机械行业制造技术概论

第1章概述本章要点理解大、小制造概念及制造技术的概念了解制造系统特性，树立系统观念了解先进制造哲理和生产模式掌握成组技术基本原理应用便于加工和制造的设计原则理解机械制造方法1机械制造技术基础第1章

概述

Introduction1.1

制造与制造系统ManufacturingandManufacturingSystem2输入输出+-生产过程效益生产定义从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财富并创造效益的输入输出系统

生产财富有形（产品）无形（服务）生产过程：生产率=输出/输入生产要素生产对象（原材料）生产资料（直接、间接）能源劳动力信息（知识、技能、情报…）资金1.1.1生产与制造3

狭义理解：生产过程从原材料→成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。

广义理解：制造=生产

美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。

CIRP定义：制造包括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。1.1.1生产与制造制造制造业4CIRP

国际生产工程科学院（CIRP，TheInternationalAcademyforProductionEngineering),(CIRP是法语的缩写CollègeInternationalpourlaRechercheenProductique),）成立于1951年，原名为国际生产工程研究会（InternationalInstitutionforProductionEngineeringResearch），于2006年改名为国际生产工程科学院。CIRP是世界顶尖的产品工程研究的国际性组织，致力于流程、机械和系统的设计、优化、控制和管理方面的研究。CIRP是机械工程领域学术地位最高的国际学术组织，总部设在法国巴黎。该组织现有来自四十多个国家的145名院士。我国现有CIRP院士5人，即哈尔滨工业大学的袁哲俊教授、天津大学的张国雄教授、南京航空航天大学的朱剑英和朱荻教授、天津大学黄田教授。返回5第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输

表1-1第一、二、三产业的划分（美国）1.1.1生产与制造61.1.1生产与制造我国产业划分第一产业第二产业第三产业农林牧副渔工业建筑业采掘业电力…制造业金融保险交通…7制造系统结构图1-2制造系统功能结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储…）质量控制1.1.2制造系统8制造系统特性软件硬件图1-3制造系统结构特性

结构特性制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件支持。1.1.2制造系统生产信息、制造技术9

转变特性从技术角度出发，制造是通过加工和装配把原材料变为产品的过程。1.1.2制造系统制造过程原材料机器工具能源产品劳动力信息废料制造过程原材料最终产品中心产品增值从经济观点出发，制造过程的转变可以理解为通过改变物质形态或性质而是其不断增值的过程。10压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配车身安装最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理图1-5汽车生产物流示意图1.1.2制造系统11需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段图1-6制造系统的程序特性程序特性

程序——一系列按时间和逻辑安排的步骤

制造系统可视为生产有形产品的工作程序（图1-6）研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。1.1.2制造系统12制造系统的物质流与信息流误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流制造系统的五种流1.1.2制造系统13制造技术在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法……

手段包括与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息处理系统。1.1.3制造技术14

在商品经济高度发展的今天，科学与技术的界限开始变得模糊，纯粹的科学研究不断萎缩,原因是得不到足够的经费支持，许多科学研究从一开始就有明确的应用前景（例如:超导技术、克隆技术等）。科学与技术

科学——认识世界，基本方法是“分析”，基本形式为“发现、揭示”。

技术——改造世界，基本方法是“综合”，基本形式为“发明、创造、改进”。1.1.2制造技术15

亚里士多德、欧几里得、阿基米德《周易》东方文化的起点唐代：文学艺术；宋代：科技、四大发明欧洲文艺复兴运动，从意大利开始，资本主义萌芽1158年波伦亚大学（哥白尼）、帕多瓦大学（伽利略）大约70年（1540-1610）1.从古希腊、中国到以意大利为中心的欧洲近代科学技术中心的转移16

1662年皇家学会会长：牛顿干事：胡克波义耳…产业革命蒸汽时代，纺织机械技术(专业化，大机器生产)…大约70年（1660-1730）2.从意大利到英国

1789年资产阶级革命1799年拿破仑统治，创办工程学院，库伦、安培、卡诺、毕奥、萨伐尔、拉格朗日、拉普拉斯等大约60年（1770-1830）3.从英国到法国近代科学技术中心的转移17

开普勒的理论基础，煤矿发达的经济基础德国教育部长实行“教学和研究相结合”原则柏林大学普朗克量子论、爱因斯坦相对论、雅可比、高斯、欧姆…德国的煤和煤化学工业、钢铁工业、化学工业，特别是有机合成工业在世界上遥遥领先。

1920年希特勒上台告终，大约110年（1810-1920）4.从法国到德国

欧洲移民，二战科学家到美国（装夹突击队）俄国人罗森克发明显像管电视美国60年代普及彩电爱迪生1382项发明电讯时代利用大学搞基础科学教育，科学教育与研究生教育结合5.从德国到美国近代科学技术中心的转移18

索尼、松下等发展：小厂到跨国集团搞情报、搞科研、搞技术占领市场20世纪29项重大发明，19项是美国搞的，但大批产品是日本生产出来的美国进口人才、苏联进口设备、日本进口技术6.从美国到日本7.向亚洲转移抓住机遇，实现中华民族的伟大复兴近代科学技术中心的转移19机械制造技术基础第1章

概述

Introduction1.2制造业的发展及其在国民经济中的地位DevelopmentofManufacturingIndustryandit’sPositioninNationalEconomy201.2.1制造业的发展

