1、机械制造装备设计,本课程选用教材,赵雪松等主编.机械制造装备设计.武汉：华中科技大学出版社，2009.11,本课程参考教材,冯辛安主编.机械制造装备设计.北京：机械工业出版社，2008 赵永成主编.机械制造装备设计.北京：中国铁道出版社，2002 杜君文主编.机械制造技术装备及设计.天津大学出版社，1998 戴曙主编.金属切削机床.机械工业出版社，1995 王慧方主编.金属切削机床. 机械工业出版社，1994 龚定安主编.机床夹具设计.陕西科学技术出版社，1992 徐发壬主编.机床夹具设计.重庆大学出版社，1993,本课程参考教材,本课程主要讲述内容,第一章 绪论 第二章 机械制造装备的设计方
2、法 第三章 金属切削机床设计 第四章 机床夹具设计 第五章 金属切削刀具与刀具系统设计 第六章 物流系统及其自动化装置 第七章 工业机器人设计,第1章 绪 论,1.1 机械装备制造业及其在国民经济中的地位 1.2 机械制造装备的分类,1.1 机械装备制造业及其在国民经济中的地位,机械装备制造业是为国民经济各部门进行简单再生产和扩大再生产工具的各制造业的总称，被誉为“母体”工业。主要包括金属制品、通用设备、专用设备、交通运输、武器弹药、电气机械及器材、通信设备计算机及其它电子、仪器仪表及文化办公用机械制造业八大类，其中又以通用设备、专用设备、交通运输、电气机械及器材、通信设备计算机这五大行业为重
3、要组成部分。,随着科学技术的迅速发展，机械制造生产模式发生了巨大的演变。19世纪末20世纪初，制造业开始起家，二次世界大战期间，大规模的军工生产，使得制造业取得了飞速发展。 20世纪50年代，产品品种单一，为了提高生产效率，满足市场需要，广泛采用自动机床、组合机床和专用生产线。在大批大量生产条件下，这种生产方式可实现刚性自动化，大幅度降低成本，极大的提高劳动生产率。 20世纪70年代以后，社会需求日益多样化，市场竞争日益激烈，为了在竞争中求得生存与发展，生产企业不仅要提高产品质量，而且必须频繁地改型，缩短生产周期，以满足市场不断变化的需要。数控机床(NC)就是在这样的背景下诞生与发展起来的，它
4、极其有效地为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。,20世纪70年代初研制出了计算机数控（CNC），使数控机床得到了迅猛发展和普遍应用。 20世纪70年代末80年代初，市场上出现了具有自动化、系统化和柔性化为特点的柔性制造单元（FMC）， FMC比单台数控机床的经济效益有大幅度的提高，特别适用于多品种、中小批量生产。将多个FMC用计算机及传输装置连接起来，加上自动化立体仓库，利用工业机器人进行装配，就可组成更大规模的FMS。 20世纪90年代，随着世界经济的发展，市场环境发生了巨大的变化，制造商的竞争逐渐全球化。为了赢得竞争的胜利，制造业必须依靠制造技术的改进和管理方法的创新不断
5、开发出符合用户不同要求的新产品。,数控机床、加工中心、柔性制造系统、集成制造系统、虚拟制造、敏捷制造等不断出现的新的先进制造技术和新的先进生产模式增强了企业的生产能力和市场适应性，产品结构走向多样化，产品性能大幅度提高，机械制造业呈现出激烈的国际性竞争的高速发展势态。,机械制造业的发展过程,第一阶段 从1870年到1950年左右，纯机械控制及其电液控制的刚性自动化加工单机和系统得到长足发展。 1870年美国发明了自动制造螺丝的机器，继而于1895年发明多轴自动车床，它们都属于典型的单机自动化系统，都是采用纯机械方式控制的。,第二阶段 从1952年到1965年数控技术（NC），特别是单机数控得到
6、飞速发展。数控技术的出现是自动化制造技术发展史上的一个里程碑，它对多品种、小批量生产的自动化意义重大，几乎是目前经济性实现小批量生产自动化的唯一实用技术。1952年第一台数控机床于在美国的麻省理工学院研制成功。从1956年开始就逐渐在中、小批量生产中得到使用。1953年，又研制成功著名的数控加工自动编程语言（APT），为数控加工技术的发展奠定了基础。 1958年，第一台具有自动换刀装置和刀库的数控机床即加工中心（MC）在美国研制成功。 1965年出现的计算机数控机床（CNC）具有很重要的意义，因为它的出现为实现更高级别的自动化制造系统扫清了技术障碍。,第三阶段 从1967年到80年代中期，是以
7、数控机床和工业机器人组成的柔性自动化制造系统（FMS）得到飞速发展的时期。1967年英国研制成功计算机控制6台数控机床的可变制造系统。这个系统被称为最早的柔性制造系统，它的出现成功地解决了多品种、小批量复杂零件生产的自动化及降低成本和提高效率的问题。同一年，美同的和日本也相继研制成功计算机控制的数控系统。 1969年日本研制出按成组加工原则的可变加工系统，1969年美国又研制出工业机器人操作的焊接自动线。随着工业机器人技术和数控技术的发展和成熟，70年代初出现了小型自动化制造系统即柔性制造单元。柔性制造单元和柔性制造系统成为当前自动化程度最高并且实用的系统。,第四阶段 从80年代至今，制造自动
8、化系统的主要发展是计算机集成制造系统（CIMS），并被认为是21世纪制造业新模式。CIM由美国人约瑟夫哈林顿于1974年提出，其基本思想是借助于计算机技术、现代系统管理技术、现代制造技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术，将制造过程中有关的人、技术和经营管理三要素有机集成，通过信息共享以及信息流与物流的有机集成实现系统的优化运行。 CIMS技术是集现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程于一体的系统工程。是基于CIM思想而组成的系统，是应用CIM思想综合并发展了企业生产各环节有关的计算机辅助技术，是CIM的具体实现。如果说CIM是组织现代化企业的一种哲理，而CIMS则应理解为一
