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第1章机械制造概论机械制造业是国民经济的基础产业，它生产的机械产品中相当一部分将成为国民经济各部门的机械装备。机械制造是一个将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息和人力等）通过制造系统转化为可供人们使用或利用的产品的过程。机械制造也是人类开发自然资源的过程，在人类实施可持续发展战略的今天，力争以最小的资源消耗、最低限度的环境污染产生最大的社会经济效益是制造业的根本宗旨。1.1机械产品的开发与构成1.2制造过程与生产组织思考题与练习1.1机械产品的开发与构成1.1.1机械产品的开发产品开发的意义新产品开发的决策新产品开发的方式新产品开发的步骤产品开发的技术手段1.1.2机械产品的构成机械产品的构成组成产品的各个部分应当具有充分发挥其性能的最佳形状,所选用的材料应考虑对强度和功能的要求。机械产品使用的材料产品开发的意义1）产品开发的意义科学技术的发展与进步，为满足人类更高消费提供了许多新的产品方案。消费者随着生活水平的提高与社会环境的进步，对产品的功能、质量、外观、价格提出了新的要求，这些使企业有可能也有必要不断地开发新产品。机械制造企业为了赢得竞争，也必须不断地推出新产品。2）机械产品的市场寿命周期及各阶段的特点2）机械产品的市场寿命周期及各阶段的特点介绍期：制造成本大，销售量有限，价格也较高，销售产品还不能为企业带来利润。成长期：产品迅速占领市场，销售额扩大，进入批量生产，成本降低，利润迅速增加。成熟期：销售量大，但增幅趋缓，企业利润丰厚衰退期：产品的价格被压到极低水平，销售额持续下降，企业无法获得利润，市场出现升级换代的新产品。新产品开发的决策1）新产品的分类及定义全新产品：应用新原理、新结构、新技术和新材料制造出的前所未有的产品往往是科技史上的重大突破。换代产品：由于采用新技术、新结构或新材料，使产品性能产生具有阶段性变化的新产品。改进产品：对老产品的改进。仿制产品：模仿市场已有的其他产品而产生。2）新产品开发的决策⑴开发调研⑵立项决策⑴开发调研科技调研：主要是调研科技新动态，形成产品的技术源。市场调研：主要是调查市场需求。竞争环境调研：研究了解国家的法律、法规、行业政策导向，调查研究国内外竞争对手的情况。⑵立项决策表1-1给出了对一个新产品开发调查的结果，表中的每一项都是利用某一种方法调研得到的数据进一步求平均值得出的。立项评估的内容经济分析：主要考虑产品开发的资金投入以及在投资回收期和盈亏平衡时产品的最小销售量等。风险分析：主要考虑技术成功率、商业成功率和产品寿命周期。表1-1新产品评估等级要素类要素等级权值得分技术评估先进新颖性70.10.7成熟度70.10.7技术独占度90.151.35质量指标60.050.3适用性评估与原有技术兼容性30.050.15现有设备可用性80.10.8现有人才可用性60.050.3现有销售渠道可用性40.050.2竞争能力评估市场宽度30.10.3可达市场占有率70.10.7与发展政策有关90.050.45环境保护90.10.9总计16.85新产品开发的方式独立研制：依靠本企业自身力量独立进行新产品开发。合作开发：由企业与高校或科研机构合作进行技术开发。技术引进：通过购买专利,引进国外先进技术等方式,使企业的产品迅速赶上先进水平,进入国际市场。新产品开发的步骤产品的概念设计产品方案设计技术设计生产设计产品方案设计方案设计主要确定实现概念设计的总体方案，包括机械结构方案、电器控制方案、外形方案等；还有绘制产品的总装图的工作原理草图，给出其主要尺寸，列出产品的特殊配套零部件和外购件的明细表技术设计定义：根据技术任务书，将方案设计中确定的基本结构和主要参数具体化，进一步确定产品结构和技术经济指标内容：通过计算、分析和试验确定重要零部件的结构尺寸和配合，画出机器总图、重要零部件图等编写部件、附件、通用件等明细表以及特殊材料表编写设计说明书、说明产品结构特点制定加工、装配以及产品验收和交货的技术条件确定产品的技术经济指标生产设计定义：生产设计是将经过审核和修正的前一段设计具体化为生产用的工作图内容绘制全套施工图样、准备有关制造和使用所需的技术文件，为企业提供可靠的生产依据请单击三下产品的概念设计产品概念设计的内容产品的基本特征、技术原理、主要结构形式、主要功能、市场定位、技术规格、主要参数、目标成本及与国内外类似产品的比较等。产品的概念狭义概念：指具体产品广义概念：即整体产品概念，如图1-1所示，它由核心部分、形式部分及延伸部分组成。图1-1整体产品概念使用价值包装品质售后服务保证运输品牌式样维修安装产品开发的技术手段传统的产品的开发往往借助于人力和通用设备，经过反复制作、试凑，信息的个性化因素较大。随着计算机在制造业中的广泛应用，计算机辅助设计（CAD）得到越来越普遍的应用。基于CAD/CAE/CAM以及多媒体技术发展起来的虚拟制造技术，可大大加速产品的开发过程。快速成形技术可以用较低的费用，在很短的时间内完成单件或小批量试制，是现代产品快速开发的主要技术。机械产品使用的材料黑色金属材料:钢材和铸铁，强度较高，价格低廉，故使用较多。按其使用场合的不同，对其性能的要求也不同。有色金属材料以铝合金应用最广，用作发动机的活塞、变速箱壳体、带轮等，铝合金由于重量轻、美观，今后将更多地被用于制造汽车零件。铜用于生产电器产品、散热器。铅、锡与铜构成的合金用作轴承合金。锌合金用作装饰和车门手柄。非金属材料:工程塑料、橡胶、石棉、玻璃、纤维等1.2制造过程与生产组织1.2.1机械产品的制造过程1.2.2零件的制造过程1.2.3生产类型与生产方式机械加工工艺与生产类型生产类型与生产方式制造哲理与生产方式1.2.1机械产品的制造过程影片定义：从原材料到产品的全过程，包括零件、部件以及整机的制造，称为机械产品的制造过程。