第1章机械制造及装备设计方法课件

1、机械制造装备设计我们不能人云亦云，这不是科学精神，科学精神最重要的就是创新工欲善其事 必先利其器目 录第一章 机械制造装备设计方法第二章 金属切削机床设计第三章 典型部件设计第七章 机械加工生产线总体设计第五章 机床夹具设计第四章 工业机器人设计第六章 物流系统设计共60页 第1页第一节 概述第二节 机械制造装备应具备的主要功能第三节 机械制造装备的分类第四节 机械制造装备设计的类型第五节 机械制造装备设计的方法第六节 机械制造装备设计的评价第一章第一章 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法国家需求p制造大国制造业占国民经济30%的产值工业增加值居世界第四位p建设制造强国是我国的国家目标发

2、展高端制造装备掌握关键零部件的核心制造技术1.1.1 发展机械制造装备的战略意义发展机械制造装备的战略意义第一章共60页 第2页 国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力的竞争。 机械制造业是制造业的核心，其生产能力和发展水平标志着一个国家或地区的经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度。“拿来主义”不能形成制造业的核心竞争力，发展先进的装备制造技术刻不容缓，是实现向“制造强国”跨越的必由之路。 机床及其它制造装备是机械制造技术的重要载体。国家科技重大专项高档数控大型飞机IC制造高档数控机床与基础制造装备2008年，我国机床消费全球第一，进口价值54亿美元，90

3、以上为高档数控机床和重型制造装备。Ref: Gardner Publ, 2009国家科技重大专项核心内容高档数控大型飞机IC制造p高档制造装备高速、精密、重型数控机床大型数控成形冲压和重型锻造设备重型、清洁、高效的热加工设备p共性技术数字化设计技术多轴联动加工技术高档数控装置和驱动装置高速车铣复合金切机床五轴联动加工复杂叶片国家科技重大专项高档五轴数控机床的关键技术p大行程重载精密传动技术行程8m8m2m承重100吨精度10mp大功率高速旋转主轴功率1045 kW转速1200060000 r/minp多轴多通道数控装置伺服周期0.125ms纳米平滑重型七轴五联动机床五轴联动高速加工机床高档数控

4、大型飞机IC制造国家科技重大专项极大规模集成电路制造装备及成套工艺 亟需开发集成电路关键制造装备和工艺，带动相关产业的技术提升和结构调整2008年我国半导体芯片设备市场: 54.8亿美元。光刻机、刻蚀机、高质量薄膜材料生长及后封装等关键设备全部依赖进口。 参考：IC Insights公司高档数控大型飞机IC制造国家科技重大专项核心内容：2010年实现90nm制造技术商品化高档数控大型飞机IC制造p制造装备 战略高端：光刻机、刻蚀机、薄膜设备等 量大面广：键合机、划片机、清洗设备等p关键技术 超精密运动平台 光刻机光学系统 高性能平面/直线电机 高加速度高精度控制技术 光刻机晶圆操作90nm光刻

5、机的技术指标高档数控大型飞机IC制造p高精度 工作台运动10nm 两工作台同步平均偏差300mmp大载荷 工作台载荷40kgp速度和加速度 掩模台480mm/s，加速度1.9g国家科技重大专项国家科技重大专项引线键合机的技术指标 p 高精度空间运动控制运动精度15gp 高起停频率起停频率15次/秒p 高定位精度机器视觉定位75%2.8mm1.4mmp叶片薄，切削力大，易变形和振动p高温合金材料，切削性能差 高档数控大型飞机IC制造国家科技重大专项大型整体薄壁件高效加工p 大型整体薄壁件长7米，厚1毫米p 材料去除率大去除率约95p 加工精度难以保证易变形和振动p 表面质量难以控制表面粗糙度和毛

6、刺梁间整体肋高档数控大型飞机IC制造机床工业的战略地位国际军事竞争的战略物资 高档数控机床对我国禁运: 2000年10月14日,美国参议院通过控制高技术机床出口法案,美国商务部把数控机床列为对我出口的20类敏感物资; 日本通产省禁止东芝公司龙门五面体加工中心、安田公司高精度数控机床、森精机公司精密机床、五轴联动数控机床出口到中国。 国际军事竞争的战略物资-数控机床 现代飞机大量复杂曲面铝合金零件加工去除率80%以上，需要多轴联动、高速、高效龙门加工中心，带A、B轴五轴加工中心等数控机床。航空发动机零件精度高、形状复杂，大部分采用高强度、高温合金，需要高精度、大扭矩高刚度、多轴联动数控机床进行加

7、工。 J11J10飞豹歼击机心脏涡扇发动机， 数控机床是保障高新技术产业发展的载体 航天工业发展要大批高精度、特种加工数控机床 国际军事竞争的战略物资运载火箭发动机燃烧室、机匣、机罩、进气堆、尾锥及火箭机体等制造需要高性能、专用数控机床。 国际军事竞争的战略物资 舰艇导航设备舰载武器制造需要高性能数控机床 军事工业的支撑 数控机床国家综合能力的象征国家综合能力的象征v我国新研发的核动力潜艇需求大型5轴联动数控机床确保潜艇低噪声潜航舰船的螺旋桨须五轴联动支舰船的螺旋桨须五轴联动支撑撑国际军事竞争的战略物资 兵器工业武器需要各种规格数控机床，其中特殊合金钢材料加工，需要大扭矩、高刚度、大功率、高效

