机械工程导论

第一节机械与机械工程

一、机械概述1.1机械与机械工程什么是机械？机械就是实现某些工作任务的机具或装备，也是机器和机构的总称。工具精密复杂的设备动力机械能量变换机械将各种能源转换为机械能将机械能转换为其他能量机械用机械能来改变工作对象的状态和位置工作机械按能量转换角度划分机械的分类冶金机械交通机械农业机械工作母机石油机械机械矿山机械其他机械等……按产业领域和服务对象划分2.机械工程应用科学设计、制造安装、维修应用技术科学生产经验自然科学

机械工程是以相关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中积累的技术经验，研究和解决在开发设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的理论和实际问题的一门应用学科。研制能量转换机械研制生产机械研制服务机械研制武器装备提供家庭和个人生活应用机械现代工程机械服务领域机械工程是为人类社会生活服务的，其服务领域为：现代机械工程的服务领域：机械设计机械原理机械制造机械应用、维修机构学

运动学零件设计方法

标准件使用零件加工设备零件加工方法机械、电子、液压等知识的应用机械在研究、开发、设计、制造等过程要经过不同的阶段。按照不同的阶段，涉及到不同的知识：学习阶段三、机械工程的发展历程

15-16世纪以前，机械工程发展缓慢。

17世纪以后，商品生产成为社会的中心问题。

18世纪中后期，出现了蒸汽机。

19世纪，近代机械大生产。

20世纪初，流水装配线。

20世纪中后期，机械加工精度、自动化水平不断提高。1.1机械与机械工程春秋时期出现弩1.2指南车与中国古代机械1、中国古代机械秦始皇陵铜车马1.2指南车与中国古代机械西汉时期被中香炉1.2指南车与中国古代机械1.2指南车与中国古代机械汉张衡候风地动仪唐代舍利宝函1.2指南车与中国古代机械唐代筒车1.2指南车与中国古代机械南宋时期水转大纺车1.2指南车与中国古代机械纺车复原模

1.2指南车与中国古代机械北宋木构水运仪象台1.2指南车与中国古代机械郑和下西洋船队1.2指南车与中国古代机械1.2指南车与中国古代机械活塞式风箱1.2指南车与中国古代机械清朝大更钟（紫檀嵌珐琅重檐楼阁更钟）

1.2指南车与中国古代机械机械技术刊物

《考工记》《远西奇器图说录最》《梓人遗制》《天工开物》1.2指南车与中国古代机械2、指南车春秋时期----巢车1.2指南车与中国古代机械汉魏时期----独轮车1.2指南车与中国古代机械指南车1.2指南车与中国古代机械1.2指南车与中国古代机械1.3蒸汽机与近代工业革命3、蒸汽机的出现蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械能的往复式动力机械。

1698年，萨弗里制造了世界上第一个实用蒸汽机。1776年，瓦特取得了双作用式蒸汽机的专利。蒸汽机的出现引起了18世纪的工业革命。1804年，棉纺织业采用蒸汽机作动力。

1.3蒸汽机与近代工业革命蒸汽机原理1.3蒸汽机与近代工业革命蒸汽机原理1.3蒸汽机与近代工业革命4、第一次工业革命最主要的变革：用生产能力大和产品质量高的大机器，取代了手工工具和简陋机械；用蒸汽机和内燃机等无生命动力，取代了人和牲畜的肌肉动力；用大型的集中的工厂生产系统，取代了分散的手工作坊。1.3蒸汽机与近代工业革命18世纪中叶，出现纺织机械。1.3蒸汽机与近代工业革命LOGO内燃机1860年简单的内燃机第一次在工厂中使用。1862年提出四冲程原理。1892年提出了压然式内燃机原理。1897年制造了第一台压缩点火式内燃机(现代柴油机)。LOGO汽轮机与水轮机1884年，英国帕森斯制成多级反动式汽轮机。1896年，法国拉托制成多级冲动式汽轮机。后来冲击式与反作用式结合，改善了性能。1827年，法国富尔内隆制作反作用水轮机。1883年，豪特发明向心流动的水轮机。1849年，美国弗朗西斯发明混流式水轮机。LOGO在此期间交通运输工具、机床也有了相应的发展。1769年，法国居诺制成第一辆蒸汽汽车。1807年，美国人罗伯特·富尔顿“克莱蒙特号”。1861年，基本上所有的机械基本上都用机器制造。18世纪，车床由木结构改为金属结构。1774年，威尔金森制造炮筒镗床。1770年，车螺纹；1836年，刨床；1845年，转塔车床；1861年，自动车床。1873年，机床采用电动机。LOGO1.4“勇气”号火星车与现代机械工程

现代航空航天制造技术是集现代科学技术成果之大成的机械制造技术，远远高于一般制造技术，不断由一般机械制造向高技术和提供技术密集型产品的高精尖先进制造技术的方向发展。航空航天制造工程的技术状况是衡量一个国家科技发展综合水平的重要标志。5.“勇气”号火星车与现代机械工程2004年1月4日美国宇航运载“勇气”号火星飞抵火星上空。2004年1月25日“机遇”号火星车着陆火星表面。1.4“勇气”号火星车与现代机械工程“勇气”号火星车勇气号登录1.4“勇气”号火星车与现代机械工程1.4“勇气”号火星车与现代机械工程勘测火星岩石1.4“勇气”号火星车与现代机械工程火星上的日落1.4“勇气”号火星车与现代机械工程火星岩石1.4“勇气”号火星车与现代机械工程勇气号用轮子挖出的壕沟

