机械制造装备设计-机械制造及装备设计方法

机械制造装备设计机械制造装备设计 第第1 1章章 机械制造及装备设计方法机械制造及装备设计方法 2 1.1 1.2 1.3 1.4 概述概述 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型 机械制造装备设计要求机械制造装备设计要求 本章分本章分五五个小节：个小节： 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法 3 1.1 概述概述 Ø制造业形势与发展制造业形势与发展 制造业是将可用资源与能源，通过制造过程转化为 可供人们使用或利用的工业品或生产消费品的行业。 v 20世纪是制造业空前发展的重要时期，以精密和 微细加工技术为目标，各种制造工艺和装备层出不穷 ；另外，制造系统的集成也异常活跃，制造模式不断 更新。 v 从20世纪20年代开始，制造系统已经出现了机群 式制造系统、刚性制造系统和柔性制造系统三类制造 系统，随着市场需求和技术支撑环境的变化，现在利 用RMS以快速响应经济全球化带来的复杂变化的市 场环境，其发展与生产环境及技术特点如图1.1所示 4 1.1 概述概述 市 场 环 境制 造 系 统 发 展 及 其 特 点 年 代 1920 2010 2000 1990 1980 1970 1960 1950 1940 1930 按 工 序 特 征 应 用 成 组 技 术 提 高 工 效 降 低 成 本 通 过 规 模 经 济 降 低 成 本 进 行 市 场 竞 争 适 应 产 品 品 种 发 展 和 质 量 提 高 进 行 市 场 竞 争 敏 捷 响 应 产 品 创 新 加 速 的 全 球 化 市 场 竞 争 机 群 式 制 造 系 统 M S 多 品 种 单 件 小 批 生 产 应 用 成 组 工 艺 原 理 组 织 半 自 动 化 生 产 平 衡 工 时 负 荷 ， 提 高 机 床 利 用 率 ； 通 过 试 切 、 测 量 和 调 整 保 证 加 工 精 度 。 刚 性 制 造 系 统 D M S 单 品 种 或 少 品 种 大 批 量 生 产 专 用 机 床 多 刀 多 面 组 合 加 工 ； 各 工 序 节 拍 严 格 平 衡 ； 质 量 保 证 主 要 靠 精 度 设 备 。 柔 性 制 造 系 统 FM S 多 品 种 成 批 生 产 通 用 数 控 机 床 按 工 序 集 中 原 则 安 排 ； 应 用 缓 冲 存 储 实 现 稳 定 生 产 ； 加 工 质 量 用 动 态 统 计 控 制 。 可 重 组 制 造 系 统 RM S 多 族 品 种 变 批 量 生 产 通 过 系 统 和 机 床 的 重 组 实 现 工 艺 优 化 ； 机 床 品 种 和 结 构 模 块 调 整 实 现 均 衡 生 产 ； 过 程 效 应 控 制 加 速 重 组 的 质 量 提 升 。 5 1.1 概述概述 Ø加工制造技术发展趋势加工制造技术发展趋势 加工制造技术是对被加工对象状态的改形和改性技 术的总称。 v 新一代机械制造装备技术 数据管理 1）新型加工设备的研究开发已取得不少进展）新型加工设备的研究开发已取得不少进展 2）在数控化基础上朝智能化方向发展）在数控化基础上朝智能化方向发展 3）采用新材料和新结构）采用新材料和新结构 4）新型部件的开发应用）新型部件的开发应用 5）发展先进的机床和数控系统性能检测、诊断方法与技术）发展先进的机床和数控系统性能检测、诊断方法与技术 6）多品种小批量生产条件下的先进在线加工质量检测技术）多品种小批量生产条件下的先进在线加工质量检测技术 7）柔性工艺装备和柔性夹具，为快速、低成本工艺准备提）柔性工艺装备和柔性夹具，为快速、低成本工艺准备提 供技术。供技术。 6 1.1 概述概述 数据管理 1）超精密切削）超精密切削 2）超精密磨削加工）超精密磨削加工 3）精密和超精密特种加工）精密和超精密特种加工 4）精密加工机床）精密加工机床 v 少切削无切削加工技术 v 精密和超精密技术 一方面要提高毛坯制造精度，发展精密铸造和锻造等技术一方面要提高毛坯制造精度，发展精密铸造和锻造等技术 ，减少材料切削加工量；另一方面要发展冲压、挤压、滚，减少材料切削加工量；另一方面要发展冲压、挤压、滚 压长封闭无切削成形技术。压长封闭无切削成形技术。 