机械制造技术装备及设计.ppt

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1、机制装备及设计,绪 论,机械制造技术装备及设计,机电工程学院 制造工程系 张海燕 博士Tel:+e-mail:腾讯 ICQ:504837206,机制装备及设计,绪 论,绪 论,制造技术的发展是人类社会前进的重要推动力量 先进制造技术及其内涵先进制造技术对机械制造技术装备的要求 二十一世纪制造科学与技术发展趋势机械制造技术装备得发展方向,机制装备及设计,绪 论,一、制造技术的发展是人类社会前进的重要推动力量整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。制造业处于国家工业的中心地位国民经济持续发展的基础现代化建设的发动机和动力源在国际竞争中取胜的法宝技术进步的主要舞台提高人均收入的财源国

2、防装备和国家安全的重要保障发展现代文明的物质基础,机制装备及设计,绪 论,装备制造业 定义,工业：指开采资源并对其加工，为社会提供商品、服务或资源的生产部门的总称。制造业：指对采掘的自然物质资源和工农生产的原材料进行加工和再加工，为国民经济其它部门提供生产资料，为全社会提供日用消费品的生产制造部门。,机制装备及设计,绪 论,装备制造业：是为国民经济和国防建设各行业进行简单再生产和扩大再生产提供工具和装备的生产制造部门。是制造业的核心组成部分。装备制造业为其他产业提供技术手段，其技术水平直接影响其他产业的竞争力。提高装备制造业产品的质量、水平、性能，对降低工业综合能耗，提高整个国民经济效益，实现

3、增长方式的转变作用巨大。,机制装备及设计,绪 论,没有强大的制造业，一个国家将无法实现经济快速、健康、稳定的发展，劳动就业问题将日趋凸显，人民生活难以普遍提高，国家稳定和安全将受到威协，信息化，现代化将失去坚实基础。制造业对于一个国家现代化建设具有不可替代的重要地位和作用。（中国科学院院长路甬祥）,机制装备及设计,绪 论,美国的教训1.上个世纪70年代,美国不重视制造业,把制造业称为“夕阳工业”,结果导致美国80年代的经济衰退2.80年代后期，美国的一些国会议员、政府要员纷纷要求政府出面，协调和支持制造产业的发展，1991年，布什政府期间，美国白宫科学技术政策办公室发表了总数为22项的美国国家

4、关键技术，其中制造技术占4项，标志着美国科技政策的转变。3.克林顿上台后，对制造业大力支持，他把先进制造技术列为六大国防关键技术之首。结果美国在机械工业、汽车工业、航空工业及信息产业等方面取得了明显的进展，使美国的经济连续8年取得了2-3%的增长率，而且还同时保持低通胀率和低失业率。这就是克林顿虽发生丑闻而未被弹劾的主要原因。,机制装备及设计,绪 论,日本的经验1.在上个世纪70-80年代，日本非常重视制造业，特别大抓了汽车制造和微电子制造，结果日本的汽车和家用电器占领了全世界的市场，特别是大举进入了美国市场。2.日本的微电子芯片成为美国高技术产品的关键元件。1991年海湾战争结束后，日本人说

5、美国赢得这场战争是依靠的日本的芯片，是日本的芯片打败了伊拉克的钢片”。,机制装备及设计,绪 论,东南亚经济危机的启示1.1998年爆发的动南亚经济危机，从另一个侧面反映了一个国家发展制造业的重要。一个国家，如果把经济的基础放在股票、旅游、金融、房地产、服务业上，而无自己的制造业，这个国家的经济就容易形成泡沫经济，一有风吹草动就会产生经济危机。2.新加坡、台湾都有自己的制造业，因此受经济危机的影响小一些。,机制装备及设计,绪 论,瑞士依靠什么使人均产值居世界第一？1.瑞士是一个仅700万人口的小国，但瑞士的制造业十分发达，瑞士的精密机械产品的出口量是我国的8倍。2.现在瑞士的年人均国民生产总值达