制造过程定义：由一系列的制造活动组成，包括生产设计、技术准备、生产计划、毛坯制造、机械加工、热处理、装配、质量检验以及储运等工艺过程工艺过程的分类：铸造、锻造焊接、机械加工、热处理、装配等。制造过程的物料流、信息流、能量流及人与设备构成了机械制造系统，如图1-4所示。图1-5所示大概说明了分别采用不同的工序制造车身、发动机等，再将其装配成汽车的过程。图1-4机械制造系统图加工任务加工方法加工顺序物流要求信息系统机械制造系统原料或毛坯存储运输制造检验能量系统能源加工任务加工方法加工顺序物流要求信息系统机械制造系统原料或毛坯存储运输制造检验成品能量系统能源物料流信息流能量流图1-5汽车的生产过程1.2.2零件的制造过程零件的制造过程是机械过程中最基础、最主要的环节，其目的是通过一系列的工艺方法，获得具有一定形状、尺寸、力学性能和物理性能的零件。零件制造的工艺方法材料去除法（质量减少、Δm0）材料成形法（质量不变、Δm0）材料累加法（质量增加、Δm0）零件的制造过程（1）材料去除工艺（Δm＜0）定义：按照一定的方式从工件上去除材料，工件逐渐逼近所需形状和尺寸的零件。影响加工效率的因素：材料或毛坯与零件的形状、尺寸相接近的程度。特点：工件形状越接近零件，材料去除越少，能源消耗也就越少；反之则材料、能源消耗就越大。内容切削加工特种加工定义：利用电能、光能等对工件进行材料去除的加工方法。特种加工方法：电火花加工、电解加工、激光加工切削加工定义：通过工件和刀具之间的相对运动及相互间力的作用来实现的加工方法。常见的切削加工方法：车削、铣削、刨削、磨削等。切削过程中现象：力、热、变形、振动、磨损等。⑵材料成形工艺（Δm＝0）材料成形工艺方法多利用模型使原材料形成毛坯或零件。服务于成形工艺方法的模具制造精度一般要求较高，其生产往往是单件生产方式，加工量大。模具设计也要用到CAD、CAE等一系列技术，从另一个侧面反映了成形工艺方法对材料去除和累加工艺方法的要求。⑶材料的累加工艺（Δm＞0）定义将零件以微元叠加的方式逐渐累加生成，这一工艺又称为快速成形技术。优点无需刀具、夹具等生产准备活动，就可以形成任意复杂形状的零件。快速成形技术RP技术快速成形技术快速原型制造（rapidphotographmanufacturing—RPM），又称“快速成形技术”（rapidphotograph—RP）或“分层制造”（layermanufacturing—LM），是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步叠加成三维实体（见1-附图1，1-附图3）传统加工和快速成形的比较（见1-附图2）喷粘结剂喷热熔材料三维产品（样品/模具）表面处理构造三维模型模型近似处理切片处理激光喷射源固化树脂切割箔材烧结粉末1-附图1快速成形过程1-附图2传统加工与快速成形比较（a）（b）模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工设计模具样品快速成形1-附图3快速成形机床及快速成形件RP技术光固化技术叠层制造法激光选区烧结法熔积法此外还有三维打印法、漏板先固化法等工艺，这些工艺各自特点不同，各有不同的适用场合。光固化法（SL法）原理：如图1-6，以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外光按预定零件分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂层产生聚合反应，从而形成零件的一个截面。当一层固化完毕，托盘下降，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。特点：精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%。应用：适合制造壳体类零件及形状复杂，特别精细的零件（如首饰、工艺品等）。1—激光器；2—扫描镜；3—z轴升降台；4—树脂槽；5—托盘；6—光敏树脂；7—零件原型图1-6SL法原理图叠层制造法（LOM法）原理：如图1-7，LOM工艺是将单面涂有热熔胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内、外轮廓；然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面的已切割层粘合在一起，激光束再次切割。这样反复逐层地切割--粘合--切割…直到整个零件模型制作完成。应用：只切割轮廓，特别适合制造实心零件。1—X-Y扫描系统；2—光路系统；3—激光器；4—加热器；5—纸料；6—滚筒；7—工作平台；8—边角料；9—零件原型图1-7LOM法原理图激光选区烧结法（SLS法）原理：如图1-8，采用CO2激光器作为能源，在工作台上铺一层很薄（100～200μm）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理获得零件。1—扫描镜；2—透镜；3—激光器；4—压平辊子；5—零件原型；6—激光束图1-8SLS法原理图熔积法(FDM法)原理：如图1-9，FDM工艺的关键是保持半流动成形材料的温度刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高1℃左右）。FDM喷头受CAD分层数据控制，使半流动状态的熔丝材料从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，一层叠一层，最后形成整个零件模型。1—加热装置；2—丝材；3—z向送丝；4—x-y驱动5—零件原型图1-9FDM法原理图零件制造过程定义：主要依赖于材料成形、机械加工（主要指切削加工以及特种加工等），并适时将热处理工艺穿插在其中，获取零件形状的加工方法机械加工在机械加工工艺系统中进行，机械加工工艺系