第一讲概论及切削层参数

机械造技术基础

主讲教师：张建平攀枝花学院机电工程学院第1章机械制造概论制造业在国民经济中的作用及发展机械？石油？轻工？食品？计算机？一、制造业的地位和作用制造业是指对采掘的自然物质资源和工农生产的原材料进行加工和再加工，为国民经济其他部门提供生产资料，为全社会提供日用消费品的社会生产制造部门。机械制造业的任务：“围绕各种工程材料的加工技术，研究其工艺并设计和制造各种工艺装备，也为新兴的产业群提供从未有过的技术装备。”制造业是国民经济的支柱产业和经济增长的发动机

美国：68%的财富来源于制造业；

日本：49%的国民生产总值（GNP）来源于制造业；中国：2001年制造业增加值：37613.1亿元占国民生产总值的39.21%，占工业生产总值的77.61%。上交税金4398.17亿元，占国家税收总额的30%和财政收入的27%。过去50年的经济统计数据显示：我国制造业的工业增加值增长率高出国民生产总值增长率约3~8个百分点。制造业是高技术产业化的载体和实现现代化的重要基石制造业是吸纳劳动就业和扩大出口的关键产业

2001年我国制造业全部从业人员8083

万人，约占全国工业从业人员总数的90.13%，全国全部从业人口的11.1%。

2001年我国制造业出口创汇2398亿元。占全国外贸出口总额90%。制造业是国家安全的重要保障机械制造科学的发展

机械制造过程是一个离散的生产过程，它主要表现在制造过程中的各个环节，各环节之间是可以彼此关联或不关联的。机械制造过程的实施对个人的经验和技术有一定的依赖，一般难以用数学的方法、规律、逻辑进行描述。制造从远古时代就形成了一套技术，蒸汽机与电力革命使其发生了很大的变化，形成了基于大量生产的制造技术。制造系统是指覆盖全部产品生命周期的制造活动所形成的系统，即设计、制造、装配、市场以及回收的全过程。机械制造可分为热加工和冷加工两部分。冷加工研究的内容冷加工：在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工。热加工：在结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。冷加工研究的内容机械制造的基础理论机械制造装配的工艺过程、工艺装备、工艺方法等机械制造系统的自动化、柔性化、集成化及智能化机械制造冷加工的具体内容⑴切削与磨削加工技术⑵特种加工技术⑶精密加工和超精密加工⑷装配技术⑸机械制造系统自动化⑹机械制造过程中的计量与测试⑺机械制造过程中的工况监测与故障诊断⑻机械制造设备的性能与试验⑼机械产品的质量与可靠性⑽机械制造系统的柔性化、集成化及智能化所以

制造技术支持着制造业的健康发展，先进的制造技术使一个国家的制造业乃至国民经济处于有竞争力的地位。忽视制造技术的发展，就会导致国家经济的衰退。汽车制造的变迁！美国：德国：日本：韩国：中国：机床业情况：沈阳机床的窜升中国机床2011年一个月数据的启示由此可以看出：

经济的竞争归根结底是制造技术和制造能力的竞争

没有发达的制造业就不可能有国家的真正繁荣与强大；国与国之间的竞争主要是制造业的竞争,一个没有制造能力的民族是没有希望的民族；高度发达的现代制造业是一个国家综合国力和国际竞争力的集中体现。

-----中科院院长：路甬祥院士各国相应制定本国振兴制造业和发展制造业的计划：美国在90年代初，首先提出了发展“先进制造技术”（AMT）。1994年被美国政府定为“先进技术制造年”。日本：“智能制造技术”德国：“面向未来的生产”英国：“国家纳米计划”韩国：“G-7计划”欧共体：“尤里卡计划”二、我国制造业的现状：已建立了一个比较完整的工业体系，提供重大装备的能力不断提高

如：为上海磁悬浮列车项目提供有8台数控落地镗铣床组成的轨道深加工自动线；年产1～2千万吨级不同开采工艺的露天矿采掘和年产500万吨级井下矿采掘成套设备；葛洲坝枢纽工程170兆瓦、转轮直径11.3米轴流式水电机组；300兆瓦核电站成套设备；500千伏交流输变电成套设备；水下机器人；激光照排设备；正负电子对撞机；曙光、银河、联想等巨型计算机；主战坦克；新舟60客机；飞豹轰炸机；神舟号无人飞船；核动力潜艇；两弹一星等。制造业总体生产规模已居世界第四位，众多制成品产量已居世界前列——“制造大国但非制造强国”各具特色的制造业聚集地逐渐形成