9、种工程技术系统。,90年代信息科学和技术的发展，使全球经济打破了传统的地域经济发展模式，全球经济一体化的进程加快。为了快速响应市场，提出了许多新的生产制造模式，例如以精益生产、敏捷制造和柔性生产为一体的精益一敏捷一柔性系统，该生产系统是全面吸收精益生产、敏捷制造和柔性制造的精髓，包括了全面质量管理（TQCS）、准时生产（JIT）、快速可重组制造和并行工程等现代生产和管理技术，是21世纪很有发展前景的先进制造模式。,新的生产制造模式的主要特征是：,1)以用户的需求为中心； 2)制造的战略重点是时间和速度； 3)以柔性、精益和敏捷作为竞争的优势； 4)技术进步、人因改善和组织创新三项并重； 5)实
10、现技术、人、组织和管理资源的快速有效集成； 6)组织形式采用 “虚拟公司”在内的多种类型。,我国的机械制造业主要表现在以下几个方面： 1）产品品种少、档次低； 2）制造工艺落后、装备陈旧； 3）生产专业化水平低； 4）管理水平落后； 5）劳动生产率低。 改造后的机械制造装备应具有柔性化、自动化和精密化等特点，以便更好地适应市场经济的需要，适应多品种、小批量生产和经常更新品种的需要。,机械制造装备及制造业动态动态,机械制造业的作用及现状 1、制造业是国民经济的支柱产业，是国家综合制造能力的集中体现； 2、重大装备研制能力是国家工业现代化水平和综合国力的重要标志。 3、从十一五开始，国家将振兴装备
11、制造业作为推进工业结构优化升级的主要内容，数控机床是重点之一。,我国机床制造业布局： 东北：数控车床、加工中心、重型机床和锻压设备、量具刃具； 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； 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、工具盒功能部件； 中部：重型机床和数控系统； 环渤海：加工中心和液压压力机； 珠三角：数控系统基地，数控车床和数控系统、功能部件等。,机械制造装备及制造业动态动态,机械制造生产模式的演变 20世纪50年代 “刚性”生产模式，“一个工人、一把刀、一台机床”，生产率低、质量
12、不稳定；“少品种、大批量”“规模效益” 20世纪70年代 改善生产管理进一步提高质量，降低成本，如“成组技术”等； 20世纪80年代 引进：数控机床、机器人、柔性制造，强调“柔性、自动、精密” 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（S
13、tockless Production） ERP(Enterprise Resource Planning）物流、人流、财流、信息流,机械制造装备及制造业动态动态,20世纪末期 数字化设计与制造应用日趋广泛； 数字化制造在虚拟现实、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个制造过程。 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)、精益-敏捷-柔性生产系统、快速可重组制造、全球制造等。 敏捷制
14、造将柔性生产技术、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 快速可重组制造和并行工程是21世纪先进制造模式，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，并兼顾质量和品种；以柔性、精益和敏捷为竞争优势。,名词解释三轴至五轴,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，
15、控制路径轴 X、Y、Z,机械制造装备及制造业动态动态,机械制造装备的发展趋势 高效、高速、高精度 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） 多功能复合化、柔性自动化 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。 绿色制造与可持续发展战略 绿色制造过程设计、绿色生产与工艺、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 智能制造与智能化装备 智能加工机床、工具和材料传送、检验和实验装备等智能化； 具有数控加工能力外，还具有
16、感知、推理、决策、控制、通信、学习等智能功能。,机械制造装备及制造业动态动态,智能制造与智能化装备（续） 日本智能机床（Intelligence 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能提示； 美国制造工程控制实验室（MEL）认为，智能机床功能： 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
17、床内部信息流、更新及操作查询； 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应用模型，具有自学习能力。,直接驱动技术； 高定位精度和重复定位精度,概念解释五轴加工机床,立式五轴加工中心的回转轴有三种方式：（四轴一般是卧式） 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
18、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） 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） 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）,（1、3为俯垂型：旋转轴不与直线轴相垂直,机械制造过程： 机械制造装备： 加工装备、工艺装备、仓储传送装备、辅助装备 加工装备（机床，制造机器的机器，工作母机） 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、齿轮等； 通
