材料及成型技术发展史AND机械制造概论.ppt

1、1,机械制造基础 Fundamentals of Mechanical Manufacturing Technology 主讲：谢春晓,工业工程专业 主干技术基础课程,2,教材与参考文献,1 机械制造技术基础，韩秋实主编，机械工业出版社，2005 2 工程材料与成形技术基础，庞国星主编,机械工业出版社. 2006,机械制造技术基础，黄健求主编，机械工业出版社，2006,3,机械制造技术概论 切削原理、刀具及机床 机床夹具基础知识 机械加工工艺规程设计 机械制造技术发展 补充内容： 材料力学性能 常用工程材料（工业用钢、铸铁、有色金属合金等） 钢的热处理 材料成型技术介绍,课程简介,4,课程简介

2、,课堂讲授 自学 实践环节,期末考试70 平时成绩=作业、考勤、实验30,综合性注意联系和综合应用以往所学知识 实践性注意理论联系生产实际，重视实践性环节 灵活性掌握基本原理，活学活用,5,课程简介,掌握机械制造技术的基础知识、基本理论和基本方法。 通过课程学习及实验环节训练，培养分析和解决机械制造工程问题基本能力。 了解机械制造领域的最新成就和发展趋势。,使学生获得机器零件切削加工原理，加工工艺、加工精度、加工设备等方面的基本知识。 掌握金属切削的基本理论，具有根据加工条件合理选择刀具种类、刀具材料、刀具几何参数、切削用量及切削液的初步能力。熟悉部分常用机床的用途、工艺范围.,6,课程简介,

3、掌握机床夹具的基础知识。 掌握机械制造工艺的基本理论，具备制订机械加工工艺规程和装配工艺规程的初步能力; 学会分析机械加工过程中产生误差的原因，并能针对具体工艺问题提出相应的改善措施。 了解现代制造技术的最新发展，了解先进制造技术和先进生产模式以拓宽视野。 熟悉常用的机械工程材料及热处理方式。,7,1.材料与成型技术发展史 2.机械制造概论,8,材料与成型技术发展史,材料是社会进步的物质基础与先导，是人类进步的里程碑。而任何材料在被制造成有用物品(无论是生活用品或是生产工具等)的过程中，都 要经过成形加工，显然材料成形工艺是人类生产活动中始终不可缺少的基础性技术。,9,一.材料及材料成形工艺的

4、发展史 材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史而发展的。 在人类使用材料之初，用过兽骨，还通过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器（瓷器），在烧陶过程中人们掌握了金属（青铜）冶炼技术及金属成形工艺。 在成形技术的发展中，中华民族对此做出过极其重大的贡献。,10,我国在原始社会后期开始有陶器，在仰韶文化和龙山文化时期制陶技术已相当成熟。 我国是世界上应用铜、铁最早的国家，远在4000年前就已经开始使用铜合金，至商周时代(公元前16世纪一公元前8世纪)达到了青铜文化的鼎盛时期。 公元前六七世纪的春秋时期，我国已开始使用铁器，这比欧洲国家早了1800多年。战国时期,我国就发明了炼钢技术，创造了

5、多种在当时比较先进的炼钢方法,并将其用于制造农具和兵器等.,11,铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，形成了闻名于世的以泥范(砂型)、铁范 (金属型)和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。 据考证,早在3 000年前的商周时期,我国已发明了古代失蜡铸造法；战国中期，出现了金属型铸造；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。 河南安阳武官村出土的商代司母戊鼎，重875 kg，体积庞大，花纹精巧，造型精美。,12,湖北江陵楚墓中发现的越王勾践青铜宝剑，地下埋藏了2 000多年，但依然刃口锋利，寒光闪闪，可一次割透叠在一起的十多层纸张。 西汉时期曾大量使用的“透光”铜镜，被西方人称为 “