1.4“勇气”号火星车与现代机械工程“勇气号”探测器用轮子挖出一处壕沟，壕沟底部露出白色的火星土。

发现赤铁矿1.4“勇气”号火星车与现代机械工程

“机遇”号----火星沙丘

1.4“勇气”号火星车与现代机械工程在一座座沙丘的顶部，现出玄幻的蓝色光彩，这种颜色是由于沙丘中含有丰富的赤铁矿而造成的。

火星蓝莓1.4“勇气”号火星车与现代机械工程

科学家发现，火星上有一些奇怪的含赤铁矿的圆球，看起来就像是按在松饼上的“兰莓”果实，因此就有了现在这个名字。天宫一号是中国第一个目标飞行器，在两年内会跟神舟八号、神舟九号、神舟十号完成对接。天宫一号的主要任务是为实施空间交会对接试验提供目标飞行器。1.4“勇气”号火星车与现代机械工程天宫一号的发射标志着中国迈入中国航天“三步走”战略的第二步第二阶段（即掌握空间交会对接技术及建立空间实验室）；同时也是中国空间站的起点，标志着我国已经拥有建立初步空间站，即短期无人照料的空间站的能力。1.4“勇气”号火星车与现代机械工程四、机械工程的发展展望

1.信息技术的巨大作用

2.设计技术不断现代化

3.制造技术向超精密、超高速等方向发展

4.新的工艺技术得到迅速发展

5.成形制造技术向精密成型方向发展

6.专业、学科间的界限逐渐淡化、消失

7.更加注重绿色制造

8.虚拟现实技术不断完善

9.先进制造生产模式不断发展1.1机械与机械工程第二节

材料及材料科学目录一、材料发展史材料是人类文明进步的里程碑一、材料发展史公元前10万年公元前3千年公元前1千年公元0年1800年1950年1990年石器时代青铜器时代铁器时代水泥时代钢时代硅时代新材料时代人类使用材料的七个时代的开始时间曾侯乙墓出土的铜编钟司母戊鼎铁镀的青铜战斧二、材料科学1．材料科学的发展阶段冶金学金相学物理冶金学材料科学或材料科学与工程（MSE）二、材料科学2．材料科学四要素与四面体成分结构分开材料科学是研究各种材料成分、结构、制备加工工艺与性能之间的关系。3．材料科学的研究任务对材料的结构和性能进行分析；研究结构和材料性能的关系；为材料性能的改进和新材料的开发提供指导。“鲨鱼皮”第一篇

工程材料第一章

材料性能、分类及加工工艺第一节材料的性能、分类与特征一、材料的性能二、材料的类型★按凝聚状态★固态材料中按存在状态★根据材料的尺寸★按用途和使用领域★按材料的物理和化学性质★按开发、使用的时间长短及先进性等：传统材料（如普通钢材、通用塑料、日用陶瓷等）和新型材料（也称为先进材料如超导材料、纳米材料、智能材料等）。按凝聚状态气态液态固态根据材料的尺寸一维材料二维材料三维材料（纤维及晶须）薄膜（块体）按用途和使用领域建筑机械生物能源包装医学航空电工★按工程材料的化学组成、组合键的特点：（最常用最有价值分类）金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类三、各类材料的特征1.金属材料的特征优点：★兼有良好力性(较高强度、刚度、塑性、韧性)★某些理化性能良好（导电、导热性等)★较好的工艺性★价格便宜或适中★大量用作结构材料，部分用作功能材料缺点：资源有限，特高温及特殊介质中不能胜任。2.无机非金属材料的特征

优点：优良理、化性能(耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等)极好的耐高温性能原料来源广泛主要用在特殊场合(特殊陶瓷)及日常(传统陶瓷)缺点：性脆、难加工，可靠性差。4.复合材料的特征（两种或多种材料复合而成）

优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要进行人为设计、制造。缺点：目前性能高、价格贵3.高分子材料的特征优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性重量轻，加工性好，原料丰富缺点：力性尤其强度低；不耐高温（≤300℃）；易老化易燃。第二节常见的材料制备、加工与处理技术一、从原料到材料金属材料冶炼陶瓷材料烧结有机聚合物反应合成二、从材料到零件1.成形加工（铸造、压力、焊接、粘接）——无屑成形2.切削加工（刃具、光能、声能、电能、电化学能）——有屑成形3.热处理加工4.表面改性加工第三节常见工程材料一、工业材料的“脊梁”——钢铁1.钢铁是怎样炼成的铁矿石炼铁炼钢铸锭轧制钢材铸造生铁图1-3钢铁生产的基本流程2.钢的分类及常用钢（1）按化学成分分类1）碳钢和合金钢碳钢低碳钢：C%<0.25%中碳钢：C%：0.25%～0.60%高碳钢：C%>0.6%超高碳钢：C%>1.0%合金钢低合金钢：M%<≤5%中合金钢：M%<5%～10%高合金钢：M%>10%（2）按用途分类1）结构钢、工具钢、特殊性能钢；A结构钢分为工程结构用钢和机械结构用钢；B工具钢分为刃具钢、量具钢和模具钢；C特殊性能钢有耐蚀钢、耐磨钢、耐热钢和特殊物理性能钢。（3）按冶金质量1）按钢中S、P含量：普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢；2）按脱氧程度：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。普通碳素结构钢用途

钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。多边型角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁优质碳素结构钢用途

较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。汽车曲轴碳素工具钢用途

螺纹量规3.铸铁的分类及常用铸铁依据铸铁的化学成分、结晶形态和组织性能不同，可分为普通铸铁和合金铸铁两类片状石墨球状石墨蠕虫状石墨团絮状石墨灰铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁可锻铸铁图1-5灰口铸铁中石墨形态①

有色重金属：铜、镍、锡、铅、锑、钴、汞等

它们的密度较大，约为7~11g/cm3。②有色轻金属：铝、镁、钙、钾、钠、钡等它们的密度小于5g/cm3。③贵金属：金、银及铂族金属（铂、铑、钯、铱、锇、钌）等因其价值比一般金属贵得多而得名这些金属在空气中不会被氧化。④稀有金属：在80余种有色金属元素中其中大约50种被认为是稀有金属

二、丰富多彩的有色金属1.上天用得最多的材料——铝合金铝是自然界蕴藏量最丰富的金属，约占地壳质量的8%左右优点：质量轻，比强度大

良好的导电、导热性；耐蚀性好等2.又轻又强的材料——钛合金优点：优异的耐蚀性和高温性能，高的比强度；缺点：工艺性能差，切削加工困难，硬度低（约70～74HB），抗磨性差。3.

