1、第一章 绪论1.1 制造业的发展历史及其重要制造业的发展历史及其重要性性1.2 制造的基本概制造的基本概念念1.3 制造的要制造的要素素1.4 制造中的材制造中的材料料1.5 制造的工制造的工艺艺1.6 制造系制造系统统习题与思考题习题与思考题1.1 制造业的发展历史及其重要性制造业的发展历史及其重要性1.1.1 制造业的发展制造业的发展制造业的发展可以总结为四个大的发展阶段，也就是从工业1.0到工业4.0。前三个阶段已经完成，目前正处于第四个阶段的发展过程中，如图1-1所示。图1-1 制造业发展历程及展望1工业工业1.018世纪蒸汽机的发明及其在机械制造设备中的应用，实现了机械化。该阶段以蒸
2、汽机为标志，用蒸汽动力驱动机器取代人力，从此手工业从农业分离出来，正式进化为工业。工场手工加工制造业的兴起，具备机器三要素(工作机、传动机、动力机)的钟表、水磨机等传统机械雏形的出现，奠定了传统制造业的发展基础和技术。1797年发明了机床，为制造提供了机械加工基础装备，并制造出满足机械制造、纺织、矿山、农业、化工、交通运输和建筑等不同行业需求的各种机器。这些技术和机器的产生，促使制造业以蒸汽动力技术为核心的各类技术相互结合，形成工业技术体系。2工业工业2.0 20世纪电气技术的发展及其在大批量生产流水线中的应用，实现了电气化。该阶段以电力的广泛应用为标志，用电力驱动取代了蒸汽动力。20世纪初产
3、生了零件的互换性技术，并且在机械制造业出现了生产线，把零件制造和整机制造分开，零件采用大规模的方式制造；然后整机在生产线上安装上多个零件和部件，实现流水线生产，提高了生产效率和质量。随着新型冶炼技术(大型冶炼技术、合金冶炼技术)、内燃机技术、电气技术(电机、电力)的发明和完善，随着福特的大规模生产方式(汽车装配流水生产线)和技术的出现，产生了工业技术的全面革新，大工业体系也随之建立和逐渐成熟。3工业工业3.020世纪70年代，电子和信息化技术发展，第一台可编程控制器诞生并应用于自动化生产，实现了制造自动化。该阶段以PLC(可编程逻辑控制器)的应用为标志，从此机器不但取代了人的大部分体力劳动，也
4、代替了一部分脑力劳动，同时工业生产能力也超越了人类的消费能力，人类进入了产能过剩时代。新兴材料(高分子材料、无机非金属材料、复合材料等)、新切削加工技术(数控机床、超高速和精密加工)、大型发电和传输技术、核能技术、微电子技术(集成电路、计算机)、软件技术、激光技术、生物技术和系统工程技术等，为能量驱动型的传统制造向信息驱动型的现代制造发展奠定了基础，创造了条件。制造业不断吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，形成了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工艺设计(CAPP)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程(CAE)、数控技术(NC/CNC)、企业资源计划(E
5、RP)、制造执行系统(MES)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、工业机器人等一系列现代制造技术，并实现了上述技术的系统集成，形成了从单机到自动生产线等不同层次的自动化制造系统，进入了完全的自动化和信息化时代。信息技术覆盖了从产品设计、生产准备到加工制造、装配、销售和维修甚至包括再生回收全生产过程，并且在企业信息化的基础上，引入了并行工程和敏捷制造等概念，强调系统化及其技术和管理的集成，将技术和管理有机地结合在一起。4工业工业4.0以智能制造为主导的第四次工业革命，在CPS(Cyber-Physical System)系统，即信息物理系统的智能化、网络化的世界里，各种制造
6、资源基于物联网和服务网，通过价值链横向和纵向的无缝整合，实现了社会化协同智能制造，将生产中的设计、制造、销售、服务、供应链信息数据化和智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应与服务。1.1.2 制造业的重要性制造业的重要性制造业是工业的主体，是提供生产工具、生活资料、科技与国防装备等的手段及其进步的依托，是现代化的动力源，是现代文明的支柱。人类从原始社会使用石器到现在应用现代化的机器装备和先进的工艺技术，逐步加强了控制自然、开发和利用自然的能力。制造业为人类创造着辉煌的物质文明，制造业是一个国家的立国之本。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
