机械设计制造常用数据及标准规范实用手册第十编道

1、第十编机械制造和加工技术常用数据及标准规范第一章机械制造概论机械制造业是国民经济的基础产业。机械制造业生产的机械产品将成 为国民经济各部门的机械装备。机械产品的生产通常围绕新产品开发、产品制造、 产品销售和服务三个阶段进行。新产品的开发主要在市场导向下，根据技术的发展 和企业的资源，通过设计、试制、牛产准备等活动，推出有市场前景的产品。它保 证了企业的发展与未来。产品的制造主要是根据市场和订单所确定的批量，制造已 开发的产品。产品的制造活动包括毛坯制造、切削加工、热处理、装配、检验及制 造过程的组织与管理。制造活动可以在一个企业内进行，但更多的是通过社会化协 作的方式进行。产品销售主要是把生产

2、出的产品以一定的渠道推向市场，提供给社 会。同时使企业获取相应的利润。产品销售给用户（企业）后，为用户提供安装、 调试、维修、使用指导、收集用户意见等售后服务。良好的售后服务是树立企业形 象，争取顾客扩大市场的重要手段。第一节 概述机械制造生产过程中，零件的加工是最基本的。按照由原材料或毛坯成为零件的 过程屮质量阴的变化，可以将制造工艺方法分为材料去除法质量减少（00）m< 0 ）,材料成形法质量不变（00）m= 0 ）和材料累积法质量增加（10）m>0 ）三种类型。采用材料去除技术，如切削加工等，在加工过程中，通过一 定的方式逐渐切除毛坯上的多余材料，获得具有一定形状、尺寸的零件

3、，属于质量 减少工艺。采用铸造、锻造、粉末冶金等材料成形法加工时，材料的形状、尺寸、 性能发生变化，而其质量未发生改变，属于质量不变工艺。材料累加法制造（mi f : materiallncreasemanufacturing）也称快速 成形（rp： rapidprototyping）0这是在计算机控制下，材料 逐渐累加成形，成形零件属于质量增加工艺。一、材料去除制造工艺（wmvo） 材料去除制造工艺是按一定的方式从工件上切除多余的材料，得到所需形状、尺寸 的零件。此类工艺要求工件表面有足够的多余材料。在材料的去除过程屮，工件逐 渐逼近理想零件的形状和尺寸。原材料或毛坯与零件的形状、尺寸相差越

4、大，去除 的材料就?？ 3 8 9 ?第一章机械制造概论越多，材料损耗就越大，加工过程消耗的能源也越多。有时损耗的材 料体积甚至超过零件自身的体积。虽然材料去除工艺的材料利用率低，但至今它依 然是提高零件品质的主要手段，同时也具有很强的加工适应性，是机械制造屮应用 最广泛的加工方式。材料去除法工艺与材料成形工艺相结合，可以大大降低原材料 的消耗。随着少无切削加工技术（精密铸造、精锻造等）的发展，可以进一步提高 材料的利用率。生产数量很少时，为了减少材料成形工艺投资，单纯采用材料去除 工艺也是经济合理的。材料去除工艺有很多加工形式，包括传统的切削加工和特种 加工。切削加工是用金属切削刀具在机床上

5、切除工件（毛坯）上多余的金属，从而 使工件的形状、尺寸和表面质量符合设计要求的工艺方法。切削过程中，刀具和工 件安装在机床上，由机床带动实现一定规律的相对运动。在刀具与工件的相对运动 过程中，多余的金属被切除，形成了工件的已加工表面。常见的金属切削加工方式 有车削、铳削、刨削、拉削、磨削等。金属切削过程中存在力、热、变形、振动、 磨损等现象。对加工过程、加工质量都存在一定的影响。如何正确选择加工方法、 加工机床、刀具、夹具和切削参数，改善加工质量，提高加工效益将是木书的重点 讲述内容。特种加工是指利用电能、光能等对工件进行材料去除的加工方法。有电 火花加工、电解加工、激光加工等。电火花加工是利

6、用工具电极与工件电极之间产 生的脉冲放电现象蚀除工件材料达到加工目的。加工时，工件电极与工具电极之间 存在一定的放电间隙，而不直接接触，加工屮没有力的作用，可以加工任何力学性 能的导电材料。在工艺上其主要优点是可以对复杂形状的内轮廓表面进行加工，将 其加工难度转化为外轮廓（工具电极）的加工，所以在模具制造中有特殊的作用。由于电火花加工的金属去除率低，一般不用于产甜的形状加工。激光加工、离子束 加工多用于细微加工。随着科学技术的进步，在航天、计算机领域，有些加工精度 和表面粗糙度要求特别高的零件，需要进行精密加工及超精加工。精密、超精密加 工达到的尺寸精度可以达亚微米乃至纳米级。这些加工方法有超

