第一章 机械工艺学绪论.ppt

MMT,第,1,章 绪论,本章要点,机械制造工程学科发展,工艺过程与工艺系统,生产类型与工艺特点,基准与定位,1,机械制造工艺学,第,1,章,绪论,Intrduction,1.1,机械制造工程学科发展,Development of Mechanical Manufacturing Technology,2,1.1.1,制造的永恒性,机械制造技术的发展,17,世纪,60,年代，瓦特改进蒸汽机，标志第一次工业革命兴起，工业化大生产从此开始,18,世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始,20,世纪初，福特汽车生产线，泰勒科学管理方法，标志自动化时代到来（以大量生产为特征,Mass Production,）,二战后，计算机、微电子技术，信息技术及软科学的发展，以及市场竞争的加剧和市场需求多样性的趋势，使中小批量生产自动化成为可能，并产生了综合自动化和许多新的制造哲理与生产模式。,进入,21,世纪，制造技术向,自动化、柔性化、集成化、智能化、精密化,、,清洁化,的方向发展。,3,1.1.1,制造的永恒性,制造技术的重要性,社会发展与制造技术密切相关,4,1.1.1,制造的永恒性,制造技术是科学技术物化的基础,协同论,系统论,控制论,方法论,信息论,数控技术,制造技术,微电子技术,成形技术,材料技术,设计方法学,计算机技术,网络 数据库,转换系统,分配输送,能量系统,物质系统,加工系统,装配系统,拆卸系统,物料系统,检测系统,信息系统,工程设计,过程管理,工况监控,质量保证,制造系统,传感技术,自动控制技术,能源技术,管理技术,制造系统工程学体系结构,5,1.1.1,制造的永恒性,制造技术是所用工业的支柱,纺织机械,动力机械,家用电器,通讯设备,出版印刷,网络媒体,文化娱乐,冶金机械,建筑机械,交通工具,环保设备,军事装备,医疗设备,机器制造,农业机械,化工设备,制造技术,当今制造业社会功能,6,1.1.1,制造的永恒性,国力和国防的后盾,国民经济的支柱产业，国民经济总收入的,60%,以上来自制造业，世界发达国家无不具有强大的制造业。,日本由于重视制造业，二次大战后,30,年时间，发展成为世界经济大国。,机械制造业是制造业的基础,是重中之重。,与此相反，美国在一段相当长时间内忽视了制造技术的发展，结果导致经济衰退，竞争力下降，出现在家电、汽车等行业不敌日本的局面。直至上世纪,80,年代初，美国才开始清醒，重新关注制造业的发展，至,1994,年,美国汽车产量重新超过日本。,7,美日两国汽车产量在世界市场所占份额,1.1.1,制造的永恒性,国力和国防的后盾,1963,年,1983,年,8,1.1.1,制造的永恒性,国力和国防的后盾,东芝事件,9,1.1.2,广义制造论,狭义制造,传统意义上的制造，由于设计和工艺的分家，制造被定位于,制造工艺,。指,生产过程从原材料成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）。,广义制造,狭义制造的扩展，又称,“,大制造,”,。,CIRP,定义：制造包括制造企业的产品设计、材料选择、制造生产、质量保证、管理和营销一系列有内在联系的运作和活动。,制造企业,美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。（第二产业中除建筑、建材、能源、电力外）,狭义制造与广义制造,10,1.1.2,广义制造论,制造设计一体化,材料成形机理的扩展,广义制造形成因素,去除加工,又称分离加工，是从工件上去除一部分材料而成形。,结合加工,利用物理和化学方法将相同材料或不同材料结合（,bonding,）在一起而成形。按结合机理和结合强弱又可分为附着（,deposition,）、注入（,injection,）和连接（,jointed,）三种。,变形加工,又称流动加工，是利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能，如特种锻造、特种铸造等。,11,1.1.2,广义制造论,材料成形机理的范畴,分类,加工机理,加工方法,去,除,加,工,力学加工,磨粒流加工、磨料喷射加工、液体喷射加工,电物理加工,电火花加工、电火花线切割、等离子体、电子束、离子束加工,电化学加工,电解加工,物理加工,超声波加工、激光加工,化学加工,化学铣削、光刻加工,复合加工,电解磨削、超声电解磨削、超声电火花电解磨削、化学机械抛光,结,合,加,工,附,着,加,工,物理加工,物理气相沉积、离子镀,热物理加工,蒸镀、熔化镀,化学加工,化学气相沉积、化学镀,电化学加工,电镀、电铸、刷镀,注,入,加,工,物理加工,离子注入、离子束外延,热物理加工,晶体生长、分子束外延、渗碳、搀杂、烧结,化学加工,氮化、氧化、活性化学反应,电化学加工,阳极氧化,连接加工,激光焊接、化学粘接、快速成形制造、卷绕成形制造,变形,加工,冷、热流动加工,锻造、辊锻、轧制、挤压、辊压、液态模锻、粉末冶金,粘滞流动加工,金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