机械制造装备设计0-绪论

1、授课教师 文湘隆Tel:-mail: 授课学时：48学时 课程任务：1.了解机械制造装备的基本类型、基本功能；2.掌握金属切削机床基本知识以及机床传动系统、专用机床、专用刀具等制造装备的基本结构、基本要求、设计原理、设计方法和步骤；3.具备一定的机床、组合机床、专用刀具的总体设计能力，为后续的专业课程学习、课程设计和毕业设计打下基础。课程性质：机械制造装备设计是本专业的一门核心必修课程，是一门实践性、综合性很强的课程。课程情况总体简介 绪论 第1章金属切削机床概论 第2章金属切削机床设计 第3章典型部件设计 第4章机械加工生产线总体设计 第5章专用刀具设计 授课内容关

2、慧贞，冯辛安主编. 机械制造装备设计（第3版） . 北京:机械工业出版社. 2010 .熊良山主编.机械制造技术基础（第二版）.武汉：华中科技大学出版社.2012. 选用教材李庆余，孟广耀主编.机械制造装备设计（第3版）.北京：机械工业出版社，2013.8李庆余，岳明君主编.金属切削机床. 北京：机械工业出版社，2013.8参考资料p 机械制造过程：p 机械制造装备：加工装备、工艺装备、仓储传送装备、辅助装备u加工装备（机床，制造机器的机器，工作母机）n金属切削机床（切除余量，达到尺寸、形状、精度、表面质量） 车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、螺纹、齿轮加工等； 通用、专用、专门化；加工精度、自动化

3、程度、控制方式等分类原材料原材料热、冷加热、冷加工工装配产品装配产品总成总成产品调试产品调试检验检验包装包装发运发运第一节 机械制造装备及分类 绪论绪论u加工装备n特种加工机床 高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化的产品发展方向； 解决难题，如：大面积镜面、深孔及弯孔、难切削、微细加工等； 方法;电加工、超声、激光、电子束、离子束、水射流等； 电加工机床：利用电能对工件进行加工； 超声波加工机床； 激光加工机床； 电子束加工机床； 离子束加工机床； 水射流加工机床。n锻压机床（在锻压加工中用于成形和分离的机械设备） 锻造机、冲压机、挤压机、轧制机等。n铸造机床 离心铸造、压力铸造等。绪论

4、绪论u工艺装备n刀具 车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀、拉刀等；n模具（加工业每年的模具消耗价值是各种机床总价值的五倍） 粉末冶金模具 塑料模具 压铸模具 冷冲模具 锻压模具n夹具 通用夹具 专用夹具 成组夹具 组合夹具n量具 千分尺、百分尺、量规、量块等。绪论绪论u仓储传送装置n仓储立体仓库等；n物料传送装置用于流水线或自动线中；自动运载小车AGVn机床上下料装置u辅助装备清洗机排屑装置绪论绪论p 机械制造装备业的地位 u制造业是国民经济发展的重要支柱；u机械制造业是制造业的核心；u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。u我国机床制造业布局n东北：数控车床、加工中心、重

5、型机床和锻压设备、量具刃具；n东部：数控磨床占全国3/4，长三角是磨床、电加工机床、板材加工设备、工具和机床功能部件的主要基地；n西部：西南齿轮加工机床、小型机床、专用生产线及工具；西北齿轮磨床、数控车床和加工中心、工具和功能部件；n中部：重型机床和数控系统；n环渤海：加工中心和液压压力机；n珠三角：数控系统基地，数控车床和数控系统、功能部件等。第二节 机械制造装备业的地位及发展绪论绪论p 机械制造生产模式的演变u20世纪50年代n“刚性”生产模式，“一个工人、一把刀、一台机床”，生产率低、质量不稳定；“少品种、大批量”“规模效益”u20世纪70年代n改善生产管理，进一步提高质量，降低成本，如

6、“精益生产”等；u20世纪80年代n引进：数控机床、机器人、柔性制造，强调“柔性、自动、精密”n产品设计开始采用：CAD、CAE、CAPP，具体内容见书本 MRP(Material Requirement Planning)库存管理，ERP雏形； MRPII（Manufacturing Resource Planning)物流、资金信息集成 OPT(Optimized Production Technology）最佳生产技术，生产管理 JIT(Just In Time)准时生产方式，无库存生产（Stockless Production） ERP(Enterprise Resource Plan

