1、第第1章机械制造概论章机械制造概论 1.1机械制造的现状、机械制造的现状、发展方向和课程任务发展方向和课程任务 1.2机械制造过程、机械制造过程、工艺系统及生产系统工艺系统及生产系统 1.3基本概念和定义基本概念和定义 思考与练习题思考与练习题 1.11.1机械制造的现状、发展方向和课程任务机械制造的现状、发展方向和课程任务 1.1.11.1.1机械制造业的地位、现状机械制造业的地位、现状制造业为人类创造了辉煌的物质文明制造业为人类创造了辉煌的物质文明,其先进与否是一其先进与否是一个国家经济发展的重要标志个国家经济发展的重要标志,制造业所占产值在多数国家的制造业所占产值在多数国家的国民经济中占
2、有重要的比重。全球性竞争和经济发展趋势国民经济中占有重要的比重。全球性竞争和经济发展趋势将制造业产品生产、分销、成本、效率推向了一个新阶段、将制造业产品生产、分销、成本、效率推向了一个新阶段、新境界新境界,也不断向制造业提出了新的任务和挑战。无论是国也不断向制造业提出了新的任务和挑战。无论是国内市场还是国际市场内市场还是国际市场,制造业都将面临复杂多变的外部环境。制造业都将面临复杂多变的外部环境。自从加入自从加入WTOWTO，中国正在成为世界产品制造工厂和生产基地。，中国正在成为世界产品制造工厂和生产基地。今天的制造业,已不能从“机械制造”的狭义角度来理解。只要是对各种各样的原材料进行加工处理
3、,生产出为用户所需要的中间产品或最终产品(它们可以是飞机、汽车、计算机、电子仪器,也可以是服装、鞋帽、食品),都可以归属于“制造业”。由此可见,制造技术的外延正在不断扩大。随着全球制造业之间的竞争日趋激烈,以及全球经济一体化,市场向企业提出了更高的要求。企业要赢得市场,在竞争中获胜,就要以市场为出发点,以用户为中心,快速及时地为用户提供高品质、低价格、个性化的产品。要以最短的产品开发时间(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低的价格和成本(Cost)、最佳的服务(Service)(简称“TQCS”)来赢得用户和市场。机械工业是装备产业,是国民经济的支柱产业,肩负着一个国家制造装备的
4、历史使命。国民经济各部门生产技术的进步、产品质量和经济效益的高低,在很大程度上取决于它所采用的装备的性能和质量。因此机械工业的技术水平和规模是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志。新中国成立后,经过几十年的努力,机械工业已发展成为我国工业中产品门类比较齐全,具有相当规模和一定技术水平的支柱产业之一。制造产品从日常用品到航空、航天,制造市场从国内到国外不断扩大,特别是改革开放以来,通过引进、消化国外先进技术和管理模式,加上国内自行研究开发的成果,机械产品的结构正向着合理化的方向发展,其市场适应能力也明显增强。然而,同发达国家相比,我国的机械工业仍存在着阶段性、地区性和行业性的差距。集中表现为
5、:制造技术的相对落后,在设计方法和手段、制造工艺、制造过程、自动化技术及管理技术诸方面都明显落后于工业发达国家；制造产品和技术更多属于劳动密集型,产品档次和价位较低,对于技术密集型产品的制造则更多依赖国外技术,处于受制于人的局面；制造技术的落后严重制约了机械工业的进一步发展,人员劳动生产率低,机械产品质量差,可靠性低,缺乏竞争能力；再加上受IT等行业的冲击,机械制造的人才数量和质量都显得更加匮乏。1.1.21.1.2机械制造工艺的发展方向机械制造工艺的发展方向先进制造技术先进制造技术与传统制造技术相比,先进制造技术具有以下显著特征:(1)先进制造技术是涉及机械科学、信息科学、系统科学和管理科学
