国家精品课程：《机械制造装备设计》第一章

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1、机械制造装备设计,(国家精品课程),我们不能人云亦云，这不是科学精神，科学精神最重要的就是创新,工欲善其事 必先利其器,目 录,第一章 机械制造装备设计方法,第二章 金属切削机床设计,第三章 典型部件设计,第七章 机械加工生产线总体设计,第五章 机床夹具设计,共60页 第1页,第一节 概述,第二节 机械制造装备应具备的主要功能,第三节 机械制造装备的分类,第四节 机械制造装备设计的类型,第五节 机械制造装备设计的方法,第六节 机械制造装备设计的评价,第一章 机械制造装备设计方法,国家需求,制造大国 制造业占国民经济30%的产值 工业增加值居世界第四位 建设制造强国是我国的国家目标 发展高端制造

2、装备 掌握关键零部件的核心制造技术,1.1.1 发展机械制造装备的战略意义,第一章,共60页 第2页,国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力的竞争。 机械制造业是制造业的核心，其生产能力和发展水平标志着一个国家或地区的经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度。 “拿来主义”不能形成制造业的核心竞争力，发展先进的装备制造技术刻不容缓，是实现向“制造强国”跨越的必由之路。 机床及其它制造装备是机械制造技术的重要载体。,国家科技重大专项,高档数控,大型飞机,IC制造,高档数控机床与基础制造装备,2008年，我国机床消费全球第一，进口价值54亿美元，90以上为高档数控

3、机床和重型制造装备。,Ref: Gardner Publ, 2009,国家科技重大专项,核心内容,高档数控,大型飞机,IC制造,高档制造装备 高速、精密、重型数控机床 大型数控成形冲压和重型锻造设备 重型、清洁、高效的热加工设备 共性技术 数字化设计技术 多轴联动加工技术 高档数控装置和驱动装置,高速车铣复合金切机床,五轴联动加工复杂叶片,国家科技重大专项,高档五轴数控机床的关键技术,大行程重载精密传动技术 行程8m8m2m 承重100吨 精度10m 大功率高速旋转主轴 功率1045 kW 转速1200060000 r/min 多轴多通道数控装置 伺服周期0.125ms 纳米平滑,重型七轴五联

4、动机床,五轴联动高速加工机床,高档数控,大型飞机,IC制造,国家科技重大专项,极大规模集成电路制造装备及成套工艺,亟需开发集成电路关键制造装备和工艺，带动相关产业的技术提升和结构调整,2008年我国半导体芯片设备市场: 54.8亿美元。 光刻机、刻蚀机、高质量薄膜材料生长及后封装等关键设备全部依赖进口。,参考：IC Insights公司,高档数控,大型飞机,IC制造,国家科技重大专项,核心内容：2010年实现90nm制造技术商品化,高档数控,大型飞机,IC制造,制造装备 战略高端：光刻机、刻蚀机、薄膜设备等 量大面广：键合机、划片机、清洗设备等 关键技术 超精密运动平台 光刻机光学系统 高性能

5、平面/直线电机 高加速度高精度控制技术,光刻机,晶圆操作,90nm光刻机的技术指标,高档数控,大型飞机,IC制造,高精度 工作台运动300mm 大载荷 工作台载荷40kg 速度和加速度 掩模台480mm/s，加速度1.9g,国家科技重大专项,国家科技重大专项,引线键合机的技术指标,高精度空间运动控制 运动精度15g 高起停频率 起停频率15次/秒 高定位精度 机器视觉定位1微米,引线键合机,高档数控,大型飞机,IC制造,国家科技重大专项,大型飞机,2005年-2020年间，我国通用飞机市场需求量应在1万架左右。支线客机ARJ21700，发动机、电子控制系统等关键部件依赖进口，国产化率很低。 大

6、飞机项目中，国产化率要达到30%。,高档数控,大型飞机,IC制造,亟需突破飞机发动机和大型结构件等关键部件的高效制造技术,国家科技重大专项,制造方面的核心内容,高档数控,大型飞机,IC制造,机身结构件典型零件 大型机翼整体壁板 大型复合材料结构件 大型整体框类结构件 发动机关键零件 耐高温高强度材料的机匣 耐高温钛合金材料的叶片 高温合金材料的整体叶盘,机翼根肋大梁,长6m,整体叶盘,国家科技重大专项,发动机关键零件整体叶轮制造,通道复杂、空间狭窄，材料去除75%,2.8mm,1.4mm,叶片薄，切削力大，易变形和振动,高温合金材料，切削性能差,高档数控,大型飞机,IC制造,国家科技重大专项,

