机械制造装备设计件作者关慧贞机械制造机装备设计方法.pptx
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1、目 录第一章 机械制造及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 机床夹具设计第四章 工业机器人设计第六章 物流系统设计第1页/共83页共共60页页 第第1页页第一节 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 机械制造装备设计类型和设计方法第五节第五节 机械制造装备设计的评价机械制造装备设计的评价第一章 机械制造装备设计方法第2页/共83页p制造大国制造大国制造业占国民经济制造业占国民经济30%的产值的产值工业增加值居世界第四位工业增加值居世界第四位p建设制造强国是我国的国家目标建设制造强国是我国的国家目标发展
2、高端制造装备发展高端制造装备掌握关键零部件的核心制造技术掌握关键零部件的核心制造技术1.1.1 1 概述第3页/共83页发展机械制造装备的战略意义第一章第一章共共60页页 第第2页页 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。第4页/共83页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
3、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。第5页/共83页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、我国自主创新和高新技术的发展第6页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能p 一般的功能要求;p 柔性化;p 精密化;p 自动化;p 机电一体化;p
4、 节材;p 符合工业工程要求;p符合绿色工程要求多角度的功能要求!第7页/共83页1.2 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、传动精度、运动精度、定位精度和低速运动平稳性等。第8页/共83页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
5、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。第9页/共83页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,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
6、热、热补偿、控制环境温度等。温升变形误差第10页/共83页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。第11页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能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
7、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。第12页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.2 柔性化l 柔性化即产品结构柔性化和功能柔性化。l 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。l 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
8、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。第13页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.2 柔性化l 在柔性制造系统中,不同工件可以同时上线,实现混流加工。这类加工装备投资极大,研制周期长,使用维护涉及的技术难度大,应通过认真的技术经济分析认为有利可图时才可考虑采用。l 要实现机械制造装备的柔性化不一定非要采用柔性制造单元或系统。专用机床也可设计成具有一定的柔性。其柔性表现在机床可进行调整以满足不同工件的加工。调整方法如采用备用主轴、位置可调主轴、工夹量具成组化、工作程序软件化和部分动作实现数控化等。第14页/共83页1.2 1.2 机械制造装备
9、的主要功能1.2.3 精密化l 随着市场竞争的国际化,对产品技术性能的要求越来越苛刻,制造精度的要求越来越高。l 为提高产品的质量,许多工厂还不断地压缩工件制造的公差带,机械制造装备的精密化成为普遍发展的趋势,从微米级发展到亚微米级,乃至纳米级。l 采用误差补偿技术可提高机械制造装备自身的精度。误差补偿技术可以是机械式的,如采用的校正尺或校正凸轮等。较先进的是采用数字化技术,将误差的数学模型存人计算机。在加工时,算出将产生的综合误差,然而由误差补偿装置按算出的综合误差进行补偿。第15页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.4 自动化l可以提高加工效率和劳动生产率,还可以提高产
10、品质量的稳定性,改善劳动条件等。l自动化有全自动和半自动之分:全自动是指能自动完成工件的上料、加工和卸料的生产全过程;半自动则上下料需人工完成。l凸轮控制是采用凸轮机构控制多个部件的运动,使之互相协调地工作,改变工作循环需更换或调整凸轮。第16页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.4 自动化l程序控制指工作程序和定位尺寸可以根据不同的加工对象选择,但不能控制运动轨迹。程序控制可分为固定程序控制和可变程序控制。l 数字控制除了可控制工作程序外,还可以控制运动轨迹,一般采用专门的数控装置。l 适应控制能按事先给定的评价指标,在加工过程中根据实际工作条件(如材料硬度的变化,刀具磨
