第二章机械与机械工程

第二章机械与机械工程1.2.2制造业在国民经济中的地位1963年1983年美日两国汽车产量在世界市场所占份额图1-9美日两国汽车产量变化东芝事件图多轴数控机床改进核潜艇性能2.1机械1)机械与机器2)机械分类１)机械与机器从广义角度讲，凡是能完成一定机械运动的装置都是机械。工程中，常把每一个具体的机械称为机器。机器的真正含义是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量物料与信息人们常把最为简单的、没有动力源机械称为工具或器械。⑴机械⑵工具⑶机器２)机械分类动力机械交通运输机械作业机械机器人兵器民用生活机械信息机械把其它形式的能量转换为机械能输出的机械，统称动力机械电动机内燃机风力机具有较大活动范围、以搬运为主要目的的机械，统称为交通运输机械汽车飞机轮船⑴各类加工机床⑵农业机械⑶林业机械⑷矿山机械⑹化工机械⑺工程机械⑻纺织机械⑼印刷机械⑽包装机械⑾食品机械⑿钻探开采机械⒀医疗机械⒁办公机械⑸冶金机械能进行材料加工或处理、管理产品的机械称为作业机械，常按作业性质进行分类电火花数控线切割机床CJL06系列仪表车床⑴各类加工机床⑵农业机械带星型耙总成时的水田耕整机MQ-G1300C贴面机定向结构板生产线成套设备(部分)⑶林业机械轮式装载机粉碎机⑷矿山机械步进式高速冷床冷轧机组及酸洗、卷取、分条机组设备⑸冶金机械发酵罐WZI型外加热式真空蒸发器ZJG型内加热搅拌真空干燥机⑹化工机械⑺工程机械纺织机箭杆织机⑻纺织机械罗兰百花(PAPVA)对开机海德堡（M-OFFSET）四开机⑼印刷机械TM1400型半自动贴面机⑽包装机械GR-300型家禽骨肉分离机易拉罐封装口生产线⑾食品机械抽油机⑿钻探开采机械凿孔机NJP900型全自动硬胶囊填充机ACM803呼吸机ACM603麻醉机⒀医疗机械⒁办公机械机器人是一种新兴的自动化程度很高的机电一体化相结合的智能系统。M3冲锋枪兵器民用生活机械信息机械2.2机械工程机械工程就是研究、制造、实用、管理各类机器和各类机械设备与装置的工程科学①建立和发展机械工程设计的新理论和新方法②研究、设计新产品③研究新材料④研究机械产品的制造过程，提高制造精度、提高生产率⑤加强机械产品的使用、维护与管理⑥研究机械产品的人机工程学⑦研究机械产品与能源及环境保护的关系机械工程的主要内容2.3机械设计及现代设计方法机械的设计方法，可从不同的角度做出不同的分类。目前较为流行的分类方法是把过去长期采用的设计方法称为常规的(或传统的)设计方法，近几十年发展起来的设计方法称为现代设计方法。⑴机械设计方法机械的常规设计方法可概括地划分以下三种：①理论设计：根据长期研究与实践总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计，称为理论设计。理论设计可得到比较精确而可靠的结果，重要零部件大都选择这种方法。②经验设计：根据对某些零部件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的办法所进行的设计叫做经验设计。③模型实验设计：把初步设计的零、部件或机器，做成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。这样的设计过程叫做模型实验设计。对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计的可靠性，则可采用模型实验设计的方法。⑵机械设计的一般步骤机械设计是一个创造性工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有成功经验的工作。要很好地把继承和创新结合起来，才能设计出高质量的产品，作为产品的设计，要求对产品的工作原理、功能、结构、零部件设计，甚至加工制造和装配方法都确定下来。因此，不同的设计者可能有不同的设计方法和设计步骤。(3)现代设计方法现代设计方法是以研究产品设计为对象的科学。它以计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。