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机械制造技术基础Fundamentals of Mechanical Manufacturing Technology王 芳陕西科技大学机电工程学院1 绪论绪论本章要点机械制造的发展过程、作用和地位现代机械制造的方法本课程的研究内容和学习方法2 广义理解：广义理解：制造制造 =生产生产一、一、制造和制造技术制造和制造技术 制造制造输入输出+-生产活动生产活动效益生产活动是人类赖以生存和发展的最基本活动 从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财富并创造效益的输入输出系统 生产财富有形（产品）无形（服务）生产的定义转变效率：生产率=输出/输入 生产要素生产对象（原材料）生产资料（直接、间接）能源劳动力信息（知识、技能、情报）资金3 狭狭义义理理解解：生生产产过过程程从从原原材材料料成成品品直直接接起起作作用用的的那那部部分分工工作作内内容容，包包括括毛毛坯坯制制造造、零零件件加加工工、产产品品装装配配、检验、包装等具体操作检验、包装等具体操作 课程的内容和性质决定课程的内容和性质决定 美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业列为制造业一、一、制造和制造技术制造和制造技术 制造业制造业CIRPCIRP定义定义：制造包括制造企业的产品设计、材料选择、：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。作和活动。国际生产工程科学院（CIRP，The International Academy for Production Engineering）成立于1951年，原名为国际生产工程研究会（International Institution for Production Engineering Research），于2006年改名为国际生产工程科学院CIRP是机械工程领域学术地位最高的国际学术组织，总部设在法国巴黎。该组织现有来自四十多个国家的145名院士。我国现有CIRP院士4人 4第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输一、一、制造和制造技术制造和制造技术第一、二、三产业的划分5制造技术制造技术 在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术种手段的总和，称为制造技术运用一定的知识、技能运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法采取有效的方法 手段包括手段包括 制造技术是制造企业的技术支柱，是制造企业持续发制造技术是制造企业的技术支柱，是制造企业持续发展的根本动力展的根本动力 美国国家生产力委员会所作的一项调查表明，在企业美国国家生产力委员会所作的一项调查表明，在企业生产力构成中，制造技术的作用约占生产力构成中，制造技术的作用约占62%62%。一、一、制造和制造技术制造和制造技术6二、二、机械制造技术的发展过程机械制造技术的发展过程 作坊式的以手工劳动为主的生产方式作坊式的以手工劳动为主的生产方式 1717世世纪纪6060年年代代，瓦瓦特特改改进进蒸蒸汽汽机机，标标志志第第一一次次工工业业革革命命兴兴起起，工业化大生产从此开始工业化大生产从此开始 1818世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始世纪中，麦克斯韦尔建立电磁场理论，电气化时代开始 2020世世纪纪初初，福福特特汽汽车车生生产产线线，泰泰勒勒科科学学管管理理方方法法，标标志志自自动化时代到来（以大量生产为特征动化时代到来（以大量生产为特征Mass ProductionMass Production）二二战战后后，计计算算机机、微微电电子子技技术术，信信息息技技术术及及软软科科学学的的发发展展，以以及及市市场场竞竞争争的的加加剧剧和和市市场场需需求求多多样样性性的的趋趋势势，使使中中小小批批量量生生产产自自动动化化成成为为可可能能，并并产产生生了了综综合合自自动动化化和和许许多多新新的的制制造造哲理与生产模式哲理与生产模式 进进入入2121世世纪纪，制制造造技技术术向向自自动动化化、柔柔性性化化、集集成成化化、智智能能化、精密化和清洁化化、精密化和清洁化的方向发展的方向发展7 