7、精密车削、超精密 研磨等。二、材料成形制造工艺（10）m= 0）材料成形制造工艺多利用模型使原材 料形成零件或毛坯。材料成形加工过程中，原材料的形状、尺寸、组织状态，甚至 结合状态都会改变。由于成形精度一般不高，材料成形制造工艺常用来制造毛坯。 也可以用来制造形状复杂但精度要求不太高的零件。材料成形工艺的生产效率较高 。常用的成形工艺有铸造、锻压、粉末冶金等。（一）铸造铸造是将液态金属浇注 到与零件的形状尺寸相适应的铸型型腔中去，冷却凝固后获得毛坯或零件的工艺方 法。基本工艺过程为造型、熔炼、浇注、清理等。由于合金铸造时的充型能力、收 缩及其它因素影响，铸件可能会存在组织不均匀、缩孔、热应力、

8、变形等缺陷，使 铸件的精度、表面质量、力学性能不高。尽管如此，由于适应性强，生产?？ 4 8 9 ?第十编杭械制造和加工技术常用数据及标准规范成木低，铸造加工依然得到十分广泛的应 用。形状复杂，尤其有复杂内腔零件的毛坯常采用铸造。目前生产中常用的铸造方 法有普通砂型铸造、熔*莫舖造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造等。 其中，普通砂型铸造应用最广。（二）锻压锻造与板料冲压统称为锻压。锻造是利 用锻造设备对加热后的金属施加外力进行塑性变形，形成具有一定形状、尺寸和组 织性能的零件毛坯。经过锻造的毛坯其内部组织致密均匀。金属流线分布合理，提 高了零件强度。因此，锻造常用于制造综合力学性能要

9、求高的零件的毛坯。锻造可 分为自由锻造、模型锻造和胎模锻造。自由锻造是将金属置于上下抵铁之间进行金 属塑性变形，利用自由流动的规律成形。成形效率低，精度低。一般用于生产批量 较小，形状简单的锻件。模型锻造是将金属置于锻模的模膛屮变形，金属的塑性流 动受到模膛的限制，成形效率高，精度高，金属流线分布更加合理。但由于模具制 造费用很高，通常用于大批量生产。与自由锻造相比，模型锻造时需要的锻造力大 ,不能用于大型锻件的锻造。胎模锻造是在自由锻造的设备上利用胎模对金属进行 锻造。胎模制造简单，成本低，成形方便，但成形精度不高，常用来生产精度要求 不高的小锻件。板料冲压是在压力机上利用冲模将板料冲压成各

10、种形状和尺寸的制 件。冲压加工具有极高的牛产率和较高的加工精度，其加工形式有冲裁、弯曲、拉 深、成形等。冲裁是将板料冲压成齐种平而制件。弯曲、拉深等成形工序将板料冲 压成各种立体制件。板料冲压在电气产品、轻工产品、汽车制造中有着十分广泛的 应用。（三）粉末冶金粉末冶金是以金属粉末或金属与非金属粉末的混合物作为原 料，经模具压制、烧结等工序，制造某些金属制品或金属材料的工艺方法。它既可 以牛产特种金属材料，乂可以牛产少无切削加工的金属零件。粉末冶金制品的材料 利用率能达到9 5%,可大量减少切削加工的投入，降低生产成本，因此在机械制 造中获得日益广泛的应用。由于粉末冶金所用蹬粉末原料价格高，成形

11、时粉末的流 动性差，零件形状的和大小受到一定的限制。粉末冶金制件内部存在一定量的微小 孔隙，其强度比铸件或锻件约低2 0%3 0%,且塑性、韧性也较差。粉末冶金 牛产的工艺流程包括粉末制备、混配料、压制成形、烧结、整形等。其中粉末的制 备与混配料工序通常由提供粉末的厂商完成。三、材料累积制造工艺（10）m>0 ） 材料累积制造工艺是将零件以微元叠加方式逐渐累积生长出来的。在制造过程中， 将零件三维实体模型数据经计算机处理，控制材料的累积过程，形成所要的零件。 此类？ 5 8 9 ?第一章机械前造概论壬艺方隹的优点是无需刀具、夹具等牛产准备活动，就可以成形任意 复杂形状的零件。制造出采的原

