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1、机械制造工艺学机械制造工艺学Machine Manufacturing Engineering机电工程学院机电工程学院傅志红傅志红Tel：15874155828Email：机械制造工艺学(第2版）清华大学，王先逵 主编，机械工业出版社，2007教材：教材：参考教材：参考教材：1 宾鸿赞，曾庆福主编，机械制造工艺学，机械工业出版社2 Mikell P.Groover.Fundamentals of Modern Manufacturing.JOHN WILEY&SONS,INC.20023 机械工程手册4 机械工程师手册3课程简介课程简介课程宗旨 掌握机械制造技术的基础知识、基本理论和基本方法。
2、通过课程学习及实验、生产实习及课程设计等实践环节训练，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。本课程研究对象研究对象：机械产品的制造工艺，包括零件加工、装配两个方面。工艺使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程。工艺既是构思和想法，又是实在的方法和手段，落实在由工件、刀具、机床、夹具组成的工艺系统中。4课程简介课程简介主要内容绪论机械加工工艺规程设计 机械加工精度及控制 机械加工表面质量及控制 机械装配工艺过程设计 机床夹具设计5学习方式 课堂讲授讲授重点、难点 自学课程内容20自学，通过作业、答疑保证效果 实践环节作业、练习、实验、生产实习（课程设计）考
3、核方法 期末考试70平时考核30课程特点与学习方法 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，活学活用课程简介课程简介第一章绪论一 制造技术概述;二 制造业的地位和作用；三 我国制造业的现状；四 机械制造业的发展；五 制造业面临的竞争和挑战；六 先进制造技术输入输出+-生产过程生产过程效益生产(production)：从系统的观点，生产可以定义为将生产要素转变成生产财富并创造效益的输入输出系统，见图1 1-1 1。生产财富有形（产品）无形（服务）图1-1生产的定义转变效率：生产率=输出/输入生产要素生产对象（原材料）生产资料（直接、间
4、接）能源劳动力信息（知识、技能、情报）资金1.1 制造技术概述1.1.1 生产与制造1.1 制造技术概述1.1.1 生产与制造制造（Manufacturing):是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。狭义：生产过程从原材料成品直接起作用的那部分工作内容，包括毛坯制造、零件加工、产品装配、检验、包装等具体操作（物质流）广义：制造=生产国际生产工程学会1990年：制造是涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。(Manufacturing is series of interrelated activi
5、ties and operations involving the design，planning，production，quality assurance，management and marketing of the products of the manufacturing industries。)1.1 制造技术概述1.1.1 生产与制造 制造技术（Manufacturing Technology)按照人们所需的目的，运用知识和技能，利用客观物资工具，将原材料物化为人类所需产品的工程技术。即：使原材料成为产品而使用的一系列技术的总称 制造过程产品从设计、生产、使用、维修、报废、回收等的
6、全过程，也称为产品生命周期。制造业将制造资源（物料、能源、设备、工具、资金、信息、人力等）利用制造技术，通过制造过程，转化为供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业。美国将机械、电子、轻工、纺织、冶金、化工等行业列为制造业。第一产业农业林业渔业畜牧业矿业采石业石油业第二产业航天航空纺织、服装汽车、装备、重型机械冶金、钢铁、金属制品食品、饮料化工、石油精炼计算机、半导体、电器建筑、建材日用消费品玻璃、陶瓷、造纸制药橡胶、塑料制品能源、电力出版第三产业银行、金融服务、保险通讯、资讯教育、医疗、保健娱乐、旅馆、餐饮、旅游政府法律机构房地产修理与维护商业（零售、批发）交通、运输表1-1 第一、二、三
