机械制造技术基础(于骏一版)第一章第一节.doc

绪论本课程介绍：我们这门课程，按照教学改革的要求，精选整合了几门原来的老课程，把机械加工工艺基础，金属切削原理与刀具，金属切削机床，机械制造工艺学，机床夹具设计这几门课程合并，挑取重要内容形成了我们这门机械制造技术基础课。所以，我们需要学习的内容比较广泛，而深度上就较浅，这样呢，不但利于同学们理解、掌握和学习，也利于扩大同学们的知识面，同时对将来进一步的学习打下一个较好的基础。今天我们这节课就首先来学习下第一章绪论的内容（板书）。有些同学可能会想绪论有什么可学的，又没有考试内容。我是这么看的，根据我的经验，学习一本书，首先你要看的是目录，这样可以快速了解这本书有什么内容，哪些东西我很感兴趣，哪些东西之前我听说过，但是还不了解的；这样不但提升了你学习这本书的兴趣，更重要的是可以让你在学习之前心里有谱，对整本书有一个全局性的认识。之后你要好好看看绪论，或者有的叫前言，这部分内容一般来说都是介绍相关领域的全局性或者基础性的知识，这部分的内容看后可以让你快速了解一个领域的起因，发展，现状等等很多有价值的东西，特别是如果你对这个领域一无所知，看了绪论，你就可以快速入门，至少别人问你点这个领域怎么来的，做的是什么，你就可以侃侃而谈了，是吧。另一方面，如果你在查找资料，想判断一本书的内容是否有你需要的内容，你也可以看看绪论，这样就能够判断这本书是不是你需要的。以我们这本书来说，绪论部分就告诉了你机械制造业的发展历史，现状，前景以及现在这个领域最热点的研究问题，所以，虽然很多内容不考试，但是它的价值很高。那么下面我们进入正式的学习，首先了解下制造业的作用和现状（板书）第一节 机械制造业的作用与现状x1 制造业、制造系统与制造技术学习机械制造业，我们首先要明了一个概念，什么是制造业？制造业就是将可用资源、能源与信息通过制造过程，转化为可供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。可以说这门行业无论是从使用范围，还是从价值方面来说，都可以肯定的说是人类社会最重要的行业。我们现代社会，也被称为工业社会，我们每个人身边几乎所有见到，接触，使用的物品，大到宇航火箭，卫星，飞机，到身边的火车，汽车，早上起来用的牙刷，毛巾，身上穿的衣服，现在坐的凳子，桌子，所有的一切全部是通过制造业生产出来的，我们吃的食物，大米，白面，不也一样是通过制造出的工具生产出来的吗。因此，可以说制造业就是国民经济的核心，是工业的心脏，缺少了制造业，我们很遗憾的讲，一定会返回男耕女织的农业社会。那么制造系统是制造业的基本组成实体，是由制造过程及其所设计的软硬件、制造信息等组成的一个具有特定功能的有机整体。而制造技术就是按照人们所需目的，运用知识技能，操纵工具，采用有效方法，将原材料转化为物质产品的过程所使用的全部手段。也就是说，有了制造技术，我们才掌握了某种制造的手段，才能制造出需要的产品。x2 机械制造业在国民经济中的作用刚刚我们说过了，制造业是工业的心脏，工业是整个现代社会的基石，我们身边大大小小的东西无一不是通过现代工具生产出来的，因此，从经济意义来说，机械制造业负担着为国民经济建设提供生产装备的重任，为人类各个行业提供着各种生产手段，它的带动性强，波及面广，而且它的水平的高低直接关系着一个国家各个产业竞争力的强弱。从国防意义来说，我们都知道，现代国家，一个国家实力的强弱很大部分要看其国防实力的强弱，而机械制造业就是整个国防安全的基础，导弹，航母，飞机，坦克，枪支弹药无一不是通过机械制造业生产出来的，那么机械制造业的强弱直接关系到这些武器装备的威力，可以说，世界军事强国，比如，美国，英国，法国，俄罗斯，无一不是装备制造业的强国。