6、到4.3万美元以上,居世界第一。3.瑞士机床厂约104家、员工1.2万人,2000年机床产值22.8亿美元，居世界第五位。机床出口额19.6亿美元，仅次于日、德，居世界第三位。瑞士的中小型精密机床，长期独步世界，质量超群，无人可以替代。瑞士的手表世界第一，著名的瑞士玛格精密磨齿机，IBAG、Fisher、Step-tec高速电主轴连小小的军刀，也风靡全世界。,机制装备及设计,绪 论,2001年中国工程院的调查结论:中国制造业占国民生产总值的1/3 2.占整个工业生产的4/53.为国家财政提供1/3以上的收入4.贡献出口总额的90%5.就业人员8043万,机制装备及设计,绪 论,中国装备制造业

7、发展历程,机制装备及设计,绪 论,缺乏一批具有系统设计、系统成套和工程总承包能力的工程公司，大量的成套设备市场不得不拱手让给外商。,成套能力薄弱,国民经济和高技术产业发展所需要的装备已形成依赖进口的局面。2001年,全国进口装备制造业产品1100亿美元，占全国外贸进口总额48,装备进口依赖严重,光纤制造装备100、集成电路芯片制造装备90以上、大型石油化工装备80、轿车制造装备、数控机床、纺织机械、胶印设备70靠进口。,高技术装备国内匮乏,中国装备制造业 发展现状,机制装备及设计,绪 论,中国机电与高科技产品进口情况,-重型和高新装备进口趋势加大,中国装备制造业 发展现状,机制装备及设计,绪

8、论,比例很小,我国在生产重大、关键和成套设备方面达到20世纪90年代国际先进水平的主要产品数量较少，目前主要机械产品中达到当代世界先进水平的不足5%。,差距明显,机械工业制造技术及装备有1520年的差距，在钢铁、石化、电力、等15个行业，装备技术水平落后世界先进水平510年，个别2030年。,趋势恶化,近年来，在技术开发、生产制造、质量管理和供货服务等方面与国外的差距均有进一步拉大的趋势。,-装备制造业的进口替代市场长期存在,中国装备制造业 发展现状,机制装备及设计,绪 论,缺乏自主创新能力（国外形容为照抄照搬的制造业）；制造技术的基础薄弱（追求产品和型号，忽视基础和工艺）；企业的创新体系尚未

9、形成。,中国装备制造业 发展现状,-装备制造业技术存在的问题,机制装备及设计,绪 论,盾构机按照设计路线掘进，准确到达预定的出口。,广州地铁二号线客村站盾构施工现场（2002年）采用德国Herrenknecht与广州市广重企业集团合作生产的第一台6.3m激光制导土压平衡式盾构机,机制装备及设计,绪 论,广州市广重企业集团第一台盾构机总装车间现场,机制装备及设计,绪 论,二、先进制造技术及其内涵“先进制造技术”包括两重意义:一是“先进”，即设计思想和设计方法要先进，制造手段和制造过程管理要先进，市场需求反应要先进；二是要全面、系统、动态地反应对待和处理先进制造技术领域的问题。,机制装备及设计,绪

10、 论,先进制造技术都具有如下特点:先进制造技术并不摒弃传统技术，而是不断用新科技手段去研究它，并运用科技新成果去充实它、融合它。特别是利用先进技术研究传统工艺的成形原理，建立数学模型，并利用优化设计技术进行传统工艺方法的优化。先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理等方面的应用。其中特别是以人为主体的，人、技术、管理三结合。先进制造技术强调各专业、各学科之间的相互交叉、渗透和融合，淡化并逐步消除它们之间的界限。,机制装备及设计,绪 论,先进制造技术必须跳出传统的仅限于“制造过程本身”的框框，而要扩展到从产品市场调研、产品设计、工艺设计、加工制造、

