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1、机械制造装备设计机械制造装备设计全国本科院校机械全国本科院校机械类创类创新型新型应应用人才培养用人才培养规规划教材划教材第第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21.11.21.31.4 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
2、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5 1.1 概述概述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
3、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
4、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、滚压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。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。
5、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，主要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、尺寸精用于加工金属，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9v 金属切削机床 1.2 机械制造装备的分类机械
6、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10v 特种加工机床 特种加工机床近年来发展很快，按其加工原理可分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、电子束加工、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。离子束加工、水射流中工等机床。 1.2 机械制造装备的
7、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
8、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
9、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%以上的能量转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、汽化成热能，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利化和蒸发，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。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
10、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。离子清洗、溅射、注入和蒸镀等，统称为离子
11、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料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，使被加工部位上的的细水柱，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动，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，如陶切割出要求的形状。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
12、火钢、白口铸铁、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。耐热合金、某些复合材料等。 15v 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屑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、挤压机和轧制加工设备，主要包括锻造机、冲压机、挤压机和轧制机四大类。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
13、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
14、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、专用量具和组合测量仪等。 19 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类仓储传送装备仓储传送装备仓储传送装备是生产系统必不可少的装备，对企业生产的布局、运行与管理等有着直接影响。仓储传送装备主要包括
15、物料运输装置、机床上下料装置、刀具输送设备以及各级仓储设备。数据管理物料运输装置物料运输主要指坯料、半成品及成品在车间内各工作站（或单元）间的输送，满足流水生产线成自动生产线的要求。机床上下料装置将坯料送至机床的加工位置的装置称为上料装置；加工完毕后将工件从机床上取走的装置称为下料装置。 刀具输送设备在柔性制造系统中，必须有完备的刀具准备与输送系统，完成包括刀具准备、测量、输送及重磨刀具回收等工作。 各级仓储设备机械制造生产中离不开不同级别的仓库及其装备。20 1.2 机械制造装备的分类机械制造装备的分类辅助装备辅助装备辅助装备包括清洗机、排屑设备及测量、包装设备等。 清洗机是用来对工件表面的
