《機械設(shè)備制造技術(shù)》課件第1章

第1章緒論1.1機械設(shè)備制造工程概況1.2機械設(shè)備制造技術(shù)的進展1.3本課程簡介1.1機械設(shè)備制造工程概況

機械設(shè)備制造是各種機械、機床、工具、儀器、儀表制造過程的總稱。機械設(shè)備制造技術(shù)則是研究用于上述機械產(chǎn)品的加工原理、工藝過程和方法以及相應(yīng)設(shè)備的一門工程技術(shù),也是一門研究如何以最少的消耗、最低的成本和最高的效率制造一定質(zhì)量的產(chǎn)品的綜合技術(shù)。機械設(shè)備制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)和支柱,是向其它各部門提供工具、儀器和各種機械設(shè)備的技術(shù)裝備部。

我國機械工業(yè)的主要任務(wù)是為國民經(jīng)濟各個部門的發(fā)展提供所需的各類先進、高效、節(jié)能的新型機電裝備,并努力提高質(zhì)量,保證交貨期,積極降低成本,將我國機械加工工業(yè)提高到新的水平。針對機械設(shè)備制造業(yè)的特點,從系統(tǒng)工程的觀點來認(rèn)識機械設(shè)備制造企業(yè)的生產(chǎn)活動,可將其概括為機械制造過程是物質(zhì)流、信息流和能量流三者的匯聚和交互作用的過程。物質(zhì)流又稱物料流,是指物料經(jīng)過制造工藝過程所產(chǎn)生的形狀、尺寸和位置的轉(zhuǎn)變。也是以機床設(shè)備、工藝裝備和機械加工方法等生產(chǎn)制造技術(shù)為中心的“硬工藝學(xué)”。這一部分是機械設(shè)備制造工程所研究的對象。

信息流是以生產(chǎn)信息處理和生產(chǎn)管理技術(shù)為主體的“軟工藝學(xué)”。生產(chǎn)信息處理是指將所要獲得的形狀、尺寸、性能等信息向被加工物料的傳遞。在此過程中需對物料流和能量流進行有目的有成效的控制,以獲得所需的加工零件,促使制造過程能達(dá)到大幅度提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的目的。這部分內(nèi)容主要是管理和經(jīng)營工程學(xué)所研究的范疇。能量流是指在制造過程中將能量施加于加工對象并產(chǎn)生相應(yīng)的變換,如將電能轉(zhuǎn)變成機械能、熱能、化學(xué)能。

圖1-1為生產(chǎn)系統(tǒng)的基本組成框圖。整個生產(chǎn)系統(tǒng)分成三個階段。第一階段為決策和控制階段,企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)按照國內(nèi)外市場的信息,根據(jù)本企業(yè)人員的素質(zhì)、技術(shù)水平及物質(zhì)條件,對生產(chǎn)產(chǎn)品的類型、性能、產(chǎn)量和成本作出決策,并對生產(chǎn)過程進行控制和管理。第二階段為研究開發(fā)階段,遵照決策指令,進行新產(chǎn)品或改進產(chǎn)品的設(shè)計、試驗研究及試制,提供所開發(fā)的新產(chǎn)品圖紙。第三階段是產(chǎn)品制造階段,此階段除了必須與數(shù)據(jù)庫交換信息以外,還需輸入能源和材料,制造系統(tǒng)最后輸出為產(chǎn)品。同時，產(chǎn)品銷售部門應(yīng)及時把產(chǎn)品在市場上的競爭能力、銷售情況、用戶評價、改進要求等信息反饋給領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)。

圖1-1生產(chǎn)系統(tǒng)的基本框圖

因此,機械設(shè)備制造過程是生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分,包括了設(shè)計、材料選擇、計劃、加工質(zhì)量保證等活動,是直接將輸入的原材料或毛坯通過各種加工、檢測、裝配、調(diào)試、油漆、包裝等工作,最后經(jīng)成品驗收合格后輸出產(chǎn)品的過程。機械設(shè)備制造過程又可以分為:毛坯制造、零件加工和裝配調(diào)試三個部分,如圖1-2所示。