6、的一门综合性学科。(2)先进制造技术除了能够实现优质、高效、低成本外,敏捷制造、可持续发展也成为其追求的重要目标。(3)先进制造技术更加重视技术与管理的结合,重视制造过程的组织和管理体制的精简及合理化,从而产生了一系列技术与管理相结合的新的生产方式。先进制造技术的主要发展趋势有以下方面:制造技术兼顾标准化、系列化、通用化(传统的“三化”)向自动化、集成化和智能化(新的“三化”)的方向发展。如CIM、精良生产、并行工程、敏捷制造等。制造技术向高精度方向发展纳米技术。综合考虑社会、环境要求及节约资源的可持续发展的制造技术将越来越受到重视。绿色制造提上日程。随着全球一体化进程的推进,全球一体化制造越
7、来越受到重视。其中虚拟制造和网络化制造逐步呈现出来。制造技术工艺方法向非传统加工(特种加工)发展,如电火花加工、线切割、电化学、光化学加工、超声加工、快速原模成形技术、激光束、电子束、离子束、水射流、电铸等。为适应复杂多变的市场形式,柔性制造系统(FMS)、柔性装配系统(FAS)将得到更多的应用。近年来,先进制造技术的发展与应用已得到社会的共识,先进制造技术已被列为国家重点科技发展领域,并将企业实施技术改造列为重点,以寻求新的制造策略,建立新的包括市场需求、设计、车间制造和分销集成在一起的先进制造系统。1.1.31.1.3本课程的内容与任务本课程的内容与任务机械制造工艺课程的主要任务之一是介绍
8、典型表面的加工方法,以表面加工归类方式来全面介绍各种加工工艺方法。任务之二是研究零件加工工艺规程的制订步骤、原则和方法。其中主要内容有:毛坯的确定与选择、加工方法的选择、工件的定位及夹紧、加工余量及工序尺寸的计算、加工阶段划分、工序顺序安排、工艺规程编制示例、效率提高的途径等。这些知识是合理编制工艺规程的基础,同时也为计算机进行辅助设计、数控工艺设计，减少工艺编制劳动量及缩短生产准备周期创造了条件。对于装配工艺,应树立装配精度概念、了解各种装配方法及其应用、零件的连接方式及装配工艺规程的编制、装配辅助工序内容、装配组织形式等。为巩固工艺规程编制知识和实际应用能力,本书着重介绍几类典型零件的加工
9、工艺的分析和编制。机械制造不仅要解决“会做”的问题,更要解决“做好”的问题,因而课程对机械加工质量的含义、误差来源及其相应措施做了多方位介绍。采用工装夹具是保证产品质量、改进生产模式、提高劳动生产率及减轻劳动强度的重要手段和措施。书中简要地介绍了机床夹具的常用定位方法、定位元件、夹紧原理及夹紧装置的设计原则、步骤、方法以及各种机床典型夹具的结构。为保证流水线、自动线生产的顺畅进行,物料输送装置是自动化、现代化制造所必需的重要装备和手段。书中主要介绍工件的自动输送、自动上下料机构、自动换刀装置和排屑装置。本课程的具体要求如下:(1)了解制造零件典型表面的加工工艺方法、特点和应用范围；面对零件图,
10、能结合实际选择最佳的加工工艺方法。(2)掌握零件加工工艺规程的制订原则、步骤和具体方法;熟练编制加工工艺过程卡和工序卡;熟悉装配工艺规程制定的一般规律以及各种装配方法的确定。(3)熟悉典型零件的结构特点、用途、毛坯、材料、工艺方法、加工步骤和工艺路线。(4)理解加工质量的内涵、影响要素以及保证或提高质量的各种措施。(5)掌握专用夹具设计的原则、步骤、方法,熟悉各类机床的典型夹具结构。(6)了解机械制造中的有关工件、刀具、夹具、切屑等“物料流”的输送装置的动作原理、典型结构和应用场合。(7)通过案例学习,培养、启发学生从现有的工艺水平和发展方向出发,不断改进产品结构,革新工艺,进行创造性的工艺工
11、作,增强灵活处理、解决现场实际问题的能力。1.1.41.1.4机械制造机械制造(冷加工冷加工)学科的范畴、特点及学习方法学科的范畴、特点及学习方法机械工程科学是一门古老而又年轻的学科,是国家建设和社会发展的支柱学科之一。机械制造是机械工程的一个分支学科,是一门研究各种机械制造过程和方法的科学。其特点表现为实践性、灵活性和综合性强。机械制造工艺过程通常可区分为热加工工艺过程(包括铸造、锻压、焊接、热轧、热处理、表面改性等)及冷加工工艺过程(如车削、钳工、刨削、铣削、镗削、磨削、滚齿、抛光等),本书着重介绍冷加工工艺过程。工艺过程一般是指零件加工工艺过程和部件、产品(机器)的装配工艺过程。零件的机