11、售前售后服务、回收等产品生命周期的所有内容，使它们的物料流、信息流、能量流通顺流畅。先进制造技术是一个动态技术，不是一成不变的技术。它要不断吸收各种高新技)术成果，并及时地将其渗透到产品的设计、制造、生产管理及市场营销的所有领域及全部过程实现优质、高效、低消耗的生产。先进制造技术是面向21世纪的系统技术，它的目标很明确，就是提高制造业的综合经济效益、社会效益和环境生态效益。产品资源消耗最少，对环境污染要小，甚至为零：对人体的危害要最小，甚至为零。,机制装备及设计,绪 论,三、先进制造技术对机械制造技术装备的要求 功能(Function)、交货期(Time to market)、质量(Quali

12、ty)、价格(Cost)、和服务(Service)均优良，即FTQCS五要素缺一不可。,机制装备及设计,绪 论,四、二十一世纪制造科学与技术发展趋势制造科学与技术研究的重要性制造科学与技术的发展趋势纳米制造的迫切性,机制装备及设计,绪 论,绿色制造是制造科技的发展方向2.与高新技术相互融合，制造技术发展日新月异3.信息技术大大促进和提升了制造技术水平4.极端条件下制造是制造技术发展的重要领域,机制装备及设计,绪 论,1.绿色制造是制造科技的发展方向,随着社会的发展，机电产品制造业成为最大的资源使用者，也是最大的环境污染源。据统计，全世界制造业每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物，占全球污

13、染物总量的70%以上。全世界1996年有2400万辆汽车报废，2000年有2000万台计算机被淘汰。我国在2003年达到报废标准的汽车超过140万辆，家用电器2000余万台。,机制装备及设计,绪 论,制造业的正负两方面,机制装备及设计,绪 论,.,产品更新换代加快 资源短缺问题突出,机制装备及设计,绪 论,面对日趋严峻的资源和环境约束，世界各国都在 制订可持续发展规划。德国制订了产品回收法规，日本等国提出了 减少、再利用及再循环（Reduce，Reuse，Recycle）的战略，美国提出了“再制造”及“无 废弃物制造”（Waste-Free Process）的新理 念。欧盟将颁布“汽车材料回收

14、”法规，从2005年起，要求新生产的汽车材料的85%能再利用。,机制装备及设计,绪 论,美军是再制造的最大受益者。通过再制造,不但节约了装备制造费用,而且延长了装备寿命，提高了装备的维修能力。B-52轰炸机是美国于1961-1962年定型生产的，1980年、1996年两次进行再制造改造，改造后的性能得到大幅度提高，预计服役年限可到2030年。,机制装备及设计,绪 论,2.与高新技术相互融合，制造技术发展日新月异,科学技术特别是生物、纳米、新能源和新 材料等高技术的迅猛发展，对制造科技带 来了深刻的变化。制造业是高技术的重要载体；高技术又为 制造业前瞻性发展提供了技术支持。,机制装备及设计,绪

15、论,（1）生物制造,机制装备及设计,绪 论,Bio-Plotter,机制装备及设计,绪 论,细胞胶联系统,机制装备及设计,绪 论,机制装备及设计,绪 论,（2）新材料,汽车的轻量化及精密化 美国要求汽车工业到2003年油耗降为每100公里3 立升；降低10%汽车重量提高热效率7%及降低污染10%；美国新一代汽车研究计划的目标是要求车身、车架 减轻重量50%，而动力系统减轻重量10%航空、航天及军事装备的轻量化及精密化 美国部队有运载车250000辆，拖车110000辆。和平时期：每加仑油10美元 战争年代：每加仑油100-400美元,机制装备及设计,绪 论,机制装备及设计,绪 论,机制装备及设

16、计,绪 论,机制装备及设计,绪 论,3.信息技术促进和提升制造技术水平,信息技术与制造技术相融合，将进一步给 设计与制造技术带来深刻的，甚至是革命 性的变化。更好、更快、更省、更可靠地制造出创新 产品。,机制装备及设计,绪 论,根据美国科学研究工程技术委员会的测算：模拟仿真可提高产品质量515倍 增加材料利用率25%降低工程技术成本13%30%降低人工成本5%20%增加投入设备的利用率30%60%缩短产品设计和试制周期30%60%增加分析问题广度和深度的能力33.5倍等计算机模拟仿真研究的目标：多尺度、多学科、多功能、高精度及高效率,机制装备及设计,绪 论,4.极端制造是制造技术发展的重要领域