目前，发达国家机械制造技术已经达到相当水平，实目前，发达国家机械制造技术已经达到相当水平，实现了机械制造系统自动化现了机械制造系统自动化 产品设计普遍采用计算机辅助设计产品设计普遍采用计算机辅助设计(CAD)(CAD)、计算机辅助、计算机辅助产品工程产品工程(CAE)(CAE)和计算机仿真等手段和计算机仿真等手段 企业管理采用了科学的规范化的管理方法和手段企业管理采用了科学的规范化的管理方法和手段 在加工技术方面也已实现了底层的自动化，包括广泛在加工技术方面也已实现了底层的自动化，包括广泛地采用加工中心地采用加工中心(或数控技术或数控技术)、自动引导小车、自动引导小车(AGV)(AGV)等等 近近10 10 余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制余年来，发达国家主要从具有全新制造理念的制造系统自动化方面寻找出路，提出了一系列新的制造系统，造系统自动化方面寻找出路，提出了一系列新的制造系统，如计算机集成制造系统、精良生产如计算机集成制造系统、精良生产、敏捷制造、并行工程、敏捷制造、并行工程等。等。8三、三、机械制造在国民经济中的地位机械制造在国民经济中的地位 这是美国麻省理工学院的著名学者、教授们经两年努力对美国及西欧和东亚一些国家的八个工业制造部门进行深入调查、研究后而完成的集体之作“夺回生产优势”(美国制造业的衰退及对策)一书中的第一句话制造业是一个国家的立国之本，为人类创造着辉煌的物质文明“一个国家的人民要生活得好，就必须生产得好一个国家的人民要生活得好，就必须生产得好”9三、三、机械制造在国民经济中的地位机械制造在国民经济中的地位 国国民民经经济济的的支支柱柱产产业业，美美国国68%68%的的财财富富来来源源于于制制造造业业；日日本本，国国民民经经济济总总产产值值的的约约49%49%由由制制造造业业提提供供。世世界界发发达达国家无不具有强大的制造业国家无不具有强大的制造业 美美国国：约约1/1/4 4人人口口直直接接从从事事制制造造业业，其其余余人人口口中中又又有有约约半半数人所做工作与制造业有关数人所做工作与制造业有关 日本的经验日本的经验由由于于重重视视制制造造业业，特特别别是是汽汽车车制制造造和和微微电电子子制制造造，二二次次大大战后战后3030年时间，发展成为世界经济大国年时间，发展成为世界经济大国微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件19911991年年海海湾湾战战争争结结束束后后，日日本本人人说说美美国国赢赢得得这这场场战战争争是是依依靠日本的芯片，是日本的芯片打败了伊拉克的钢片靠日本的芯片，是日本的芯片打败了伊拉克的钢片 机械制造业是制造业的基础，机械制造业是制造业的基础，是重中之重是重中之重10三、三、机械制造在国民经济中的地位机械制造在国民经济中的地位 瑞士的成功瑞士的成功700700多多万万人人口口小小国国，人人均均国国民民生生产产总总值值世世界界第第一一（4.34.3万万美美元元以以上）上）精密机械的出口量是中国的精密机械的出口量是中国的8 8倍倍瑞士手表瑞士手表瑞士军刀瑞士军刀诺基亚的神话诺基亚的神话橡橡胶胶鞋鞋 引引进进信信息息技技术术生生产产手手机机，20002000年年销销售售量量占占全全球球市市场的场的37%37%芬兰股市值的芬兰股市值的2/32/320012001年全球收入额年全球收入额250250亿美元，占该国总出口的亿美元，占该国总出口的1/51/511三、三、机械制造在国民经济中的地位机械制造在国民经济中的地位 美国的教训美国的教训在在一一段段相相当当长长时时间间内内忽忽视视了了制制造造技技术术的的发发展展，结结果果导导致致经经济济衰衰退退，竞竞争争力力下下降降，出出现现在在家家电电、汽汽车车等等行行业业不不敌敌日日本本的的局局面面19941994年年定定为为美美国国的的制制造造技技术术年年，并并把把制制造造技技术术作作为为当当年年财财政政重点扶持的唯一领域重点扶持的唯一领域克克林林顿顿：先先进进制制造造技技术术列列为为六六大大国国防防关关键键技技术术之之首首，美美国国经经济济连连续续8 8年年取取得得2-3%2-3%的的增增长长率率，同同时时保保持持低低的的通通货货膨膨胀胀和和失失业业率率 