珠江三角洲、长江三角洲已成为全球重要的家电、电子及通信设备制造聚集地；东北重大成套设备制造聚集地、川陕国防装备制造聚集地等正稳定地为国民经济和国防建设发挥着不可或缺的作用。我国目前处于工业化的中期。

存在的问题：总体规模仍然偏小，仅为美国的1/5、日本的1/4。制造业的人均劳动生产率过低，仅为美国的1/25、日本的1/26、德国的1/20。制造业结构呈轻型化状态，表现为机械电子制造所占比例偏低。装备制造能力尤为偏低。技术创新能力和自主开发能力薄弱，突出表现为：

①机械产品技术来源的57%来自国外，绝大多数电子及通信设备的核心技术依赖进口。

②产品开发周期过长，企业对市场的快速反应能力差。我国机械新产品的平均开发周期为18个月，美国（1990年）新产品设计周期3个星期，试制周期3个月。③先进制造技术在国内尚处于初级开发阶段，普及率较低，与发达国家存在着阶段性差距。低水平生产能力严重过剩。据第三次全国工业普查，机械、电子、化工、轻工、冶金等行业生产能力利用率分别为51.86%、54.45%、54.9%、46.09%和35.55%。中国是制造业大国---但不是制造业强国光纤制造设备的

100%集成电路芯片制造设备的

85%主要机械产品的技术来源

57%依靠进口制造强国的主要标志具备强大的产品自主开发能力和技术创新能力，拥有大批具有自主知识产权的重要产品和国际领先的重要制造技术,拥有众多国际知名品牌。拥有一批具有国际竞争力的制造企业，及强大的营销网络，拥有一批具有工程总承包能力的设计和工程公司。拥有一支具有国际竞争力的工程技术经营管理和技术工人队伍，具有卓有成效的人才培训体系。形成具有国际先进水平的技术标准和法规体系，并在一些重要领域引领国际标准的制定及全球应用。形成若干在国际上知名，各具特色的制造业聚集地或制造中心。依托强大的装备制造业为基础，能够及时提供各行业所必需的保证技术，要求具有国际竞争力的先进装备。中国制造—世界制造加工车间研究开发订单制造销售服务硅谷新竹东莞利润率25％利润率15％利润率5％新老18罗汉情况-老-资料老“十八罗汉”及专业分工：