8、率数控机床。 v国家综合竞争力的重要标志和体现 发电机 我国百万级核电机组、超超临界火电机组、燃气-蒸汽循环机组、大功率风力机组，发电设备大型转子、定子、叶片等需要重型、超重型数控机床、五轴联动加工中心。 发电机 2002年我国装机6.22亿千瓦，2010年装机达8.5亿千瓦，2020年装机13亿千瓦，大型铸锻件需要重型和超重型数控机床、五轴联动加工中心、3.6万吨垂直挤压机。铁路“十一五”新建1.7万公里，是前三个五年计划之和，平均每年投资2000亿元，2007年国家固定资产投资3320亿元，开工建设70项。特点：重载2万吨级机车试制成功；高速机车“动车组”时速200-350公里/小时。1.

9、1.2 制造模式的演变及发展趋势制造模式的演变及发展趋势第一章我国制造装备的现状-制造装备部分摘自路甬祥的走向绿色和智能制造_中国制造发展之路（2010） 我国数控机床产量从2001 年的117 万台增至2008 年的12. 2 万台,数控机床产量跃居世界第一,95 %的经济型数控系统和一些中高档数控系统由国内制造。 精密加工技术有了新进展,数控金属切削机床的加工精度已提升到微米级。 2009 年,中国兵器工业集团自主研制的35218MN 黑色金属垂直挤压机在北方重工公司成功完成热调试,标志着我国大口径厚壁无缝钢管制造技术打破国外垄断并达到世界领先水平。机械制造装备的发展趋势1、向高效、高速、

10、高精度方向发展2、多功能复合化、柔性自动化的产品成为主流3、实施绿色制造与可持续制造发展战略4、智能制造技术和智能化装备有了新的发展5、我国自主创新和高新技术的发展我国数控机床发展趋势摘录于装备制造业“十二五”规划:高速立、卧式加工中心国内目前所能达到的最高水平：主轴转速15000 ，快速进给速度40 ，加速度0.8 。国外可以达到的水平：主轴转速30000 ，快速进给速度100 ，加速度2.5 。达到如下目标：数控机床工作台面宽度630 ，主轴最高转速1500030000 ，快速进给40100 ，加速度12.5 ；完成系列产品开发，基本实现功能部件国产化，要求可靠性与精度稳定性达到同类产品国

11、际先进水平。精密立、卧式加工中心国内能达到的水平：定位精度0.008 ，重复定位精度0.005 。国外水平可以达到定位精度0.003 ，重复定位精度0.0015 。目标：台面宽度1000 ，定位精度0.005 ，重复定位精度0.00251.2 机械制造装备的主要功能p 一般的功能要求；p 柔性化；p 精密化；p 自动化；p 机电一体化；p 节材；p 符合工业工程要求；p符合绿色工程要求1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 一般的功能要求1加工精度方面的要求 加工精度是指加工后零件对理想尺寸、形状和位置的符合程度，一般包括尺寸精度、表面形状精度、相互位置精度和表

12、面粗糙度等。满足加工精度方面的要求应是机械制造装备最基本的要求。影响机械制造装备加工精度的因素很多，与机械制造装备本身有关的因素有其几何精度、传动精度、运动精度、定位精度和低速运动平稳性等。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 一般的功能要求2强度、刚度和抗振性方面的要求为了提高加工效率，切削速度越来越高，切削力越来越大，机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。提高强度、刚度和抗振性不能一味地加大制造装备零部件的尺寸和重量，成为“傻、大、黑、粗”的产品。应利用新技术、新工艺、新结构和新材料，对主要零件和整体结构进行改进设计，在不增加或少增加重量的前提下，使

13、装备的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 一般的功能要求3加工稳定性方面的要求机械制造装备在使用过程中，受到切削热、摩擦热、环境热等的影响，会产生热变形，影响加工性能的稳定性。对于自动化程度较高的机械制造装备，加工稳定性方面的要求尤为重要。提高加工稳定性的措施是减少发热量，散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。温升变形误差1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 一般的功能要求4耐用度方面的要求机械制造装备经过长期使用，因零件磨损、间隙增大，原始工作精度将逐渐丧失。对于加工精度要求很高的机械

14、制造装备，耐用度方面的要求尤为重要。提高耐用度应从设计、工艺、材料、热处理和使用等多方面综合考虑。从设计角度，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.1 一般的功能要求5技术经济方面的要求 投入机械制造装备上的费用将分摊到产品成本中去。如产品产量很大，分摊到每个产品的费用较少。反之，产品的产量较少，甚至是单件，过大地在机械制造装备上投资，将大幅度地提高产品的成本，削弱产品的市场竞争力。因此不应盲目地追求机械制造装备的技术先进程度，无计划地加大投入，而应该进行仔细的技术经济分析，确定机械制造装备设计和选购方面的指