东南亚经济危机的启示东南亚经济危机的启示经经济济基基础础放放在在旅旅游游、金金融融、房房地地产产、服服务务业业上上，经经济济就就容容易形成泡沫，一有风吹草动就会产生经济危机易形成泡沫，一有风吹草动就会产生经济危机欧债危机欧债危机 德国德国12三、三、机械制造在国民经济中的地位机械制造在国民经济中的地位 知识经济知识经济 新经济时代新经济时代 电脑与网络带来的一切经济革新电脑与网络带来的一切经济革新先先进进的的制制造造技技术术使使一一个个国国家家的的制制造造业业乃乃至至国国民民经经济济处处于于有竞争力的地位有竞争力的地位制制造造技技术术是是当当代代科科学学技技术术发发展展最最为为活活跃跃的的领领域域，是是产产品品更更新新、生生产产发发展展、国国际际间间经经济济竞竞争争的的重重要要手手段段，各各工工业业化化国国家家纷纷纷纷把把先先进进制制造造技技术术列列为为国国家家的的高高新新关关键键技技术术和和优优先先发展项目，给予了极大的重视和关注发展项目，给予了极大的重视和关注当今电子技术、信息技术的发展，使传统的的制造业革当今电子技术、信息技术的发展，使传统的的制造业革新了它原来的面目，但绝不是削弱了它的重要地位新了它原来的面目，但绝不是削弱了它的重要地位13信息技术促进了敏捷制造的发展，形成了以虚拟制造和动态联盟为特征的新型制造模式。网络技术促进了全球化制造的发展，引发了制造业的重新分工和资源的重新配置。计算机技术促进设计制造数字化，提高了产品创新能力，缩短了设计周期，降低了产品开发成本。电子商务技术促进了全球化采购/销售，降低了采购与销售成本，提高了服务质量。14数字数字BOEING技术趋势技术趋势虚拟设计制造虚拟设计制造全生命周期设计制造全生命周期设计制造PLM并行工程并行工程CE全球化的协作平台全球化的协作平台EXSTAR美国美国B777的应用效果的应用效果开发周期：开发周期：9年年4.5年年成本降低：成本降低：25100整机数字化设计整机数字化设计世界垄断与霸主地位世界垄断与霸主地位制造业发生的深刻变革制造业发生的深刻变革数字化飞机数字化飞机1516技术趋势技术趋势数字化设计制造数字化设计制造虚拟样机虚拟样机全球采购和分销全球采购和分销大规模定制大规模定制通用公司应用状况通用公司应用状况开发周期（开发周期（48月月24月月 12月）月）碰撞试验（碰撞试验（100次次 50次）次）个性化定单个性化定单 3小时小时通过在线采购降低成本通过在线采购降低成本10产品概念设计产品概念设计产品详细设计产品详细设计制造业发生的深刻变革制造业发生的深刻变革数字化轿车数字化轿车17四、我国机械制造业面临的机遇和挑战四、我国机械制造业面临的机遇和挑战我国机械制造业与世界发达国家的差距我国机械制造业与世界发达国家的差距 发展迅速，成绩瞩目发展迅速，成绩瞩目存存在在阶阶段段性性的的差差距距:产产品品质质量量和和水水平平不不高高，技技术术开开发发能能力力不不强强，基基础础元元器器件件和和基基础础工工艺艺不不过过关关，生生产产率率低低下下，科科技投入严重不足技投入严重不足在在宝宝钢钢，设设备备都都是是国国内内生生产产的的，但但整整个个系系统统却却标标着着SMSSMS（德德国国西西马马克克）。整整个个系系统统的的成成套套所所摄摄取取的的附附加加值值一一般般是是20%20%以以上上，也也就就是是说说，有有20%20%以以上上的的这这种种高高附附加加值值都都被被国国外外的公司白白拿走了。的公司白白拿走了。光光纤纤制制造造装装备备的的100%100%、集集成成电电路路芯芯片片制制造造装装备备的的85%85%、大大型型成成套套石石油油化化工工装装备备的的80%80%、轿轿车车工工业业装装备备、数数控控机机床床、纺织机械和胶印设备的纺织机械和胶印设备的70%70%由进口产品占领由进口产品占领 DVD DVD 打火机打火机 机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一 美国的美国的1/25 1/25 日本的日本的1/26 1/26 德国的德国的1/201/2018四、我国机械制造业面临的机遇和挑战四、我国机械制造业面临的机遇和挑战 困困难难：技技术术上上落落后后，资资金金不不足足，资资源源短短缺缺，管管理理体体制制、周周边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机边环境还存在诸多问题（地方保护，信用危机）机机遇遇：中中国国已已加加入入WTOWTO，制制造造业业是是为为数数不不多多的的有有竞竞争争优优势势的的行行业业之之一一，承承受受着着国国际际市市场场的的巨巨大大压压力力。