●探手罗汉：齐齐哈尔第一机床厂：立式车床

●沉思罗汉：齐齐哈尔第二机床厂：铣床

●降龙罗汉：沈阳第一机床厂：卧式车床、专用车床●坐鹿罗汉：沈阳第二机床厂：钻床、镗床

●举钵罗汉：沈阳第三机床厂：六角车床、自动车床

●笑狮罗汉：大连机床厂：卧式车床、组合机床

●过江罗汉：北京第一机床厂：铣床

●开心罗汉：北京第二机床厂：磨床

●看门罗汉：天津第一机床厂：插齿机

●长眉罗汉：济南第一机床厂：卧式车床

●布袋罗汉：济南第二机床厂：龙门刨床、机械压力机

●托塔罗汉:重庆机床厂：滚齿机

●欢喜罗汉：南京机床厂：六角车床、自动车床

●骑象罗汉：无锡机床厂：内圆磨床、无心磨床

●伏虎罗汉：武汉重型机床厂：立车、镗床

●挖耳罗汉：长沙机床厂：牛头刨床、拉床

●芭蕉罗汉：上海机床厂：外圆磨床、平面磨床

●静坐罗汉：昆明机床厂：镗床、铣床

新老18罗汉情况-新-资料新“十八罗汉”及主要产品

●坐鹿罗汉：沈阳机床集团：各类数控机床、车床、钻床

●笑狮罗汉：大连机床集团：组专机及柔性制造系统、立卧式加工中心、数控车床及车铣中心、高速精密车床及机床附件等

●探手罗汉:齐重数控装备股份有限公司：重型数控立卧式车床、深孔钻镗床、铁路车床、轧辊车床

●沉思罗汉:齐二机床集团有限公司：各类重型机床、数控铣床及加工中心、重型机械压力机和自动锻压机其他专用设备

●过江罗汉:北京第一机床厂：各类铣床、加工中心、超重型机床、龙门机床和地质工程钻机等

●长眉罗汉:济南一机床集团：各类数控机床

布袋罗汉:济南二机床集团：锻压设备和大、重型金切机床、机械压力机

●芭蕉罗汉:汉川机床集团有限公司：加工中心、数控镗铣床、精密坐标镗床和精密数控电加工机床

●托塔罗汉:秦川机床集团有限公司：各类精密数控机床及铸件、中高档专用机床数控系统等

●降龙罗汉:天水星火机床有限责任公司：各类车床、磨床及专用机床

●举钵罗汉:青海华鼎重型机床有限责任公司：铁路专用机床、轧辊机床、重型卧式车床、无心车床、卧式加工中心等

●骑象罗汉:江苏新瑞机械有限公司：立式加工中心、数控车床、SR系列压铸机等

●开心罗汉:重庆机床集团有限责任公司：各类齿轮机床

●挖耳罗汉:四川长征机床集团有限公司：各类铣床、加工中心、数控车床和大型专用设备

●伏虎罗汉:云南CY集团有限公司：出口型普通车床及数控车床、加工中心、专用机床

●静坐罗汉:桂林机床股份有限公司：龙门铣床、滑枕式铣床及加工中心等

●欢喜罗汉:武汉重型机床集团有限公司：各类重型和超重型机床

●看门罗汉:上海电气机床集团：各类磨床、加工中心、镗铣床、车床及专用精密、数控机床

一参考文献-机床技术发展趋势总览

/mmsonline/_01-ABC00000000000212451.shtml具体趋势内容1.机床的高速化：新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。2.机床的精密化：加工精度大约每8年提高一倍。数控机床的定位精度即将告别微米时代而进入亚微米时代，超精密数控机床正在向纳米进军。在未来10年，精密化与高速化、智能化和微型化汇合而成新一代机床。3.从工序复合到完整加工：70年代出现的加工中心开多工序集成之先河，现已发展到“

完整加工”，即在一台机床上完成复杂零件的全部加工工序。4.机床的信息化：具有语音、文本和视像等通讯功能。与生产计划调度系统联网，下载工作指令和加工程序。工件试切时，可在屏幕上观察加工过程。并可以通过手机查询或指令。5.机床的智能化-测量、监控和补偿：未来的数控机床将会配备各种微型传感器，以监控切削力、振动、热变形等所产生的误差，并自动加以补偿或调整机床工作状态，以提高机床的工作精度和稳定性。6.机床的微型化。7.新的并联机构原理：传统机床是按笛卡尔坐标将沿3个坐标轴线的移动X、Y、Z和绕3个坐标轴线转动A、B、C依次串联叠加，形成所需的刀具运动轨迹。并联运动机床是采用各种类型的杆机构在空间移转主轴部件，形成所需的刀具运动轨迹。9.新结构和新材料：机床的结构简化和轻量化，以减少机床部件运动惯量对加工精度的负面影响，大幅度提高机床的动态性能。10.新的设计方法和手段：尽快从“甩图板”的二维CAD向三维CAD过渡。在此三维设计基础上进行CAD/CAM/CAE/PDM的集成，加快新产品的开发速度。11.直接驱动技术：在传统机床中，电动机和机床部件是借助耦合元件，如皮带、齿轮和联轴节等加以连接，实现部件所需的移动或旋转，"机"和"电"是分家的。直接驱动技术是将电动机与机械部件集成为一体，成为机电一体化的功能部件，如直线电动机、电主轴、电滚珠丝杆和力矩电动机等。12、开放式数控系统：13.可重组制造系统：专用机床的可重构性和制造系统的可重组性日益重要。通过数控加工单元和功能部件的模块化，可以对制造系统进行快速重组和配置，以适应变型产品的生产需要。机械、电气和电子、液和气、以及控制软件的接口规范化和标准化是实现可重组性的关键。14.虚拟机床和虚拟制造。新产品开发的决策

