明德礪志博學篤行本課程參考教材馮辛安主編.機械制造裝備設計.北京

1、機電工程系機 械 制 造 裝 備 設 計 本門課程是機械設計制造及其自動化專業(yè)機制模塊必修的專業(yè)模塊課。通過課程的學習使學生掌握機械制造裝備的設計原理、方案分析與評價和設計方法，具有一定的機械制造裝備總體設計和結構設計的能力。 本課程所研究的對象主要是機械制造裝備設計中所涉及到的有關機械制造的典型設備與工藝裝備中的一般規(guī)律和根本理論。說明機械制造裝備設計及其制造技術的現(xiàn)狀和開展趨勢。本課程為考試課，總學時為34學時，其中課堂教學為34學時，實驗課歸入機制方向?qū)嶒炚n中。本課程參考教材馮辛安主編.機械制造裝備設計.北京：機械工業(yè)出版社，2021黃鶴汀機械制造裝備北京：機械工業(yè)出版社2004 陳應德

2、機械制造裝備設計.北京：高等教育出版社2006 林述溫機電裝備設計北京：機械工業(yè)出版社2002 戴 曙金屬切削機床北京：機械工業(yè)出版社2005 機 械 制 造 裝 備 設 計第1章 緒論第2章 機械制造裝備設計方法第3章 金屬切削機床總體設計第4章 金屬切削機床運動設計第5章 金屬切削機床結構設計第6章 機床夾具設計第1章 緒 論1.1 機械制造裝備及其在國民經(jīng)濟中的作用1.2 機械制造裝備應具備的主要功能 1.3 機械制造裝備的分類1.1 機械制造裝備在國民經(jīng)濟中的作用機械制造業(yè)是制造業(yè)的核心，是向其他各部門提供工具，儀器及各種先進制造裝備的部門。機械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和開展水平是衡量一個國家

3、工業(yè)水平的標志之一，因此，機械制造業(yè)在國民經(jīng)濟中占據(jù)著重要地位。機械制造業(yè)的生產(chǎn)能力和開展水平標志著一個國家或地區(qū)國民經(jīng)濟現(xiàn)代化的程度，而機械制造業(yè)的生產(chǎn)能力主要取決于機械制造裝備的先進程度。19世紀末20世紀初，制造業(yè)開始起家，二次世界大戰(zhàn)期間，大規(guī)模的軍工生產(chǎn)，使得制造業(yè)取得了飛速開展。20世紀50年代，產(chǎn)品品種單一，為了提高生產(chǎn)效率，滿足市場需要，廣泛采用自動機床、組合機床和專用生產(chǎn)線。在大批大量生產(chǎn)條件下，這種生產(chǎn)方式可實現(xiàn)剛性自動化，大幅度降低本錢，極大的提高勞動生產(chǎn)率。20世紀70年代以后，社會需求日益多樣化，市場競爭日益劇烈，為了在競爭中求得生存與開展，以滿足市場不斷變化的需要。

4、數(shù)控機床(NC)就是在這樣的背景下誕生與開展起來的。20世紀70年代出現(xiàn)了具有自動化、系統(tǒng)化和柔性化為特點的柔性制造單元FMC， 將多個FMC用計算機及傳輸裝置連接起來，加上自動化立體倉庫，利用工業(yè)機器人進行裝配，就可組成更大規(guī)模的FMS。20世紀90年代，為了贏得競爭的勝利，制造業(yè)必須依靠制造技術的改進和管理方法的創(chuàng)新不斷開發(fā)出符合用戶不同要求的新產(chǎn)品。出現(xiàn)了數(shù)控機床、加工中心、柔性制造系統(tǒng)、集成制造系統(tǒng)、虛擬制造、敏捷制造等新的先進制造技術和新的先進生產(chǎn)模式。新的生產(chǎn)制造模式的主要特征是：1)以用戶的需求為中心；2)制造的戰(zhàn)略重點是時間和速度；3)以柔性、精益和敏捷作為競爭的優(yōu)勢；4)技術