最早应用的金属——铜及铜合金特点：①较好的理化性能导电材料，导热（纯铜，汽车散热器）；抗大气、海水腐蚀（黄铜）。②良好的加工性易冷成形，且铸造铜合金，有良好铸造性能。③某些特有性能优良减摩性和耐磨性（青铜和部分黄铜，滑动轴承或蜗轮等）高的σe和σ-1（铍青铜，弹性元件）。④色泽美观铜及铜合金铜白铜（铜镍合金）青铜黄铜（铜锌合金）三、古老又年轻的无机非金属材料1.陶瓷（图片）2.玻璃3.水泥陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。传统的无机非金属材料之一：陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。见表0-1。表0-1普通陶瓷的分类方法

特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器，见表0-2。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。吸水率（%）特征陶器粗陶器>15不时施釉，制作粗糙普通陶器≤12断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细细陶器 ≤15断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施釉，制作不够精细瓷器炻瓷器≤3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口呈石状，制作精细普通瓷器≤1有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，制作精细细瓷器≤0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细性质及特征类别表0-2中国日用瓷分类标准传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。传统的无机非金属材料之三：水泥水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。四、多姿多彩的高分子材料1.塑料2.橡胶3.纤维4.胶粘剂和涂料天然橡胶+硫磺塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107~108Pa。温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。

根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性和热固性塑料两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软化，酚醛塑料就属此类。橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大的形变（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状。其弹性模量小，约105~104Pa。常用的橡胶有天然橡胶（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡胶和硅橡胶等。103

1839年英国人古特异(Goodyear)在天然橡胶中加入硫磺，首次合成硫化橡胶；硫化橡胶天然橡胶1041832-1845年，人们用硝酸处理纤维索，得到硝化纤维；1872年，革新硝化纤维工艺，获得celluloid“赛璐璐”材料；1884年，赛璐璐用来制作照相底片、电影胶片等；1855年，法国人奥德马尔制得硝化纤维人造丝；赛璐璐人造丝1051872年，德国的拜尔发现苯酚和甲醛在酸性介质中反应形成树脂状物质1907年，比利时人贝克兰德在拜尔等人的研究基础上制得酚醛树脂；1927年，美国的杜邦公司合成尼龙66；酚醛树脂尼龙66106聚乙烯1933年，英国的Robsin制得聚乙烯；1941年，英国制备出涤纶纤维，在中国的俗称就是大家熟悉的“的确良”；1950年起，齐格勒催化剂的出现促使新型高分子材料大量出现。涤纶纤维的确良布料纤维的弹性模量较大，约109~1010Pa。受力时，形变不超过百分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，在较广的温度范围（-50~150℃）内，机械性能变化不大。常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。五、博采众长的复合材料1.天然的复合材料：树叶、竹子（纤维素+木质纤维）2.人工的复合材料金属基非金属基（1）按基体（2）按结构特点纤维增强复合材料夹层复合材料细粒复合材料混杂复合材料树脂复合材料W525连续碳纤维复合材料第二章新型材料及材料的未来第一节新型高性能结构材料一、超硬材料超硬材料通常是指莫氏硬度达到或接近10的材料。主要是指金刚石和立方氮化硼。出土的大金刚石天然钻石

立方氮化硼

黑色立方氮化硼时间超硬材料公司方法用途1955人造单晶金刚石美国GE高温高压磨料1957立方氮化硼美国GE高温高压磨料1977人造聚晶金刚石，立方氮化硼烧结体美国GE高温高压刀具1995人造单晶金刚石刀具近年人造单晶立方氮化硼刀具近年类金刚石膜刀具近年金刚石薄膜CVD刀具近年金刚石厚膜CVD刀具超硬材料发展史

图2-5金刚石锯片图2-6金刚石砂轮图2-7PCD刀具

二、超塑性合金1．金属的超塑性的发现凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。1920年，德国人罗森海因在对锌铝铜合金发现1945年，前苏联学者包奇瓦尔在许多有色金属合金中发现这一现象。（像麦芽糖一样柔软可塑）具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。

金属材料在一般条件下没有超塑性。要使其能够发生超塑性形变，必须具备以下三个条件：①材料须为具有细小等轴晶粒的两相组织，晶粒直径须小于10μｍ(超细晶粒)，且在超塑性形变过程中晶粒不显著长大；②超塑性形变要求一定的温度范围，一般为熔点的0.5~0.65倍；③超塑性形变时的应变速率很小，一般需在0.01~0.0001/s的范围内。2．超塑性合金的应用铸铁具有超塑性行为第一个实用的超塑性合金是Zn-22Al车身外壳、汽车门内板以及具有凸肚精细花纹的空心球体。★日常生活中★超塑性合金最大的应用就是航空航天材料超塑性钛合金三、高温合金从20世纪30年代后期，英、美等国就开始研究高温合金：1941年80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛较高的高温强度三年后80Ni-20Cr合金中加入少量硼和锆耐热温度提到820℃1948年钴镍高温合金耐热达830℃现在高温合金的最高使用温度超过千度，达到实用化的高温合金已有四百多种，高温合金中常见的合金元素有铝、钛、铌、碳、钨、钼、钽、钴、锆、硼、铈、镧等。

在600～1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。1．高温合金及其分类1）按照基体组元的不同铁基高温合金镍基高温合金钴基高温合金2）按制备工艺不同变形高温合金铸造高温合金粉末冶金高温合金氧化物弥散强化(ODS)合金2．高温合金的应用科学、技术和各工业领域中的斑用越来越广泛。航空航天、核能等尖端技术领域；电力、煤炭、石化等能源工业；冶金材料、建材陶瓷等基础工业；国防军工等工业。太行发动机涡轮盘采用高温合金四、超低温材料1.超低温世界的奇异现象

金属材料在超低温下的屈服点、拉伸强度、延伸率等力学性质与常温下有很大不同。在超低温下，金属材料的拉伸强度上升，但延展性降低，塑性明显下降。2.超低温合金的分类及应用

