机械制造技术基础-西安交大课件

CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity机械制造技术基础机械工程学院先进制造技术研究所2012-2013学年第一学期（2012.09.－2012.12）金涛[e-mail]2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论“制造业是国民经济的主要支柱”—引自：国家中长期科学和技术发展规划纲要一、制造业与制造技术制造业是一个国家的立国之本、民族产业和支柱产业。是反映一个国家经济实力的重要标志，是为国家创造财富的重要产业，也是保障国家安全的重要产业。如：机床业（基础行业－工欲善其事，必先利其器），家电，汽车，医疗，农业，造船业，纺织，印刷，IT制造业；航天、航空，宇航等。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论制造技术支撑着制造业的发展，先进的制造技术能使一个国家的制造业乃至整个国民经济处于极富竞争力的地位。忽视制造技术的发展，将会使经济发展出现严重问题。如美国和日本的正反两方面教训。二、机械制造业的现状CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论•国外（八国联军）加工对象：极大和极小，极端制造；精度和效率：精密和超精密、高速和超高速；CNC控制系统：五轴联动、六轴联动；制造技术科学的基础研究：投入巨大；制造技术研究与装备开发的手段：不断开发，不断更新（工艺、检测技术、刀具及功能部件、设计、分析与计算手段等）。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论三维造型软件，如UG，PRO/E，CARTIA，SolidWorks等；有限元分析软件，如ANSYS，Abaqus，MRC，Dynaform，Forge等；计算分析软件，如Matlab，Mathematica，Maple等。（现代工程师应掌握这三类软件的至少一个！）CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论•国内昨天－辉煌的过去四大发明，卓越的锻压和铸造技术等。-武林至尊，宝刀屠龙；倚天不出，谁与争锋今天－制造大国，不是制造强国中低端产品居多，关键件、重要零部件的加工依赖进口，经常受国外的技术限制（“巴统”）、整机装配工艺技术落后。高端的数控产品，IT制造的核心装备－光刻机，大型核电、风电、水电设备，大型发电机组、激光核聚变装置（点火工程）等。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论青海华鼎超重型数控卧式镗车床重大专项最大回转直径5m最大工件长度25m工件重量500t双床身、双刀架布局CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论装备制造业：国民经济发展/国防建设/技术装备/基础产业•2010年:占GDP的11.5％,世界前三位（2002年:9.4%,世界前四位）“我国是世界制造大国，但还不是制造强国”,自主创新能力弱、对外依存度高、国际竞争力不强。极易受到国际经济、政治环境的制约。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论主要表现在以下几个方面：•对制造技术中的重要基础科学问题的研究远远不够•单元技术、功能部件的研究和开发落后•整机的装配工艺技术落后（沈机案例、传统文化中“学而优则仕”的深远影响）CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论造成的后果：所制造的机床，在加工精度、切削稳定性、精度保持性、可靠性等方面与国外同类产品相比，存在很大的差距。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论明天－YesterdayOnceMore？！物质平台：国家政策支持、企业、高校人才平台：谁是主力军？三、制造技术的发展制造技术已从单工序的研究发展到制造系统（物质流、信息流、资金流）的研究。如车铣、镗铣复合机床、加工中心、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论随着制造技术的发展，制造技术不再仅仅是以力学、切削理论为主要基础的一门学科，而是涉及了机械科学、系统科学、信息科学、材料科学和控制技术的一门综合学科。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论四、机械制造的基本流程－零件与机器零件是机器的组成单元，装配时机器是由零件单元逐一装配而成，但在设计的时候却是从整台机器开始的。一种新产品（机器）的开发内容包括概念设计、方案设计、详细设计、样机试制与评审、工艺设计、新产品鉴定、试销、生产准备、批量生产。在方案设计阶段往往需要设计多种方案，通过性能、成本等的对比，经评审最后确定一种方案。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论在详细设计阶段，是从绘制产品（机器）的总装图开始，在完成产品的总装图设计后，再进行拆画零件图，在零件图上除标注正确的几何尺寸外，还要根据机器的性能要求标注出零件的精度要求。可见零件的精度要求来自于机器。而在制造过程中，是先加工出合格的零件，然后再通过合理的装配工艺将零件装配成满足一定功能的机器。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity绪论五、本课程学习的目的能对机械制造有一个总体的、全貌的了解与把握，能掌握金属切削过程的基本规律，掌握机械加工的基本知识，能选择加工方法与机床、刀具、夹具及加工参数，具备制订工艺规程的能力和掌握机械加工精度和表面质量分析的基本理论和基本知识，初步具备分析解决现场工艺问题的能力，了解当今先进制造技术的发展概况。