第一章机械制造及装备的设计方法

1、机械制造装备设计Design of Mechanical Manufacturing Machining 长春理工大学机械工程系长春理工大学机械工程系 机械机械是机器和机构的总称。是机器和机构的总称。 机器的三大属性：机器的三大属性： 1、多种实物的组合；、多种实物的组合； 2、各实物间有确定的相对运动；、各实物间有确定的相对运动； 3、可以作有用的机械功或实现、可以作有用的机械功或实现能量的转换。能量的转换。 只具有前两个属性的叫只具有前两个属性的叫机构机构。 第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 机械制造装备及其在国民经济中的重要作用机械制造装备及其在国民经济中的重要作用n在国民经济中，机

2、械制造业机械制造业是基础产业部门，是制造业的核心。n机械制造业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。n一个国家或地区机械制造装备机械制造装备的拥有量、产量、品种和质量，是衡量该国家或地区的工业生产能力和科学技术水平的重要标志之一。n一个国家的机械工业要实现现代化，必须要有现代化的机械制造装备机械制造装备做其后盾。机械制造装备在国民经济中占有极为重要的地位，而机械制造装备技术水平的提高和发展，也必然会对国民经济的发展起着重大的推动作用。n金属切削机床金属切削机床是机械制造装备械制造装备中用以加工机器零件的主要设备。它

3、所担负的工作量，约占机器总制造工作量的404060%60%，所以，机床的技术水平将直接影响机械制造业的产品质量和劳动生产率。机械制造业的发展概况n石器时代石器时代，人类利用天然石料制作劳动工具，以采集利用自然资源采集利用自然资源作为主要生活手段。n青铜器、铁器时代青铜器、铁器时代，人们开始采矿、冶炼、铸锻工具、织布、打造工具，满足以农业为主的自然经济的需要，采取的是作坊式作坊式手工业手工业的生产方式，生产用的原动力主要是人力、局部利用水力和风力。n直到1765年年，瓦特发明蒸汽机蒸汽机，人们制成了气缸镗床气缸镗床，使蒸汽机气缸内孔达到了当时用其他金属加工机具无法达到的加工精度（约1mm），从而

4、使蒸汽机变为现实。纺织业、机器制造业才取得革命性的变化，引发了第一次工业第一次工业革命革命。近代工业化大生产开始出现。 使生产技术发生了革命性的变化，机床由此经历了三个重要的发展阶段：n第一个阶段是天轴集中传动，由蒸汽机或直流发电机电动机组集中提供能源，通过带传动和厂房中架空的天轴传动系统，将旋转运动和动力输送到每台设备，然后借助塔轮进行变速。动力源的初步解决，促使机床的加工范围由车削、钻削发展到铣削、磨削、齿轮加工等不同的工艺方法，从而使手工作坊转变为机械工厂，这种趋势一直延续到20世纪的20年代，形成了近代金属切削机床体系和机械制造工业。奔驰汽车博物馆的车间模型奔驰汽车博物馆的车间模型机械

5、制造业的发展概况n到1820年年奥斯特发现电磁效应电磁效应，安培提出电流相电流相互作用定律互作用定律，1831年年法拉弟提出电磁感应定律电磁感应定律，1864年年克斯韦尔电磁场理论电磁场理论的建立，为发电机、发电机、电动机电动机的发明奠定了科学基础，从而迎来了电气电气化时代化时代。以电作为动力源，改变了机器的结构，开拓了机电制造技术的新局面。n交流电动机的问世，使机床进入了第二个发展阶段。机床开始由一台或几台交流电动机驱动，通过齿轮变速使机床主轴和进给部件获得所需的速度和功率。直到今天为止，这类机床仍在工厂中普遍使用和继续生产。n交流电动机的应用，不仅大大提高了机床的切削功率、速度和加工效率，