7、争力的地位。生产工具的使用和不断完善，加速了社会的发展与进步。在整个制造业中，机械制造业占有特别重要的地位。因为机械制造业是国民经济的装备部门，它以各种机器设备供应和装备国民经济的各个部门，并使其不断发展。国民经济各部门的生产水平和经济效益在很大程度上取决于机械制造业所提供的装备的技术性能、质量和可靠性。国民经济的发展速度，在很大程度上取决于机械制造工业技术水平的高低和发展速度。机械制造业历来是应用科学技术的主要领域，是应用最新科技推动社会、经济发展的主导产业。现代化的工业、农业、国防和科学技术，都以相应的机械装备为物质基础。先进的技术装备集中了有关的先进科技成果。因此，机械工业的技术水平和规
8、模是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志，反映了人民的生活质量及国防能力。从总体上来讲，机械制造业是国民经济中的一个重要组成部分。纵观世界各国，任何一个经济强大的国家，无不具有强大的机械制造业。许多国家的经济腾飞，机械制造业功不可没，比如德国和日本。因此，在现代经济中，一个国家或民族想要有强大的经济，一个发达的制造业是必不可少的。目前我国是世界第二大经济体，制造业起了非常重要的作用，特别是机械制造业，如大飞机的制造(运20、C919、水陆两栖飞机AG600)、高速列车的制造、大型自航绞吸式挖泥船(天鲸号)的制造、大型盾构机的制造等，如图1-2所示。运20 高速列车 自航绞吸式挖泥船 盾构机
9、1.2 制造的基本概念制造的基本概念1.2.1 制造、制造业和制造技术制造、制造业和制造技术制造是人类借助于手工或工具，运用主观掌握的知识和技能，采用有效的方法，按所需目的将制造资源(物料、能源、设备工具、资金、技术、信息和人力等)，转化为可供人们使用或利用的工业品或生活消费品，并投放市场的全过程。制造活动往往形成一个系统，除加工过程外，同时还包括市场调研和预测、产品设计、选材和工艺设计、生产加工、质量保证、生产过程管理、营销、售后服务等产品寿命周期内一系列相互联系的活动。从技术角度看，制造是一个技术过程，通过各种技术手段改变毛坯(初始材料)的几何形状、特性和/或外观，最后制成零件或产品。制造
10、包含将多个零件装配成产品的操作；从经济角度看，制造也是一个经济过程，在制造过程中产品的价值在不断增加，如图1-3所示。制造业是所有与制造有关的企业机构的总体。它涉及国民经济的很多部门，是国民经济和综合国力的支柱产业。它一方面创造价值、生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。图1-3 制造的定义制造技术是完成制造活动所需的一切手段的总和，是制造业的技术支柱。高质量的制造业必然有先进的制造技术作为后盾。制造技术的一个基本出发点就是：在充分利用现有的科学技术最新成果的基础上，优质、高效、低消耗地生产出所需要的产品。制造技术的发展是一个国家经济持续
11、增长的根本动力，是生产、国际经济竞争、产品革新的一种重要手段，是现代国家经济上获得成功的关键因素。为了在激烈的市场竞争中取得主动权，在世界经济中占一席之地，就必须对制造技术进行研究，不断用新技术充实并改造制造业。1.2.2 制造能力制造能力制造企业不可能是全能的，它只能制造某些产品，这是由于企业制造能力的限制。制造能力指的是企业或工厂在技术和物理上的限制。制造能力通常有以下几个方面：1工艺能力工艺能力工艺能力是指企业拥有的制造工艺的集合。如：有的企业从事切削加工，有的企业从事压力加工，而汽车厂则装配汽车。没有个车间可以完成所有的制造工作。工艺能力还与被加工的材料有关，因为材料与工艺密切相关。工
12、艺能力不仅指所具有的工艺手段，还指完成工艺所需要的工艺经验。企业受限于它的工艺能力，必须将精力集中于具有竞争力的工艺能力所能制造出的产品上。2设施能力设施能力制造设备对它的加工对象有几何尺寸和重量的限制，车间本身也会限制产品的物理特性。如：重的产品很难移动，车间需要行车；大批量生产的小件产品通常需要传送带。设备、物流系统和车间等设施大小会对产品的物理特性产生限制。2设施能力设施能力制造设备对它的加工对象有几何尺寸和重量的限制，车间本身也会限制产品的物理特性。如：重的产品很难移动，车间需要行车；大批量生产的小件产品通常需要传送带。设备、物流系统和车间等设施大小会对产品的物理特性产生限制。1.3