现代设计方法涉及的科学范围非常广泛，是多学科交叉融合的产物，是人们把相关科学技术综合应用于设计领域的产物，是传统设计技术的继承、延伸和发展。有限元分析方法优化设计可靠性设计计算机辅助设计模块化设计绿色设计动态设计并行设计模糊设计虚拟设计智能设计2.4机械制造系统与先进制造技术(1)常用材料成型方法(2)机械制造系统(3)先进制造技术1)铸造砂型铸造：将金属或合金液浇注到砂型内，冷却凝固后获得铸件，应用最为广泛。熔模铸造：铸件精度与表面质量高、可获得形状复杂铸件，适合各种难加工合金的成型(1)常用的材料成型方法砂型铸造基本工艺熔模铸造的工艺过程金属型铸造：将金属液浇注到金属铸型中获得铸件的方法铸件组织致密、力学性能高，尺寸精度和表质量好，劳动条件改善；但铸型成本高。压力铸造：生产率高，便于实现自动化；铸件尺寸和表面精度高，能生产较复杂的薄壁件；铸件质量好。2)塑性加工利用金属的塑性，使其在外力作用下成形的一种加工方法。主要有：自由锻、模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔。自由锻：利用自由锻设备的上下砧块或一些简单的通用工具，直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件。模锻：利用模具使坯料变形而获得比自由锻质量更高的锻件的锻造。板料冲压：利用安装在压力机上的冲模对板料加压，使其产生分离或变形，以获得零件的一种工艺方法。主要有冲裁、弯曲、拉深。C41-2000空气锤冲压现场模锻的工艺过程冲裁弯曲拉深3)焊接通过加热或加压，依靠金属原子的结合与扩散作用，使分离金属材料牢固地连接起来。熔化焊：利用热源，将被焊金属结合处局部加热到熔化状态，并与熔化的焊条金属混合，冷却时凝固结晶，使之焊合在一起。压力焊：利用加压力（或同时加热），使金属产生塑性变形，实现原子间相互结合，组成新的晶粒，达到焊接的目的。钎焊：通过钎料与被焊金属表面间的相互扩散和溶解作用而形成焊接接头。与熔化焊的区别是被焊金属不熔化，只是作为填充金属的钎料熔化钎焊合金特种合金焊接4)外形加工①切削加工：车削加工、铣削加工、刨削加工、钻削加工②磨削加工③精整和光整加工④特种加工：电火花加工、激光加工、超声加工、液体喷射加工、化学加工车削加工铣削加工刨削加工钻削加工磨削加工数控加工数控车数控铣数控钻刀库刀库加工中心精整和光整加工精整加工是指在精加工后从工件上切除极薄的材料层，以提高工件的精度和降低表面粗糙度的方法。如珩磨、研磨、超精加工等。光整加工是指不切除或切除极薄金属层，用以降低表面粗糙度或强化其表面的加工过程。如抛光轮抛光、辊光、砂光等。电火花加工激光加工激光加工是利用材料在激光照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化物质爆炸式地喷溅和去除来实现加工的。激光加工特点：不使用切削工具，不存在工具磨损和更换问题；属于非接触加工，工件不受机械切削力，无机械加工变形，能加工易变形的薄板和橡胶等弹性工件；几乎能加工所有的金属和非金属材料；作用时间短，热影响小，几乎不产生热变形；加工效率高，可实现高速打孔和高速切割；可进行精密、微细加工；容易实现自动化加工和柔性加工；可通过空气、惰性气体或光学透明介质进行加工。激光加工在材料去除加工方面主要应用于打孔和切割，此外还将激光用于划线、修边、动平衡校正与打标志等用途。超声加工超声加工是利用特制的工具作超声频率振动，通过液体中悬浮磨料来加工工件。超声加工主要用于加工各种不导电的硬脆材料，可加工出各种形状复杂的型孔、型腔、成型表面等。液体喷射加工喷射加工是通过调整液流束或者混有磨料的气流束喷射工件而去除材料的工艺方法。主要有磨料喷射加工、液动力加工和喷水加工三种。液动力加工是通过调整液流束冲击工件而去除材料的工艺方法，常用的液体是水，或为改善加工性能而在其中添加甘油、长链聚合物或聚乙烯。可用以切割薄的和软的金属及非金属材料，切缝非常窄(0.075～0.38mm)，切边质量比较好，加工点的温度比较低。加工过程中不会产生大量尘埃或招致火灾。