《机械制造装备设计》讲义(1)

《机械制造装备设计》讲义

第一章绪论

§1-1 “机械制造装备设计”的内涵：

本门课程主要培养同学们的“机械制造装备”，包括机床、工艺装备、仓储运输装备、辅助装备的设计方法和设计理念，培养最基本的设计技能（结构设计、设计计算、标准元件的选用方法、查阅资料的方法）。

§1-2机械制造装备分类：四大类。

1. 加工装备：俗称“工作母机”。

金属切削机床: 车、铣、刨、磨、钻、镗、拉等。

特种加工机床：no-traditional machining

（1）电加工机床（电火花、线切割、电解）;

电火花——通过电极与工件之间的高压放电，使工件表面金属气化。煤油作为介质。

铜、石墨等可以作为电极。导电的难加工材料，形状复杂，微型工件的加工。

线切割——通过钼丝与工件之间的放电进行切割。导电材料的加工。模具加工等。

电解加工——通过电化学腐蚀的方法进行加工（中学化学），必须有化学性溶液作为介质。导电的难加

工材料。

（2）高速水射流加工机床;

加磨料的高压高速水流冲击被加工表面，通过磨蚀达到切割的目的，可加工各种非导电的难加工材料，如各种石材、瓷砖等。

（3）高能束流(high energy density beam)加工机床（激光、电子束、离子束加工机床）;

激光加工——高能激光束，经过聚焦，进行加工。激光切割、焊接、热处理等。

电子束加工——在真空状态下，高能电子束撞击金属表面，使加工区域的金属材料气化。

通过磁场进行方向控制。

离子束加工——用氩离子加速撞击工件表面，将工件表面的原子逐个进行剥离，达到加

工的目的。（离子刻蚀）

（4）超声波加工机床。

超声振动16kHz，通过变幅杆将振幅放大，使工具端部（靠近工件）产生0.05～0.1mm纵向超声振动，通过工具与工件之间的悬液中的磨料对工件表面产生撞击，去除工件表面的材料。

（5）快速成形机床（Rapid Prototyping, RP）:80年代中后期出现，典型工艺有四种。

光敏树脂液相固化成形——液态光敏树脂，在激光照射下固化。

锻压机床：锻造机、冲压机、扎制机、挤压机等，属少无屑加工。

2.工艺装备：刀、夹、量、附(模具)

3.仓储输送装备：机床上下料装置、物料输送（搬运）装置、自动导航小车、仓储设备（立体仓库）等。

4. 辅助装备：清洗机（装配前进行）、排屑装置等。

§1-3 机械制造装备在国民经济中的地位

1. 国防现代化离不开机械制造装备

2. 振兴国民经济离不开机械制造装备

3 .机床工业的发展水平代表着一个国家的机械工业水平

参考资料

除课本和讲义外，可以参考《金属切削机床概论》、《金属切削机床设计》、《加工中心设计与应用》、《机械加工自动化》等。

第二章机床技术发展概述

一、我国机床工业的发展历史

(1)“小巨人”型企业的群体特点：a. 高效益：50~300人的规模，生产效益50~160万元/人年；b.产品的技术含量高，附加值大；c.开发手段现代化（各种高新技术、信息技术运用）；d.管理现代化（符合市场的经济运行机制）。

小巨人是一种“哑铃型”企业，充分利用社会资源，主要瞄准“多品种小批量，量体裁衣的行业”，这种企业是符合目前世界的发展潮流。

（2）NC机床按性能和功能分为三类：

①高级型：交流、数字驱动，多轴联动（4、5、6轴），5%占有率；

②普及型：20%占有率；2、3轴

③经济型（简易数控）：步进电机、单板机、单片机，75%占有率。

值得关注的是，我国在大量进口机床的同时，航空航天、军工急需的高级型数控机床长期被西方“禁运”。这种局面长此下去必将对我国经济安全运行构成威胁，我们只有一条路可走，就是要加快发展我国自己的数控机床产业。

二我国数控机床技术目前所面临发展机遇与挑战

如果国产数控机床的发展不先行一步，就赶不上装备制造业大发展这班车，这样，装备制造业需要的机床设备大单就会再次落入他人之手（同学们作为将要进入企业，一定要把好这道关）。

目前我国的机床进口额已经非常巨大，我们的压力巨大，必须振兴我国的机床工业，不能再错失良机（已经错失了两次机会），这就是温家宝总理多次强调振兴装备制造业，首先要发展机床工业的原因。

三、机床技术的发展动向

“三高”（高速化、高精密化、高性能化）和“三化”（控制系统的网络化与智能化、机床结构的多功能化、机床工艺的复合化）

1、高速化

（1）. 高的主轴转速 :目前高速加工机床普遍采用电主轴。主轴最高转速普遍达到15000～20000rpm 以上，超高速可以达到8万、10万rpm，主轴功率一般为40KW左右。

（2）. 高的快速移动速度和进给速度，高的加减速度

（3）.高的换刀速度，高的托盘交换速度，控制系统更高的数据处理速度。缩短辅助时间，提高加工的实时性。

高速加工：飞机机翼的整体加工、微型孔加工。

高效加工：大型水轮机叶片加工。以提高加工效率为目的。

高性能加工：各种难加工材料的加工。如，钛合金等。

2、高精密化

▲目前超精密加工技术已经进入微纳米加工时代：

▲目前超精密加工机床主要采用软件补偿技术提高加工精度，

近10年来，数控机床的加工精度变化情况：

➢普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，

➢精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，

➢超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。

➢高精度铣削的一般加工精度为10μm，有的还可能更高，而且可分为三个档次：普通级为5μm，高精密级从3～5μm至1～1.5μm，超精密级可达0.01μm。

➢微细切削和磨削加工精度可稳定达0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。

➢采用光、电、化学等能源的特种加工可达到纳米级（0.001μm）的加工精度。

3、复合化加工

（1）工序复合型，应用刀具（铣头）自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置，增加工件在一次安装下的加工工序数，如多面多轴联动加工的复合机床和主副双主轴车削中心等，能提供铣削、钻削、攻丝、车削、磨削、焊接和调平多种功能。

例如，镗铣类加工中心是工序复台化数控机床代表，把铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序复台在一台机床上。

车削中心、车铣复合加工中心、磨削中心、齿轮加工中心以及各种复合加工中心。

特点：多种工序高度集中，一次装夹下完成几乎所有面的加工，加工精度高、加工效率高。

（2）工艺复合型，跨加工类型的复合机床包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。

4、CNC系统的柔性化、系统化、网络化和智能化

▲传统的CNC系统是封闭式系统。被几个大公司垄断，例如：日本的FANUC系统市场占有率52%，德国SIMENS系统市场占有率27%。这些封闭式CNC系统价格贵，不便于二次开发。国产数控系统主要有华中数控、广州数控，南京华兴，航天数控，蓝天数控，北京凯恩帝，北京凯奇，南京新方达，上海开通，成都广泰，仁和数控，圣维数控，深圳珊星，东方数控。（分高档、普及型、经济型三种）

▲新一代CNC系统是开放式体系结构。

当前数控系统的几个发展趋势：

➢全数字化的硬件体系结构；

➢复合化加工的多主轴技术；