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法第一节零件的成形原理按照零件由原材料或毛坯制造成为零件的过程中，质量M的变化，可分为△M＜0,△M＝0,△M＞0三种原理，不同原理采用不同的成形工艺方法。△M＜0，材料去除原理，如传统的切削加工方法，包括磨料磨削、特种加工等,在制造过程中通过材料逐渐被去除而获得需要的几何形状。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法△M＝0，材料基本不变原理，如铸造、锻造及模具成型（注塑、冲压等）工艺，在成形前后，材料主要是发生形状变化，而质量基本不变。△M＞0，材料累加成形原理，如上世纪80年代出现的快速原形（RapidPrototyping）技术，在成形中通过材料累加获得所需形状。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法一、△M＜0的制造过程△M＜0主要指切削加工，该加工过程是通过刀具和工件之间的相对运动及相互力的作用实现的。工件往往通过夹具安装在机床上，机床带动刀具或工件或两者同时进行运动。切削过程中，有力、热、变形、振动、磨损等现象发生，这些现象的综合作用决定了零件CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法最终获得的几何形状及表面质量。对于加工精度要求特别高的零件，需要采取精加工及超精加工工艺（其尺寸精度往往达到亚微米乃至纳米级）。这些工艺在航空航天、计算机产品等领域有着广泛的应用。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法特种加工是指利用电能、光能或化学等方法完成材料的去除成形方法，这些方法主要适合于加工超硬度、易碎等常规加工方法难加工的场合。如当前发展比较快的三束加工（激光束、电子束、离子束），在微细加工中有广泛的应用。另外近几年发展的高压水射流等加工方法，也有其显著的优点。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法二、△M＝0的制造过程△M＝0的工艺内容主要属于材料成形课程的研究范畴。主要指铸造、锻压和焊接等热加工工艺。在我国，铸造工艺、锻压模具的设计和制造方面均是薄弱环节，特别是模具工业，模具制造精度要求较高，其生产方式往往是单件生产。模具的设计和制造需要CAD和CAECopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法等一系列高新技术，属于技术密集型产业。三、△M＞0的制造过程△M＞0的工艺即材料累加法制造（MIM）工艺出现于上个世纪80年代，通过材料逐渐累加成型。这一工艺又称RP技术（RapidPrototyping）。其优点是：无需编程，即可以成型任意复杂形状的零件，而无需刀、夹具等生产准备活动。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法RP技术制造出来的原型可供设计评估、投标或展示之用。RP技术与快速精铸技术（QuickCasting）及快速模具制造技术（RapidTooling）等相结合，又可以为小批量或大批量生产服务，因而RP技术成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术。一些工业发达国家（如美、日、德等）已经全面应用这一技术来提高制造业的竞争能力。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法RP技术已形成了几种成熟的工艺方法，进入了商品化阶段。目前商业化的设备主要有光固化法/SL法（Stereolithography）、叠层制造法/LOM法（LaminatedObjectManufacturing）、激光选区烧结/SLS法（SelectiveLaserSintering）、熔积法/FDM法（FusedDepositionModeling）。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法第二节机械加工方法采用机械加工方法获得零件的形状，是通过机床利用刀具将毛坯上多余的材料切除来获得的。根据机床运动的不同、刀具的不同，可分为不同的加工方法，主要有：车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削及特种加工等。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法一、车削•主运动－工件的旋转运动•进给运动－刀具相对于工件的运动•刀具刀具的结构和形状是基本的，“一尖二刃三刀面”。•能加工的表面CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法车床加工的典型工序CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法内外圆柱面、端面、内外圆锥面、旋转曲面、螺纹面及偏心轴等。•加工精度车削加工精度一般为IT8～IT7，表面粗糙度为Ra6.3～1.6μm。精车时，可达IT6～IT5，粗糙度可达Ra0.4～0.1μm。•工艺特点生产效率较高，加工过程平稳，刀具简单。CopyrightbyIAMT2012IAMTofXi’anJiaotongUniversity第一章机械加工方法二、铣削•主运动－铣刀的旋转运动•进给运动－工件的直线运动•铣削的不同型式卧铣和立铣卧铣时，平面的形成是由铣刀的外