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1、机械工程概论 第2版第一章机械与机械工程第二章机械工程的应用领域第三章机械工业与制造业第四章机械设计及现代设计方法第五章工 程 材 料第六章材料成形技术第七章机械制造技术第八章先进制造技术第九章先进制造模式第一章机械与机械工程第一节社会生产与机械第二节机械工程概况第三节21世纪的机械工程第一节社会生产与机械1)都是人类制造的实体组合。2)其组成件之间有确定的相对运动和力的传递。3)进行机械能的转换或机械能的利用。第二节机械工程概况一、机械工程的服务领域1)研制和提供能量转换机械，包括将热能、化学能、原子能、电能、流体压力能和天然机械能转换为适合于应用的机械能的各种动力机械，以及将机械能转换为所
2、需要的其他能量(电能、热能、流体压力能、势能等)的能量转换机械。2)研制和提供用以生产各种产品的机械，包括应用于第一产业的农、林、牧、渔业机械和矿山机械，以及应用于第二产业的各种重工业机械和轻工业机械。3)研制和提供从事各种服务的机械，包括交通运输机械，物料搬运机械，办公机械，医疗器械，通风、采暖和空调设备，除尘、净化、消声等环境保护设备等。第二节机械工程概况4)研制和提供家庭和个人生活中应用的机械，如洗衣机、冰箱、钟表、照相机、运动器械等。5)研制和提供各种机械武器。二、机械工程的工作内容1)建立和发展可以实际地和直接地应用于机械工程的工程理论基础。2)研究、设计和发展新的机械产品，不断改进
3、现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。3)机械产品的生产。4)机械制造企业的经营和管理。5)机械产品的应用。第二节机械工程概况6)研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染和自然资源过度耗费方面的问题及其处理措施。三、机械工程的发展1.动力机械的发展2.机械加工技术的发展1)不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖。2)发展少无切削加工工艺。3)提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度，自动化从机械控制的自动化发展到电气控制的自动化和计算机程序控制的完全自动化，直至无人车间和无人工厂。第二节机械工程概况4)利用数字控制机床、加工中心、成组技术
4、等，发展柔性加工系统，使中小批量、多品种生产的生产效率接近于大量生产的水平。5)研究和改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。3.机械工程基础理论的发展1)在材料强度方面，从早期按静强度除以安全系数(考虑一切不精确性和分散性因素的经验系数)的粗糙计算，提高到考虑材料的疲劳(19世纪后半期)；从一律按材料的无限疲劳寿命进行设计，改为按照实际要求的寿命进行有限寿命设计(20世纪前半期)；从认为材料原则上不能有裂纹,发展到以断裂力学理论为依据,考虑裂纹材料的强度和寿命。第二节机械工程概况2)在机械结构的力学分析方面，从应用经验公式和简化的力学分析来确定各种受力和力矩，发展到应用复杂的力
5、学分析和数学计算方法。第三节21世纪的机械工程一、机械工程与人类的生存环境二、机械工程与人工智能三、机械工程的专业化和综合化思考题1.机械在人类发展历史中起到哪些作用？2.机械的共同特征是什么？3.机械工程的服务领域有哪些？4.机械工程的工作内容有哪些？5.人工智能是如何促进机械工程的发展的？6. 21世纪机械工程研究的重点领域有哪些？7.如何辩证地看待机械工程的专业化和综合化？第二章机械工程的应用领域第一节农 业 机 械第二节林 业 机 械第三节矿 山 机 械第四节冶 金 机 械第五节动 力 机 械第六节化 工 机 械第七节纺 织 机 械第八节工 程 机 械第九节汽车第一节农 业 机 械一、
6、农业机械发展简史二、农业机械的类型1.农用动力机械2.农田建设机械(1)铧式开沟机铧式开沟机工作部件是带有犁铧式切土部件的开沟犁体，由拖拉机牵引，一次行程即可完成开沟作业，生产率较高，但牵引阻力大，须与大功率拖拉机配套，适用于较小沟渠的开挖作业。(2)旋转开沟机旋转开沟机用旋转的铣抛盘铣切并抛掷土壤，可与中等功率的拖拉机配套使用，经一次或多次行程完成开沟作业。第一节农 业 机 械(3)鼠道犁鼠道犁工作部件为类似炮弹形的锥端圆柱体，带有立柱和牵引装置，由拖拉机牵引在农田中开挖排水暗渠。(4)铲抛机铲抛机由挖土铲将土铲起后送往抛土部件，带抛土板的旋转圆盘式或向上倾斜的环形胶带式抛土部件将土壤向一侧
7、横向抛掷，抛土距离可达1518m，可用于修筑梯田和开挖沟渠等土方运移作业。(5)水井钻机水井钻机有回转式、冲击式和复合式3大类。3.土壤耕作机械图2-1悬挂六铧犁1犁架2耕宽调整装置3调节手柄4悬挂架5悬挂轴6犁体第一节农 业 机 械(1)铧式犁铧式犁是土壤耕作最常用的机具。(2)圆盘犁圆盘犁的工作部件是与铅垂面约成20倾角，而与前进方向成4050偏角的凹面圆盘。(3)凿式犁凿式犁的工作部件是13列带刚性铲柱的凿形松土铲，适用于干旱、多石和水土流失严重地区土壤的基本耕作。(4)旋耕机工作部件旋耕刀滚是在一根水平横轴上按多线螺纹均匀配置的一组切土刀片，由拖拉机动力输出轴通过传动装置驱动，旋转切土
8、和碎土，一次作业即可达到种床准备要求。4.表土耕作机械(1)圆盘耙圆盘耙由成组排列的凹面圆盘配置而成。第一节农 业 机 械(2)钉齿耙钉齿耙工作部件为等距、间隔配置在耙架上的若干排钉齿，可用于松碎耕地后的土壤、破碎雨后地表形成的硬壳和作物苗期除草等作业。(3)水田耙水田耙由圆盘耙组、缺口圆盘耙组、星形耙组和轧滚等工作部件前后配置而成，用于水田耕翻后的碎土、平整作业。(4)镇压器镇压器用于耙后或播种后的表层碎土和压实作业，工作部件为镇压轮。(5)中耕机中耕机用于作物生长期间的松土、除草、开沟和培土等作业，常用的工作部件有除草铲、松土铲、通用铲和培土器等。(6)联合耕作机械联合耕作机械能一次完成土
9、壤的基本耕作和表土耕作耕地和耙地。第一节农 业 机 械5.种植和施肥机械图2-2联合播种机1开沟施肥2清除泥块3、5填压4开播种沟6覆土7、8施粒状杀虫剂9施粒状除莠剂10喷雾第一节农 业 机 械(1)播种机播种机种植的对象是作物的种子或制成丸粒状的包衣种子。(2)栽种机栽种机种植的对象是马铃薯、甘薯和葱头等作物的种块和甘蔗的种段等。(3)秧苗栽植机秧苗栽植机的种植对象是水稻、棉花、烟草、蔬菜、果树和花卉等作物的秧苗和带营养或带土的秧苗。图2-3机动水稻插秧机1发动机2主离合器手柄3变速手柄4牵引架5移箱器6送秧器7分插轮8环行滑道9栽插机架10秧爪11运输尾轮12秧箱13秧篮14船板15深浅
10、调整手柄16传动轴17驱动轮18主传动箱第一节农 业 机 械(4)施肥机械施肥机械用以在田间施放各种化学肥料(颗粒肥、液肥)、厩肥、粪肥和堆肥等，主要用于在耕地前施放基肥，而种肥和追肥一般分别由附装在播种机和中耕机上的施肥装置施放。6.植物保护机械(1)喷雾机具喷雾机具用于将液体或粉状药剂的水溶液以雾滴状喷洒到防治目标上，主要分喷雾器、弥雾机和超低量喷雾器3类。(2)喷粉机具喷粉机具用风扇气流将粉状药剂通过喷管和喷头吹送到防治目标上，常用的有手动背负式和胸挂式喷粉器、担架式动力喷粉机以及拖拉机悬挂式喷粉机等。第一节农 业 机 械(3)烟雾机烟雾机是利用液体燃料燃烧时产生的高温气流或内燃机排出的
11、废气，使油剂农药挥发、热裂成直径小于50m的微粒，随高温气流喷出形成烟雾悬浮在空中并沉降到防治目标上，适用于果园、仓库和温室内的病虫害防治。7.农田排灌机械(1)水泵水泵由电动机、内燃机或风力机等驱动，有离心泵、轴流泵、混流泵、活塞泵、隔膜泵、深井泵和潜水电泵等多种类型。(2)喷灌设备喷灌设备用水泵将水加压(或利用高位水源的落差)通过管道和喷头喷洒到空中，分散成均匀的细小水滴，呈雨状沉降到地面和作物上。第一节农 业 机 械(3)滴灌设备滴灌设备能使低压水通过地下或地面管道，从安装在管道上的滴头持续而小量地向作物需水部位滴落，耗水量比喷灌设备小，常用于果园、苗圃和温室内的灌溉。8.作物收获机械(
12、1)谷物联合收获机谷物联合收获机由收割台、输送装置、脱粒装置、分离装置、清选装置、粮箱和传动装置等组成。图2- 4全喂入式谷物联合收获机1切割器2抖动板3风扇4谷粒螺旋推进器5筛子6杂余螺旋推运器7抛扔器8尾筛9集草车10滑板11逐稿器12粮箱13逐稿轮14脱粒滚筒15凹板16倾斜输送器17收割台螺旋推运器第一节农 业 机 械(2)采棉机采棉机用旋转的带齿摘锭，将绽开棉桃中的带籽纤维抓带出来并靠气流送入棉箱。9.农产品加工机械(1)粮食加工机械粮食加工机械按工艺流程分为两大类：一类用于将稻谷、高粱、粟等原粮脱壳去皮，碾制成成品米；另一类用于将小麦、玉米、大麦、荞麦和莜麦等原粮去掉皮层和胚芽，研
13、磨成成品粉。(2)油料加工机械制油工艺主要分压榨法、浸出法等。第一节农 业 机 械(3)饲料加工机械饲料加工机械主要包括：加工各种粗、精饲料的饲料粉碎机、锄草机和青饲料切碎机；配制混合饲料的饲料混合机；将粉状饲料制成颗粒状的饲料压粒机；处理秸秆饲料的茎秆调制机；用于加工薯类和瓜菜等多汁饲料的洗涤机、切片机、刨丝机、打浆机、菜泥机和饲料蒸煮器等。三、农业机械发展趋势1)继续向大型、宽幅、高速和高生产率方向发展，并在实现机械化的基础上继续向自动化过渡。2)发展联合作业机械，使一台机器在一个工作行程内，同时完成两种或多种作业项目。3)产品系列化、标准化和通用化，可以满足各种不同农业条件的需要，生产批
14、量易于提高，产品成本易于降低，维修也较方便。第二节林 业 机 械一、林业机械发展简史二、林业机械的类型1.营林机械(1)振动采种机振动采种机是用振动方法采种的机械。(2)割灌机割灌机是造林和抚育幼林用的机械，可用于林地清理、幼林抚育、次生林抚育与间伐、割灌木、割草和伐小径木，是小型轻便机械。1)侧挂式割灌机。2)背负式割灌机。(3)挖坑机挖坑机是山地和丘陵地区造林整地的主要设备，分为拖拉机悬挂式和手提式。1)拖拉机悬挂式挖坑机。第二节林 业 机 械图2-5拖拉机悬挂式挖坑机a)后悬挂b)后悬挂侧置式1提升杆2下拉杆3万向传动轴4上拉杆5减速器6钻头7接盘8升降液压缸2)手提式挖坑机。第二节林
15、业 机 械(4)作床机、插条机和起苗机作床机、插条机和起苗机是主要用于苗圃育苗的机械。1)作床机。2)插条机。3)起苗机。(5)植树机植树机是机械化植树造林的主要设备，多与拖拉机配套使用。1)连续开沟式和间断开沟式植树机。2)选择挖坑式植树机。(6)幼林抚育机和立木修枝机幼林抚育机又称幼林除草机，驱动方式有拖拉机悬挂式、牵引式和手扶自走式，其工作部件为铲刀、圆盘刀或旋耕刀。第二节林 业 机 械(7)烟雾机烟雾机是一种保护林木的小型机械，用于防治病虫害,多为手提式或背负式,由燃烧系统、冷却系统、燃油系统、空气供给系统、药剂供给系统和起动系统组成。2.木材生产切削机械(1)油锯油锯是以汽油机为动力
16、的手持式链锯,用于伐木、打枝和造材。(2)伐区作业联合机伐区作业联合机是用于伐区作业(伐木、打枝、归堆、集材和短途运材等)的多工序机器。1)伐木归堆机。2)打枝造材机。3.林业起重输送机械1)固定式绞盘机。第二节林 业 机 械2)自行式绞盘机。第三节矿 山 机 械一、 采矿机械1.采掘机械(1)钻孔机械钻孔机械可分为凿岩机和钻机两类，钻机又有露天钻机和井下钻机之分。1)凿岩机。2)露天钻机。3)井下钻机。(2)掘进机械掘进机械是利用刀具的轴向压力和回转力对岩面的碾压作用，直接破碎矿岩的成巷或成井机械设备。1)天井钻机。2)竖井钻机。3)平巷掘进机。第三节矿 山 机 械2.采煤机械1)双滚筒采煤
17、机。2)液压自移支架。3.石油钻采机械(1)陆地石油钻采机械陆地石油钻采机械按开采工序分为钻井机械、采油机械、修井机械和维持油井高产的压裂、酸化机械。1)钻井机械。2)采油机械。3)修井机械。4)压裂、酸化机械。(2)海洋石油钻采机械海洋石油钻采机械与陆地石油钻采机械相似，分为钻井装置和采油系统。第三节矿 山 机 械1)海洋钻井装置。2)海洋采油系统。二、选矿机械1.破碎机械2.粉磨机械3.筛分机械4.分选(选别)机械(1)重力选矿机重力选矿机是利用矿粒与脉石的密度和粒度的差异，在运动介质(空气、水、悬浮液或重液)中进行分选的设备,包括跳汰机、重介质选矿机和离心选矿机。1)跳汰机。2)重介质选
18、矿机。第三节矿 山 机 械3)离心选矿机。图2- 6磁选机的工作原理第三节矿 山 机 械(2)磁选机磁选机利用各种矿物的磁性差异，借助磁力和机械力对矿物的作用进行分选。(3)浮选机浮选机是利用矿粒表面物理化学性质的差异对细粒矿物进行分选。(4)特殊选矿机械 特殊选矿机械的类型很多，有利用矿粒通过电场时作用在其上的电性(导电性、介电常数)差异进行分选的电选机；利用矿粒光学特性(颜色、反射率、透射率)和放射性差异对矿粒进行分选的光电拣选机、光拣选机和放射性拣选机等。5.脱水机械1)浓缩机。2)过滤机。3)离心脱水机。第三节矿 山 机 械4)干燥机。第四节冶 金 机 械一、冶金工业内部结构图2-7钢
19、铁生产流程图二、冶金机械分类1.炼铁机械第四节冶 金 机 械图2- 8高炉生产设备流程简图1储矿槽2焦仓3料车4斜桥5高炉本体6铁液罐7渣罐8放散阀9切断阀10除尘器11洗涤塔12文氏管13脱水器14净煤气总管15热风炉16炉基基墩17基座18烟囱19汽轮机20鼓风机21煤粉收集罐22储煤罐23喷吹罐24储油罐25过滤器26油加压泵第四节冶 金 机 械(1)高炉本体图2-9高炉内型第四节冶 金 机 械1)高炉内型。 炉缸呈圆筒形，它是承装铁水和炉渣的地方。炉缸四周分布有出铁口、出渣口和风口。大中型高炉一般设置两个出渣口、一个出铁口和数十个风口。 炉腹呈圆台形，它除了适应炉料熔化后体积收缩的特点
20、外，还必须使风口前燃烧生成的高炉煤气远离炉墙。 炉腰呈圆筒形，它是炉身、炉腹的过渡段，其作用是减少折点处的应力集中。 炉身呈圆台形，以适应炉料加热后的体积膨胀，减少炉料下降的阻力。 炉喉呈圆筒形，炉喉的结构要适合原料的装入和煤气的排出。2)高炉本体结构包括高炉基础、金属结构、炉衬及冷却设备。第四节冶 金 机 械 高炉基础的作用是将所承受的重量均匀地传给地基。高炉基础是由耐热混凝土基墩和钢筋混凝土基座组成的。 高炉金属结构主要作用是承受载荷、强固炉体、密封炉墙并固定冷却设备。 高炉炉衬由耐火砖砌成，其作用在于构成高炉的工作空间，减少炉子的热损失并保护炉壳和其他金属结构免受热应力和化学侵蚀。 高炉
21、冷却的目的是防止耐火砖衬损坏，并使高炉下部的炉渣在一定的冷却强度下凝固成保护性渣皮，保护炉衬和各种金属结构。(2)上料设备上料设备的用途是将炉料由储矿槽送到炉顶并入炉顶装料设备中。第四节冶 金 机 械(3)炉顶装料设备炉顶装料设备形式多为双料钟式炉顶，它由布料器、装料器和探料器组成。(4)送风设备送风设备的作用是保证连续向高炉供风，使焦炭燃烧，以实现高炉的冶炼。1)鼓风机。2)热风炉。(5)煤气除尘设备高炉产出的副产品煤气中含有较多的一氧化碳、氢气等可燃性气体，可作为燃料使用。图2-10煤气除尘设备第四节冶 金 机 械(6)高炉喷吹设备在我国用于高炉喷吹的主要燃料是重油和煤粉。图2-11高炉渣
22、铁处理系统(7)渣铁处理设备高炉渣铁处理系统如图2-11所示，第四节冶 金 机 械渣铁处理设备包括出铁平台、电炮、开口机、炉前吊车、铁液罐、铸铁机、堵渣机、渣罐、水渣池等。2.炼钢机械(1)氧气顶吹转炉图2-12转炉炉体1炉壳2炉衬3炉口4炉帽5出钢口6炉身7炉底8白云石砖第四节冶 金 机 械1) 转炉炉体。2)托圈、耳轴和倾动机构。3)供氧设备。图2-13平炉构造第四节冶 金 机 械(2)平炉平炉是由耐火砖砌筑而成，主要由炉膛、炉头、上升道、蓄热室、沉渣室和烟道组成，如图2-13所示。(3)碱性电弧炉电弧炉炼钢一般是指碱性电弧炉炼钢，它是生产合金钢的主要方法。1)炉体。图2-14电弧炉炉体结
23、构图1炉盖2电极3水冷圈4炉墙5炉坡6炉底7炉门8出钢口9出钢槽第四节冶 金 机 械2)电极升降机构。3)炉体倾动机构。4)装料机构。(4)弧形连铸机钢液经过连续铸钢机直接生产钢坯的方法叫连续铸钢。图2-15弧形连铸机工艺流程示意图1盛钢桶2中间罐3结晶器4夹棍 5液相穴6铸坯7拉矫机8切割装置9二次冷却区10冷却水喷嘴第四节冶 金 机 械3.轧钢机械1)轧钢主要设备。2)轧钢辅助设备。第五节动 力 机 械一、动力机械发展简史二、动力机械的分类1.风力机械2.水力机械3.热力发动机1)汽油机。2)柴油机。3)煤气机。4)蒸汽机。5)汽轮机。6)热气机。7)燃气轮机。第五节动 力 机 械8)喷气
24、式发动机。第六节化 工 机 械一 、化工机械的特点二、化工机械的分类1.物料输送设备(1)流体输送设备流体输送设备是指为输送流体提供能量的设备。1)往复泵。2)离心泵。3)轴流泵。图2-16离心泵原理图1叶轮2泵轴3排水管4叶片5填料箱6泵壳7底阀第六节化 工 机 械图2-18齿轮泵简图4)齿轮泵。第六节化 工 机 械(2)气体输送设备气体输送设备在各工业部门应用极为广泛，其作用体现在三方面：一是将气体由甲处输送到乙处；二是提高气体的压力；三是降低气体的压力。1)通风机。2)鼓风机。3)压缩机。4)真空泵。(3)固体输送设备固体物料运输工作量较大，若采用手动工具运输，劳动强度大，工作效率低。1
25、)带式输送机。2)斗式提升机。3)螺旋输送机。第六节化 工 机 械4)气动运输机械。2.换热器1)间壁式。2)直接接触式。3)蓄热式。(1)列管式换热器冷热两种流体自换热器两端进入换热器，通过管壁进行热量交换，它属于间壁式换热器。(2)螺旋式换热器螺旋式换热器是使冷热两种流体通过金属板壁进行热交换。(3)热风炉热风炉属于蓄热式换热器。3.塔设备第六节化 工 机 械(1)填料塔填料塔内填满填料，气体由塔底进入，穿过填料层向上流动，液体由塔顶通过喷淋设备沿填料表面流下，气体和液体在逆向流动情况下接触进行传质。(2)泡罩塔泡罩塔属于板式塔，气体由塔底引入，液体由顶部送入，气体通过塔盘时，气液两相即进
26、行传质。第七节纺 织 机 械一、纺织机械发展简史二、纺织机械的类型1.纺纱机械(1)开清棉机开清棉是纺纱工艺的第一道工序，由不同类型的开清棉单机组成的联合机完成下列任务：将压紧的原棉松开；清除混在原棉中的杂质和棉结；将各种品级的原棉进行均匀混合；制成均匀的棉卷或棉丛供梳棉工序使用。1)开棉机械。2)混棉机械。3)清棉机。(2)梳棉机梳棉机的主要作用是：开松棉束成单纤维状态；清除杂质和短绒；纤维混合；纤维纵向定位；成条。第七节纺 织 机 械(3)并条机并条机的主要作用是：将多条纤维生条合并和牵拉成一根纤维熟条；降低纤维条的不匀率；改善纤维的伸直平行度及分离度；使各纤维相互均匀混合，以取得混棉效果