16、尘屑油污等进行清洗的机械设备。 排屑装置用于自动机床、自动加工单元或自动线上，包括切屑清除装置和输送装置。21 1.3 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型 机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和模块化设计等三大类型。创新设计创新设计 创新设计通常应从市场调研和预测开始，明确产品的创新设计任务，经过产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计等四个阶段；还应通过产品试制和产品试验来验证新产品的技术可行性；通过小批试生产来验证新产品的制造工艺和工艺装备的可行性。一般需要较长的设计开发周期，投入较大的研制开发工作量22 1.3 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型变型设计变型设计 为
17、了快速满足市场需求的变化，常常采用适应型和适应型和变参数型设计方法变参数型设计方法。两种设计方法都是在原有产品基础上，保持其基本工作原理和总体结构不变，适应型设计是通过改变或更换部分部件或结构，变参数型设计是通过改变部分尺寸与性能参数，形成所谓的变型产品，以扩大使用范围，满足更广泛的用户需求。适应型设计和变参数型设计统称“变型设计”。开展变型设计的依据是原有产品，它应属于技术成熟产品。 23 1.3 机械制造装备设计的类型机械制造装备设计的类型模块化设计模块化设计 模块化设计是按合同要求，选择适当的功能模块，直接拼装成所谓的“组合产品”。进行组合产品的设计，是在对一定范围内不同性能和不同规格的
18、产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过这些模块的组合，构成不同类型或相同类型不同性能的产品，满足市场的多方面需求。组合产品是系列产品的进一步细化，组合产品中的模块也应按系列化设计的原理进行。 24 1.4 机械制造装备设计要求机械制造装备设计要求 机械制造装备设计工作是设计人员根据市场需求所进行的构思、计算、试验、选择方案、确定尺寸、绘制图样及编制设计文件等一系列创造性活动的总称。其目的是为新装备的生产、使用和维护提供完整的信息。l机械制造装备设计工作要适应科学技术的飞速发展及市场竞争的日趋激烈，要采用先进的设计技术，设计出质优价廉的产品。25 1.4 机械制造装备设计要求
19、机械制造装备设计要求机械制造装备机械制造装备设计要求设计要求精密化精密化结构模块化结构模块化高效化高效化柔性自动化柔性自动化机电一体化机电一体化装备与技术配套化装备与技术配套化符合工业工程要求符合工业工程要求符合绿色工程要求符合绿色工程要求26 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法机械制造装备设计的典型步骤机械制造装备设计的典型步骤 机械制造装备设计的步骤根据设计类型而不同。创新设计的步骤最典型，可划分为产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计四个阶段。技技术设计产品品规划划阶段段方案方案设计工工艺设计27v 产品规划阶段产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础
20、上识别产品需求，进行可行性分析，制订设计任务书。 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法1）需求分析：一般包括对销售市场和原材料市场的分析）需求分析：一般包括对销售市场和原材料市场的分析 2）调查研究：包括市场调研、技术调研和社会环境调研）调查研究：包括市场调研、技术调研和社会环境调研三部分。三部分。3）预测：预测分为定性预测和定量预测两部分）预测：预测分为定性预测和定量预测两部分 4）可行性分析：通过调查研究与预测后，对产品开发中）可行性分析：通过调查研究与预测后，对产品开发中的重大问题应进行充分的技术经济论证，判断是否可行，的重大问题应进行充分的技术经济论证，判断是否可行，即进行
21、产品设计的可行性分析。即进行产品设计的可行性分析。 28经过可行性分析后，应确定待设计产品的设计要求和设计对数，编制“设计要求表”，如表1.2所示。 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法29v 方案设计阶段方案设计阶段实质上是根据设计任务书的要求，进行产品功能原理的设计。这阶段完成的质量将严重影响到产品的结构、性能、工艺和成本，关系到产品的技术水平及竞争能力。 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法1）设计任务的抽象：对设计任务进行抽象是对设计任务）设计任务的抽象：对设计任务进行抽象是对设计任务的再认识，从众多应满足的要求中，通过对功能关系和与的再认识，从众多应满足的要求
22、中，通过对功能关系和与任务相关的主要约束条件的分析，对任务相关的主要约束条件的分析，对“设计要求表设计要求表”一步一步一步进行抽象，找出具有本质性的主要的要求。一步进行抽象，找出具有本质性的主要的要求。 2）建立功能结构：）建立功能结构： 经过对设计任务的抽象，可明确设计经过对设计任务的抽象，可明确设计产品的总功能。产品的总功能。 30 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法31 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法3）录求原理解与求解方法：所谓原理解，就是能实现某）录求原理解与求解方法：所谓原理解，就是能实现某种功能的工作原理，以及实现该工作原理的技术手段和结种功能的工
23、作原理，以及实现该工作原理的技术手段和结构原理，即所谓的功能载体。构原理，即所谓的功能载体。 4）形成初步设计方案：）形成初步设计方案： 将所有子功能的原理解结合起来将所有子功能的原理解结合起来才能形成和实现总功能。原理解的结合是设计过程中很重才能形成和实现总功能。原理解的结合是设计过程中很重要的一环。原理解的结合可以得到多个初步设计方案，应要的一环。原理解的结合可以得到多个初步设计方案，应采用合适的结合方法，才能获得理想的初步设计方案。常采用合适的结合方法，才能获得理想的初步设计方案。常用的结合方法有系统结合法和数学方法结合法。用的结合方法有系统结合法和数学方法结合法。 5）对初步设计方案的