15、导方针。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.2 柔性化l 柔性化即产品结构柔性化和功能柔性化。l 产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的、具有不同功能的新产品。l 功能柔性化是指只需进行少量的调整或修改软件，就可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.2 柔性化l 在柔性制造系统中，不同工件可以同时上线，实现混流加工。这类加工装备

16、投资极大，研制周期长，使用维护涉及的技术难度大，应通过认真的技术经济分析认为有利可图时才可考虑采用。l 要实现机械制造装备的柔性化不一定非要采用柔性制造单元或系统。专用机床也可设计成具有一定的柔性。其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。调整方法如采用备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化和部分动作实现数控化等。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.3 精密化l 随着市场竞争的国际化，对产品技术性能的要求越来越苛刻，制造精度的要求越来越高。l 为提高产品的质量，许多工厂还不断地压缩工件制造的公差带，机械制造装备的精密化成为普遍发展的趋势，从

17、微米级发展到亚微米级，乃至纳米级。l 采用误差补偿技术可提高机械制造装备自身的精度。误差补偿技术可以是机械式的，如采用的校正尺或校正凸轮等。较先进的是采用数字化技术，将误差的数学模型存人计算机。在加工时，算出将产生的综合误差，然而由误差补偿装置按算出的综合误差进行补偿。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.3 精密化精密数控车床及车削中心（源自装备制造业十二五规划）国内水平：定位精度0.015 ，重复定位精度0.0075 ，主轴径跳0.0008 。国外可以达到定位精度0.003 ，重复定位精度0.0015 ，主轴径跳0.0002 。目标：直径500 ：定位精度0.

18、003 ，重复定位精度0.0015 ，主轴径跳0.001 ；直径500 ：定位精度0.005 ，重复定位精度0.0025 ，主轴径跳0.002 。 引起误差的因素有哪些？机械制造装备的热变形、几何误差、传动误差、运动误差、定位误差和工艺系统的弹性变形等。提高精度的措施？制造装备自身的精度+误差补偿（机械式、数字化技术）1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.4 自动化l可以提高加工效率和劳动生产率，还可以提高产品质量的稳定性，改善劳动条件等。l动化有全自动和半自动之分：全自动是指能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程；半自动则上下料需人工完成。l凸轮控制是采用

19、凸轮机构控制多个部件的运动，使之互相协调地工作，改变工作循环需更换或调整凸轮。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.4 自动化l程序控制指工作程序和定位尺寸可以根据不同的加工对象选择，但不能控制运动轨迹。程序控制可分为固定程序控制和可变程序控制。l 数字控制除了可控制工作程序外，还可以控制运动轨迹，一般采用专门的数控装置。l 适应控制能按事先给定的评价指标，在加工过程中根据实际工作条件(如材料硬度的变化，刀具磨损等)自动地改变加工系统的参数(如切削用量等)，使加工过程始终按照给定的评价指标进行。适应控制分约束适应控制、最佳适应控制和学习适应控制等。1.2 1.2

20、机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.5 机电一体化l指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子等技术，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成的最佳技术系统。l机电一体化系统和产品的结构通常是机械的，用传感器检测来自外界和机器内部运行状态的信息，由计算机进行处理，经控制系统由机械、液压、气动、电气、电子及它们的混合形式的执行系统进行操作，使系统能自动适应外界环境的变化，机器始终处于正常的工作状态l系统功能强、质量好和故障率低、节能和节材、性能价格比高，具有足够的“结构柔性”的系统。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.6 节材l我国产

21、品设计水平低，选取的安全系数一般偏大，造成产品肥头大耳，造成所谓的结构性材料浪费；又由于工艺水平落后，铸造和锻造过程中金属回收率低，毛坯的加工余量大，不仅浪费了原材料，也浪费了加工工时和能源，造成所谓的工艺性材料浪费。l采用现代设计法，合理地选取安全系数，对主要零部件进行精确计算和优化，改进产品的结构，采用先进的制造装备提高材料的利用率是必要的。 传统设计理念：只有足够的刚度才能保证加工精度；造成资源“浪费”的原因何在？现有机床组成材料的80%用于“保证”机床的刚度； 而只有20%的材料用于满足机床运动学的需要。 设计本质：传统设计理念的 “刚度观” 十分局限！设计自由度仅限于（结构型式与结构

22、尺寸），使得传统设计空间过于狭窄；“刚度观”十分局限，需要大量冗余材料及冗余结构来保证整机刚度要求。整机性能的提高是用惊人的材料浪费换来的！ 传统设计理念：机床运行过程中用于切除金属的功率占到运行总功率的25%； 各种损耗和辅助功能占到运行总功率的75%。 整机运行过程中的能源耗费与环境负荷惊人！装备的“刚性”驱动功率无法适应变化的加工工艺范围； 造成能源“浪费”的原因何在？设计本质：传统设计理念的 “功率观” 十分局限！“功率观”十分局限，需要大量冗余能量的转换与传递来保证运行功能要求。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.7 符合工业工程要求l工业工程是对由人