7 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 机械制造过程是从原材料开始，经过热、冷加工， 装配成产品，对产品进行调试和检测、包装和发运的 全过程，所使用的装备类型繁多，大致可划分为加工加工 装备装备、工艺装备工艺装备、仓储传送装备仓储传送装备和和辅助装备辅助装备四大类 。 Ø加工装备加工装备 加工装备是机械制造装备的主体和核心，是采用机 械制造方法制造机器零件或毛坯的机器设备，又称为 机床或工作母机。 机床的类型很多，除了金属切削机床之外，还有特 种加工机床、锻压机床、注塑机、快速成形机、焊接 设备等。 8 数据管理 v 金属切削机床 金属切削机床是采用切削、特种加工等方法，主金属切削机床是采用切削、特种加工等方法，主 要用于加工金属，使之获得所要求的几何形状、尺要用于加工金属，使之获得所要求的几何形状、尺 寸精度和表面质量的机器，如图寸精度和表面质量的机器，如图1.21.2所示。所示。 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 9 v 金属切削机床 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 工作原理结构性能 车床车床 钻床钻床 镗床镗床 磨床磨床 齿轮加工机床齿轮加工机床 螺纹加工机床螺纹加工机床 铣床铣床 刨插床刨插床 拉床拉床 特种加工机床特种加工机床 切断机床切断机床 其他机床其他机床 使用范围 通用机床通用机床 专用机床专用机床 专门化机床专门化机床 机床精度 普通机床普通机床 精密机床精密机床 高精度机床高精度机床 10 v 特种加工机床 特种加工机床近年来发展很快，按其加工原理可特种加工机床近年来发展很快，按其加工原理可 分为：电加工、超声波加工、激光加工、电子束加分为：电加工、超声波加工、激光加工、电子束加 工、离子束加工、水射流中工等机床。工、离子束加工、水射流中工等机床。 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 电加工机床电加工机床 直接利用电能对工件直接利用电能对工件 进行加工的机床，统称进行加工的机床，统称 为电加工机床。一般仅为电加工机床。一般仅 指电火花加工机床、电指电火花加工机床、电 火花线切割机床和电解火花线切割机床和电解 加工机床。加工机床。 11 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 超声波加工机床超声波加工机床 利用超声波能量对材料进行机械加工的设备称为超声利用超声波能量对材料进行机械加工的设备称为超声 波加工机床。波加工机床。 超声波加工适用于特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、超声波加工适用于特硬材料，如石英、陶瓷、水晶、 玻璃等材料的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超声玻璃等材料的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超声 电加工等复合加工。电加工等复合加工。 激光加工机床激光加工机床 采用激光能量进行加工的设备统称为激光加工机床。采用激光能量进行加工的设备统称为激光加工机床。 常用于加工金刚石拉丝模、常用于加工金刚石拉丝模、钟钟表的宝石轴承、陶瓷、表的宝石轴承、陶瓷、 玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的小玻璃等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的小 孔加工及切割加工。孔加工及切割加工。 12 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 电子束加工机床电子束加工机床 电子束加工是指在真空条件下，由阴极发射出的电子电子束加工是指在真空条件下，由阴极发射出的电子 流为带高电位的阳极吸引，在飞向阳极的过程中，经过流为带高电位的阳极吸引，在飞向阳极的过程中，经过 聚焦、偏转和加速，最后以高速和细束状轰击被加工工聚焦、偏转和加速，最后以高速和细束状轰击被加工工 件的一定部位，在几分之一秒内，将其件的一定部位，在几分之一秒内，将其99%99%以上的能量以上的能量 转化成热能，使工件上被轰击的局部材料在瞬间熔化、转化成热能，使工件上被轰击的局部材料在瞬间熔化、 汽化和蒸发，以完成工件的加工。