17世纪60年代，瓦特改进蒸汽机，标志第一次工业革命兴起，工业化大生产从此开始18世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始20世纪初，福特汽车生产线，泰勒科学管理方法，标志自动化时代到来（以大量生产为特征—MassProduction）二战后，计算机、微电子技术，信息技术及软科学的发展，以及市场竞争的加剧和市场需求多样性的趋势，使中小批量生产自动化成为可能，并产生了综合自动化和许多新的制造哲理与生产模式。进入21世纪，制造技术向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化和清洁化的方向发展。211.2.2制造业在国民经济中的地位

制造业是国民经济的支柱产业，在先进工业化国家中，国民经济总收入的60%以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。日本由于重视制造业，二次大战后30年时间，发展成为世界经济大国。机械制造业是制造业的基础,是重中之重。与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。直至上世纪80年代初，美国才开始清醒，重新关注制造业的发展，至1994年美国汽车产量重新超过日本。221.2.2制造业在国民经济中的地位

纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备制造业当今制造业的社会功能◆

图1-7显示了当今制造业的社会功能。返回231.2.2制造业在国民经济中的地位

1963年1983年美日两国汽车产量在世界市场所占份额30%40%4%65%241.2.2制造业在国民经济中的地位

图1-10

多轴数控机床改进核潜艇性能经济领域：产品竞争力军事领域：东芝事件1980年东芝公司和康士堡公司同意向苏联提供四台MBP—11OS型九轴数控大型船用螺旋桨铣床，此项合同成交额达37亿日元。这种高约10米、宽22米、重250吨的铣床，可以精确地加工出巨大的螺旋桨，使潜艇推进器发出的噪音大大降低。251.2.3我国机械制造业面临的机遇和挑战我国机械制造业与世界发达国家的差距

困难：技术上落后，资源短缺，管理体制、周边环境还存在诸多问题（行业垄断，信用危机…）

机遇：中国加入WTO已过10来年；制造业的世界格局已经和正在发生重大变化，制造业的产品结构、生产模式也在迅速变革之中挑战与机遇并存。

机遇与挑战发展迅速，成绩瞩目存在阶段性的差距:产品质量和水平不高，技术开发能力不强，基础元器件和基础工艺不过关，生产率低下，科技投入严重不足…

处于产业链低端，受人盘剥（中国汽车产量世界之首，但自主品牌寥寥无几）神九261.2.3我国机械制造业面临的机遇和挑战返回27机械制造技术基础第1章

概述

Introduction1.3先进制造哲理与先进生产模式AdvancedManufacturingPhilosophyandProductionModel

28大批量生产方式的产生

“技艺”型生产时代——工业革命开始至20世纪初，机器代替人力成为生产主要方式，但仍以作坊式的单件生产为主，由于机器精度不高，产品质量主要靠从业人员的技艺来保证大批量生产方式（MassProduction）——20世纪初，福特汽车公司在底特律建立了世界上第一条自动生产线，标志大批量生产时代的开始技艺不再重要——由于机器精度的提高，加上互换性原理的推行，加工和装配工作变得简单大批量生产方式特点——生产周期短，生产效率高，生产成本低，产品质量好1.3.1批量法则（BatchRule）

291.3.1批量法则（BatchRule）

批量法则当市场竞争以产品质量和生产成本为决定因素时，大批量生产方式显示了巨大的优越性。与中小批量生产相比，大批量生产可取得明显的经济效果，这就是所谓的“批量法则”（BatchRule）。

批量法则以成本分析为基础。产品在其全生命周期内的总生产成本可近似表达为：式中CA——产品全生命周期总生产成本；

CF——固定成本；

CV——生产单位产品可变成本；

Q——生产产品总数量；

k——大于1的指数。

（1-1）30单件产品平均生产成本CS为：

（1-2）对式（1-2）求导，并令其导数为0，可得到最低单件成本对应的产量Q0：（1-3）Q0称为最优生产规模。这一现象首先在汽车工业生产中被发现。1.3.1批量法则（BatchRule）

311.3.1批量法则（BatchRule）

生产量Q生产成本Q0图1-8生产成本与生产量的关系CACSCFCA——产品全生命周期总生产成本；CF——固定成本；Cs——单位生产成本；Q——生产产品总数量.32专业化协作与扩散生产

根据批量法则，为了取得良好的经济效益，除合理地扩大产品的产量外，组织专业化协作生产是一种行之有效的方法。专业化协作生产形式基础零部件专业化生产毛坯专业化生产中小零件专业化生产工艺专业化协作生活服务社会化1.3.1批量法则（BatchRule）

331.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

批量法则在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。机床利用率例：CA6140车床，最大加工直径φ400，实际加工90％以上工件直径不足100mm，机床利用率极低。制造周期在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5％，其余95％均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足30%。多品种、中小批量生产中存在的问题341.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◆目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的70％以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小批量生产的有效途径是采用GT。5％

95％调整、装夹、对刀、检测等切削30％

70％加工时间

运输与等待时间制造周期加工时间图1-9多品种、中小批量生产的时间分配35GT的客观基础二次相似性结构（形状、尺寸、精度…）材料（材质、毛坯、热处理…）工艺（加工方法、加工设备…）一次相似性机械零件之间存在相似性这种相似性主要表现在三个方面：1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