23、、物料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行设计、改善和实施的一门学科。l其目标是设计一个生产系统及其控制方法，在保证工人和最终用户健康和安全的条件下，以最低的成本生产出符合质量要求的产品。l工业工程可以定量分析为主，研究整个大系统工作效率和成本的优化。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.7 符合工业工程要求l 产品设计符合工业工程的要求是指在产品开发阶段，充分考虑结构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳的工艺方案，选择最合理的制造设备，减少工时和材料的消耗；合理地进行机械制造装备的总体布局，优化操作步骤和方法，减少操作过程中工人的体力消耗；对市场和消

24、费者进行调研，保证产品正确的质量标准，减少因质量标准订得过高造成不必要的超额工作量。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装备的主要功能1.2.8 符合绿色工程要求l企业必须纠正不惜牺牲环境和消耗资源来增加产出的错误做法，使经济发展更少地依赖地球上的有限资源，而更多地与地球的承载能力达到有机的协调。这就是所谓的绿色工程要求。l按绿色工程要求设计的产品称绿色产品。绿色产品设计在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计要素，使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境的影响最小，资源效率最高。1.2 1.2 机械制造装备的主要功能机械制造装

25、备的主要功能1.2.8 符合绿色工程要求l绿色产品设计考虑的内容很广泛，包括产品材料的选择应是无毒、无污染、易回收、可重用、易降解的；l产品制造过程应充分考虑对环境的保护，资源回收，如废弃物的再生和处理，原材料的再循环，零部件的再利用等；产品的包装也应充分考虑选用资源丰富的包装材料，以及包装材料的回收利用及其对环境的影响等。l原材料再循环的成本一般较高，应考虑经济上、结构上和工艺上的可行性。为了零部件的再利用，应通过改变材料、结构布局和零部件的连接方式等来实现产品拆卸的方便性和经济性。 其中，假设机床的主轴功率22KW,加工时间占57%，并假设每年SUV行驶12,000英里，耗油量为20.7m

26、pg。美国麻省理工学院的Gutowski教授在2009年的一个报告中给出了一个令人震惊的结论：一台主轴功率22KW的数控机床（配置有相应的辅助装置），运行一年的所耗电能所对应的CO2排放量（按美国国家电网有关数据推算）相当于61辆SUV汽车的排放量。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备（主要指机床，也称工作母机） 包括金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。1.3.2 工艺装备 包括刀具、模具、夹具、量具、辅具等。1.3.3 储运装备 包括物料运输装置、机床上下料装置、刀具输送装置、仓储设备等1.3.4 辅助装备 包括清

27、洗机、排屑设备和测量、包装设备等。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 金属切削机床 通用的金属切削机床按其切削方式可分为车床、钻床、镗床、螺纹加工机床、铣床、刨(插)床、拉床、切断机床和其它机床等。 专用机床是为特殊的工艺目的设计和制造的加工装备，组合机床及其自动线是其中的一个大分支，包括大型组合机床及其自动线、小型组合机床及其自动线、自动换刀数控组合机床及其自动线等。 机床按其通用特征可分为高精度精密、自动、半自动、数控、仿形、自动换刀、轻型、万能和简式机床等。卧式车床立式车床转塔车床卧式车床通用性好，加工范围广，适于加工中、小型轴类、盘套类零件的内外

28、回转面、端面等；立式车床适于加工高度小于直径的大型盘套类零件；转塔车床适用于成批加工形状复杂的盘套类零件；万能外圆磨床内圆磨床平面磨床外圆磨床适用于磨削内、外圆柱面、圆锥面及阶梯轴轴肩和端平面；内圆磨床适于单件小批生产磨削淬硬零件上的孔；平面磨床卧轴(立轴)矩台(圆台)，分周磨法和端磨法 齿轮加工方法与加工机床 （一）齿轮加工方法 按轮齿成形原理分两大类： 1.成形法 加工精度和生产率较低， 适于单件小批生产。 2.展成法 加工精度和生产率较高， 一把刀可加工相同模数、相同压力角的任何齿数的齿轮。 （二）齿轮加工机床 圆柱齿轮：滚齿机、插齿机等；直齿锥齿轮刨齿机、铣齿 机、拉齿机 ；弧齿锥齿轮

29、铣齿机。剃齿机、珩齿机、磨齿机成形法认识机床-滚齿机 （一）滚齿原理模拟一对螺旋齿轮啮合过程（二）滚齿机运动分析主运动滚刀旋转运动；展成(啮合)运动齿坯与滚刀按一定速比转动；进给运动滚刀沿齿坯轴向运动。滚齿原理1床身 2立柱 3刀架溜板 4刀杆 5刀架体6支架 7心轴 8后立柱 9工作台 10床鞍认识机床-插齿机 应用：加工内齿轮、多联齿轮、扇形齿轮、齿条等。1. 插齿原理主运动：插齿刀上下往复运动，插斜齿轮时插刀主轴在螺旋导轨上运动；展成运动：插齿刀与齿坯按一定速比转动；让刀运动； 径向进给运动；认识机床-磨齿机 多用于淬硬齿轮的齿面精加工，63级精度。 磨齿机分两大类：成形法磨齿和展成法磨