应用较多的超低温合金主要有三类：9%镍钢、钛合金和铝合金。而在-253℃的极低温度以下，应用较多的则是奥氏体不锈钢。钛合金有三大优点：

①比强度高；②强度随温度的降低而提高，且有足够的韧性；③在低温下对缺口敏感性小，即不易出现裂纹。铝合金：在超低温下保持良好的韧性，冲击值也基本保持不变奥氏体不锈钢：强、韧、塑性配合良好，低温韧性极佳第二节新型高性能功能材料功能材料是指在光、电、磁、热、化学、生化等方面具有特定功能的材料。按使用性能，可分为微电子材料、光电子材料、传感器材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料和机敏（智能）材料等。一、形状记忆合金1.形状记忆效应

是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一形状后，通过热、光、电灯物理刺激或化学刺激的处理后，又恢复成初始状态（形状）的材料，即无生命的材料却具有一定的“记忆”功能。2.形状记忆合金的分类

按照合金组成和相变特征，具有较完全形状记忆效应的合金可分为三大系列：Ti-Ni系形状记忆合金，铜基系形状记忆合金和铁基系形状记忆合金。金属家族里的“变形金刚”

——形状记忆合金记忆：

人类思维中信息内容的储备与使用过程

人脑高级动物金属也会“记忆”！（a）原始形状（b）室温下加外力变形（c）加热形状开始恢复（d）形状回复终了（e）冷却至室温又回复到原变形状态

反复加热，撤温，金属丝的形状就随之变直，变弯，反复多次，皆可复原。为什么呢？

合金的形状记忆效应行为是特殊的热-机械行为，表现为：合金在低于马氏体回复相变开始温度（As）下变形，当加热到马氏体回复相变终止温度（Af）时，通过逆相变恢复其原始形状。冷却加热（a）（b）（c）变形记忆合金发展历史：1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应；1963年，美国海军武器实验室发现TiNi合金形状记忆效应；70年代，日本和西德开始探索形状记忆效应机理及应用；1970年，美国将TiNi记忆合金丝材制成宇宙飞船的天线；80年代，我国开展相关研究工作，起步较晚，但起点比较高。3.形状记忆合金的应用1）飞行器用天线2）连接紧固件（美国F14战斗机的油压管线）3）智能驱动元件4）医学上的应用（人造骨骼、手术缝合线）5）日常生活应用(1)防烫伤阀(2)眼镜框架(3)移动电话天线和火灾检查阀门(4)其他方面的应用No.1航空航天半球形宇宙飞船天线记忆合金应用：

在高温环境下制作好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己本来面貌，变成一个巨大的半球，按照需求向地球发回宇宙信息。制作：

操作演示：

No.2医学“房间”隔缺损封堵器No.3工业管接头

1969年，TiNi合金的“形状记忆效应”在工业上应用。采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接，选用转变温度低于使用温度的某种形状记忆合金，在高于其转变温度的条件下，做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管(作接头用)，然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时，接头就自动收缩而扣紧被接管道，形成牢固紧密的连接。No.4生活眼镜架

用它制作眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。优势：

汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。不久的将来！二、储氢合金储贮氢合金是一种能在晶体的空隙中大量贮存氢原子的合金材料。这种合金具有可逆吸、放氢的神奇特性。氢原子很容易进入合金内并与之形成金属氢化物，可以贮存相当于合金自身体积1000~3000倍的氢气。1．储氢合金的发展自20世纪60年代中期发现LaNi5和FeTi等金属间化合物的可逆储氢作用以来，储氢合金及其应用研究得到迅速发展。状态氢的密度/原子·cm-3气态氢(0.1MPa)5.4×1019液态氢4.2×1022固态氢5.3×1022LaNi5储氢合金中的氢7.6×1022Ti系储氢合金中的氢9.1×102表2储氢合金种类2.分类（1）稀土系储氢合金（2）钛系储氢合金、钛铁系储氢合金、钛锰系储氢合金（3）镁系储氢合金3.储氢合金材料的应用（1）镍金属氢化物电池（2）热泵、空调及热贮存（3）氢能汽车三、非晶态合金一、非晶态合金的形成如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶态合金。（金属玻璃）非晶态合金具有两个重要性质：第一，合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近，他们的熔点远低于纯金属，第二，由于原子的种类多了，合金在液体时他们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶了。2.非晶态合金的发展3.非晶态合金的优点（1）高强韧性（2）优良的磁性（3）简单的制造工艺和节能环保4.非晶态合金的应用（1）电子技术（2）电力系统四、海绵金属和“无声”合金1.海绵金属这种金属从里到外，布满了孔洞，孔洞大小不一，相互连通，像海绵一样，被称为海绵金属。因为他有点像泡沫塑料，所以也称为泡沫金属。2.海绵金属的实现（1）起泡剂法（氢化锂、氢化钡）（2）泡沫树脂法（3）金属条直接制造

海绵镍网

3.海绵金属的性能及其应用由于独特的多孔结构，海绵金属有一些独特的性能及应用。如减噪消振、过滤、控制导热导电、催化以及热交换和集热等。2.“无声”合金（1）噪音危害及其噪音的防护（2）无声合金减振原理：

利用内耗现象，使振动物体靠自身内部某种机制吸收振动能量。特点：内耗大，能有效的把振动能转化为热能货其他形式的能量。（3）无声合金的分类相界面作用内耗的无声合金磁性变化的内耗强磁性无声合金位错内耗的位错型无声合金孪晶界内耗的孪晶型无声合金（4）无声合金的应用——降低噪音。