机械产品中各类零件出现有明显的规律性（图1-11）正是由于70%左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的客观基础。361.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

结构相似零件组工艺相似零件组返回371.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

标准件复杂件相似件20～25%70%5～10%零件复杂程度零件出现频数图1-11机械产品中不同复杂程度零件分布规律返回38GT定义一般性定义：GT是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最佳效果。机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化。GT被认为是一种“制造哲理”—（ManufacturingPhilosophy），是现代制造技术的一个重要理论基础。1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

391.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

图1-10成组技术基本原理产品部件零件零件组ABCA1A2A3B1B2C1C2C3C4将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量重复使用原则：◆资源重复使用，降低生产成本；

◆作业熟练程度增加，提高生产率。GT工作原理401.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

GT发展简况★

20世纪50年代，前苏联院士Митрофанов

(米特洛万诺夫)在其著作“成组工艺科学原理”中首次提出“成组技术”。★

20世纪60年代西欧研究GT形成高潮，代表人物首推阿亨工业大学Opitz（奥匹兹）教授，他所领导的小组进行了大量的调查研究工作，为成组技术提供了重要的理论依据。★

20世纪70年代，美国、日本接受成组技术，并迅速与计算机技术联系在一起，使其得到更好的应用。★

20世纪80、90年代，GT与各种新的制造方式相结合，成为现代制造技术的基础。★

GT发展过程：成组加工→成组工艺→成组技术→成组生产系统411.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

我国GT发展简况★20世纪50末、60初学习苏联，首先在纺织机械行业试点实行，有清华大学、西安交大等高校参与。★20世纪60年代中期以后，由于文化大革命，国民经济陷入混乱状态，GT无从谈起。★20世纪70末、80初，文革以后，自上而下推行，机械部推出4个试点单位，并组织制定了两个编码系统（JCBM-1，JLBM-1），对GT发展起到了推动作用。★20世纪80年代中期后，计划经济向市场经济转轨，采用GT成为企业自发的行为。421.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

我国GT发展简况★建立零件分类编码系统★划分零件组★成组工艺过程设计★建立成组生产单元★成组技术在设计、制造工艺及生产管理中的应用431.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

零件分类编码系统基本概念——零件分类编码系统是用字符（数字、字母或符号）对零件有关特征进行描述和识别的一套特定的规则和依据。★

Opitz分类编码系统（图a，b，c）★

JLBM-1分类编码系统（图1-12）分类编码系统简介特点：1）结构简单，使用方便2）对零件形状（特别是回转类零件）描述较完善3）适用范围较广（设计、工艺、管理…）4）工艺信息反映不够充分5）对非回转类零件描述较粗糙44图aOpitz分类编码系统0123456789RotationalNonrotationalDigit1PartclassL/D≤0.5MainshapeExternalshapeelementMainshapeRotationalmachiningAccuracy0.5<L/D<3L/D≥3WithdeviationL/D≤2WithdeviationL/D>2SpecialL/W≤3L/H≥4L/W>3L/W≤3L/H<4SpecialMainshapeMainshapeMainshapeOriginalofrawmaterialsmaterialDimensions6789InternalshapeelementMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesandteethMachiningofplanesurfacesOtherholesteeth&formingRotationalmachiningMainboreRotationalmachiningPlanesurfacemachiningAdditionalholesteeth&formingDigit2Digit3Digit4Digit5FormcodeSupplementarycodeDigit1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

45Digit1Digit2Digit3Digit4Digit5NonrotationalPartclass0123456789RotationalL/D≤0.50.5<L/D<3L/D≥3Smooth,noshapeelements0123456789ThreadExternalshape,ExternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedtobothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersSteppedoneendSteppedoneendSmooth,noshapeelements0123456789ThreadInternalshape,InternalshapeelementsnoshapeelementsOrsmoothFunctionalgrooveSteppedbothendnoshapeelementsThreadFunctionalgrooveFunctionalconeOperatingthreadAllothersPlanesurfacemachining0123456789Surfaceplaneand/orcurvedinonedirection,externalNosurfacemachiningExternalplanesurfacerelatedbygraduationaroundcircleExternalgrooveand/orslotExternalspline(polygon)Externalplanesurfaceand/orslot,externalsplineInternalplanesurfaceand/orslotInternalspline(polygon)Internal/externalpolygon,grooveand/orslotAllothersAuxiliaryholesandgearteethNoauxiliaryholeAxial,notonpitchcirclediameter0123567894Axial,onpitchcirclediameterNogearteethWithgearteethRadial,notonpitchcirclediameterAxial/radial,and/orotherdirectionAxial/radial,onPCDand/orotherdirectionAllothersSpurgearteethBevelgearteethOthergearteeth图bOpitz分类编码系统回转体零件形状码1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

46图cOpitz分类编码系统辅助码（6～9位）Steel,Heattreatment0123456789012345678901234567890123456789Diameter(Length)MaterialAccuracyOriginalshapeofrawmaterial≤2020～5050～100100～160160～250250～400400～600600～10001000～2000＞2000NodularironAlloysteel(Heattreatment)NonferrousmetalLightalloyAllothersCastironPipeMachinedworkpieceCastingandforgingsL,U,Tetc.sectionsteelBar(heatrolling)Bar(coldrollingordrawing)△,□,etc.barSheetStickplateWeldmentUndefined23452+32+42+53+42+3+4+5Digit6Digit8Digit9Digit7AlloysteelSteelSteel1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

