第一章机械制造概论

第1章机械制造概论机械制造业是国民经济的基础产业，它生产的机械产品中相当一部分将成为国民经济各部门的机械装备。机械制造是一个将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等）通过制造系统转化为可供人们使用或利用产品的过程。1.1机械产品的开发与构成1.2制造过程与生产组织1.产品开发的意义：科学技术的发展与进步，为满足人类更高消费提供了许多新的产品方案。消费者随着生活水平的提高与社会环境的进步，对产品的功能、质量、外观、价格提出了新的要求，这些使企业有可能也有必要不断地开发新产品。机械制造企业为了赢得竞争，也必须不断地推出新产品。1.1机械产品的开发与构成1.1.1机械产品的开发机械产品的市场寿命周期及各阶段的特点介绍期：制造成本大，销售量有限，价格也较高，销售产品还不能为企业带来利润。成长期：产品迅速占领市场，销售额扩大，进入批量生产，成本降低，利润迅速增加。成熟期：销售量大，但增幅趋缓，企业利润丰厚。衰退期：产品的价格被压到极低水平，销售额持续下降，企业无法获得利润，市场出现升级换代的新产品。2.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。1)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。(2)新产品开发的决策3.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16.852)立项决策立项评估的内容：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。4.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5.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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。产品的概念整体产品概念狭义概念：指具体产品广义概念：即整体产品概念，如所示，它由核心部分、形式部分及延伸部分组成。整体产品概念R使用价值包装品质售后服务保证运输品牌式样维修安装5.产品开发的技术手段传统的产品的开发往往借助于人力和通用设备，经过反复制作、试凑，信息的个性化因素较大。随着计算机在制造业中的广泛应用，计算机辅助设计（CAD）得到越来越普遍的应用。基于CAD/CAE/CAM以及多媒体技术发展起来的虚拟制造技术，可大大加速产品的开发过程。快速成形技术可以用较低的费用，在很短的时间内完成单件或小批量试制，是现代产品快速开发的主要技术。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6.机械产品使用的材料黑色金属材料:钢材和铸铁，强度较高，价格低廉，故使用较多。按其使用场合的不同，对其性能的要求也不同。有色金属材料：以铝合金应用最广，用作发动机的活塞、变速箱壳体、带轮等，铝合金由于重量轻、美观，今后将更多地被用于制造汽车零件。铜用于生产电器产品、散热器。铅、锡与铜构成的合金用作轴承合金。锌合金用作装饰和车门手柄。非金属材料:工程塑料、橡胶、石棉、玻璃、纤维等。1.1.2机械产品的构成（见P9）1.2.1机械产品的制造过程机械产品的制造过程从原材料到产品的全过程，包括零件、部件以及整机的制造。制造过程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。1.2制造过程与生产组织汽车的生产过程车身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、Δm0）材料成形法（质量不变、Δm0）材料累加法（质量增加、Δm0）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。如：电火花加工、电解加工、激光加工2.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。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。3.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。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快速成形过程光固化法（SL法）原理：如左图。特点：精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%。应用：适合制造壳体类零件及形状复杂，特别精细的零件（如首饰、工艺品等）。1—激光器；2—扫描镜；3—z轴升降台；4—树脂槽；5—托盘；6—光敏树脂；7—零件原型SL法原理图叠层制造法（LOM法）原理：如左图。应用：只切割轮廓，特别适合制造实心零件。1—X-Y扫描系统；2—光路系统；3—激光器；4—加热器；5—纸料；6—滚筒；7—工作平台；8—边角料；9—零件原型LOM法原理图激光选区烧结法（SLS法）原理：如左图。1—扫描镜；2—透镜；3—激光器；4—压平辊子；5—零件原型；6—激光束SLS法原理图熔积法(FDM法)原理：如左图。FDM喷头受CAD分层数据控制，使半流动状态的熔丝材料从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，一层叠一层，最后形成整个零件模型。1—加热装置；2—丝材；3—z向送丝；4—x-y驱动5—零件原型FDM法原理图零件制造过程定义：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下图所示。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。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1.2.3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。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5～10020～200100～500中批生产100～300200～500500～5000大批生产300～1000500～50005000～50000大量生产1000500050000批量生产与单件、小批量生产的比较生产类型生产设备工序开发与制造过程批量生产由自动生产线及专用生产线来完成的一个零件往往分成许多工序，在流水线上协作完成加工任务产品开发过程和大批量制造过程中间往往还有小批试制阶段，以避免市场风险及完善生产准备工作单件、小批量生产往往是采用通用设备，靠人的技术或技艺来完成的采用多工序集中在一起产品的开发过程与生产过程往往结合为一体单件小批量生产：1）车端面，打中心孔。2）车两外圆及倒角。3）铣键槽，去毛刺。4）热处理。5）磨外圆。大批量生产：1）车端面，打中心孔。2）车大外圆及倒角。3）车小外圆及倒角。4）铣键槽。5）去毛刺。6）热处理。7）磨外圆。生产类型与生产方式批量生产与单件、小批量生产的比较如表1-4所示。产品的制造过程实际上包括了零件、部件及整机的复杂制造过程，部件和整机的制造一般是一个装配的过程。企业组织产品的生产模式：1.生产全部零件、组装机器2.生产一部分关键的零部件，其余的由其他企业供应3.完全不生产零件，自己只负责设计和销售1.生产全部零件、组装机器特点：必须拥有加工完成所有零件、所有工序的设备，形成大而全、小而全的工厂。缺点：当市场发生变化时，适应性差，难以做到设备负载的平衡，而且固定资产利用率低，定岗人员也有忙闲不均的情况，不同程度地影响了生产管理以及员工的生产积极性。2.生产一部分关键的零部件，其余的由其他企业供应特点：零部件供应的质量很重要，采取主机厂有一套完善的质量检验手段对供应零件进行全检或按数理统计方法进行抽检的措施保证质量。缺点：供应商供货不及时或质量存在问题，则影响生产，减少收益。3.完全不生产零件，自己只负责设计和销售优点：场地占用少，固定设备投入少，转产容易等，较适用于生产市场变化快的产品。缺点：对于应该自己掌握核心技术和工艺的产品，或需要大批量生产高附加值零部件的产品，它就有不足之处。制造哲理与生产方式通常通过提高