造、壳型铸造,分子定向加工,液晶定向,12,1.1.2,广义制造论,快速原型制造过程,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,13,1.1.2,广义制造论,a,）,b,）,传统加工与快速成形比较,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,14,1.1.2,广义制造论,快速成形机床及快速成形件,Real,15,1.1.2,广义制造论,制造技术综合性,现代制造技术是一门以机械为主体，交叉融合了光、电、信息、材料、管理等学科的综合体，并与社会科学，文化、艺术等密切相关,制造模式发展,计算机集成制造技术是制造技术与信息技术结合的产物，集成制造系统首先强调了信息集成，即计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助管理的集成。进一步发展出现柔性制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、智能制造和协同制造等多种制造模式,丰富的硬软件工具、平台和支撑环境,硬件是基础，软件是支撑,产品全生命周期,16,1.1.2,广义制造论,产品生命周期全过程,17,1.1.3,制造科学技术发展,现代制造技术,现代设计技术,设计方法学和创新设计,生命周期设计和并行工程,反求工程设计,绿色产品设计,微型产品设计,现代加工技术,高速与超高速加工,精密工程与纳米技术,特种加工技术,数控加工技术,自动化加工技术,现代成形与改进技术,现代成形与改进技术,材料成形过程仿真,质量监控与无损检测,清洁成形与改进技术,制造系统与管理技术,柔性制造技术,集成制造技术,虚拟制造技术,智能制造技术,先进制造技术,工业工程,18,机械制造工艺学,第,1,章,绪论,Intrduction,1.2,工艺过程与工艺系统,Manufacturing Process and,Manufacturing System,19,1.2.1,机械产品生产过程,机械产品生产过程,指从原材料开始到成品出厂的全部劳动过程,包括毛坯的制造、零件的机械加工和热处理、机器的装配、检验、测试和油漆等主要劳动过程（称为直接生产过程）,还包括专用工具、夹具、量具和辅具的制造、机器的包装、工件和成品的储存和运输、加工设备的维修，以及动力（电、压缩空气、液压等）供应等辅助劳动过程（称为辅助生产过程）,生产过程可以由一个车间或一个工厂完成，也可以由多个工厂协作完成,20,1.2.2,机械加工工艺过程,是机械产品直接生产过程的一部分，传统上是指采用金属切削刀具或磨具来加工零件，使之达到所要求的形状、尺寸、表面粗糙度和力学物理性能、成为合格零件的生产过程,现在是指各种加工方法,除切削和磨削外，还包括其它加工方法，如电加工、超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工，以及化学加工等,机械加工工艺过程概念,21,200.07,21,0.8,阶梯轴零件,32,40,250.07,35,0,-0.017,0.8,0.8,35,40,30,5,50,150,其余,倒角,145,3.2,21,flash,flash,工序,是指由一个或一组工人在同一台机床或同一个工作地，对一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分机械加工工艺过程。,机械加工工艺过程组成,1.2.2,机械加工工艺过程,22,安装,在一道工序中，工件每经一次装夹后所完成的那部分工序称为安装。,工位,工件在机床上占据每一个位置所完成的那部分工序称为工位。,多工位加工,1,：装卸工件,2,：钻孔,3,：扩孔,4,：绞孔,flash,1.2.2,机械加工工艺过程,23,工步,指在加工表面不变、切削刀具不变的情况下所连续完成的那部分工序。（在一个工步内，若有几把刀具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步）,走刀,同一加工表面加工余量较大，可以分作几次工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。,a,）,立轴转塔车床的一个复合工步,b,）,钻孔、扩孔复合工步,复合工步,1.2.2,机械加工工艺过程,24,1.2.3,机械加工系统,零件进行机械加工时，必须具备一定的条件，即要有一个系统来支持，称之为机械制造工艺系统。通常，一个系统是由物质分系统、能量分系统和信息分系统所组成。,机械制造工艺系统的物质分系统（系统硬件）由工件、机床、工具和夹具所组成。,机械制造工艺系统的信息分系统（系统软件）包括加工方法、工艺过程、数控程序等。工艺系统软件是对工艺系统硬件的必要支持。,能量分系统是指动力供应。,研究机械制造工艺系统的组成及其内在的规律，其目的是为了使工艺系统的软、硬件有机地结合起来，以达到工艺过程最佳化的目标。