47名称类别粗分类0123456789回转类零件非回转类零件轮盘类环套类销杆轴齿轮类异形件专用件杆条类板块类座架类箱体类名称类别细分类0123456789盘盖防护盖法兰盘带轮手轮离合器分度盘滚轮活塞其它回转类零件的形状及加工码外部形状加工基本形状功能要素内部形状加工基本形状功能要素平面曲面加工外平面内平面辅助孔成形刻线辅助码材料毛坯原始形状热处理主要尺寸精度直径或宽度长度非回转类零件形状及加工码图1-12JLBM-1分类编码系统1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

481.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

001021103050736491.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

682300105053533501.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

1）综合零件法——

★

综合零件包含了零件组内所有零件的结构要素，它可以是一个实际零件，但更多情况是一个假想零件。

★

按综合零件编制工艺规程，则该工艺规程包含了零件组内所有零件的工艺内容。★

综合零件法多用于回转体零件的成组工艺过程设计。成组工艺过程设计

2）综合路线法——

★将零件组内所有零件的工艺内容综合在一起，形成成组工艺。

★多用于非回转体零件的成组工艺过程设计。511.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

综合零件图1-23综合零件实际零件【例】521.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

特征矩阵综合零件成组工艺过程卡车间零件组代号页工序号工序名称及内容机床适用零件车右端面,打中心孔,车外圆(留磨量)车螺纹,倒角,切槽,切断1C6132ABCDE2车左端面,打中心孔,倒角铣键槽（铣横槽,铣扁）3C6132X51W4调质5研中心孔C61326磨外圆M121∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨∨1234567890123456789531）加工单元组织形式①成组单机②成组单元③成组流水线④成组柔性制造系统图1-14成组单元布置形式加工单元设计a）机群式布局GGGDDMM进出料口LLLLLLAAMMb）成组单元布局LLLMMDDGGA出料口进料口1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

541.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

图1-25FMS自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机信息传输网络加工单元1加工单元2加工单元n运输小车工夹具站2）确定机床数量式中[Qj]——计算的机床台数

Ni

——第i种零件年需求量

tij

——第i种零件在第j种机床上的单件工时

F

——机床年台时基数（4-4）（4-4a）F=250×M×8×K式中M——班次

K

——开机系数，常取0.9～0.95◆计算机床台数：1.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

561.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◆一般要求：η≥0.85关键、稀少设备允许η=1.1～1.2简单设备η值可适当减小◆负荷调整与平衡：①负荷过低，可几个单元共用一台机床②也可扩大单元内零件组数或组内零件数◆机床负荷率：（4-6）◆实际机床台数：Qj≥[Qj]（4-5）571.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

成组技术在设计中的应用利用零件编码，检索相似零件，减小重复设计工作量（据统计，一项新产品中有70%以上的零件设计可以借鉴或直接引用原有的设计）。同样利用产品和部件的继承性，对产品及部件进行编码，通过检索、调出和利用已有相类似设计，可显著减少新设计的工作量（参数化设计技术的发展使这一效果更加显著）。◎

零件标准化内容零件名称标准化零件结构标准化零件标准化提高设计标准化程度设计标准化是工艺标准化的前提。581.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◎

零件结构标准化等级与标准化要素之间的关系：标准化等级简单标准化基本标准化主要标准化完全标准化标准化要素功能要素基本形状功能要素配置主要尺寸◎设计标准化与工艺标准化的关系：基本形状标准化主要工艺过程（工艺路线）标准化功能要素标准化工序、工步标准化功能要素配置标准化次要工序及工艺顺序标准化主要尺寸标准化工艺装备标准化设计标准化工艺标准化591.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

腹板式圆柱齿轮（主要标准化）601.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

成组加工：将某一工序中加工方法、安装方法和机床调整相近的零件，放在一起加工，可减少机床调整工作量和提高加工效率。成组工艺：将一组加工工艺过程相似的零件，放在一起形成零件组，制定统一的加工工艺过程，实施成组工艺，可以人为地扩大生产批量，应用先进、高效生产设备和生产工艺，使多品种、中小批量生产可以取得接近大批量生产的经济效果。成组工艺装备：指经少许调整或补充，就能满足零件组内所有零件加工的各种刀具、夹具、模具、量具和工位器具的总称。可较好解决工艺装备设计与制造周期长、成本高、使用效率低等问题。成组技术在加工工艺方面的应用611.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

621.3.2成组技术（GroupTechnology—GT）

◆成组生产单元是一种先进的生产组织形式，在成组生产单元内，零件加工过程被封闭起来，责、权、利集中在一起，生产人员不仅负责加工，而且共同参与生产管理与生产决策活动，使其积极性能够得到充分发挥。

◆按成组工艺进行加工，可使零件加工流向相同，这不仅有利于减少工件运动距离，在安排作业计划时，也有规则可循。成组技术在生产管理中的应用◆要求按工艺相似零件组（而非按产品）安排生产计划，需要打破旧的生产计划方式，而代之以按零件组安排生产进度计划。除了要转变传统观念以外，采用计算机辅助生产管理方法也是必要的。

