机械制造装备设计(1)

机械制造装备设计主讲教师李辉机械工程学院本课程的主要内容和学习方法为适应机械制造工业高速发展的需要，根据现代高新技术的发展，调整机械制造专业课的课程体系和教学内容，建立与现代制造工业高速发展相适应的系统的知识体系，使学生不仅要掌握坚实的机械制造专业基础知识，而且还要学习和了解大量的本专业的新知识和新技术，不断拓宽知识面；注重学生专业能力和综合能力的培养，提高学生毕业后对工作环境的专业适应性。1）本课程的主要内容本课程在《机械制造工程学》等机械类专业课程的基础上，以机械制造装备、机械制造物流系统和机械加工生产线为主的教学内容，以培养适应现代制造工业发展的综合性人才，以注重学生专业基础能力和专业适应能力培养为目标。本课程是以机械制造装备设计原理为主线，以现代制造技术为龙头的一门综合性与系统性的机械制造专业课程。本课程力图达到强化机械制造装备设计、扩大专业知识面、反映专业新技术和发展趋势、注重学生专业基础能力和专业适应能力培养的目的。本课程所研究的对象主要是机械制造装备设计中所涉及到的有关机械制造的典型设备与工艺装备中的一般规律和基本理论。阐明机械制造装备设计及其制造技术的现状和发展趋势。2）本课程的学习方法本课程是一门主干专业课，具有很强的实践性和系统性，具有一定的生产哲理与管理模式。各章节的内容既具有其独立性，又有其关联性。同学们在学习课堂上的理论教学知识以外，还必须重视实践环节，应通过相关的实践教学环节来更好地体会、理解和巩固理论知识。真正的掌握与应用必须在不断的实践—理论—再实践的循环中善于总结和提高。本课程总学时为40学时，其中课堂教学为34学时，实验课为6学时。本课程为考试课，平时成绩（包括作业和实验报告）占20%，考查成绩占80%。所学内容以分析、理解为主。考试的题型有：判断题、选择题、问答题、分析题和计算题共五大类。绪论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本课程参考教材机械制造装备设计第1章绪论第2章机械制造装备设计方法第3章金属切削机床设计第4章机床夹具设计第5章金属切削刀具与刀具系统设计第6章物流系统及其自动化装置第1章绪论1.1机械制造装备及其在国民经济中的地位1.2机械制造装备的分类1.3机械制造装备应具备的主要功能1.1机械制造装备在国民经济中的地位机械制造业是制造业的核心，是向其他各部门提供工具，仪器及各种先进制造装备的部门。机械制造业的生产能力和发展水平是衡量一个国家工业水平的标志之一，因此，机械制造业在国民经济中占据着重要地位。机械制造业的生产能力和发展水平标志着一个国家或地区国民经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度。第一章绪论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。第一章绪论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。第一章绪论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。第一章绪论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开发出符合用户不同要求的新产品。第一章绪论数控机床、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。第一章绪论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。第一章绪论机械制造业的发展过程第二阶段从1952年到1965年数控技术（NC），特别是单机数控得到飞速发展。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。第一章绪论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。第一章绪论第三阶段从1967年到80年代中期，是以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。第一章绪论机械制造业的发展过程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。第一章绪论机械制造业的发展过程第四阶段从80年代至今，制造自动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。第一章绪论机械制造业的发展过程第四阶段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则应理解为一种工程技术系统。第一章绪论机械制造业的发展过程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。第一章绪论机械制造业的发展过程新的生产制造模式的主要特征是：第一章绪论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。第一章绪论1.2机械制造装备的分类1.2.1加工装备1.2.2工艺装备第一章绪论1.2.3仓储输送装备1.2.4辅助装备1.2.1加工装备加工装备主要指机床。机床是制造机器的机器，也称工作母机，包括金属切削机床、特种加工机床、锻压机床和木工机床四大类。第一章绪论1．金属切削机床金属切削机床是利用切削刀具与金屑工件的相对运动，从工件上切去多余或预留的金属层，以获得符合规定尺寸、形状、精度和表面粗糙度要求的零件。通用的金属切削机床按其切削方式可分为车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨(插)床、拉床、切断机床和其它机床等。专用机床是为特殊的工艺目的设计和制造的加工装备，组合机床及其自动线是其中的一个大分支，包括大型组合机床及其自动线、小型组合机床及其自动线、自动换刀数控组合机床及其自动线等。第一章绪论2．特种加工机床近十年来，为满足国防和高新科技领域的需要，许多产品朝着高精度、高速度、高温、高压、大功率和小型化方向发展。采用特种加工技术，可以全新的工艺方法，解决上述用常规加工手段难以甚至无法解决的许多工艺难题，例如大面积镜面加工、小径长孔甚至弯孔加工、脆硬难切削材料加工和微细加工等。特种加工机床近年来发展很快，按其加工原理可分成：电加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、水射流等加工机床。第一章绪论（1）电加工机床直接利用电能对工件进行加工的机床，统称电加工机床，一般仅指电火花加工机床、电火花线切割机床和电解加工机床。电火花加工机床是利用工具电极与工件之间产生的电火花小电弧从工件上去除微粒材料达到加工要求的机床，主要用于加工硬的导电金属，如淬火钢、硬质合金等。按工具电极的形状和电极是否旋转，电火花加工可进行成形穿孔加工、电火花成形加工、电火花雕刻、电火花展成加工、电火花磨削等。第一章绪论（2）超声波加工机床利用超声波能量对材料进行机械加工的设备称超声波加工机床。加工时工具作超声振动，并以一定的静压力压在工件上，工件与工具间引入磨料悬浮液。在振动工具的作用下，磨粒对工件材料进行冲击和挤压，加上空化爆炸作用将材料切除。超声波加工适用于特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、玻璃等的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超声电加工等复合加工。第一章绪论（3）激光加工机床激光是一种高强度、方向性好、单色性好的相干光。采用激光能量进行加工的设备统称激光加工机床。利用激光的极高能量密度产生上万度的高温聚焦在工件上，使工件被照射的局部在瞬间急剧熔化和蒸发，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出来以改变工件的形状。激光加工可以用于所有金属和非金属材料，特别适合于加工微小孔和微小缝隙。如加工金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料。第一章绪论（4）电子束加工机床在真空条件下，由阴极发射出的电子流被带高电位的阳极吸引，在飞向阳极的过程中，经过聚焦、偏转和加速，最后以高速和细束状轰击被加工工件的一定部位，在几分之一秒内，将其百分之九十九以上的能量转化成热能，使工件上被轰击的局部材