12、械加工工艺过程是研究如何利用切削加工的原理使工件成形而达到预定的设计要求(即尺寸精度,形状、位置精度和表面质量要求)。装配工艺过程是研究如何将零件或部件进行配合和连接,使之成为半成品或成品,并达到要求的装配精度的工艺过程。机械制造工艺理论具有很强的实践性、灵活性,对初学者来说,会感到有一定的难度。对于生产哲理与管理模式等概念,没有足够的实践基础也很难准确地把握与理解。因此,在学习本课程时,必须加强实践性环节,即通过生产实习、课程实验、课程设计、电化教学、现场教学、工厂调研、案例示例与分析讨论等来更好地体会和加深理解所学内容,并在理论与实际的结合中,培养分析和解决实际问题的能力。1.21.2机械
13、制造过程、工艺系统及生产系统机械制造过程、工艺系统及生产系统1.2.11.2.1制造过程、工艺过程与工艺系统制造过程、工艺过程与工艺系统产品的生产过程主要划分为四个阶段,即新产品开发、产品制造、产品销售和售后服务阶段。其中产品制造过程是将设计零件图样或装配图样转化为实物零件、部件或整台产品的一系列活动的总称。机械制造系统是完成制造过程的各种装置的总和(如图11所示)，其整体目标就是使生产车间能最有效地全面完成所承担的零件机械加工任务。机械制造中,将毛坯、工件、刀具、夹具、量具和其他辅助物料作为“原材料”输入机械制造系统,经过存储、运输、加工、检测等环节,最后作为机械加工后的成品输出,形成“物质
14、流”。由加工任务,加工顺序,加工方法,物料流要求等确定的计划、调度、管理等属于“信息”的范畴而形成“信息流”。制造过程必然消耗各种形式的能量,机械制造系统中能量的消耗及其流程则被称为“能量流”。图11机械制造系统框图 把制造过程中改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和物理、力学性能等,使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。工艺过程可根据其具体工作内容分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、表面处理、装配等不同的工艺过程。机械加工中由机床、刀具、夹具和工件(机、工、刀、夹)组成的相互作用、相互依赖,并具有特定功能的有机整体,称为机械加工工艺系统,简称为工艺系统。由它完成零件制造、加工或装配
15、。工艺系统的整体目标是在特定的生产条件下,适应环境要求,在保证机械加工工件质量和生产率的前提下,采用合理的工艺过程,并尽可能降低工序的加工成本。1.2.21.2.2生产过程与生产系统生产过程与生产系统不同的企业从自身的实际条件、外部环境等方面综合考虑,组织产品生产的模式主要有:(1)生产全部零部件、组装产品(机器),即“大而全”的传统模式。(2)生产一部分关键的零部件,其余的由其他企业外协供应,再组装整台产品。(3)完全不生产零部件,零件靠外协加工,购回后装配产品,即所谓“大配套”模式。机械工厂的生产过程是以整个机械制造工厂为整体,为了实现最有效的经营管理,以获得最高的经济效益,因此不仅要把原
16、材料、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、油漆、试车、包装、运输和保管等属于物质范畴的因素作为要素来考虑,而且还必须综合分析和考虑技术情报、经营管理、劳动力调配、资源和能源利用、环境保护、市场动态、经济政策、社会问题和国际因素等方面。由此而形成的比制造系统、工艺系统更大的总体系统称为生产系统,见图12。生产系统中同样有物质流、能量流和信息流等子系统贯穿其中,而且比制造系统更为复杂和庞大。生产系统将一个有机的企业整体划分出不同的层次结构,它决定了企业人员的组配、人事、管理等组织架构。图12生产系统基本框图 1.31.3基本概念和定义基本概念和定义1.3.11.3.1工艺过程的基本概念工艺过程的基本