30、齿展成法磨齿分：连续磨齿(砂轮为蜗杆形)分度磨齿(砂轮有碟型、大平面型、锥形，利用齿条和齿轮啮合原理)认识机床-组合机床 以系列化、标准化的通用部件为基础再配以少量的专用部件组成的专用机床。生产率及及自动化程度高，精度易保证。自动化程度高，精度易保证。缩短设计制造周期，经济效果好。能适应产品更新，快速可调、灵活装配，提高设备利用率。易于联成机床自动线。德国MAHO五轴NC加工中心铝合金整体叶轮零件认识机床-NC五轴联动加工中心1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 特种加工机床1电加工机床 直接利用电能对工件进行加工的机床，统称电加工机床，一般仅指电火花加工

31、机床、火花线切割机床和电解加工机床。 电火花加工机床是利用工具电极与工件之间产生的电火花小电弧从工件上去除微粒材料达到加工要求的机床，主要用于加工硬的导电金属，如淬火钢、硬质合金等。按工具电极的形状和电极是否旋转，电火花加工可进行成形穿孔加工、电火花成形加工、电火花雕刻、电火花展成加工、电火花磨削等。 1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 特种加工机床 电火花线切割机床是利用一根移动的金属丝作电极，在金屑丝和工件间通过脉冲电流，并浇上液体介质，使之产生放电腐蚀而进行切割加工。 电解加工机床是利用金屑在直流电流作用下，在电解液中产生阳极溶解的原理对工件进行加

32、工的方法，又称电化学加工。加工时，工件与工具分别接正负极，两者相对缓慢进给，并始终保持一定的间隙，让具有一定压力的电解液连续从间隙中流过，将工件上的被溶解物带走，使工件逐渐按工具的形状被加工成型。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 特种加工机床2超声波加工机床利用超声波能量对材料进行机械加工的设备称超声波加工机床。 加工时工具作超声振动，并以一定的静压力压在工件上，工件与工具间引入磨料悬浮液。在振动工具的作用下，磨粒对工件材料进行冲击和挤压，加上空化爆炸作用将材料切除。 超声波加工适用于特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、玻璃等的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨

33、和超声电加工等复合加工。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 特种加工机床3激光加工机床 采用激光能量进行加工的设备统称激光加工机床。激光是一种高强度、方向性好、单色性好的相干光。利用激光产生的上万度高温聚焦在工件上，使工件被照射的局部在瞬间急剧熔化和蒸发，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出来以改变工件的形状。 激光加工可以用于所有金属和非金属材料，特别适合于加工微小孔和材料切割。 常用于加工金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工及切割加工。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1

34、.3.1 加工装备: 特种加工机床4电子束加工机床 在真空条件下，由阴极发射出的电子流被带高电位的阳极吸引，在飞向阳极的过程中，经过聚焦、偏转和加速，最后以高速和细束状轰击被加工工件的一定部位，在几分之一秒内，将其百分之九十九以上的能量转化成热能，使工件上被轰击的局部材料在瞬间熔化、气化和蒸发，以完成工件的加工。电子束加工机床就是利用电子束的上述特性进行加工的装备。 常用于穿孔、切割、蚀刻、焊接、蒸镀、注入和熔炼等。此外，利用低能电子束对某些物质的化学作用，可进行镀膜和曝光，也属于电子束加工。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 特种加工机床5离子束加工机

35、床 离子束加工机床就是利用离子束的特性进行加工的装备。 在电场作用下，将正离子从离子源出口孔“引出”，在真空条件下，将其聚焦、偏转和加速，并以大能量细束状轰击被加工部位，引起工件材料的变形与分离，或使靶材离子沉积到工件表面上，或使杂质离子射人工件内。 用这种方法对工件进行穿孔、切割、铣削、成像、抛光、蚀刻、清洗、溅射、注入和蒸镀等，统称离子束加工。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 特种加工机床6水射流加工机床 水射流加工是利用具有很高速度的细水柱或掺有磨料的细水柱，冲击工件的被加工部位，使被加工部位上的材料被剥离。随着工件与水柱间的相对移动，切割出要求

36、的形状。 常用于切割某些难加工材料，如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、耐热合金、复材等。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 锻压机床 锻压机床是利用金属的塑性变形特点进行成形加工，属无屑加工设备。 锻造机是利用金属的塑性变形，使坯料在工具的冲击力或静压力作用下成形为具有一定形状和尺寸的工件，同时使其性能和金相组织符合一定的技术要求。锻造加工可分为手工锻造、自由锻造、胎模锻造、模型锻造和特种锻造等。也可分热锻、温锻和冷锻等。 冲压机是借助模具对板料施加外力，迫使材料按模具形状、尺寸进行剪裁或塑性变形，得到要求的金属板制件。根据加工时材料温