7、ning）物流、人流、财流、信息流绪论绪论p 机械制造生产模式的演变（续）u2020世纪末期世纪末期n数字化设计与制造应用日趋广泛；数字化设计与制造应用日趋广泛；n数字化制造数字化制造在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术下，根据用户需求，迅速收集资源信息，对产多媒体等支撑技术下，根据用户需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，实现产品品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，实现产品设计和功能仿真，进而快速生产出满足用户性能要求的产品的整设计和功能仿真，进而快速生产出满足用户性能要求的产品

8、的整个制造过程。个制造过程。n快速响应市场成为制造业发展的主要方向；如：敏捷制造（快速响应市场成为制造业发展的主要方向；如：敏捷制造（agile Manufacturing)agile Manufacturing)、精益、精益- -敏捷敏捷- -柔性生产系统、快速可重组柔性生产系统、快速可重组制造、全球制造等。制造、全球制造等。n敏捷制造将敏捷制造将柔性生产柔性生产技术、有技术有知识的劳动力与能够促进企技术、有技术有知识的劳动力与能够促进企业内部和企业之间合作的灵活管理集中在一起业内部和企业之间合作的灵活管理集中在一起n快速可重组制造和并行工程是快速可重组制造和并行工程是2121世纪世纪先进制

9、造模式，主要特点：先进制造模式，主要特点：以用户需求为中心；制造的战略重点是时间和速度，并兼顾质量以用户需求为中心；制造的战略重点是时间和速度，并兼顾质量和品种；以柔性、精益和敏捷为竞争优势。和品种；以柔性、精益和敏捷为竞争优势。绪论绪论p 机械制造装备的发展趋势u高效、高速、高精度n普通级数控机床加工精度已由10um提高至5um，精密级加工中心从3-5um提高至1-1.5um，超精密已进入纳米级（0.01um）u多功能复合化、柔性自动化n复合加工机床、五轴加工机床（指x、y、z三个移动轴加任意两个旋转轴）、纳米加工机床、新型并联加工机床等。u绿色制造与可持续发展战略n绿色制造过程设计、绿色生

10、产与工艺、绿色切削加工、绿色供应链、机电产品噪声控制、绿色材料、绿色包装、绿色回收u智能制造与智能化装备n智能加工机床、工具和材料传送、检测和试验装备等智能化；n具有数控加工能力外，还具有感知、推理、决策、控制、通信、学习等智能功能。绪论绪论u智能制造与智能化装备（续）n日本智能机床（Intelligent Machine） 主动振动控制，将振动减至最小，因振动会影响加工精度、表面粗糙度、刀尖磨损程度和加工时间等； 智能热屏障技术，对热位移进行控制与自动补偿，因热及室温的变化将产生定位误差等； 智能安全屏障，防撞，因工人调整、测量、换刀过程可能碰撞； 语音提示系统，在工人手动操作和调整时进行智

11、能提示；n美国制造工程控制实验室（MEL）认为，智能机床应具有功能： 机床能感知自身状态和加工能力，并自我标定，预测机床在不同状态下可达加工精度，相关信息以标准协议存入数据库，以便机床内部的信息流动、更新及查询； 机床能监视和优化自身加工行为，能自校准、自诊断、自修复和自调整，发现并补偿误差，保持最佳工作状态； 可根据加工过程中获得数据，估算最终产品精度，在线质量评估； 能根据加工中及加工后数据更新机床的应用模型，具有自学习能力。直接驱动技术，具备高定位精度和重复定位精度。绪论绪论我国数控机床发展趋势（摘录于装备制造业摘录于装备制造业“十二五十二五”规划）规划）: :高速立、卧式加工中心国内目

12、前所能达到的最高水平：主轴转速15000r/min，快速进给速度40m/min，加速度0.8g。国外可以达到的水平：主轴转速30000r/min，快速进给速度100m/min，加速度2.5g。达到如下目标：数控机床工作台面宽度630mm，主轴最高转速1500030000r/min，快速进给40100m/min，加速度12.5g；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0.008mm，重复定位精度0.005mm。国外水平可以达到：定位精度0.003mm，重复定位精度0.0015mm。目标：台面宽度10