当当前前世世界界上上正正在在进进行行新新一一轮轮的的产产业业调调整整，一一些些产产品品的的制制造造逐逐渐渐向向发发展展中中国国家家转转移移，我我国国已已经经成成为为许许多多跨跨国国公公司司的的首首选选之之地地，正正在在成成为为世世界制造大国，这已经成为不争的事实界制造大国，这已经成为不争的事实机械工业在信息化中做什么机械工业在信息化中做什么传统产品信息化传统产品信息化用信息技术、高新技术改造传统产业用信息技术、高新技术改造传统产业传统产品转为信息产品传统产品转为信息产品开拓新的信息产品开拓新的信息产品信息产业的制造装备信息产业的制造装备制造业所需软件制造业所需软件 机遇与挑战机遇与挑战19按照在由原材料或毛坯制造成为零件的过程中，质量m的变化，可分为:m0：快速成形技术，又称材料累加法五、五、机械制造的方法机械制造的方法20机械加工机械加工 净成形 精密铸造成形、精密塑性成形、精密注塑成形 切削加工 普通加工（微米加工）、精密（亚微米加工）与超精密加工（纳米加工）、高速加工、数控加工 特种加工特种加工 电火花、激光、超声波、离子束五、五、机械制造的方法机械制造的方法21主要内容主要内容 金属切削原理金属切削原理 机械加工方法与切削刀具机械加工方法与切削刀具 机械加工与装配工艺规程制订机械加工与装配工艺规程制订 机床夹具设计原理机床夹具设计原理 机械加工精度机械加工精度 机械加工表面质量机械加工表面质量六、六、课程的研究内容课程的研究内容22研究什么？研究什么？23课程宗旨课程宗旨掌握：金属切削过程的基本规律和机械加工的基本知识选择：机械加工方法与机床、刀具、夹具及切削加工参数具备：制订机械加工工艺规程的初步能力掌握：机械加工精度和表面质量的基本理论和基本知识具备：分析和解决现场工艺问题的初步能力机械制造领域的最新成就和发展趋势了解：24学习方式学习方式 课堂讲授课堂讲授讲授重点、难点讲授重点、难点 自学自学课程内容课程内容2020自学自学 实践环节实践环节作业、练习、实验、生产实习、课程设计作业、练习、实验、生产实习、课程设计考核方法考核方法 期末考试期末考试7070 作业作业2020，其它，其它1010课程特点与学习方法课程特点与学习方法 综合性综合性注意联系和综合应用以往所学知识注意联系和综合应用以往所学知识 实践性实践性注意理论联系生产实际，重视实践性环节注意理论联系生产实际，重视实践性环节 灵活性灵活性掌握基本原理，活学活用掌握基本原理，活学活用七、七、课程的特点及学习方法课程的特点及学习方法251.2.2 制造业在国民经济中的地位制造业在国民经济中的地位 19631963年年19831983年年美日两国汽车产量在世界市场所占份额26东芝事件多轴数控机床改进核潜艇性能三、机械制造在国民经济中的地位三、机械制造在国民经济中的地位27三、机械制造在国民经济中的地位三、机械制造在国民经济中的地位农业经济农业经济农业经济农业经济（50005000多年）多年）多年）多年）工业经济工业经济工业经济工业经济（大约（大约（大约（大约300300年）年）年）年）知识经济知识经济知识经济知识经济工业经济是以制造工业经济是以制造业为主要产业业为主要产业知识经济时代则是制造知识经济时代则是制造业和服务业逐步一体化业和服务业逐步一体化28神州神州5 5号号宇宙飞船宇宙飞船我国已是世界上第三个独立展开载人航天活动的国家 29深海载人潜器示意图深海载人潜器示意图 30深海载人潜器的工作原理和效果图深海载人潜器的工作原理和效果图 “载人深潜器提供了有力手段，科学家因此可以载人深潜器提供了有力手段，科学家因此可以身临其境在深海及其海底开展在水面科考船或实验身临其境在深海及其海底开展在水面科考船或实验室里没法做的各种科研工作。室里没法做的各种科研工作。”31 2010年8月26日，科技部与国家海洋局联合发布了一条好消息：我国首个自行设计、自主集成研制的载人潜水器“蛟龙号”日前突破3000米下潜深度，最大下潜深度达到3759米。这标志着我国成为继美、法、俄、日之后第五个掌握3500米以上大深度载人深潜技术的国家 未来“蛟龙号”的使命包括运载科学家和工程技术人员进入深海，在海山、洋脊、盆地和热液喷口等复杂海底有效执行各种科学考察，开展深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测和捕获等工作，并将执行水下设备定点布放、海底电缆和管道检测以及其他深海探寻及打捞等各种复杂作业 32