潜水艇。五、梯度功能材料梯度功能材料是两种或多种材料复合，构成组分和结构沿（构件）截面呈连续变化的一种新型复合材料。1.梯度功能材料概念的提出2.梯度功能材料的特点和分类（1）从材料的组合方式来看，梯度功能材料可分为金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷以及陶瓷/塑料等多种结合方式。（2）从组成变化来看，梯度功能材料可分为三类：梯度功能整体型(组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料）梯度功能涂覆型（在基体材料上形成组成渐变的涂层）梯度功能连接型（粘接两个基体间的界面层呈梯度变化）3.梯度功能材料的应用（1）航空航天材料和核反应堆材料（2）生物医学材料（3）电子材料图2-12梯度功能材料制成的人工牙齿六、生物医学材料1.医用高分子材料（1）人工脏器（2）修复性医用高分子材料人工角膜和接触眼镜人工骨美容材料（3）高分子医疗器材一次性高分子医疗用品医用导管高分子绷带材料2.生物陶瓷材料泛指与生物体或生物化学相关的陶瓷材料。最早的生物材料的应用——镶牙根据生理环境中所发生的生物化学反应，生物陶瓷可分为三种类型：接近于生物惰性的陶瓷，如氧化铝，氧化锆及氧化钛陶瓷等；表面活性生物陶瓷，包括致密羟基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等；可吸收生物陶瓷，如熟石膏、磷酸三钙及铝酸钙等。人工血管人造肌肉纤维，它以近年来倍受人们注目的纳米碳管为成份，其伸缩性和灵敏度超过迄今的任何人造材料。羟基磷灰石生物陶瓷是一种安全、方便的听小骨缺损替代品，适用于因炎症(如慢性化脓性中耳炎)或外伤等病症造成听小骨缺损、畸形的患者作听小骨置换手术。HA生物陶瓷听小骨置换假体β-TCP移植后手术后8年

β-磷酸三钙化学式为Ca3(PO4)2，简称β-TCP。第三节未来材料的发展一、各种材料的发展趋势金属在结构材料中仍占主要位置功能陶瓷将会有更大发展有机高分子材料将得到更大发展先进复合材料有发展，但应用受限制碳素材料将得到更大发展二、新材料开发及应用目的是人工制造耐超高温、耐超高压、超高强度、高速信息传输和在常温下表现超导等特殊性能的材料新材料主要有：新金属材料，如非晶态合金；新陶瓷材料，如精细陶瓷；高分子材料，如高性能碳纤维增强蛆料；复合材料。今后材料科学将朝着高功能化、超高性能化、复杂化和智能化的方向发展。超导材料纳米材料智能材料生态环境材料超导材料应用树状图智能材料的动作流程超导材料纳米材料智能材料生态环境材料一般飞机上检测环境的传感器超导材料纳米材料智能材料生态环境材料第三章机械工程基础及制造技术第三章机械工程基础第一节.机械工程基础第二节.改变世界的制造技术第一节机械工程基础机械工程从古代工匠的摸索实践发展到今天的科学理论，所产生的各种机械设备都离不开它的科学基础：力学数学材料学一、机械科学基础

1.力学物理学是研究物质内部结构及其运动规律的科学。力学是物理学的分支学科，是多种工程学的基础。

一、机械工程基础在机械工程中常见的力学问题：零件在外力作用下的变形、零件的运动规律以及运动状态变化与外力的关系等。鸟儿为什么能

VS击落飞机？相关学科：材料力学、结构力学、工程力学、机构学、机械动力学等。

1962年11月，赫赫有名的“子爵号”飞机正在美国马里兰州伊利奥特市上空平稳地飞行，突然一声巨响，飞机从高空栽了下来。

比如一只0.45kg的鸟，装在速度为每小时80千米的飞机上时，根据冲量定理及公式，Ft=mv,产生的力大约是1500牛顿。

小心！小小千斤顶如何做到顶千斤？

现在市面上有很多类型的千斤顶，原理不尽相同，却是万变不离其宗。有了小小的千斤顶，即使孩子也可以举起诸如汽车之类的物件。它是如何做到的呢？以液压千斤顶为例分析。液压千斤顶的原理与以下机械的工作原理相似。

请看上图。用一根管手将两个充满了液体（水或油）的容器连起来。其中一个容器截面很大，另一个容器截面则很小，假设它比前一个截面小1000倍。如果用一个活塞（A）向下压截面小的容器液面，液体就受到了一个压力，这个压力的强度会按照原来的大小传递到液体表面的任何其他部分，当然也包括在大截面容器里与活塞（B）接触的液体的表面。压强等于作用力除以作用面积，即P=F/S.

根据帕斯卡原理，活塞A下的压强与活塞B下的压强相等，又由于活塞B下的面积比活塞A下的大1000倍，在它上面的作用力就应比在A上的作用力也大1000倍。因此，为了将一辆1吨重的汽车抬起来，只要1公斤的作用力就够了。液压制动器、压缩机、汽车的千斤顶、水泵等许多器械都得益于这一原理。一、机械科学基础2.数学（有人说“数学就是神的逻辑”）是研究现实世界中数量关系和空间形式的科学，包括算数、代数、几何、三角、微积分等。任何客观物体都脱离不了量而存在。在自然科学中：致力于用单纯的数学式来表示自然法则，求出数学解，并用实验和观测结果相比较去理解自然现象。

数学是上帝用来书写宇宙的文字。——伽利略

数学，如果正确地看，不但拥有真理，而且也具有至高的美。——罗素

这个世界可以由音乐的音符组成，也可以由数学的公式组成。——爱因斯坦哪里有数，哪里就有美。——Proclus只有音乐堪与数学媲美。——A.H.怀海德数学和诗歌都具有永恒的性质。——R.D.Carmichael一、机械科学基础材料学材料就是制造物品的原材料。材料的利用情况标志着人类文明的发展水平。人们把材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。一、机械科学基础材料学研究对象：

1.研究材料的形成机理和制取方法；

2.研究材料的物理性能；

3.分析材料在加工和使用过程中的变化和损坏机理，扩大材料的用途；

4.研究材料的性能及性能的测试技术；

5.研究材料的工程应用与材料的选择等二、机械运动的类型机械运动的基本形式：单向移动单向转动往复摆动往复移动复合运动间歇运动机械运动二、机械运动的类型1.单向转动和移动二、机械运动的类型二、往复移动和摆动二、机械运动的类型间歇运动应用三、典型机械零件的结构与应用1.轴轴类零件是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。对轴类零件的研究包括：结构设计及工艺性的分析与设计。三、典型机械零件的结构与应用轴的分类按轴的轴线划分：