24、评价与筛选：原理解的结合可以获）对初步设计方案的评价与筛选：原理解的结合可以获得多种，有时多达几十种初步设计方案，应对这些方案进得多种，有时多达几十种初步设计方案，应对这些方案进行评价与筛选，找到较优的方案。行评价与筛选，找到较优的方案。32 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法33v 技术设计阶段技术设计阶段是将方案设计阶段拟定的初步设计方案具体化，确定结构原理方案；进行总体技术方案设计，确定主要技术参数，布局；进行结构设计，绘制装配草图，初选主要零件的材料和工艺方案，进行各种必要的性能计算；如果需要，还可以通过模型试验检验和改善设计；通过技术经济分析选择较优的设计方案。 1.5
25、 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法v 工艺设计阶段工艺设计阶段主要进行零件工作图设计，完善部件装配图和总装配图，进行商品化设计，编制各类技术文档等。 34 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法系列化设计系列化设计 从基型产品出发，演变出其他型号和规格的产品，构成产品的变型系列，又称为系列化产品设计，是产品设计合理化的一条重要途径，是满足市场多种需求提高产品质量和降低产品成本的重要途径。 v 系列化产品设计工作要点1）合理选择与设计基型产品）合理选择与设计基型产品 基型产品一般选择系列产品中应用最广泛的中档产品，基型产品一般选择系列产品中应用最广泛的中档产品， 2）合理制定产
26、品系列型谐）合理制定产品系列型谐 系列化产品的系列型谱制定要在基型产品设计之后或在系列化产品的系列型谱制定要在基型产品设计之后或在基型产品方案规划中统筹考虑。基型产品方案规划中统筹考虑。35 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法3）采用相似设计方法）采用相似设计方法 因为纵系列产品，无论是基型系列还是派生系列，都是因为纵系列产品，无论是基型系列还是派生系列，都是参数不同，但工作原理相同、结构形状相似的产品。因此参数不同，但工作原理相同、结构形状相似的产品。因此可采用相似设计方法，进一步提高设计效率与质量。可采用相似设计方法，进一步提高设计效率与质量。4）零部件通用化、标准化与模块化
27、）零部件通用化、标准化与模块化 系列化产品设计要坚持零部件通用化、标准化，同时要系列化产品设计要坚持零部件通用化、标准化，同时要加强零部件结构的规范化，形成标准化的可更换模块，形加强零部件结构的规范化，形成标准化的可更换模块，形成模块化产品。成模块化产品。36 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法模块化设计模块化设计v 模块化设计特点模块化设计特点2 25 53 34 41 1提高设计效率，满足用户要求 提高产品质量、降低生产成本 促进产品更新换代 方便维修 模块的结合部位结构较复杂，加工要求高；结构复杂的产品，难于保证外观的美观与匀称 37 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装
28、备设计方法38 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法v 模块化设计方式 1）横系列模块化设计）横系列模块化设计 在基型产品模块化结构的基础上，通过更换或添加功能在基型产品模块化结构的基础上，通过更换或添加功能模块，扩大产品的功能和适应性，这种设计方法应用最广模块，扩大产品的功能和适应性，这种设计方法应用最广2）纵系列模块化设计）纵系列模块化设计 一般在基型产品横系列模块系统基础上，保持产品功能一般在基型产品横系列模块系统基础上，保持产品功能与原理方案基本相同，采用相似设计方法，改变其尺寸或与原理方案基本相同，采用相似设计方法，改变其尺寸或性能参数，形成主参数成等比数列排列的一系列产
29、品。性能参数，形成主参数成等比数列排列的一系列产品。3）跨系列模块化设计）跨系列模块化设计 对于具有相近动力部件的产品，可进行跨系列模块化设对于具有相近动力部件的产品，可进行跨系列模块化设计，常见的有跨系列基础件模块、动力模块或其他功能模计，常见的有跨系列基础件模块、动力模块或其他功能模块。块。39v 功能模块功能模块是产品中实现各种功能单元的具体方案或载体，是从满足技术功能的角度来划分和定义的，是方案设计中应用的一种概念模块。 根据功能模块的作用，可分为基础功能模块、辅助功能模块、特殊功能模块、适应功能模块以及非模块化功能模块。 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法v 结构模块结
30、构模块是根据产品的结构特点和企业的具体生产条件，从有利于生产和方便装配或组装目的而确定的模块，它是构成产品的具体模块，又称为生产模块。 40 1.5 机械制造装备设计方法机械制造装备设计方法现代设计方法特点现代设计方法特点计算机化采用计算机辅助设计技术，在计算机硬件系统和软件系统的支持下进行方案分析、结构造型、工程分析、自动绘图及产品信息管理等 综合化程式化与并行化模型化最优化系统化综合应用信息论、优化论、相似论、模糊论、可靠性理论等自然科学理论和价值工程、决策论、预测学等社会科学理论 设计工作中用系统观点进行全方位设计，避免了传统设计工作中局部地、孤立地处理问题 通过计算机分析、图形仿真等，不仅可以实现单目标优化，而且能实现多目标的整体优化。 把各种问题进行高度抽象与概括，建立各种设计模型，特别是数学模型，应用计算机进行分析求解。 将设计过程划分成不同的阶段，在不同阶段建立不同的设计模型，采用不同的设计方法；利用计算机网络通讯和信息共享能力，采用并行工程方法。本章结束！本章结束！