27、。(4)粗纱机粗纺是将熟条经过68倍的牵伸，使纤维进一步伸直平行并经捻回纺成具有一定强度的粗纱有秩序地卷绕在筒管上，以便下道工序使用。(5)细纱机细纺是把粗纱经过牵伸、加捻，纺成一定支数，具有良好均匀度、一定强力的细纱，并使其符合国家标准的要求。2.织造机械1)经纱织前准备工作包括络纱、整经、浆纱和穿经。第七节纺 织 机 械图2-19踏盘开口机构2)纬纱织前准备工作包括卷纬和定拈。第七节纺 织 机 械3)织造是在织机上进行的。 开口机构是将经纱分成上下两层形成梭口的机构，图2-19所示为踏盘开口机构。踏盘开口机构是利用凸轮控制纵框的升降及其顺序。此外，还有多臂开口机构和提花开口机构。 引纬机构
28、是将纬纱引入梭口的机构。在有梭织机上，纬纱是由打梭机构打击梭子，使梭子飞行引入梭口。在无梭织机上，纬纱是由引纬器引入梭口的。因此，无梭织机消除了有梭织机振动大、噪声大的缺点。 打纬机构是将引入梭口的纬纱推向织口的机构。其主要形式有两种：一种为连杆打纬机构，另一种为共轭凸轮打纬机构。第七节纺 织 机 械 卷取机构是使织物构成规定纬密后，引离工作区并卷到布辊上的机构。通常用齿轮传动包有摩擦材料层的圆辊卷取织物。卷取机构通过调换变换齿轮的方法可改变织物的纬纱密度。 送经机构是指按照织造需要送出经纱的机构，通常由织轴上经纱送出装置和经纱调节装置组成。3.染整机械(1)通用装置染整机械的通用装置主要是在
29、联合机或单元机中起着进布、整纬、扩幅、防卷边和出布等特定功能的装置。1)平幅进布装置。2)整纬装置。3)扩幅装置。4)线速度调节装置。第七节纺 织 机 械5)出布装置。(2)通用单元机1)轧车。2)平洗机。3)蒸箱。4)烘造机。三、纺织机械发展趋势1.无梭织机代替有梭织机是世界织机发展的总体趋势2.机电一体化技术是纺织机械发展的必然趋势3.连续引纬方兴未艾，前景十分广阔第八节工 程 机 械一、工程机械的发展简史1.工程机械的发展过程2.工程施工与作业对工程机械的基本要求1)适应性。2)可靠性。3)经济性。4)安全性。二、工程机械的类型1.混凝土机械(1)混凝土搅拌机械混凝土搅拌机械是水泥、砂、
30、石和水等按一定比例配合并均匀搅拌合成新鲜混凝土的生产机械，包括混凝土搅拌机和混凝土搅拌站。第八节工 程 机 械(2)混凝土运输机械混凝土运输机械是将新鲜混凝土从生产地点输送到建筑结构的成形现场及至模板中去的专用运输机械，混凝土搅拌送输车一般由汽车底盘(或半拖挂式专用底盘)、传动系统、搅拌筒、供水装置和操纵系统等组成，图2-20所示为混凝土搅拌运输车。图2-20混凝土搅拌运输车1泵连接组件2减速机总成3液压系统4机架5供水系统6搅拌筒7操纵系统8进出料装置9底盘车第八节工 程 机 械(3)混凝土密实成型机械混凝土密实成型机械是使混凝土密实地填充在模板中或喷涂在构筑物表面，使之最后成形而制成建筑结
31、构或构件的机械，包括混凝土振动机械、混凝土砌块成型机械、混凝土喷射机械、混凝土摊铺机械等。2.沙石机械(1)破碎机械破碎机按工作原理和结构特征可分为4种：颚式破碎机、旋回破碎机、辊式破碎机和锤式破碎机，如图2-21所示。图2-21破碎机的主要形式a)颚式破碎机 b)旋回破碎机c)辊式破碎机d)锤式破碎机第八节工 程 机 械1)颚式破碎机。2)旋回破碎机。3)辊式破碎机。图2-22电磁振动筛的原理示意图1筛箱2筛面3弹簧4电磁激振器5弹簧吊杆第八节工 程 机 械4)锤式破碎机。(2)筛分机械按工作原理和结构特征筛分机械可分为三种：偏心振动筛、惯性振动筛和电磁振动筛。1)偏心振动筛是靠偏心轴的转动
32、使筛箱产生振动的。2)惯性振动筛是靠固定在其中部的带偏心块的惯性振动器驱动而使筛箱产生振动的。3)电磁振动筛是靠电磁激振器或振动电动机驱动产生激振力而使筛箱产生振动的。3. 土石方机械(1)铲土运输机械铲土运输机械用于铲运、推运或平整承机面的物料，主要靠牵引力工作，根据用途又分为推土机、铲运机、装载机、平地机和运土机等。第八节工 程 机 械(2)挖掘机械挖掘机械用于挖掘高于或低于承机面的物料(包括土壤、煤、泥沙及经过预松后的岩土和矿石等)，并将其装入运输车辆或卸至堆料场。图2-23单斗液压挖掘机总体结构示意图1铲斗2连杆3摇杆4斗杆5铲斗油箱6斗杆油箱7动臂油缸8动臂9回转支承10回转驱动装置
33、11燃油箱12液压油箱13控制阀14液压泵15发动机16水箱17液压油冷却器18回转平台19中央回转接头20行走装置21操作系统22驾驶室第八节工 程 机 械(3)平整作业机械平整作业机械是利用刮刀平整场地或修整道路的土方机械。(4)压实机械压实机械是利用静压、振动或夯击原理，密实地基土壤和道路铺砌层，使其密度增大，当拖拉机前进时，承载能力提高的土方机械。(5)水力土方机械水力土方机械是利用高速水射流冲击土壤或岩体，进行挖掘作业，然后将泥浆(或岩浆)输送到指定地点的土方机械，常用的有水泵、水枪、吸泥泵等，能综合完成挖掘、输送、填筑等作业，利用刀形或斗形工作装置切削土壤，效率较高，但消耗水电量大
34、，应用有局限性。4.起重及运输机械第八节工 程 机 械(1)塔式起重机塔式起重机简称塔机或塔吊，是工业与民用建筑结构及设备安装工程的主要施工机械之一，广泛用于多层、高层等装配式框架结构的吊装施工中。(2) 轮式起重机轮式起重机包括汽车起重机和轮胎起重机，均为安装在特制汽车底盘上的起重设备。(3)履带起重机履带起重机除适用于工业与民用建筑施工的期中作业外，只需改换工作装置就能成为用于土方、基础工程的挖掘机、打桩机等施工机械，也能改装成履带型的塔式起重机。(4)施工升降机施工升降机又称外用电梯，简称升降机，是指利用平台、料斗、吊笼等沿着垂直或微倾斜的导轨架提升物料和人员的起重机械。三、工程机械的发
35、展趋势第八节工 程 机 械1)采用基于GPS技术和数字地球技术的先进导航系统，用于工程机械作业的控制和操纵。2)广泛采用机载计算机来检测或排除故障。3)在新型柴油机上安装基于单片机的燃油喷射控制与调节发动机最佳性能的系统，可利用其提高燃料的利用率，确保发动机排放的废气符合环境控制法规要求。4)积极采用自动换挡控制系统。5)广泛应用人机工程学。6)大力开发工程机械智能系统。7)逐步采用机群智能化施工。第九节汽车一、汽车发展简史1. 早期汽车的发展图2-24三轮蒸汽汽车第九节汽车(1)蒸汽汽车1769年法国尼古拉斯居诺制成的三轮蒸汽汽车是第一辆真正能够行驶的汽车(图2-24)，它是木质的，时速可达
36、9.5km/h。(2)蓄电池电力汽车蓄电池电力汽车于1881年在巴黎出现。(3)汽油机汽车19世纪6070年代，煤气机和汽油机相继出现，为汽车的发展打开了新的前景。2.现代汽车的发展(1)19世纪末至20世纪30年代这一时期汽车发展的主要特点是类型完备化和结构完善化。第九节汽车(2)20世纪3060年代中期这一时期，由于资本主义世界经济相对繁荣，石油供应充足，价格低廉，在主要汽车生产国，汽车发展的主要目标是满足使用者对汽车的方便、舒适、高速和装饰等方面的要求。(3)20世纪70年代中期以后为了更进一步节约能源，减少汽车排气污染，提高汽车的舒适性、稳定性和安全性，许多汽车装置了前轮驱动系统、全轮
37、独立悬架、四轮盘式制动器和数字显示仪表。二、汽车的性能1.行驶能力(1)动力性动力性包括最高车速、加速性、爬坡度等。第九节汽车(2)装载量一般是在设计时规定的，有的制造厂仅规定汽车的总重量和底盘的重量，越野汽车常分别规定越野时和公路上行驶时的两种装载量。(3)续驶里程汽车油箱装满后的连续行驶里程。2.结构可靠性3.操纵性4.燃料经济性5.舒适性6.适应性7.通过性三、汽车的总体结构1.发动机的作用及组成第九节汽车2.底盘的作用和组成(1)传动系图2-25发动机后轮驱动传动系示意图1前轮2变速器3后轮4驱动桥5半轴6传动轴7离合器8发动机第九节汽车(2)行驶系行驶系的作用是把汽车各总成和部件连接
38、成一个整体，并支撑全车重量；将传动系传来的转矩转化为汽车行驶的驱动力；传递并承受路面作用于车轮上的各向反力及力矩；吸收和缓和汽车在不平路面上行驶时产生的振动和冲击；与转向系配合，实现汽车的转向。(3)转向系转向系的作用是保证汽车能够按照驾驶员所给定的方向行驶。(4)制动系制动系的作用是保证汽车能够迅速地降低行驶速度或在最短时间内停车，以确保行车安全，并保证汽车停放可靠，不致自动滑溜。3.车身4.电器设备第九节汽车四、汽车发展趋势1.向紧凑型小排量方向发展2.使用清洁能源3.提高汽车的使用性和安全性4.车身结构多样化思考题1.农业机械按照用途分为哪几类？农业机械的发展趋势如何？2. 林业机械分为
39、哪几类？各种机具的用途是什么？3. 矿山设备大致分为几类？选矿机有哪几类？4. 炼铁设备包括哪几部分？5. 炼钢炉的分类、用途及适用情况如何？6. 轧钢设备由哪些部分组成？第九节汽车7. 简述动力机械的发展、分类及用途。8. 化工机械有哪些特点？按功用分为哪几类？9. 简述纺织机械的类型及功用。10. 工程施工对工程机械有哪些基本要求？工程机械的类型及发展趋势如何？11. 汽车包括哪些性能？汽车的总体结构是由哪几部分组成的？第三章机械工业与制造业第一节概述第二节机械工业在国民经济中的地位第三节机械工业生产的社会化第四节生产方式的变革与现代制造技术第五节中国机械工业的发展概况第六节装备制造业第二
40、节机械工业在国民经济中的地位一、以先进的机器装备改造工业和整个国民经济二、为国家积累了大量建设资金三、出口创汇的重要部门四、与人民的衣、食、住、行有密切关系五、在机械工业的基础上，不断产生新兴的工业部门第三节机械工业生产的社会化一、机械工业的专业化方向二、机械工业专业化生产的形式(1)部门和行业专业化这是工业发展初期最原始的专业化形式。(2)对象专业化这是行业专业化发展的结果。(3)零部件专业化它是使主机的个别部分或零件的生产形成独立企业，进行成批、大量单一品种的生产。(4)工艺专业化它是把同类工艺集中起来组织专业化生产的形式，其特点是一个工厂只完成产品的某一工艺或工序，所以又称为阶段专业化。
41、(5)辅助服务生产专业化它是指一个工厂专门为其他工厂进行辅助性作业，又称技术后方专业化。三、专业化与“三化”第三节机械工业生产的社会化1.标准与标准化2.机械产品的“三化”(1)产品系列化众所周知，必须用规格不同的机床去加工不同大小的零件，用不同大小的电动机驱动不同规格的机床。(2)零部件的通用化和标准化企业在组织生产时，一般都是将机器的全部零件分为专用件、通用件、标准件等几大类。四、专业化与产品的多样化第四节生产方式的变革与现代制造技术一、从单件生产到大量生产图3-1自动生产线的一般组成二、 从大量生产到多样化生产三、制造工业的信息化第五节中国机械工业的发展概况一、中国近代机械工业1. 近代
42、机械工业的兴起和发展(18401926年)2. 近代机械工业从发展到衰退(19271949年)二、中国现代机械工业1.建立机械工业初步基础(19491957年)2. 建立比较完整的机械工业(19581965年)3. 第三、第四个五年计划时期(19661976年)4.走上稳步发展的道路(19771985年)三、中国机械工业现状1)保持平稳健康发展。2)产业向高端升级有所突破。3)自主创新能力明显增强。第五节中国机械工业的发展概况4)产业基础初步夯实。5)两化融合水平显著提高。6)推进绿色制造。第六节装备制造业一、概述1.装备制造业的概念(1)重要的基础机械这类装备即制造装备的装备，主要包括数控机
43、床(NC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(DIMS)、工业机器人、大规模集成电路及电子制造设备等。(2)重要的机械、电子基础件这类装备主要包括先进的液压、气动、轴承、密封、模具、刀具、低压电器、微电子和电力电子器件、仪器仪表及自动化控制系统等。(3)重大成套技术装备这类装备主要是国民经济各部门、科学技术、军工所需的成套装备。2.装备制造业在国民经济中的重要作用第六节装备制造业1)装备制造业是国民经济的支柱产业和带动经济快速增长的发动机。2)装备制造业是吸纳劳动力的重要载体。3)装备制造业是实现经济增长方式转变和推进传统产业改造升级的根本手段。4)装备制造业
44、是科技成果转化为生产力的桥梁和通道。5)装备制造业是保障国家经济安全和军事安全的重要基础。二、我国装备制造业的发展现状1.组织结构不合理第六节装备制造业(1)企业规模小，大企业规模也不大长期以来，我国装备制造业重外延、轻内涵，投资分散、重复布局十分严重，且多数企业按“大而全”和“小而全”建设，致使装备制造企业规模普遍很小，即使所谓“特大型”和“大型”企业规模也不大。(2)成套技术装备能力差长期以来我国重大工程项目的工程设计、产品设计和制造分属不同部门，严重地影响了国内技术装备成套供应体制和能力的形成。(3)制造业的改组困难国内金融业参与装备制造业的投资、组合的渠道受到众多限制和约束，难以通过资
45、本市场解决装备制造业的改组。2.技术结构不合理第六节装备制造业(1)自主开发能力低由于企业规模小，研究开发能力薄弱，致使自主开发能力差，技术创新能力低。(2)企业还未成为技术创新的主体我国不仅研究开发经费和人员少，同时分布极不合理。(3)设计和制造技术能力不强现代化的设计以综合和系统的观点，从市场、设计和生产过程中寻找最佳的结合点，集合材料、工艺、控制、系统、工程等方面，开发设计技术先进和经济合理的产品，以最大程度地满足用户的需求，扩大市场占有率。(4)产品结构不合理我国长期处于短缺经济状态，许多产品严重供应不足。三、振兴我国装备制造业的途径1)继续深化装备制造业的结构调整，增强国际竞争力。第
46、六节装备制造业2)加强国家调控与市场指导，集中资源实现重大突破。3)做好规划引导，发挥产业集聚效应。4)坚持技术引进、消化与自主创新，促进传统制造业的升级。5)提高系统和总成套能力，形成若干装备总承包商。6)转变技术创新模式，建立技术创新体系。7)继续发挥劳动力成本低的优势，重视提高熟练技术工人的比例。8)加大政府宏观调控力度，营造振兴装备制造业的大环境。思考题1.阐述机械工业在国民经济建设中的作用。2.阐述机械专业化“三化”的含义。3.机械制造在生产方式变革中起到哪些作用？第六节装备制造业4.简述中国机械工业发展的概况。5.什么是装备制造业？装备制造业的产品包括哪些方面？6.阐述装备制造业的
47、发展现状。7.阐述振兴中国装备制造业的途径。第四章机械设计及现代设计方法第一节机械设计基本方法第二节现代设计方法第一节机械设计基本方法一、概述1.直觉设计(远古1500年)2.经验设计(15011849年)3.半经验设计(18501949年)4.半自动设计(19501989年)5.自动化设计(1990年以来)二、机械设计的基本要求1.设计机器应满足的基本要求(1)功能性要求人们是为了生产和生活上的需要才设计和制造各式各样机器的，因此，机器必须具有预定的使用功能。(2)可靠性要求机器在预定工作期限内必须具有一定的可靠性。第一节机械设计基本方法(3)经济性要求机器的经济性体现在设计、制造和使用的全
48、过程中，包括设计制造经济性和使用经济性。1)尽量采用先进的现代设计理论和方法，力求参数最优化，以及应用CAD技术，加快设计进度，降低设计成本。2)合理地组织设计和制造过程。3)最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。4)合理地选用材料，努力改善零件的结构工艺性，尽可能采用新材料、新结构、新工艺和新技术，使其用料少、质量轻、加工费用少。5)尽力注意机器的造型设计，扩大销售量。1)提高机械化、自动化水平。2)选用高效率的传动系统和支承装置。第一节机械设计基本方法3)注意采用适当的防护、润滑和密封装置等，以提高生产率，降低能源消耗和延长机器使用寿命等。(4)劳动保护要求1)注意操作者的操作安
49、全，减轻操作时的劳动强度。2)改善操作者及机器的环境。(5)其他特殊要求对不同的机器，还有一些该机器所特有的要求。2.设计机械零件的基本要求(1)强度、刚度及寿命要求强度是衡量零件抵抗破坏的能力。(2)结构工艺性要求零件应具有良好的结构工艺性。(3)可靠性要求零件可靠度的定义和机器可靠度的定义是相同的，而机器的可靠度主要是由其组成零件的可靠度来保证的。第一节机械设计基本方法(4)经济性要求零件的经济性，主要取决于零件的材料和加工成本。(5)质量小的要求尽可能减小质量对绝大多数机械零件都是必要的。三、机械设计方法和一般步骤1.机械设计方法(1)理论设计根据长期研究与实践总结出来的设计理论和实验数
50、据所进行的设计，称为理论设计。(2)经验设计根据对某些零、部件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的办法所进行的设计叫做经验设计。第一节机械设计基本方法(3)模型实验设计把初步设计的零、部件或机器，做成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善，这样的设计过程叫做模型实验设计。2.机械设计的一般步骤(1)动向预测在根据实际的需要提出所要设计的新产品后，动向预测只是一个计划和预备阶段，此时所要设计的产品仅是一个模糊的概念。(2)方案设计本阶段对设计的成败起着关键作用。(3)技术设计在技术设计中，
51、要拟定设计对象的总体和部件，具体确定零件的结构。(4)施工设计根据技术设计总体装配图进行零、部件设计。第一节机械设计基本方法(5)试生产根据施工设计的图样和各种技术文件试制样机，对样机进行功能试验，并对各项费用进行成本核算，向前反馈，改进设计。第二节现代设计方法一、有限元分析方法1.有限元法的基本思想图4-1单元与单元之间的节点第二节现代设计方法2.有限元法主要的计算步骤(1)连续体离散化所谓连续体离散化，就是将分析对象按一定规律划分有限个单元的集合，使相邻单元在节点处联结，单元之间的载荷也仅由节点传递，连续体离散也称为网格划分。图4-2三角形单元第二节现代设计方法(2)单元分析所谓单元分析，
52、就是建立各个单元的节点位移和节点力之间的关系式。(3)整体分析整体分析是对各个单元组成的整体进行分析。3.有限元法的应用二、优化设计1.优化设计的基本术语和数学模型(1)目标函数在工程设计中，都有一个或多个设计中所追求的目标，它们可以用设计变量函数来加以描述。(2)设计变量在机械设计中，区别不同的设计方案，通常是以一组取值不同的参数来表示。(3)约束条件设计的各个变量，从工程实际出发，其取值范围常会受到各种各样的限制，有时必须满足各种实际的条件。第二节现代设计方法2.优化设计的基本思想图4-3优化设计迭代过程的示意图a)无约束最优解b)约束最优解3. 常用优化设计方法三、机械可靠性设计第二节现