6、中国魔镜”，就是我国古代工匠们巧妙地利用了因铸件壁厚不同形成的铸造应力及变形的原理而制成的。 现存于北京大钟寺内的明朝永乐年间铸造的,13,大铜钟，重465 t，钟身内外遍铸经文20余万字，是世界上铸字最多的大钟，其钟声浑厚悦耳，远传百里。 我国河北沧州的五代铁狮、湖北当阳的北宋铁塔等，都是世界著名的巨型铸件。 北京故宫、颐和园内精美的铜狮、铜鹤、铜龟和铜亭构件等，则是我国明清时期失蜡铸造的代表作。 我国锻造和焊接技术也有着悠久的历史。 在河北藁城出土的商朝铁刃铜钺(越)是我国发现的最早的锻件。(距今3 000多年),14,15,在河南辉县战国墓中发掘出的殉葬铜器,其耳和足是用钎焊方法与本体连

7、接的。 我国还是最早使用粘接技术的国家，在陕西临潼秦始皇陵陪葬坑发现的铜车马中，金银饰件的固定用的就是一种无机粘接剂。 我国明朝科学家宋应星著天工开物一书中，记载了冶铁、炼铜、铸钟、锻铁、焊接、淬火等多种金属成形和改性方法及生产经验,是世界上有关金属加工工艺最早的科学著作之一。,16,我国的瓷器制造自古以来就享有盛名，宋代时已形成陶瓷业的“八大名窑”，即定窑、磁州窑、均窑、耀窑、景德镇窑、越窑、龙泉窑和建窑，其风格各具特色，技术各领风骚。 近年来，材料科学的发展极为迅速。 以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿吨，是世界钢产量9.6亿吨的23. 从1890年张之洞创办汉阳铁厂,直到19

8、49年的半个多世纪，中国产钢总量只有760万吨,不足现在一个大型钢铁厂的年产量。,17,1949年,全国产钢量15.8万吨，占世界钢产量的0.1，只相当于现在全国半天的产量。 1996年至今，我国钢产量年年超过1亿吨,成为世界第一产钢大国。 从6000万吨增长到1亿吨钢，经过7年。 这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。 但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿吨。 我国钢厂结构不合理，10以上的钢是由,18,规模不到50万吨的小型钢铁企业完成的，70以上的生产能力是由150万吨以下的中小钢铁企业完成的。 因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优

9、质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万吨的优质钢材。 所以，新一代钢铁材料的主要探索目标是提高钢材强度和使用寿命。 研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000 MPa，而目前碳素钢为200 MPa级，低合金钢(如,19,Q345)约400MPa级，合金结构钢也只有800 MPa级。 日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番(即1t钢可相当于现在的4 t)，这个计划展示了材料挖潜的前景。 我国已是制造大国，仅次于美、日，要取代德国而位居世界第三。 近年，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展,如三峡水利建设中,440 t不锈钢转轮、750 t蜗壳和300 t的闸门都是世

10、界上最重的钢铁结构。,20,最近建成的30万吨超级大型油轮(长333 m，宽58 m)、1 000吨级的大型热壁加氢反应器(壁厚280 mm)、空间环境模拟装置(直径18 m、高22 m的大型不锈钢真空容器)等都是材料及材料成形工艺的重大成就。 材料成形加工是制造业的重要组成部分。 据统计，全世界75的钢材经塑性加工，45的金属结构用焊接得以成形。 我国铸件年产量超过1400万吨，成为世界铸件生产第一大国。,21,汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。 以汽车生产为例，1953-1992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年-年全国就生产汽车207万辆，(2007年上半年产量超过4

11、50万辆)预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。 据统计，2000年全球汽车用材总质量的65由钢材(约45)、铝合金(约13)及铸铁(约7)通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。,22,旧石器时代晚期，残长8.2厘米，北京周口店出土。,骨 针,23,(新石器时代山东龙山文化，约4800年) 高29.7厘米， 1960年山东潍坊市出土， 现藏山东省博物馆。,白 陶,24,旧石器时代早期，北京市房山区周口店第一地点出土,石锤、石钻,25,石镰 长20.6厘米 新石器时代晚期 距今7000年,26,人面鱼纹彩陶盆,(新石器时代仰韶