63641.3.3计算机集成制造（CIM）

CIM提出CIM一词首先由Dr.J.Harrington于1973年提出，其两个基本观点：CIM概念提出后，未被立即接受，因条件不成熟。直至20世纪80年代初，各项单元技术（CAD、CNC、CAPP、MIS、FMC、FMS…）得到充分发展，并形成一个个自动化“孤岛”。在这种形势下，为取得更大的经济效果，需要将这些“孤岛”集成起来，CIM概念受到重视并被实施。2）整个生产过程可以视为一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终产品可视为数据的物化表现。1）企业生产活动的各个环节，从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务是一个统一的不可分割的整体。651.3.3计算机集成制造（CIM）

20世纪80年代中、后期，CIM逐渐开始实施，并显示出明显的效益——提高企业的生产率和市场竞争能力。以往，竞争力主要取决于生产率，现今更重要的是对市场的响应能力。信息时代的到来,使世界正在“变小”。世界大市场的发展，使竞争更加激烈，这一方面极大地促进了社会的发展，另一方面也给企业造成了严酷的“生存环境”。企业为求得生存和发展，必须在

TQCSE五要素上下工夫。T（Time）——时间，加速新产品研制周期，缩短交货期Q（Quality）——质量C（Cost）——成本S（Service）——服务E（Environment）——环保为实现这一目标，CIM是一种强有力的形式。661.3.3计算机集成制造（CIM）

CIM定义CIM是将人及其经营知识和能力与信息技术和制造技术综合应用，以提高制造型企业的生产率和响应能力。企业所有人员、功能、信息、组织管理等方面都是集成起来的整体的各个部分。欧共体CIM-OSA（开放体系结构）课题委员会：◆

CIM是一种哲理、思想、方法；◆CIMS是CIM哲理的具体体现；◆CIMS是一个计算机控制的闭环反馈系统，其输入是产品的需求和概念，输出的是合格的产品。CIM与CIMS671.3.3计算机集成制造（CIM）

讨论◆

整体优化是CIM的目标（相对于自动化孤岛）。◆

CIM

的核心是集成，而集成的本质是信息集成。◆

3M（人、机器、管理）集成，其中人是核心。普渡大学T.J.Willian教授提出CIMS参考模型的两个概念：

★

Automability（可自动化性）——指生产活动中可用数学形式或计算机程序描述的部分，生产活动中的这一部分内容可用计算机来进行处理。

★

Innovation（创新）——生产活动中无法用数学形式或计算机程序描述的部分，这一部分内容仍需人来完成。他认为工业革命使人变成了机器的奴隶，新技术革命则要“恢复人格”（Humanlization）。Real681.3.3计算机集成制造（CIM）

◆

SME的“制造企业轮图”也强调以人为本。

资源人材料设备信息技术供应商责任规章道德环境社团雇员投资者顾客人小组组织共享知识系统制造用户服务材料管理装配检验作业计划资源计划用户知识产品/工艺生命周期变化全球组织分销促销产品定义系统设计零部件设计不断改进文档发布零部件制造资源Smallandmediumenterprises中小型企业691.3.3计算机集成制造（CIM）

◆

CIM往往和人们经常提到的“三无工厂”（无图纸、无库存、无人化),“3J”（Justintime，Justincase，Justinsupply）等概念相联系。◆

搞CIM是非常复杂的事情，是一项高投入、高风险项目，必须审慎行事（20世纪80年代只有少数公司获得成功）。无图纸生产实例—波音777客机◆CIMS的实现程度受企业经营环境的制约，与企业的技术水平、投资能力、经营战略等相联系，决定了CIMS是一个多层次、多模式、动态发展、逐渐向理想状态趋近的系统。◆

限定“制造型企业”。

70NetworkDB市场信息生产过程信息技术信息原材料，能源产品MIS，BM，PMMM，LM，FM…EISCADCAECAPPNCPCATD∶QISCAICATCAQCCMM∶MASCNC,MC,FMC,FMS,ROBOT,AA…图1-18CIMS功能模型CIMS的体系结构指以信息的观点建立的企业模型框架（或功能模型）。CIMS功能模型通常由5个分系统组成。1.3.3计算机集成制造（CIM）

工程技术信息分系统管理信息分系统质量信息分系统制造自动化分系统计算机网络与数据库分系统711.3.3计算机集成制造（CIM）

CIMS发展简况（国外）欧共体——1984年开始实施ESPRIT（欧洲信息技术研究战略计划），在130个合作项目中，关于CIM项目占28项日本——CNC、DNC、FMS已处于世界领先地位，1985年通产省主持开发“筑波综合实验工厂”，相当于CIMS实验基地。美国——不仅企业重视，国家也极为重视，认为CIM是夺回失去市场、取得竞争成功的关键技术，并将不可逆转地成为21世纪占主导地位的新的生产方式。20世纪80年代初，美国国家标准局（NBA）所属AMRF（自动化研究实验基地）建立了世界上第一个CIMS实验系统（见图1-29）

新加坡、以色列、韩国、巴西、南非等——也在积极跟踪和发展CIM技术。721.3.3计算机集成制造（CIM）

主控制室辅助控制室运输小车入口出口货架车削MC立式MC卧式MC清洗机CMM图1-29AMRF的CIMS实验系统（FMS部分）731.3.3计算机集成制造（CIM）