6、还促进了机床机械化和自动化的迅速发展。随着电气、液压等技术的出现并在机床上得到普遍应用，出现了以加工汽车零件为代表的组合机床自动线，使大批量生产的自动化水平在20世纪60年代达到了顶峰。该阶段机床的特点：该阶段机床的特点：n机床发展成为独立的学科，对其结构配置、刚度、运动精度和动态性能都进行了深入研究，加工精度也有了明显提高。n车间工作条件有所改善，但机床使用特点仍停留在：一台机床一个操作者，使用一把刀具加工一个工件，完成一道工序。n加工复杂形状的工件仍有一定难度。机床的发展概况n第三个阶段是机床的数字控制和信息化。1954年，美国麻省理工学院研制成功第一台数控机床，将计算机技术和电子技术与机

7、械加工技术联系起来，机床的运动由机械传动和凸轮控制开始转变为伺服驱动和数字控制。采用交流或直流调速以及伺服驱动替代齿轮变速，大大简化了机床的机械传动系统。n特别是20世纪70年代，出现了加工中心，将不同的工艺方法集成到一台机床上，促使数控机床在工业中获得普遍应用，成为当前机床工业的主流产品。我国机床工业发展过程我国机床工业发展过程n我国的机床工业是在新中国成立后建立起来的。在旧中国，基本上没有机床制造工业，1949年我国机床年产量仅1500多台。解放后的50多年来，我国机床工业获得了高速发展。目前我国已形成了布局比较合理的机床工业体系。机床的产量不断上升，其产品除满足国内需求外，还有一部分远销

8、国外。我国已制定了完整的机床系列型谱，其品种也日趋齐全，现在已基本上具备了成套装备现代化工厂的能力。20世纪50年代的机床（1）铣床n 20世纪50年代的机床（2）多轴加工专用组合机床多轴加工专用组合机床我国机床工业现状n我国机床工业虽已取得了很大的成就，但与世界先进水平相比，还有较大差距。主要表现在大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差。特别是高效自动化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。n我国数控机床基本上是中等规格的车床、铣床、钻床和加工中心等，而精密、大型、重型或小型数控机床，还远远不能满足需要。至于航空、航天、冶金、汽车、造船、纺织和重型机器制

9、造等工业部门所需的多种类型的特种数控机床基本上还属空白。 n除了数控机床的品种与规格外，在技术水平和性能方面的差距也很明显。国内产品的质量与可靠性不够稳定，特别是先进数控系统的开发与研制还需作进一步的努力。机床基础理论和应用技术的研究明显落后，相关人员的技术素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。因此，我国机床工业面临着光荣而艰巨的任务，我们应正确地分析形势，全面认识我国装备制造业的发展前景，树立信心，学好专业知识，为我国装备制造业的发展和机械制造工业的崛起而贡献自己的聪明才智。90年代的数控机床汽车工业的发展n十世纪初十世纪初，内燃机内燃机的发明，使汽车汽车首先进入了欧美家庭，引发了制造业的

10、又一次革命又一次革命。这个阶段采用的是作坊式单件化生产作坊式单件化生产，主要是用机器代替人力进行生产。工厂的组织结构分散，管理层次简单。在这种生产方式下，从业者在产品设计、机械加工和装配方面都需有高度的技艺，所以又称为“技艺技艺”性生产方式性生产方式。其最大的缺点是产品价格高、生产周期长。我国机床工业现状n我国大陆的机床工业机床工业70万职工万职工，其年产值与从业人员仅1.5万人万人的台湾省不相上下，更不用说我国制造业的原材料消耗要比国外高得多。 n 奔驰n nn汽车工业的发展n从本世纪本世纪20年代年代开始，流水生产线流水生产线应运而生，创造这种生产方式的是美国人福特福特和斯隆斯隆，他们将由

11、欧洲人创造的技艺性生产技艺性生产方式改变为方式改变为大批大量生产方式大批大量生产方式，使美国很快变成世界一流的经济强国。在这种生产方式下，实行严格的劳动分工，由于机械制造装备精度的提高，工人的技术水平则不需要很高了。 n 福特n汽车工业的发展n这种生产方式大大缩短了生产周期，降低了成本，提高了产品质量，使生产力得到了巨大的发展。由于这种生产方式在当时能为社会提供许多物美价廉的产品和大量的就业机会，而被人们普遍接受，认为是制造业的最佳模式制造业的最佳模式，或传统模式传统模式。为适应这种流水线大批大量生产方式的需要，出现了通用机床加工，用工艺装备或采用机床或组合机床的模式，这种模式可实现具有固定生

