机械制造装备设计-机械制造及装备设计方法

机械制造装备设计全国本科院校机械类创新型应用人才培养规划教材第1章机械制造及装备设计方法21.11.21.31.4概述机械制造装备的分类机械制造装备设计的类型机械制造装备设计要求本章分五个小节：1.5机械制造装备设计方法31.1概述制造业形势与发展制造业是将可用资源与能源，通过制造过程转化为可供人们使用或利用的工业品或生产消费品的行业。20世纪是制造业空前发展的重要时期，以精密和微细加工技术为目标，各种制造工艺和装备层出不穷；另外，制造系统的集成也异常活跃，制造模式不断更新。从20世纪20年代开始，制造系统已经出现了机群式制造系统、刚性制造系统和柔性制造系统三类制造系统，随着市场需求和技术支撑环境的变化，现在利用RMS以快速响应经济全球化带来的复杂变化的市场环境，其发展与生产环境及技术特点如图1.1所示41.1概述市场环境制造系统发展及其特点年代1920201020001990198019701960195019401930按工序特征应用成组技术提高工效降低成本通过规模经济降低成本进行市场竞争适应产品品种发展和质量提高进行市场竞争敏捷响应产品创新加速的全球化市场竞争机群式制造系统MS多品种单件小批生产应用成组工艺原理组织半自动化生产平衡工时负荷，提高机床利用率；通过试切、测量和调整保证加工精度。刚性制造系统DMS单品种或少品种大批量生产专用机床多刀多面组合加工；各工序节拍严格平衡；质量保证主要靠精度设备。柔性制造系统FMS多品种成批生产通用数控机床按工序集中原则安排；应用缓冲存储实现稳定生产；加工质量用动态统计控制。可重组制造系统RMS多族品种变批量生产通过系统和机床的重组实现工艺优化；机床品种和结构模块调整实现均衡生产；过程效应控制加速重组的质量提升。51.1概述加工制造技术发展趋势加工制造技术是对被加工对象状态的改形和改性技术的总称。新一代机械制造装备技术⑥数据管理1）新型加工设备的研究开发已取得不少进展2）在数控化基础上朝智能化方向发展3）采用新材料和新结构4）新型部件的开发应用5）发展先进的机床和数控系统性能检测、诊断方法与技术6）多品种小批量生产条件下的先进在线加工质量检测技术7）柔性工艺装备和柔性夹具，为快速、低成本工艺准备提供技术。61.1概述⑥数据管理1）超精密切削2）超精密磨削加工3）精密和超精密特种加工4）精密加工机床少切削无切削加工技术精密和超精密技术一方面要提高毛坯制造精度，发展精密铸造和锻造等技术，减少材料切削加工量；另一方面要发展冲压、挤压、滚压长封闭无切削成形技术。71.2机械制造装备的分类机械制造过程是从原材料开始，经过热、冷加工，装配成产品，对产品进行调试和检测、包装和发运的全过程，所使用的装备类型繁多，大致可划分为加工装备、工艺装备、仓储传送装备和辅助装备四大类。加工装备加工装备是机械制造装备的主体和核心，是采用机械制造方法制造机器零件或毛坯的机器设备，又称为机床或工作母机。机床的类型很多，除了金属切削机床之外，还有特种加工机床、锻压机床、注塑机、快速成形机、焊接设备等。8⑥数据管理金属切削机床金属切削机床是采用切削、特种加工等方法，主要用于加工金属，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器，如图1.2所示。1.2机械制造装备的分类9金属切削机床1.2机械制造装备的分类①工作原理结构性能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特种加工机床切断机床其他机床②使用范围通用机床专用机床专门化机床③机床精度普通机床精密机床高精度机床10特种加工机床特种加工机床近年来发展很快，按其加工原理可分为：电加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、离子束加工、水射流中工等机床。1.2机械制造装备的分类电加工机床直接利用电能对工件进行加工的机床，统称为电加工机床。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。111.2机械制造装备的分类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为超声波加工机床。