53、代设计方法1.可靠性设计的理论基础和常用指标(1)可靠度可靠度表示产品在规定的工作条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。(2)失效概率失效概率是指在规定的条件下和规定的时间内，产品功能失效的概率。(3)平均寿命和平均故障时间间隔1)平均寿命(Mean Time To Failures，MTTF)是产品寿命的平均值，指发生故障不能修复条件下产品从开始到失效的平均时间。第二节现代设计方法2)平均故障时间间隔(Mean Time Between Failures，MTBF)指可修复产品相邻两次故障的平均时间。2.机械可靠性设计的内容及方式1)从已知的目标可靠度出发，设计零、部件和整机的有关参数及结
54、构尺寸，这是可靠性设计最基本的内容。2)可靠性预测，根据零、部件和整机(或系统)目前的状况及失效数据，预测其实际可能达到的可靠度，预报它们在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的概率。3)可靠性分配，即根据确定的机器(或系统)的可靠度，分配其组成零、部件或子系统的可靠度。(1)预防故障设计预防故障设计是由经验累积形成的设计方式。第二节现代设计方法(2)概率设计概率设计将所设计零件的失效概率限制在允许的很小值，以满足可靠性定量的要求。(3)储备设计储备设计是对完成规定功能设置重复的结构或手段，以备局部发生失效时，整机仍不致丧失功能的设计方式。(4)耐环境设计耐环境设计是在设计阶段就考虑产品在
55、整个生命周期内可能遇到的各种环境影响。(5)安全设计安全设计是针对失效后会造成人身伤亡或引起重大经济损失情况，以保证一定的安全水平。1)故障安全设计。2)防误操作设计。3)故障检出或监测设计。4)人员防护设计。第二节现代设计方法(6)维修性设计维修性设计是在设计阶段就考虑维护修理的方便，以便发生故障后能迅速恢复而得到保证。1)检测方便，缩短故障的诊断、定位时间。2)装拆方便，便于维修操作，缩短排除故障的时间。3)维修所需设备、工具、技术简单。(7)人-机工程设计人-机工程设计是在设计阶段为减少人的差错，发挥人和机各自的特点，以提高产品使用可靠度。1)指示系统可靠。2)控制、操作系统可靠。3)操
56、作环境尽量适于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，这些因素主要有：温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、污染、空间等。第二节现代设计方法(8)权衡设计权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能、重复、尺寸等质量与价格、交货期之间综合权衡寻求最佳方案的设计。四、计算机辅助设计1.计算机辅助设计系统的硬件(1)主机主机由中央处理器(CPU)及内存储器(简称内存)组成。(2)外存储器外存储器简称外存，内存储器可以直接和运算器、控制器交换信息，存取速度很快，但由于内存储器成本较高，其容量又受CPU的直接寻址能力所限制，通常是有取舍的。(3)图形显示器目前采用的图形显示器主要是阴极射线
57、管(CRT)。(4)图形输入设备第二节现代设计方法1)用于输入产品设计思想、结构及图形。2)用于交互式绘图，对图形进行修改与变换。(5)图形输出设备图形输出设备主要用在输出介质上生成图像，其中最常用的输出介质是纸，最常用的图形输出设备是自动绘图机。(6)计算机网络计算机网络是用通信线路和通信设备将分散在不同地点并具有独立功能的计算机相互连接，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享。2.计算机辅助设计系统的软件(1)操作系统CAD系统只有在操作系统的支持下才能正常运行。(2)图形软件图形软件作为一组用于图形显示和几何关系构型的程序，是机械CAD系统的重要组成部分。第二节现代设计方法(3)数据库管
58、理系统在机械设计过程中需要对大量的数据进行处理和操作。(4)设计方法程序库设计方法程序库中存放了各种常用的程序，以解决在机械设计中的各种数值计算问题。1)常用数学方法程序库。2)有限元结构分析软件。3)优化设计软件。(5)应用程序应用程序是设计过程中用于特定目的的设计程序。五、模块化设计1.模块化设计的步骤第二节现代设计方法图4- 4模块化设计过程第二节现代设计方法(1)市场调查与分析这是模块化设计成功的前提。(2)进行产品功能分析，拟订产品系列型谱合理确定模块化设计所覆盖的产品种类和规格，种类和规格过多，虽对市场应变能力强，有利于占领市场，但设计难度大，工作量大；反之，则对市场应变能力减弱，
59、但设计容易，易于提高产品性能和针对性。(3)确定参数范围和主参数产品参数有尺寸参数、运动参数和动力参数(功率、转矩、电压等)，须合理确定，过高和过宽造成浪费，过低和过窄不能满足要求。(4)确定模块化设计类型，划分模块只有少数方案用到的特殊功能，可由非模块实现；若干部分功能相结合，可由一个模块实现(对于调整功能尤其如此)。第二节现代设计方法(5)模块结构设计，形成模块库由于模块要具有多种可能的组合方式，因此设计时要考虑一个模块的较多结合部位，应做到加工合理、装配合理；应尽量采用标准化结构；尽量用多工位组合机床同时加工，否则模块的加工成本将非常可观；还应保证模块寿命、维修及更换方便。(6)编写技术
60、文件由于模块化设计建立的模块通常不直接与产品联系，因此必须注意其技术文件的编制，才能将不同功能的模块有机联系起来，指导制造、检查和使用。1)编制模块组合与配置各产品的关系表，其中应包括全系列的模块种类及各产品使用的模块种类和数量。2)编制所有产品的模块组和模块目录表，表明各产品和模块组的组成。第二节现代设计方法3)编制系列通用的制造验收条件、合格证明书及装箱单。4)编制模块式的使用说明，以适应不同产品、不同模块的需要。2. 模块化设计的主要方法(1) 横系列模块化设计即不改变产品主参数，利用模块发展变型产品。(2)纵系列模块化设计即在同一类型中对不同规格的基本类型产品进行设计。(3)横系列和跨
61、系列化设计除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其他系列产品者，便属于横系列和跨系列模块化设计了。(4)全系列模块化设计全系列包括纵系列和横系列。第二节现代设计方法(5)全系列和跨系列模块化设计全系列和跨系列模块化设计主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨系列产品的模块化设计。3.模块化设计的关键技术(1)模块标准化它是指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。(2)模块的划分模块化设计的原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系尽可能简单。1)模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要
62、性。2)保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性。第二节现代设计方法3)模块间的结合要素要便于连接与分离。4)模块的划分不能影响系统的主要功能。六、价值工程1.价值工程的基本概念2.价值工程的工作步骤(1)成立价值工程小组价值工程小组必须包括产品生命周期各方面的专家。(2)确定分析对象要选择那些价值较低的产品或作业作为分析对象。(3)收集信息需要收集与分析对象有关的专用信息；与分析对象功能有关的一般信息；与技术有关的技术信息；与费用有关的经济信息等。第二节现代设计方法(4)功能分析价值工程的核心是功能分析。(5)功能评价功能评价是用量化手段来描述功能的重要程度和价值，以找出低价值区域，明
63、确改进目标。(6)制定改进方案为了改进设计，就必须提出改进方案，麦尔斯说过，要得到价值高的设计，必须有2050个可选方案。3. 成本分析(1)功能分析从用户需要出发，保证产品的必要功能，去除多余功能，调整过剩功能。(2)性能分析研究在一定功能下，提高产品性能的措施。(3)成本分析分析成本的构成，从各方面探求降低成本途径。七、绿色设计1.绿色产品和绿色设计的概念第二节现代设计方法1)优良的环境友好性。2)最大限度地利用材料资源。3)最大限度地节约能源。2.绿色设计的主要内容和关键技术图4-5绿色产品设计的过程轮图第二节现代设计方法(1)绿色产品的描述与建模准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产
64、品评价模型是绿色设计的关键。(2)绿色设计的材料选择与管理绿色设计要求产品设计人员改变传统的选材程序和步骤，选择材料时不仅要考虑产品的使用条件和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料。(3)产品的可回收性设计可回收性设计是指在产品设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题，最终达到零件材料资源和能源的最大利用，并对环境污染最小的一种设计思想和方法。第二节现代设计方法(4)产品的可拆卸性设计现代机电产品往往使用着多种不同材料，因而其拆卸就成了目前绿色设计研究
65、的主要热点。(5)绿色产品的成本分析绿色产品的成本分析与传统的成本分析不同。(6)绿色设计数据库绿色设计数据库是一个庞大复杂的数据库。1)绿色产品评价体系、方法的研究。2)绿色设计模型的建立。3)绿色设计数据资料的收集整理与数据库的建立。4)绿色设计方法的系统研究及知识库的建立。八、动态设计1. 动态设计的基本内容第二节现代设计方法图4- 6动态设计分析的一般过程2. 动态设计的一般步骤第二节现代设计方法(1)系统的动态模型机械学研究有在原型和模型上进行的两个途径。(2)载荷识别确定系统的输入载荷称为载荷识别。(3)动态特性系统动态特性是用传递函数来描述的，传递函数可用实验模态分析及解析模态分
66、析两种方式进行。解析模态分析是在结构离散化模型基础上应用有限单元法，求解特征方程的特征量与特征矢量，具有动力分析子程序的大型结构分析程序均有此方面功能。(4)动态响应记录与分析各种随时间变化的物理参量的时间历程统称为动态响应。第二节现代设计方法(5)载荷谱以概率统计的方法研究载荷的特性，对载荷的统计特性(载荷水平与循环次数的关系)用图形、表格、矩阵等形式来表示，统称为载荷谱。(6)寿命预估寿命预估基于累积损伤的概念。(7)系统仿真系统特性实验研究可以在实际系统或以物理模拟进行模拟实验，也可用计算机对实际系统进行仿真，即将实验系统运动规律用数字形式表达，建立模型，然后用计算机来解析，统称为计算机
67、仿真。(8)减振和防振在机械机构的动态设计过程中，避开共振或减少振动的量值是重要的内容。九、并行设计1. 并行设计的技术特征第二节现代设计方法(1)产品开发过程的并行重组产品开发是一个从时常获得需求信息，据此构思产品开发方案，最终形成产品投放市场的过程。(2)支持并行设计的群组工作方式在工业化社会大生产的环境下，设立供应、销售、设计、工艺、制造这些部门是必要的，但产品开发过程的并行化要求与产品开发有关各部门的工程技术人员同时工作、共同工作，因而需要确立一种新的组织形式和工作方式，这就是各有关部门工程技术人员组成的产品开发工作群组(必要时还可分成若干小组)。(3)统一的产品信息模型统一的产品信息
68、模型是实施并行设计的基础。第二节现代设计方法(4)具有人工智能处理不完备、不确定的信息功能正因为产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细的过程，因此在设计初期，有关产品的信息往往是不完备，甚至是不确定的。(5)基于时间的决策设计的过程是优化决策的过程，实施并设计的首要目的是大幅度缩短产品开发周期，因此要通过一系列的优化决策，组织、制造并控制产品开发过程，使之能以最短的时间开发出优质的产品。(6)分布式软硬件环境并行设计意味着在同一时间内多机、多程序对同一设计问题并行协同求解，因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件。(7)开放式的系统界面并行设计系统是一个高度集成化的系统。2. 并行设计
69、中的关键技术第二节现代设计方法(1)产品并行开发过程建模及优化并行设计的思想是在研究产品开发过程的基础上形成的，要实现产品的并行设计，首先要建立起产品并行开发的信息模型。1)目标约束。2)环境约束。3)耦合约束。图4-7并行设计系统结构示意图第二节现代设计方法(2)支持并行设计的计算机信息系统信息交流对产品开发具有特别重要的意义。(3)模拟仿真技术并行设计的含义不仅在于设计过程中某些工作步骤的平行交叉，而且还在于产品设计阶段就要考虑加工、装配，甚至使用、维修这些与产品开发相关的后续过程。(4)产品性能综合评价的决策系统并行设计作为现代化设计方法，其核心准则是“最优化”。(5)并行设计中的管理技
70、术并行设计系统是一项复杂的人机工程，不仅涉及技术科学，而且还涉及管理科学。十、模糊设计1.模糊设计的基本理论第二节现代设计方法图4- 8特征函数第二节现代设计方法1x A1x完全属于A第二节现代设计方法图4- 9隶属函数2.模糊设计的应用第二节现代设计方法(1)模糊优化设计国外从20世纪70年代、国内从80年代开始，以数学规划论为基础，以计算机为工具的优化设计技术取得了不断地发展和广泛地应用，收到了显著的效益。(2)模糊可靠性设计常规的可靠性设计运用随机方法对产品的故障(失效)、完好(正常)及可靠、不可靠等状态的随机性予以精确的描述，从而对产品进行概率设计。十一、智能计算机辅助设计1.智能计算
71、机辅助设计系统的基本组成图4-10智能CAD系统组成第二节现代设计方法1)知识获取部分。2)知识库。3)自学习机。4)人机界面。5)绘图和文件编写部分。6)动态数据库。7)推理机。8)分析计算部分。9)设计资料数据库。2.人工智能技术和智能设计系统第二节现代设计方法(1)专家系统专家系统是一种计算机程序，是基于知识的智能程序，以专家的水平来完成一些重要问题的计算机应用系统，其知识库存有相当数量的权威性知识，并能运用这些知识解决特定领域内的实际问题。(2)人工神经网络人工神经网络(Artificial Neural Networks，ANN)是由大量简单的神经元相互连接而成的自适应非线性动态系统
72、。(3)复合智能专家系统和人工神经网络两者结合起来，实行优势互补，便构成了复合智能(Neural Expert Hybrid，NEH)。第二节现代设计方法1)专家系统擅长基于知识的逻辑推理、逻辑思维以及在宏观功能上模拟人的知识推理能力；人工神经网络则在知识获取、经验思维和在微观结构上模拟人的认知能力方面存在优势，其硬件结构是连接主义(Connectionism)系统，工作机制是并行处理。2)利用专家系统来求解问题，若能求出解，一定是准确的和最优的，但若求不出，则彻底失败；而利用神经网络求解问题，它往往给出的是一个次最优解，并且总能得到解。3)专家系统的操作特征是软件编程，主要用于求解推理学习一
73、类问题。十二、三次设计和健壮设计1.系统设计(第一次设计)2.参数设计(第二次设计)第二节现代设计方法3.公差设计(第三次设计)思考题1.机械设计应满足哪些基本要求？2.设计机械零件应满足哪些基本要求？3.机械设计有哪些设计方法？4.机械设计有哪些现代设计方法？5.有限元法的基本思想是什么？有哪些计算步骤？6.优化设计的基本思想是什么？7.机械可靠性设计的内容是什么？包括哪些设计方式？8.计算机辅助设计的硬件包括哪些设备？有哪几类软件？9.模块化设计的主要方法是什么？10.价值工程的基本概念和工作步骤是什么？第二节现代设计方法11.什么是绿色设计？包括哪些关键技术？12.什么是动态设计？包括哪
74、些步骤？13.什么是模糊设计？在工程中如何应用模糊设计？14.什么是智能计算机辅助设计？15.三次设计的基本思想是什么？三次设计的重点是哪项设计？第五章工 程 材 料第一节工程材料分类及应用第二节新型工程材料第一节工程材料分类及应用一、概述二、工程材料的分类三、金属材料1.碳素钢2.合金钢第一节工程材料分类及应用表5-1常用碳钢的牌号、用途及说明名称牌号应 用 举 例说明第一节工程材料分类及应用表5-1常用碳钢的牌号、用途及说明碳素结构钢Q215A级金属结构件、拉杆、套圈、铆钉、螺栓、短轴、心轴、载荷不大的凸轮、吊钩、垫圈、渗碳零件及焊接件碳素钢的牌号是由代表钢材屈服点的字母Q、屈服点值、质量
75、等级符号、脱氧方法四个部分组成。其中质量等级共分四级，分别以A、B、C、D表示Q235A级金属结构件、心部强度要求不高的渗面或碳氮共渗零件、钩、拉杆、套圈、气缸、齿轮、螺栓、螺母、连杆、轮轴、锲、盖及焊接件第一节工程材料分类及应用表5-1常用碳钢的牌号、用途及说明优质碳素结构钢15塑性、韧性、焊接性和冷冲性均良好，但强度较低。用于制造受力不大、韧性要求较高的零件、紧固件、冲模锻件及不要求热处理的低负荷零件，如螺栓、垫圈、螺钉、拉条、法兰盘及化工储器、蒸汽锅炉牌号的两位数字表示平均含碳量的万分数（质量分数），45钢即表示平均碳的质量分数为045%碳的质量分数025%的碳钢是低碳钢碳的质量分数在0
76、25%060%之间的碳钢为中碳钢碳的质量分数060%的碳钢为高碳钢45用于强度要求较高的零件，如汽轮机的叶轮、压缩机、泵的零件等第一节工程材料分类及应用表5-1常用碳钢的牌号、用途及说明碳素工具钢T8T8A有足够的韧性和较高的硬度，用于制造能承受振动的工具，如钻中等硬度岩石的钻头、简单模子、冲头等用“碳”或“T”后附以平均含碳量的千分数（质量分数）表示，有T7T13平均碳的质量分数约为07%13%第一节工程材料分类及应用表5-2常用合金钢的牌号、性能及用途种类牌号性能及选用范围普通低合金结构钢9Mn2, 10MnSiCu, 16Mn, 15MnTi强度较高，塑性良好，具有焊接性和耐蚀性，用于建