CIMS发展简况（国内）◆

863计划

◎目标：跟踪世界高技术最新发展

◎自动化领域两个主题：1）CIM；2）工业机器人

◎组织与领导机构（图1-27）自动化领域总体战略、分阶段战略部署，对外合作，总经费、年度经费分配，学术领导具体领导各项工作开展专题学术领导，组长由主题专家组成员担任图1-30863自动化领域组织结构自动化领域专家委员会CIM主题专家组CIM专题专家小组741.3.3计算机集成制造（CIM）

◆

CIMS实验工程（CIMS-ERC）

技术原则：

1）包括实际工厂主要功能递推结构；2）最小配置实际制造环境；

3）采用开放系统概念，多厂家设备（软、硬件）集成；

4）以信息集成为主，不追求机械设备完善；

5）自顶向下设计与自下而上实现相结合。1987.6——可行性论证1988.3——通过国家评审1988.5～1989.5——总体设计1989.6～1992.12——开发实施1993.3——国家验收1994年获美国CASA/SME（美国机械工程师协会计算机与自动化系统分会）“UniversityLEADAward”（大学领先奖）751.3.3计算机集成制造（CIM）

图1-311994年CASA/SME颁发的“UniversityLEADAward”761.3.3计算机集成制造（CIM）

CAD/CAPP/CAM工程DB日作业计划计划DB计划管理系统仿真监控DBNCDB调度生产监控管理实时DB车削MC立式MC卧式MC物流刀具装夹测量运输车物流DB刀具DB夹具DB单元控制图1-32CIMS-ERC4级递阶控制结构771.3.3计算机集成制造（CIM）

注重研究→注重应用

大型企业→中小型企业“技术推动”→“需求牵动”

强调技术支撑→强调人、技术、经营集成

CIM应用模式越来越多

CIM实施过程中不断吸收新技术、新思想、新概念CIMS发展趋势

781.3.4并行工程（CE）

并行工程（

ConcurrentEngineering——CE）定义1988年，美国国防部防卫分析研究所（IDA）发表R338

报告：

并行工程（CE）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。注：支持过程——包括对制造过程的支持（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定…）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理…）791.3.4并行工程（CE）

CE与CIM的目标都是为了赢得市场竞争，着眼点均为“TQCSE”。随着市场竞争的日趋激烈，“TQCSE”五要素中“T”变的越来越重要，减小新产品开发周期成为“TQCSE”的“瓶颈”。CIM着眼于信息集成与信息共享，通过网络与数据库将自动化孤岛集成起来。但生产过程的组织结构与管理仍是传统的，独立、顺序进行。生产管理者在信息集成的基础上，对整个生产进程有清楚的了解，从而可以进行有效的控制，并最终在

TQCSE上取得成功。CE与CIM具有相同的背景801.3.4并行工程（CE）

图1-33顺序方法开发产品的弊端产品设计工艺规划加工装配市场需求无法加工装配困难◆当新产品开发成为赢得竞争的主要手段后，单纯集成已不够。按顺序方法开发产品常需要多次反复，不仅延误了时间，而且在资金上也造成巨大浪费。811.3.4并行工程（CE）

图1-34串行与并行方法需求分析产品设计过程设计原型产品a）串行方法需求分析产品设计过程设计原型产品b）并行方法顺序方法与并行方法（图1-34）821.3.4并行工程（CE）

◆

CE依赖于产品开发中各学科、各职能部门人员相互合作，相互信任和共享信息，通过彼此间有效地通讯和交流，尽早考虑产品全生命周期中的各种因素，尽早发现和解决问题，以达到各项工作协调一致。◆

CE方法有别于传统的强调“分工”的管理方式，是一种在更深层次上的集成（人、技术、管理的集成；产品设计及其相关过程设计的集成）。◆

CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务…）设计的集成。CE基本方法与效益◆

CE效益——缩短新产品开发周期40～60%；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%）；制造成本下降30～40%831.3.4并行工程（CE）

◆据统计，新产品提案中只有约6.5％能够制造出产品，其中能够商品化的比例不到15％，商品化产品进入市场后又有将近半数未能获得成功。

◆原因：在产品设计时对影响产品的多种因素考虑不周全，或不充分和不深入，面向“X”设计应运而生。

◆产品设计在产品寿命循环中占有重要的地位，它决定了产品制造成本的70～80％。

面向X的设计◆面向“X”的设计最初是以DFM（面向加工的设计）和DFA（面向装配的设计）的形式出现，进一步发展，便形成了DFX（面向“X”的设计）。

◆X可以指经营、销售、加工、装配、检验、使用、维护、质量、成本等。

841.3.4并行工程（CE）

表1-6便于加工和装配的设计规则设计规则包含内容效益减少零件数量使产品或部件包含尽可能少的零件减小装配工作量，降低在制品库存，便于管理，提高可靠性，易于维护使用标准件和通用件尽量使用标准件和通用件采用成组技术，建立生产单元减小设计、制造时间，降低设计制造成本，易于保证质量，易于维护模块化设计采用模块化设计方法，每个模块包含的零件数不宜过多减小最终产品装配时间，减小库存，缩短交货期，易于保证质量，易于维护装配结构工艺性所有零件从一个方向进行装配尽量在垂直方向进行装配减少装配工作面在外部进行装配零件进入端设计倒角和锥度避免错误装配减少装配工作量，便于装配，易于保证装配质量，降低装配成本，易于维护851.3.4并行工程（CE）