1）新产品的分类及定义全新产品：应用新原理、新结构、新技术和新材料制造出的前所未有的产品往往是科技史上的重大突破。换代产品：由于采用新技术、新结构或新材料，使产品性能产生具有阶段性变化的新产品。改进产品：对老产品的改进。仿制产品：模仿市场已有的其他产品而产生。2）新产品开发的决策⑴开发调研⑵立项决策⑴开发调研

科技调研：主要是调研科技新动态，形成产品的技术源。市场调研：主要是调查市场需求。竞争环境调研：研究了解国家的法律、法规、行业政策导向，调查研究国内外竞争对手的情况。⑵立项决策

表1-1给出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种方法调研得到的数据进一步求平均值得出的。立项评估的内容经济分析：主要考虑产品开发的资金投入以及在投资回收期和盈亏平衡时产品的最小销售量等。风险分析：主要考虑技术成功率、商业成功率和产品寿命周期。表1-1新产品评估等级要素类要素等级权值得分技术评估先进新颖性70.10.7成熟度70.10.7技术独占度90.151.35质量指标60.050.3适用性评估与原有技术兼容性30.050.15现有设备可用性80.10.8现有人才可用性60.050.3现有销售渠道可用性40.050.2竞争能力评估市场宽度30.10.3可达市场占有率70.10.7与发展政策有关90.050.45环境保护90.10.9总计16.85新产品开发的方式

独立研制：依靠本企业自身力量独立进行新产品开发。合作开发：由企业与高校或科研机构合作进行技术开发。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。新产品开发的步骤

产品的概念设计产品方案设计技术设计生产设计产品方案设计方案设计主要确定实现概念设计的总体方案，包括机械结构方案、电器控制方案、外形方案等；还有绘制产品的总装图的工作原理草图，给出其主要尺寸，列出产品的特殊配套零部件和外购件的明细表技术设计定义：根据技术任务书，将方案设计中确定的基本结构和主要参数具体化，进一步确定产品结构和技术经济指标内容：通过计算、分析和试验确定重要零部件的结构尺寸和配合，画出机器总图、重要零部件图等编写部件、附件、通用件等明细表以及特殊材料表编写设计说明书、说明产品结构特点制定加工、装配以及产品验收和交货的技术条件确定产品的技术经济指标生产设计定义：生产设计是将经过审核和修正的前一段设计具体化为生产用的工作图内容绘制全套施工图样、准备有关制造和使用所需的技术文件，为企业提供可靠的生产依据请单击三下产品的概念设计产品概念设计的内容产品的基本特征、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。产品的概念狭义概念：指具体产品广义概念：即整体产品概念，如图1-1所示，它由核心部分、形式部分及延伸部分组成。1.2制造过程与生产组织1.2.1机械产品的制造过程1.2.2零件的制造过程1.2.3生产类型与生产方式机械加工工艺与生产类型生产类型与生产方式制造哲理与生产方式1.2.1机械产品的制造过程定义：从原材料到产品的全过程，包括零件、部件以及整机的制造，称为机械产品的制造过程。制造过程定义：由一系列的制造活动组成，包括生产设计、技术准备、生产计划、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、质量检验以及储运等工艺过程工艺过程的分类：铸造、锻造焊接、机械加工、热处理、装配等。制造过程的物料流、信息流、能量流及人与设备构成了机械制造系统，如图1-4所示。图1-5

所示大概说明了分别采用不同的工序制造车身、发动机等，再将其装配成汽车的过程。图1-4机械制造系统图加工任务加工方法加工顺序物流要求信息系统机械制造系统原料或毛坯存储运输制造检验能量系统能源加工任务加工方法加工顺序物流要求信息系统机械制造系统原料或毛坯存储运输制造检验成品能量系统能源物料流信息流能量流图1-5汽车的生产过程1.2.2零件的制造过程零件的制造过程是机械过程中最基础、最主要的环节，其目的是通过一系列的工艺方法，获得具有一定形状、尺寸、力学性能和物理性能的零件。零件制造的工艺方法材料去除法（质量减少、Δm<0）材料成形法（质量不变、Δm>0）材料累加法（质量增加、Δm>0）零件的制造过程（1）材料去除工艺（Δm＜0）定义：按照一定的方式从工件上去除材料，工件逐渐逼近所需形状和尺寸的零件。影响加工效率的因素：材料或毛坯与零件的形状、尺寸相接近的程度。特点：工件形状越接近零件，材料去除越少，能源消耗也就越少；反之则材料、能源消耗就越大。内容切削加工特种加工定义：利用电能、光能等对工件进行材料去除的加工方法。特种加工方法：电火花加工、电解加工、激光加工切削加工定义：通过工件和刀具之间的相对运动及相互间力的作用来实现的加工方法。