77、造桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、电视塔等渗碳钢20CrMnTi, 20Mn2V, 20Mn2TiB心部的强度较高，用于制造重要的或承受重载荷的大型渗碳零件调质钢40Cr, 40Mn2, 30CrMo, 40CrMnSi具有良好的综合力学性能(高的强度和足够的韧性)，用于制造一些复杂的重要机器零件第一节工程材料分类及应用表5-2常用合金钢的牌号、性能及用途弹簧钢65Mn, 60Si2Mn, 60Si2CrVA淬透性较好，热处理后组织可得到强化，用于制造承受重载荷的弹簧滚动轴承钢GCr9, GCr15SiMn, GCrMnMoV用于制造滚动轴承的滚珠、套圈第一节工程材料分类及应用3.铸铁第一节
78、工程材料分类及应用表5-3常用铸铁的牌号、用途及说明名称牌号应 用 举 例说明灰铸铁HT150用于制造端盖、泵体、轴承座、阀壳、管子及管路附件、手轮；一般机床底座、床身、滑座、工作台等“HT”为“灰铁”两字汉语拼音的第一个字母，后面的一组数字表示30mm试样的最低抗拉强度。如HT200表示灰铸铁的抗拉强度为200MPaHT200用于制造气缸、齿轮、底架、机体、飞轮、齿条、衬筒；一般机床铸有导轨的床身及中等压力(8MPa以下)的液压筒、液压泵和阀体等第一节工程材料分类及应用表5-3常用铸铁的牌号、用途及说明球墨铸铁QT40018QT45010QT5007QT8002具有较高的强度和塑性。广泛用于
79、机械制造业中受磨损和受冲击的零件，如曲轴(一般用QT5007)、齿轮(一般用QT45010)、气缸套、活塞环、摩擦片、中低压阀门、千斤顶座、轴承座等“QT”是球墨铸铁的代号，它后面的数字表示最低抗拉强度和最低伸长率。如QT5007即表示球墨铸铁的抗拉强度为500MPa，伸长率为7%第一节工程材料分类及应用表5-3常用铸铁的牌号、用途及说明可锻铸铁KTH30006KTH33008KTZ45006用于受冲击、振动等零件，如汽车零件、机床附件(如扳手)、各种管接头、低压阀门、农具等“KTH”、“KTZ”分别是黑心和白心可锻铸铁的代号，它们后面的数字分别代表最低抗拉强度和最低伸长率。“KT”是“可铁”
80、两字的汉语拼音的第一个字母第一节工程材料分类及应用4.有色金属及其合金第一节工程材料分类及应用表5- 4常用有色金属及其合金的牌号、应用及说明名称牌号应 用 举 例说明普通黄铜H62散热器、垫圈、弹簧、各种网、螺钉及其他零件“H”表示黄铜，后面数字表示铜的质量分数，如62表示铜的质量分数为605%635%铸锰黄铜ZHMn5822用于制造轴瓦、轴套及其他耐磨零件ZHMn5822表示铜的质量分数为57%69%、锰的质量分数为15%25%、铅的质量分数为铸铝合金ZL12耐磨性中上等，用于制造负荷不大的薄壁零件“Z”表示铸，“L”表示铝，后面数字表示顺序号第一节工程材料分类及应用表5- 4常用有色金属
81、及其合金的牌号、应用及说明纯铜T1电线、导电螺钉、储藏器及各种管道纯铜分T1T4四种。如T1(一号铜)铜的质量分数为9995%，T4铜的质量分数为9950%第一节工程材料分类及应用四、工程塑料第一节工程材料分类及应用表5-5典型工程塑料的特性及应用举例名称特性适用范围与应用举例ABS由于丙烯腈、丁二烯、苯乙烯配比的不同，可以得到不同的冲击性能。强度较高，硬度也高，并易于在表面镀金属水表外壳，航海仪器磁罗经罩，电话机外壳，小型泵叶轮，汽车挡泥板，机床滚柱框等。用ABS制的泡沫夹层板，可做小轿车的车身聚酰胺(尼龙)具有高强度，良好的冲击性能、耐磨、耐疲劳、耐油，但吸水性很大，影响尺寸稳定，并使一些
82、力学性能下降各种轴承、密封圈及凸轮、联轴器等，例如尼龙1010作为工矿用牵引电机车(7t及10t)轴瓦，矿山机械的蜗轮，比铸钢还耐磨；高压碗状密封，可耐1200MPa；尼龙9、尼龙66可作为汽车万向节轴承；15%石墨填充尼龙1010可作为风扇轴承第一节工程材料分类及应用表5-5典型工程塑料的特性及应用举例聚四氟乙烯(F 4)这类塑料是目前所发现的固体物质中摩擦因数最低的一种，几乎不吸水。耐腐蚀性突出，有塑料王之称。缺点是冷流性很大，必须用冷压烧结法生成，工艺较麻烦各种无油润滑活塞环、填料函及密封圈等，例如输送酚的离心泵端面密封圈，使用温度230250，高温环境中工作的各种化工设备零件等各种玻璃
83、纤维增强塑料例如增强尼龙、增强聚碳酸酯等，用质量分数30%40%玻璃纤维增强的尼龙其马丁耐热温度可达180以上，强度也高高温环境中工作的结构零件，例如高温轴承保持器、阀门密封面、阀门阀杆螺母等第一节工程材料分类及应用五、合成橡胶第一节工程材料分类及应用表5- 6合成橡胶的性能与用途名称代号使用温度/伸长率(%)抗拉强度/MPa耐磨性回弹性耐油性耐老化耐浓碱性用途丁苯橡胶SBR-501405006001520好中差好中轮胎、胶管、胶板、通用制品第一节工程材料分类及应用表5- 6合成橡胶的性能与用途氯丁橡胶CR-3513080010002527中中好好好电线、电缆包皮、胶管、胶带、矿用橡胶制品等第
84、一节工程材料分类及应用表5- 6合成橡胶的性能与用途氟橡胶EPM-53001005002022中中好好中耐化学腐蚀制品、高级密封件、高真空橡胶件第一节工程材料分类及应用六、复合材料1.复合材料的分类及特点(1)按增强剂的种类和形状1)纤维增强复合材料。2)层合复合材料。3)颗粒复合材料。(2)按用途根据用途的不同，复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料。1)结构复合材料。2)功能复合材料。2.复合材料的性能及其应用第一节工程材料分类及应用(1)复合材料的性能比较部分材料的屈服强度(表5-7)可见，玻璃纤维和玻璃丝、硼丝以及石墨丝具有较高的强度，金属晶须的强度更高，而石墨晶须及蓝宝石晶须的强度
85、更是遥遥领先。第一节工程材料分类及应用表5-7部分材料的屈服强度(或抗拉强度)材料强度/MPa材料强度/MPa混凝土尼龙66尼龙66纤维无氧9995%退火铜无氧9995%冷拉铜9945%退火铝9945%冷拉铝玻璃纤维玻璃丝硼丝石墨丝灰铸铁370(抗拉)700(抗拉)70280281702100(断裂)3500(断裂)2800(断裂)2100(断裂)140(断裂)可锻铸铁低碳钢高碳淬火钢退火合金钢(4340)淬火合金钢(4340)马氏体时效钢(300)钢琴丝铍丝钨晶须铁晶须石墨晶须蓝宝石晶须310240280700130045048090016002000240034001400(抗拉)3700
86、(抗拉)13000(抗拉)20000(抗拉)600050000(抗拉)第一节工程材料分类及应用表5- 8一些材料的比强度材料BeTi(bcc)Fe(bcc)高强铝高强钢55%硼纤维铝（复合材料）比强度（1cm）20171518015第一节工程材料分类及应用(2)复合材料的应用复合材料首先在航空航天技术和军事上得到应用。七、材料应用和研究的总趋势1.注重开发应用新材料2.材料替代3.提高材料的使用效率八、材料的改性技术1.常规热处理技术(1)退火将金属或合金加热到适当温度(对碳钢来说一般为780900)，保温一定时间后进行缓慢冷却的热处理工艺称为退火(Annealing)。第一节工程材料分类及应
87、用1)经铸、锻、焊成形的毛坯，一般表层硬度增加，退火可降低其硬度，提高切削效率；消除前道工序中由于冷却不均匀产生的内应力。2)可提高工件的塑性，有利于冷变形加工，并消除冷变形产生的加工硬化。3)细化组织，消除化学成分的不均匀性，为下道淬火工序作准备。(2)正火将钢加热到适当温度(对碳钢而言为800930)，保温一定时间后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火(Normalizing)。(3)淬火将工件加热至临界温度(Ac3或Ac1点)以上某一温度(碳钢一般加热到760820)，保温一定时间，然后以较快速度冷却获得马氏体(或贝氏体)的热处理工艺称为淬火(Hardening)。第一节工程材料分类及应用
88、(4) 回火钢件淬硬后，再加热到某一较低的温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理方法称为回火(Tempering)。1)低温回火是淬火钢件在150250之间的回火。2)中温回火是淬火钢件在300500之间进行的回火。3)高温回火是淬火钢件在500650之间的回火。2.常规热处理技术的改进和发展1)新材料层出不穷，应用研究永无止境。2)新的需求(如使用性能需求、质量需求、降低生产和加工成本需求等)和现代技术的发展所引起的工艺和设备改进。3)由经验定性热处理向科学定量热处理过渡。(1)介质和设备的改进热处理使用的介质可分为两类：一类是加热介质；另一类是冷却介质。第一节工程材料分类及应用(2)工
89、艺方法的改进近几年发展较快的热处理新工艺很多，其中，能用性较强或发展前景较好的新工艺主要有短时淬火、低温变形淬火、高压气体淬火、振动时效和超声淬火等。1)短时淬火。2)低温变形淬火。3)振动时效和超声淬火。第一节工程材料分类及应用表5-9国产WZ- 86型VSR系统主要技术指标机型指标WZ 86A型WZ 86B型单机质量12kg12kg激振频率200010000r/min10006000r/min输出功率600W1000W最大激振力1000kg2000kg稳频精度2r/min2r/min供电电源220(110%)V,50(14%)Hz220(110%)V,50(14%)Hz工作环境温度-104
90、0-1040相对湿度90%(25)90%(25)第一节工程材料分类及应用3.表面处理技术(1)表面热处理表面热处理是指仅对工件表面进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。(2)表面化学热处理表面化学热处理是将工件置于特定的介质中加热和保温，使一种或几种元素的原子渗入工件表面，以改变表层的化学成分和组织，从而获得所需性能的热处理工艺。(3) 表面复合强化技术表面复合强化是指在同一工件上采用两种或两种以上表面处理工艺的技术方法。(4) 表面沉积技术在诸多的表面处理技术中，表面沉积技术在近年来的发展速度十分突出。1)化学气相沉积(简称CVD)。2)物理气相沉积(简称PVD)。第二节新型工程材料一、概述
91、二、高分子材料1.天然和合成高分子化合物2.功能高分子材料三、微晶和非晶体材料1.微晶和非晶体材料结构特性2.微晶和非晶体材料的研究与应用四、陶瓷材料1.陶瓷的分类第二节新型工程材料表5-10陶瓷材料的分类、特性及用途分类特性典 型 材 料状态主 要 用 途结构陶瓷高强度(常温、高温)S,SiC致密烧结体发动机耐热部件：叶片、转子、活塞、内衬、喷嘴、阀门韧性A,C，金刚石金属结合TiN,TiC,A,C致密烧结体硬度A,C，金刚石粉状第二节新型工程材料表5-10陶瓷材料的分类、特性及用途能陶瓷绝缘性A薄片状高纯致密烧结体集成电路衬底，散热性绝缘衬底BeO高纯致密烧结体介电性BaTi致密烧结体压电
92、性Pb(ZT)经极化致密烧结体ZnO定向薄膜热电性Pb(ZT)经极化致密烧结体铁电性PLZ致密透明烧结体离子导电性A致密烧结体稳定Zr致密烧结体半导性LaCr,SiCBaTi控制显微结构Sn多孔质烧结体ZnO烧结体软磁性ZMF致密烧结体硬磁性SrO6F致密烧结体第二节新型工程材料 表中功能陶瓷只列出其电磁性功能，其光学、热学、声学和生物化学功能等未录入。 PLZT为掺氧化镧的锆钛酸铅陶瓷。2.先进结构陶瓷3.先进功能陶瓷五、纳米材料1.超微粒的定义2.超微粒的表面效应3.超微粒的尺寸效应第二节新型工程材料(1)回归之谜蜜蜂为什么会辨别方向(实际上鸽子、蝴蝶、海豚和水中的某些细菌都有辨别方向的能
93、力)？研究表明，这些生物体内存在磁性超微粒，起到生物磁罗盘的作用，所以在磁场的导航下能辨别方向，出游后有回归的本领。(2)黄金变黑之谜当金属材料被细分到尺寸小于光波波长时，便失去原有的金属色泽而成为黑色。(3)熔点降低之谜晶态物体的熔点是一定的，但细分成超微粒后，其熔点明显下降。4.量子效应5.纳米材料的产生过程6.纳米材料的结构7.纳米材料的制备技术第二节新型工程材料(1)惰性气体沉积法当金属晶粒的尺寸为纳米数量级时，由于具有很高的表面能，极容易氧化，所以制备技术中采用惰性气体(如氦、氩等)保护是重要的。(2)还原法用金属元素的酸溶液，以枸橼酸钠为还原剂迅速混合溶液，并还原成具有纳米尺寸的金
94、属颗粒，形成悬浮液，为了防止纳米晶粒的尺寸长大，加入发散剂，最后去除水分，就得到含有超微细金属颗粒构成的纳米材料薄膜。(3)化学气相沉积法利用化学气相沉积法(CVD)技术已成功制备纳米硅薄膜。(4)等离子体CVD技术1)射频等离子体技术(RF Plasma CVD)。2)激光增强等离子体技术(LE Plasma CVD)。第二节新型工程材料3)微波等离子体技术(MW Plasma CVD)。8.纳米材料的特性与应用六、超导材料1.超导材料的分类2.超导材料的基本特性(1) 临界磁场强度Hc当金属已处于超导态时，若施以足够强的磁场，便能破坏其超导性，使它由超导态转变为非超导态，电阻恢复。(2)临
95、界电流Ic在第一类超导体中，电流是在它的表层内流动，导电层深度约为。(3)比热容突变第一类超导体在磁场中转变为超导态时，有潜热发生，属一级相变。第二节新型工程材料(4)迈斯纳-奥森费尔德效应德国物理学家迈斯纳(W.Meissner)和奥森费尔德(R.Ochsenfeld)于1933年通过实验证明，当金属在外磁场中从非超导态转变为超导态时，转变前从金属中通过的磁力线立即被推出体外，金属内部的磁感应强度为零，也就是说超导体是理想的抗磁体，具有“完全抗磁性”，这就是著名的迈斯纳-奥森费尔德效应。(5)同位素效应超导体的临界转变温度Tc和其同位素质量m有关，Tcm1/2常数。3.超导体的应用第二节新型
96、工程材料(1)超导体在信息技术方面的应用1962年还是英国物理学家皮帕(A.B.Pippard)研究生的约瑟夫逊(B.D.Josephson)在分析两块超导体之间夹一极薄绝缘层的夹心结构时发现，当直流电压加于此结构的超导体两端时，将有高频电流通过此结构，因而必然有同一频率的电磁波发射。(2)超导体在航天和兵器技术中的应用自1986年发现金属氧化物，高温超导体在军事方面的研究和应用取得了巨大进展。(3)超导体在交通领域的应用1)超导悬浮列车。2)电磁推进船舶。(4)超导体在能源技术领域的应用1)超导电缆。第二节新型工程材料2)超导发电机。3)超导变压器。七、半导体材料1.半导体材料的内部结构图5
97、-1半导体能带结构示意图第二节新型工程材料2.半导体材料及其应用(1)硅单晶半导体材料硅在自然界的蕴藏量十分丰富，它以石英砂和硅酸盐形式存在于广袤的地壳中，是地壳外层含量仅次于氧的元素，约占地壳的2.6。(2)砷化镓半导体材料砷化镓是一种化合物半导体。八、形状记忆合金1.形状记忆合金的性能特点2.形状记忆合金的应用九、磁性材料1.磁性材料的分类2.磁性材料的特性及应用(1)永磁材料磁性材料制备出来后要经过充磁才会有磁性。第二节新型工程材料(2)软磁材料矫顽力小于102A/m的磁性材料为软磁材料。(3)旋磁材料如果沿某一方向(如X方向)施加一交变磁场，则不仅使材料在该方向产生磁化，而且在另外两个
98、方向(Y、Z方向)也产生磁化，这种性质称为旋磁性。(4)压磁材料具有磁弹性的材料称为压磁材料。(5)矩磁材料磁滞回线接近于矩形的磁性材料称为矩磁材料。(6)磁光材料介质与电磁波相互作用，电磁波的偏振状态会发生变化，这个现象称为磁光效应。十、光学材料1.激光材料(1)激光材料的种类1)固体激光材料。第二节新型工程材料2)气体激光材料。(2)激光的特性从本质上来说，激光同普通光一样也是电磁波，所不同的是激光具有高超的方向性、独特的单色性、巨大的亮度和优异的干涉性，被称为未来之光。1)激光的方向性。2)激光的单色性。3)激光的亮度。4)激光的相干性。(3)激光材料的发展及应用几十年来，激光材料的性能
99、不断得到改进，一代胜似一代。2.光导纤维第二节新型工程材料(1)光导纤维的结构光导纤维的结构呈圆形，中间是具有高折射率，直径为8m或50m的纤芯，外层缚有低折射率的包层，最外层是塑料护套，整个外部直径为125m。(2)光导纤维的应用光导纤维可实现远距离的信息传输，所以长距离的越海光缆通信成为科技人员首先实现的目标。3.光学薄膜材料(此处暂不介绍)十一、超硬材料1.金刚石2.金刚石的人工合成技术(1)动态冲击波或无触媒高压合成技术这种方法是在无触媒条件下，石墨在万吨级压机制动的对砧式反应室内直接转变为金刚石晶体。第二节新型工程材料(2)静压触媒合成技术如果在石墨中加入Mn、Cr、Ni、Ti等合金
100、元素，则在高温高压下首先形成碳-金属溶液，而后从中析出金刚石晶体。(3)金刚石薄膜制备技术利用物理沉积方法和晶体外延方法，可以在不高的温度和压力下制备出微米级或亚微米级金刚石薄膜。思考题1.工程材料按照用途分为哪两大类？2.金属材料有哪些物理性能？3.金属材料分为哪几类？各类的用途和性能是什么？4.工程塑料与普通塑料和金属材料相比具有哪些优良性能？5.材料应用及研究的总体趋势是什么？第二节新型工程材料6.什么是材料的改性技术？包括哪些方法？各种方法会获得何种性能？7.新型工程材料包括哪些种类？8.什么是功能高分子材料？有什么用途？9.什么是微晶和非晶体材料？各应用于哪些场合？10.什么是纳米材
101、料？纳米材料有哪些特性？如何制备？11.简述半导体材料的性能及应用。12.形状记忆合金有何性能特点？应用在哪些场合？13.简述磁性材料的特点及应用。14.简述超硬材料的特点及应用。第六章材料成形技术第一节材料成形基本方法第二节材料成形先进技术第一节材料成形基本方法一、铸造1.铸造的概念及特点1)铸造的适应性广，它几乎不受工件的形状、尺寸、质量和生产批量的限制。2)铸件的使用性能良好，特别是减振性能、耐磨性能、耐腐蚀性能和切削性能。3)铸造有良好的经济性，它不需要昂贵的设备。4)铸件的形状和尺寸接近于零件，能节省金属材料和切削加工工时；金属原材料来源广泛，且可以利用废机件等废料回炉熔炼。2.铸造
102、方法的分类(1)砂型铸造工艺过程第一节材料成形基本方法图6-1砂型铸造工艺过程(2)特种铸造方法简介第一节材料成形基本方法1)熔模铸造熔模铸造是用易熔材料制成精确的模样，在其上涂上若干层耐火涂料，经过干燥、硬化成整体型壳，然后加热型壳，熔去模样，再经高温焙烧制成耐火型壳，将液体金属浇入型壳中，金属冷凝后敲掉型壳获得铸件的方法。2)金属型铸造金属型铸造是将液态金属在重力作用下浇入金属铸型内以获得铸件的方法。3)压力铸造压力铸造(简称压铸)是在高压下快速地将液态或半液态金属压入金属型中，并在压力下凝固以获得铸件的方法。4)离心铸造离心铸造是将液态金属浇入高速旋转的铸型内，在离心力作用下充型，凝固后