7、产业的划分1.1 制造技术概述1.1.2 制造技术制造技术在产品生产中，使原材料转化为产品过程所施行的各种手段的总和，称为制造技术。运用一定的知识、技能操纵可以利用的物质、工具采取有效的方法手段与大、小制造概念相对应，对于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生产的全过程，制造技术被认为是一个从产品概念到最终产品的集成活动，是一个功能体系和信息处理系统。1.1 制造技术概述1.1.3 制造系统制造系统结构图1-2 制造系统功能结构经营管理信息流生产管理信息流技术信息流物质流用户、市场与外部环境经营管理市场与销售研究与开发资源管理财务生产管理工程设计采购车间制
8、造（加工、装配、检验、输送、存储 ）质量控制1.1 制造技术概述1.1.3 制造系统制造系统特性软件硬件（1）结构特性制造系统可视为若干硬件的集合体。为使硬件充分发挥效能，必须有软件支持。软件硬件软件硬件图1-3 制造系统结构特性（2）转变特性主要从技术角度出发，如何使转变过程更有效进行。获取阶段转变阶段分配阶段图1-4 制造系统的物质流原材料供应者原材料库存零件加工零件库存装配成品库存最终用户1.1 制造技术概述1.1.3 制造系统制造系统特性需求订货信息生产计划信息进度计划信息作业计划信息生产结果数据生产控制信息生产技术信息产品设计信息综合生产计划生产进度计划作业计划生产实施生产控制产品设
9、计工艺过程计划工艺过程信息计划阶段实施阶段控制阶段图1-5 制造系统的程序特性（3）程序特性 程序 一系列按时间和逻辑安排的步骤 制造系统可视为生产离散型产品的工作程序（图1-5）研究制造系统程序特性，主要从管理角度出发如何使生产活动达到最佳化。1.1 制造技术概述1.1.3 制造系统制造系统的物质流与信息流误差流物流资金流规划控制需求信息流实施（车间或现场）原材料产品与服务能源能量流图1-6 制造系统的五种流1.1 制造技术概述1.1.3 制造系统1.2 制造业的地位和作用1 制造业是国民经济的支柱产业和经济增长的发动机美国：68%的财富来源于制造业；日本：49%的国民生产总值（GNP）来源
10、于制造业；中国：我国制造业在工业总产值中也占有相当大的比例。2006年，制造业的增加值占工业增加值的77.99%。2009年中国制造业在全球制造业总值中所占比例已达15.6%，成为仅次于美国的全球第二大工业制造国。我国制造业在工业总产值中也占有相当大的比例。2006年，制造业的增加值占工业增加值的77.99%;截至2007年底，按登记注册人数统计，制造业职工总人数占工业的80.35%。分点。2.制造业是高技术产业化的载体和实现现代化的重要基石1.2 制造业的地位和作用3.制造业是吸纳劳动就业和扩大出口的关键产业我国制造业企业数量由1999年的134345家增加至2003年的172755家，增幅
11、达28.59%，制造业增加值和出口额稳步上升，分别由1999年的168020万元、109264万元上升至2003年的335771万元、260786万元，分别实现增幅99.84%和138.68%。截至2007年底，按登记注册人数统计，制造业职工总人数占工业的80.35%。中国从2006年开始出口额大于进口额，制造业的出口已占到全国贸易总额将近42%，进口额占40%。4.制造业是国家安全的重要保障1.2 制造业的地位和作用美、日等国已将制造科学与信息科学、材料科学、生物科学一起列为当今时代四大支柱学科。事实上，虽然世界已进入信息化的大趋势，但发达国家仍然高度重视制造业发展。据悉，美国制造业对GDP
12、的贡献率始终大于20%，拉动其它产业30%。1.3 我国制造业的现状1.已建立了一个比较完整的工业体系，提供重大装备的能力不断提高如：为上海磁悬浮列车项目提供有8台数控落地镗铣床组成的轨道深加工自动线；年产12千万吨级不同开采工艺的露天矿采掘和年产500万吨级井下矿采掘成套设备；葛洲坝枢纽工程170兆瓦、转轮直径11.3米轴流式水电机组；300兆瓦核电站成套设备；500千伏交流输变电成套设备；水下机器人；激光照排设备；正负电子对撞机；曙光、银河、联想等巨型计算机；主战坦克；新舟60客机；飞豹轰炸机；神舟号无人飞船；核动力潜艇；两弹一星等。1.3 我国制造业的现状2.制造业总体生产规模已居世界第
