第一章机械制造概论

喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个
薄层，并逐步叠加成三维实体。
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构造三维模型 模型近似处理
切片处理
激光
喷射源
固化树脂 切割箔材 烧结粉末
喷粘结剂 喷热熔材料
三维产品（样品/模具） 表面处理
快速成形过程
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光固化法（SL法）
原理：如左图。
特点：精度高、表面质 量好、原材料利用率 将近100%。
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❖ 单件小批量生产： 1）车端面，打中心孔。 2）车两外圆及倒角。 3）铣键槽，去毛刺。 4）热处理。 5）磨外圆。
❖ 大批量生产： 1）车端面，打中心孔。 2）车大外圆及倒角。 3）车小外圆及倒角。 4）铣键槽。 5）去毛刺。 6）热处理。 7）磨外圆。
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生产类型与生产方式
批量生产与单件、小批量生产的比较如表1-4 所示。产品的制造过程实际上包括了零件、部件及 整机的复杂制造过程，部件和整机的制造一般是一 个装配的过程。
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上 工 序
毛坯
工艺规程、数控程序、适用控制模型等
工艺信息
信息系统
机床 机械加工
存储
夹具 工艺过程
能量系统
物料流
能源
能量流
机械加工工艺系统
信息流
下 工 序
工件
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1.2.3机械加工工艺与生产类型
机械加工工艺受到生产类型的影响 生产类型：产品生产的专业化程度。 年生产纲领
零件的年生产纲领N由下式计算: N=Qn(1+a)(1+b)
制定加工、装配以及产品验收和
交货的技术条件
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确定产品的技术经济指标
维修
包装
运 输
品 牌
使用价值
式 样
安 装
品质
售后服务保证
整体产品概念 R
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5.产品开发的技术手段 传统的产品的开发往往借助于人力和通用设
备，经过反复制作、试凑，信息的个性化因素较 大。
随着计算机在制造业中的广泛应用，计算机 辅助设计（CAD）得到越来越普遍的应用。
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1.材料去除工艺（Δm＜0）
定义：按照一定的方式从工件上去除材料， 工件逐渐逼近所需形状和尺寸的零件。
影响加工效率的因素：材料或毛坯与零件 的形状、尺寸相接近的程度。
特点：工件形状越接近零件，材料去除越 少，能源消耗也就越少；反之则材料、能源消 耗就越大。
内容：切削加工、特种加工（定义：利用 电能、光能等对工件进行材料去除的加工方法。 如：电火花加工、电解加工、激光加工
中型零件 ≤20
小型零件 ≤100
>5～100
>20～200
>100～500
>100～300 >200～500 >500～5000
>300～1000 >500～5000 >5000～50000
>1000
>5000
>50000
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批量生产与单件、小批量生产的比较
生产类型
生产设备
工序
开发与制造过程
批量生产
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2.材料成形工艺（ Δm＝0 ）
材料成形工艺方法多利用模型使原材料形成毛 坯或零件。
服务于成形工艺方法的模具制造精度一般要 求较高，其生产往往是单件生产方式，加工量大。 模具设计也要用到CAD、CAE等一系列技术，从另一 个侧面反映了成形工艺方法对材料去除和累加工艺 方法的要求。
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3.材料的累加工艺（ Δm＞0 ）
定义：将零件以微元叠加的方式逐渐累加生成，这一 工艺又称为快速成形技术。
优点：无需刀具、夹具等生产准备活动，就可以形成 任意复杂形状的零件。
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快速成形技术
快速原型制造（rapid photograph manufacturing —RPM），又称“快速成形技术” （ rapid photograph — RP）或“分层制造” （layer manufacturing — LM），是20世纪80 年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术
LOM 法原理图
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激光选区烧结法（SLS法）
原理：如左图。
1—扫描镜；2—透镜；3— 激光器； 4—压平辊子；5—零件原 型；6—激光束
SLS 法原理图
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熔积法 (FDM法)
原理：如左图。
FDM喷头受CAD分层数 据控制，使半流动状态的 熔丝材料从喷头中挤压出 来，凝固形成轮廓形状的 薄层，一层叠一层，最后 形成整个零件模型。
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车身
汽车的生产过程
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1.2.2 零件的制造过程
零件的制造过程是机械过程中最基础、最主要 的环节，其目的是通过一系列的工艺方法，获得具 有一定形状、尺寸、力学性能和物理性能的零件。 零件制造的工艺方法 材料去除法（质量减少、Δm<0）
材料成形法（质量不变、Δm>0 ） 材料累加法（质量增加、Δm>0 ）
