《機(jī)械設(shè)備制造技術(shù)》課件第1章

第1章緒論1.1機(jī)械設(shè)備制造工程概況1.2機(jī)械設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)展1.3本課程簡(jiǎn)介1.1機(jī)械設(shè)備制造工程概況

機(jī)械設(shè)備制造是各種機(jī)械、機(jī)床、工具、儀器、儀表制造過(guò)程的總稱。機(jī)械設(shè)備制造技術(shù)則是研究用于上述機(jī)械產(chǎn)品的加工原理、工藝過(guò)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(jī)械設(shè)備制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱,是向其它各部門提供工具、儀器和各種機(jī)械設(shè)備的技術(shù)裝備部。

我國(guó)機(jī)械工業(yè)的主要任務(wù)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門的發(fā)展提供所需的各類先進(jìn)、高效、節(jié)能的新型機(jī)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(guó)機(jī)械加工工業(yè)提高到新的水平。針對(duì)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)的特點(diǎn),從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)機(jī)械設(shè)備制造企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng),可將其概括為機(jī)械制造過(guò)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(guò)程。物質(zhì)流又稱物料流,是指物料經(jīng)過(guò)制造工藝過(guò)程所產(chǎn)生的形狀、尺寸和位置的轉(zhuǎn)變。也是以機(jī)床設(shè)備、工藝裝備和機(jī)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(jī)械設(shè)備制造工程所研究的對(duì)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(guò)程中需對(duì)物料流和能量流進(jìn)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(guò)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(yíng)工程學(xué)所研究的范疇。能量流是指在制造過(guò)程中將能量施加于加工對(duì)象并產(chǎn)生相應(yīng)的變換,如將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)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(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)分成三個(gè)階段。第一階段為決策和控制階段,企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)按照國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的類型、性能、產(chǎn)量和成本作出決策,并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和管理。第二階段為研究開(kāi)發(fā)階段,遵照決策指令,進(jìn)行新產(chǎn)品或改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究及試制,提供所開(kāi)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(kù)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(shí)，產(chǎn)品銷售部門應(yīng)及時(shí)把產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力、銷售情況、用戶評(píng)價(jià)、改進(jìn)要求等信息反饋給領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)。

圖1-1生產(chǎn)系統(tǒng)的基本框圖

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

圖1-2機(jī)械設(shè)備的制造過(guò)程

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

(1)1770年工業(yè)革命初期用簡(jiǎn)易的機(jī)器實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的機(jī)械化勞動(dòng)和工作。

(2)20世紀(jì)初出現(xiàn)了剛性的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)自動(dòng)線。其工序內(nèi)容較為簡(jiǎn)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(gè)觸頭沿著主控靠模運(yùn)動(dòng),并同時(shí)將指令信號(hào)輸送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置的仿型機(jī)床;還有能完成各種加工順序的插銷板式程序控制機(jī)床。

(4)1960年以來(lái),由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及數(shù)控機(jī)床的推廣應(yīng)用,使機(jī)械制造技術(shù)有了突破性進(jìn)展。在發(fā)展計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床(CNC)的同時(shí)又開(kāi)發(fā)了工業(yè)機(jī)器人,20世紀(jì)70年代后,機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD／CAM)為中心的新型的自動(dòng)化制造系統(tǒng)中,包含有若干臺(tái)CNC機(jī)床、自動(dòng)的物料輸送系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人以及將它們連接起來(lái)進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī),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(jì)算機(jī)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(dòng)化制造系統(tǒng)。

1.2機(jī)械設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)展

1.2.1加工質(zhì)量保證和提高加工質(zhì)量是機(jī)械制造工藝的首要問(wèn)題。加工質(zhì)量的指標(biāo)有若干項(xiàng),而最重要的是加工精度。控制加工過(guò)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(jī),在鏜缸機(jī)上將￠650mm直徑的灰鑄鐵汽缸孔加工至1mm的精度,花了27個(gè)半工作日。

19世紀(jì)中期,各種金屬切削機(jī)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(jī)器零件的尺寸精度已達(dá)到0.01mm。

1960年后,由于宇航、計(jì)算機(jī)、激光以及自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,促進(jìn)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(jí),尤其在最近十幾年內(nèi)提高到目前的納米級(jí),即1nm＝10-3μm＝10-6mm＝10-9m,從而進(jìn)入了超精密加工的時(shí)代?，F(xiàn)在,用電子探針測(cè)量超大規(guī)模集成電路時(shí),測(cè)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(shí)現(xiàn)原子級(jí)尺寸的加工與測(cè)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(cè)量技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法在不斷地改進(jìn),常規(guī)的精密加工也可得到0.05μm的精度。加工工件時(shí)分割材料的水平具有由宏觀進(jìn)入微觀的發(fā)展趨勢(shì)。另外,世界各國(guó)又特別注重于延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命與提高其工作可靠性方面的研究。對(duì)工件經(jīng)機(jī)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(jī)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(xiàng)目。為了實(shí)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(jī)理試驗(yàn)和觀察微觀的手段。如高速攝影、光彈塑性、掃描電鏡等。擴(kuò)展對(duì)切削機(jī)理的研究領(lǐng)域由二維研究向三維研究發(fā)展。