从高科技领域来说，目前公认的有五大高科技领域，信息科技，先进制造科技，材料科技，生命科技和集成科技，而机械制造业就是为所有的高科技领域提供各种研究设备和生产设备，缺少了机械制造，有句话就叫巧妇难为无米之炊，或许这些研究人员就只能在纸上写写画画，研究纯理论了，我们国家之所以在很多领域落后人家，装备制造业的落后是其中一个极其重要的原因。可见，机械制造业是国民经济赖以发展的基础，也是一个国家经济实力，科技实力水平的重要体现，说的严重点，它完全关系到一个国家生死存亡。x3 机械制造业的发展过程1. 历史回顾机械制造在我们国家有着极为悠久的历史，可以说在现代工业起始前，特别是瓦特的蒸汽机发明前，我们的技术一直领先世界，尤其是我们著名的四大发明，要是那时候有专利发明注册，现在，全世界都要给我们交专利费。再有，根据文献资料，我们挖出来的越王勾践剑，数千年都不生锈，它的表面涂层加工技术，到现在都还没有完全研究明白如何做上去的，我们秦朝时候大规模生产的青铜弩机，现在已经有证据表明利用了流水线作业进行标准化生产，所以说我们的古人是非常聪明的，只是这些先进，或者说当时最为先进的技术缺少大规模推广的手段和条件，加上我们国家数千年始终战乱不止，使得很多很多当时独有的技术都失传了。那么现代机械制造业是在1775年威尔金森为了加工瓦特蒸汽机所用气缸的过程中研制出世界第一台镗床起始的，而瓦特的蒸汽机反过来提供了动力，更加便利了镗床的使用，也意味着现代工业的高速发展的开始。经过将近100年的发展，车、铣、刨、齿轮加工等各种种类的机床在实践基础上，为了便利生产也一一出现。1898年随着材料科学的进步，发明了高速钢，什么是高速钢呢？又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素。合金元素总量达1025%左右。它在高速切削产生高热情况下(约500)仍能保持高的硬度。这就是高速钢最主要的特性红硬性。我们知道金属切削的过程中由于剧烈摩擦会产生高温，而普通的碳素工具钢虽然在室温下有很高的硬度，但当温度高于200时，硬度便急剧下降，在500硬度已降到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，而高速钢由于红硬性好，弥补了碳素工具钢的致命缺点，可以用来制造切削刀具。由于高速钢的发明，机床的切削速度提高了2-4倍，而德国在1927年又率先研制出硬质合金刀具，切削速度又比高速钢提高了2-5倍。由于刀具材料能力的提升，自然又有了机床功能的提升，互相促进下带动了整个材料加工行业的快速进步。由这里，我们也可以看到，机械制造业和材料的关系最为密切，我国在机床上的落后局面和我国材料研究上的落后是有很大关系的。加工精度在很大程度上也可以反映机械制造技术的发展，1910年加工精度是10微米（微米=毫米/1000），那么这个是当时最高加工精度，现在仅仅是一般加工精度了，现在的最高加工精度是多少呢，是0.001微米，也就是1纳米，因此这个级别的加工又叫纳米加工。这个也是目前的最高加工精度，也就是说还不能普及性的大规模适用，但是可以看到的将来已经即将到来了。讲到这，我说句题外话，现在的科学进步实在是太快了，我们在学校学的很多知识将来到了工作会发现根本不够用，需要进一步的学习，正是因为这样，我们在学校才更要把这些基础打牢，为你将来的学习做好铺垫，如果基础的你都不懂，何谈更进一步的呢？是吧。2 近代发展状况要讲近代的机械制造技术，就必须讲先进制造技术（Advancing Manufacturing Technology，简写AMT），这个概念是在1989年，美国为了提高制造业的竞争力和促进国家经济增长，有效利用本国在计算机技术、信息技术方面的优势，而提出来的。所以在提出的初期，主要集中在于计算机和信息技术相关的领域方面，由于得到了欧洲各国，日本以及一些新兴工业化国家的响应，同时也是因为这个概念的提出确实符合世界先进科技，特别是计算机的大规模应用的潮流，能够显著的提高生产效率，降低生产成本，所以先进制造技术很快就普及开来，成为整个世界科技界的研究热点，这股热度一直持续了20多年，直到今天仍然是最热的研究课题之一。