13、制制造造的的要要素素制造可以认为是一个系统，它的输入是产品的设计，而它的输出则是送到市场的产品，制造领域综合了工程和管理的多个方面。制造有四个要素：成本、时间、柔性和质量，这四个要素反映了对制造的基本要求。1.3.1 成本成本广义地讲，产品成本包含制造商成本、用户成本和社会成本，见表1-1。产品成本发生在从产品构思到制造、使用和回收的每一阶段。一般所说的产品成本是指制造商成本。制造商成本由直接成本和间接成本构成，直接成本可通过工时和工时费率、材料用量和材料价格来计算，间接成本通过对直接成本以外所发生的各种费用按某种分摊方式进行估算。1.3.2 时间时间在制造系统中，时间属性通常表达为一个产品能
14、以多快的速度被生产出来，这个属性有时又被称为生产率。生产率要素对其他三个要素有着重要的影响，例如一个高的生产率往往意味着低的生产成本和质量。1.3.3 柔性柔性柔性通常定义为制造系统适应环境和过程变化的能力。这个定义中提出了柔性的内生和外生性质，外部柔性来自市场的要求，内部柔性来自工艺过程的技术革新。柔性可分为产品柔性、操作柔性、能力柔性等。1产品柔性产品柔性产品柔性是指使制造系统能够在同样的设备中生产不同种类的产品。从短期看，它具有经济地进行小批量生产以适应产品改变的能力；从长期看，这意味着系统内的设备可以被用于多个产品生命周期，这增加了投资效率。2操作柔性操作柔性操作柔性是指可用不同的机床
15、、材料、工步和工艺完成产品生产的能力，它是工艺柔性、设备柔性、产品设计柔性和制造系统本身的结构柔性的结果。它提高了系统对故障的容忍度，在设备出现故障时，系统仍能保持生产水平，这对大批量生产具有极为重要的意义。3能力柔性能力柔性能力柔性是指允许制造系统为满足变化的市场要求而改变各种产品的生产批量，它被看做是一种扩展能力。1.3.4 质量质量按照ISO9000标准的定义，产品的质量是顾客对产品和服务的满意程度。从质量的产生过程看，产品质量可以分为两大类，即设计质量和生产质量。定量定义质量是十分重要的，因为只有定量定义才能对制造的四个要素进行权衡。质量可以较为笼统地定义，也可以按照单个特定特征进行定
16、义。通常质量的定义越笼统，就越难进行定量描述，因为它较多地基于顾客报告和主观感觉；而基于细节特征进行的质量描述则较为容易定量化，它们常被用于指导实际生产。1.4 制造中的材料制造中的材料工程材料可以分为四类：金属、陶瓷、有机高分子聚合物和复合材料。材料化学结构的不同导致了其完全不同的机械和物理性质，也就需要用不同的制造方法。复合材料是由金属、陶瓷、有机高分子聚合物中的两种或多种材料通过物理和化学复合形成的材料。三类基本材料和它们的复合材料之间的关系如图l-4所示。图1-4 制造中的材料1.4.1 金属金属常用于制造的金属是合金，它由两种以上的元素构成，其中至少一种是金属。金属可分为两类：黑色金
17、属和有色金属。1黑色金属黑色金属黑色金属常指铁基合金，它又可分为两类：钢和铸铁。它们都是铁和碳的合金，是最为常用的金属材料，占世界金属用量的3/4。2有色金属有色金属有色金属包括铝、铜、金、锰、镍、银、钛、锌等其他金属及其合金，其中铝最易加工，而镍和钛最难加工。在绝大部分情况下，有色金属合金比纯有色金属更有商业应用价值。1.4.2 陶瓷陶瓷陶瓷通常被定义为由金属(半金属)和非金属元素组成的化合物。典型的非金属元素是氧、氮和碳，有时也将不符合上述定义的钻石列入陶瓷。陶瓷包含大量传统的和现代的材料，有些传统陶瓷已经被用了上千年，如砖、瓦和陶；还有些如玻璃(主要成分是SiO2)、矾土(Al2O3)和
18、碳硅化物(这两种材料被广泛用作磨料)。现代陶瓷通过现代工艺方法强化其性能，如被广泛用作刀具材料的金属碳化物(碳化钨、碳化钛)和用作刀具和磨料的氮化物(氮化钛和氮化硼)。从加工工艺的角度，陶瓷被分为结晶陶瓷和玻璃。结晶陶瓷首先用各种方法制成粉末，再用热压方法(将粉末加热至熔点以下，加压形成粉末间的粘结)成型；玻璃陶瓷能被熔化和铸造，再用传统的工艺(如吹制)成型。1.4.3 聚合物聚合物聚合物是一种由重复结构单元所构成的化合物，这种重复结构单元称为链节，它们的原子共享电子形成大分子。聚合物通常包含一个碳加上一个或多个其他元素，如氢、氮、氧和氯。聚合物可分为以下三类：1热塑性聚合物热塑性聚合物热塑性