11、损等)自动地改变加工系统的参数(如切削用量等),使加工过程始终按照给定的评价指标进行。适应控制分约束适应控制、最佳适应控制和学习适应控制等。第17页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.5 机电一体化l指机械技术与微电子、传感检测、信息处理、自动控制和电力电子等技术,按系统工程和整体优化的方法,有机地组成的最佳技术系统。l机电一体化系统和产品的结构通常是机械的,用传感器检测来自外界和机器内部运行状态的信息,由计算机进行处理,经控制系统由机械、液压、气动、电气、电子及它们的混合形式的执行系统进行操作,使系统能自动适应外界环境的变化,机器始终处于正常的工作状态l系统功能强、质量好
12、和故障率低、节能和节材、性能价格比高,具有足够的“结构柔性”的系统。第18页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.6 节材l我国产品设计水平低,选取的安全系数一般偏大,造成产品肥头大耳,造成所谓的结构性材料浪费;又由于工艺水平落后,铸造和锻造过程中金属回收率低,毛坯的加工余量大,不仅浪费了原材料,也浪费了加工工时和能源,造成所谓的工艺性材料浪费。l采用现代设计法,合理地选取安全系数,对主要零部件进行精确计算和优化,改进产品的结构,采用先进的制造装备提高材料的利用率是必要的。第19页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.7 符合工业工程要求l工业工程是对由人、
13、物料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行设计、改善和实施的一门学科。l其目标是设计一个生产系统及其控制方法,在保证工人和最终用户健康和安全的条件下,以最低的成本生产出符合质量要求的产品。l工业工程可以定量分析为主,研究整个大系统工作效率和成本的优化。第20页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.7 符合工业工程要求l 产品设计符合工业工程的要求是指在产品开发阶段,充分考虑结构的工艺性,提高标准化、通用化程度,以便采用最佳的工艺方案,选择最合理的制造设备,减少工时和材料的消耗;合理地进行机械制造装备的总体布局,优化操作步骤和方法,减少操作过程中工人的体力消耗;对市场和消费者进
14、行调研,保证产品正确的质量标准,减少因质量标准订得过高造成不必要的超额工作量。第21页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1.2.8 符合绿色工程要求l企业必须纠正不惜牺牲环境和消耗资源来增加产出的错误做法,使经济发展更少地依赖地球上的有限资源,而更多地与地球的承载能力达到有机的协调。这就是所谓的绿色工程要求。l按绿色工程要求设计的产品称绿色产品。绿色产品设计在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时,优化各有关设计要素,使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中,对环境的影响最小,资源效率最高。第22页/共83页1.2 1.2 机械制造装备的主要功能1
15、.2.8 符合绿色工程要求l绿色产品设计考虑的内容很广泛,包括产品材料的选择应是无毒、无污染、易回收、可重用、易降解的;l产品制造过程应充分考虑对环境的保护,资源回收,如废弃物的再生和处理,原材料的再循环,零部件的再利用等;产品的包装也应充分考虑选用资源丰富的包装材料,以及包装材料的回收利用及其对环境的影响等。l原材料再循环的成本一般较高,应考虑经济上、结构上和工艺上的可行性。为了零部件的再利用,应通过改变材料、结构布局和零部件的连接方式等来实现产品拆卸的方便性和经济性。第23页/共83页 其中,假设机床的主轴功率22KW,加工时间占57%,并假设每年SUV行驶12,000英里,耗油量为20.
16、7mpg。美国麻省理工学院的Gutowski教授在2009年的一个报告中给出了一个令人震惊的结论:一台主轴功率22KW的数控机床(配置有相应的辅助装置),运行一年的所耗电能所对应的CO2排放量(按美国国家电网有关数据推算)相当于61辆SUV汽车的排放量。第24页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备(主要指机床,也称工作母机)包括金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。1.3.2 工艺装备 包括刀具、模具、夹具、量具、辅具等。1.3.3 储运装备 包括物料运输装置、机床上下料装置、刀具输送装置、仓储设备等1.3.4 辅助装备 包括
17、清洗机、排屑设备和测量、包装设备等。第25页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:金属切削机床 通用的金属切削机床按其切削方式可分为车床、钻床、镗床、螺纹加工机床、铣床、刨(插)床、拉床、切断机床和其它机床等。专用机床是为特殊的工艺目的设计和制造的加工装备,组合机床及其自动线是其中的一个大分支,包括大型组合机床及其自动线、小型组合机床及其自动线、自动换刀数控组合机床及其自动线等。机床按其通用特征可分为高精度精密、自动、半自动、数控、仿形、自动换刀、轻型、万能和简式机床等。第26页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:特种加工机床1电加工机
18、床 直接利用电能对工件进行加工的机床,统称电加工机床,一般仅指电火花加工机床、火花线切割机床和电解加工机床。电火花加工机床是利用工具电极与工件之间产生的电火花小电弧从工件上去除微粒材料达到加工要求的机床,主要用于加工硬的导电金属,如淬火钢、硬质合金等。按工具电极的形状和电极是否旋转,电火花加工可进行成形穿孔加工、电火花成形加工、电火花雕刻、电火花展成加工、电火花磨削等。第27页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:特种加工机床 电火花线切割机床是利用一根移动的金属丝作电极,在金屑丝和工件间通过脉冲电流,并浇上液体介质,使之产生放电腐蚀而进行切割加工。电解加工机床是利