随着对amt的研究不断深入，又由此扩展开了很多新的领域，主要有这些：1. 计算机辅助设计技术（CAD），CAD这个词大家应该都有所耳闻，应该说，现在你要说不懂CAD，你都不好意思跟人提你是做机械的，那就太落伍了。CAD原本是指利用计算机辅助完成一项产品的设计，材料选择、制造需求分析、以及完成零部件等产品的仿真设计工作。为了达成这个目的，以及便于没有计算机软件设计能力的使用者，很多相关的CAD软件被开发了出来，现在比较知名的，大家知道的有Pro-E，Solidworks，UG，CATIA等等，也是由于这些软件的盛行，现在一般指的CAD就变成了利用这些CAD软件进行设计工作了。这些CAD软件在不同领域使用情况也不太一样，在机械设计领域，pro-e和solidworks使用比较广泛，在汽车，轮船，飞机等产品造型设计领域，ug和Catia用的更多，我个人建议大家多学一学ug和catia，毕竟使用这两者的工作领域显然薪水要高，待遇更好。这里再说句题外话，同学们现在已经是大三了，马上大四找工作，现在的情况，大家也有所耳闻，说实在的，好工作比较难找，这就要求同学们自身一定要有能够脱颖而出的能力或者说技能。我建议大家掌握精通ug或者catia，这种掌握精通指的是你能够有效利用这两款软件的任意一个功能，或者更有能力的同学甚至可以去考一个ug的培训资格证，如果你能够掌握精通了这两者，据我了解，年薪15万真的很轻松，如果有了ug的培训资格证书，年薪20万也完全正常。所以说，你一定要有拿的出手的东西来，高薪根本不是问题。2. 计算机辅助制造技术（computer aided manufacturing，CAM），这种技术以计算机数控机床，加工中心、柔性制造系统为基础，通过计算机程序控制，实现零件的柔性自动化加工。解释下柔性制造系统，。“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力，而柔性制造恰恰能满足这种中小型的产品批量生产，并且可以快速转换生产的产品。所以说，柔性制造现在是非常火热的一项研究领域，它的分支内容也非常的多，有兴趣的同学可以下去自己了解了解。3. 计算机集成制造系统（computer integrated manufacturing system，CIMS），这个系统实际上是一个管理系统，它把一个工厂，或者一个车间的全部活动，比如，市场信息，这个产品市场接受度如何，还有产品开发，生产准备，生产组织管理等等通过计算机软件系统全部集成为一个整体，这样领导者可以很方便的管理整个工厂的各项活动，可以很好的提高生产的智能化，提高产品的生产效率，同时增强管理。现在的很多超大型的工厂已经开始慢慢应用这种系统了，当然这个管理系统需要专门的科研人员量身打造，价格及其昂贵，并且它的成本回收周期很长，所以，一般的中小厂用不起。在实践过程中，专家们逐渐认识到，仅仅发展信息化，智能化生产是不够的，特别是如果放弃了制造本身技术的研究，那就是缘木求鱼，舍本逐末，所以先进制造技术的提出国，也就是美国，后来在1994年又出了一个报告，详细说明了这项技术的组成内容，包括主体技术群，支撑技术群和制造基础设施。它的整个主要表达意思呢，就是要全面的介绍这项技术的方方面面，避免科研人员的研究误入歧途，或者说只重视其中一面，而忽视了另一面。有兴趣的同学可以自己看下书里的介绍，这里我就不再一一细说了。介绍近代发展的最后，我再介绍一点纳米加工技术。纳米加工技术，同学们也是非常耳熟了，什么是纳米，作为计量单位，1纳米=千分之一微米，微米是多少，1微米是千分之一毫米，这样，大家就清楚了纳米到底是个什么数量级，它的符号是nm，具体的大小，大概是4倍的原子大小，所以纳米加工技术就是对分子、原子的操作技术，它可以从物质的最底层对材料进行操作，从而获得常规方法无法获得的材料。