一種加工方法，如車削、銑削、鉆鏜孔、磨削等加工方法。,切削加工因產(chǎn)生切屑，材料利用率較低、零件生產(chǎn)率較低，但其加工精度高，目前仍然是高精度機(jī)械零件的主要加工方法。 切削加工時按加工的精度、切削速度以及機(jī)床運動的控制方法又可分為： 1)普通機(jī)械加工 普通機(jī)械加工是指采用傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)備進(jìn)行切削加工。 普通切削加工因受機(jī)床、夾具、刀具所組成的加工裝備系統(tǒng)的精度、剛度以及切削機(jī)理的影響，加工精度仍然有限。目前階段，普通切削加工的誤差范圍達(dá)到110 ，通常稱為微米加工。,2)精密與超精

17、密加工 精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量超過普通切削加工，達(dá)到很高程度的加工工藝?，F(xiàn)階段加工誤差可達(dá)到0.11 ，表面粗糙度 0.1，稱為亞微米加工。 超精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到最高程度的加工工藝。其加工誤差可以控制到0.1 ,表面粗糙度 0.01，已發(fā)展到納米加工的水平。,3)高速加工 高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大 地提高切削速度和進(jìn)給速度，達(dá)到提高材料切除率，提高加工精度和加工表面質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。以切削速度和進(jìn)給速度界定：高速加工的切削速度和進(jìn)給速度為普通機(jī)械加工速度的5-10倍；以主軸轉(zhuǎn)速界定：高速加工的主軸轉(zhuǎn)速10000rmin。,4)數(shù)字化(數(shù)控)加工 數(shù)字化

18、加工是以數(shù)值與符號構(gòu)成的信息(加工程序)通過脈沖信號控制機(jī)床自動運動，實現(xiàn)零件機(jī)械加工的加工方法。 數(shù)字化加工的最大特點是：極大地提高了加工精度和加工質(zhì)量的重復(fù)性、穩(wěn)定性，保證加工零件質(zhì)量的一致。,2特種加工 特種加工是不需利用工具直接對加工對象施加作用力的一種加工工藝，如電火花成形加工、電火花線切割加工、激光加工、超聲波加工、離子束加工、光刻化學(xué)加工等。特種加工因為不是依靠工具與加工對象之間的直接作用產(chǎn)生塑性變形而成形零件，因此對加工對象的材質(zhì)、硬度沒有要求，特別適合高硬度、難加工材料的復(fù)雜表面的加工，但加工效率不及機(jī)械加工。,除了上述機(jī)械加工和特種加工以外，為了機(jī)械制造的可持續(xù)發(fā)展，上世紀(jì)

19、末在機(jī)械制造領(lǐng)域又提出了綠色制造的概念。 綠色制造又稱清潔生產(chǎn)或面向環(huán)境的制造。綠色制造技術(shù)是指在保證產(chǎn)品功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式。它使產(chǎn)品從設(shè)計、制造、使用到報廢整個產(chǎn)品生命周期中節(jié)約資源和能源，不產(chǎn)生環(huán)境污染或使環(huán)境污染最小化。,第三節(jié)本課程的研究內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法 1課程的研究內(nèi)容 如上所述，機(jī)械制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)；機(jī)械制造過程包括的內(nèi)容很多；機(jī)械制造技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷發(fā)展。限于本課程的性質(zhì)和學(xué)時，本課程主要研究機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的機(jī)械加工過程及其系統(tǒng)。其主要內(nèi)容包括金屬切削過程中的基本原理、基本規(guī)律；機(jī)加工裝備(機(jī)床、刀具、夾具)的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用；機(jī)加工質(zhì)量及控制方法；機(jī)械加工工藝和裝配工藝，并對現(xiàn)代制造技術(shù)及發(fā)展作一定的介紹。,2本課程的特點及學(xué)習(xí)方法 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程的特點歸納起來有以下幾點： 1)機(jī)械制造技術(shù)