超声波加工适用于特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、玻璃等材料的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超声电加工等复合加工。激光加工机床采用激光能量进行加工的设备统称为激光加工机床。常用于加工金刚石拉丝模、钟表的宝石轴承、陶瓷、玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的小孔加工及切割加工。121.2机械制造装备的分类电子束加工机床电子束加工是指在真空条件下，由阴极发射出的电子流为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99%以上的能量转化成热能，使工件上被轰击的局部材料在瞬间熔化、汽化和蒸发，以完成工件的加工。电子束加工机床就是利用电子束的上述特性进行加工的装备。131.2机械制造装备的分类离子束加工机床在电场作用下，将正离子从离子源出口孔“引出”，在真空条件下，将其聚焦、偏转和加速，并以大能量细束状轰击被加工部位，引起工件材料的变形与分离，或使靶材离子沉积到工件表面上，或使杂质离子射入工件内，对工件进行穿孔、切割、铣削、成像、抛光、蚀刻、清洗、溅射、注入和蒸镀等，统称为离子束加工。离子束加工机床就是利用离子束上述特性进行加工的装备141.2机械制造装备的分类水射流加工机床水射流加工是利用具有很高速度的细水柱或掺有磨料的细水柱，冲击工件的被加工部位，使被加工部位上的材料被剥离的加工方法。随着工件与水柱间的相对移动，切割出要求的形状。常用于切割某些难切削材料，如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、耐热合金、某些复合材料等。15锻压机床锻压机床是利用金属塑性变形进行加工的一种无屑加工设备，主要包括锻造机、冲压机、挤压机和轧制机四大类。1.2机械制造装备的分类⑥数据管理锻造机锻造机是使坯料在工具的冲击力或静压力作用下成形，并使其性能和金相组织符合一定要求。冲压机冲压机是借助模具对板料施加外力，迫使材料按模具形状、尺寸进行剪裁或变形。挤压机挤压机是借助于凸模对放在凹模内的金屑材料挤压成形，根据挤压时温度不同，可分为冷挤压、温挤压和热挤压。轧制机轧制机是使金属材料在旋转轧辊的作用下变形，根据轧制温度可分为热轧和冷轧，根据轧制方式可分为纵轧、横轧和斜轧。161.2机械制造装备的分类工艺装备产品制造时所用的各种刀具、模具、夹具、量具等工具，总称为工艺装备。刀具由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。因此，生产中所使用的刀具的种类很多，如图1.6所示。171.2机械制造装备的分类夹具夹具是机床上用以装夹工件以及引导刀具的装置。对于贯彻工艺规程、保证加工质量和提高生产率有着决定性的作用。181.2机械制造装备的分类模具模具是用来将材料填充在其型腔中，以获得所需形状和尺寸制件的工具。按加工材料性质分类，如金属制品用模具，非金属制用模具等；按模具制造材料分类，如硬质合金模具等；按工艺性质分类，如拉深模具、粉末冶金模、锻模等。量具量具是以直接或间接的方法测出被测对象量值的工具、仪器及仪表的总称。可分为通用量具、专用量具和组合测量仪等。191.2机械制造装备的分类仓储传送装备仓储传送装备是生产系统必不可少的装备，对企业生产的布局、运行与管理等有着直接影响。仓储传送装备主要包括物料运输装置、机床上下料装置、刀具输送设备以及各级仓储设备。⑥数据管理物料运输装置物料运输主要指坯料、半成品及成品在车间内各工作站（或单元）间的输送，满足流水生产线成自动生产线的要求。机床上下料装置将坯料送至机床的加工位置的装置称为上料装置；加工完毕后将工件从机床上取走的装置称为下料装置。刀具输送设备在柔性制造系统中，必须有完备的刀具准备与输送系统，完成包括刀具准备、测量、输送及重磨刀具回收等工作。各级仓储设备机械制造生产中离不开不同级别的仓库及其装备。201.2机械制造装备的分类辅助装备辅助装备包括清洗机、排屑设备及测量、包装设备等。•清洗机是用来对工件表面的尘屑油污等进行清洗的机械设备。