12、产节拍实现具有固定生产节拍的刚性自动化的刚性自动化，但加工柔性差柔性差。汽车工业的发展n二战以后二战以后，丰田汽车公司丰田汽车公司的丰田和大野考察了福特汽车公司轿车厂，当时，该厂日产汽车7000辆，比丰田一年的产量还多。但丰田却没有照搬福特的生产模式，回到日本后他和大野进行一系列的探索和实验，根据日本国情（社会和文化背景，严格的上、下级关系，团队工作精神）建立了一整套新的生产管理体制，采用精益生产方式精益生产方式组织生产和管理，使丰田汽车的质量，产量和效益都跃上了一个新台阶，变成世界汽车之王世界汽车之王。与此同时，其他的汽车公司和别的行业也纷纷采用这种组织管理方式，使日本经济到飞速发展。丰田汽

13、车n n n 汽车工业的发展n自从20世纪世纪70年代年代以来，日本产品势不可挡地进入欧美市场。例如，美国汽车工业汽车工业1955年年的产量占世界产量的1/4了，而日本则占30%以上。1975年年美国收音机收音机在本国市场占96% ，到1995年年几乎为零几乎为零。电视机电视机是在美国诞生的，到1987年年，美国生产电电视机视机的工厂只剩1家，仅占国内市场15% 。汽车工业的发展n为了探索日本经济腾飞的奥秘，重新夺回美国制造业特别是汽车制造业的优势，1985年年美国麻省理工学院启动了具有重要意义的研究计划国国际汽车研究计划际汽车研究计划IMVP（International Moto Vehic

14、le Puoguam）。）。整个计划耗资500万美元万美元，历时5年，116名研究人员走访了世界各地的近100家汽车制造厂，获得大量的第一手资料，经分析得出结论：日本经济腾飞在很大程度上与其创造的新生产方式精益生产精益生产有关。汽车工业的发展n研究人员认为，精益生产方式不仅对制造业甚至还会对人类社会产生巨大的影响，制造业正在由大批量生产方式向精益生产方式转变，人们应该充分意识到这一点，尽快使自己适应这种转变，否则就会被淘汰。 汽车工业的发展n与精益生产相适应的机械制造装备是柔性与精益生产相适应的机械制造装备是柔性制造系统制造系统，主要开始于主要开始于70年代的数控机床年代的数控机床和流行于和流

15、行于80年代的集成制造系统，年代的集成制造系统，CAD、CAE、 CAM、 CAPP利用这些高技术的集利用这些高技术的集成来满足产品个性化和多样化的要求，以成来满足产品个性化和多样化的要求，以满足社会各种消费群体的不同要求。满足社会各种消费群体的不同要求。 汽车工业的发展n我国汽车工业我国汽车工业200万职工万职工，年产量的120万万辆辆，日本汽车工业日本汽车工业50万万从业人员，产量为1300万辆万辆，人均生产率之比约为44：1。汽车工业的发展n如上所述，我国机械制造装备的模式基本我国机械制造装备的模式基本上还属于国外工业发达国家上还属于国外工业发达国家50年代年代“传统传统产业产业”“大批

16、量生产方式大批量生产方式”的范畴。的范畴。 n n n n n n n 第二节第二节 机械制造装备应具备的主要功能机械制造装备应具备的主要功能n一一、一般的功能要求一般的功能要求n1. 加工精度方面的要求（最基本的要求）n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、形状、位置 精度及表面粗糙度等。与机械制造装备本身有 关的影响因素主要是几何精度、传动精度、运 动精度、定位精度和低速运动平稳性等。n2. 强度、刚度和抗振性方面的要求n为提高加工效率，切削用量越来越大，要求机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。应充分利用新技术、新工艺、新材料和新结构，并尽量不增加