电子束加工机床就是汽化和蒸发，以完成工件的加工。电子束加工机床就是 利用电子束的上述特性进行加工的装备。利用电子束的上述特性进行加工的装备。 13 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 离子束加工机床离子束加工机床 在电场作用下，将正离子从离子源出口孔在电场作用下，将正离子从离子源出口孔“引出引出”， 在真空条件下，将其聚焦、偏转和加速，并以大能量细在真空条件下，将其聚焦、偏转和加速，并以大能量细 束状轰击被加工部位，引起工件材料的变形与分离，或束状轰击被加工部位，引起工件材料的变形与分离，或 使靶材离子沉积到工件表面上，或使杂质离子射入工件使靶材离子沉积到工件表面上，或使杂质离子射入工件 内，对工件进行穿孔、切割、铣削、成像、抛光、蚀刻内，对工件进行穿孔、切割、铣削、成像、抛光、蚀刻 、清洗、溅射、注入和蒸镀等，统称为离子束加工。离、清洗、溅射、注入和蒸镀等，统称为离子束加工。离 子束加工机床就是利用离子束上述特性进行加工的装备子束加工机床就是利用离子束上述特性进行加工的装备 14 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 水射流加工机床水射流加工机床 水射流加工是利用具有很高速度的细水柱或掺有磨水射流加工是利用具有很高速度的细水柱或掺有磨 料的细水柱，冲击工件的被加工部位，使被加工部位上料的细水柱，冲击工件的被加工部位，使被加工部位上 的材料被剥离的加工方法。随着工件与水柱间的相对移的材料被剥离的加工方法。随着工件与水柱间的相对移 动，切割出要求的形状。常用于切割某些难切削材料，动，切割出要求的形状。常用于切割某些难切削材料， 如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸 铁、耐热合金、某些复合材料等。铁、耐热合金、某些复合材料等。 15 v 锻压机床 锻压机床是利用金属塑性变形进行加工的一种无锻压机床是利用金属塑性变形进行加工的一种无 屑加工设备，主要包括锻造机、冲压机、挤压机和屑加工设备，主要包括锻造机、冲压机、挤压机和 轧制机四大类。轧制机四大类。 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 数据管理 锻造机 锻造机是使坯 料在工具的冲 击力或静压力 作用下成形， 并使其性能和 金相组织符合 一定要求。 冲压机 冲压机是借助 模具对板料施 加外力，迫使 材料按模具形 状、尺寸进行 剪裁或变形。 挤压机 挤压机是借助 于凸模对放在 凹模内的金屑 材料挤压成形， 根据挤压时温 度不同，可分 为冷挤压、温 挤压和热挤压。 轧制机 轧制机是使金 属材料在旋转 轧辊的作用下 变形，根据轧 制温度可分为 热轧和冷轧， 根据轧制方式 可分为纵轧、 横轧和斜轧。 16 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 Ø工艺装备工艺装备 产品制造时所用的各种刀具、模具、夹具、量具等 工具，总称为工艺装备。 v 刀具 由于机械零件的材质、形 状、技术要求和加工工艺的 多样性，客观上要求进行加 工的刀具具有不同的结构和 切削性能。因此，生产中所 使用的刀具的种类很多，如 图1.6所示。 17 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 v 夹具 夹具是机床上用以装夹工件以及引导刀具的装置。 对于贯彻工艺规程、保证加工质量和提高生产率有着 决定性的作用。 18 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类 v 模具 模具是用来将材料填充在其型腔中，以获得所需形 状和尺寸制件的工具。按加工材料性质分类，如金属 制品用模具，非金属制用模具等；按模具制造材料分 类，如硬质合金模具等；按工艺性质分类，如拉深模 具、粉末冶金模、锻模等。 v 量具 量具是以直接或间接的方法测出被测对象量值的工 具、仪器及仪表的总称。可分为通用量具、专用量