(2)動(dòng)態(tài)切削機(jī)理研究。一方面,機(jī)床設(shè)備在切削過(guò)程中的顫振會(huì)影響切削效果和質(zhì)量;另一方面,利用高頻的振動(dòng)又能對(duì)難切削材料工件進(jìn)行加工。

(3)新型刀具材料的開(kāi)發(fā)。

為了實(shí)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(jī)理試驗(yàn)和觀察微觀的手段。如高速攝影、光彈塑性、掃描電鏡等。擴(kuò)展對(duì)切削機(jī)理的研究領(lǐng)域由二維研究向三維研究發(fā)展。

(2)動(dòng)態(tài)切削機(jī)理研究。一方面,機(jī)床設(shè)備在切削過(guò)程中的顫振會(huì)影響切削效果和質(zhì)量;另一方面,利用高頻的振動(dòng)又能對(duì)難切削材料工件進(jìn)行加工。

(3)新型刀具材料的開(kāi)發(fā)。

(4)盡量消除加工誤差。研究機(jī)械制造系統(tǒng)在加工過(guò)程中的隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差。如:機(jī)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(dòng)裝置,作為超精度運(yùn)動(dòng)的伺服控制;采用反饋測(cè)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)做到機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的自適應(yīng)控制。

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

(6)超精密測(cè)量技術(shù)研究。工件在加工過(guò)程中的在線檢測(cè)和動(dòng)態(tài)精度的測(cè)試與分析。

1.2.2切削加工速度機(jī)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(jī)床靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的改善有直接的關(guān)系。本世紀(jì)以來(lái),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(jìn)步,使切削速度不斷提高和加工時(shí)間減少的規(guī)律。

圖1-4歷年的切削速度及加工時(shí)間

采用高轉(zhuǎn)速的機(jī)床,改進(jìn)刀具材料及結(jié)構(gòu),并使用新的先進(jìn)工藝措施等,從以上三個(gè)方面綜合考慮和解決實(shí)際工程問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)切削速度的提高,從而提高機(jī)械加工的勞動(dòng)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(jī)YB3120上加工速度可提高到180～250m／min。

各個(gè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)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(shí)代的前進(jìn)而不斷上升。圖1-5表示了進(jìn)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(jiàn),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(guó)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(lì)機(jī)床振動(dòng)的頻率特別高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)離開(kāi)了工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍,因此工作平穩(wěn)、振動(dòng)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(jī)械加工占據(jù)了大部分生產(chǎn)時(shí)間及總成本。而機(jī)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(jìn)給速度大幅度提高,縮短模具機(jī)加工的時(shí)間,通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(shí)間減少近80％,成本費(fèi)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(guò)程自動(dòng)化傳統(tǒng)的機(jī)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(dòng)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(lái)決定它們的先進(jìn)性和高效性。因此,對(duì)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(dòng)化的高效率的加工設(shè)備,建立流水生產(chǎn)線及自動(dòng)生產(chǎn)線。對(duì)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(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)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(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái),世界市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的增長(zhǎng),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(jī)械制造業(yè)中的大部分。為了解決小批量生產(chǎn)如何進(jìn)行高效率的自動(dòng)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(jī)械制造方式,而圖1-8所示為新概念之下的機(jī)械制造方式,它是建立在成組技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)介機(jī)械設(shè)備制造技術(shù)一般包含機(jī)械設(shè)備制造熱加工技術(shù)、機(jī)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(shū)主要論述后兩部分內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)程的硬件與軟件的集合,稱為機(jī)械加工工藝系統(tǒng)。由于零件加工過(guò)程的主體是其表面的成形過(guò)程,這一過(guò)程的每一環(huán)節(jié)都是由機(jī)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(jī)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(jī)床、刀具、夾具和工件四要素組成。對(duì)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(gè)零件的全部加工過(guò)程就是一個(gè)特定的工藝系統(tǒng)按照一定的順序完成的。

因此,機(jī)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(jī)械加工設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法的“金屬切削機(jī)床與設(shè)計(jì)”,闡述機(jī)械加工的工藝裝備的“夾具設(shè)計(jì)”和“刀具設(shè)計(jì)”,以及以零件加工與產(chǎn)品裝配為對(duì)象,闡述制造工藝方法和制造過(guò)程質(zhì)量控制分析等規(guī)律的“機(jī)械制造工藝學(xué)”,并結(jié)合實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)如生產(chǎn)實(shí)習(xí)、課程