三、典型机械零件的结构与应用三、典型机械零件的结构与应用按轴的受力分类

传动轴：受扭矩心轴：受弯矩转轴：受弯矩扭矩按轴的横截面分：有圆形轴、方形轴、六角边形轴等。按轴的中心是否空心分：有实心轴和空心轴。按直径大小可分为大轴，如直径为1m多的轴；小轴，如仪表中的直径为0.5mm及以下的小轴。此外，还有－些特殊用途的轴，如凸轮轴、齿轮轴、偏心轴、花键轴、十字轴等等。轴的材料主要是碳素钢或合金钢，常用的是45号钢。在载荷较大、要求减小质量和提高轴颈耐磨性时可采用合金钢。合金铸铁和球墨铸铁也可用作轴的材料。轴的工作能力由轴的强度、刚度和振动稳定性来决定。轴应尽量避免形状突变的结构，以减少应力集中和提高疲劳强度。三、典型机械零件的结构与应用2.齿轮：能相互啮合的有齿的机械零件。

1.齿轮分类三、典型机械零件的结构与应用图3-15

齿轮的各部分齿轮的主要结构组成：齿轮的材料材料对齿轮的承载能力、尺寸和重量有很大的影响。20世纪50年代前多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮。而在一些轻载和要求噪声低的场合，可用塑料制造齿轮，而与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。三、典型机械零件的结构与应用3.箱体类零件通常起支承、容纳、定位等作用。三、典型机械零件的结构与应用4.盘套类零件套类零件的长度一般大于直径，零件的重要表面为要求较高的内、外旋转表面，零件的壁厚较薄易变形。盘类零件的直径一般大于长度，零件的重要表面为要求较高的内、外旋转表面和端面。盘套类主要起传动、连接、支承、密封等作用，如手轮、法兰盘、各种端盖等。四、人机工程学自从有了机器，人与机器就构成了人机系统。人的能力与机器的潜力如果能够很好的配合，就能提高管理和控制效率。因此，在设计人机系统时，就要把人和机器作为一个整体考虑，合理分配人和机器的功能。四、人机工程学

1.人机工程学的起源亨利.德雷福斯与贝尔电话公司合作，对电话机进行了完美功能性设计——听筒和话筒合一设计。四、人机工程学人机工程学的定义：国际人机工程学会的定义为：研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素，研究人和机器及环境的相互作用，研究在工作中、生活中和休息时，怎样统一考虑工作效率，人的健康、安全和舒适等问题的学科。中国企业管理百科全书里定义为：研究人和机器及环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器和环境适合人的心理、生理等特点，达到在生产中提高效率、安全、舒适和健康的目的的学科。四、人机工程学人机工程学的主要任务是：建立一个合理的可行的方案，使人—机—环境系统达到最优化的配合，充分发挥人与“机”的作用，做到人尽其力，“机”尽其用，环境尽其可能舒适，使整个人机系统安全、高效、可靠，胜任其工作效率。电视遥控器是我们生活中必不可少的一样物件，但是它的设计确实十分符合人机理念，开关在最起眼的最上角，因为用的最少，所以位置也距离手心较远，而换频与音量按钮则设计在中间，人们习惯用手从中间握着遥控器，而一些复杂的用的少的则设计在最下端，方便人们在调试的时候观察。看清楚了再点击按钮！这是一个站内搜索，当你输入“Conference”查找与“会议”有关的事件的时候，你的习惯是点击一下输入框右侧的按钮–大多数搜索引擎都是这样的设置。不过这次你得看清楚了，输入框右侧的那个按钮是“清除”（clear）键！你要实现搜索查询的按钮在输入框下面–“Searchforevents”。

人机工程学中有一条原则就是“墨守陈规”–如果人们对某种事物的使用已经形成了一种习惯，你最好去遵守它，而不是试图改造它。就像在中国，你不能把汽车的方向盘设计在车的右侧一样。有些设计不要太另类的好，不然可就不是“用户友好”界面了。让人抓狂的验证码

在网上注册用户名，或者要加入一个论坛的时候，用户常常会被要求输入一组验证码，只是为了安全起见。那好，这可以理解，那么为什么有很多网站偏偏就把验证码设计成上面这个样子？

我就碰到过很多这样的网站。最令人抓狂的是，有的网站给你随机分配密码，例如y3k7u8x9s2之类的。所以，如果你的验证码错了，刷新一下网站还要从那个毫无规律的密码开始。足以让你绝望了！

既然验证码只是起到安全的作用，那就应该回归它的本质，不要把真正的用户也一网打尽。

看到下面的这种验证码，就让人开心了。数字速度显示？不合适吧！很难想象这辆车的速度显示器居然是数字的。虽然都说现在是数字时代，可是并非所有的东西都适合"数字化"。从人机工程学角度来看，它也不合适：

1.没有人需要把行驶速度精确到1公里/小时。这样的信息对司机并无太多价值。

2.数字无法让司机知道速度的变化情况。而常见的模拟显示的指针的移动就会提供这样的信息。

第二节改变世界的制造技术

机器改变了世界

信息时代的制造业

精益求精的制造123一、机器改变了世界汽车制造业家电产业微纳制造改变世界的制造业记里鼓车二、车轮滚滚----汽车里程表二、车轮滚滚----汽车里程表二、车轮滚滚----汽车里程表二、车轮滚滚----汽车里程表三、计量水表三、计量水表三、计量水表IC卡水表四、照相机照相机是用于摄影的光学器械。被摄景物反射出的光线通过照相机镜头和控制曝光量的快门聚焦后，被摄景物在暗箱内的感光材料上形成潜像，经冲洗处理构成永久性的影像。暗箱的发展：

13世纪，欧洲出现映像暗箱（针孔成像）

1550年在此基础上添加双凸透镜使映像更清晰

1558年加上光圈，清晰度大大提高

1665年可携带单镜头反光映像暗箱。公元前400年以前，针孔成像1822年，法国的涅普斯在感光材料上制出世界上第一张照片。1839年，法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机。1841年光学家沃哥兰德发明了第一台金属机身的照相机。1860年英国的萨顿设计了带有可转动的反光镜取景器的原始的单镜头反光照相机。1861年物理学家马克斯威发明了世界上第一张彩色照片。1880年，英国贝克制成了双镜头反光照相机。按用途分类：风光摄影照相机、印刷制版照相机、文献微缩照相机、显微照相机、水下照相机、航空照相机、高速照相机等二、信息时代的制造业自动化制造系统指在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或将零件组装成产品，在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。自动化制造柔性制造刚性制造采用自动生产线生产的产品应有足够大的产量，产品设计和工艺应先进、稳定、可靠，并在较长时间内保持基本不变。在大批量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性。二、信息时代的制造业自动生产线应用范围机械制造业中有铸造、锻造、冲压、热处理、焊接、切削加工和机械装配等自动线，也有包括不同性质的工序，如毛坯制造、加工、装配、检验和包装等的综合自动线。二、信息时代的制造业一、以柔克刚----告别刚性生产线