13、二位，众多制成品产量已居世界前列“制造大国但非制造强国”3.各具特色的制造业聚集地逐渐形成珠江三角洲、长江三角洲已成为全球重要的家电、电子及通信设备制造聚集地；东北重大成套设备制造聚集地、川陕国防装备制造聚集地等正稳定地为国民经济和国防建设发挥着不可或缺的作用。4.我国目前处于工业化的中期。1.3 我国制造业的现状存在的问题：1.总体规模仍然偏小，仅为美国的1/5、日本的1/4。2.制造业的人均劳动生产率过低，仅为美国的1/25、日本的1/26、德国的1/20。4.制造业结构呈轻型化状态，表现为机械电子制造所占比例偏低。装备制造能力尤为偏低。技术创新能力和自主开发能力薄弱，突出表现为：机械产品
14、技术来源的57%来自国外，绝大多数电子及通信设备的核心技术依赖进口。产品开发周期过长，企业对市场的快速反应能力差。我国机械新产品的平均开发周期为18个月，美国（1990年）新产品设计周期3个星期，试制周期3个月。先进制造技术在国内尚处于初级开发阶段，普及率较低，与发达国家存在着阶段性差距。1.3 我国制造业的现状存在的问题：5.低水平生产能力严重过剩。据第三次全国工业普查，机械、电子、化工、轻工、冶金等行业生产能力利用率分别为51.86%、54.45%、54.9%、46.09%和35.55%。光纤制造设备的光纤制造设备的 100%集成电路芯片制造设备的集成电路芯片制造设备的 85%主要机械产品
15、的技术来源主要机械产品的技术来源 57%依靠进口依靠进口中国是制造业大国-但不是制造业强国制造强国的主要标志 具备强大的产品自主开发能力和技术创新能力，拥有大批具有自主知识产权的重要产品和国际领先的重要制造技术,拥有众多国际知名品牌。拥有一批具有国际竞争力的制造企业，及强大的营销网络，拥有一批具有工程总承包能力的设计和工程公司。拥有一支具有国际竞争力的工程技术经营管理和技术工人队伍，具有卓有成效的人才培训体系。制造强国的主要标志 形成具有国际先进水平的技术标准和法规体系，并在一些重要领域引领国际标准的制定及全球应用。形成若干在国际上知名，各具特色的制造业聚集地或制造中心。依托强大的装备制造业为
16、基础，能够及时提供各行业所必需的保证技术，要求具有国际竞争力的先进装备。中国制造世界制造加工车间研究研究开发开发订单订单制造制造销售销售服务服务硅谷硅谷新竹新竹东莞东莞利润率利润率25利润率利润率15利润率利润率51.4 机械制造业的发展1机械工业在国民经济中的地位机械工业是国民经济各部门的装备部，国民经济的各部门的生产技术水平和经济效益，在很大程度上取决于机械工业所能提供装备的技术性能，质量和可靠性。因此，机械工业技术水平和规模是衡量一个国家科技水平和经济实力的重要标志。1.4 机械制造业的发展机械制造工艺（一般）：冷加工:车、铣、刨、磨等热加工：铸造、塑性加工、焊接、热处理等机械制造过程是
17、：一种离散的生产过程 实现自动化的难度大依赖个人经验和技艺较多，难以用数学方法、规律、逻辑进行描述。计算机技术，微电子技术，控制技术，传感技术与机电一体化技术。系统论，信息论和控制论 形成 系统科学与方法论管理科学（质量保证体系）与制造技术相接合，机械制造的发展已经从一种经验，技艺，方法逐步 机械制造工程科学1.4 机械制造业的发展加工精度(Machining Accuracy)各年代达到的加工精度1mm-8世纪后期(1776),蒸汽机,灰铸铁,汽缸0.01mm-19世纪中期(1850)m微米级(10-6m)-20世纪50年代末nm 纳米级(10-9m)-20世纪末,目前,超大规模集成电路原子
18、级-一般精加工（如研磨）IT5表面完整性(Surface Integrality)使用寿命和工作可靠性生产率(Productivity)(永久性话题)机动工时切削用量（切削速度）辅助工时待料、换刀、装夹、维修、调整机床2.加工技术向高精度发展;预测：预测：21世纪初世纪初(前前30年年)，普通加工：普通加工：1m精密加工：精密加工：0.01 m超精密加工：超精密加工：0.001 m21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进1.4 机械制造业的发展1.4 机械制造业的发展1.机械制造工艺方法进一步完善与开拓；如：激光加工如：激光加工、电加工电加工、射