19、聚合物可以承受多次冷热循环而不会改变其分子结构，常用的热塑性聚合物包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和尼龙。2热硬性聚合物热硬性聚合物当聚合物的分子从热态的塑性状态下再加热会发生化学变化形成一种刚性结构，称为热硬性聚合物。这类聚合物常包括酚醛树脂、氨基树脂和环氧树脂。尽管这类材料被命名为热硬性聚合物，但一些热硬性聚合物是通过非热机理形成的。3橡胶橡胶这类聚合物展现出极好的弹性，包括天然橡胶、氯丁橡胶、硅酮和聚氨酯等。1.4.4 复合材料复合材料复合材料实际上并不能构成独立的一类材料，它是其他三类材料的混合物。复合材料通常包含两相，每一相被独立加工，然后再粘结在一起，获得比单独相更优越的性能。这里，
20、“相”是指同构材料，如固体金属中同类结构的粉末聚合。通常复合材料的结构为粉末或纤维的一相混合于第二相基体中。复合材料既可在自然界中发现，如木材，也可由人造产生。这里我们感兴趣的是人造复合材料，它们包括在聚合物中置入玻璃纤维，如纤维强化的聚合物；在一种聚合物中置入另一种聚合物纤维和将陶瓷置入金属基体中，如碳化钛硬质合金，就是用镍钼做基体粘结碳化钛陶瓷形成金属陶瓷刀具材料。复合材料的性质依赖于它的组成、组分的物理形状和组分结合形成最终材料的方式，一些复合材料又轻、强度又高，它们适用于建造飞机、机车、网球拍和钓鱼竿；另一些复合材料则强度和硬度都高，且在高温下这种性质不变，金属陶瓷刀具材料就是这种材料
21、的一种应用。1.5 制制造造的的工工艺艺制造工艺可以定义为运用一种或几种物理或化学原理，改变材料形状或特性，使之更接近于最终零件/产品。在本书中，制造工艺是指从原材料到产品形成过程中的工艺，而不包括原材料的制备。制造工艺的分类如图1-5所示。图1-5 制造工艺的分类1.5.1 质量不变工艺质量不变工艺1铸造、模塑、粉末冶金铸造、模塑、粉末冶金铸造、模塑是一种将材料加热成液体或半液体注入模具中，材料冷却后成型的工艺。铸造有着非常广泛的应用，其最基本的方法是砂型铸造，还有些特种铸造方法，如熔模铸造、离心铸造、压力铸造和金属成型铸造等。模塑工艺则主要应用于塑料、玻璃等非金属材料的成型。与铸造工艺不同
22、，粉末冶金工艺的原始材料是粉末状的，在特定型腔中加热和加压成型。1)材料适应性铸造几乎适用于所有金属材料，零件重量可从几克到数百吨；模塑工艺则主要应用于非金属材料，如玻璃的加工、塑料的注塑成型、橡胶成型和一些聚合物复合材料的制造。粉末冶金工艺可用于加工陶瓷材料、塑料和金属复合材料。2)成本不论是铸造、模塑或粉末冶金工艺，它们所需要的模具往往成本高、柔性差，如压铸模成本在几万到几百万元人民币，且需要几个月的时间来设计和制造。但考虑到这类工艺往往是大批量生产，把模具费用折合到每个零件时，成本并不高。因此从成本角度看，这类工艺是经济的。铸造一般不需要熟练工人，所以人工费用也较低。3)生产率铸造、模塑
23、和粉末冶金工艺生产效率很高，可达数秒钟一件。其生产准备时间较长，有时数小时甚至数十小时，因此它不适合于小批量生产。4)质量铸造、模塑和粉末冶金工艺通常不作为最终工序，一般需要进一步加工。砂型铸造的表面粗糙度通常在25m左右，即使是压铸，其表面粗糙度也在12m。对于铸造，气孔和尺寸精度是主要的质量问题。5)柔性铸造、模塑和粉末冶金工艺的柔性相当有限，因为产品的形状取决于模具。2材料变形工艺材料变形工艺材料变形工艺是借助外力的作用，使坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的零件的工艺。常用的材料变形工艺有锻压、轧制、挤压和拉拔等。1)材料适应性各类钢和大多数有色金属及合金都有一定的
24、塑性，因此它们均可在热态和冷态下进行材料变形加工，对于一些聚合物有时也能用此工艺进行加工。2)成本与铸造工艺类似，材料变形工艺所用的装备和模具都很昂贵。考虑每个模具可生产大量的产品，因此当进行大批量生产时，材料变形工艺仍然是足够经济的。另外材料变形工艺不需要熟练工人，其劳动力成本较低。3)生产率材料变形工艺的生产效率很高，可达每小时5000件，但它的生产准备时间较长，有时达数十小时，因此它主要应用于大批量生产。4)质量热锻压的表面粗糙度通常在50m左右，而精密冲压其表面粗糙度可达0.8m。变形过程会使工件硬化从而增加强度，而过分变形则会产生裂纹。5)柔性因为零件的形状取决于模具，因此材料变形工