17、,制造空天飞行器、超常规动力装备、超大型冶金和石油化工装备等极大尺寸和极强功能的重大装备；制造微纳电子器件、微纳光机电系统等极小尺度和极高精度的产品。,机制装备及设计,绪 论,（1）极小尺度微纳制造,机制装备及设计,绪 论,（2）极大尺寸高性能构件强能场制造,精度（回弹）：1%残余应力：0.01 晶粒度：3050m 各向同性：0.1%零件变形抗力：16万吨,机制装备及设计,绪 论,飞行高度 1010/s,粗糙度 0.5 波纹度 1,磁存储密度：60500-1000Gb/in2集成电路线宽：90 50nm,制造难点：原子级平整表面制造特殊功能表面制备纳米微米形状加工,（3）极高精度,机制装备及设

18、计,绪 论,（4）大型构件的精密制造,机制装备及设计,绪 论,（5）高速、高精密制造,机制装备及设计,绪 论,芯片上引线数目的增加趋势近期,机制装备及设计,绪 论,机制装备及设计,绪 论,三峡水轮机,机制装备及设计,绪 论,5.我国中长期规划目标,网络化、协同化、开放式复杂机电产品创新设计 理论与技术 重大工程中的特大型及关键零件的制造技术与科学 精密及超精密制造技术与智能化装备 基于模拟仿真的信息化、数字化制造技术与科学 亚微米到纳米级的微细制造技术与科学 生物制造技术与科学 绿色制造技术与科学（将渗透在以上科技内容中）废旧产品再制造理论和关键技术,机制装备及设计,绪 论,五、机械制造技术装

19、备得发展方向成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞争能力的4个要素 而其总的发展趋势是：高效化、精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、集成化和全球化。1.高效柔性化 2.高精化3.工序集约化 4.数字化、信息化、网络化、智能化5.微型化 6.新型的机床结构并联机床,机制装备及设计,绪 论,1.高效柔性化 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生

20、产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。,机制装备及设计,绪 论,高效柔性化指标的内涵,机制装备及设计,绪 论,高速切削加工的历史 1931年4月27日，Fitenrich Krupp AG就金属加工方法和刀具加工材料的材料

21、变化的相似性向德国专利局申请了专利，专利号为523594G，发明家Carl Salomon对不同材料进行切削实验，实验切削速度如下：切削钢铁、非铁材料及轻金属材料、切削速度为440m/min(1444ftmin)；切削青铜，切削速度为1600m/min(5250ft/min)；切削紫铜，切削速度为2840m/min(9318ft/min)；切削铝，切削速度高达16500m/min(54133ft/min)。实验结果表明，当切削速度超过某一数值时，切削速度再增大，切削温度反而会降低(图1)。Salomon是用圆锯片来做实验研究的，这主要是因为当时还没有肩速旋转的电机，因而只能通过加大圆锯片的直径

22、来得到较高的切削速度(v=dn/1000，m/min)。,机制装备及设计,绪 论,机制装备及设计,绪 论,实践表明，高速切削具有以下加工特点：切削力降低件热变形减少有利于保证零件的尺寸、形位精度已加工表面质量高工艺系统振动减小 显著提高材料切除率加工成本降低,机制装备及设计,绪 论,根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5 10倍的切削加工。因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削。目前，加工铝合金已达到20007500m

23、/min；铸铁为9005000m/min；钢为6003000m/min；耐热镍基合金达500m/min；钛合金达1501000m/min；纤维增强塑料为20009000m/min。,机制装备及设计,绪 论,一般来说，高速加工的数控机床通常具有以下三大特征：1)技术性能高。主轴转速20000 120000 r/min，最大进给速度120m/min，最大加速度13g。2)采用新型的结构和运动机构，在保证机床刚度的前提下进一步使移动部件轻量化。3)高性能功能部件（包括主轴系统、数控系统和驱动）的全面集成，零传动(即直接电驱动，如电主轴、直线电机、平面电机等)。,机制装备及设计,绪 论,德国BEM公司