37、度的不同，可分为冷冲压和热冲压。冲压工艺省工、省料和生产率高。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.1 加工装备: 锻压机床 挤压机是借助于凸模对放在凹模内的金属坯料加力挤压，迫使金属挤满凹模和凸模合成的内腔空间，获得所需的金属制件。挤压加工更节约金属、提高生产率和制品的精度。可分为冷挤压、温热挤压和热挤压。 轧制机是使金属材料经过旋转的轧辊，在轧辊压力作用下产生塑性变形，以获得所要求的截面形状并同时改变其性能。分热轧和冷轧。按轧制方式又可分纵轧、横轧和斜轧。 纵轧用于轧制板材、型材、钢轨等；横轧用于轧制套圈类零件；斜轧主要用于轧制钢球。1.3 1.3 机械制造装备的类型

38、机械制造装备的类型1.3.2 加工装备: 刀具l 切削加工时，从工件上切除多余材料所用的工具，称之为刀具。l 刀具的种类颇多，如车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀等。l 大部分刀具已标准化，由工具制造厂大批量生产，不需自行设计。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.2 加工装备: 模具 模具是用来将材料填充在其型腔中，填充材料的不同，以获得所需形状和尺寸制件的工具。1粉末冶金模具 粉末冶金是制造机器零件的一种加工方法，将一种或多种金属或非金属粉末混合，放在粉末冶金模具内，加压成形，再烧结成制品。2塑料模具 塑料是以高分子合成树脂为主要成分，在一定条件下可塑制成一定形状

39、且在常温下保持形状不变的材料。塑制成型制件所用的模子称之为塑料模具。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.2 加工装备: 模具 压塑模具又称压胶模，是成型热固性塑料件的模具。成型前，根据压制工艺条件将模具加热到成型温度，然后将塑料粉放人型腔内预热、闭模和加压。塑料受热和加压后逐渐软化成粘流状态，在成型压力的作用下流动而充满型腔，经保压一段时间后，塑件逐渐硬化成形，然后开模和取出塑件。 挤塑模具又称挤胶模，是成型热固性塑料或封装电器元件等用的一种模具。成形及加料前先闭模，塑料先放在单独的加料室内预热成粘流状态，再在压力的作用下使融料通过模具浇注系统，高速挤入型腔，然后硬化成

40、型。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.2 加工装备: 模具 注射模具沿分型面分为定模和动模两部分。定模安装在注塑机的定模板上，动模则紧固在注射机的动模板上。工作时注射机推动模板与定模板紧密压紧，然而将料筒内已加热到熔融状态的塑料高压注入型腔，融料在模内冷却硬化到一定强度后，注射机将动模板与定模板沿分模面分开，开启模具，将塑件顶出模外，获得塑料制件。3压铸模具 熔融的金属在压铸机中以高压、高速射人压铸模具的型腔，尺寸精度高，表面光洁，主要用于制造有色金属件。1.3 1.3 机械制造装备的类型机械制造装备的类型1.3.2 加工装备: 模具4冷冲模具 压铸冷冲模具包括阴模和

41、阳模两部分。在室温下借助阳模对金属板料施加外力，迫使材料按阴模型腔的形状、尺寸进行裁剪或塑性变形。进行冷冲加工所用的钢材应是含碳量较低的高塑性钢。5锻压模具 锻压模具是锻造用模具的总称。按使用锻造设备的不同可分为锤锻模、机锻模、平锻模、辊锻模等。按使用目的不同可分为终成形模、预成形模、制坯模、冲孔模、切边模等。工艺装备模具 塑料模具 压铸模具 冲压模具 锻压模具1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型u 1.4.1 创新设计u 1.4.2 变型设计u 1.4.3 模块化设计1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型1.4.1 创新设计 创新设计通常应从市场

42、调研和预测开始，明确产品设计任务，经过产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等四个阶段； 还应通过产品试制和产品试验来验证新产品的技术可行性；通过小批试生产来验证新产品的制造工艺和工艺装备的可行性； 一般需要较长的设计开发周期，投入较大的研制开发工作量。1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型1.4.1 创新设计 1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型1.4.1 创新设计 1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型1.4.1 创新设计 1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型1.4.2 变型设计 适应型设计和变参数

43、型设计统称“变型设计”。都是在原有产品基础上，基本工作原理和总体结构保持不变. 变型设计应在原有产品的基础上，按照一定的规律演变出各种不同的规格参数、布局和附件的产品，扩大原有产品的性能和功能，形成一个产品系列。 开展变型设计的依据是原有产品，它应属于技术成熟的“基型”产品。 作为变型设计依据的原有产品，通常是采用创新设计方法完成的。1.4 1.4 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型1.4.2 模块化设计 组合设计又称模块化设计，是按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组合产品”。组合产品是系列产品的进一步细化，组合产品中的模块也应按系列化设计的原理进行。 组合设计通常是