17、概念机械加工工艺过程是指用机械加工方法(主要是切削加工方法)逐步改变毛坯的形态(形状、尺寸以及表面质量),使其成为合格零件所进行的全部过程。它一般由工序、工步、走刀等不同层次的单元所组成。1.1.工序工序一个或一组工人在一个工作地点(设备),对一个或同时对几个工件所连续完成的那部分工艺过程称为工序,简记为“三定一连续”。如图13所示的阶梯轴由6道工序通过6种不同设备完成加工全过程,见表11。判定是否为一个工序的依据主要是看地点是否改变和加工是否连续。当加工对象(工件)更换时,或设备和工作地点改变时,或完成工艺工作的连续性有改变时,则变成另一道工序。所谓连续性是指工序内的工作需先后连续完成,其中
18、不能穿插其他加工工作。例如表11中第1道工序,对某个工件铣完端面后,接着钻中心孔,则为一道工序。图13阶梯轴零件图 表11加工阶梯轴的工序划分和工艺过程 序号 工序名称 工作地点（设备）1 铣端面、钻中心孔 专用机床 2 车外圆、端面、倒角 车床 3 铣键槽 铣床 4 去毛刺 钳工台 5 热处理 处理炉 6 磨外圆 磨床 2.2.工步工步一道工序(一次装夹或一个工位)内,零件可能有多个表面需要加工,也可能虽只加工一个表面,但却要用若干把不同刀具,或虽用一把刀具,但却要用若干种不同切削用量分作多次加工。在加工表面、切削刀具和切削用量(仅指转速和进给量)都不变的情况下连续完成的那部分工艺过程,称为
19、一个工步,简记为“四同一连续”。图14所示为基体零件的孔加工工序,它由钻、扩、锪三个工步组成,3个工步分别使用了钻头、扩孔刀和锪刀3种不同的刀具。对于六角自动车床的加工工序来说,六角头(或转塔)每转换一个位置,一般是改变了切削刀具、加工表面以及机床的主轴转速和走刀量,这样就构成了不同的工步,如图15所示。有的情况,为提高生产效率,可把几个加工表面用几把刀具(或组成复合刀具)同时进行加工,这通常看做是一个工步,称为复合工步,如图16所示。图14基座孔加工工步 图15六角转台车床的不同工步 图16复合工步 3.走刀在一个工步中如果由于加工余量较大等原因(如工件刚度受限、刀具强度不足、粗糙度要求),
20、需要同一把刀具及同一切削用量对同一表面进行多次切削操作,其中刀具对工件的每一次切削操作就称为一次走刀，如图17所示。图17以棒料制造阶梯轴工步和走刀划分 4.4.装夹装夹工件在机床或夹具中定位并夹紧的过程称为装夹。它是指在进行一道工序的加工时,将一个(或数个)工件固定在机床上的夹具内,或直接固定在机床工作台上的过程。各加工工序都有这一辅助过程,在某些工序中为加工不同表面需多次装夹。5.5.工位工位在一个工序中,有时为了减少因多次装夹而带来的装夹误差及时间浪费,常采用转位或移位装置(移位/转位工作台或转位夹具)来实现多工位加工。在一次装夹中,工件与夹具或机床可动部分一起相对于刀具或机床固定部分所
21、占据的每一个位置称为工位,如图18中就有装/卸工位、钻孔工位、扩孔工位和铰孔工位等4个工位。图18多工位加工 图19工序与装夹、工位及工步、走刀间的关系 1.3.21.3.2生产纲领和生产类型生产纲领和生产类型工艺过程的要求是优质、高产和低消耗。由于产品的种类和数量不同,其合理的工艺路线也大不相同。对各种机械产品的需要量取决于它的类型和用途。产品的类型和用途不同,生产类型也不同。某些产品只需要单件生产,某些产品却需要成批,甚至大量生产。生产纲领是指工厂的生产任务,其内容包括产品对象(结构型号和类别),全年或季度或每月的产量。产品中某零件的生产纲领,除了年生产计划数量外,还必须包括它的备品量及平