常见的切削加工方法：车削、铣削、刨削、磨削等。切削过程中现象：力、热、变形、振动、磨损等。⑵材料成形工艺（Δm＝0）材料成形工艺方法多利用模型使原材料形成毛坯或零件。（冲压是典型的成型工艺）服务于成形工艺方法的模具制造精度一般要求较高，其生产往往是单件生产方式，加工量大。模具设计也要用到CAD、CAE等一系列技术，从另一个侧面反映了成形工艺方法对材料去除和累加工艺方法的要求。⑶材料的累加工艺（Δm＞0）定义将零件以微元叠加的方式逐渐累加生成，这一工艺又称为快速成形技术。优点

无需刀具、夹具等生产准备活动，就可以形成任意复杂形状的零件。快速成形技术RP技术快速成形技术快速原型制造（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，并逐步叠加成三维实体传统加工和快速成形的比较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1-附图1快速成形过程1-附图2传统加工与快速成形比较（a）（b）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1-附图3快速成形机床及快速成形件RP技术光固化技术叠层制造法激光选区烧结法熔积法此外还有三维打印法、漏板先固化法等工艺，这些工艺各自特点不同，各有不同的适用场合。3D打印之热零件制造过程定义：主要依赖于材料成形、机械加工（主要指切削加工以及特种加工等），并适时将热处理工艺穿插在其中，获取零件形状的加工方法机械加工在机械加工工艺系统中进行，机械加工工艺系统如图1-10所示同样一种几何形状、尺寸的零件，不同的材料可以有不同的加工方法，不同的加工方法有不同的加工顺序和加工过程图1-10机械加工工艺系统工艺规程、数控程序、适用控制模型等工艺信息信息系统机床夹具机械加工工艺过程存储检验工件能量系统能源毛坯下工序上工序物料流能量流信息流实现零件的加工应考虑的问题毛坯通过什么样的工艺路线加工成合格零件选择什么样的机床和工艺装备使用什么样的刀具工件的装夹方法如何检测加工表面质量，包括精度和加工表面状态需要研究切削加工机理和切削加工过程中的现象需要考虑机器的装配方法——制造工艺——机床工作原理——刀具的设计与制造——定位原理——装配工艺——优化加工过程——加工精度及表面质量机械加工工艺与生产类型机械加工工艺受到生产类型的影响生产类型：产品生产的专业化程度。年生产纲领零件的年生产纲领N由下式计算:

N=Qn(1+a)(1+b)

式中：Q——产品的年产量

n——单台产品中该零件的数量

a——备品率，以百分数计

b——废品率，以百分数计按年生产纲领，划分生产类型，各种生产类型的工艺过程的特点可归纳成表1-3。表1-3生产纲领与生产类型的关系生产类型

零件年生产纲领/（件/年）重型零件中型零件

小型零件单件生产≤5≤20

≤100

小批生产>5～100

>20～200>100～500

中批生产>100～300

>200～500>500～5000大批生产

>300～1000>500～5000>5000～50000大量生产>1000>5000>50000各种生产类型工艺过程的重要特点

类型特点单件生产成批生产大量生产加工对象经常变换周期性变换固定不变毛坯木模造型、自由锻金属模造型、模锻金属模机器造型、模锻机床设备通用设备、数控设备通用、专门及部分专用设备专用、自动设备及自动线机床布局按机群式布置按零件类别、按工段排列按流水线或自动线排列夹具通用或组合夹具专用夹具高效率的专用夹具刀具量具通用刀具和量具专用或通用刀具量具专用刀具量具、自动测量装配方法零件不互换，钳工修配多数互换，部分试配或修配全部呼唤或分组互换生产周期不一定周期重复长时间连续生产生产率低，用数控机床可提高中等高成本高中等低工人技术高中等一般工艺文件简单比较详细详细编制

产品的用途不同，市场需求不同，决定了它有不同的生产批量。批量不同，形成了不同的生产规模（亦即生产类型），不同生产规模的生产组织方式及相应的工艺过程也