7、大型整体薄壁件高效加工,大型整体薄壁件 长7米，厚1毫米 材料去除率大 去除率约95 加工精度难以保证 易变形和振动 表面质量难以控制 表面粗糙度和毛刺,高档数控,大型飞机,IC制造,机床工业的战略地位,国际军事竞争的战略物资 高档数控机床对我国禁运: 2000年10月14日,美国参议院通过控制高技术机床出口法案,美国商务部把数控机床列为对我出口的20类敏感物资; 日本通产省禁止东芝公司龙门五面体加工中心、安田公司高精度数控机床、森精机公司精密机床、五轴联动数控机床出口到中国。,国际军事竞争的战略物资-数控机床 现代飞机大量复杂曲面铝合金零件加工去除率80%以上，需要多轴联动、高速、高效龙门加

8、工中心，带A、B轴五轴加工中心等数控机床。航空发动机零件精度高、形状复杂，大部分采用高强度、高温合金，需要高精度、大扭矩高刚度、多轴联动数控机床进行加工。,J11,J10,飞豹歼击机心脏涡扇发动机， 数控机床是保障,高新技术产业发展的载体,航天工业发展要大批高精度、特种加工数控机床,国际军事竞争的战略物资,运载火箭发动机燃烧室、机匣、机罩、进气堆、尾锥及火箭机体等制造需要高性能、专用数控机床。,国际军事竞争的战略物资,舰艇导航设备舰载武器制造需要高性能数控机床,军事工业的支撑 数控机床,国家综合能力的象征,我国新研发的核动力潜艇需求大型5轴联动数控机床确保潜艇低噪声潜航,舰船的螺旋桨须五轴联动

9、支撑,国际军事竞争的战略物资 兵器工业武器需要各种规格数控机床，其中特殊合金钢材料加工，需要大扭矩、高刚度、大功率、高效率数控机床。,国家综合竞争力的重要标志和体现 发电机 我国百万级核电机组、超超临界火电机组、燃气-蒸汽循环机组、大功率风力机组，发电设备大型转子、定子、叶片等需要重型、超重型数控机床、五轴联动加工中心。,发电机 2002年我国装机6.22亿千瓦，2010年装机达8.5亿千瓦，2020年装机13亿千瓦，大型铸锻件需要重型和超重型数控机床、五轴联动加工中心、3.6万吨垂直挤压机。,铁路“十一五”新建1.7万公里，是前三个五年计划之和，平均每年投资2000亿元，2007年国家固定资

10、产投资3320亿元，开工建设70项。 特点：重载2万吨级机车试制成功；高速机车“动车组”时速200-350公里/小时。,2007年9月7日温家宝总理视察大连机床集团时指出：数控机床的水平是一个国家机械化、现代化的重要标志，象征着一个国家的科学水平、创新能力和综合能力，中国要成为生产数控机床的大国。,温家宝总理视察哈量集团,温家宝总理视察大连机床集团,1.1.2 制造模式的演变及发展趋势,第一章,共60页 第2页,我国制造装备的现状-制造装备部分 摘自路甬祥的走向绿色和智能制造_中国制造发展之路（2010）,我国数控机床产量从2001 年的117 万台增至2008 年的12. 2 万台,数控机床

11、产量跃居世界第一,95 %的经济型数控系统和一些中高档数控系统由国内制造。 精密加工技术有了新进展,数控金属切削机床的加工精度已提升到微米级。 2009 年,中国兵器工业集团自主研制的35218MN 黑色金属垂直挤压机在北方重工公司成功完成热调试,标志着我国大口径厚壁无缝钢管制造技术打破国外垄断并达到世界领先水平。,1.wmv;2.wmv;3.wmv;5.wmv;7.wmv;9.wmv,机械制造装备的发展趋势,用中国装备装备中国,1、向高效、高速、高精度方向发展,2、多功能复合化、柔性自动化的产品成为主流,3、实施绿色制造与可持续制造发展战略,4、智能制造技术和智能化装备有了新的发展,5、我国