103、获得铸件的方法。5)陶瓷型铸造陶瓷型铸造是利用陶瓷质耐火材料制成铸型，并用它来浇注铸件的特种铸造方法。第一节材料成形基本方法二、锻压1.锻压的概念及特点2.锻造(1)锻造的方法及特点锻造是在加压设备及工(模)具的作用下，使金属坯料产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状、质量及力学性能的锻件的加工方法。1)可改善金属材料的内部组织，提高力学性能。2)具有较高的生产率和较大的灵活性，既可锻造形状简单的锻件，也可锻造形状复杂、少无切削的精密锻件。3)锻件重量不受限制，小可不足1kg，大可达几百千克甚至几百吨。第一节材料成形基本方法(2)自由锻造只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧
104、间经多次锻打和逐步变形而获得所需的几何形状及内部质量符合要求的锻件，这种方法称为自由锻造。(3)模样锻造利用模具使锻坯变形而获得锻件的锻造方法称为模样锻造(简称模锻)。图6-2锤上模锻工艺过程第一节材料成形基本方法(4)特种锻造随着工业的不断发展，对锻压生产提出了越来越高的要求，不仅要求生产各种毛坯，而且要求直接生产出更多的零件。1)精密模锻。图6-3锥齿轮的锻件图a)差速器行星齿轮零件b)差速器行星齿轮精锻件及预锻坯c)导拉式结构齿轮精密锻造锻模结构d)差速器行星齿轮精锻模具第一节材料成形基本方法2)粉末锻造。3.板料冲压(1)板料冲压的方法及特点板料冲压是利用装在压力机上的模具使板料分离或
105、成形，从而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的一种加工方法。1)冲压件的尺寸精度较高，表面质量稳定，互换性好，一般不再切削加工即可使用。2)冲压件的重量轻，强度较高，刚性较好，材料消耗少。3)操作简单，工艺过程易实现机械化和自动化，生产率高，产品成本低。4)冲模结构复杂，精度要求较高，制造费用高，只有在大批量生产条件下，才能显示出其优越性。第一节材料成形基本方法(2)板料冲压的基本工序根据冲压工序的性质及金属的受力、变形特征，冲压基本工序可分为分离工序(剪切、冲孔、落料等)、变形工序(拉深、弯曲、成形等)。图6- 4调温器外壳的冲压工艺过程a)拉深b)冲孔c)翻边与整形R0.55d)切边e)冲侧孔
106、f)整形g)冲顶部两孔h)成品零件第一节材料成形基本方法(3)特种冲压随着科技与工业的迅速发展，要求高效、低成本生产更多的复杂而精密的冲压件，为特种冲压生产提供了广阔的发展前景。1)精密冲裁。2)特种成形。 旋压成形。旋压是在专用旋压机上进行的。它是利用坯料随芯模放置(或旋压工具绕坯料与芯模旋转)和旋压工具与芯模相对进给，使坯料受压连续变形。第一节材料成形基本方法 超塑性成形。超塑性是指在低的形变速率(10-210-4/s)、一定的变形温度(约为熔点的一半)和均匀的细晶粒度(晶粒平均直径为0.20.5m)等特定的条件下，金属或合金的伸长率超过100%以上的特性。在超塑性状态下使金属成形的工艺方
107、法称为超塑性成形。如钢经过超塑性处理后的伸长率可达500%，锌铝合金经过超塑性处理后伸长率超过1000%。常用的超塑性材料有铝合金、钛合金及高温合金等。第一节材料成形基本方法 高速成形。爆炸成形是一种高速成形方法，它是利用炸药在极短时间内释放的能量，通过介质(如水或空气)以高压冲击波作用于坯料，使其在极高的速度下变形的一种工艺方法。爆炸成形用水代替刚体凸模(或凹模)，适用于加工形状复杂、难以用成对钢模成形的工件，它可进行拉深、翻边、起伏、弯曲、扩口、缩口及冲孔等冲压加工。三、焊接1.焊接的概念及特点1)构造合理，应力集中系数小，质量可靠。2)焊接生产的机械化和自动化程度高，制造周期短，生产率高
108、，经济效益高。第一节材料成形基本方法3)由于焊接结构的强度高，在同样承载条件下，可更轻、更薄，对交通运输工具来说，可节省材料。4)采用焊接工艺能把不同的金属连接起来，有效利用材料。5)焊接结构设计简单、灵活，不像铸、锻工艺对工件形状有很多的限制。2.焊接方法的分类图6-5焊接方法的分类第一节材料成形基本方法3.焊条电弧焊(1)焊接过程焊接前将焊钳和焊件分别接到由焊机输出端的两极，并用焊钳夹持焊条，焊条和焊件分别成为两个电极(图6- 6)。图6- 6焊条电弧焊焊接过程1焊条2焊钳3弧焊机4电弧5熔池6焊缝7焊件第一节材料成形基本方法(2)焊接材料手工电弧焊所用的焊接材料是焊条。1)酸性焊条。2)
109、碱性焊条。4.气焊与气割图6-7氧乙炔焊1焊丝2焊炬3焊缝4熔池5工件第一节材料成形基本方法(1)气焊气焊是利用气体火焰作热源的焊接方法。(2)气割氧气切割(简称气割)是根据某些金属在氧气流中能够剧烈氧化(即燃烧)的原理，利用气体火焰(如氧乙炔火焰)以热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使其燃烧并放出热量实现切割的方法。1)金属材料的燃点必须低于其熔点。2)燃烧生成的金属氧化物的熔点，应低于金属本身的熔点，同时流动性要好。3)金属燃烧时能放出大量的热，而且金属本身的导热性要低。5.其他焊接方法第一节材料成形基本方法(1)埋弧自动焊埋弧自动焊(简称埋弧焊)是电弧在焊剂下燃烧，利用
110、机械自动控制引弧，送进焊丝和移动电弧的一种电弧焊方法。图6- 8埋弧自动焊的焊缝成形过程1焊丝2焊剂3熔化了的焊剂4渣壳5焊缝6金属熔池7基本金属8电弧第一节材料成形基本方法1)焊接质量好。2)熔透能力强，生产率高。3)劳动条件好。4)设备较复杂，适应性差。(2)气体保护焊气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。1)氩弧焊。 由于氩气是惰性气体，它既不与金属发生化学反应使被焊金属和合金元素受到损失，又不溶解于金属引起气孔，因而是一种理想的保护气体，能获得高质量的焊缝。 氩气的热导率小，且是单原子气体，调温时不分解吸热，电弧热量损失小，所以氩弧一旦引燃，电弧能稳定燃烧。第一
111、节材料成形基本方法 明弧焊接，便于观察熔池，可进行各种位置的焊接，且易于实现自动控制。 氩气价格贵，焊接成本高。此外，氩弧焊设备较复杂，维修较为困难。2)二氧化碳气体保护焊。 CO2焊采用廉价的CO2气体，电能消耗少，成本低。 CO2焊焊接电流密度大，电弧热量利用率高；焊后不用清渣，生产率高。 由于电弧加热集中，工件受热面积小，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊接变形和内应力小，特别适用于薄板的焊接。 明弧焊接，操作灵活，适于各种位置焊接，易于实现机械化和自动化。第一节材料成形基本方法(3)电阻焊电阻焊是利用电流通过焊件接头的接触面及临近区域时产生的电阻热，把焊件加热到塑性状态或局部熔化状
112、态，再在压力作用下形成牢固接头的一种压焊方法。1)点焊。2)缝焊(又称滚焊)。3)对焊。(4)钎焊钎焊是用比焊件熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到适当温度，焊件不熔化，钎料熔化填满接头间隙，并与焊件相互扩散，冷凝后将焊件连接起来的焊接方法。6.焊接新工艺简介(1)摩擦焊摩擦焊是利用焊件表面相互摩擦产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻完成焊接的一种方法。第一节材料成形基本方法(2)超声波焊超声波焊是利用超声波的高频振荡能对焊件接头进行局部加热和表面清理，然后施加压力实现焊接的一种压焊方法。(3)爆炸焊爆炸焊是利用炸药爆炸产生的冲击力造成焊件的迅速碰撞，实现焊件连接的一种压焊方法。
113、(4)电渣焊电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热进行熔焊的方法。(5)电子束焊在真空环境中，从炽热阴极发射的电子被高压静电场加速，并经磁场聚集成高能量密度的电子束，以极高的速度轰击焊件表面，由于电子运动受阻而被制动，并将动能变为热能而使焊件熔化，从而形成牢固的接头。第一节材料成形基本方法(6)激光焊接技术激光焊接是以聚集的高功率激光束为热源，熔化焊件形成焊接接头的焊接方法。第二节材料成形先进技术一、精密铸造技术1.钢液精炼与保护技术2.气化模铸造技术(1)EPC-V法EPC-V法是20世纪80年代，世界上工业发达国家针对实型铸造存在的铸件表面质量差、尺寸精度低，易造成中、低碳钢铸件表面增
114、碳和缺陷等问题而研究开发的新型铸造工艺。(2)EPC-CS法它利用气化模代替蜡模，在气化模表面制作23mm厚的高强度超薄型壳，加热其模组，使气化模从超薄型壳中融出，将超薄型壳埋入无粘结剂干砂中，采用振动紧实砂型，浇注和凝固期间铸型保持一定的负压度，而获得表面光洁、尺寸精确的无余量精密铸件。(3)气化模铸造技术的特点第二节材料成形先进技术1)允许零件的结构设计有更大的自由度。2)消除了起模斜度，可最大限度地减少铸件的壁厚，提高铸件的尺寸精度。3)由于采用无粘结剂干砂造型，简化了工序，显著降低了工作量和生产成本，同时减少了人为因素对铸件质量的影响，使铸件成品率和生产率大为提高。4)可实现砂型铸造无
115、法实现的复杂部件的整体铸造，获得表面光洁、尺寸精确、无飞边少无余量精密铸件。3.铸造工艺模拟和工艺CAD二、锻压成形自动化技术1.热精锻生产线成套技术第二节材料成形先进技术图6-9120000kN热模锻压力机自动生产线1感应加热机床2传送带3辊锻机4、7、12、17机械手5、13分料架6120000kN斜楔式热模锻压力机8中央控制台9模具清理与喷雾装置10带随行小车的传送带11切边压力机14曲拐扭转机15校正压力机16链式传送带18悬挂式传送机第二节材料成形先进技术2.冷温成形成套技术3.辊锻成形技术图6-10辊锻变形原理1上锻辊2辊锻上模3毛坯4辊锻下模5下锻辊第二节材料成形先进技术4.锻造
116、工艺模拟及工艺CAD三、焊接自动化技术1.焊接机器人图6-11焊接机器人的基本组成a)弧焊机器人b)点焊机器人第二节材料成形先进技术(1)焊接机器人的组成焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分，如图6-11a、b所示。(2)焊接机器人的优点焊接机器人不同于专用自动焊机，它既用自动机械手代替了人的手工操作，又具有手工操作所固有的灵活性。1)能代替人在危险、污染或特殊环境下进行各种焊接操作，如高温、高压、高尘、易爆、有毒、放射性、水下空间等条件下的焊接。2)能代替人从事简单而单调重复的焊接工作，从而节省劳动力，提高生产率。3)具有相当高的重复再现精度，并能在条件变化中保持操作的不变，因此，可以保
117、证焊接质量的稳定可靠。第二节材料成形先进技术4) 具有相当高的运动精度和焊接规范参数的控制精度，可实现超小型焊件的精密焊接。5)对焊接机器人实行新的示教，就可以使其适应新产品的焊接。(3)焊接机器人的应用与发展前景国际上20世纪80年代是焊接机器人在生产中应用最快的10年。1)焊接机器人工作站。2)焊接机器人生产线。2.高效优质切割技术(1)数控切割技术数控切割技术是在火焰精密快速切割工艺基础上发展起来的一项自动化高效切割技术。第二节材料成形先进技术图6-12精密等离子弧切割割嘴结构图a)普通双气等离子弧切割b)精密等离子弧切割第二节材料成形先进技术(2)精密等离子弧切割技术精密等离子弧切割技
118、术是在普通等离子弧切割的基础上发展起来的。3.焊接过程数值模拟与专家系统(1)焊接过程数值模拟焊接过程数值模拟系统是用数学模型对焊接过程中各种现象进行数值模拟，进而进行定量分析，并将结果用于指导生产实际的计算机系统。(2)焊接专家系统专家系统是以计算机作为信息收集、存储、处理和分析的工具，能部分地代替某一领域人类专家进行逻辑推理的软件系统。第二节材料成形先进技术图6-13专家系统的一般结构思考题第二节材料成形先进技术1.铸造工艺的优缺点是什么？简述砂型铸造工艺过程。2.特种铸造与砂型铸造相比有哪些优点？特种铸造有哪些方法？各自的特点是什么？3.简述锻造工艺及冲压工艺的特点及方法。4.阐述焊接工
119、艺特点及焊接方法的分类。5.精密铸造分为哪几种方法？与普通铸造相比，铸件有哪些优良性能？6.锻压成形自动化技术分为哪几种方法？7.焊接机器人有什么优点？适合于什么生产类型？第七章机械制造技术第一节机械加工基本方法第二节特种加工技术第一节机械加工基本方法一、车削加工1.车削加工的特点及应用图7-1卧式车床的外形图1主轴箱2刀架3尾座4床身5、9床腿6光杠7丝杠8溜板箱10进给箱11交换齿轮变速机构第一节机械加工基本方法图7-2卧式车床所能加工的典型表面a)车端面b)车外圆c)车外锥面d)车槽、切断e)车孔f)车内槽g)钻中心孔h)钻孔i)铰孔j)锪锥孔k)车外螺纹l)车内螺纹m)攻螺纹n)车成形
120、面o)滚花n转速f进给量第一节机械加工基本方法2.车削加工工艺1)根据零件的形状、结构、材料和数量确定毛坯的种类(如棒料、锻件、铸件等)。2)根据零件的精度、表面粗糙度等全部技术要求，以及所选用的毛坯确定零件的加工顺序(除对各表面进行粗加工、精加工外，还要包括热处理方法的确定及安排等)。3)确定每一加工步骤所用的机床、零件的安装方法、加工方法、测量方法以及加工的尺寸和为下一步所留的加工余量。4)成批生产的零件还要确定每一步加工时所用的切削用量。二、铣削加工1.铣削加工的特点及应用第一节机械加工基本方法图7-3立式升降台铣床1铣头2主轴3工作台4床鞍5升降台第一节机械加工基本方法2.铣刀的种类和
121、用途(1)圆柱铣刀圆柱铣刀仅在圆柱表面上有切削刃，用于卧式铣床加工平面。(2)面铣刀面铣刀的刀齿分布在铣刀的端面和圆柱面上，多用于立式铣床加工平面，也可用于卧式铣床加工平面。(3)立铣刀它是一种带柄铣刀，有直柄和锥柄两种。(4)键槽铣刀和T形槽铣刀这类铣刀是专门用于加工键槽和T形槽的。(5)三面刃铣刀和锯片铣刀三面刃铣刀一般用在卧式铣床上加工直角槽，还可加工台阶面和较窄的侧面等。(6)角度铣刀角度铣刀主要用在卧式铣床上加工各种角度的沟槽。第一节机械加工基本方法(7)成形铣刀成形铣刀主要用在卧式铣床上加工各种成形面，其切削刃呈凸圆弧、凹圆弧、齿槽形等。图7- 4铣削加工的应用范围a)圆柱形铣刀铣
122、平面b)套式面铣刀铣台阶面c)三面刃铣刀铣直角槽d)面铣刀铣平面e)立铣刀铣凹平面f)锯片铣刀切断g)凸半圆铣刀铣凹圆弧面h)凹半圆铣刀铣凸圆弧面i)齿轮铣刀铣齿轮j)角度铣刀铣V形槽k)燕尾槽铣刀铣燕尾槽l)T形槽铣刀铣T形槽m)键槽铣刀铣键槽n)半圆键槽铣刀铣半圆键槽o)角度铣刀铣螺旋槽v转速进给速度第一节机械加工基本方法图7-5铣刀的种类a)硬质合金镶齿面铣刀b)立铣刀c)键槽铣刀d)T形槽铣刀e)燕尾槽铣刀f)圆柱铣刀g)三面铣刀h)锯片铣刀i)模数铣刀j)单角铣刀k)双角铣刀l)凸圆弧铣刀m)凹圆弧铣刀第一节机械加工基本方法3.铣削加工工艺图7- 6周铣法a)逆铣b)顺铣铣刀转速工件
123、进给速度切削力水平分力切削力垂直分力三、刨削加工1.刨削加工的特点及应用第一节机械加工基本方法图7-7双柱龙门刨床1左立柱2左垂直刀架3横梁4工作台5左侧刀架进给箱6液压安全器7床身8右侧刀架9工作台减速箱10右侧刀架进给箱11垂直刀架进给箱12悬挂按钮站13右垂直刀架14右立柱第一节机械加工基本方法图7- 8刨床上所能完成的工作a)刨水平面b)刨垂直面c)刨斜面d)刨直槽e)刨V形槽f)刨T形槽g)刨燕尾槽h)刨成形面v切削速度f进给量第一节机械加工基本方法2.刨刀的种类及用途图7-9刨刀的种类a)平面刨刀b)偏刀c)角度偏刀d)切刀e)梯形槽刨刀四、磨削加工1.磨削加工的特点及应用1)加工
124、精度高，表面粗糙度值小。2)加工工件的硬度高。3)磨削温度高。第一节机械加工基本方法图7-10常见的磨削加工类型a)磨外圆b)磨内圆c)磨平面d)磨花键e)磨螺纹f)磨齿轮齿形第一节机械加工基本方法图7-11M1432A万能外圆磨床1床身2头架3工作台4内圆磨装置5砂轮架6尾架A脚踏操纵板第一节机械加工基本方法2.砂轮的种类第一节机械加工基本方法表7-1常用砂轮的形状、代号及用途砂 轮 名 称简图代号用途平形砂轮1磨削外圆、内圆、平面，并用于无心磨双斜边砂轮4磨削齿轮的齿形和螺纹第一节机械加工基本方法表7-1常用砂轮的形状、代号及用途砂 轮 名 称简图代号用途简形砂轮2立轴端面平磨杯形砂轮6磨
125、削平面、内圆及刃磨刀具碗形砂轮11刃磨刀具，并用于导轨磨碟形砂轮12磨削铣刀、铰刀、拉刀及齿轮的齿形薄片砂轮41切断和开槽第一节机械加工基本方法3.磨削加工机理五、钻削和锪削图7-12摇臂钻床1底座2立柱3摇臂4主轴箱5主轴6工作台第一节机械加工基本方法图7-13硬质合金钻头a)整体式b)镶片式c)可转位式第一节机械加工基本方法图7-14锪钻a)锪沉头孔b)锪锥形沉头孔c)锪凸台平面d)装配式锪钻导向杆紧定螺钉刀体刀杆刀片挡圈第一节机械加工基本方法六、铰削与镗削图7-15铰刀的结构a)高速钢铰刀b)硬质合金机用铰刀第一节机械加工基本方法图7-16镗床镗孔转速f进给量第二节特种加工技术一、特种加
126、工的特点1)适应性强，加工范围广。2)多数特种加工不需要工具，有的即使采用工具，也不直接与工件接触，且几乎不承受加工作用力。3)可在加工过程中实现能量转换或组合，便于实现控制和操作自动化，故适于加工二维或三维复杂型面、微细表面、微孔、窄缝、低刚度零件。4)不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较小的表面粗糙度值。5)两种或两种以上不同类型的能量可组合成新的复合加工。6)特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。第二节特种加工技术二、特种加工方法的分类第二节特种加工技术表7-2常用特种加工方法加 工 方 法主要能量形式作 用 形 式符号电火花加工电火花穿孔
127、成形加工电、热能熔化、气化EDM电火花线切割加工电、热能熔化、气化WEDM电化学加工电解加工电、化学能离子转移ECM铸、镀加工电、化学能离子转移高能束加工激光束加工光能熔化、气化LBM电子束加工电、热能熔化、气化EBM离子束加工电、机械能切蚀、溅射IBM等离子弧切割加工电、热能熔化、气化PAM（C）第二节特种加工技术表7-2常用特种加工方法物料切蚀加工磨料喷射加工机械能切蚀AJM水射流加工机械能切蚀WJM超声波加工声、机械能切蚀USM化学加工化学铣切化学能腐蚀CHM照相制版加工光、化学能腐蚀光化学加工光、化学能腐蚀PCM第二节特种加工技术表7-2常用特种加工方法复合加工电化学电弧加工电、化学能