第1章 机械制造概论
机械制造业是国民经济的基础产业，它生产的 机械产品中相当一部分将成为国民经济各部门的机 械装备。机械制造是一个将制造资源（物料、能源、 设备、工具、资金、技术、信息和人力等）通过制 造系统转化为可供人们使用或利用产品的过程。 1.1 机械产品的开发与构成 1.2 制造过程与生产组织
它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造
（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、
新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成
的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到
各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性
地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，
或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地
企业组织产品的生产模式： 1.生产全部零件、组装机器 2.生产一部分关键的零部件，其余的由其他企业供 应 3.完全不生产零件，自己只负责设计和销售
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1.生产全部零件、组装机器 特点：必须拥有加工完成所有零件、所有工序的设
备，形成大而全、小而全的工厂。 缺点：当市场发生变化时，适应性差，难以做到设
应用：适合制造壳体类 零件及形状复杂，特 别精细的零件（如首 饰、工艺品等）。
1—激光器；2—扫描
镜；3—z轴升降台；
4—树脂槽；5—托盘； 6—光敏树脂；7—零 件原型
SL法原理图
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叠层制造法（LOM法）
原理：如左图。
应用：只切割轮廓，特别 适合制造实心零件。
1—X-Y 扫描系统；2—光
路系统；3—激光器；4— 加热器；5—纸料；6—滚 筒；7—工作平台；8—边 角料；9—零件原型
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1.1 机械产品的开发与构成 1.1.1 机械产品的开发
1.产品开发的意义： 科学技术的发展与进步，为满足人类更高消
费提供了许多新的产品方案。消费者随着生活水 平的提高与社会环境的进步，对产品的功能、质 量、外观、价格提出了新的要求，这些使企业有 可能也有必要不断地开发新产品。机械制造企业 为了赢得竞争，也必须不断地推出新产品。
技术引进：通过购买专利，引进国外先进技术等 方式，使企业的产品迅速赶上先进水平，进 入国际市场。
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要素类 技术评估
适用性评估
竞争能力评 估
新产品评估等级
要素
先进新颖性 成熟度
技术独占度 质量指标
与原有技术兼容性 现有设备可用性 现有人才可用性
现有销售渠道可用性 市场宽度
可达市场占有率 与发展政策有关
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(2) 新产品开发的决策 1)开发调研 科技调研：主要是调研科技新动态，形成产品的技
术源。 市场调研：主要是调查市场需求。 竞争环境调研：研究了解国家的法律、法规、行业政
策导向，调查研究国内外竞争对手的情况。
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3.新产品开发的方式
独立研制：依靠本企业自身力量独立进行新产品 开发。
合作开发：由企业与高校或科研机构合作进行技 术开发。
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机械产品的市场寿命周期及各阶段的特点
❖ 介绍期：制造成本大，销售量有限，价格也较高， 销售产品还不能为企业带来利润。
❖ 成长期：产品迅速占领市场，销售额扩大，进入 批量生产，成本降低，利润迅速增加。
❖ 成熟期：销售量大，但增幅趋缓，企业利润丰厚。 ❖ 衰退期：产品的价格被压到极低水平，销售额持
续下降，企业无法获得利润，市场出现升级换代 的新产品。
基于CAD/CAE/CAM以及多媒体技术发展起来的 虚拟制造技术，可大大加速产品的开发过程。
快速成形技术可以用较低的费用，在很短的 时间内完成单件或小批量试制，是现代产品快速 开发的主要技术。
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加工任务 加工方法
加工顺序 物流要求
机械制造系统
信息系统
原料或 毛坯
存储
运输
制造 检验
成品
能量系统
能源
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2.新产品开发的决策 (1)新产品的分类及定义 全新产品：应用新原理、新结构、新技术和新材料
制造出的前所未有的产品往往是科技史上的重 大突破。 换代产品：由于采用新技术、新结构或新材料，使 产品性能产生具有阶段性变化的新产品。 改进产品：对老产品的改进。 仿制产品：模仿市场已有的其他产品而产生。
物料流
信息流
能量流
机械制造系统图
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6.机械产品使用的材料
黑色金属材料: 钢材和铸铁，强度较高，价格低廉，故 使用较多。按其使用场合的不同，对其性能的要求也 不同。
有色金属材料：以铝合金应用最广，用作发动机的活塞、 变速箱壳体、带轮等，铝合金由于重量轻、美观，今 后将更多地被用于制造汽车零件。 铜用于生产电器产品、散热器。铅、锡与铜构成的合 金用作轴承合金。锌合金用作装饰和车门手柄。
资回收期和盈亏平衡时产品的最小销售量等。 风险分析：主要考虑技术成功率、商业成功率和产
品寿命周期。
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4.新产品开发的步骤
❖ 产品的概念设计 ❖ 产品方案设计 ❖ 技术设计 ❖ 生产设计5.