表1-6便于加工和装配的设计规则（续）设计规则包含内容效益减少螺纹连接尽量少用螺纹连接采用卡扣、粘接等快速连接方法减少装配工作量，便于实现自动装配设计多功能零件如紧固件和密封件合二而一减少装配工作量减少调整环节尽量减少装配时的调整环节减少装配工作量，便于装配少用柔性零件尽量少用橡胶件、皮带、电缆等在装配中难于处理的柔性零件减少装配工作量，便于装配加工结构工艺性采用净成形和近净成形技术零件结构、形状尽量简单，便于加工减少加工面选用便于加工的材料制定合理的精度和表面粗糙度要求对规定的要求可以方便地进行检验避免零件上出现不必要的特征充分考虑企业的加工能力减少机械加工工作量，便于加工，便于检验，降低加工成本，减少外协加工861.3.4并行工程（CE）

B055支架（减少零件数量）871.3.4并行工程（CE）

B055支架冲压过程（采用级进模）881.3.4并行工程（CE）

B055支架工步分解891.3.4并行工程（CE）

立式加工中心模块划分901.3.4并行工程（CE）

零件结构工艺性分析示例a）b）c）d）留退刀槽留退刀空间911.3.4并行工程（CE）

e）f）g）h）i）j）零件结构工艺性分析示例留退刀槽留退刀空间921.3.4并行工程（CE）

k）l）m）n）o）p）零件结构工艺性分析示例留越程槽留平台留工具加工空间931.3.4并行工程（CE）

q）r）s）t）u）v）零件结构工艺性分析示例提高加工效率941.3.4并行工程（CE）

w）x）y）z）零件结构工艺性分析示例减少工作量保证位置精确951.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

精良生产（LeanProduction——LP）MIT国际汽车项目组的JamesWomack等三名经理在“TheMachineThatChangedtheWorld”一书中，对日本丰田汽车公司生产方式的描述。MP（MassProduction）是旧时代工业化的象征——代表了高效率、低成本、高质量。LP是新时代工业化的标志——只需一半人的努力，一半生产空间，一半投资，一半设计、工艺编制时间，一半开发新产品时间和少的多的库存。LP的精髓在于“Lean”——“没有冗余”“精打细算”，没有一个多余的人，没有一样多余的东西，没有一点多余的时间；岗位设置必须是增值的，不增值岗位一律撤除；工人要求是多面手，可以互相顶替。961.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

丰田公司精良生产要点

组织管理权力下放，以TeamWork形式分段负责，把大量工作责任转移到生产线工人身上，建立一个能够迅速追查出全部缺陷并找出其最终原因的检测系统。

产品设计强调负责人的权力与责任，由项目负责人组织多个TeamWork并行工作。

市场用户

“需求驱动”与“主动销售”；贯彻全面质量管理（TQC），使顾客完全满意（TCS）。

与协作厂关系“利益共享，风险共担”。971.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

准时制生产（JustInTime——JIT）准时制的核心及时和准确。在制造过程中，要求按正确的时间、正确的地点，提供正确数量的合格物品，以期达到接近零库存、无缺陷和低成本的目标。

基本做法1）每月公司根据市场情况和用户订货，按型号和规格拟定本月生产各种汽车的数量，经审查后下达生产任务。2）工厂的装配车间将月生产汽车任务除以本月有效工作日，得出日平均产量，据此按日安排生产。3）装配车间开始生产后，按后序向前序提取零部件的规定，把生产过程的各个部分有机地组织起来。4）宁肯中断生产，也不积压储备。

981.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

“看板”（Canban）管理出发点——后序驱动示意图图1-36“看板”管理n乙n工序n-1乙n-1工序n甲n-1甲n-1工序n工序1取货3a3b52467a7b传件看板生产看板◎JIT

要求：严格管理；各环节、各工序均处于良好运行状态；人员素质高，多面手，且处于高度紧张状态。991.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

表1-5LP与MP比较比较项目大量生产精良生产追求目标高效率、高质量、低成本完善生产，消除一切浪费工作方式专业分工，相互封闭责、权、利统一的工作小组，协同工作，团队精神组织管理宝塔式，组织机构庞大权利下放，扁平式组织结构产品特征标准化产品面向用户的多样化产品设计方式串行模式并行模式生产特征大批量、高效率生产变批量、柔性化生产供货方式大库存缓冲JIT方式，接近0库存质量保证靠机床设备，事后把关靠生产人员保证，追求零缺陷雇员关系雇佣关系，合同约束终身雇用，风雨同舟用户关系靠产品质量、成本取胜用户满意，需求驱动，主动销售供应商合同关系，短期行为长期合作，利益共享，风险共担1001.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

敏捷制造（AgileManufacturing——AM）20世纪70～80年代，美国由于政策导向失误，使制造业众多产品在世界市场所占份额不断下降，美国在制造领域的霸主地位逐渐丧失。为了恢复美国制造业在世界上的领导地位，20世纪80年代末美国国会指示国防部拟定一个制造技术发展规划，要求同时体现美国国防工业与民品工业的共同利益，并要求加强政府、工业界和学术界的合作。在此背景下，美国国防部委托Lehigh大学与GM等大公司一起研究制定一个振兴美国制造业的长期发展战略，最终于1991年完成了“21世纪制造业发展战略”报告。在此报告中提出了“敏捷制造”的概念。1011.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