128、熔化、气化、腐蚀ECAM电解磨削加工电、化学、机械能离子转移、切削ECG超声调制激光加工声、机械、光能熔化、气化USM复合电解加工电、化学、机械能切蚀超声切削加工声、机械能切削磁力研磨加工磁、机械能切削MAM第二节特种加工技术三、电火花穿孔成形加工1. 电火花加工应具备的条件1)放电形式必须是瞬时的脉冲性放电。2)必须在有较高绝缘强度的液体介质中进行。3)必须有足够的脉冲放电强度。4)工具电极和工件表面之间必须保持一定的放电间隙，通常为数微米到数百微米，这就要控制工具电极随着工件表面的蚀除而进给，以保持放电间隙。2. 电火花加工的基本原理第二节特种加工技术图7-17电火花加工原理示意图1床身2
129、立柱3工作台4工件电极5工具电极6进给机构及间隙调节器7工作液8脉冲电源9工作液循环过滤系统3. 电火花加工的特点和类型第二节特种加工技术1)工件材料的可加工性主要取决于材料的电学、热学性能，而与材料的力学性能几乎无关，这就使电火花加工能用较软的工具加工较硬和较韧的材料，如用纯铜或石墨工具电极加工淬火钢、不锈钢、硬质合金，甚至加工各种超硬材料。2)加工中工具电极与工件不直接接触，故没有显著的“切削力”，适于加工各种弹性薄壁件，对于大件加工也不会出现加工变形。3)适合加工特殊表面。图7-18电火花加工的类型第二节特种加工技术4.电火花线切割加工(1)电火花线切割加工原理线切割加工的基本原理是利用
130、移动的细金属导线作电极对工件进行脉冲火花放电、切割成形的。图7-19电火花线切割加工原理图1储丝筒2工作台驱动电动机3导轮4电极丝5工件6脉冲电源第二节特种加工技术(2)线切割加工的特点1)线切割加工省掉了成形工具电极，大大降低了工具电极的设计与制造的费用，缩短了生产周期，对新产品试制有重要意义。2)由于钼丝很细，可加工微细异型孔，窄缝和复杂形状的工件，并且精度高。3)线切割因切缝很窄，只对工件材料进行套料加工，对金属去除量很少，所以加工效率较高，同时对节省贵重金属有重要意义。4)由于采用移动的长电极丝加工，电极丝损耗较少，从而提高加工精度。(3)线切割加工的应用线切割加工为新产品的试制、精密
131、零件及模具制造开辟了一条新的工艺途径，主要应用于加工模具、加工电火花成形加工用的电极、加工零件等。第二节特种加工技术四、电解加工1.电解加工的基本原理图7-20电解加工示意图1直流电源2工件阴极3工件阳极4调压阀5电解液泵6过滤器7电解液8过滤网第二节特种加工技术2.电解加工的特点和应用1)电解加工型孔、型腔或外形表面，可以一次进给直接成形，可以取代多道切削加工工序，同时进给速度可高达0.315mm/min，比切削加工生产率提高数十倍，约为电火花加工的510倍。2)不受金属材料的硬度、强度、韧性的限制。3)工具阴极本身不参与电极反应，同时工具材料又是抗腐蚀性良好的不锈钢或黄铜等，所以除产生火花
132、短路等特殊情况外，其工具阴极基本上无损耗，可长期使用。4) 加工表面不会产生毛刺，也没有残余应力及变形层，对材料的强度和硬度均无影响。5)电解加工的主要缺点是加工精度难以严格控制，设备初始投资大，电解产物处理困难。第二节特种加工技术6)电解液腐蚀性较强，所以对加工设备需要采用防腐措施，机床费用较高。五、电铸1.电铸加工的基本原理图7-21电铸加工的基本原理图1电铸槽2阳极3电铸层4直流电源5搅拌器6过滤器7泵8加热器9原模(阴极)10电铸液第二节特种加工技术2.电铸加工的特点和应用1)能将传统加工较困难的零件内表面转化为原模外表面，并将难成形的金属转化为易成形的原模材料(如石蜡、树脂等)，因而
133、可制造出其他方法不能或很难制造的特殊形状的零件。2)能准确地复制表面轮廓和微细纹路，可以获得高纯度的金属制品。3)改变电铸液成分和工作条件，使用添加剂，可使电铸层的性能在宽广的范围内变化，以适应不同加工的需要。4)能够获得尺寸精度高、表面粗糙度值为Ra0.1m以下的产品；同一原模生产的电铸件一致性好。5)可以制造多层结构的构件，并能将多种金属、非金属拼铸成一个整体。第二节特种加工技术6)电铸也有诸如生产周期长、尖角或铸层不均匀、铸层存在一定的内应力、原模上的伤痕会带到产品上、电铸加工时间长等缺点。六、激光束加工1.激光束加工的基本原理图7-22固体激光器打孔简图1全反射镜2激光工作物质3激励能
134、源4部分反射镜5透镜6工件激光束发散全角激光焦点直径f焦距第二节特种加工技术2.激光束加工的特点1)不需要加工工具，不存在工具损耗，无机械加工变形，加工速度高，热影响区小，可以透过透明介质工作，通过调节激光束能量、光斑直径及光束移动速度，来实现各种加工。2)几乎可以加工所有的金属和非金属材料，特别是坚硬、难熔的材料；透明材料只要采取一些色化和打毛措施，就可进行加工。3)加工效率很高，打一个孔只需要1ms，而且激光束易于导向、聚焦和发散，可与数控机床、机器人等结合，构成各种灵活的加工系统。4)激光束加工是一种热加工，影响因素很多，故加工精度难以保证和提高。3.激光束加工的应用第二节特种加工技术七
135、、电子束加工1.电子束加工的基本原理图7-23电子束加工原理图1高压电源2交流总电源3钨制灯丝4电子枪组件5聚焦电子束6工件7真空室8工作台9轴承10变速装置第二节特种加工技术2.电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1m，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和汽化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。4)可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过
136、程便于实现自动化。5)由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。第二节特种加工技术6)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。3.电子束加工的应用八、超声加工1.超声加工的基本原理图7-24超声加工原理图示意图1超声波发生器2、3冷却水4超声换能器5振幅扩大棒6工具7工件8工作液(悬浮液)第二节特种加工技术2.超声加工的特点1)适合加工各种硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、宝石、石英、锗、硅、石墨等不导电的非金属材料。2)由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的宏观
137、切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度值也较小，为Ra0.080.63m，尺寸精度可达0.03mm，也适于加工薄壁、窄缝、低刚度零件。3)工具可用较软的材料，做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。4)超声加工面积不大，且工具头磨损较大，故生产率偏低。3.超声加工的应用九、复合加工第二节特种加工技术1.电解磨削(1)电解磨削的基本原理图7-25所示的是电解磨削原理图。图7-25电解磨削原理图1阳极薄膜2导电磨轮3磨料与结合剂4电解液喷嘴5工件第二节特种加工技术(2)电解磨削的特点1)加工范围广，加工效率高。2)加工精度及
138、表面质量高，一般表面粗糙度值可优于Ra0.16m。3)砂轮的磨损量小。4)机床、夹具等需采取防蚀防锈措施，还需增加吸气、排气装置，以及需要直流电源、电解液过滤、循环装置等附属设备。(3)电解磨削的应用采用电解磨削可用于内外圆、平面及成形表面的加工。2.超声振动切削加工第二节特种加工技术(1)超声振动切削的基本原理如图7-26所示，当起动超声波发生器的磁化电源时，供给镍磁致伸缩换能器一定的超声频电流及磁化用直流电，在换能器线圈内产生交变的超声频磁场和恒定的极化磁场，使换能器产生同频的纵向机械振动能，同时传递给变幅杆，并将振幅放大到预定值，推动谐振刀杆进行振动切削。图7-26超声振动切削示意图1超
139、声发生器2换能器3变幅杆4工件5谐振刀杆6节点压块7刀杆振动波形第二节特种加工技术(2)超声振动切削的特点1)切削力小，切削功率消耗低。2)切削变形减小。3)减轻或消除了自激振动。4)工件精度高，表面粗糙度值小。5)刀具寿命高，加工范围广。(3)超声振动切削的应用超声振动切削作为一种精密加工和难切削材料加工中的新技术，与各种传统切削工艺结合形成各种复合切削加工，得到了广泛的应用。十、水喷射加工1.水喷射加工的特点第二节特种加工技术1)几乎适于加工所有的材料，除钢铁、铝、铜等金属材料外，还能加工特别硬脆、柔软或切屑飞扬的非金属材料加工，如塑料、皮革、纸张、布匹、化纤、木材、胶合板、石棉、水泥制品
140、、玻璃、花岗岩、大理石、陶瓷和复合材料等。2)切口平整、无飞边和飞刺。3)切削时无火花，对工件不会产生任何热效应，也不会引起其表层组织的变化。4)加工清洁不产生烟尘或有毒气体，减少空气污染，提高操作人员的安全性。5)减少了刀具准备、刃磨和设置刀偏量等工作，并能显著缩短安装调整时间。2.提高水喷射加工精度的控制技术第二节特种加工技术3.水喷射加工技术的发展趋势1)提高水射流机的可靠性和寿命，尤其是关键零部件高压泵和喷嘴的寿命。2)优化工艺参数，进一步提高效率，减少磨料损耗和降低能耗，以利于成本更有竞争力。3)发展智能化控制，使工艺参数能在加工过程中自适应调整，以提高加工精度，用于制作有一定精度要
141、求的零件。4)不断扩大水喷射加工的应用范围，由二维的切割和去毛刺加工发展至孔加工和三维型面的加工。4.复合切削加工(此处暂不作介绍)十一、精密和超精密加工1.精密和超精密加工的概念第二节特种加工技术(1)一般加工指加工精度在10m左右，相当于加工精度IT5IT6，表面粗糙度值为Ra0.20.8m，如车、铣、磨、刨、铰等工艺方法，适用于一般机械制造行业。(2)精密加工指加工精度在30.3m，加工精度在IT5以上，表面粗糙度值为Ra0.030.3m，如精密车削、研磨、抛光、精密磨削、镜面磨削等，适用于精密机床、精密测量等行业。(3)超精密加工指加工精度在0.030.3m，表面粗糙度值为Ra0.03
142、0.05m的精密加工。2.影响精密和超精密加工质量的主要因素第二节特种加工技术图7-27影响精密和超精密加工精度和表面质量的主要因素3.实现精密和超精密加工的基本条件第二节特种加工技术(1)机床必须具有很高的几何精度如瑞士Shaublin公司和德国Boley公司的精密车床主轴回转精度在1m之内，导轨直线度小于1m/100mm；精密坐标磨床的定位精度在13m；美国LLL国家实验室研制的DTM-3型卧式大型金刚石车床，加工最大直径为2100mm，主轴径向圆跳动不超过0.025m，表面粗糙度值可达Ra0.005m。(2)机床能进行微量切削超精密机床一般都采用分辨率为0.01m的精密数控驱动系统和配有
143、微量进给刀架，以实现微进给或在线误差补偿之用。(3)具有超稳定的加工环境这主要指在恒温、超净、防振三个方面。思考题第二节特种加工技术1.车削加工的特点是什么？所能加工的表面有哪些？2.铣削加工的特点是什么？简述铣刀的种类及用途。3.什么是顺铣？什么是逆铣？试比较其优缺点，并说明适用场合。4.刨削加工有什么特点？能完成哪些工作？刨刀种类及用途是什么？5.磨削加工有什么特点？为什么磨削能获得高的尺寸精度和小的表面粗糙度值？6.特种加工有何特点？特种加工方法分为哪几类？7.试说明电火花加工的基本原理及特点。8.说明电解加工的原理及特点。9.说明电铸加工的基本原理及特点。10.说明激光束加工的基本原理
144、、特点及应用场合。第二节特种加工技术11.说明超声加工的基本原理、特点及应用场合。12.复合加工又分为哪几种加工方法？第八章先进制造技术第一节机电一体化第二节CAD/CAM第三节数 控 技 术第四节柔性制造技术第五节绿 色 制 造第六节快速成形制造第一节机电一体化一、概述1.机电一体化定义2.机电一体化产品的类型1)在原有的机械本体上应用电子控制设备，如数控机床、机器人、洗衣机等。2)用电子设备置换机械控制系统，如电子缝纫机、自动售货机等。3)在信息机器中采用电子设备，如电报机、传真机、录音机等。4)在信息处理机中，用电子设备全面置换机械装置，如石英钟、电子秤、电子计算机等。5)在检测系统中采
145、用电子设备，如自动探伤机、CT扫描仪等。6)用电子设备代替机械本体，如电火花加工机床、线切割机等。第一节机电一体化3.机电一体化产品的设计方式和设计类型(1)设计方式1)机电互补法。2)融合法。3)组合法。(2)类型1)开发性设计。2)适应性设计。3)变异性设计。二、机电一体化系统的主要组成及功能1.机械本体部分2.动力部分第一节机电一体化3.传感部分4.驱动部分5.执行部分6.控制及信息部分三、机电一体化的技术体系1.机电一体化的相关学科(1)机械学机械学包括机械设计、机械制造、机械动力学等。(2)电子学电子学包括电工学、数字电路、模拟电路、电机、电器等。(3)微电子学微电子学包括微处理机及
146、接口技术、计算机科学、CADCAM技术及软件技术等。(4)控制论控制论包括经典控制理论和现代控制理论。第一节机电一体化2.机电一体化的相关技术(1)机械技术机械技术是机电一体化的基础。(2)计算机与信息处理技术信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。(3)系统技术系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互有机联系的若干概念单元，以功能单元为子系统进行二次分解，生成功能更为单一和具体的子功能与单元。第一节机电一体化(4)自动控制技术自动控制技术范围很广，主要包括：基本控
147、制理论；在基本控制理论指导下，对具体控制装置或控制系统的设计；设计后的系统仿真、现场调试；最后使研制的系统能可靠地投入运行。(5)传感与检测技术传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分。(6)伺服传动技术伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。四、机电一体化的技术、经济和社会效益1.提高精度第一节机电一体化2.增强功能3.提高生产效率，降低成本4.节约能源，降低消耗5.提高安全性、可靠性6.改善操作性和使用性7.减轻劳动强度，改
148、善劳动条件8.简化结构，减轻重量9.降低价格10.增强柔性应用功能第二节CAD/CAM一、概述1.基本概念2. CADCAM技术的产生与发展1)系统功能丰富、灵活、实用和可靠，适用产品的覆盖面广，用户界面友好。2)系统可扩充性好，便于二次开发出适应不同用户的应用系统。3)系统的开放性好，便于与其他CAD系统交换与共享产品的设计与制造数据。4)系统的集成度高，系统内各组成模块或具有统一的数据模型、数据库，或模块间的数据交换比较顺畅。3. CADCAM系统应用第二节CAD/CAM1)用于设计方案的动态修改，它可以使设计结果以图形方式输出，能进行实时输入输出的文互设计。2)用于机械制造工艺过程，进行
149、计算机辅助工艺设计、计算机数控等。3)用于企业管理，进行生产规划及生产调度最优化、生产过程的材料消耗、成本核算、仓库自动管理和产品销售等。二、CADCAM系统组成及选择1. CADCAM系统的硬件组成(1)硬件系统类型CADCAM硬件组成，实际上是CADCAM系统的计算机配置。1)主机-终端CAD系统。2)工作站CAD系统。第二节CAD/CAM3)以微型计算机为主体的CAD系统。(2)CADCAM系统和网络计算机网络提供了在一个系统中充分发挥大、中、小、微各类计算机，以及外部设备作用的技术。图8-1网络结构类型a)星型网络b)树型网络c)总线型网络d)分布型网络第二节CAD/CAM图8-2总线
150、网络系统(3)CADCAM系统选择原则在建立CADCAM系统时，第二节CAD/CAM应遵循“提前培训”，以软件为主，适当配置计算机硬件系统的原则。1)功能能力。2)开发性和可移植性。3)系统的升级和扩展能力。4)可靠性和维护支持能力。5)第三方软件支持。6)售后服务及供应商的信誉。2. CAD/CAM系统的软件组成(1)软件的分类CADCAM系统中涉及两类软件：一类叫做系统软件(SystemSoftware)；一类叫做应用软件(ApplicationSoftware)。第二节CAD/CAM(2)CADCAM系统应具备的功能一个比较完善的CADCAM系统，是由产品设计制造的数值计算和数据处理程序
151、包、图形信息交换(输入、输出)和处理的交互式图形显示程序包、存储和管理设计制造信息的工程数据库等三大部分构成的。1)雕塑曲面造型功能。2)实体造型功能。3)物体质量特性计算功能。4)三维运动机构的分析和仿真功能。5)二、三维图形的转换功能。6)三维几何模型的显示处理功能。7)有限元法网格自动生成的功能。8)优化设计功能。第二节CAD/CAM9)数控加工的功能。10)信息处理和信息管理功能。图8-3设计和制造活动共用的数据库第二节CAD/CAM三、CADCAM的发展趋势1.集成化2.智能化3.网络化第三节数 控 技 术一、概述1.数控与数控机床2.数控机床的特点1)数控机床容易实现多坐标联动加工
152、，可加工出复杂的曲线或曲面。2)数控机床加工精度是自动保证的，无须中间停机测量，使精度和效率都得到提高。3)数控机床的通用性强，生产准备简单，不需要复杂的工艺装备。4)自动换刀数控机床的出现充分发挥了数控机床的特点，对于形状复杂、加工面多、相互位置精度要求高的大型零件最为合适。第三节数 控 技 术5)将数控机床与计算机连接起来，可进一步实现群控系统和计算机管理。二、数控机床的组成与分类1.数控机床的组成图8- 4数控机床的组成1输入装置2数控装置3伺服系统4机床本体第三节数 控 技 术(1)输入装置输入装置是数控机床读取加工信息的工具，它可以是控制机操作面板上的键盘和按钮，通过它进行人工编程输
153、入。(2)数控装置这是数控机床的核心。1)轴运动控制(起动、转向、转速、准停)。2)进给运动的控制(点位、轨迹、速度)。3)各种补偿功能(刀具长度、传动间隙和传动误差补偿等)。4)各种辅助功能(冷却、润滑、排屑、自动换刀、故障自诊断、显示和联网通信功能等)。(3)伺服系统该系统实现数控机床执行机构的驱动，它接收控制机的指令，完成数控机床主轴的起动、停止、变速及各进给轴的联动，按被加工零件所要求的轮廓型面，完成点位、直线、平面或空间自由曲面的加工，达到零件的工艺要求。第三节数 控 技 术(4)机床本体1)为了满足多种小批量产品的生产，粗、精加工甚至全部加工往往在一次装夹下由一台设备完成，因此机床