圖1-2機械設(shè)備的制造過程

由傳統(tǒng)常規(guī)的系統(tǒng)發(fā)展到新型的自動化系統(tǒng),大致經(jīng)歷了下述過程:

(1)1770年工業(yè)革命初期用簡易的機器實現(xiàn)了簡單的機械化勞動和工作。

(2)20世紀(jì)初出現(xiàn)了剛性的自動化機構(gòu)和生產(chǎn)自動線。其工序內(nèi)容較為簡單且固定不可變,僅可用于生產(chǎn)某種固定的產(chǎn)品,適宜于大批量的生產(chǎn)規(guī)模。

(3)不久又出現(xiàn)了用一個觸頭沿著主控靠模運動,并同時將指令信號輸送給伺服驅(qū)動裝置的仿型機床;還有能完成各種加工順序的插銷板式程序控制機床。

(4)1960年以來,由于計算機技術(shù)的發(fā)展及數(shù)控機床的推廣應(yīng)用,使機械制造技術(shù)有了突破性進展。在發(fā)展計算機數(shù)控機床(CNC)的同時又開發(fā)了工業(yè)機器人,20世紀(jì)70年代后,機器人在制造系統(tǒng)中擔(dān)任了重要的工作。

(5)20世紀(jì)80年代,在以計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造(CAD／CAM)為中心的新型的自動化制造系統(tǒng)中,包含有若干臺CNC機床、自動的物料輸送系統(tǒng)、工業(yè)機器人以及將它們連接起來進行控制的計算機,組成了柔性制造系統(tǒng)(FMS)、柔性制造單元(FMC),至今發(fā)展成為計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。它們完全改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式,成為能夠用于多品種和小批量生產(chǎn)的新型自動化制造系統(tǒng)。

1.2機械設(shè)備制造技術(shù)的進展

1.2.1加工質(zhì)量保證和提高加工質(zhì)量是機械制造工藝的首要問題。加工質(zhì)量的指標(biāo)有若干項,而最重要的是加工精度。控制加工過程中的誤差是保證加工精度的根本措施。

1776年發(fā)明及制造蒸汽機,在鏜缸機上將￠650mm直徑的灰鑄鐵汽缸孔加工至1mm的精度,花了27個半工作日。

19世紀(jì)中期,各種金屬切削機床有:六角車床、螺紋車床及銑床。形成了公差制度,提出了精度理論。機器零件的尺寸精度已達(dá)到0.01mm。

1960年后,由于宇航、計算機、激光以及自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,促進了新的制造加工技術(shù),如為了制作集成電路器件,發(fā)展了各種微細(xì)加工技術(shù)。利用了切削或非切削的加工工藝使微小尺寸零件的加工精度達(dá)到了亞微米級,尤其在最近十幾年內(nèi)提高到目前的納米級,即1nm＝10-3μm＝10-6mm＝10-9m,從而進入了超精密加工的時代?，F(xiàn)在,用電子探針測量超大規(guī)模集成電路時,測量精度已達(dá)0.25nm。各年代所能達(dá)到的加工精度大致情況可用圖1-3表示。本世紀(jì)初已實現(xiàn)原子級尺寸的加工與測量(即納米技術(shù))。

圖1-3各年代所能達(dá)到的加工精度

從圖1-3中可看出:隨著新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備以及新的測量技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的機械加工方法在不斷地改進,常規(guī)的精密加工也可得到0.05μm的精度。加工工件時分割材料的水平具有由宏觀進入微觀的發(fā)展趨勢。另外,世界各國又特別注重于延長機械設(shè)備的使用壽命與提高其工作可靠性方面的研究。對工件經(jīng)機械加工后的表面質(zhì)量提出了新的要求:表面完整性。它比通常所講的表面質(zhì)量又包含了更多的內(nèi)容,不僅有粗糙度、波紋度以及紋理等表面特征,還包括已加工表面深度約為0.38mm范圍內(nèi)各種物理、機械、冶金等方面的特性,如殘余應(yīng)力、硬化程度、微觀組織變化、晶間腐蝕、熱損傷區(qū)、材質(zhì)不均等項目。為了實現(xiàn)以0.005μm的加工精度向超精密加工方向努力,有關(guān)金屬切削技術(shù)的研究基本在以下幾方面:

(1)切削機理試驗和觀察微觀的手段。如高速攝影、光彈塑性、掃描電鏡等。擴展對切削機理的研究領(lǐng)域由二維研究向三維研究發(fā)展。

(2)動態(tài)切削機理研究。一方面,機床設(shè)備在切削過程中的顫振會影響切削效果和質(zhì)量;另一方面,利用高頻的振動又能對難切削材料工件進行加工。

(3)新型刀具材料的開發(fā)。

為了實現(xiàn)以0.005μm的加工精度向超精密加工方向努力,有關(guān)金屬切削技術(shù)的研究基本在以下幾方面:

(1)切削機理試驗和觀察微觀的手段。如高速攝影、光彈塑性、掃描電鏡等。擴展對切削機理的研究領(lǐng)域由二維研究向三維研究發(fā)展。

(2)動態(tài)切削機理研究。一方面,機床設(shè)備在切削過程中的顫振會影響切削效果和質(zhì)量;另一方面,利用高頻的振動又能對難切削材料工件進行加工。

(3)新型刀具材料的開發(fā)。

(4)盡量消除加工誤差。研究機械制造系統(tǒng)在加工過程中的隨機誤差與系統(tǒng)誤差。如:機床配置高精度的子系統(tǒng);使用壓電式、電致伸縮及磁致伸縮的驅(qū)動裝置,作為超精度運動的伺服控制;采用反饋測量調(diào)節(jié)系統(tǒng)做到機床運動精度的自適應(yīng)控制。

(5)在自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中,切削條件最優(yōu)化研究。

(6)超精密測量技術(shù)研究。工件在加工過程中的在線檢測和動態(tài)精度的測試與分析。

1.2.2切削加工速度機械切削加工速度的高低,也是衡量工藝技術(shù)水平的重要標(biāo)志之—。切削加工速度的提高,與切削刀具材料的發(fā)展和機床靜態(tài)、動態(tài)性能的改善有直接的關(guān)系。本世紀(jì)以來,由于刀具材料的更新,切削速度比上世紀(jì)約提高了30倍。圖1-4表示了加工同尺寸的鋼材工件,各年代所歷經(jīng)的由于刀具材料的進步,使切削速度不斷提高和加工時間減少的規(guī)律。

圖1-4歷年的切削速度及加工時間

采用高轉(zhuǎn)速的機床,改進刀具材料及結(jié)構(gòu),并使用新的先進工藝措施等,從以上三個方面綜合考慮和解決實際工程問題,實現(xiàn)切削速度的提高,從而提高機械加工的勞動生產(chǎn)率。例如,汽車變速箱中的中等模數(shù)齒輪所用材料為CrMnTi,一般的高速鋼滾刀切削速度為20～40m／min。改用含鋁超硬高速鋼滾刀后切削速度為80～100m／min。若采用新型硬質(zhì)合金制成裝配式滾刀,在高速滾齒機YB3120上加工速度可提高到180～250m／min。

各個先進國家對怎樣加大切削速度都在做很大努力。高速切削的目標(biāo)值是隨著時代的前進而不斷上升。圖1-5表示了進入20世紀(jì)80年代后各種切削方法的切削速度和高速切削的目標(biāo)值。圖中可見,按照要求的數(shù)據(jù)均是較高的。目前車、銑削的最高速度為600～800m／min,高速化的目標(biāo)值為5000～8000m／min。國外有關(guān)學(xué)者所制訂的高速切削目標(biāo)值,規(guī)定了5000～10000m／min為高速切削,大于10000m／min的稱為超高速切削(UHSC)。

圖1-5現(xiàn)有加工速度和最高目標(biāo)

高速切削(HighSpeedCutting,HSC)與超高速切削不僅能有效地提高生產(chǎn)率,并且能降低切削力,傳導(dǎo)給工件、刀具的熱量也大幅度減少;還能加工很薄、不產(chǎn)生裂紋和畸變的工件。由于激勵機床振動的頻率特別高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開了工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍,因此工作平穩(wěn)、振動小。