也可用于去毛刺。化学加工化学加工是利用化学溶液(酸、碱、盐等)对金属工件表面产生腐蚀、溶解而改变工件尺寸和形状的加工方法。化学加工主要分为化学切削加工及光刻加工两种。化学切削加工常常只进行局部有选择性的加工，当将保护处理的工件浸入相应的化学腐蚀溶液时，未保护部分就与溶液产生化学反应而被溶解、腐蚀，从而获得合乎要求的工件。光刻是一种在薄膜表面及金属版表面上加工出精密、微小、复杂图形的加工技术。它利用光敏蚀剂的光化学反应特点，先将照相制版(掩模版)上的图形精确地印制在涂有光敏蚀剂的工件(薄膜或金属版)表面，然后对工件表面进行选择性的腐蚀，从而获得极复杂的精细图形。5)非金属材料成型简介工程塑料成型主要有：注塑成型、挤出成型、压制成型、吹塑成型、浇注成型、压延成型橡胶成型：用生胶和各种配合剂经炼胶机混炼成炼胶，根据需要加入能保持制品形状和提高强度的各种骨架材料，放入一定形状的模具中，获得所需形状和性能的橡胶制品工艺过程主要有：压制成型、压铸成型、注射成型、挤压成型陶瓷成型：生产过程主要有配料、成型、烧结三个阶段。主要有：压制成型、注浆成型、可塑成型。复合材料成型：树脂基复合材料成型、金属基复合材料成型、陶瓷基复合材料成型注塑成型挤压成型(2)机械制造系统1)机械制造系统的概念2)制造系统组成的功能图3)制造系统的三流结构4)制造系统的物料流系统5)制造系统的物能资源流6)制造系统的信息流7)机械制造管理系统1)机械制造系统的概念机械制造通常是指用机械的方法制造产品或制造机械产品两个范畴，是指获得产品形状，尺寸，位置的技巧、方法和程序。机械制造的目的并不是简单的把设计的产品“制造”出来，它必须既满足设计的要求，又满足T，Q，C，S，E(效率、质量、成本、服务和环保)的要求。为了有效地完成特定的制造任务，制造公司必须将人力、设备组合成一个系统，而产品的制造则可看作是人、设备组合并协同操作的结果，因此我们可以定义制造系统是一个人与设备的组合。这个组合受到制造材料流和信息流的约束。2)制造系统组成的功能图3)制造系统的三流结构制造系统在运行过程中，无时无刻不伴随着“三流”，即物料流、信息流和能量流的运动。制造系统中的物料流、信息流、能量流之间是相互联系、相互影响的，是一个不可分割的有机整体。机械加工系统的“三流”运动示意图机械加工系统输入的是原材料或坯料(有时也包括半成品)及相应的刀具、量具、夹具、润滑油、冷却液和其他辅助物料等，经过输送、装夹、加工和检验等过程，最后输出半成品或产品(一般还伴随着切屑的输出)。整个加工过程(包括加工准备阶段)是物料的输入和输出的动态过程，这种物料在机械加工系统中的流动被称为物料流。物料流信息流为保证机械加工过程的正常进行，必须集成各方面的信息，这些信息主要包括加工任务、加工工序、加工方法、刀具状态、工件要求、质量指标、切削参数等等。这些信息又可分为静态信息(如工件尺寸要求、公差大小等)和动态信息(如刀具磨损程度、机床故障状态等)。所有这些信息及其交换和处理过程构成了机械加工过程的信息系统，这个系统不断地和机械加工过程的各种状态进行信息交换，从而有效地控制机械加工过程，以保证机械加工的效率和产品质量。这种信息在机械加工系统中的作用过程称为信息流。能量流能量是一切物质运动的基础。机械加工系统是一个动态系统，其动态过程是指机械加工过程中的各种运动过程，这个运动过程中的所有运动，特别是物料的运动，均需要能量来维持。来自机械加工系统外部的能量(一般是电能)，多数转变为机械能。一部分机械能用以维持系统中的各种运动，另一部分通过传递、损耗而到达机械加工的切削区域，转变为分离金属的动能和势能。这种在机械加工过程中的能量运动称为能量流。4)制造系统的物料流系统物流系统是把制造资源转变为零件和产品的过程。在制造系统中，把制造资源转变为产品或零件的制造过程，实质上是一个物料流动的动态过程。这个动态过程主要由五种基本运动形态或生产活动组成，它们是加工、传递、储存、检验和装配。5)制造系统的物能资源流-1制造全过程的主要环节都直接影响制造系统的资源消耗。制造过程是资源直接转化和资源直接消耗的主要环节。产品包装方式、运输状况、销售和服务状况(如是