154、要求具有较大的功率，较高的精度、刚度、热稳定性和耐磨性。2)为了减小机械传动误差，采用了提高传动件刚度，消除传动间隙，丝杠、导轨由滑动改为滚动等措施。3)由电伺服代替了纯机械变速，缩短了传动链，简化了传动结构。4)必要的辅助功能，如切削液、排屑、自动换刀、监控保护、交换工作台等。2.数控机床的分类第三节数 控 技 术(1)点位控制系统这种系统主要用作孔加工，如钻床、镗床、冲床及钻镗类加工中心等，因为该类机床只要求获得精确的孔系坐标(图8-5)，而对于从一个孔到另一孔之间的运动轨迹和速度没有严格要求。图8-5数控机床点位加工1工件2刀具第三节数 控 技 术(2)直线控制系统该系统除了能控制机床进
155、行准确定位外，还控制两点间按要求的速度作直线进给运动。(3)连续控制系统连续控制是同时控制机床两个坐标以上的运动，对曲线轮廓(图8- 8)或空间曲面进行加工，加工中每点的瞬时位移和速度都受严格限制。图8-7直线控制数控车床进给轨迹图第三节数 控 技 术三、数控机床的程序编制1.数控机床程序编制的一般步骤和手工编程(1)分析零件图样和工艺要求1)确定该零件应安排在哪类或哪台机床上进行加工。2)采用何种装夹具或何种装夹定位方法。3)确定采用何种刀具或采用多少把刀进行加工。4)确定加工路线，即选择对刀点、程序起点(又称加工起点，加工起点常与对刀点重合)、进给路线、程序终点(常与程序起点重合)。5)确
156、定切削深度和宽度、进给速度、主轴转速等切削参数。6)确定加工过程中是否需要提供切削液、是否需要换刀、何时换刀等。第三节数 控 技 术(2)数值计算根据零件图样几何尺寸，计算零件轮廓数据，或根据零件图样和进给路线，计算刀具中心(或刀尖)运行轨迹数据。(3)编写加工程序单在完成上述两个步骤之后，即可根据已确定的加工方案(或计划)及数值计算获得的数据，按照数控系统要求的程序格式和代码格式编写加工程序等。(4)制作控制介质，输入程序信息程序单完成后，编程者或机床操作者可以通过CNC机床的操作面板，在EDIT方式下直接将程序信息键入CNC系统程序存储器中；也可以根据CNC系统输入、输出装置的不同，先将程
157、序单的程序制作成或转移至某种控制介质上。(5)程序检验编制好程序，在正式用于生产加工前，必须进行程序运行检查。第三节数 控 技 术2.自动编程四、机床数控系统的发展趋势1.广泛地应用微型计算机资源2.小型化以满足机电一体化的要求3.改善人机接口，方便用户使用4.提高数控系统产品的成套性5.研究开发智能数控系统6.根据市场需要，开发适销对路的数控产品7.开发新的数控产品第四节柔性制造技术一、概述1. FMS的产生2. FMS的概念及主要特点1)系统由计算机控制和管理。2)系统采用了以NC控制为主的多台加工设备和其他生产设备。3)系统中的加工设备和生产设备通过物料输送装置连接。1)设备柔性。2)工
158、艺柔性。3)产品柔性。4)工序柔性。5)运行柔性。6)批量柔性。第四节柔性制造技术7)扩展柔性。8)生产柔性。3. FMS的效益1)提高劳动生产率。2)缩短生产周期。3)提高产品质量。4)充分提高机床利用率。5)较大地减少操作人员。6)较大地降低成本。7)减少在制品数量和库存容量。二、FMS的一般组成1.加工系统第四节柔性制造技术1)以加工箱体类零件为主的FMS。2)以加工回转体类零件为主的FMS。3)适于混合零件加工的FMS，即能够加工箱体类零件和回转体零件的FMS。4)用于专门加工零件的FMS。2.物料系统(1)工件的输送工件输送包括两部分：一是零件毛坯、原材料、工具和配套件等由外界搬运进
159、系统，以及将加工好的成品及换下的工具从系统中搬走；二是零件、工具和配套件等在系统内部的搬运。(2)工件的存储工件的存储包括物品在仓库中的保管和生产过程中在制品的临时性停放。第四节柔性制造技术3.计算机控制系统三、柔性制造系统的应用1.实施FMS的过程中应注意的问题(1)实施FMS的基本原则1)应与企业的经营计划和发展方向挂钩，做到目标明确、资金落实。2)具体地、仔细地分析企业的技术力量和需求，做到技术落实。3)分析引进设备后对生产管理方面的影响，做到组织落实。4)制定与设备引进相关的人才培训计划，做到人员落实。(2)加工对象的选择与分析实施FMS时首先应选择适当的加工对象，决定加工内容、工件种
160、类、工件形状、工件材料、工件批量与批量的变化幅度、生产量与生产量的变化幅度。第四节柔性制造技术1)多品种、中小批量、形状类似的工件(降低成本)。2)总附加价值高的工件(提高质量、缩短交货期、有可观的利润)。3)被切削性好、切屑处理容易、加工任务稳定的工件(易于无人值守自动加工)。4)加工部位的形状和切削条件稳定的工件(易于数控加工)。5)加工工序可大幅度集约的工件(缩短产品开发、研制周期，适合数控加工)。(3)实施方法实施方法可采用外购、用户与制造厂家共同研制开发、用户自选开发三种方式。(4)设备投资费用的试算FMS投资费用较高，这对内地很多企业都是一个不小的负担，引进是否适当，将在很大程度上
161、左右企业的效益。第四节柔性制造技术(5)系统的扩展性由于有许多不可预测的因素，如生产计划的变动、加工对象种类的增加等，实施时应充分考虑可扩展性。(6)自动化程度考虑加工工件的种类、数量、加工内容等技术方面的问题和在保证经济效益的前提下，判断哪些作业使用人工，哪些作业实现自动化，然后选用相应的数控机床、输送装置、装卸装置、缓冲装置、存储装置、计算机、网络数据库等系统构成要素和系统构成方案。(7)明确系统技术要求总结和整理(1)(6)各项得出的结论，明确技术要求，并让系统设计、制造厂家提交相应的技术文本，如“FMS技术规格书”、“自动化系统技术规格说明书”、“搬运系统技术规格说明书”、“加工中心验
162、收明细表”、“软件功能及使用说明书”等。第四节柔性制造技术2.柔性制造系统的应用举例第四节柔性制造技术表8-1FMS在航空发动机行业应用举例项目内容用户法国国立航空发动机公司，德国斯奈克玛发动机公司产业性质航空发动机产品罗罗公司发动机（协和式飞机用）、A320发动机及CFM56发动机的盘轴叶片零件主要供应商法国贝蒂艾公司开始运行日期1990年5月第四节柔性制造技术表8-1FMS在航空发动机行业应用举例设备配置加工机床：12台贝蒂艾立车配有GE2000CNC，4台沃瑞克数控机床加工中心带GE2000CNC物料运输：5台热蒙施莱德尔（JeumontSchneider）的AGV，4台装卸站工件托盘：
163、带巴鲁夫固定磁卡式托盘摆放辨识系统刀具运送：1个刀具库1个换刀机器人，用于向各个加工中心提供换刀服务2个换刀机器人，用于向12台立车换刀服务都装有巴鲁夫只读型刀具辨识芯片系统，以验证换刀的正确性计算机：1台VAX11750用作FMS控制机，3台MICRO VAX用作加工中心、立车、清洗机的运行控制，2台PDP1123用作两个仓库运行的协调控制，1台PDP1123用作运输系统的协调控制，所有计算机之间用以太网连接起来其他设备：1台清洗机第四节柔性制造技术表8-1FMS在航空发动机行业应用举例柔性水平斯奈克玛（Snecma）的FMS能使涡轮盘的单件时间从56个月缩短为2个月，将来可进一步缩短到1个
164、月，证明系统的效益是明显的第四节柔性制造技术四、柔性制造系统的发展趋势(1)向小型化、单元化方向发展早期的FMS强调规模，但由此产生了成本高、技术难度大、系统复杂、可靠性不好、不利于迅速推广的弱点。(2)模块化、集成化方向发展为有利于FMS的制造厂家组织生产、降低成本，也有利于用户按需、分期、有选择性地购置系统中的设备，并逐步扩展和集成为功能强大的系统，FMS的软、硬件都向模块化方向发展。第四节柔性制造技术(3)各项技术性能与系统性能不断提高例如采用各种新技术，提高机床的加工精度、加工效率；综合利用先进的检测手段、网络、数据库和人工智能技术，提高FMS各单元及系统的自我诊断、自我排错、自我修复
165、、自我积累、自我学习能力(如提高机床监控功能，使之具有对温度变化、振动、刀具磨破损、工件形状和表面质量的自反馈、自补偿、自适应控制能力)；采用先进的控制方法和计算机平台技术，实现FMS的自协调、自重组和预报警功能等。(4)重视人的因素完善适应先进制造系统的组织管理体系，将人与FMS以及非FMS生产设备集成为企业综合生产系统，实现人技术组织的兼容和人机一体化。第四节柔性制造技术(5)应用范围逐步扩大金属切削FMS批量适应的范围和品种适应范围正在逐步扩大，如向适合于单件生产的FMS扩展和向适合于大批量生产的FMS(即FML)扩展。第五节绿 色 制 造一、绿色制造的概念及特点1.绿色制造的概念2.绿
166、色制造的特点(1)具有系统性绿色制造系统与传统的制造系统相比，其本质特征在于绿色制造系统除保证一般的制造系统功能外，还要保证环境污染为最小。(2)突出预防性绿色制造是对产品和生产过程实施综合预防污染的战略，强调以预防为主，通过污染资源削减和保证环境安全的回收利用，使废弃物最小化或消失于生产过程中。(3)保持适合性绿色制造必须结合企业产品的特点和工艺要求，使绿色制造目标符合企业生产经营发展的需要，又不损害生态环境和保护自然资源的潜力。第五节绿 色 制 造(4)符合经济性通过绿色制造，可节省原材料和能源的消耗，降低废弃物处理处置费用，降低生产成本，增强市场竞争力。(5)注意有效性和动态性绿色制造实
167、行对产品及生产过程的连续控制，使污染物产生最少化或消失于生产过程之中，综合利用再生资源和能源、物料的循环利用技术，有效地防止污染再产生。二、绿色制造的意义1.绿色制造开创了防治环境污染的新阶段2.进一步解放社会生产力3.促进企业深化改革，由粗放型向集约型转化4.排除环境污染困扰，实现可持续发展三、绿色制造系统1.绿色制造的三个内容第五节绿 色 制 造(1)绿色能源绿色能源是指在产品生命周期全过程中尽量节约能源，使其得到最大限度的利用。(2)绿色生产过程绿色生产过程是指将绿色产品的构思转化为最终产品的所有过程的总和。(3)绿色产品绿色产品可以简言之为：采用绿色材料，通过绿色设计、绿色制造、绿色包
168、装而生产的一种节能、降耗、减污的环境友好型产品。2.绿色制造的三条途径1)转变观念，树立良好的环境保护意识，并在具体行动上通过立法、宣传教育来实现。第五节绿 色 制 造2)针对具体产品的环境问题，从技术方面入手，为绿色制造的实施提供经济可行的方法，如绿色设计方法与工具、绿色制造工艺技术、绿色制造工艺设备与装备、建立产品绿色程度评价机制等。3)在采用绿色制造技术的前提下，应加强企业内部及与外界的协调，提高企业全体员工的素质与绿色观念，创造良好的绿色文化氛围，利用市场机制和法律手段，促进绿色技术、绿色产品的发展和延伸。3.绿色制造的两个目标四、绿色制造的国内外发展趋势第六节快速成形制造一、快速成形
169、制造原理1)成形法(Forming)。2)去除法(Removing)。3)接合法(Joining)。二、RPM技术主要方法1.选择性液体固化图8-9立体光刻工艺原理图第六节快速成形制造2.选择性层片粘接图8-10分层实体制造工艺原理图第六节快速成形制造3.选择性粉末熔结粘接4.挤压成形图8-11选择性激光烧结工艺原理图第六节快速成形制造5.喷墨印刷图8-13喷墨印刷原理图第六节快速成形制造三、RPM与相关学科间的关系1. RPM与CAD技术之间的关系2. RPM与激光技术间的关系3. RPM技术与数控技术间的关系4. RPM技术与材料科学间的关系5. RPM技术与检测技术间的关系6. RPM与
170、其他相关学科间的关系四、RPM技术的应用1. RPM的应用领域第六节快速成形制造图8-14RPM的应用领域2.产品设计中的应用快速产品开发RPD第六节快速成形制造图8-15RPM在RPD方面的应用总图五、RPM技术的发展趋势1. RPM技术的智能化第六节快速成形制造(1)加工参数智能设定系统在目前的RPM技术加工参数的设定中，还主要依赖于人的知识和经验，对RPM技术的掌握还需要较多的培训与指导，而且，不同的工艺方法，其加工参数差别甚大，这就使得经验因素在RPM技术中占有重要的地位。(2)智能加支撑系统对于多数RPM工艺来说，加支撑是必需的工艺环节，支撑的合理设计与施加，不仅可以控制原形的收缩和
171、变形，从而保证被加工件的质量；同时也可以改善工艺过程，稳定造型的质量状况。(3)智能选择系统对RPM制作的原形一般都有一定的功能要求，例如用于力学分析和功能试验等。2.面向制造的实用化第六节快速成形制造1)采用新的工艺、改进工艺方法以及采用更精确的控制系统，功能更强且友好的软件系统来解决精度(尺寸、形状和表面粗糙度)、速度及成本之间的矛盾。2)与传统制造工艺相结合，形成快速的产品开发制造系统。3)离散堆积成形是一种对形状自由的成形方法，但原形件的性能不能完全达到机械零件的要求。3.面向市场的桌面化1)RPM技术的另一个发展方向就是桌面化制造系统(Desktop System)。2)对不断增长的
172、市场需求，RPM桌面系统也会像绘图仪、打印机一样形成一种产业，国内外都会如此。3)形成通过信息高速公路互联的快速原型信息网络。第六节快速成形制造思考题1.机电一体化系统的组成及主要功能是什么？2. CAD/CAM系统的组成及选用原则是什么？3. CAD/CAM系统的发展趋势体现在哪些方面？4.数控机床有何特点？简述其组成及分类。5.数控机床的发展趋势体现在哪些方面？6.阐述柔性制造系统的基本组成及特征。7.说明柔性制造系统的发展趋势。8.绿色制造有何特点？包含哪些内容？9.实现绿色制造的途径有哪些？10.简述快速成形制造的基本原理。11.快速成形制造分为哪几种方法？其发展趋势是什么？第九章先进
173、制造模式第一节概述第二节工 业 工 程第三节计算机集成制造系统第四节并 行 工 程第五节精 益 生 产第六节敏 捷 制 造第七节虚 拟 制 造第八节智 能 制 造第九节网络化制造第一节概述一、制造模式的概念与演化1.制造模式的概念2.制造模式的演化(1)手工与单件生产模式1765年瓦特蒸汽机的发明，引发了第一次工业革命，促使制造业发生了颠覆性的变化，出现了工厂式的制造厂，从手工作业到机器作业、从作坊到批量生产，生产率有了较大提高，近代工业化大生产的序幕由此拉开。(2)大批量生产模式从19世纪中叶到20世纪中期，由于E.Whitney提出互换性与大批量生产理念，Oliver Evans将传送带引
174、入生产系统，F.W.Taylor提出科学管理思想，H.Ford开创汽车装配自动流水生产线，使制造业开始了第一次生产方式的转换，即转向大批量生产。第一节概述(3)柔性自动化生产模式1952年美国麻省理工学院试制成功世界上第一台数控铣床，揭开了柔性自动化生产的序幕。(4)高效、敏捷与集成经营生产模式自20世纪70年代以来，不同时期、不同国家的经济增长、繁荣与停滞、衰退交替出现，企业所处的外部环境日趋复杂多变，使得当今的企业面临一系列前所未有的挑战。图9-1制造模式的发展过程第一节概述二、先进制造模式的内涵与类型1.先进制造模式的内涵2.先进制造模式的类型(1)柔性生产模式这种模式由英国Molins
175、公司首次提出，于20世纪70年代末得到推广应用。(2)计算机集成制造模式计算机集成制造的突出特点是强调制造过程的整体性，将需求分析、销售和服务等都纳入制造系统范畴，充分面向市场和用户；计算机辅助手段提高了产品研制和生产能力，加速了产品的更新换代；物流集成提高了制造过程的柔性、设备利用率和生产率；信息集成促进了经营决策与生产管理的科学化等。第一节概述(3)智能制造模式该模式是在制造生产的各个环节中，应用智能制造技术和系统，以一种高度柔性和高度集成的方式，通过计算机模拟专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，以取代或延伸制造过程中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行完善、继承和发
176、展。(4)精益生产模式该模式是由美国MIT公司于1990年在总结日本丰田汽车生产经验时提出的。(5)敏捷制造模式该模式的特点是将柔性制造的先进技术、熟练掌握的生产技能、有素质的劳动力，以及促进企业内部和企业之间的灵活管理三者集成在一起，利用信息技术对千变万化的市场机遇作出快速响应，最大限度地满足顾客的要求。第一节概述(6)虚拟制造模式该模式的特点是利用制造过程的计算机仿真来实现产品的设计和研制。(7)极端制造模式极端制造是指在极端环境下制造极端尺度或极高功能的器件和系统。(8)绿色制造模式绿色制造是综合运用生物技术、绿色化学、信息技术和环境科学等方面的成果，使得在制造过程中没有或极少产生废料和
177、污染物的工艺或制造系统的综合集成生态型制造技术。第一节概述(9)网络化制造模式网络化制造是指通过采用先进的网络技术、制造技术及其他相关技术，构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统，并在系统的支持下，突破空间对企业生产经营范围和方式的约束，开展覆盖产品整个生命周期全部或部分环节的企业业务活动(如产品设计、制造、销售、采购、管理等)，实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成，高速度、高质量、低成本地为市场提供所需的产品和服务。三、先进制造模式的战略目标第一节概述表9-1传统制造生产模式和先进制造生产模式的主要特征主 要 特 征制 造 模 式大批量生产制造自动化柔 性 生 产精 益 生 产敏 捷
178、 制 造精益敏捷柔性生产系统制造企业定向产品产品顾客顾客顾客顾客制造战略重点成本质量品种质量时间时间制造指导思想技术主导技术主导技术主导组织精益组织变革组织创新，人因发挥竞争优势低成本高效率柔性精益性敏捷精益、敏捷、柔性手段或动因机器技术技术进步人因发挥组织创新技术、人因、组织集成第一节概述表9-1传统制造生产模式和先进制造生产模式的主要特征原则或机制分工与专业化自动化高技术集成生产、过程管理资源、快速集成资源、快速集成制造经济性规模经济性规模经济性范围经济性范围经济性集成经济性集成经济性第一节概述四、先进制造模式的管理图9-2制造系统组织优化原理框图1)灵活性。2)分散性。3)动态性。第一节