12、文化，约5000年) 高16.5厘米,口径39.5厘米。20世纪50年代陕西省西安市半坡村出土,现藏中国历史博物馆。,27,28,越王勾践剑，春秋晚期，距今2400多年,29,青花牡丹纹水注,30,秦始皇陵出土的铜车马(公元前200多年),车通长3.17米，高1.06米，相当于真车马的一半,总重量为1241公斤。,31,永乐大钟通高5.5米，口径3.3米，重约46吨，以“五绝”荣获“钟王”之誉： 1.形大量重、历史悠久、历史内涵最为丰富； 2.钟身内外整齐地铸有23万多字的汉文、梵文佛经铭文，是铭文字数最多的大钟； 3.有世界第一流的声学特性,轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、洪亮,钟声悠雅感人,

13、益寿延年,钟声可传4050公里； 4.钟体力学结构设计合理。 5.铸造工艺精美绝伦而又朴实无华，天人合一，是中华民族精神的象征,中华民族的骄傲。,32,沧州铁狮铸造于公元953年。 铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨,33,商晚期，是我国现已发现的较大的方尊，高五十八点六厘米，重近三十四点五公斤。整个器物用块范法浇铸，一气呵成，鬼斧神工，显示了高超的铸造水平。,34,机械制造概论,主要内容： 机械制造业的发展及其重要性 制造与制造系统 生产类型 机械制造方法,35,绪论,1.1. 机械制造业的历史变迁 1785： 蒸汽机在纺织工厂使用，以瓦特改进蒸汽机为代表，引发了

14、第一次工业革命，产生了近代工业化的生产方式，手工劳动逐渐被机器生产所代替，机械制造业逐渐形成规模。 1797： 发明第一台滑动刀架车床 1873： 第一台凸轮控制的自动车床 19世纪中叶：电磁场理论的建立为发电机和电动机的产生奠定了基础，迎来了电气化时代。以电力作为动力源，使机械结构发生了重大的变化。互换性原理和公差制度产生。使机械制造业发生重大变革，进入快速发展时期。 20世纪初：内燃机的发明；流水生产线的出现；泰勒科学管理理论的产生，标志机械制造业进入了“大批量生产”（Mass Production）的时代。使机械制造业开始成为国民经济的支柱产业。,36,1.1. 机械制造业的历史变迁 1

15、910-1920： 福特汽车公司，泰勒按节拍生产的理论，首先建立了流水线生产方式，创造了平均每分钟生产一辆T型车的记录。 1952： 美国首先研制成功数控（Numerical Control NC）机床及自动编程，CAM的开端。 1953： 同一台机床上通过自动换刀实现铣、钻、镗、锪，铰、磨及攻丝等多种工艺的数控加工中心（MC）：MIT美国麻省理工学院 1962： 美国第一台工业机器人，（Industrial Robot） 1967： 英、美柔性制造系统，解决大批量，离散形生产自动化。FMS(Flexible Manufacturing system) 60年代末： CAPP（Computer

16、-Aided Process Plann-ing）计算机进行加工工艺路线和工序内容的设计及机床切削用量、时间定额等的选择与制定 1954： 美国通用电器公司（GE）首次用计算机计算职工工资,1. 机械制造业的发展及其重要性,37,1. 机械制造业的发展及其重要性,1.1. 机械制造业的历史变迁 1961：物料需求计划：MRPI 1979：制造资源计划：MRPII 80年代： 计算机集成制造系统（CIMS）：以制造技术，计算机技术，柔性制造技术，自动化技术和现代管理科学为基础，将制造业，工厂经营活动所需的各种自动化系统，通过新的生产管理模式，工艺理论和计算机网络有机地集成，使任何复杂的产品从设计

17、到加工以及管理的工作量减少到最低限量。 80年代以来：信息产业的崛起和通讯技术的发展加速了市场的全球化进程，市场竞争更加激烈。为了适应新的形势，在机械制造领域提出了许多新的制造哲理和生产模式，如: 计算机集成制造（CIM） 精良生产（LP） 并行工程（CE） 虚拟制造（VM）,38,新的制造理念,柔性制造（Flexible Manufacturing） 以硬件为基础软件作支持，改变程序实现所需控制，易于变动。 JIT（Just In Time）准时制造 在需要的时间生产需要数量的产品，即订单生产或零库存生产。 敏捷制造（Agile Manufacturing） 能快速响应市场，最大限度地缩短新