5、進步、人因改善和組織創(chuàng)新三項并重；5)實現(xiàn)技術、人、組織和管理資源的快速有效集成；6)組織形式采用 “虛擬公司在內(nèi)的多種類型。我國的機械制造業(yè)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1產(chǎn)品品種少、檔次低；2制造工藝落后、裝備陳舊；3生產(chǎn)專業(yè)化水平低；4管理水平落后；5勞動生產(chǎn)率低。改造后的機械制造裝備應具有柔性化、自動化和精密化等特點，以便更好地適應市場經(jīng)濟的需要，適應多品種、小批量生產(chǎn)和經(jīng)常更新品種的需要。1.2 機械制造裝備應具備的主要功能1.2.1 一般功能要求1加工精度方面的要求 加工精度是指加工后零件對理想尺寸、形狀和位置的符合程度，一般包括尺寸精度、外表形狀精度、相互位置精度和外表粗糙度等。滿足加

6、工精度方面的要求應是機械制造裝備最根本的要求。 影響機械制造裝備加工精度的因素很多，與機械制造裝備本身有關的因素有其幾何精度、傳動精度、運動精度、定位精度和低速運動平穩(wěn)性等。2強度、剛度和抗振性方面的要求 機械制造裝備應具有足夠的強度、剛度和抗振性。提高強度、剛度和抗振性應利用新技術、新工藝、新結構和新材料，對主要零件和整體結構進行改進設計，在不增加或少增加重量的前提下，使裝備的強度、剛度和抗振性滿足規(guī)定的要求。機械制造裝備在使用過程中，受到切削熱、摩擦熱、環(huán)境熱等的影響，會產(chǎn)生熱變形，影響加工性能的穩(wěn)定性。對于自動化程度較高的機械制造裝備，加工穩(wěn)定性方面的要求尤為重要。提高加工穩(wěn)定性的措施是

7、減少發(fā)熱量，散熱和隔熱，均熱、熱補償、控制環(huán)境溫度等。3加工穩(wěn)定性方面的要求4 耐用度方面的要求對于加工精度要求很高的機械制造裝備，耐用度方面的要求尤為重要。提高耐用度應從設計、工藝、材料、熱處理和使用等多方面綜合考慮。從設計角度，提高耐用度的主要措施包括減少磨損、均勻磨損、磨損補償?shù)取?技術經(jīng)濟方面的要求 投入機械制造裝備上的費用應該進行仔細的技術經(jīng)濟分析，確定機械制造裝備設計和選購方面的指導方針。不應盲目地追求機械制造裝備的技術先進程度，無方案地加大投入。1.2.2 柔性化 柔性化指產(chǎn)品結構柔性化和功能柔性化兩重含義。 產(chǎn)品結構柔性化 是指產(chǎn)品設計時采用模塊化設計方法和機電一體化技術，只需

8、對結構作少量的重組和修改，或修改軟件，就可以快速地推出滿足市場需求的、具有不同功能的新產(chǎn)品。產(chǎn)品功能柔性化 是指只需進行少量的調(diào)整或修改軟件，就可以方便地改變產(chǎn)品或系統(tǒng)的運行功能，以滿足不同的加工需要。1.2.3 精密化隨著市場競爭的國際化，對產(chǎn)品技術性能的要求越來越苛刻，制造精度的要求越來越高。為提高產(chǎn)品的質(zhì)量，許多工廠還不斷地壓縮工件制造的公差帶，機械制造裝備的精密化成為普遍開展的趨勢，從微米級開展到亞微米級，乃至納米級。引起加工誤差的主要因素有機械制造裝備的熱變形、幾何誤差、傳動誤差、運動誤差、定位誤差和工藝系統(tǒng)的彈性變形等。將這些誤差的數(shù)學模型存入計算機。在加工時，由傳感器不斷地將引起