比如，基于电子扫描隧道显微镜，它利用原子操纵技术，在超薄膜上覆盖分子，形成0.5-1纳米的隆起，利用这种隆起和凹入的状态代表0和1，存储数据，由此研制出份子存储器，一个分子存储器的存储量等于100万张光盘的容量，也就是说人类从古至今的所有知识，这么一张分子存储器就可以完全容纳下了。纳米加工技术仅仅是纳米技术的一个分支，它本身是属于材料科学的一项重要热点问题，目前，纳米技术主要分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学六项分支学科。尽管纳米技术已经有了60年的历史，但是距离大规模实践应用还有很遥远的距离，我们国家在纳米技术上实力是相当强的，应该说保持着国际一流水准，成果也相当多，比如金刚石纳米粉，碳纳米材料等等，很多了，有兴趣的同学可以自己用百度搜搜了解下。3. 我国的机械制造业我国的机械制造业主要是在前苏联技术的基础上发展起来的，经过60年的发展，到目前，可以说已经具有了相当雄厚的实力，为国民经济，国防安全还有高科技领域提供了有力保障，举个例子，我们的宇航科技也是世界公认的强国之一，我们的载人飞船，神六也安全实现了，而国际上公认的宇航科技是一个国家综合科技实力的最高体现，它包含的每一种技术都是绝对的高科技，其中机械制造业在其中起到的核心作用，可见，我们的机械制造业不管怎么说，在实验室制造水准上肯定是国际一流水平的。这可以看出来，我们的机械制造业确实具有了比较雄厚的实力。那么，根据2000年的国家统计，我国机械制造业主要经济指标占全国工业比重大概20%-25%，出口额占外贸总额25%左右，从业人数也占工业总人数的1/5多。这从经济领域展现了机械制造业在我国快速发展中呢所起到的巨大作用。机床的设计制造能力也能有效的看出一个国家机械制造业水准，我国目前能够制造的机床种类比较齐全，各种高精度，高度自动化的机床我们也都有，不过，说实在的，我们机床的技术水平还落后国际顶尖水平很大一段距离，平均大概落后10年左右吧，差距比较大了。但是目前我们也有一些有利方面，当前的世界经济正在向全球一体化发展，国际间的产业结构也在调整，工业发达国家正在加速发展高科技产业，而装备制造业等等经济效益不明显的第二产业向发展中国家发展，以利用发展中国家低廉的人力成本进行工业生产，降低产品成本，这个是不已某个人，或者某个国家的意志为转移的，是世界的大趋势，那么在这种情况下，我们国家由于自身巨大的市场需求以及高中低端人才，人力的巨大优势，肯定会成为这种趋势的收益者，工业化强国的部分技术不得不向我们国家转移，那么，在转移过程中，我们就会得到较大的受益，技术上也会得到提高和发展，现在我们已经有了世界工厂的称号了吗。我们的机械制造业应该利用好这个难得的机遇，实现全行业的调整和振兴，把我国建设成为世界机械制造业的一个重要基地。目前来说，我们最需要提高的是经营方针，从之前的粗放式经营发展向集约型经营，使得整个行业具备可持续性发展的能力，同时需要在科技水平上努力提高，以逐步接近发达国家水平。半个世纪以来，我国的机械学科获得了很大的发展，基本上已经建立了完善的学科体系，同时在学科前沿、技术创新和工程应用上获得不少成就，跟随国际发展趋势，我们在机械工程学科与信息科学、生命科学、管理科学等相结合，大大的扩展了机械学科的体系。同时我们在先进制造、智能结构、智能机械系统、快速成型制造，仿生机械等方面也都有一大批成果，或者说，虽然我们还距离国际先进水平有一定距离，但是也从来没被落下。我国在十一五中规划的优先发展领域中涉及机械制造的技术内容有：1. 纳米加工、纳米测量和纳米机械。2. 微型机电系统的设计、制造理论和技术。3. 仿生机构和仿生制造。4. 智能机械结构及其制造系统，比如智能机器人、智能制造系统等。5. 数字化制造6. 可重构制造系统7. 高效、精密及低成本加工方法。8. 产品的绿色设计和制造。