44、MRP一驱动的，可由销售部门承担，或在销售部门中成立一个专门从事组合设计的设计组承担，有关设计资料可直接交付生产计划部门，对组成产品的各个模块安排投产，并将这些模块拼装成所需的产品。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法u 1.5.1 机械制造装备设计的典型步骤u 1.5.2 系列化设计u 1.5.3 模块化设计u 1.5.4 合理化工程1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.1 机械制造装备设计的典型步骤 (一)产品规划阶段（明确设计任务，do what?）； (二)方案设计阶段(功能原理的设计)； (三)技术设计阶段（结构原理方案、总体设计

45、、结构设计等）； (四)施工设计阶段（零件图设计、完善装配图、商品化设计、编制技术文档）辅助材料：辅助材料第二次课1.5-1.6机床设计过程.doc1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.1 机械制造装备设计的典型步骤(一)产品规划阶段 产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制订设计技术任务书。 在产品规划阶段将综合运用技术预测、市场学、信息学等理论和方法来解决设计中出现的问题。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.1 机械制造装备设计的典型步骤(二)方案设计阶段总功能是表达输入量

46、转变成输出量的能力。总功能可逐级往下分解，分解到子功能的要求比较明确，便于求解为止。分功能和多级子功能及它们之间的关系称为功能结构。便于了解产品中哪些子功能重复出现，为制订通用零部件规范提供依据。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.1 机械制造装备设计的典型步骤(二)方案设计阶段功能间结构型式：串联结构如图22a所示;并联结构如图22b所示;环形结构如图22c所示;图22e则是有选择性地进行反馈的循环结构。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法(二)方案设计阶段初步设计方案的形成(1)系统结合法：按功能结构的树状结构，根据逻辑关系把原理解结

47、合起来。(2)数学方法结合法：采用数学方法进行初步设计方案的组合。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法(三)技术设计阶段 技术设计阶段是将方案设计阶段拟定的初步设计方案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计，确定主要技术参数、布局；进行结构设计，绘制装配草图，初选主要零件的材料和工艺方案，进行各种必要的性能计算；还可以通过模型试验检验和改善设计；通过技术经济分析选择较优的设计方案。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法(四)工艺设计阶段 工艺设计阶段主要进行零件工作图设计，完善部件装配图和总装配图，进行商品化设计，编制各种技术文档等。 零件

48、图设计； 完善装配图； 商品化设计； 编制技术文档1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.2 系列化设计 (一)系列化设计的基本概念 系列化设计方法是在设计的某一类产品中，选择功能、结构和尺寸等方面较典型的产品为基型，以它为基础，设计出其它各种尺寸参数的产品，构成产品基型系列。 在产品基型系列的基础上，派生出不同用途的变型产品，构成产品派生系列。编制反映基型系列和派生系列关系的产品系列型谱。 系列化设计应遵循“产品系列化、零部件通用化、标准化”原则，结构的典型化” 即所谓的“四化”原则。 系列化设计是产品设计合理化的一条途径，是提高产品质量、降低成本、开发变型产品的

49、重要途径之一。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.2 系列化设计 (二)系列化设计的优缺点1)可以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求。2)系列产品是依据经过严格性能试验和长期生产考验的基型产品演变和派生而成的，可以大大减少设计工作量，提高设计质量，减少产品开发的风险，缩短产品的研制周期；3)产品有较高的结构相似性和零部件的通用性，可压缩工艺装备数量和种类，缩短产品的研制周期，降低生产成本；4)零备件的种类少，系列中的产品结构相似，便于进行产品的维修，改善售后服务质量；5)为开展变型设计提供技术基础。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方

50、法1.5.2 系列化设计 (二)系列化设计的优缺点系列化设计的缺点： 为以较少品种规格的产品满足市场较大范围的需求，每个品种规格的产品都具有一定的通用性，满足一定范围的使用需求，用户只能在系列型谱内有限的一些品种规格中选择所需的产品，选到的产品，一方面其性能参数和功能特性不一定最符合用户的要求，另方面有些功能还可能冗余。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.2 系列化设计 (三)系列化设计的步骤1、2、3、主参数和主要性能指标的确定参数分级制定系列型谱纵系列产品横系列产品跨系列产品abc1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.3 模块化

51、设计 (一)模块化设计的基本概念 为了开发多种不同功能结构，或相同功能结构而性能不同的产品，不必对每种产品单独进行设计，而是精心设计出一批模块，将这些模块经过不同的组合来构造具有不同功能结构和性能的多种产品。模块上具有特定的联接表面和联接方法，以保证相互组合的互换性和精确度。 模块化设计是产品设计合理化的另一条途径，是提高产品质量、降低成本、加快设计，进行组合设计重要途径。 模块化系统多数是属于模块和非模块的混合系统。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.3 模块化设计 (二)模块化设计的优缺点1) 便于用新技术设计性能更好的模块取代原有旧的模块，提高产品的性能，