22、均废品量,即 式中:N零件的生产纲领(年产量,件年);Q产品的年产量,台年;n每台产品中所含该零件的数量,件台;零件的备品百分率;零件的废品百分率。N=Qn(1+)(11)零件的年生产纲领按下列公式计算:生产纲领对工厂的生产过程、工艺方法和生产组织起决定性的作用,包括决定各工作地点的专业化程度、所用工艺方法、机床设备和工艺装备(工艺装备是指刀(工)具,夹具,量具,辅助工具和物料输送装置等),因此也就对产品的优质、高产、低消耗问题起决定性作用。同一种产品由于生产量不同(也就是生产纲领不同),就可以有完全不同的生产过程,因此研究产品的制造工艺就必须了解各种生产类型的工艺特点。由于产品结构与工艺有密
23、切关系,所以对产品设计者来说,也必须根据所设计产品的生产类型的工艺特点,合理地确定其结构形状和技术要求。表12生产类型划分参考值 同类零件的年产量(件)生 产 类 型 重 型 零 件 中等零件 小型零件 单 件 生 产 5 10 1000 5000 50000 1.1.单件生产单件生产单件生产是指制造的产品数量不多,生产过程中各工作地点的工作完全不重复,或不定期重复的生产。单件生产的产品一般是需要量不大,或是生产劳动量很大,生产周期很长,投资额巨大的产品。例如重型机械、轧钢机、大型船舶、航空母舰和航天飞机的生产,各种精密机械的试制过程,一般都属于单件生产。单件生产中所用设备,除了有特殊技术要求
24、的工件外,绝大多数采用通用设备和通用的工艺装备,现代制造中越来越多地采用数控机床。机床在车间内按类型排列,一般利用划线和试切方法加工零件。零件的加工质量和生产率主要依靠操作技术好的工人来保证。单件生产的工艺特点是能适应产品品种多变和产量小的特点。2.2.成批生产成批生产成批生产是指产品成批地投入制造,通过一定的时间间隔生产呈周期性的重复。成批生产的标志是在每一工作地点周期性地完成若干个工序。如通用机床、光学仪器、液压传动装置、火炮、车辆等的生产均属于成批生产。每批制造的相同产品的数量称为批量。根据批量的大小,又可将成批生产分为大批、中批和小批生产三种类型。小批生产与单件生产的工艺特点比较接近,
25、大批生产与大量生产的工艺特点比较接近。在成批生产中,一方面采用通用设备和通用工艺装备,另一方面也采用专用设备和专用工装。车间中设备的布置应考虑零件加工顺序,制订的工艺规程比单件生产时所用的详细。在零件的生产过程中较多地采用尺寸自动获得法加工,因而对工人的操作技术水平的要求可以较低。某些零件的制造过程可以组织流水线生产。3.大量生产大量生产是指一种产品长期地在同一工作地点进行的生产,其主要标志是每一工作地点长期固定地重复同一工序。大量生产的产品一般是具有广泛用途而类型比较固定的产品,如汽车、拖拉机、轴承、缝纫机、自行车、弹药、轻武器等。大量生产的主要特征是广泛采用专用的设备和工艺装备,它们在车间
26、的布置都按工艺先后顺序排列,并采用流水生产的组织形式,生产过程的机械化和自动化程度最高,主要采用尺寸自动获得法加工,工艺规程的制订工作非常细致。在成批和大量生产的条件下都可采用流水生产组织,它是指这样一种生产过程:工件经某一工序加工完毕后随即(或稍经停留)交给下一工序进行加工。流水生产的主要特征如下:(1)每一工序在固定工作地点进行。(2)按工序的先后顺序排列工作地点。(3)生产有节奏(或称节拍性)。节拍是指生产中每一个工序所规定的时间指标,即要求各工序的工作时间同期化(各工序时间都与生产所规定的节拍相等或成其整数倍)。思考与练习题思考与练习题 11什么是生产过程、工艺过程、机械制造工艺过程?12什么是工序、工步、走刀、装夹和工位?13划分工序的主要依据是什么?如何划分工步?试举例说明。14什么是生产纲领和生产组织类型?15简述各种生产组织类型的特点。16如图110所示零件,毛坯为 35mm棒料,其加工工艺过程是:用锯床切断下料;上车床车端面并钻中心孔;在另一台车床上车外圆至 30mm和 18mm;在第三台车床上车 20mm外圆、车螺纹、倒角;在铣床回转工作台上用两把刀铣四方扁头。试将其工艺过程划分为若干工序、装夹、工位和工步。图110(a)零件图；(b)加工示意图