12、型可供设计评估、投标或样件展示。因此，这一工艺又称为快速成形技术。快速成形技术用于产品样件的制造、模具制造和少量零件 的制造，成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术，使企业的产品能快速响 应市场，提高企业的竞争能力。图1 一 1光固化法原理1 扫描镜2 激光束 3光敏树脂4 零件原型5树脂槽6托盘快速成形技术的发展十分迅速，现在有几种方法己经进入应用阶段，主要 有光固化法(sl： s t e r e o 1 i thog raphy) >层叠制造法(l 0 m： laminatedobj ectmanufacturing)> 激光选 区烧结法(sls： selec t ivel

13、asersintering)、熔 化堆积造型法(fdm： fuseddepos i t i o n m o d e 1 i n g ), 其中光固化法是最早投入商业应用的快速成形技术(图1 1 )。如图1 1所示 ,光固化法以光敏树脂为原料，将计算机控制的紫外激光按预定零件分层截面对液 态树脂逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件一个薄 层截面。当一层固化完毕后，托盘下降一个薄层高度。在原先固化好的树脂表面再 敷上一层新的液态树脂以便下一次扫描固化。新固化的一层牢固地与前一层粘合， 如此重复，直到整个零件原型制造完毕。第二节机械产品的开发一、产品开发的意义机械装备是社会生

14、活的重要物质基础。人类消 费水平的提高，科学研究的发展，国民经济生产部门的技术革新与改进，国防的现 代化都在要求开发功能全、高质量的机械装备。机械装备自身也是商品。在市场经 济的竞争环境屮，利润较高的适销产品，势必吸引众多企业加入市场、争夺市场。 机械制造企业为了赢得竞争，也必须不断地推出新的产品。工业发达的国家都比较 注重机械产品的开发。美国的汽车企业将销售收入的5 %1 0 %投入到汽车产品 的研究开发中。随着社会需求的增加和科学技术的发展，许多先进技术被应用到机 械产品中，机械装备的综合性能不断提高，同时也获得更多的利润。很长一段时间 以來，我国放松了对机械产品的开发与升级换代，致使我国

15、的机械工业出现全面下 滑的局面，失去了大量市场，机械行业的利润十分微薄。由于牛产技术装备落后， 也引起相关行业的产品失去市场竞争力。? 6 8 9 ?第十编机械制造和加工技术常用数据及标准规范任何产品都有一定的寿命周期。由于机械 装备的投资一般较大，机械产品的寿命周期相对较长，但科学技术的发展和消费个 性化的趋势，对技术装备要求不断提高，使机械产品的市场寿命也在缩短。与其它 产品一样，机械产品的市场寿命周期一般分为介绍期、成长期、成熟期和衰退期四 个阶段。介绍期是为产甜做市场宣传、改进产甜以及为批量生产作准备的阶段，这 时期的制造成本高，销售量有限，价格也比较高，销售产品还不能为企业带来利润

16、。进入成长期，产品迅速占领市场，销售额扩大。由于进入批量生产，成本降低， 利润迅速增加。当市场接近饱和时，产品进入成熟期，此阶段销售量大，但增幅趋 缓，企业利润丰厚。当市场饱和，激烈的市场竞争使产品的原有价格压到极低水平 ，销售额持续下降，企业无法获得利润，或市场出现升级换代的新产甜，原有产甜 便进入衰退期。企业经营的目的首先是经济效益。要使一个企业长期取得良好的经 济效益就应该经营好处于成长期和成熟期的产品，并不断完善功能，提高质量，延 长其市场寿命。同时要做到未雨绸缪，加强新产品的开发，尤其是创新产品的开发 ,及早抢占市场的制高点。企业只有不断开发经营好有新的市场牛命力的产品，才 能使企业

17、自身在激烈的市场竞争中不断获得新的生命力。我国一些经营业绩好的大 型企业如春兰集团、上海大众集团等在经营好现有产品的同时，都十分重视新产品 的开发。二、新产品开发的决策新产品按创新的改进程度可分为：全新产品、换代 产品、改进产品、仿制产品四类。全新产品指应用新原理、新结构、新技术和新材 料制造的前所未有的产品。往往成为科技史上的重大突破。如最初的蒸汽机、飞机 等等。全新产品具有明显的技术经济优势，但其研制通常需要理论科学与应用技术的配合，需要企业、科研机构、高等院校的良好协作，开发周期较长。换代产甜一 般指产品的基本原理不变，部分采用新技术、新结构或新材料使产品的使用性能， 经济指标显著改变，