•排屑装置用于自动机床、自动加工单元或自动线上，包括切屑清除装置和输送装置。211.3机械制造装备设计的类型机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和模块化设计等三大类型。创新设计创新设计通常应从市场调研和预测开始，明确产品的创新设计任务，经过产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计等四个阶段；还应通过产品试制和产品试验来验证新产品的技术可行性；通过小批试生产来验证新产品的制造工艺和工艺装备的可行性。一般需要较长的设计开发周期，投入较大的研制开发工作量221.3机械制造装备设计的类型变型设计为了快速满足市场需求的变化，常常采用适应型和变参数型设计方法。两种设计方法都是在原有产品基础上，保持其基本工作原理和总体结构不变，适应型设计是通过改变或更换部分部件或结构，变参数型设计是通过改变部分尺寸与性能参数，形成所谓的变型产品，以扩大使用范围，满足更广泛的用户需求。适应型设计和变参数型设计统称“变型设计”。开展变型设计的依据是原有产品，它应属于技术成熟产品。231.3机械制造装备设计的类型模块化设计模块化设计是按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组合产品”。进行组合产品的设计，是在对一定范围内不同性能和不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过这些模块的组合，构成不同类型或相同类型不同性能的产品，满足市场的多方面需求。组合产品是系列产品的进一步细化，组合产品中的模块也应按系列化设计的原理进行。241.4机械制造装备设计要求机械制造装备设计工作是设计人员根据市场需求所进行的构思、计算、试验、选择方案、确定尺寸、绘制图样及编制设计文件等一系列创造性活动的总称。其目的是为新装备的生产、使用和维护提供完整的信息。机械制造装备设计工作要适应科学技术的飞速发展及市场竞争的日趋激烈，要采用先进的设计技术，设计出质优价廉的产品。251.4机械制造装备设计要求机械制造装备设计要求精密化结构模块化高效化柔性自动化机电一体化装备与技术配套化符合工业工程要求符合绿色工程要求261.5机械制造装备设计方法机械制造装备设计的典型步骤机械制造装备设计的步骤根据设计类型而不同。创新设计的步骤最典型，可划分为产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计四个阶段。技术设计产品规划阶段方案设计工艺设计27产品规划阶段产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制订设计任务书。1.5机械制造装备设计方法1）需求分析：一般包括对销售市场和原材料市场的分析2）调查研究：包括市场调研、技术调研和社会环境调研三部分。3）预测：预测分为定性预测和定量预测两部分4）可行性分析：通过调查研究与预测后，对产品开发中的重大问题应进行充分的技术经济论证，判断是否可行，即进行产品设计的可行性分析。28经过可行性分析后，应确定待设计产品的设计要求和设计对数，编制“设计要求表”，如表1.2所示。1.5机械制造装备设计方法29方案设计阶段方案设计阶段实质上是根据设计任务书的要求，进行产品功能原理的设计。这阶段完成的质量将严重影响到产品的结构、性能、工艺和成本，关系到产品的技术水平及竞争能力。1.5机械制造装备设计方法1）设计任务的抽象：对设计任务进行抽象是对设计任务的再认识，从众多应满足的要求中，通过对功能关系和与任务相关的主要约束条件的分析，对“设计要求表”一步一步进行抽象，找出具有本质性的主要的要求。2）建立功能结构：经过对设计任务的抽象，可明确设计产品的总功能。301.5机械制造装备设计方法311.5机械制造装备设计方法3）录求原理解与求解方法：所谓原理解，就是能实现某种功能的工作原理，以及实现该工作原理的技术手段和结构原理，即所谓的功能载体。4）形成初步设计方案：将所有子功能的原理解结合起来才能形成和实现总功能。原理解的结合是设计过程中很重要的一环。原理解的结合可以得到多个初步设计方案，应采用合适的结合方法，才