,25,机械制造工艺学,第,1,章,绪论,Intrduction,1.3,生产类型与工艺特点,Production Type and,Technology Features,26,1.3.1,生产纲领,生产纲领,在计划期内，应当生产的产品产量和进度计划,年生产纲领,式中,N,年生产纲领（件,/,年）；,Q,产品年产量（台,/,年）；,m,每台产品中该零件数量（件,/,台）；,备品率；,废品率。,年生产纲领是设计或修改工艺规程的重要依据，是车间（或工段）设计的基本文件,27,1.3.2,生产批量,生产批量,一次投入戓产出的同一产品或零件的数量,式中,n,每批中的零件数量；,N,年生产纲领规定的零件数量；,A,零件应该储备的天数；,F,一年中工作日天数。,确定生产批量考虑因素,满足市场需求（当前需求及可预见未来需求）,便于生产组织与安排，保证多品种产品均衡生产,产品的制造工作量：大型产品，批量可少些,资金投入：批量小，次数多，有利于资金周转,制造效率和成本：批量大，可采用先进、专用高效工装,28,1.3.3,生产类型及工艺特点,零件年生产纲领（件,/,年）,重型机械 中型机械 轻型机械,单件生产,小批量生产,中批量生产,大批量生产,大量生产,5,5,100,100,300,300,1000,1000,生产类型,20,20,200,200,500,500,5000,5000,100,100,500,500,5000,5000,50000,50000,生产类型,单件生产,批量生产,大量生产,小批量生产,中批量生产,大批量生产,单件小批生产,中批生产,大批大量生产,生产类型划分,生产类型规范,29,1.3.3,生产类型及工艺特点,生产类型,单件小批生产 中批生产 大批大量生产,加工对象,毛坯制造方法及加工余量,机床及布置形式,夹具,刀具和量具,装夹方法,装配方法工人技术水平,生产率,成本,工艺文件,经常变换,木模手工造型，自由锻，毛坯精度低，加工余量大,通用机床，机群式排列布置,通用夹具，组合夹具,通用刀具和量具,画线找正，通用夹具,配置，调整法，修配法,高,低,高,简单工艺过程卡,周期性变换,部分金属膜、锻模，毛坯精度中等，加工余量中等,部分通用、部分专用机床机群式或生产线排列布置,专用夹具，可调整夹具,刀具和量具部分通用、部分专用,部分画线找正，通用或专用夹具,少量配置，多数互换装配,中,中,中,详细工艺过程卡，关键工序工序卡,相对固定不变,金属膜、模锻，毛坯精度高，加工余量小,专用高效机床，流水线或自动线排列布置,专用、高效夹具,专用、高效刀具和量具,专用、高效夹具,互换装配法,低,高,低,详细工艺过程卡，工序卡,项目,不同,生产类型工艺特点,30,机械制造工艺学,第,1,章,绪论,Intrduction,1.4,基准、装夹与定位,Datum,，,Fixing and Location,31,1.4.1,基准,基准,确定加工对象上几何要素间几何关系所依据的那些点、线、面称为基准。,设计基准,在设计图样上所采用的基准,定位支座零件,32,1.4.1,基准,工艺基准,在工艺过程中所采用的基准。又可分为：工序基准、定位基准、测量基准与装配基准。,支座零件第,1,工序（车削）,33,1.4.1,基准,支座零件第,2,工序（钻孔）,34,14.1,基准,支座零件第,3,工序（钻、锪,4,分布孔）,35,1.4.1,基准,支座零件第,4,工序（磨内孔、端面）,支座零件第,5,工序（磨外圆、台阶面）,36,1.4.2,工件装夹,划线找正装夹,精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件,直接找正装夹,精度高，效率低，对工人技术水平高,夹具装夹,精度和效率均高，广泛采用,装夹的含义,装夹又称安装，包括定位和夹紧两项内容。,定位,使工件在机床或夹具上占有正确位置,夹紧,对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变,工件装夹方法,37,1.4.2,工件装夹,直接找正安装,flash,毛坯孔,加工线,找正线,划线找正安装,flash,38,1.4.2,工件装夹,工件在夹具上装夹（滚齿夹具）,flash,39,1.4.3,定位原理,六点定位原理,X,Z,Y,六点定位原理,要确定其空间位置，就需要限制其,6,个自由度,将,6,个支承抽象为,6,个,“,点,”,，,6,个点限制了工件的,6,个自由度，这就是六点定位原理。,任何一个物体在空间直角坐标系中都有,6,个自由度,用 表示,40,工件以平面,3,点定位,X,Y,Z,与理论力学、机构学自由度概念差别,位置不定度,夹紧与定位概念分开,工件、夹具是弹性体,两点注意,：,“,点,”,的含义,对自由度的限制，与实际接触点不同,1.4.3,定位原理,41,工件的,6,个自由度均被限制，称为完全定位。工件,6,个自由度中有,1,个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。,完全定位与不完全定位,不完全定位主要有两种情况：,工件本身相对于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。