25、艺的柔性较低。零件改变，模具也需要相应改变。3连接成型工艺连接成型工艺连接成型工艺也叫结合工艺。结合工艺分为两大类：永久性的结合工艺，如焊接、粘结等；非永久性的结合工艺，如螺纹连接工艺、铆接工艺等。最常用的永久性结合工艺是焊接，包括弧焊、气焊、激光焊接等，锡焊则较广泛地应用于电子工业，它主要用于没有负载的场合；粘结也是一种常用的永久性结合工艺，它被广泛地运用于聚合物、复合材料的装配中。机械紧固是一种常用的非永久性结合工艺，一些机械紧固方法允许有一些自由度，如铰链和滑道。另外有一类特殊的半永久结合工艺，如铆接工艺和机械装配过程中使用的由孔和销过盈配合所形成的连接。1)材料适应性金属材料的结合工艺
26、性最佳，不论是焊接还是螺纹紧固都可用于金属材料的零件，粘接可较好地运用于聚合物材料和复合材料。2)成本结合工艺设备和工具的成本很低，但需要熟练工人来确保质量，因此其劳动力成本相对较高。3)生产率结合工艺是一种劳动密集型工艺，特别对复杂产品的装配。结合工艺通常需要较多的预处理(如表面清理)，而工艺完成后还需要一个时效时间。与成型工艺相比，结合工艺的生产率较低。4)质量由于缺乏有效的无损探伤手段，结合工艺的质量较难控制，质量的稳定性有待进一步提高。5)柔性由于材料结合工艺的装备特点，它的批量柔性和形状柔性都非常好。1.5.2 质量减少工艺质量减少工艺质量减少工艺也叫材料去除工艺，是最常用的制造工艺
27、之一。根据去除材料的机理，可将材料去除工艺分为以下四类：(1)机械加工工艺：用刀具克服被加工材料的强度；(2)热加工工艺：热能熔化或汽化工件材料；(3)电化学加工工艺：通过电场产生电化学反应，断开原子连接，从而去除工件材料；(4)化学加工工艺：通过化学反应，断开原子连接，从而去除工件材料。最常用的材料去除工艺是切削加工工艺，如车削、钻削和铣削；另一类常用的精密材料去除工艺是磨削(包括研磨和抛光)，它利用磨粒(砂轮)去除工件材料，特点是加工精度较高和能加工较硬的材料。其他的材料去除工艺常被称为非传统加工(或特种加工)，如能束加工(激光束、电子束和离子束)、电加工(电火花和线切割)等。1材料适应性
28、材料适应性材料去除工艺最适宜于各类钢和大多数有色金属及合金，是材料适应性最好的工艺之一。一些聚合物和复合材料也能用此工艺进行加工。2成本成本与铸造工艺和变形工艺相比，材料去除工艺的装备和刀具相对便宜，如通常的金属切削机床价格是10100万元/台，刀具是101000元/把。但由于材料去除工艺常需要编程确定刀具和工件的相对运动(普通机床加工除外)，因此它对工人的要求较高，其劳动力成本较高。3生产率生产率与铸造工艺和变形工艺相比，材料去除工艺的生产率较低，因为它需要多个工序才能完成特定的工艺要求。它的材料去除率取决于工件材料、刀具材料、切削液和所要求的表面质量，一般为1mm3/s(磨削)107mm3
29、/s(铣削)。材料去除工艺的生产准备时间相对较短(几分钟到几十分钟)，因此适用于小到中批量生产。4质量质量材料去除工艺的质量分为两大方面：表面纹理(外部质量)和表面完整性(内部质量)。表面纹理包括表面粗糙度、几何特性(如尺寸精度)和一些宏观效应(如表面缺陷)；表面完整性包括残余应力和微观裂纹等。表面质量取决于工艺和被加工材料的特性，它最终决定了零件的机械特性及其使用中的可靠性。材料去除工艺的尺寸精度范围为0.1m0.1mm，表面粗糙度为0.01250m，具体值取决于特定的工艺方法和工艺参数。5柔性柔性材料去除工艺是最为柔性的工艺之一，因为最终工件的形状取决于刀具形状和刀具与工件之间的相对运动。
30、材料去除工艺的形状适应性、大小适应性、质量适应性都很好。1.5.3 质量增加工艺质量增加工艺质量增加工艺也叫增材制造工艺，是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的工艺过程。增材制造技术还有快速原型、快速成型、快速制造、3D打印等多种称谓。质量不变制造工艺中的铸造、模塑、粉末冶金、锻压、轧制、挤压和拉拔等，其制造过程都需要大量的工装模具。质量减少工艺中的切削加工等都会浪费很多材料，据统计，我国大型航空铝合金零件的材料利用率非常低，平均不超过30%，大量的材料变成了切屑。由此带来加工成本的上升。通过增材制造工艺，可以节省材料2/3以上，数控加工时间减少一半以上，同时无需模具，从而能