19、流加工射流加工、快速原型制造技术等先进的加工方快速原型制造技术等先进的加工方法都在不断的完善与发展法都在不断的完善与发展。水射流加工：水射流加工：压力可达：压力可达：1001000 MPa，流量：流量：0.525 l/min，水水流速流速:500900m/s切割切割180mm钢板钢板，切口公差切口公差:：0.060.25mm，切口切口仅：仅：0.015mm2.加工技术向高精度发展;1.4 机械制造业的发展预测：预测：21世纪初世纪初(前前30年年)，普通加工：普通加工：1m精密加工：精密加工：0.01 m超精密加工：超精密加工：0.001 m21世纪的超精密加工将向分子级、原子级精度推进世纪的
20、超精密加工将向分子级、原子级精度推进2.加工技术向高精度发展;1.4 机械制造业的发展通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样1.4 机械制造业的发展3.加工技术向高度自动化方向发展；随着计算机技术的发展随着计算机技术的发展，相继出现相继出现CNC机床机床、柔性制造系统柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturing System)、计算机集成制计算机集成制造 系 统造 系 统 CIMS(ComputerIntegratedManufacturing System)。1.5 制造业面临的竞争和挑战1.1.国际形势的变化国际形势的变化90年代以来，世界出现了多级
21、化的新格局；政治冷战经济热战国际竞争和对抗的焦点由军备竞赛转向全球范围内的以科技为先导，经济为基础、军事为后盾的综合国力的较量；产业技术和经济实力成为政治对抗的重要资本；不计生产成本和代价的军品生产模式不适于新形势下的生产；“战略伙伴”关系中经济色彩突出、提高制造业产品竞争能力，发展高技术，尤其是独具知识产权的产业技术成为未来抢占经济制高点、振兴国家经济的焦点。2.2.制造业市场竞争的新特点制造业市场竞争的新特点788082848688909294 962时间时间46810平均产品寿命平均产品寿命 TL平均开发时间平均开发时间 TDTD TL年数年数1）知识技术产品更新的周期更短1.5 制造业
22、面临的竞争和挑战1.5 制造业面临的竞争和挑战2020世纪世纪9090年代制造业的标志性进展年代制造业的标志性进展波音波音777777的设计和制造的设计和制造 全数字化定义无纸生产 数字化预装配无金属样机的生产（虚拟制造的一部分）广域网上的异地设计、异地制造 基于STEP的数据交换协同工作小组Team work 238个设计制造周期大大缩短：4年（而波音757、767约9-10年）更大的利润，每架777，$1.4亿基于分布式基于分布式CAD/CAMCAD/CAM系统在系统在8 8台台IBMIBM大型计算机大型计算机ES/9000ES/9000和和IBM5080IBM508050865086图形
23、终端，图形终端，发现零件干涉发现零件干涉25002500处，减少处，减少工程更改工程更改5050以上以上设计、工艺、制造、供应商、设计、工艺、制造、供应商、潜在用户的工作小组，潜在用户的工作小组，70007000人人参加，采用并行工程的模式。参加，采用并行工程的模式。InternetInternet将发动机供应商将发动机供应商GEGE、HPHP和诺依斯罗斯联在一起。和诺依斯罗斯联在一起。63M63M长的波音长的波音777777，装配准误差，装配准误差仅仅0.58mm.0.58mm.5 5、制造业面临的竞争和挑战、制造业面临的竞争和挑战研制研制周期周期交付周期交付周期研制周期研制周期0 01 1
24、2 23 34 45 56 67 78 89 9101070770772772773773774774775775776776777777751596263727290年年57646871828194.5(年年)波音各种机型研制交付周期比较波音各种机型研制交付周期比较1.5 制造业面临的竞争和挑战1 1）交货周期成主要竞争因素）交货周期成主要竞争因素2 2）产品批量）产品批量（个性化、小批量、多品种）（个性化、小批量、多品种）更小；更小；汽车生产：大批量生产汽车生产：大批量生产大批量定制生产；大批量定制生产；3 3）顾客对产品功能、性能、质量的要求）顾客对产品功能、性能、质量的要求更高；更高；