18、产品开发和交货期。 虚拟制造（Virtual Manufacturing） 虚拟现实技术与制造技术集成的产物，制造过程在计算机上实现。 网络制造 根据市场需求的产品，利用网络在全球范围内组织资源和生产，产品寿命结束公司即解散。虚拟公司/动态联盟,39,1,2 机械制造业的发展方向 进入21世纪，机械制造业正向自动化、柔性化、集成化、智能化和清洁化的方向发展。主要表现在三个方面： 加工技术向高度信息化、自动化、智能化方向发展。各种先进制造技术被大量采用（如信息技术、智能制造技术、数控技术、柔性制造系统、计算机集成制造系统以及敏捷制造技术等）。 加工技术向精密、超精密方向发展。出现超精密工程、纳米

19、材料、纳米加工，纳米测量等纳米技术。 各种先进的特种加工方式被不断采用。如快速成形、激光加工、电加工等。,1. 机械制造业的发展及其重要性,40,1.3 机械制造业在国民经济中的地位 (1)美国68% 的财富来源于制造业； (2)日本，国民经济总产值的约49% 由制造业提供。 (3)在先进的工业化国家中，约有1/4的人口从业于制造业，在非制造业部门中，又有约半数人员的工作性质与制造业密切相关。 在整个制造业中，机械制造业占有特别重要的地位。因为机械制造业是国民经济的装备部。 任何一个经济发达的国家，无不具有强大的机械制造业，许多国家的经济腾飞，机械制造业功不可没。,1. 机械制造业的发展及其重

20、要性,41,1.3 机械制造业在国民经济中的地位 （1）日本：二次世界大战后，日本先后提出技术立国和新技术立国的口号，对机械制造业的发展给予全面的支持，并抓住机械制造的关键技术 - 精密工程、特种加工和制造系统自动化，使日本在战后短短30年里，一跃成为世界经济大国。 （2）美国：美国自20世纪50年代以后，曾在相当的一段时间内忽视了制造技术的发展。美国政府历来认为生产制造是企业界的事，政府不必介入。一部分学者还错误地主张应将经济重心由制造业转向高科技产业和第三产业。结果导致美国经济严重衰退，竞争力明显下降，在汽车、家电等行业不敌日本。 20世纪80年代，美国政府开始认识到问题的严重性，深刻反省

21、后，重新确立了制造业的地位。,1. 机械制造业的发展及其重要性,42,43,图1-2 多轴数控机床改进核潜艇性能,44,1.4 我国机械制造业的现状及机遇 解放后，我国机械制造业有了很大地发展。(汽车工业、航天航空工业) 1993年我国的机床拥有量已达到300多万台，居世界第一位。 当前，各种高、中档数控机床、加工中心以及高速主轴单元等功能部件形成了相当的研究和生产能力。我国已能生产6轴5联动的数控系统，生产的高速加工中心的主轴转速高达10000r/min。定位精度2m，进给速度可达60m/min。 我国制造的数控机床正在向高精度、高速度、多轴联动发展，向柔性自动线方向发展。向高级型、普及型和

22、经济型相结合的方向发展。 刀具方面，我国已开发了超细晶粒硬质合金、碳化钛基硬质合金、高性能陶瓷刀具、PCD、金刚石涂层、PCBN等先进和超硬刀具材料。,1. 机械制造业的发展及其重要性,45,1.4 我国机械制造业的现状及机遇 阶段性差距：产品质量和水平不高、可靠性差、技术开发能力不强、管理水平低、生产率低下、科技投入严重不足等。例如： （1）我国机械制造业拥有300多万台机床，2000多万职工，堪称世界之最。但由于产品结构和生产技术相对落后，致使我国许多高精尖设备和成套设备仍需大量进口，机械制造业人均产值仅为发达国家的几十分之一。 （2）我国生产的数控系统在可靠性、平均无故障工作时间和寿命等