31、够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，节省经费和制造时间。1.5.4 性能强化工艺和表面工艺性能强化工艺和表面工艺性能强化工艺主要是指热处理工艺，如淬火和退火等，其工艺目的不是改变形状而是改变基体的材料性能。表面工艺则指清洗、涂层(电镀、喷漆等)、薄膜工艺(化学气相沉积、物理气相沉积等)和表面处理(喷丸、喷砂等)。表面工艺的目的是防腐、美观、抗磨损、抗疲劳损坏和作为下一工序的准备工序。1.6 制制 造造 系系 统统制造系统是由制造过程所涉及的硬件、软件和制造信息等组成的一个具有特定功能的有机整体。一个制造产品的生产线、车间乃至各个工厂都可以看作不同规模和层次的制造系统；柔性制造系统
32、、计算机集成制造系统也是一种制造系统。1.6.1 制造系统的组成制造系统的组成制造系统可看成是由物料流、信息流和资金流三大部分组成的系统，如图1-6所示。这里物料流是指原材料转变、存储、运输的过程；信息流是指围绕制造过程所用到的各种知识、信息和数据的采集、处理、传递、转换和利用。资金流主要是指制造系统运行需要资金购置原材料、外协加工、付工资、日常维护、成品销售后资金回收等。图1-6 制造系统组成 图1-7 一个典型制造企业的组织机构图l-7给出了一个典型制造企业的组织机构。各个部门的作用如下：(1)市场部：产品市场分析，销售预测，广告，客户关系等。(2)销售部：产品销售，包括合同管理、售后服务
33、、产品定价等。(3)产品开发部：新产品研究与开发，产品文档的编写，小批量的试制等。(4)生产计划与控制部：安排生产计划，控制生产过程，包括库存控制、生产能力计划、生产计划和生产控制等。(5)制造部：生产出零件或最终产品，包括完成各种制造和装配工序、设备维护、质量保障等。(6)采购部：原材料、外购件和设备的采购等。(7)财务部：企业资金管理，包括账务管理、预算审查、投资评估、成本核算等。(8)人力资源部：管理企业员工，包括招聘与解聘、业绩考核、工资与福利分配等。1.6.2 制造系统的分类制造系统的分类针对不同的特定制造任务，需要不同类型的制造系统。制造系统常有以下两种分类。1按生产批量分类按生产
34、批量分类(1)小批量制造系统：一般批量为1l00件/年，特点是产品的品种繁多而生产量少。为保证最大柔性，生产设备通常采用通用的，设备按工艺专业化布置，生产工人通常要求具有较高的技巧，这类制造系统的优点是高度柔性，缺点是生产率低。(2)中批量制造系统：一般批量为1005000件/年。中批量制造系统分为两种情况：不同产品之间有大的差异，这种生产按批量生产组织，即设备按工艺专业化布置，按批组织生产；不同产品之间只有小的差异，这种生产的设备按组布置，每一组设备都能完成一类零件的生产。(3)大批量制造系统：一般批量大于5000件/年，常按流水线方式组织生产。2按生产策略分类按生产策略分类根据顾客交货期要
35、求和实际制造系统的生产周期，可选择不同的生产策略来满足顾客的需求。(1)按订单设计：通常产品具有很大的技术复杂性及小的批量，需要根据客户的特殊要求组织设计，并进行制造。典型产品是大型船舶、商用飞机。(2)按订单制造：在产品订货之前已完成设计，按客户订单进行制造，产品的需求通常不可预测。典型产品是高档数控机床、发电机组。(3)按订单装配：在产品订货前已经完成产品设计和零部件的加工，只需要按客户订单进行装配。产品的需求通常是可预测的，而客户需要较短的交货期。典型产品是汽车。(4)备货型制造：制造的产品不直接面对客户而首先存储在仓库。产品具有以下特点：产品很少变化；客户要求的交货期短；客户需求可预测
36、。典型产品是彩电等家用电器。习题与思考题习题与思考题1-1 简述制造业的发展历程。1-2 什么是制造？什么是制造技术？1-3 以实际企业为例说明企业制造能力包括哪几个方面？1-4 制造要素有哪些？分析各制造要素之间的关系。1-5 制造中的工程材料有哪些？说明各种材料制品所适用的制造工艺。1-6 试分析制造工艺的特点，比较不同制造工艺的成本、时间、质量和柔性。1-7 什么是制造系统？制造系统由哪些部分组成？1-8 制造系统有哪几类？各有什么特点？第二章 机械精度设计2.1 概概述述2.2 尺寸精度设尺寸精度设计计2.3 几何精度设几何精度设计计2.4 表面质表面质量量习习题与思考题题与思考题2.