刚性生产线

柔性生产线工序之间无储料装置，工件的加工和传送过程有严格的节奏性。工序之间设有储料装置，各工序之间节拍不必严格一致。二、信息时代的制造业刚性生产线举例二、信息时代的制造业柔性生产线举例二、信息时代的制造业自动线目前的发展方向：提高劳动生产率和增大多用性、灵活性，以适应多品种和变批生产的柔性生产线。数字控制机床、工业机器人和电子计算机等技术的发展，将使自动线的灵活性更大，可实现多品种、中小批生产的自动化。二、信息时代的制造业机器人焊接二、信息时代的制造业机器人装配二、信息时代的制造业二、未来工厂----CIMS

computeintegratedmanufacturingsystem

计算机集成制造系统。CIMS是通过计算机硬软件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂的大系统。

二、信息时代的制造业其基本出发点：

1.企业的各种生产经营活动是不可分割的，要统一考虑。

2.整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的实现过程。二、信息时代的制造业CIMS构成框图二、信息时代的制造业CAM，计算机辅助制造系统NC，数控机床FMS，柔性制造系统CAD,计算机辅助设计系统CAPP，计算机辅助工艺设计系统MIS，管理信息系统CIMS相关子系统二、信息时代的制造业新的含义

CIMScontemporaryintegratedmanufacturingsystem

现代集成制造系统

将信息技术、现代管理技术、制造技术相结合应用于企业全生命周期各个阶段，通过信息集成，过程优化及资源优化，实现物流、信息流的集成和优化运行，达到人、经营和技术的集成，以加强企业新产品开发以及加快产品上市的时间、质量、产品成本、服务、环境、灵活性为目标的生产管理模式，以提高企业的市场应变能力和竞争力。二、信息时代的制造业三、以假乱真----虚拟制造虚拟现实技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实，使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。虚拟制造技术是制造技术与仿真技术相结合的产物，它可以对想象中的制造活动进行仿真，不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，生产的产品也是虚拟产品。二、信息时代的制造业主要作用：

1.运用软件对制造系统中的要素全面仿真，使之达到前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供更广大的空间，推动相关技术的不断发展和进步。

2.可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于更好的指导实践。

3.在虚拟制造和现实制造的相互影响和作用过程中，可全面改进企业组织管理工作。4.可加快企业人才的培养速度。二、信息时代的制造业以生产为中心以控制为中心以设计为中心.虚拟制造二、信息时代的制造业虚拟制造四、大脑的延伸----智能制造智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统。在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，扩大、延伸和部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。二、信息时代的制造业使制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。可逐步设计出智能设计、智能管理等，再加上信息集成，全局优化，逐步提高系统的智能化水平，最终建立智能制造系统。二、信息时代的制造业智能制造二、信息时代的制造业机器人手机二、信息时代的制造业五、神医妙手----故障诊断诊断的目的是对于机械制造过程或者其他过程中产生的各种故障进行获取、传输、处理、分析和解决。其工作过程：使用传感器接收信号传输、处理质量检测故障诊断报警二、信息时代的制造业前提了解故障模式故障分析在机械生产系统可应用于自动生产线、数控机床、柔性制造单元及计算机集成制造系统。二、信息时代的制造业故障诊断性能指标：1）故障检测的及时性：2）早期检测的灵敏度：3）故障的误报率和漏报率：4）故障分离能力：5）故障辨识能力：6）鲁棒性：7）自适应能力：二、信息时代的制造业三精益求精的制造超精密加工是指被加工零件的尺寸误差小于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，也称为亚微米级加工技术，并向纳米级加工技术发展。一、超精密加工技术的地位起源于美国20世纪60年代初，是为了适应现代高科技发展需要而兴起的一种机械加工新工艺。综合了机械技术发展的新成果及现代电子技术、计算机技术和测量技术等。在航天运载工具、武器研制、卫星研制中有重要作用。三精益求精的制造陀螺仪陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性，另一是进动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下应用。当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。三精益求精的制造二、超精密加工的技术现状处于领先地位的有：美国、英国、日本。他们的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化程度也很高。三精益求精的制造美国

20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等。三精益求精的制造三精益求精的制造英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。三精益求精的制造哈勃望远镜三精益求精的制造日本相对于美国、英国起步较晚，但发展速度最快。其主要研究对象为民用产品。在用于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，更加先进具有优势。三精益求精的制造中国在20世纪80年代出现具有世界水平的超精密机床和部件。总体来说，我国在超精密加工的效率、精度可靠性、加工大尺寸及技术配套性方面与国外比，还有很大的差距。三精益求精的制造三、面向21世纪的超精密加工技术

1.不断探索新型超精密加工方法的机理

2.向高精度、高效率方向发展

3.研究开发加工、检测一体化技术

4.提高在线测量与误差补偿的能力

5.向大型化、微型化方向发展三精益求精的制造管理过程：产品的优化设计；程序的编制及工艺的生成；设备的组织及协调；材料的计划与分配；环境的监控等。工艺过程：工件的装卸、储存和输送；刀具的装配、调整、输送和更换；工件的切削加工、排屑、清洗和测量；切屑的输送、切削液的净化处理等第四章

设计手段与

计算机的完美结合第四章设计手段与计算机的完美结合第一节缩短新产品的开发周期----并行工程第二节降低新产品的开发成本----价值工程2第三节保护生态环境----绿色设计与制造3第四节提高产品的可信度----可靠性设计4第五节产品与环境的整体和谐----工业造型设计15120世纪50年代~20世纪60年代基于产品功能和成本的竞争—物美价廉20世纪70年代~20世纪80年代增加了对质量的关注20世纪80年代末~20世纪90年代初在质量和成本的基础上增加了产品开发时间第一节缩短新产品的开发周期----并行工程并行工程产生的背景第一节缩短新产品的开发周期----并行工程一、并行工程