179、概述图9-3制造企业的组织结构变化情况4)并行性产品开发工作虽然是有序的，第一节概述但并不一定按简单的串行方式相连接，而是在时间坐标上相互重叠与交叉，小组内的成员并行工作，协同完成产品设计、制造、销售等任务。图9- 4并行工程的产品开发模式5)独立性项目组在企业内是相对独立的，项目负责人有权作出关于项目内活动的决策。6)简单性项目组内以简单的工艺流程来代替传统的整个工厂集中控制的复杂流程。第二节工 业 工 程一、工业工程的定义1)工业工程是一门工程类科学技术，且是主要解决管理问题的工程技术。2)工业工程所研究的对象是由人员、物料、设备、能源、信息等生产要素组成的各种生产及经营管理系统，且不局限
180、于工业生产领域。3)工业工程所采用和依托的理论与方法是来自于数学、自然科学、社会科学中的专门知识和工程学中的分析、规划、设计等理论与技术，特别是系统工程的理论与方法和计算机系统技术具有日益密切的关系。第二节工 业 工 程4)工业工程的任务和目标是研究如何将人员、物料、设备、能源、信息等要素进行有效、合理的组合与配置，并不断改善，实现更有效地运行，为管理活动提供技术上的支持与保证，其目的是达到系统效益与生产率的实现与提高。二、工业工程发展史1.工业工程的起源2.工业工程发展历程1)科学管理时代(20世纪初30年代中期)。2)工业工程时代(20世纪20年代后期至今)。3)运筹学(Operation
181、s Research，OR)发生影响的时期(20世纪40年代中期70年代)。第二节工 业 工 程4)工业与系统工程(System Engineering，SE)时期(20世纪70年代未来)。3.现代工业工程发展趋势1)市场需要多样化，变化快，产品生产周期大大缩短，竞争激烈，要求不断开发新产品。2)系统、成套产品的服务和市场不断扩大，用户越来越多地需要优质、可靠、系统的服务，如交钥匙工程。3)严格保证交货期，提供周到、及时的售后服务。4)现代制造技术(如NC、CNC、CAD/CAM、GT、机器人、FMC、FMS、CAPP、MRP、MRP、JIT、CIM等)、组合技术(如机电一体化、光-机-电技术
182、)迅速发展，为高速、高效、高精度和优质生产提供了条件。第二节工 业 工 程5)信息技术的发展为生产经营决策科学化和增强应变能力提供了手段等。1)研究对象和应用范围扩大到系统整体。2)采用计算机和管理信息系统(MIS)为支撑条件。3)重点转向集成(综合)制造(Integrated Manufacturing，IM)。4)突出研究生产率和质量。5)探索有关新理论，发展新方法。三、工业工程在中国的发展四、工业工程的内容五、工业工程与管理的关系第三节计算机集成制造系统一、计算机集成制造的内涵图9-5CIMS的新版轮图第三节计算机集成制造系统图9- 6CIMS功能系统的构成图二、计算机集成制造系统的基本
183、组成第三节计算机集成制造系统1.管理信息系统图9-7管理信息系统的模型第三节计算机集成制造系统2.工程设计自动化系统3.制造自动化系统4.计算机辅助质量控制系统(1)质量计划子系统其用来确定改进质量目标，建立质量标准和技术标准，计划可能达到的途径和预计可能达到的改进效果，并根据生产计划及质量要求制订检测计划及检测规程。(2)质量检测管理子系统其功能包括以下三项：管理进厂材料、外购件和外协件的质量检验数据；采用自动(也可用手动)方式对零件进行检验，对产品进行试验，采集各项质量数据并进行校验和预处理；建立成品出厂档案，改善售后服务质量。第三节计算机集成制造系统(3)质量分析评价子系统其作用是对产品
184、设计质量、外购外协件质量、供货商能力、工序控制点质量、质量成本等进行分析，评价各种因素对质量问题的影响，查明主要原因。(4)质量信息综合管理与反馈控制子系统其功能包括质量报表生成、质量综合查询、产品使用过程质量综合管理，以及针对各类质量问题所采取的各种措施及信息反馈。5.数据库系统6.计算机网络系统图9- 8CIMS各分系统之间的信息交换过程第三节计算机集成制造系统三、计算机集成制造系统的技术优势1.信息集成1)企业建模、系统设计方法、软件工具和规范，这是系统总体设计的基础。2)异构环境和子系统的信息集成。2.过程集成3.企业间集成四、现代集成制造技术的应用过程与发展趋势1.现代集成制造技术的
185、应用过程2.现代集成制造技术的发展趋势第三节计算机集成制造系统(1)集成化从当前的企业内部的信息集成和功能集成，发展到过程集成(以并行工程为代表)，并正在步入实现企业间集成的阶段(以敏捷制造为代表)。(2)数字化虚拟化从产品的数字化设计开始，发展到产品全生命周期中各类活动、设备及实体的数字化。(3)网络化从基于局域网发展到基于Internet、Intranet、Extranet的分布网络制造，以支持全球制造策略的实施。(4)柔性化目前人们正积极研究发展企业间动态联盟技术、敏捷设计生产技术、柔性可重组机器技术等，以实现敏捷制造。第三节计算机集成制造系统(5)智能化智能化是制造系统在柔性化和集成化
186、基础上进一步的发展与延伸，其是通过引入各类人工智能和智能控制技术，实现具有自律、分布、智能、仿生、敏捷、分形等特点的新一代制造系统。(6)绿色化包括绿色制造、环境意识的设计与制造、清洁化生产等。第四节并 行 工 程一、并行工程产生的背景图9-9“扔过墙”式的产品开发模式二、并行工程的内涵第四节并 行 工 程图9-10并行工程示意图第四节并 行 工 程图9-11各部门之间的“同室协调”三、并行工程的体系结构第四节并 行 工 程图9-12并行工程的体系结构四、并行工程的特性第四节并 行 工 程1.并行特性图9-13串、并行产品开发过程对比a)串行产品开发过程b)并行产品开发过程第四节并 行 工 程
187、2.整体特性图9-14制造系统各环节之间的内在联系第四节并 行 工 程3.协同特性1)多功能的协同组织机构并行工程是根据任务和项目的需要组织多功能工作小组，小组成员为设计、工艺、制造和支持(质量、销售、采购服务等)的不同部门、不同学科的代表。2)协同的设计思想并行工程强调一体化、并行地进行产品及其相关过程的协同设计，尤其注意早期概念设计阶段的并行和协调。3)协同的效率并行工程特别强调“l+12”的思想，力求排除传统串行模式中各个部门间的壁垒，使各个相关部门协调一致地工作，利用群体的力量提高整体效益，强调“工”字钢带来的三块钢板的协调强度。4.集成特性第四节并 行 工 程表9-2串行工程和并行工
188、程在产品创新、质量、生产成本和柔性上的比较竞 争 优 势并 行 工 程串 行 工 程产品质量产品质量较好，在生产前即已注意到产品的制造问题设计和制造之间沟通不足，致使产品质量无法达到最优化产品成本由于产品的易制造性提高，生产成本较低新产品开发成本较低，但制造成本可能较高第四节并 行 工 程表9-2串行工程和并行工程在产品创新、质量、生产成本和柔性上的比较竞 争 优 势并 行 工 程串 行 工 程生产柔性适用于小批量、多品种生产；适用于高新技术产业的产品适用于大批量、单一品种生产；适用于低技术含量的产品产品创新较快速推出新产品，能从产品开发中学习及时修正的方法及创新意识；新产品投放市场快，竞争能
189、力强不易获得最新技术以及市场需求变化趋势，不利于产品创新第四节并 行 工 程五、 并行工程实施的关键技术1.过程管理与集成2.集成产品开发团队(1)实体小组在这种小组工作方式中，小组各成员真正在物理上聚集在一起，如处在同一个办公室，面对面地设计、开会、交流方案、讨论各种设计问题等。(2)虚拟小组这种小组并不是面对面地聚集在一起工作，而是通过计算机网络相互联系的。3.协同工作环境4.数字化产品建模与CAXDFX使能工具5.全面质量管理技术方法和工具第五节精 益 生 产一、精益生产产生的背景二、精益生产的内涵与特征1.精益生产的基本概念2.精益生产的特征(1)以用户为“上帝”产品面向用户，不仅要向
190、用户提供周到的服务，而且要熟悉用户的思想和要求，生产出适销对路的产品。(2)以人为中心企业对职工进行“爱厂如家”的教育，并从制度上保证职工的利益与企业的利益挂钩。(3)以精简为手段在组织机构方面实行精简化，去掉一切多余的环节和人员。第五节精 益 生 产(4)协同工作和并行设计协同工作是指由企业各部门专业人员组成多功能设计组，该设计组对产品的开发和生产具有很强的指导和集成能力，并全面负责一个产品型号的开发和生产，包括产品设计、工艺设计、编制预算、材料购置、生产准备及投产等工作，同时根据实际情况调整原有的设计和计划。(5)准时制生产供货方式采用准时制生产供货方式可以保证最小的库存和最少在制品数。(
191、6)零缺陷工作目标精益生产所追求的目标不是“尽可能好一些”，而是零缺陷。第五节精 益 生 产表9-3精益生产与大量生产的比较比 较 项 目大 量 生 产精 益 生 产追求目标高效率、高质量、低成本完善生产，消除一切浪费工作方式专业分工、专门化、互相封闭责、权、利统一的工作小组，协同工作组织管理宝塔式，组织机构庞大权力下放，精简一切多余环节，扁平式组织结构产品特征标准化产品面向用户的多样化产品设计方式串行模式并行模式生产特征大批量，高效率小批量，柔性化生产，生产周期短供货方式大库存缓冲准时制生产方式，接近零库存质量保证主要靠机床设备，检验部门事后把关，返修率高依靠生产人员保证，追求零缺陷第五节精
192、 益 生 产表9-3精益生产与大量生产的比较雇员关系合同关系，短期行为终身雇用，风雨同舟用户关系用户满意，主要靠产品质量、成本取胜用户满意，需求驱动，主动销售供应商合同关系，短期行为长期合作伙伴关系，利益共享，风险共担第五节精 益 生 产三、精益生产的体系结构图9-15丰田准时化生产方式的技术体系结构第五节精 益 生 产图9-16精益生产的体系结构四、丰田汽车公司精益生产的要点1)以人为本。2)精益求精。第五节精 益 生 产3)顾客完全满意。4)小组化工作方式。5)与供应商的关系。第六节敏 捷 制 造一、敏捷制造产生的背景二、敏捷制造的内涵及概念1.敏捷制造的内涵图9-17敏捷制造概念示意图第
193、六节敏 捷 制 造1)敏捷制造的着眼点是快速响应市场用户的需求。2)敏捷制造的关键因素是企业的应变能力。3)敏捷制造强调“竞争合作(协同)”，采用灵活多变的动态组织结构。2.敏捷制造的主要概念1)全新的企业概念将制造系统空间扩展到全国乃至全球，通过企业网络建立信息高速公路，建立“虚拟企业”，以竞争能力和信誉为依据选择合作伙伴，组成动态公司。第六节敏 捷 制 造2)全新的组织管理概念简化过程，不断改进过程；提倡以“人”为中心，用分散决策代替集中控制，用协商机制代替递阶控制机制；提高经营管理目标，精益求精，尽善尽美地满足用户的特殊需要；敏捷企业强调技术和管理的结合，在先进柔性制造技术的基础上，通过
194、企业内部的多功能项目组与企业外部的多功能项目组虚拟公司，把全球范围内的各种资源集成在一起，实现技术、管理和人的集成；敏捷企业的基层组织是多学科群体，是以任务为中心的一种动态组合；敏捷企业强调权力分散，把职权下放到项目组，提倡“基于统观全局的管理”模式，要求各个项目组都能了解全局的远景，胸怀企业全局，明确工作目标、任务和时间要求，而完成任务的中间过程则完全可以自主。3)全新的产品概念。第六节敏 捷 制 造4)全新的生产概念产品成本与批量无关，从产品看是单件生产，而从具体的实际和制造部门看，却是大批量生产。三、敏捷制造的组成1.敏捷制造的基础结构(1)物理基础结构它是指虚拟企业运行所必需的厂房、设
195、施、资源等必要的物理条件，是指一个国家乃至全球范围内的物理设施。(2)法律基础结构它也称为规则基础结构，主要是指国家关于虚拟企业的法律、合同和政策。(3)社会基础结构虚拟企业要能生存和发展，还需要社会环境的支持。第六节敏 捷 制 造(4)信息基础结构这是指敏捷制造的信息支持环境，包括能提供各种服务的网点、中介机构等一切为虚拟企业服务的信息手段。图9-18敏捷制造计算机网络环境第六节敏 捷 制 造图9-19信息集成基础结构框架2.虚拟企业第六节敏 捷 制 造四、敏捷制造的关键要素1.敏捷制造的生产技术2.敏捷制造的管理技术3.敏捷制造的人力资源五、敏捷制造系统的战略体系及特性第六节敏 捷 制 造
196、表9- 4敏捷制造战略体系基于特征人的参与和智能化快速反应不断改进三大支柱人员管理柔性机制竞争合作集成分散宏观微观组织功能交叉工作小组虚拟公司动态联盟管理自组织模式分形组织放权与协调经济可承受性准时制生产逻辑简洁化激励持续发展分布式群决策评价与优化企业集成与柔性非财务快速成本控制财务保障合作伙伴选择与评价技术快速开发与快速生产分布式集成高柔性制造高新与极限制造技术并行工程全方位与动画仿真虚拟现实制造标准化与成组技术模块成组与插件式兼容计算机辅助技术与装备敏捷化的装备与工具敏捷软件智能传感、控制与过程监控非线性控制自治控制模糊控制并行计划全能制造单元制造与计算机集成制造系统质量工程网络与通信技术
197、基础社会支撑条件法律(法规)技术推广与商品化培训与教育通信与信息用户与供应厂商动态合作宽带网络与用户交互及互联网络零故障与污染的消除与处理社区关系灵捷竞争与市场环境用户满意的产品与服务灵活快速响应合作共享，平等竞争有序的市场环境售前售后服务第六节敏 捷 制 造六、实施敏捷制造的技术(1)产品设计和企业并行工程产品设计和企业并行工程的使命就是按照客户需求进行产品设计、分析和优化，并在整个企业内实施并行工程。(2)虚拟制造虚拟制造就是在计算机上模拟制造的全过程。(3)制造计划与控制制造计划与控制的任务就是描述一个集成的宏观(企业的高层计划)和微观(详细的信息生产系统，包括制造路径、详细的数据以及支
198、持各种制造操作的信息等)计划环境。(4)智能闭环加工智能闭环加工就是应用先进的控制和计算机系统，以改进车间的控制过程。(5)企业集成企业集成就是开发和推广各种集成方法，在适应市场多变的环境下运行虚拟的、分布式的敏捷企业。第六节敏 捷 制 造七、敏捷制造的应用八、我国企业在经营管理上的敏捷化改造1)我国企业如何围绕培养其核心能力进行组织结构调整。2)影响敏捷制造中动态联盟形成与运作的有关产权关系。3)我国企业如何建立和积累其信用资源，以利于参与敏捷制造。4)我国企业如何逐步建立面向敏捷制造的人力资源管理措施。5)企业如何逐步建立面向敏捷制造的成本会计计算方法和预算程序等管理体系。第七节虚 拟 制
199、 造一、虚拟制造的定义与分类1.虚拟制造的定义1)佛罗里达大学Gloria J.Wiens的定义。2)美国空军Wright实验室的定义。3)大阪大学的Onosato教授认为，虚拟制造是一种核心概念，它综合了计算机化制造活动，采用模型和仿真来代替实际制造中的对象及其操作。2.虚拟制造的分类图9-20虚拟制造分类及关系第七节虚 拟 制 造(1)以设计为中心的虚拟制造其核心是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行“制造”，仿真多种制造方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能和报价、成本。(2)以生产为中心的虚拟制造其核心是将仿真能力加入到生产过程，通过建立生产过程和生产计划模
200、型来评估和优化生产过程，快捷、低成本评价不同的工艺方案，检验新工艺流程的可信度、产品的生产效率、资源需求计划、生产计划等，从而优化制造环境的配置和生产计划。(3)以控制为中心的虚拟制造其核心是将仿真能力加入到控制模型和实际生产过程中，提供对实际生产过程仿真的环境。二、虚拟制造的体系结构第七节虚 拟 制 造图9-21基于产品数据管理集成的虚拟制造系统结构三、虚拟制造的关键技术第七节虚 拟 制 造1.制造系统建模2.制造过程仿真3.可制造性评价4.可装配性评价(1)装配序列的评价它是指对多个可行的装配序列，为了降低装配成本，减少装配时间，选择最优的装配序列。(2)装配仿真验证数字装配过程仿真是指在
201、虚拟装配环境中，直观展示装配过程中零、部件的运动形态和空间位置关系，并进行运动过程的碰撞干涉检测，包括静态干涉检测(可装配性检测)和动态碰撞检测(可达性检测)；检查产品的可装配性；通过人机交互调整和控制装配元件的位置，改进产品的可装配性，确保装配路径的有效性。第七节虚 拟 制 造四、虚拟制造应用实例1.虚拟加工图9-22虚拟加工基本流程2.虚拟装配3.虚拟车间第八节智 能 制 造一、智能制造的发展过程二、人工智能与专家系统1.人工智能及其研究的内容图9-23目前人工智能的主要研究内容及其应用第八节智 能 制 造2.专家系统及其特征(1)具有专门领域知识它具有使用特定领域知识，包括理论知识和丰富
202、的实践经验，能达到专家的高效、快速及灵活地运用知识求解领域范围内问题的水平。(2)具有符号处理和有效地推理能力它利用符号来表示问题的概念，并在求解问题的过程中，运用各种不同的策略和启发式方法来处理这些表达知识的符号，按一定规则进行逻辑推理或不精确推理等，以得到问题的解答。(3)具有一定的复杂度和难度它是运用复杂的规则知识来解决现实中具有一定难度和复杂度，需要专家才能解决的问题。第八节智 能 制 造(4)具有灵活性大多数专家系统中都采用知识库与推理机相分离的构造原则，彼此互相独立，使得知识的更新和扩充比较灵活方便，不会因变动局部而影响全局。(5)具有透明性它不仅对用户的问题作出解答，而且能够对答
203、案的推理(求解)过程作出解释，必要时提供答案的可信度估计。(6)具有交互性它是一个交互式系统。三、智能制造释义初探四、智能制造系统的特征1.自律能力2.人机一体化3.虚拟实现技术4.自组织与超柔性第八节智 能 制 造5.学习能力与自我维护能力第九节网络化制造一、网络制造技术的内涵二、网络制造的关键技术分析1.分布式网络通信技术2.网络数据存取、交换技术1)点对点的数据交换和存取。2)通用的数据格式便于数据交换和存取。3)网络按集成分布框架体系存储数据信息，根据数据的地域分布，分别存储各地的数据备份信息，有关产品开发、设计、制造的集成信息存储在公共数据中心中，由数据中心协调统一管理，通过数据中心
204、对各职能小组的授权实现对数据的存取。3.工作流管理4.网络安全性第九节网络化制造5.网络制造企业的有效管理模式及评价策略三、网络化制造的发展趋势1.制造硬件的研究2.智能技术的运用3. CAPP系统技术4.信息交换标准协议的研究思考题1.先进生产模式的战略目标是什么?2.工业工程的工作内容是什么?现代工业工程的发展趋势是什么？3.计算机集成制造的基本观点与内涵是什么?4.计算机集成制造系统的内涵是什么?第九节网络化制造5.计算机集成制造系统由哪几个系统组成?简述计算机集成制造系统的体系结构。6.比较并行工程与串行工程的区别，分析并行工程的运行模式和功能特点。7.实施并行工程的关键技术有哪些？8.阐述精益生产的内涵、特征及核心内容。9.敏捷制造的内涵是什么？由哪几部分组成？关键要素是什么？10.说明虚拟制造的定义、分类及关键技术。11.什么是智能制造系统？其特征是什么？12.什么是人工智能？研究内容是什么？13.什么是专家系统？专家系统的特征是什么？