17、或少增加零部件的重量。n3. 加工稳定性方面的要求n影响加工稳定性的主要因素是机械制造装备在加工过程中所产生的热变形。对于自动化程度较高的装备而言，该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，加强散热、隔热、均热、热补偿、控制环境温度等。n4. 耐用度方面的要求n影响耐用度的主要原因是磨损。对于精密装备而言，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、热处理及使用等多方面综合考虑。n5. 技术经济方面的要求n不应盲目地追求机械制造装备的技术先进程度，无计划地加大投资力度，而应进行详细的技术经济分析，确定机械制造装备的设计和选购方案，追求最佳的“性能价格比”。二、柔性化

18、二、柔性化n1. 产品结构柔性化n指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，在对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户需求，选择并组合这些模块，就可以构成不同功能、或功能相同但性能不同、规格不同的产品。n模块化设计广泛应用于减速机、家电、家俱及计算机等行业。n2. 产品功能柔性化n产品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都具有较高的功能柔性化。n除柔性制造系统外，专用机床或组合机床及其组成的生产线，也可设计成具有一定的柔性化，以完成一些批量较大、工艺要求较高的工件加工。

19、n三、精密化三、精密化n精密、超精密及纳米加工是现代制造业的主要发展方向之一，机械制造装备的精密化已成为发展趋势，它是机械产品在国际竞争中获胜的最关键技术之一。n精密加工技术微米级 （10.1m，Ra0.30.03m)；n超精密加工技术亚微米级 （0.10.01m，Ra0.030.005m)；n纳米加工技术纳米级 （0.001m，Ra0.005m)。n精密加工技术在仪器仪表、航空、电子、国防工业及计算机制造方面都有着广泛的应用前景。n精密技术可利用空气轴承提高主轴回转精度；n采用弹性变形、热变形和压电晶体变形等机构实现微量进给；n采用空气静压导轨或液体静压导轨提高运动部件的移动精度；n采用在线

20、检测、反馈控制及误差补偿技术等。n四、自动化四、自动化n机械制造装备实现自动化后，除能提高效率外，还可提高产品质量的稳定性，改善劳动条件等。自动化有全自动和半自动之分，前者是指能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程；而后者的上、下料则由人工完成。n实现自动化的方法从初级到高级依次为凸轮控制、程序控制、数字控制和适应控制等。n五、机电一体化五、机电一体化n机电一体化是指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电子电力等技术，按系统工程和整体优化的方法，有机地组成最佳技术系统。n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

21、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。这个系统应是功能强、质量好、节能和节材、故障率低、性价比高、并具有足够结构柔性的系统。n六、节材六、节材n应尽量避免结构性材料浪费和工艺性材料浪费。n应采取现代设计方法，合理选取安全系数，对主要零部件进行精确计算和优化，改进产品结构，提高材料的利用率。n七、符合工业工程要求七、符合工业工程要求n工业工程是对人、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。其目标是设计一个生产系统及控制方法，在保证工人和用户健康和安全的条件下，以最低的成本生

22、产出符合质量要求的产品。n八、符合绿色工程要求（清洁化生产）八、符合绿色工程要求（清洁化生产）n绿色工程保护资源，减少污染。n绿色产品应具有以下特点：在生产过程中节省资源，在使用过程中节省能源、对环境污染少，还应便于使用后的回收和再利用。n绿色产品设计时应考虑：产品材料的选择应该无毒、无污染、易回收、可重用；产品制造过程应有利于环境保护和资源回收；产品包装应选用资源丰富的材料，以及材料的回收利用及其对环境的影响等。第三节第三节 机械制造装备的分类机械制造装备的分类n一、加工装备一、加工装备n二、工艺装备二、工艺装备n三、仓储输送装备三、仓储输送装备n四、辅助装备四、辅助装备第三节第三节 机械制造装备的分类机械制造装备的分类n一、加工装备一、加工装备n（一）金属切削机床n金属切削机床是利用切削刀具与金属工件的相对运动，从工件上切去多余或预留的金属层，以获得符合规定尺寸、形状、相互位置精度和表面粗糙度要求的零件。n通用的金属切削机床按其切削方式可分为车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨（插）床、拉床、切断机床和其他机床等十一大类。n专用机床是为特殊的工艺目的设计和制