52、组合出功能更完善、性能更先进的组合产品，加快产品的更新换代。2)采用模块化设计，可快速满足用户提出的特殊订货要求，大大缩短设计和供货周期。3)模块化设计方法推动了整个企业技术、生产、管理和组织体制的改革。有利于采用成组加工等先进工艺，有利于组织专业化生产，既提高质量，又降低成本。4)模块系统中大部分部件由模块组成，设备如发生故障，只需更换有关模块，维护修理更为方便，对生产影响少。1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.3 模块化设计划分模块的出发点是功能分析。分功能包括基本功能、辅助功能、特殊功能和附加功能等几类1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计

53、的方法1.5.3 模块化设计1.5 1.5 机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的方法1.5.4 合理化工程合理化工程是一种管理哲理，适用于合同型企业。目的是采用先进的信息处理技术，缩短产品的开发周期，提高产品设计质量，缩短产品的生产周期，提高产品的质量，降低产品的成本，改善售后服务。产品结构的重组是进行系列产品和组合产品的开发、产品编码和产品技术文件的系统化，从而减少零部件的类别数。产品设计开发过程的重组是将产品的设计开发过程分成全新产品设计和合同产品设计两部分。全新产品设计进行的是换代产品和创新产品的设计。合同产品设计是进行变型设计或组合设计。为了实现产品结构和产品开发过程的重组，企业必

54、须采用CADCAM和MRP一技术，并实现两者之间的信息集成。1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价 1.6.1 技术经济评价 1.6.2 可靠性评价 1.6.3 人机工程评价 1.6.4 结构工艺性评价 1.6.5 产品造型评价 1.6.6 标准化评价1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.1 技术经济评价评价内容：技术的先进性和经济的合理性树状目标系统每个树叶代表一个评价标准。1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价经济评价是理想生产成本CL与实际生产成本Cs之比,即: Ej = CL/Cs产品成本主要包括材料成本和开发制

55、造成本两大部分1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价经济性评价方法质量量算法材料成本本算法回回分析法 相似关系量算法1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.1 技术经济评价 设计方案的技术评价了Tj和经济评价Ej经常不会同时都是最优，进行技术和经济的综合评价才能最终选出最理想的方案。技术经济评价TE，有两种计算方法: 1)当Tj和Ej的值相差不太悬殊时，可用均值法计算:TEj （Tj Ej）/2 2)当Tj和Ej的值相差很悬殊时，建议用双曲线法计算:TEj （Tj Ej)1/2 技术经济评价TEj值越大，设计方案的技术经济综合性能越好，一般TE

56、j值不应小于065。1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价可靠性是指产品在规定条件和时间内完成规定功能的能力。可靠度：规定时间和条件下，完成规定任务的概率。产品可靠性指标可靠性维修性有效性耐久性安全性可靠度可靠寿命累积失效概率失效率平均寿命平均修复时间修复率维修度极限有效度平均有效度瞬时有效度1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价例1 有1000只电子管。开始工作至500小时内有100只失效；工作至1000上时时共计有500只

57、失效，求500小时和1000小时的可靠度。解 已知 N0= 1000只 r（500）= 100只 r（1000）= 500只 则： R(500) = (1000100) / 1000 = 0.9 = 90% R(1000) = (1000500) / 1000 = 0.5 = 50%00( )( ) Nr tR tN1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价(二)可靠性预测 目的是为了发现薄弱环节，提供方案比较、修改、优选和进行可靠性分配的依据，并对产品的维修费用以至全寿命运行费用作出量计。 可靠性预测包括单元可靠性预测和系统可靠性预测。 可靠性预测有许

58、多方法，随预测的目的、设计的时期、系统的规模、失效的类型及数据情况等的不同而用不同的方法，如统计分析法、失效模式及后果分析法(FMECA)、故障树分析法(FTA)、可靠性逻辑框图法及近似值法等。1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价根据单元在系统中所处的状态及其对系统的影响，系统可分为如图211所示-的几种类型。分析系统可靠性时，必须了解系统中每个单元的功能，各单元间在可靠性功能上的联系，以及这些单元功能、失效模式对系统功能的影响，这是建立可靠性逻辑框图的基础。1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价 系统可

59、靠性模型串联系统可靠度为并联系统可靠度为1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价 系统可靠性模型混联系统可靠度如何计算？1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价 系统可靠性模型表决系统组成系统的n个单元中，至少有r个单元正常工作，系统才能正常工作，大于(n-r)个单元失效，系统也就失效。这样的系统称之为r/n表决系统。1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价 系统可靠性模型复杂系统可靠性分析方法分解分析方法：选择关键单元，先分解系统，再组合计算。1.6 1.6 机械制造

60、装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性评价例题：在系统可靠性预测时，系统的单元数为4，每个单元的可靠度均为0.9，若系统只有一个单元工作，系统就算正常，则系统的可靠度为多少？若只有4个单元全部工作，系统才能正常工作，系统的可靠度为多少？1.6 1.6 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价1.6.2 可靠性分配的原则 1)对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握达到较高水平的单元，可分配较高的可靠度； 2)对较简单的单元，组成单元的零部件数量少，装配容易保证质量或故障后易于修复的单元，可分配较高的可靠度； 3)对重要的单元，该单元的失效将