x4 机械制造业的展望近20年来，随着各项科学技术的发展，尤其是电脑技术的飞速提高，以及社会环境因素的改变，世界制造业进入一个巨大变革时期，它的主要特点有：1. 先进技术急剧改版这现代制造业的产业结构和生产过程。2. 固定大批量产品的生产已经被动态中小批量的生产取代，比如柔性制造，敏捷制造，产品设计生产周期大大缩短，同时随着生活水平的提高，人们对产品的文化内涵和良好的环境适应性更为看重。3. 传统的管理、劳动方式向着集成化，智能化，无人化进行转变。4. inter网的普遍化使得资本与信息在全球的转移能力大为提高，这也决定了产业间，产业内的国际分工成为不可抗拒的发展潮流。就像书上说的，21世纪是知识经济的时代，所谓知识经济就是以知识为主要支柱的经济，主要依赖于知识的创造，传输和利用，它的特点是附加值极高，可谓一本万利，拥有一个有价值的专利技术就可以转变为资金，转变为金钱。比如，将沙子转变为单晶硅，不值钱的沙子马上就变成黄金，再比如微软的windows，大家都知道copy一下软盘要花多少钱，2块钱足矣，可是微软卖什么价？1000人民币，这个附加值有多高？因此，因为这个趋势，各个国家都在加大高等教育和职业教育，我们国家的大学教育方针由精英教育转变为大众教育也有这方面的原因，毕竟提高了基数，才能出现更多的人才。那么，在这样的大趋势下，制造业必然也要随之转变，改造。现在看来，它的主要发展趋势有：1. 是现代制造业的信息化趋势。在之前的制造业中物质和能量被作为主要资源进行研究开发利用，而随着知识经济的发展，信息这一要素迅速上升为主导因素。因为在产品的生产过程中知识和信息的集成和物质化决定了产品的生产成本，举个简单的例子，一项产品如果你不是自己的专利，而是购买别人的专利技术，那么你每生产一个产品出来就要付出专利费用，这无疑就提高了产品的生产成本。另外，信息技术水平还极大的影响产品制造的管理模式，运行模式，无疑，信息管理水平不够，必然会增大你的企业运行管理成本，也变相的加大了产品的生产成本。2. 现代制造业的服务化趋势。这个是什么意思呢，工业经济时代大批量产品的生产奉行的是“以产品为中心”，也就是说，我工厂只管生产产品，销售是推销员的事情。而现在这种情况已经完全转变了，经济领域有个流行的词叫营销，什么事营销，营销就是首先由业务员考察市场，看市场需要什么产品，那么将信息反馈到生产部门，由生产部门组织设计生产，再返回市场去销售。那么这种销售生产模式也就是“以顾客为中心”进行生产。大家知道，不同的顾客就有不同的需求，为了满足这种需求，就不能一种产品打天下，必须根据不同的顾客要求分类进行各个产品的针对性的大批量生产，实现高质量，低价格以占领市场。今天的生产制造已经变成了集市场调查、产品设计开发，生产制造，销售，售后服务，甚至报废产品回收于一体的整体过程，体现了制造业全方位服务顾客，服务社会的目的。3. 高技术化趋势。现在，机械制造业不是一个独立的学科，与其相关的还有，信息技术，自动化技术，管理科学，计算机技术，系统科学，物理学，数学，等等众多领域。因此机械制造业技术上发展的主要方向有：a 切削加工技术研究。切削加工时机械制造的基础方法也是主要方法，这方面的技术进步对机械加工的影响最大。目前这方面的水平相当高，陶瓷主轴转速可达15000转-50000转/分钟，而数控进给速度可达每分钟数十米，可以说，如果刀具材料能够跟上，切削加工能力是非常强的。b 精密，超精密加工技术和纳米加工技术的研究。精密级要达到微米级别加工，超精密则是纳米级别的加工，特别是纳米级的加工，前面讲过了，纳米级就是原子级别的加工技术，涉及到物理，材料等多方面的知识和工具。c 先进制造技术的研究。这是机械制造最重要的发展方向之一，目前，已经获得生产应用的技术有：Cad/CAM一体化技术，柔性制造技术等等，而这几年，精益生产和敏捷制造技术也获得了广泛关注，成为热点研究问题，将来你们如果有继续深造，攻读硕士博士，肯定就有要涉及到这些