19、用金屑在直流电流作用下,在电解液中产生阳极溶解的原理对工件进行加工的方法,又称电化学加工。加工时,工件与工具分别接正负极,两者相对缓慢进给,并始终保持一定的间隙,让具有一定压力的电解液连续从间隙中流过,将工件上的被溶解物带走,使工件逐渐按工具的形状被加工成型。第28页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:特种加工机床2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超声波加工机床。加工时工具作超声振动,并以一定的静压力压在工件上,工件与工具间引入磨料悬浮液。在振动工具的作用下,磨粒对工件材料进行冲击和挤压,加上空化爆炸作用将材料切除。超声波加工适用于特硬材料,
20、如石英、陶瓷、水晶、玻璃等的孔加工、套料、切割、雕刻、研磨和超声电加工等复合加工。第29页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:特种加工机床3激光加工机床 采用激光能量进行加工的设备统称激光加工机床。激光是一种高强度、方向性好、单色性好的相干光。利用激光产生的上万度高温聚焦在工件上,使工件被照射的局部在瞬间急剧熔化和蒸发,并产生强烈的冲击波,使熔化的物质爆炸式地喷射出来以改变工件的形状。激光加工可以用于所有金属和非金属材料,特别适合于加工微小孔和材料切割。常用于加工金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、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孔加工及切割加工。第
21、30页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:特种加工机床4电子束加工机床在真空条件下,由阴极发射出的电子流被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件的一定部位,在几分之一秒内,将其百分之九十九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、气化和蒸发,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。常用于穿孔、切割、蚀刻、焊接、蒸镀、注入和熔炼等。此外,利用低能电子束对某些物质的化学作用,可进行镀膜和曝光,也属于电子束加工。第31页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.
22、3.1 加工装备:特种加工机床5离子束加工机床离子束加工机床就是利用离子束的特性进行加工的装备。在电场作用下,将正离子从离子源出口孔“引出”,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,或使靶材离子沉积到工件表面上,或使杂质离子射人工件内。用这种方法对工件进行穿孔、切割、铣削、成像、抛光、蚀刻、清洗、溅射、注入和蒸镀等,统称离子束加工。第32页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:特种加工机床6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。随着
23、工件与水柱间的相对移动,切割出要求的形状。常用于切割某些难加工材料,如陶瓷、硬质合金、高速钢、模具钢、淬火钢、白口铸铁、耐热合金、复材等。第33页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:锻压机床锻压机床是利用金属的塑性变形特点进行成形加工,属无屑加工设备。锻造机是利用金属的塑性变形,使坯料在工具的冲击力或静压力作用下成形为具有一定形状和尺寸的工件,同时使其性能和金相组织符合一定的技术要求。锻造加工可分为手工锻造、自由锻造、胎模锻造、模型锻造和特种锻造等。也可分热锻、温锻和冷锻等。冲压机是借助模具对板料施加外力,迫使材料按模具形状、尺寸进行剪裁或塑性变形,得到要求的金属
24、板制件。根据加工时材料温度的不同,可分为冷冲压和热冲压。冲压工艺省工、省料和生产率高。第34页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.1 加工装备:锻压机床 挤压机是借助于凸模对放在凹模内的金属坯料加力挤压,迫使金属挤满凹模和凸模合成的内腔空间,获得所需的金属制件。挤压加工更节约金属、提高生产率和制品的精度。可分为冷挤压、温热挤压和热挤压。轧制机是使金属材料经过旋转的轧辊,在轧辊压力作用下产生塑性变形,以获得所要求的截面形状并同时改变其性能。分热轧和冷轧。按轧制方式又可分纵轧、横轧和斜轧。纵轧用于轧制板材、型材、钢轨等;横轧用于轧制套圈类零件;斜轧主要用于轧制钢球。第35页/共83
25、页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.2 加工装备:刀具l 切削加工时,从工件上切除多余材料所用的工具,称之为刀具。l 刀具的种类颇多,如车刀、刨刀、铣刀、钻头、丝锥、齿轮滚刀等。l 大部分刀具已标准化,由工具制造厂大批量生产,不需自行设计。第36页/共83页1.3 1.3 机械制造装备的类型1.3.2 加工装备:模具 模具是用来将材料填充在其型腔中,填充材料的不同,以获得所需形状和尺寸制件的工具。1粉末冶金模具 粉末冶金是制造机器零件的一种加工方法,将一种或多种金属或非金属粉末混合,放在粉末冶金模具内,加压成形,再烧结成制品。2塑料模具 塑料是以高分子合成树脂为主要成分,在一定条件下可
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