9、誤差的因素測出，輸入計算機，算出將產(chǎn)生的綜合誤差，然而由誤差補償裝置按算出的綜合誤差進行補償。1.2.4 自動化 機械制造裝備實現(xiàn)自動化后，除了可以提高加工效率和勞動生產(chǎn)率，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，改善勞動條件等。自動化有全自動和半自動之分：全自動是指能自動完成工件的上料、加工和卸料的生產(chǎn)全過程；半自動那么是指上、下料工作需人工完成。 實現(xiàn)自動化的方法從初級到高級依次為凸輪控制、程序控制、數(shù)字控制和適應控制等。1.2.5 機電一體化是指機械技術與微電子、傳感檢測、信息處理、自動控制和電力電子等技術，按系統(tǒng)工程和整體優(yōu)化的方法，有機地組成的最正確技術系統(tǒng)。機電一體化系統(tǒng)的機構通常是機械的，用

10、傳感器檢測機器運行狀態(tài)的信息，由計算機進行處理，經(jīng)控制系統(tǒng)機械、液壓、氣動、電氣、電子等形式，控制執(zhí)行元件自動適應外界的變化，使機器始終處于正常的工作狀態(tài)。1.2.6 節(jié)材在傳統(tǒng)產(chǎn)品設計水平較低時，選取的平安系數(shù)一般偏大，造成產(chǎn)品傻大苯粗，造成所謂的結構性材料浪費；由于工藝水平落后，鑄造和鍛造過程中金屬回收率低，毛坯的加工余量大，不僅浪費了原材料，也浪費了加工工時和能源，造成所謂的工藝性材料浪費。采用現(xiàn)代設計法，合理地選取平安系數(shù)，對主要零部件進行精確計算和優(yōu)化，改進產(chǎn)品的結構，采用先進的制造裝備提高材料的利用率是必要的。1.2.7 符合工業(yè)工程要求工業(yè)工程是對由人、物料、設備、能源和信息所組

11、成的集成系統(tǒng)進行設計、改善和實施的一門學科。其目標是設計一個生產(chǎn)系統(tǒng)及其控制方法，在保證工人和最終用戶健康和平安的條件下，以最低的本錢生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品。1.2.8 符合綠色工程要求 企業(yè)必須糾正不惜犧牲環(huán)境和消耗資源來增加產(chǎn)出的錯誤做法，使經(jīng)濟開展更少地依賴地球上的有限資源，更多地與地球的承載能力到達有機的協(xié)調(diào)。按綠色工程要求設計的產(chǎn)品稱綠色產(chǎn)品。綠色產(chǎn)品設計在充分考慮產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、開發(fā)周期和本錢的同時，優(yōu)化各有關設計要素，使得產(chǎn)品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對環(huán)境的影響最小，資源效率最高。1.3 機械制造裝備的分類1.3.1 加工裝備1.3.2 工藝

12、裝備1.3.3 倉儲輸送裝備1.3.4 輔助裝備1.3.1 加工裝備 加工裝備主要指機床。機床是制造機器的機器，也稱工作母機，包括金屬切削機床、特種加工機床、鍛壓機床和木工機床四大類。1金屬切削機床金屬切削機床是利用切削刀具與金屑工件的相對運動，從工件上切去多余或預留的金屬層，以獲得符合規(guī)定尺寸、形狀、精度和外表粗糙度要求的零件。通用的金屬切削機床按其切削方式可分為車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、銑床、刨(插)床、拉床、切斷機床和其它機床等。專用機床是為特殊的工藝目的設計和制造的加工裝備，組合機床及其自動線是其中的一個大分支，包括大型組合機床及其自動線、小型組合機床及其自動