18、如家用洗衣机，从单、双缸向套缸的演变，从半自动向全自动 的演变。改进产品是在对老产品进行各种技术改进后制造的、性能有一定提高的产 品。如c a 6 1 4 0车床就是在原c 6 2 0车床的基础上改进后制造的。通过对老 产品改造而开发出新产品应该是企业发展新产品的经常性工作。仿制产品是模仿市 场上其它企业产品而生产的。仿制产品节省了产品开发的大量资金、人力和吋间， 开发风险小、收效快。但承受着生产成熟厂家的竞争压力，并且容易造成知识产权 纠纷。企业应该开发什么样的产品，必须來源于系统全面的市场调查，认真的评价 分析和科学的决策。通常，如果说产品开发的决策、技术开发、中试、牛产上市几 个阶段的资

19、金投入比例是1 ： 1 0 ： 1 0 0 ： 1 0 0 0,则它们对该产品开发是否 成功，即市场前景和企业效益的影响度则为7 0 % ： 1 0 % ： 1 0 % ： 1 0 %。正 确的决策是至关重要的，盲目的决策往往导致产品开发的失败。？ 7 8 9 ?第一章 机械制造概论（一）开发调研新产品开发决策的依据是开发调研。开发调研可从以 下几个方面进行，即科技调研、市场调研、竞争环境调研、企业内部调研。（1 ） 科技调研主要是调查科技新动态，形成产品的技术源，如其技术的先进性、成熟度、技术可 行性等。科技调研对企业新产品开发的走势有重要影响。如我国某企业1 9 9 0年 初引进口本录像机

20、tu单元生产线，没有注意到与国内录像机产品的技术配套，生 产线建成后没有订货，面临破产窘境。在注重技术先进性的同时，对技术的成熟度 和可行性也必须认真对待。考虑企业自身的技术开发实力，可投入的资金和承担风 险的能力，往往选择“适用技术j “渐近改进，可能是更稳妥的途径。全新产品的开 发可能给企业带来高的效益，但成功率不高，企业要承担较大的风险。（2 ）市场 调研主要是调查市场需求。通过细分市场的调查，分析产品可能达到的市场目标、市场 可能接受的产品功能及价格。了解不同的用户对产品的功能、档次、价格的需求。 市场调研使产品的开发具有一定的针对性。消费市场可按地域、人口、消费心理、 消费行为等进行

21、细分。生产资料一般按国民经济的生产部门、地域、资源状况进行 划分。例如，我国南方农村长期以来需要外形尺寸较小的联合收割机以适应小块皿 地的作业。我国的农机管理部门、研究院所、牛产企业没有注意这一市场需求，直 到日本产甜进入我国市场后才意识到。（3）竞争环境调研一方面要研究了解国家的法律、法规、行业政策导向，如环境保护条例、国家在某 些行业或产业的减免税政策等。另一方面也要调查研究国内外竞争对手的情况，如 竞争对手的产品功能、质量、价格、经营状况、产品开发趋势等，做到知己知彼， 百战不殆。（4 ）企业内部调研主要是研究企业的资源。根据企业自身的设备、资金、人力、技术、管理等方而的 情况来考虑在拟

22、项目的长处和不足，确立企业的中长远目标和短期目标以及企业的 经营策略等。企业为了节约开发费用和生产组织费用，往往在相近的产品中进行开 发，但有时企业为了在市场激烈变化的环境屮立于不败z地，采取多种经营战略， 专门选择领域差别较大的产品进行开发牛产，以提高其抗风险能力。开发调研可釆 用信息归纳、调查表调查、实地考察、专家论证等方法，被调查对象应该来自多个 方面，这样可以从各个角度来考察、衡量所要开发的项目。（二）立项决策表1 1表示了对一个新产品开发调查的结果，表中的每一项都是利用某一方法调研得到 的数据，每项统计出平均值。总体抽调结果可以根据各项结果加权平均。每一要素 的权值可根据企业经营战略