在圖1-6所示的模具及成形制造中的成本結(jié)構(gòu)中,單件生產(chǎn)或小批量生產(chǎn)的機械加工占據(jù)了大部分生產(chǎn)時間及總成本。而機械加工中,半精加工及精加工約占成本的50％左右。采用HSC技術(shù),使切削速度和進給速度大幅度提高,縮短模具機加工的時間,通過合理選擇加工參數(shù),使表面加工質(zhì)量及刀具壽命都有較大提高。實驗結(jié)果表明,應(yīng)用HSC技術(shù)后可使后續(xù)加工中手工研磨時間減少近80％,成本費用節(jié)約近30％,加工表面精度可達(dá)1μm,刀具切削效率提高100％。

圖1-6模具及其成形的成本結(jié)構(gòu)

1.2.3制造過程自動化傳統(tǒng)的機械設(shè)備制造工藝基本上是在“批量法則”之下組織生產(chǎn)活動的。即生產(chǎn)的組織方式、加工方法、加工設(shè)備和工藝裝備等,均按產(chǎn)品生產(chǎn)批量的規(guī)模來決定它們的先進性和高效性。因此,對于生產(chǎn)批量足夠大的產(chǎn)品,就組織專門化生產(chǎn),可用自動化的高效率的加工設(shè)備,建立流水生產(chǎn)線及自動生產(chǎn)線。對于小批量、多品種的產(chǎn)品,只能采用常規(guī)的加工手段和生產(chǎn)效率低的通用機床進行生產(chǎn)。長期以來使這些品種多、批量小的生產(chǎn)企業(yè)處于低效率、低質(zhì)量及高成本的落后狀態(tài)之中。

進入20世紀(jì)80年代以來,世界市場經(jīng)濟的飛速發(fā)展,競爭意識的增長,工業(yè)產(chǎn)品急需多樣化,性能要好、質(zhì)量要高、功能要全、效率要高,而成本要低。因此,約有75％的零件制造批量都將小于50件,品種繁多、批量較小的生產(chǎn)企業(yè)將占據(jù)機械制造業(yè)中的大部分。為了解決小批量生產(chǎn)如何進行高效率的自動化的生產(chǎn),與傳統(tǒng)的批量法則不同,新概念的制造系統(tǒng)應(yīng)著重發(fā)展柔性制造技術(shù)。圖1-7所示為傳統(tǒng)的批量法則概念之下的機械制造方式,而圖1-8所示為新概念之下的機械制造方式,它是建立在成組技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和計算機技術(shù)綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)上的。在柔性的生產(chǎn)組織之下,除了一般的自動線外,所有方式下的加工設(shè)備均能用于多品種小批量的自動化加工。

圖1-7批量法則下的制造方式

圖1-8新概念下的制造方式

1.3本課程簡介機械設(shè)備制造技術(shù)一般包含機械設(shè)備制造熱加工技術(shù)、機械設(shè)備制造冷加工技術(shù)和設(shè)備裝配技術(shù)三部分,本書主要論述后兩部分內(nèi)容。實現(xiàn)機械加工工藝過程的硬件與軟件的集合,稱為機械加工工藝系統(tǒng)。由于零件加工過程的主體是其表面的成形過程,這一過程的每一環(huán)節(jié)都是由機床、刀具、工件和夾具這一工藝系統(tǒng)按照某種要求完成的機械加工,因此工藝系統(tǒng)的硬件是制造企業(yè)中處于最底層的加工單元,往往由機床、刀具、夾具和工件四要素組成。對于不同零件的不同表面,加工方法不同,相應(yīng)的工藝系統(tǒng)組成也不同,一個零件的全部加工過程就是一個特定的工藝系統(tǒng)按照一定的順序完成的。

因此,機械設(shè)備制造技術(shù)所涉及的各種專業(yè)課程大致有:闡述切削與磨削的基本規(guī)律的“金屬切削原理”,闡述機械加工設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)與設(shè)計方法的“金屬切削機床與設(shè)計”,闡述機械加工的工藝裝備的“夾具設(shè)計”和“刀具設(shè)計”,以及以零件加工與產(chǎn)品裝配為對象,闡述制造工藝方法和制造過程質(zhì)量控制分析等規(guī)律的“機械制造工藝學(xué)”,并結(jié)合實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)如生產(chǎn)實習(xí)、課程