敏捷制造的特征

敏捷制造蕴涵着许多不同于传统生产方式的哲理和思想，主要表现在：

◎

需求响应的快捷性

主要指快速响应市场需求（包括当前需求和可预知未来需求）的能力。

◎

制造资源的集成性

不仅指企业内部的资源共享与信息集成，还指友好企业之间的资源共享与信息集成。

◎

组织形式的动态性

为实现某一个市场机会，将拥有实现该机会所需资源的若干企业组成一个动态组织，它随任务的产生而产生，并随任务的结束而结束。

1021.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

敏捷制造工作原理

动态企业联盟网络企业K+1企业K+2企业N协调信息服务企业1企业2企业K…企业3企业4…图1-37“虚拟制造”环境与虚拟企业

企业1借助计算机网络和信息集成基础结构，构造由多个企业参加的“虚拟制造”环境；以竞争合作为原则，动态选择合作伙伴，组成面向任务的虚拟公司，进行快速和最佳化生产。企业3企业K企业K+21031.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

客户供应商企业1设计计划销售单元1单元n单元2企业n企业2Internet（Intranet）图1-38虚拟企业网络结构1041.3.5精良生产与敏捷制造（LP&AM）

表1-9AM与LP比较精良生产敏捷制造充分利用和增强大批量生产优势采用大量定制生产方式追求零缺陷，使用户完全满意整个产品寿命周期用户满意变批量、柔性生产模块化产品设计和模块化制造系统注重技术与操作，实行连续改进注重组织与人员，实现动态重组终身聘用、工龄工资基于信任的雇佣关系，“社会合同”多功能小组，协同工作基于任务的组织与管理，多学科项目组工厂级范围涵盖整个企业范围，并扩展到企业之间与供应商利益共享，风险共担竞争、合作策略，组建虚拟公司资源有效利用，消除冗余在连续和不可预测变化的环境下发展准时制生产准时信息系统，网络制造平稳进度计划,小批量,“零”库存承认并快速响应市场变化105机械制造技术基础第1章

概述

Introduction1.4机械制造方法总论IntroductiontoMechanicalManufacturingMethod1061.4.1机械制造工艺过程机械制造中与产品生成直接有关的生产过程常被称为机械制造工艺过程。机械制造工艺过程主要内容毛坯和零件成形——铸造、锻压、冲压、焊接、压制、烧结、注塑、压塑…机械加工——切削、磨削、特种加工材料改性与处理——热处理、电镀、转化膜、涂装、热喷涂…机械装配——把零件按一定的关系和要求连接在一起，组合成部件和整台机械产品，包括零件的固定、连接、调整、平衡、检验和试验等工作107产品制造的具体过程钢铁生产过程演示1081.4.2机械制造工艺方法机械制造工艺方法与分类JB/T5992-92——按大、中、小和细分类四个层次划分大类中类代码代码名称0123456789中类名称0铸造砂型铸造特种铸造1压力加工锻造轧制冲压挤压旋压拉拔其他2焊接电弧焊电阻焊气焊压焊特种焊接钎焊3切削加工刃具加工磨削钳加工4特种加工电物理加工电化学加工化学加工复合加工其他5热处理整体热处理表面热处理化学热处理6覆盖层电镀化学镀真空沉积热侵镀转化膜热喷涂涂装其他78装配包装装配试验与检验包装9其他粉末冶金冷作非金属成形表面处理防锈缠绕编织其他表1-10机械制造工艺方法类别划分及代码（JB/T5992-92）1092.1.3零件成形方法零件成形方法材料成形法——进入工艺过程物料初始重量近似等于加工后最终重量。如铸造、压力加工、粉末冶金、注塑成形等，这些方法多用于毛坯制造，但也可直接成形零件。材料去除法——零件的最终几何形状局限在毛坯的初始几何形状范围内，零件形状的改变是通过去除一部分材料，减少一部分重量来实现的。如切削与磨削，电火花加工、电解加工等特种加工等。材料累加法——传统的累加方法有焊接、粘接或铆接等，通过不可拆卸连接使物料结合成一个整体，形成零件。近几年才发展起来的快速原型制造技术（RPM），是材料累加法的新发展。110快速原型制造技术（RPM）

◆快速原型制造（RapidPhotographManufacturing—RPM），又称“快速成形技术”（RapidPhotograph—RP）或“分层制造”（LayerManufacturing—LM），是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。◆它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。◆按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体（见图2-1）。2.1.3零件成形方法111图1-23快速成型过程喷粘结剂喷热熔材料三维产品（样品/模具）表面处理构造三维模型模型近似处理切片处理激光喷射源固化树脂切割箔材烧结粉末2.1.3零件成形方法分层实体制造LaminatedObjectManufacturing,LOM叶轮水平增长选择性激光烧结SelectedLaserSintering,SLS立体印刷StereoLithographyApparatus,SLAABS塑料3D打印(齿轮)112a）b）图1-24传统加工与快速成型比较模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工设计模具样品快速成形2.1.3零件成形方法113医学应用:2.1.3零件成形方法根据CT或MRI的数据重构三维CAD模型后，可快速制造出与个体相符的骨骼,进行手术计划、模拟等。1142.1.3零件成形方法115快速成型机床及快速成型件2.1.3零件成形方法3D打印SD300快速成型机激光快速原型制造技术世界首支“全”3D打印枪支的首次射击测试116教師專業發展評鑑

推動策略姚素蓮一、學校