37、1 概概 述述机械精度设计时，需要根据机械的功能要求，正确地对机械零件的尺寸精度、几何精度以及表面质量要求进行设计，并将它们正确地标注在零件图、装配图上，如图2-1中的等。图2-1 圆柱齿轮减速器输出轴零件图本章主要介绍机械零部件加工精度的国家标准，其中包括尺寸精度设计的国家标准、几何精度设计的国家标准、表面粗糙度的国家标准、材料的光泽度和表面装饰性处理的方法。其目的是通过对国家标准的学习，理解并初步掌握这些标准的运用。2.2 尺寸精度设计尺寸精度设计2.2.1 极限与配合的基本术语极限与配合的基本术语1互换性与标准化概念互换性与标准化概念1)互换性的基本概念机器制造中零部件的互换性是指同一规
38、格的一批零件(或部件)，装配前，不需选择；装配时，不需修配和调整；装配后，能满足使用性能要求。在日常生活中到处可以用到互换性。例如，家里的灯泡坏了，随便买一个安上即可，不管它是什么品牌或由哪一个厂家生产；自行车轴承坏了，换上同型号的新轴承就行了；机器或仪器上一个螺钉掉了，换上同规格的新螺钉就能继续使用。之所以能这样方便，就是因为灯泡、轴承、螺钉等零件都具有互换性。互换性在机械制造中有着很重要的作用。从使用方面看，如果零件具有互换性，当零件磨损或损坏后，可立即用一个新的备件代替，显著地减少了机器的维修时间和费用，保证了机器工作的连续性和持久性，从而提高机器的使用价值。从制造方面看，只有零件具有互
39、换性，才有可能把一台机器的成千上万个零部件分散到不同车间、工厂进行高效率专业化生产，甚至采用计算机辅助制造(CAM)，提高产品的产量和质量，降低生产成本。另一方面，由于零件具有互换性，装配时不需辅助加工或修配，使装配工人的劳动强度大大地减轻，生产周期缩短，易于实现装配自动化。从设计方面看，按互换性要求进行产品设计，最有利于采用标准件、通用件，因而大大地简化设计、计算、绘图等工作，可缩短设计周期，且便于用计算机辅助设计(CAD)。互换性原则是当前和今后生产中不可缺少的重要生产原则和有效的技术措施。在机械制造业中，使零部件具有互换性的基础是实现标准化。没有标准化，就没有互换性。2)标准化概念标准化
40、是为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动。标准是为在一定的范围内获得最佳秩序，对活动或其结果规定共同的和重复使用的规则、导则或特性的文件。该文件经协商一致制定并经一个公认机构的批准。标准化是一个活动过程，这个过程包含制定、贯彻、修订标准，循环往复，不断提高。在机械制造中，标准化是实现互换性的必要前提。标准按一般习惯可分为技术标准、管理标准和工作标准。技术标准即技术法规，是从事生产、建设工作以及商品流通等的一种共同技术依据，它以生产实践、科学试验及可靠经验为基础，由有关方面协调制定，标准经一定程序批准后，在一定范围内具有约束力，不得擅自修改或拒不执行。
41、我国的技术标准分为国家标准、专业标准、地方标准和企业标准四级。此外，从世界范围看，还有国际标准与区域标准。我国国家标准分国标和国军标，分别用符号GB和GJB表示。国际标准化机构有三个：国际标准化组织(ISO)，它制定的标准用符号ISO表示；国际电工委员会(IEC)，它制定的标准用符号IEC表示；国际电信联盟(ITU)，它制定的标准用符号ITU表示。标准化是组织现代化生产的重要手段，是实现专业化协作生产的必要前提，是科学管理的重要组成部分，是使整个社会经济合理化的技术基础，也是发展贸易、提高产品在国际市场上竞争能力的技术保证。2孔和轴的定义孔和轴的定义1)孔(hole)孔通常是指工件的圆柱形内表
42、面，也包括非圆柱形内表面(由两平行平面或切平面形成的包容面)，如图2-2(a)所示。2)轴(shaft)轴通常是指工件的圆柱形外表面，也包括非圆柱形外表面(由两平行平面或切平面形成的被包容面)，如图2-2(b)所示。图2-2 孔、轴示意图3尺寸的术语和定义尺寸的术语和定义1)尺寸(size)尺寸是以特定单位表示线性尺寸值的数值。一般情况下，尺寸只表示长度量(线值)，如直径、长度、宽度、高度、中心距等。标准规定，图样上的尺寸以毫米(mm)为单位时，不需标注单位的名称或符号。例如图2-1中圆柱齿轮减速器输出轴的总长度尺寸为260 mm。2)公称尺寸(basic size)公称尺寸是设计时给定的尺寸
43、。即由设计人员根据使用要求，通过强度、刚度计算及结构等方面的考虑，并按标准直径或标准长度圆整后所给定的尺寸。在极限与配合中，它也是计算偏差的起始尺寸。孔、轴公称尺寸分别用符号D和d表示。例如图2-1中f45n7 的公称尺寸为f45mm。3)极限尺寸(limits of size)极限尺寸是指孔、轴允许尺寸的两个极端界限尺寸。孔、轴允许的最大尺寸为上极限尺寸，孔、轴允许的最小尺寸为下极限尺寸。孔、轴极限尺寸分别用符号Dmax与Dmin和dmax与dmin表示。例如图2-1中f45n7 的上极限尺寸为f45.042mm，下极限尺寸为f45.017mm。4)实际尺寸(actual size)实际尺寸