24、的高速电主轴,高速电主轴,机制装备及设计,绪 论,瑞士IBAG 电磁悬浮轴承精密高速电主轴,机制装备及设计,绪 论,直线电机,机制装备及设计,绪 论,平面电机,机制装备及设计,绪 论,刀柄与主轴的联接在大多数高速切削机床上以下图所示的圆锥空心柄（HSK）为主。,HSK 型刀柄及其联结结构,机制装备及设计,绪 论,机制装备及设计,绪 论,2.高精化 产品的加工精度直接影响到其工作性能、寿命、能耗和噪声等，因此，数控机床的高精化是市场需求和技术发展的必然结果。,机制装备及设计,绪 论,统计自上世纪80年代至2002年国内外先进水平数控机床的工作精度提高的过程，平均每年提升10%，即每隔8年误差约减

25、小一半，如图1所示。,机制装备及设计,绪 论,3.工序集约化工序集约化是指在一台机床上能加工完毕一个零件的所有工序，五面体镗铣加工中心就是其中典型的例子。近年来，数控车床的工序集约化也有很大进展。例如，德国Index公司的最新推出的车削加工中心就能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等许多工序，完成复杂零件的全部加工。机床的结构是模块化的，如下图所示。,机制装备及设计,绪 论,龙门系列多功能自动加工设备-五面体加工中心,特点是待加工零件在一台机床上一次装夹可完成除支撑面外的全部冷加工内容.易于满足被加工零件各个面间的空间位置精度要求及复杂形面的加工要求.主要用于大型基础件及大型复杂件

26、的加工,机制装备及设计,绪 论,机制装备及设计,绪 论,4.信息化、网络化、智能化 随着网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化和信息化已成为必然的趋势，互联网进入车间只是时间问题。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心不仅实现了加工过程和刀具交换的自动化，还配备一个称为信息塔（e-Tower）外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信功能。该机床与生产计划调度联网，实时反映机床工作状态和加工进度。操作者需指纹确认权限，在屏幕上观察加工过程。故障报警显示、在线帮助排除。它是独立的、自主管理的制造单元。,机制装备及设计,绪 论,下图所示为日本Maz

27、ak的信息化车削加工中心。,机制装备及设计,绪 论,5.微型化 微型化和微细结构是当代技术世界的关键词，微机电系统MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)是20世纪80年代后期国际上兴起的一项新技术,涉及到微电子学、机械科学、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科交叉的前沿性研究领域。MEMS系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、机电一体化、可批量生产等优点，因此在航天、航空、汽车、生物医药等诸多领域有着十分广阔的应用前景,机制装备及设计,绪 论,微型车床的外观与硬币的比较图,机制装备及设

28、计,绪 论,由微型机床组成的微型桌面工厂如图所示。它由一台微型车床、微型铣床、微型压力机、微型机械手组成。从图中可见，操作者借助两个操纵杆、面对显示屏在操作微型机床。,机制装备及设计,绪 论,6.新型的机床结构并联机床,机制装备及设计,绪 论,并联机床(Parallel Machine Tools)，又称并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并

29、联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”，成为机床家族中最有生命力的新成员。传统的串联机构机床，是属于数学简单而机构复杂的机床，而相对的，并联机构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，因此虚拟轴并联机床是一种知识密集型机构。,机制装备及设计,

30、绪 论,联机床具有如下优点：结构简单、价格低。机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。结构刚度高。由于采用了封闭性的结构(closed-loop structure)使其具有高刚性和高速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再来是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的

31、是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。,机制装备及设计,绪 论,加工速度高，惯性低。如果结构所承受的力会改变方向，(介于张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。加工精度高。由于其为多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象，甚至还有平均化效果(averaging effect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。,机制装备及设计,绪 论,多功能灵活性强。由于该机床机构简单控制方便，较容易根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。使用寿命长。由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。,机制装备及设计,绪 论,图2 DCB510并联机床,机制装备及设计,绪 论,谢谢！,