25、4 4）能参与全球竞争的企业（大市场，大竞争）能参与全球竞争的企业（大市场，大竞争）更多；更多；5 5）跨国公司的垄断性）跨国公司的垄断性更明显；更明显；6 6）企业的兼并重组）企业的兼并重组更激烈、更动荡；更激烈、更动荡；7 7）一般水平的产品及制造能力）一般水平的产品及制造能力严重过剩；严重过剩；8 8）人口老龄化）人口老龄化更严重；更严重；9 9）环保意识、绿色制造呼声）环保意识、绿色制造呼声更强。更强。2、制造业市场竞争的新特点1.5 制造业面临的竞争和挑战1.5 制造业面临的竞争和挑战0255075100低高扰动程度80年代年代90年代年代5450302725223654604538
26、2836554651415363535251633964644154627640555674/质量意识质量意识价格意识价格意识服务水平服务水平对替代品的脆弱性对替代品的脆弱性产品生命周期产品生命周期经济循环依赖水平经济循环依赖水平流行流行 时尚意识时尚意识竞争强度竞争强度消费者需求及欲望的变化程度消费者需求及欲望的变化程度购买者能力购买者能力技术变化率技术变化率饱和水平饱和水平愿望的一致程度愿望的一致程度需求水平稳定性需求水平稳定性需求及消费者欲望的确定性需求及消费者欲望的确定性必需品必需品 奢侈品奢侈品价格竞争价格竞争 产品的差异性产品的差异性市场影响因素的变化市场影响因素的变化Pine和
27、B.Joseph II “Mass Customization,The New Frontier in Business Competition.”Boston:Harvard Business School Press,1.5 制造业面临的竞争和挑战“中心中心”的变化的变化以产品为中心以产品为中心以顾客为中心以顾客为中心以市场为中心以市场为中心1.5 制造业面临的竞争和挑战消费观念的变化消费者的行为更具选择性顾客化产品：批量生产的产品逐步被个性化、多样化产品所代替制造业“服务”：产品生产与产品服务的界限越来越模糊、不满足感增加：“新三年、旧三年、缝缝补补又三年”的观念逐步消失对生产及产品的影
28、响产品订货批量下降，单件、小批产品寿命周期减短：5-10年-3-5年甚至更短产品生产周期缩短1.5 制造业面临的竞争和挑战企业的竞争优势竞争核心竞争核心产品发展战略产品发展战略技术方面的重点技术方面的重点过程方面的重点过程方面的重点组织方面的重点组织方面的重点利润利润市场份额市场份额有竞争优势的产品有竞争优势的产品的市场规模的市场规模产品上市时间产品创新较低的成本生产力数据共享知识管理串行的设计过程并行工程企业间合作面向部门面向过程虚拟企业Source:Gartner Group1.5 制造业面临的竞争和挑战3.3.制造全球化和贸易自由化制造全球化和贸易自由化原因：世界自由贸易体制进一步完善
29、全球交通运输进一步完善 全球通讯网络建立 国际经济合作与交往日益紧密导致：全球产业界结构大调整 世界逐步形成一个统一的大市场使得：供应与需求国家化、国际化，不同时间、地区、国家，市场需求有波动，对于同一用户、同一产品，可供选择的市场国际化、竞争国际化任何国家、地区，不论任何国家、地区，不论实行怎样的社会制度，不可实行怎样的社会制度，不可能离开世界市场而独立谋求能离开世界市场而独立谋求发展发展;制造业发展应该进入制造业发展应该进入国家目标层次，才能促进经国家目标层次，才能促进经济增长济增长1.5 制造业面临的竞争和挑战4.4.科技进步与信息社会科技进步与信息社会从微电子、信息（计算机与通信、控制
30、理论、人工智能等）、新材料、系统科学所代表的新一代工程科学与技术的迅猛发展在制造领域中的广泛渗透、应用、衍生，极大的拓展了制造活动的深度和广度，急剧的改变了现代设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺、设备以及生产组织结构，产生了一大批新的制造技术和制造模式。高新技术的综合作用促进了制造技术在宏观(制造系统集成）和微观（精密、超精密、微纳米加工检测）两个方向上的蓬勃发展，成为一门涵盖整个生产过程的各个环节（市场分析、产品设计、工艺规划、加工准备、制造装配、监控检测、质量保证、生产管理、售后服务、回收再利用等）、包括人、机器、能量、信息等多种资源的组织、控制与管理，横跨多个学科的集成技术。1.5 制造业面临的竞争和挑战5.5.环境保护意识的增强与可持续发展环境保护意识的增强与可持续发展环境问题：大量消耗资源和破坏环境的传统工业发展模式与工艺技术系统引起了严重的环境问题可持续发展思想：重视环境方面对制造业及其产品的制约社会压力国家政策与立法经济手段结论:面向可持续发展的生态安全型和资源节约型的制造技术将是制造领域中亟待解决的一个重要问题.