44、是指零件加工后通过测量获得的某一尺寸。由于零件存在着形状误差，所以不同部位的实际尺寸不尽相同，故往往把它称为局部实际尺寸。孔、轴的实际尺寸代号分别为Da和da。因为测量误差的存在，实际尺寸并非是真实尺寸，它只是接近真实尺寸的一个随机尺寸。例如按图2-1加工出来的输出轴，f45n7 段经过测量得到的实际尺寸为f45.040 mm。实际尺寸的大小由加工决定，而公称尺寸和极限尺寸是设计时给定的确定尺寸，不随加工而变化。4偏差与公差的术语和定偏差与公差的术语和定义义1)尺寸偏差(deviation)尺寸偏差(简称偏差)是指某一尺寸(极限尺寸、实际尺寸等)减其公称尺寸所得的代数差。它分为极限偏差和实际偏
45、差。上极限尺寸减去其公称尺寸所得的代数差称为上偏差，孔和轴的上偏差分别用ES和es表示；下极限尺寸减其公称尺寸所得的代数差称为下偏差，孔和轴的下偏差分别用EI和ei表示。上偏差和下偏差统称为极限偏差。各种偏差可用下列关系式表示：各种偏差可以为正、负或零值。偏差值除零外，前面必须冠以正、负号。尺寸的实际偏差必须介于上偏差与下偏差之间，该尺寸才算合格。极限偏差用于控制实际偏差。2)尺寸公差(size tolerance)尺寸公差(简称公差)是指允许尺寸的变动量。它等于上极限尺寸减下极限尺寸之差，也等于上偏差减下偏差之代数差的绝对值。孔和轴的公差分别用TD和Td表示。公差与极限尺寸和极限偏差的关系如
46、下：值得注意的是，公差与偏差是有区别的，偏差是代数值，有正、负号；而公差是绝对值，没有正负之分，计算时决不能加正、负号，而且不能为零。3)零线与公差带图2-3是极限与配合的示意图，它表明了两个相互结合的孔、轴的公称尺寸、极限尺寸、极限偏差与公差的相互关系。在实际应用中，为简单起见，一般以公差带图(见图2-4)来表示。通过该图可以看出，公差带图由零线和公差带两部分组成。零线(zero line)是在公差带图中表示公称尺寸的一条直线，即零偏差线，以其为基准确定偏差和公差(见图2-3)。通常，零线沿水平方向绘制，正偏差位于零线上方，负偏差位于零线的下方。图2-3 极限与配合示意图 图2-4 公差带图
47、公差带(tolerance zone)在公差带图中是由代表上偏差和下偏差或上极限尺寸和下极限尺寸的两条直线所限定的一个区域。它是由公差大小和其相对零线的位置，如基本偏差来确定的。公差带的大小，即公差值的大小，它是指沿垂直于零线方向计量的公差带宽度。沿平行于零线方向的宽度，画图时任意确定，不具有特定的含义。在画公差带图时，应注意用不同方式区分孔、轴公差带，其相互位置与大小则应用协调比例画出。公称尺寸以毫米(mm)为单位标出，公差带的上、下偏差用微米(m)为单位标出，也可用毫米(mm)。上、下偏差的数值前冠以“+”或“-”号，零线以上为正，零线以下为负。与零线重合的偏差，其数值为零，不必再标出。5
48、配合的术语和定义配合的术语和定义1)配合(fit)配合是指公称尺寸相同的、相互结合的孔、轴公差带之间的关系。配合指的是一批孔、轴的装配关系，而不是指单个孔与单个轴相结合的关系。配合的性质(松紧程度)取决于孔与轴公差带之间的相对位置。2)间隙(clearance)或过盈(interference)间隙或过盈是指孔的尺寸减去相配合的轴的尺寸所得的代数差。此差值为正时称做间隙，用X表示；为负时称做过盈，用Y表示。3)配合的种类(1)间隙配合(clearance fit)。它是指具有间隙(包括最小间隙等于零)的配合。此时，孔的公差带在轴的公差带之上(见图2-5(a)，其极限值为最大间隙(Xmax)和最
49、小间隙(Xmin)。它们的平均值叫做平均间隙(Xav)。(2)过盈配合(interference fit)。它是指具有过盈(包括最小过盈等于零)的配合。此时，孔的公差带在轴的公差带之下(见图2-5(b)，其极限值为最大过盈(Ymax)和最小过盈(Ymin)。它们的平均值叫做平均过盈(Yav)。(3)过渡配合(transition fit)。它是指可能具有间隙也可能具有过盈的配合。此时，孔的公差带与轴的公差带相互交叠(见图2-5(c)，其极限值为最大间隙(Xmax)和最大过盈(Ymax)。它们的平均值是间隙还是过盈，这要取决于平均值的符号：为“+”号时为平均间隙，为“-”号时为平均过盈。图2-5
50、 配合类型4)配合公差配合公差是允许间隙或过盈的变动量。它用代号Tf表示。间隙配合：过盈配合：过渡配合当公称尺寸一定时，配合公差Tf表示一批孔、轴中，各对孔、轴结合后的松紧不一致的程度，即配合精度。它既是使用要求，也是设计要求。而孔的公差TD与轴的公差Td分别表示孔、轴加工的精确程度，是制造要求。通过关系式，将这两个方面的要求联系在一起，若使用要求或设计要求提高，即Tf减小，则(TD+Td)也要减小，即制造要求提高，加工将更困难，成本也将提高。所以，合理地解决这个等式，也就是合理地解决设计与制造的矛盾。上述例题的公差与配合图解如图2-6所示。图2-6 公差与配合图解5)配合制在工程实践中，为了