23、性能指标上都低于国外同类产品。 ,1. 机械制造业的发展及其重要性,46,随改革的不断深入，对外开放的不断扩大，为我国机械制造业的振兴和发展提供了前所未有的良好条件。 制造业的世界格局已经和正在发生重大变化，世界经济重心已开始向亚洲转移。给我国机械制造业带来难得的机遇。,1. 机械制造业的发展及其重要性,47,图1-3 神州7号宇宙飞船,48,2.1 生产的含义 生产活动是人类赖以生存和发展的最基本活动。从系统观点出发，生产可被定义为是一个将生产要素转变为经济财富，并创造效益的输入输出系统，见图1.1。,2. 制造与制造系统,49,2.2 生产的分类 对于生产有形产品的企业，根据其生产过程的特

24、点，可分为三种类型：连续型生产、离散型生产和混合型生产。 1. 连续型生产: 如石油、化工、冶金等企业，其生产方式为连续型，即从原材料到成品的转变过程呈流水方式，连续不断，工序之间通常没有制品存储，生产的产品、工艺流程及生产设备均相对固定不变，生产设备24h不间断运行。 2. 离散型生产: 如机械、电子、轻工等企业，其生产的产品由离散的、相互联系的零部件组装而成。此类生产的转变过程较复杂，生产工序及中间环节较多，工序之间有制品存储，产品生产周期较长，生产管理难度较大。 3. 混合型生产: 如食品、造纸等企业，兼有上述两种生产类型的特点。,2. 制造与制造系统,50,2.3 制造的含义 定义：离

25、散型的生产企业，通常称为“制造企业”。制造可以理解为离散型生产，即制造也是一个输入输出系统，其输入也是生产要素，输出是具有离散特征的产品。 1. “大制造”的概念：是对“制造”的广义理解。按照这样的理解，制造应包括从市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、销售运输直至售后服务的全过程。在当今的信息时代，广义制造的概念已为越来越多的人所接受。 2. 在某些情况下，制造及制造过程被理解为从原材料或半成品经加工和装配后形成最终产品的具体操作过程，包括毛坯制作、零件加工、检验、装配、包装、运输等。这是一个“小制造”的概念，是对“制造”的狭义理解。,2. 制造与制造系统,51,2.4 制造技术

26、 制造技术: 完成制造活动所需的一切手段的总和。这些手段包括运用一定的知识和技能，操纵可以利用的物质和工具，采取各种有效的方法等。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。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62% 。 与大、小制造概念相对应，对制造技术的理解也有广义和狭义之分。 广义理解: 制造技术涉及生产活动的各个方面和全过程，被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动和系统，是一个功能体系和信息处理系统。 狭义理解: 制造技术则重点放在机械加工和装配工艺上。,2. 制造与制造系统,52,2.5 制造系统的组成 制造作为一个系统，

27、由若干个具有独立功能的子系统构成。其主要子系统及其功能如下（见图1-2）：,2. 制造与制造系统,53,2.6 制造系统的特性 1. 结构特性 制造系统可视为若干硬件（生产设备，工具，运输装置，厂房，劳动力等）的集合体。为使硬件充分发挥其效能，必须有相应的软件作支持（图1-3）。 这里说的软件主要指生产信息，即生产方法和生产工艺。有关人员和设备的合理配置和布局等。,2. 制造与制造系统,54,2.6 制造系统的特性 2. 转变特性 (1) 制造系统是一个将生产要素转变成离散型产品的输入输出系统。 (2) 研究制造系统的转变特性，着眼于制造系统物料的转变过程，即系统的物质流。 (3) 制造系统转变过程实例：（图1.4）,2. 制造与制造系统,55,图1-5 汽车生产物流示意图,56,2.6 制造系统的特性 3. 程序特性 所谓“程序”系指一系列按时间和逻辑安排的步骤。从这个意义出发，制造系统可视为是一个生产离散型产品的工作程序。 (1) 全局生产规划：用于处理生产系统及生产系统与外部环境之间关系的全局性的问题，如确定