❖主➢现产要产产方➢设具术概➢过结产品品定技计体经品案生定念构品审的义概中化济术方设形的产义设：核确，指概念设式基案根计设定进标：计和念设据、本计的一设主计生的修设技主特计基步计要产总术正本确要征计的确任结定设体功、的内务构产定能技计方前书容和品、术实是案，一主结市原将将，要构段场理方参和经定、案数技 位 本 ❖包器等、 及产➢零括控；设工➢技 与品通内部内机制还术 国计作过的容件规 内容械方有计具图的：概格 外算结结案绘体念、、类构构、制化分主似整尺方外产析为寸要产体和和案形品参品生产试配数的、方的产验品合、比电案总确用，概目较定画的标等念重出成。要机 装狭器图义总的概图工、念重作：要原指零理部具件草体图图产等，品 念给产广，表出品备义编如以绘其的有写概及所制主特部关特念示件全殊要殊制：、，材套尺配造附即料它施寸套件和表整由、工，零使体核通图列部用产用心样出件件所品部等、需概分明准细、 形和式特外的供编部点购技可写分件设术靠及计的文的说延明件生明伸细书，产部、表为依分说企据明组产业成品提。结构
式中：Q——产品的年产量 n——单台产品中该零件的数量 a——备品率，以百分数计 b——废品率，以百分数计
按年生产纲领，划分生产类型，各种生产类型的工 艺过程的特点可归纳成。
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生产纲领与生产类型的关系
生产类型
单件生产 小批生产 中批生产 大批生产 大量生产
零件年生产纲领/（件/年）
重型零件 ≤5
非金属材料: 工程塑料、橡胶、石棉、玻璃、纤维等。
1.1.2 机械产品的构成 （见P9）
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1.2 制造过程与生产组织
1.2.1 机械产品的制造过程
机械产品的制造过程从原材料到产品的全过 程，包括零件、部件以及整机的制造。
制造过程由一系列的制造活动组成，包括生 产设计、技术准备、生产计划、毛坯制造、机械 加工、热处理、装配、质量检验以及储运等工艺 过程。工艺过程的分类：铸造、锻造焊接、机械 加工、热处理、装配等。
1—加热装置；2— 丝材；
3—z向送丝；4—xy驱动
5—零件原型
FDM法原理图
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零件制造过程
定义：主要依赖于材料成形、机械加工（主要 指切削加工以及特种加工等），并适时将热处理工 艺穿插在其中，获取零件形状的加工方法
机械加工在机械加工工艺系统中进行，机械加 工工艺系统如下图所示。
同样一种几何形状、尺寸的零件，不同的材料 可以有不同的加工方法，不同的加工方法有不同的 加工顺序和加工过程。
环境保护 总计
等级
7 7 9 6 3 8 6
4 3 7 9 9
权值
0.1 0.1 0.15 0.05 0.05 0.1 0.05
0.05 0.1 0.1 0.05 0.1
1
得分
0.7 0.7 1.35 0.3 0.15 0.8 0.3
0.2 0.3 0.7 0.45 0.9 6.85 7
2)立项决策 立项评估的内容： 经济分析：主要考虑产品开发的资金投入以及在投
由自动生产线 一个零件往往 产品开发过程和
及专用生产线 分成许多工序，大批量制造过程
来完成的
在流水线上协 中间往往还有小
作完成加工任 批试制阶段，以
务
避免市场风险及
完善生产准备工
作
往往是采用通 采用多工序集 产品的开发过程
单件、小批量 用设备，靠人 中在一起
与生产过程往往
生产
的技术或技艺
结合为一体
来完成的