12、自主创新和高新技术的发展,我国数控机床发展趋势,摘录于装备制造业“十二五”规划:,高速立、卧式加工中心 国内目前所能达到的最高水平：主轴转速15000 ，快速进给速度40 ，加速度0.8 。国外可以达到的水平：主轴转速30000 ，快速进给速度100 ，加速度2.5 。 达到如下目标：数控机床工作台面宽度630 ，主轴最高转速1500030000 ，快速进给40100 ，加速度12.5 ；完成系列产品开发，基本实现功能部件国产化，要求可靠性与精度稳定性达到同类产品国际先进水平。,精密立、卧式加工中心 国内能达到的水平：定位精度0.008 ，重复定位精度0.005 。国外水平可以达到定位精度0.

13、003 ，重复定位精度0.0015 。 目标：台面宽度1000 ，定位精度0.005 ，重复定位精度0.0025,1.2 机械制造装备的主要功能,一般的功能要求； 柔性化； 精密化； 自动化； 机电一体化； 节材； 符合工业工程要求； 符合绿色工程要求,好多的功能要求！,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,1加工精度方面的要求 加工精度是指加工后零件对理想尺寸、形状和位置的符合程度，一般包括尺寸精度、表面形状精度、相互位置精度和表面粗糙度等。满足加工精度方面的要求应是机械制造装备最基本的要求。影响机械制造装备加工精度的因素很多，与机械制造装备本身有关的因素有其几何精度、

14、传动精度、运动精度、定位精度和低速运动平稳性等。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,2强度、刚度和抗振性方面的要求 为了提高加工效率，切削速度越来越高，切削力越来 越大，机械制造装备应具有足够的强度、刚度和抗振性。 提高强度、刚度和抗振性不能一味地加大制造装备零部件 的尺寸和重量，成为“傻、大、黑、粗”的产品。应利用新 技术、新工艺、新结构和新材料，对主要零件和整体结构 进行改进设计，在不增加或少增加重量的前提下，使装备 的强度、刚度和抗振性满足规定的要求。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,3加工稳定性方面的要求 机械制造装备在使用过程中，

15、受到切削热、摩擦热、环境热等的影响，会产生热变形，影响加工性能的稳定性。对于自动化程度较高的机械制造装备，加工稳定性方面的要求尤为重要。提高加工稳定性的措施是减少发热量，散热和隔热，均热、热补偿、控制环境温度等。,温升,变形,误差,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.1 一般的功能要求,4耐用度方面的要求 机械制造装备经过长期使用，因零件磨损、间隙增大，原始工作精度将逐渐丧失。对于加工精度要求很高的机械制造装备，耐用度方面的要求尤为重要。提高耐用度应从设计、工艺、材料、热处理和使用等多方面综合考虑。从设计角度，提高耐用度的主要措施包括减少磨损、均匀磨损、磨损补偿等。,1.2 机械制造装备的

16、主要功能,1.2.1 一般的功能要求,5技术经济方面的要求 投入机械制造装备上的费用将分摊到产品成本中去。如产品产量很大，分摊到每个产品的费用较少。反之，产品的产量较少，甚至是单件，过大地在机械制造装备上投资，将大幅度地提高产品的成本，削弱产品的市场竞争力。因此不应盲目地追求机械制造装备的技术先进程度，无计划地加大投入，而应该进行仔细的技术经济分析，确定机械制造装备设计和选购方面的指导方针。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.2 柔性化,柔性化即产品结构柔性化和功能柔性化。 产品结构柔性化是指产品设计时采用模块化设计方法和机电一体化技术，只需对结构作少量的重组和修改，或修改软件，就可以快速地推出满足市场需求的、具有不同功能的新产品。 功能柔性化是指只需进行少量的调整或修改软件，就可以方便地改变产品或系统的运行功能，以满足不同的加工需要。数控机床、柔性制造单元或系统具有较高的功能柔性化程度。,1.2 机械制造装备的主要功能,1.2.2 柔性