13、00mm，定位精度0.005mm，重复定位精度0.0025mm。用中国装备装备中国用中国装备装备中国绪论绪论p 一般功能要求u 加工精度（尺寸精度、表面形状精度、相互位置精度、表面粗糙度等）；影响因素有：几何精度、传动精度、运动精度、定位精度、运动平稳性等。u 强度、刚度及抗振性要求；u 加工稳定性要求（切削热、摩擦热、环境热）；减少发热量、散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。u 耐用度要求（磨损导致间隙，精度丧失），设计、工艺、材料、热处理、使用等方面考虑减少磨损、均匀磨损、磨损补偿。u 技术经济要求，成本分摊。p 柔性化u 产品结构柔性化（模块化设计，少量的结构重组和修改）u 功能柔

14、性化（少量调整或修改软件，改变功能）n 如：备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化、数控化等。p 精密化u 微米级亚微米级纳米级；装备的自身精度已无法奏效，需误差补偿；n 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建模第三节 机械制造装备应具备的要求 绪论绪论p 自动化u 凸轮控制、程序控制、数字控制、适应控制等。p 机电一体化u 充分考虑机械、液压、气动、电力电子、计算机软硬件的特点，进行合理功能搭配，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成最佳技术系统。p 节材u合理选取安全系数，零部件精确计算和优化等。p 符合工业工程的要求u 开发阶段：充分考虑结

15、构的工艺性，提高标准化、通用化程度，以便采用最佳工艺方案，选择合理制造设备，减少工时与材料消耗；u 合理进行装备总体布局，优化操作步骤和方法（对作业程序进行分析，取消不必要操作，合并和简化重复和繁琐的工作，合理分配两手的工作负荷，缩短操作路线和操作时间等，减少操作过程中工人的疲劳程度）；u 对市场和消费者进行调研，保证产品合理的质量标准。p 符合绿色工程要求（考虑全生命周期）第三节 机械制造装备应具备的要求（续） 绪论绪论u创新设计 创新设计必须有创造性思维（直觉思维和逻辑思维）n 技术发展到今天，单纯直觉思维很难，须站在巨人肩膀，集成创新是主要形式。n 从市场调研和预测开始，明确产品的创新设

16、计任务，经过产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计等四个阶段，还应试制试验验证产品技术可行性，小批量验证制造工艺及装备。u变型设计n 在原有“成熟”产品基础上，按照一定规律演变出各种不同规格的参数、布局和附件的产品，扩大原有产品的性能和功能，形成产品系列。u模块化设计n 按照设计要求，选择适当的功能模块，形成“组合产品”“集成设计”；n 模块化设计有时是制造资源规划（MRPii)驱动的；n 机械制造装备产品中一大半属于变型产品和组合产品，创新产品占比小，但很重要。第四节 机械制造装备的设计绪论绪论常见金属切削机床常见金属切削机床p 车床u用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。还可用钻头、扩孔钻

17、、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行加工。p 铣床u用铣刀在工件上加工各种表面的机床。通常铣刀旋转运动为主运动，工件、铣刀的移动为进给运动。它可以加工平面、沟槽，也可以加工各种曲面、齿轮等。p 刨床u用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的直线运动机床。在大批量生产中往往被铣床所代替。p 镗床u用镗刀对工件已有的预制孔进行镗削的机床。通常，镗刀旋转为主运动，镗刀或工件的移动为进给运动。主要用于加工高精度孔或一次定位完成多个孔的精加工，还可进行钻削、铣削。电加工机床电加工机床p 电火花加工u利用工具电极与工件之间的脉冲放电现象去除微粒，加工硬的导电金属；u包括：穿孔加工、成形、雕刻、展成、磨削

18、等；p 电火花线切割u一根移动的金属丝做电极，金属丝与工件间脉冲放电， 浇液体介质，产生放电腐蚀进行切割加工；p 电解加工u金属在直流电流下，在电解液中产生阳极溶解进行加工，电化学加工；u工件与工具分接正负极，缓慢进给，间隙中流过一定压力的电解液；超声波加工机床超声波加工机床p 超声波加工（主要用于特硬材料，如陶瓷、水晶、石英、玻璃等）u 工具做超声振动，以一定静压力压工件，工件与工具间引入磨料悬浮液，振动工具作用下，磨粒对工件材料冲击挤压，加上空化爆炸作用切除材料。u 铣、镗、磨的刀具头上镶有工业钻石，钻石刀具以额定频率为20kHz即每秒 20000次的脉动方式伸缩，在伸出或振幅的最高点，附

