现代制造技术

现代制造技术第1章制造技术概述IntroductionofManufacturingTechnology1.1制造与制造系统ManufacturingandManufacturingSystem狭义理解：生产过程从原材料→成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。广义理解：制造=生产美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。国际生产工程学会（InternationalInstitutionforProudctionEngineeringResearchCIRP）定义：制造包括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。1.1.1生产与制造制造制造业第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输表1-1第一、二、三产业的划分1.1.1生产与制造制造技术在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法……手段包括与大、小制造概念相对应，对于制造技术的理解也有广义和狭义之分。广义理解制造技术涉及生产活动的各个方面和生产的全过程，制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息处理系统。1.1.2制造技术在商品经济高度发展的今天，科学与技术的界限开始变得模糊，纯粹的科学研究不断萎缩,原因是得不到足够的经费支持，许多科学研究从一开始就有明确的应用前景（例如:超导技术、克隆技术等）。科学与技术科学——认识世界，基本方法是“分析”，基本形式为“发现、揭示”。技术——改造世界，基本方法是“综合”，基本形式为“发明、创造、改进”。1.1.2制造技术制造系统结构图1-2制造系统功能结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制造（加工、装配、检验、输送、存储…）质量控制1.1.3制造系统制造系统特性软件硬件图1-3制造系统结构特性结构特性制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件(生产信息、制造技术)支持。1.1.3制造系统转变特性主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。获取阶段转变阶段分配阶段图1-4制造系统的物质流原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户1.1.3制造系统需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段图1-6制造系统的程序特性程序特性程序——一系列按时间和逻辑安排的步骤制造系统可视为生产产品的工作程序（图1-6）研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。1.1.3制造系统制造系统的物质流与信息流误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流图1-7制造系统的五种流1.1.3制造系统1.2制造业的发展及其在国民经济中的地位DevelopmentofManufacturingIndustryandit’sPositioninNationalEconomy1.2.1制造业的发展17世纪60年代，瓦特改进蒸汽机，标志第一次工业革命兴起，工业化大生产从此开始18世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始20世纪初，福特汽车生产线，泰勒科学管理方法，标志自动化时代到来（以大量生产为特征—MassProduction）二战后，计算机、微电子技术，信息技术及软科学的发展，以及市场竞争的加剧和市场需求多样性的趋势，使中小批量生产自动化成为可能，并产生了综合自动化和许多新的制造哲理与生产模式。进入21世纪，制造技术向自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化和清洁化的方向发展。1.2.2制造业在国民经济中的地位国民经济的支柱产业，国民经济总收入的60%以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。美国：约1/4人口直接从事制造业，其余人口中又有约半数人所做工作与制造业有关。日本由于重视制造业，二次大战后30年时间，发展成为世界经济大国。机械制造业是制造业的基础,是重中之重。与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。直至上世纪80年代初，美国才开始清醒，重新关注制造业的发展，至1994年美国汽车产量重新超过日本。1.2.2制造业在国民经济中的地位纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备制造业图1-8当今制造业的社会功能◆图1-8显示了当今制造业的社会功能。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1.2.2制造业在国民经济中的地位东芝事件图1-10多轴数控机床改进核潜艇性能1.3我国制造业面临的机遇和挑战TheOpportunityandChallengeofChineseManufacturingIndustry中国每年进口额为１４００亿美元，其中７０％即１００００亿人民币是买外国的生产线和各种工农业、服务业的机械化、自动化装备。精密的自动化生产装备大部分或几乎全部依赖进口。数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术。而我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产，优质高效低耗工艺的普及率不足１０％，数控机床、精密设备不足５％，高档数控机床的９０％以上依赖进口。