（并行设计或同步工程）

是针对传统的产品串行生产模式而提出的概念，包括对制造过程、支持过程的设计。其目的是使产品开发人员从一开始就考虑到从概念形成到投放市场的整个产品生命周期中质量、成本、开发时间和用户需求等所有组成因素。第一节缩短新产品的开发周期----并行工程

并行工程是一个关于设计过程的方法，它需要在设计中全面地考虑到相关过程的各种问题，但并非包括制造过程等其它过程。它要求所有设计工作要在生产开始前完成，并不是要求在设计产品的同时就进行生产。

并行工程不是指同时或交错地完成设计和生产任务，而是指对产品及其下游过程进行并行设计，不能随意消除一个完整工程过程中现存的、顺序的、向前传递信息的任一必要阶段。并行工程是对设计过程的集成，它企图做到的是优化设计，依靠集成各学科专业人员的智慧做到设计一次成功。并行工程的含义第一节缩短新产品的开发周期----并行工程产品开发的传统模式—串行工程第一节缩短新产品的开发周期----并行工程产品设计工艺规划加工装配市场需求无法加工装配困难串行产品开发模式第一节缩短新产品的开发周期----并行工程串行开发模式的重大缺陷1.忽视了不相邻活动之间的交流和协调，形成以部门利益为重而不考虑全局最优化的“抛过墙式”工作环境；2.各部门对产品开发整体过程缺乏综合考虑，造成局部最优而非全局最优；3.上下游矛盾与冲突不能及时得到调解；4.开发时间加长，成本提高。第一节缩短新产品的开发周期----并行工程

并行工程的产品开发过程方案设计方案设计详细设计工艺设计工装设计详细设计工艺设计产品试制工装设计产品试制预

发

布设

计

信

息反

馈

信

息并行设计周期串行设计周期缩短的时间反馈信息设计信息第一节缩短新产品的开发周期----并行工程并行工程的运行模式第一节缩短新产品的开发周期----并行工程并行工程的实施效益缩短产品投放市场的时间降低成本将错误限制在设计阶段通过仿真和快速样件实现“一次达到目的”设计时考虑了产品的后续过程，强调了产品的整体成本优化提高质量增强功能的适用性第一节缩短新产品的开发周期----并行工程二、CE的体系机构过程管理工程设计质量管理生产制造支持环境第一节缩短新产品的开发周期----并行工程三、CE的关键技术产品并行开发过程建模及优化；支持并行设计的计算机信息系统；模拟仿真技术；产品性能综合评价和决策系统；并行设计中的管理技术。第一节缩短新产品的开发周期----并行工程并行工程集成框架设计：CAD、CAE工艺过程设计：CAPP制造过程：CAM、DFX…

实现异构、分布式计算机环境下企业内各类应用系统的信息集成、功能集成和过程集成。四、并行工程的应用和发展：1.支持环境是建立“集成”基础之上的产品生命周期的宏循环，向理想方式的微循环进军。2.融合虚拟制造和拟实制造，实现产品开发的集成与并行。3.PDM有待进一步发展。4.应用范围进一步扩大。第一节缩短新产品的开发周期----并行工程一、价值工程的起源

“石棉事件”将技术设计与经济分析相结合。第二节降低新产品的开发成本----价值工程二、价值工程的含义价值工程是通过项目领域的协作，对所研究对象的功能与费用进行系统分析，不断创新，旨在提高所研究对象价值的思想方法和管理技术。第二节降低新产品的开发成本----价值工程管理技术价值工程思想方法VE的特点：

1.以提高价值为目的。

2.以功能分析为核心，找出并剔除不合理的功能和过剩功能，从而降低成本，提升价值。

3.着眼于产品寿命周期成本。

4.有系统有组织的研究方法。第二节降低新产品的开发成本----价值工程实施时围绕：这是什么？（选定对象）

这是干什么用的？（收集情报资料）它的成本多少？（进行功能分析）

价值多少？（提出改进方案）有其他方法能实现这个功能？（分析、评价方案）新的方案成本多少？功能如何？（实施方案）新的方案是否能满足要求？（评价活动成果）第二节降低新产品的开发成本----价值工程价值工程中的价值是指某种产品的功能与成本的综合反映，用数学表达式为：第二节降低新产品的开发成本----价值工程价值=功能成本三、价值工程的应用

第二节降低新产品的开发成本----价值工程在工程建设和生产发展方面。

在组织经营管理方面。

洗衣机成本价值工程分析

洗衣机是一种家用日常电器，某洗衣机厂面对激烈的市场竞争，从日本引进了新型技术和关键设备，安装全自动装配线，更新喷漆生产线，开发新产品洗衣机，准备专用于出口俄罗斯。这款洗衣机以8个月的高速完成了从试制样机到正式投产的全过程。由于注重产品质量，使单台成本高于国际市场价格近60元，显然缺乏竞争力。但对俄罗斯市场预测结果表明，对洗衣机的需求量很大，在这种情况下，降低成本就成为生产此种类型洗衣机的关键。

价值工程研究的目的就是为了在不影响原有质量和功能的情况下，改进洗衣机成本与功能的构成，大幅度降低成本，使成本尽可能的降低到国际市场上的价格以下。

既要保证洗衣机的质量，又要尽可能的降低单台成本。价值研究小组研究成果：在不降低盖圈质量的前提下，洗衣机盖圈所用材料用另一种成本较低的材料取代；研究发现洗衣机电机的购买价格高，该厂成立了性能测试组，通过对国内几家电机厂生产的16台样机的全面测试，然后进行分析对比，从中选出了三种性能好、价格低的电机作为订货对象；还发现通过稍加大洗衣机风扇轮的尺寸就可以起到挡水和防止电机绕组受潮的作用，因此决定取消挡水板；将内筒冲压车间的下角边料，经重熔配成高强度铝合金，用来铸造皮带轮和风扇轮，节省了铝，又大幅度降低了成本；最后，改革了加工工艺