19、在刀具上的多个钻石核与工件的表面碰撞，于是材料就变成极小的颗粒。u 超声波塑料焊接：上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。激光加工机床激光加工机床p 激光加工机床u激光的极高能量密度产生上万摄氏度高温聚焦于工件，瞬间急剧融化和蒸发，并产生强烈冲击波，融化的物质爆炸式喷射出来。u可以加工任何材料、可用于精密微细加工；u特别适合加工微小孔（0.01-0.1）和材料切割（0.1-0.5mm）；电子束加工机床电子束加工机床p 利用电能将阴极（钨丝）加热到 2700C,电子束可进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼等。p 电子束流可取成几微米甚至几分之一微米

20、的小斑点，最小孔径可达0.001-0.003mm，尺寸精度可达0.01- 0.0001um ，能加工微孔，窄缝，,不锈钢、耐热钢、宝石、半导体，半导体集成电路等。 p 电子束加工是一种非接触式加工，加工过程中工件不受机械力作用，因此，不产生宏观应力和变形，而且加工过程中不存在工具损耗问题。 p 可以通过磁场和电场对电子束的强度、位置、聚集等进行直接控制，整个加工过程容易实现自动化。 p 电子束流可以分割成多条细束，实现多束同时加工，生产率高。 p 电子束加工是在真空中进行的，因而产生污染少，加工表面在高温时也不易氧化，特别适于加工易氧化材料及纯度要求较高的半导体材料。 离子束加工机床离子束加工

21、机床p 在真空条件下，把氩Ar、氪Kr、氙Xe等惰性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚集，投射到工件加工部位，实现去除加工p 离子束可以通过光学系统进行聚集扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制 p 离子束加工是在高真空中进行，所以污染少；p 离子束加工设备费用贵，成本高，加工效率低，因此应用范围受限，。p 离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。p 离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等水射流

22、加工机床水射流加工机床p 采用水流等液力作为刀具 Water Jet Water Jet CutingCuting简称简称 WJCWJC，俗称水刀p 水切割是一种冷切割，因此无热变形或汽化物 p 切缝小，可节约材料，降低加工成本 p 数控加工，能任意位置开始或停止切割，适于复杂及精密零件的切割 p “切屑”混入液体中，故不存在灰尘，不会有爆炸或火灾的危险，液体经过很好的过滤，与“切屑”分离后又能重复使用。p 应用的部门有航天航空工业，用于切割钛合金，铝合金，不锈钢，碳纤维，航空玻璃以及复合材料，热敏性强的材料等锻压机床锻压机床刀具刀具夹具夹具p 机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作

23、用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并可靠夹紧工件。量具量具p 常用量具n 游标卡尺n千分尺（螺旋测微仪）n百分表n塞尺n千分表n平板（工件检测或划线的平面基准器具）三轴至五轴三轴至五轴五轴：3个线性（linear axis）2个旋转轴（rotary axis）定位五轴：刀轴矢量可改变，但固定后沿着整个切削路径过程不变，控制路径轴 X、Y、Z 参与旋转轴A(B)、C五轴联动：整个切削路径过程刀轴矢量可根据要求而改变，控制路径轴 X、Y、Z 控制旋转轴A(B)、C三轴加工：刀轴矢量沿着整个切削路径过程始终不变，控制路径轴 X、Y、Z五轴加工机床五轴加工机床p 立式五轴加工中心

24、的回转轴有三种方式：u刀轴方向不动，两个旋转轴均在工作台上（工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度）；工件加工时随工作台旋转，须考虑装夹承重，能加工的工件尺寸比较小。主轴刚性非常好，制造成本比较低（1,2）u工作台不动，两个旋转轴均在主轴上。机床能加工的工件尺寸比较大。（3,4）u两个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件；主轴摆动，改变刀轴方向灵活（5）机械制造装备业的战

25、略地位机械制造装备业的战略地位 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 兵器工业需要各种规格数控机床，其中特殊合金钢材料的加工，需要大扭矩、高刚度、大功率、高效率的数控机床。国际军事竞争的战略物资机械制造装备业的战略地位机械制造装备业的战略地位 现代飞机大量的复杂曲面铝合金零件是采用整体构件“镂空” 加工的方式，其材料去除率80%以上，需要多轴联动、高速、高效的龙门加工