我国在大型成套装备技术方面严重落后，１００％的光纤制造设备、８５％的集成电路制造设备、８０％的石化装备、７０％的轿车工业装备都要依赖进口。1.3.1我国制造业与世界发达国家的差距1.3.2我国制造业存在的主要问题产品创新能力较差，开发周期较长。我国大中型企业产的2000多种主导产品平均生命周期为１０.５年，而发达国家为３年。新产品开发周期我国为1-2年，而发达国家只需３-６个月。我国有８０％以上的企业生产能力利用不足或严重不足，但同时每年还要进口数以千亿美元国内短缺的产品。生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低。我国平均劳动生产率为0.263万$，而美国9.37万$、日本10.47万$、印度0.34万$；我国的能源综合利用率仅为３２％左右，比国外的先进水平低１０个多百分点；我国每万元国民生产总值的能耗比发达国家高４倍多，主要产品单位能耗比发达国家高３０％－９０％，工业排放的污染物超过发达国家的１０倍以上。企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱。企业机构臃肿，富裕人员一般多达３０％－４０％。我国机械工业的专业化水平仅为１５％－３０％，而美国、西欧诸国、日本企业的专业化水平已经达到７５％－９５％。经过20多年的努力，我国出口商品占世界市场的份额已经从0.5％提高到目前的3.5％，但根据近３年的统计数据分析，高附加值和高技术含量的出口商品仅占我国出口商品总量的１０％左右，９０％均为原材料和初级产品。1.3.3机遇和挑战发展迅速，成绩瞩目挑战与机遇并存。困难：技术上落后，资金不足，资源短缺，管理体制、周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机…）机遇：中国已加入WTO；制造业的世界格局已经和正在发生重大变化，欧、亚、美三分天下局面正在形成，世界经济重心开始向亚洲转移已出现征兆，制造业的产品结构、生产模式也在迅速变革之中1.3.3我国机械制造业面临的机遇和挑战神州5号图1-11神州5号宇宙飞船第2章大批量与多品种中小批量的制造技术LargeScaleProductionandMulti-typeMiddleorSmallBatchProduction2.1大规模生产模式LargeScaleProductionModel2.1.1大批量生产方式的产生“技艺”型生产时代——工业革命开始至20世纪初，机器代替人力成为生产主要方式，但仍以作坊式的单件生产为主，由于机器精度不高，产品质量主要靠从业人员的技艺来保证大批量生产方式（MassProduction）——1913年，1913年，福特汽车公司在底特律建立了世界上第一条自动生产线，标志大批量生产时代的开始技艺不再重要——由于机器精度的提高，加上互换性原理的推行，加工和装配工作变得简单大批量生产方式特点——生产周期短，生产效率高，生产成本低，产品质量好2.1.2批量法则当市场竞争以产品质量和生产成本为决定因素时，大批量生产方式显示了巨大的优越性。与中小批量生产相比，大批量生产可取得明显的经济效果，这就是所谓的“批量法则”（BatchRule）。批量法则以成本分析为基础。产品在其全生命周期内的总生产成本可近似表达为：式中CA——产品全生命周期总生产成本；CF——固定成本；CV——生产单位产品可变成本；Q——生产产品总数量；k——大于1的指数。（1-1）kVFAQCCC单件产品平均生产成本CS为：（1-2）1kVFSQCQCC对式（1-2）求导，并令其导数为0，可得到最低单件成本对应的产量Q0：kVFkCCQ101)(（1-3）Q0称为最优生产规模。这一现象首先在汽车工业生产中被发现。2.1.3专业化协作与扩散生产根据批量法则，为了取得良好的经济效益，除合理地扩大产品的产量外，组织专业化协作生产是一种行之有效的方法。专业化协作生产形式基础零部件专业化生产毛坯专业化生产中小零件专业化生产工艺专业化协作生活服务社会化2.2多品种中小批量生产模式Multi-typeMiddleorSmallBatchProductionModel批量法则在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。机床利用率例：CA6140车床，最大加工直径φ400，实际加工90％以上工件直径不足100mm，机床利用率极低。制造周期在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5％，其余95％均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足30%。2.2.1多品种、中小批量生产中存在的问题◆目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的70％以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小批量生产的有效途径是采用GT。5％95％调整、装夹、对刀、检测等切削30％70％加工时间运输与等待时间制造周期加工时间图2-2多品种、中小批量生产的时间分配GT的客观基础二次相似性结构（形状、尺寸、精度…）材料（材质、毛坯、热处理…）工艺（加工方法、加工设备…）一次相似性机械零件之间存在相似性这种相似性主要表现在三个方面：2.2.2成组技术（GroupTechnology—GT）机械产品中各类零件出现有明显的规律性正是由于70%左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的客观基础。标准件复杂件相似件20～25%70%5～10%零件复杂程度零件出现频数图2-3机械产品中不同复杂程度零件分布规律图2-4结构相似零件组图2-5工艺相似零件组GT定义一般性定义：GT是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最佳效果。机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产