,工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制,3,个自由度就够了。,1.4.3,定位原理,42,1.4.3,定位原理,完全定位与不完全定位,Z,Y,X,a,）,Z,Y,X,b,）,Z,Y,X,c,）,Z,Y,X,d,）,e,）,Z,Y,X,f,）,Z,Y,X,工件应限制的自由度,43,欠定位,工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。,欠定位示例,X,Z,Y,a）,b）,B,B,B,1.4.3,定位原理,44,过定位,过定位,工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）约束点约束，称为过定位。,过定位是否允许，要视具体情况而定：,1,）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。,2,）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。,1.4.3,定位原理,45,过定位分析,（桌子与三角架）,过定位分析,1.4.3,定位原理,46,过定位分析,过定位示例,a）,Z,Y,X,Y,c）,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,b）,Z,Y,Y,X,47,过定位分析,过定位示例,X,Y,a）,Z,Y,b）,Z,Y,X,Y,1.4.3,定位原理,48,一面两孔定位分析,D,1,D,2,d,2,d,1,b,一面两孔定位干涉分析,1.4.3,定位原理,49,刀柄,主轴,拉杆,涨套,过定位应用,HSK,刀柄与传统刀柄结构,HSK,刀柄,传统刀柄,1:10,7:24,间隙,主轴,拉杆,刀柄,1.4.3,定位原理,定位端面,配合锥面,50,过定位讨论,如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。,4,A,0.02 A,间隙配合刚性心轴,过定位示例,1.4.3,定位原理,51,过定位引起夹紧变形,1.4.3,定位原理,52,橡胶垫,过定位处理分析,1.4.3,定位原理,53,讨论,分析图示定位方案：,各方案限制的自由度,有无欠定位或过定位,对不合理的定位方案提出改进意见。,b）,X,Z,Y,X,c）,X,Z,Y,X,a）,Y,X,Z,过定位分析,1.43,定位原理,54,a）,Y,X,Z,a1）,Y,X,Z,a2）,Y,X,Z,a3）,Y,X,Z,过定位示例分析,1.4.3,定位原理,55,b）,X,Z,Y,X,b1）,X,Z,Y,X,X,Z,b2）,Y,X,X,Z,b3）,Y,X,过定位示例分析,1.4.3,定位原理,56,c）,X,Z,Y,X,c）,X,Z,Y,X,c1）,Y,X,X,Z,过定位示例分析,1.4.3,定位原理,57,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,工件以平面定位,平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。,Z,X,Y,Z,X,Y,1.4.4,工件常见定位方式,工件以平面定位,58,工件以圆孔定位,工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴（又有过盈配合、间隙配合和小锥度心轴等）、弹性心轴之分。,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,工件以圆孔定位,1.4.4,工件常见定位方式,59,工件以外圆柱面定位,工件以外圆柱面定位两种形式,：,定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用,V,型块，短,V,型块限制,2,个自由度，长,V,型块（或两个短,V,型块组合）限制,4,个自由度。,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,X,Y,Z,工件以外圆柱面定位,1.4.4,工件常见定位方式,60,除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。下图为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的,5,个自由度。,工件以锥孔定位,1.4.4,工件常见定位方式,工件以其他表面定位,61,在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为,1,的表面为第三定位基准面或止动面。,1.4.4,工件常见定位方式,定位表面的组合,X,Z,Y,工件在两顶尖上定位,在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面很重要。如图所示工件在两顶尖上的定位，应首先确定前顶尖限制的自由度，他们是 。然后再分析后顶尖限制的自由度。此时，应与前顶尖一起综合考虑，可以确定其限制的自由度是 。,62,