13、線、自動換刀數(shù)控組合機床及其自動線等。2特種加工機床 近十年來，為滿足國防和高新科技領域的需要，許多產(chǎn)品朝著高精度、高速度、高溫、高壓、大功率和小型化方向開展。采用特種加工技術，可以全新的工藝方法，解決上述用常規(guī)加工手段難以甚至無法解決的許多工藝難題，例如大面積鏡面加工、小徑長孔甚至彎孔加工、脆硬難切削材料加工和微細加工等。特種加工機床近年來開展很快，按其加工原理可分成：電加工、超聲波加工、激光加工、電子束加工、離子束加工、水射流等加工機床。3鍛壓機床是利用金屬的塑性變形特點進行成形加工，屬無屑加工設備，主要包括鍛造機、沖壓機、擠壓機和軋制機四大類。(1)鍛造機 是利用金屬的塑性變形，使坯料在

14、工具的沖擊力或靜壓力作用下成形為具有一定形狀和尺寸的工件，同時使其性能和金相組織符合一定的技術要求。鍛造加工按其成形方法的不同，可分為手工鍛造、自由鍛造、胎模鍛造、模型鍛造和特種鍛造等。按鍛造溫度不同，可分熱鍛、溫鍛和冷鍛等。(2)沖壓機 借助模具對板料施加外力，迫使材料按模具形狀、尺寸進行剪裁或塑性變形，得到要求的金屬板制件。根據(jù)加工時材料溫度的不同，可分為冷沖壓和熱沖壓。沖壓工藝省工、省料和生產(chǎn)率高。(3)擠壓機 借助于凸模對放在凹模內(nèi)的金屬坯料加力擠壓，迫使金屬擠滿凹模和凸模合成的內(nèi)腔空間，獲得所需的金屬制件。擠壓時，坯料受三向壓縮應力的作用，有利于低塑性金屬的成形。與模鍛相比，擠壓加工

15、更節(jié)約金屬、提高生產(chǎn)率和制品的精度。按擠壓時的溫度不同，可分為冷擠壓、溫熱擠壓和熱擠壓。(4)軋制機 是使金屬材料經(jīng)過旋轉的軋輥，在軋輥壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，以獲得所要求的截面形狀并同時改變其性能。按軋制時材料溫度是否在再結晶溫度的以上或以下，分熱軋和冷軋。按軋制方式又可分縱軋、橫軋和斜軋?？v軋是軋件在兩個平行排列而反向旋轉的軋輥間軋制，用于軋制板材、型材、鋼軌等；橫軋是軋件在兩個平行排列而同向旋轉的軋輥間軋制，用于軋制套圈類零件；斜軋是軋件在兩個軸線互成一定角度而同向旋轉的軋輥間軋制，自身作螺旋前進運動，主要用于軋制鋼球。1.2.2 工藝裝備產(chǎn)品制造所用的各種刀具、輔具、量具、夾具、模具等

16、工具總稱為工藝裝備。它是保證產(chǎn)品制造質(zhì)量、貫徹工藝規(guī)程、提高生產(chǎn)效率的重要手段。1刀具切削加工時，從工件上切除多余材料所用的工具，稱之為刀具。刀具的種類頗多，如車刀、刨刀、銑刀、鉆頭、絲錐、齒輪滾刀等。通用刀具已標準化，由工具制造廠大批量生產(chǎn)，不需自行設計。專用刀具那么需自行設計。2. 輔具用于安裝刀具的器具。大多數(shù)輔具已標準化，由工具制造廠大批量生產(chǎn)，不需自行設計。3夾具夾具是安裝在機床上用于定位和夾緊工件的工藝裝備，它保證工件加工時的定位精度、被加工面之間的相對位置精度，有利于工藝規(guī)程的貫徹和提高生產(chǎn)效率。夾具一般由定位機構、夾緊機構、刀具導向裝置、工件推入和取出導向裝置和夾具體構成。按夾