23、思想来定。如果企业开发产品着眼于长远利益及高技术 形象，技术评估诸项可取较高的权值；如果企业着眼于经济效益，竞争能力的诸项权值可高一些。表中总的得分应在。01 0之间，总的得分越高，产甜越值得开 发，若有几项产品可供选择开发，则更容易说明问题。经过调研分析，如果对某一 产品的开发有了初步认定，就可对产品的市场、功能设?？ 8 8 9 ?第十编 机械制造和加工技术常用数据及标准规范计、价格进行定位，然后进行产品概念设 计，确定产品的各项指标，优化产品方案，并进行立项评估。表1一1 新产品评估等级表要素类要素等级（1 10）权值得分技术评估先进新颖性7 0 107成熟度7 0 . 10. 7技术独

24、占度9 0 . 1513 5质量指标6 0. 0 5 03适用性评估与原有技术兼容性3 00 5 0 . 3现有设备可用性8 0 108现有人才可用性6 00 5 03现有销售渠道可用性4 00 5 0 .2 竞争能力评估市场宽度3 010. 3可达市场占有率7 010. 7与发展政策 关系9 0. 0 5 0 . 4 5环境保护90 . 10. 9总计1 6 . 8 5立项评估的内容 主要是经济分析和风险分析。（1 ）经济分析经济分析的方法有多种，有盈亏平衡 销售量法、投资回收期法、资金利润率法、利润贴现率法等。这里简介盈亏平衡销 售法和利润贴现率法。1 ）盈亏平衡销售量法：这是计算达到投入

25、、产出平衡的最 少销售量。q = fp v （1 1）式中q 盈亏平衡的销售量；f年平均固定成本；p 单位产品售价；v 单位产品变动成本。如果市场预测销售量超过q,该产品就有盈利。2 ） 利润贴现率法：主要反映资金的时间价值。i =n i=lrici （ 1 + r ）i （ 1 2）式屮i产品所需要的最初投资；ri第；年的税后收入；c i第；年的产品总成本。由公式（1 2 ）计算利润贴现率f时，可以先设一个初值进行 迭代运算。r的值越大越好，至少大于企业现有的平均利润率。两种分析方法比较 ,盈亏平衡销售量法简单，但其固定成本、销售价格及变动成本是?？ 9 8 9 ?第一 章51械制造概论不变

26、的，与真实情况有出入。而利润贴现率既反映了资金的投入效益 ，又反映了资金的时间价值，分析效果更好。（2）风险分析新产品的开发是有风险的。往往技术含量越高的产品的投入越大，但成功率却越低 o有关研究表明，高技术产品的成功率只有1 2%。由于高技术产品的高回报率， 一旦产品开发成功，会给企业带來十分丰厚的效益。对产品开发的风险评估包含在 资金投入效益中，可采用新产品系数法。计算方法如下：r = ptpcq （c-v ）tt f （ 1 - 3 ）式中r新产品系数；p t技术成功率；p c商业成功率；q预期年销售量；c产品定价；v变动成本；t产品寿命周期；ztf产品的固定成本总值。r较大的方案为较佳

27、方案。r等于1表示最低水平，即勉强收回投资。产品方案通过立项评估后，就可以计划并实施新产品开发 了。机械产甜的设计周期长，加工成本高，开发投资大，尤其是技术集成度高的高 精度产品，投资风险很高。正因如此，国外的机械制造商在我国市场上获取了巨大 的利润。三、新产品开发的方式新产品的开发，可以采用以下一些方式：（1 ）独 立研制依靠本企业自身力量独立进行新产品开发，技术经济实力雄厚的企业往往采 用这种方式。一般的企业开发不太复杂的产品或开发仿制、改进产品也比较适于这 种方式。（2）合作开发由企业和高校或科研机构合作进行技术开发。由于新产甜 开发可能涉及到较广泛的学科领域，需要各种检测设备、实验设备

28、，需要各类人材 进行创新工作，而高校和科研机构在这些方面有较强的优势。（3）技术引进通过 购买专利，引进国外先进技术等方式，使企业的产品迅速赶上先进水平，进入国际 市场。但对项目的引进应充分掌握国内外技术发展的状况，进行充分的市场分析， 以减少风险和避免损失。我国连年出现的彩电价格大战的一个重要原因就是没有认真分析市场容量，盲目重复引进生产线所造成的。? 0 9 9 ?第十编机械制造和加工技术常用数据及标准规范四、新产品开发的步骤新产品开发的顺序 为概念设计、方案设计、详细设计、样机试制，与评审、工艺设计、新产品鉴定、 试销、生产准备、批量生产。（1 ）产品概念设计产品概念设计一般包括产品基本 特征、技术原理、主要结构形式、主要功能、市场定位、技术规格、主要参数、目 标成本及与国内外类似产品的比较等。在立项决策时概念设计就基本形成了