19、用、专用、专门化；精密程度；自动化程度；数控等分类,1.2 机械制造装备的分类,1. 金属切削机床,车床 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、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行加工 铣床 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（和）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。 刨床 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。 镗床 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
20、进行钻削、铣削。,1.2.1 加工装备,1.2.1 加工装备,2. 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。 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。 铸造机床 离心铸造、压力铸造等。,概念说明电加工机床,电火花加工 利用工具电极与工件间的脉冲放电现象去除微粒，加工硬导电金属； 包括：穿
21、孔加工、成形、雕刻、展成、磨削等； 电火花线切割 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，放电腐蚀进行切割； 电解加工 金属在直流电流下，电解液中产生阳极溶解进行加工，又称电化学加工； 工件与工具分接正负极，缓慢进给，间隙中流过一定压力电解液；,概念解释超声波加工,超声波加工（主要用于特硬材料，如陶瓷、水晶、石英、玻璃等） 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。 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
22、，附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。 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。,概念解释激光加工机床,激光加工机床 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。 可以加工任何材料、可用于精密微细加工； 特别适合加工微小孔（0.01-0.1）和材料切割（0.1-0.5mm）；,概念解释电子束加工机床,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。 电子束流可取成几微米甚至几分之一微米的小斑点，
23、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。 电子束加工是一种接触式加工，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。 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。 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。 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，特适于加工易氧化材料及纯度要求较高的半导体材料。,概念解释离子束加工机床,在真空条件下，把氩Ar、氪Kr
24、、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 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 离子束加工是在高真空中进行，所以污染少； 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，。 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。 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,概念解释水射流加工机床,）采用水流等液力作为刀具 W
25、ater Jet Cuting简称 WJC，俗称水刀 水切割是一种冷切割，因此无热变形或汽化物 切缝小，可节约材料，降低加工成本 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 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。 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,概念解释锻压机铸造机,1.2.2 工艺装备,工艺装备 刀具 车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀、拉刀等； 模具（加工业每年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
26、具 冷冲模具 锻压模具 夹具 专用夹具 承租夹具 组合夹具 量具 千分尺、百分尺、量规、量块等。,概念解释刀具,概念解释夹具,机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对的于机床和刀具的正确位置，并可靠夹紧工件,概念解释量具,常用量具 游标卡尺 千分尺（螺旋测微仪） 百分表 塞尺 千分表 平板（工件检测或划线的平面基准器具）,1.2.3 物料储运装备,仓储传送装置 仓储 立体仓库等； 物料传送装置 用于流水线或自动线中； 自动运载小车AGV 机床上下料装置 1.2.4 辅助装备 清洗机 排屑装置,1、本章小结,机械制造过程 机械制造装备 加工装备 金属切削机床（车铣刨磨等） 特种加工机床（电加工、超声、激光、电子束、离子束、水射流等） 锻压机床 铸造机床 工艺装备 刀具、模具、夹具、量具； 仓储传送装备 仓储、物料传送、机床上下料 辅助装备 机械制造装备动态 高效、高速、高精度 多功能复合化、柔性自动化（解释了五轴加工） 绿色制造与可持续发展战略 智能制造与智能化装备（何为智能？） 感知自标定、监测优化并误差补偿、在线质量评估、自学习 习题：1-2、1-3、1-4、1-5；,