17、具安裝在什么機床上可分為車床夾具、銑床夾具、刨床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、磨床夾具等。按夾具專用化程度可分為專用夾具、成組夾具和組合夾具等。4量具 量具是以固定形式復現(xiàn)量值的計量器具的總稱。通用量具已標準化、系列化，如游標卡尺、千分尺、千分表、量塊等。專用量具可根據(jù)被測量對象的尺寸及公差而設計與制造，如塞規(guī)、卡規(guī)等。有些量具盡管是專用的，也可相互借用，如極限量塊、樣板等。有些屬于組合測量儀，只在較小的范圍內(nèi)通用。組合測量儀可同時對多個尺寸進行測量，將這些尺寸與允許值進行比較，通過顯示裝置指示是否合格。5模具 模具是用來將材料填充在其型腔中，以獲得所需形狀和尺寸制件的工具。按填充方法和填充材料的

18、不同，模具有粉末冶金模具、塑料模具、壓鑄模具、冷沖模具、鍛壓模具等。1粉末冶金模具 粉末冶金是制造機器零件的一種加工方法，將一種或多種金屬或非金屬粉末混合，放在粉末冶金模具的模腔內(nèi)，加壓成形，再燒結成制品。2塑料模具 塑料是以高分子合成樹脂為主要成分，在一定條件下可塑制成在常溫下保持形狀不變的材料。塑制成型制件所用的模子稱之為塑料模具。 塑料模具有壓塑模具、擠塑模具、注射模具和其它模具。其它模具有擠出成形模具、發(fā)泡成形模具、低發(fā)泡注射成形模具和吹塑模具等。1壓塑模具壓膠模成型熱固性塑料件的模具。成型前，根據(jù)壓制工藝條件將模具加熱到成型溫度，然后將塑料粉放入型腔內(nèi)預熱、閉模和加壓。塑料受熱和加壓

19、后逐漸軟化成粘流狀態(tài)，在成型壓力的作用下流動而充滿型腔，經(jīng)保壓一段時間后，塑件逐漸硬化成形，然后開模和取出塑件。2擠塑模具擠膠模成型熱固性塑料或封裝電器元件等用的一種模具。成形及加料前先閉模，塑料先放在單獨的加料室內(nèi)預熱成粘流狀態(tài)，再在壓力的作用下使融料通過模具的澆注系統(tǒng)，高速擠入型腔，然后硬化成型。3注射模具沿分型面分為定模和動模兩局部。定模安裝在注塑機的定模板上，動模那么緊固在注射機的動模板上。工作時注射機推動模板與定模板緊密壓緊，然而將料筒內(nèi)已加熱到熔融狀態(tài)的塑料高壓注入型腔，融料在模內(nèi)冷卻硬化到一定強度后，注射機將動模板與定模板沿分模面分開，即開啟模具，將塑件頂出模外，獲得塑料制件。3

20、壓鑄模具 熔融的金屬在壓鑄機中以高壓、高速射人壓鑄模具的型腔，并在壓力下結晶成型。壓鑄件的尺寸精度高，外表光潔，主要用于制造有色金屬件。4冷沖模具 冷沖模具包括陰模和陽模兩局部。在室溫下借助陽模對金屬板料施加外力，迫使材料按陰模型腔的形狀、尺寸進行裁剪或塑性變形。進行冷沖加工所用的鋼材應是含碳量較低的高塑性鋼。5鍛壓模具 鍛壓模具是鍛造用模具的總稱。按所使用的鍛造設備的不同可分為錘鍛模、機鍛模、平鍛模、輥鍛模等。按使用目的不同可分為終成形模、預成形模、制坯模、沖孔模、切邊模等。 倉儲輸送裝備包括各級倉儲、物料輸送、機床上下料等，機器人可作為加工裝備，如焊接機器人和噴漆機器人等，也可屬于倉儲輸送裝備，用于物料輸送和機床上下料。1.2.3 倉儲輸送裝備倉儲是用來存儲原材料、外購器材、半成品、成品、工具、胎夾模具等，分別歸廠或各車間管理。 現(xiàn)代化的倉儲系統(tǒng)應有較高的自動化程度，采用計算機進行庫存管理，采用生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，合理控制庫存量。立體倉庫是一種很有開展前途的倉儲結構，具有占地面積