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机械制造

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机械制造王文英2006年7月本文包括四部分
第一部分概述
第二部分机械制造过程
第三部分汽车制造简介
第四部分先进制造技术及行业发展趋势
第一部分机械制造基础
1.1 机械的定义
1.2 机械生产过程
1.3 零件的加工质量
2.机械传动与液压传动
2.1 机械传动
2.2 液压传动
3.工程材料及其力学性能
3.1 金属的结构和力学性能
3.2 铁碳合金
3.3 金属的力学性能
1. 概述机械包括机构和机器,是组装在一起的零件,它在具备一定动力、控制,电源,电路的情况下,可以有特殊的应用范围,特别是在加工,处理,移动或打包原材料方面.经装配和控制的机械也能达到整台机械的作用而效率不变.
零件构件机构机器静联接动联接协调组合机械的组成(按结构)零件是机器的制造单元;构件是机器的运动单元;机构由许多构件组合而成,各构件之间具有确定相对运动,在机器中起到传递运动或变换运动方式的作用.
机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置;机器与机构的区别在于机器能够实现能量的转换.生产过程包括原材料的运输保管和准备,生产的准备,毛坯制造,零件的制造过程,部件和产品的装配过程,质量检验和喷漆包装等工作.这些环节之间的相互关系可由图来表示.
1.2机械的生产过程产品设计工艺准备毛坯制造机械加工装配调试决定生产方案制定工艺规程及工艺卡设计并制造工艺装备铸件锻件冲压件焊接件棒料非金属材料毛坯初加工半精加工热处理及表面处理外协件外购件标准件组件装配部件装配总装配调试检测总体设计零部件设计决定功能选择材料决定尺寸及结构制定技术条件绘出图样技术与生产管理(包括检测)机器的质量主要取决于其组成零件的加工质量和产品的装配质量.零件表面的尺寸、形状和相互位置以及表面粗糙度反映了零件的几何特征;
材料的强度,硬度,弹性,刚度等反映了零件的物理机械特征.
1.3.1 加工精度
尺寸精度:指零件表面本身的尺寸和表面相互的距离尺寸的精度.尺寸精度的高低用尺寸公差来体现.
按国家标准,尺寸公差从IT01,IT0至IT18,分为20级,数字越大,精度越,价格误差越大,加工成本越低.IT9~IT8在机械制造中属于中等精度.
形状精度:零件的形状精度是指加工后零件表面实际测得的形状和理想形状的符合程度.
位置精度:位置精度是指加工后零件有关表面相互之间的实际位置和理想位置的符合程度.
形位公差特征项目共有14种、形状公差4种、位置公差8种、形状或位置公差2种.
1.3.2 表面粗糙度表面粗糙度对机器零件的配合性质,耐磨性,工作精度,抗腐蚀性均有较大影响.
我国主要用轮廓算术平均偏差Ra,单位为微米.零件表面的Ra数值愈小则表面愈光洁、零件质量愈高.
1.3.3 配合配合是指由零件组装成机器时,相互结合的零件形成一定的配合,配合选择得是否正确,对机器的质量和寿命由较大影响.
配合有三种类型:间隙配合,过盈配合,过渡配合.以轴和孔配合为例,配合后有相对运动要求的,应选用间隙配合;轴和孔靠配合面传递载荷时,应选用过盈配合;配合后有定位精度要求,且经常拆卸的主要选用过渡配合.
几种机械产品认证标志
2. 机械传动与液压传动机器的组成可以按功能如图划分传动部分工作部分动力部分控制部分动力部分将非机械能转化成机械能并给机器提供动力、常用的有电动机、液压马达,内燃机等.
传动部分将动力部分提供的机械能以动力和运动的形式传递给工作部分,主要有机械传动,液力传动和电气传动.
工作部分是直接完成机器预定功能的部分,是机器直接进行生产的部分,时机器用途、性能的综合体现.
不少机器其动力部分和传动部分大致相同、由于其工作部分不同就形成了不同类的机器.
机械传动的作用有三方面:传递运动,改变运动速度和方向,改变运动形式.机器中的机械传动是将各种传动副连接成为传递运动和动力的系统,即传动链,其总传动比等于链中所有各传动比的乘积.机械传动的总效率等于各部分传动效率的乘积.
机器设备中常用的机械传动形式:螺旋传动是通过内、外螺纹组成的螺旋副来传递运动和动力、主要用来将回转运动变为直线运动.
带传动是依靠带与轮之间的摩擦力来传递运动和动力的.齿轮传动是依靠齿轮间的啮合来传递运动和动力.连杆机构是用铰链,滑道等方式将构件相互联接而成的机构,用以实现运动的交换和传递动力;若四杆机构的两连架杆之一为曲柄,另一连架杆为摇杆,则该四杆机构称为曲柄摇杆机构.曲柄摇杆机构中当曲柄为主动件时,可将曲柄整周连续转动变为摇杆的往复摆动;当摇杆为主动件时,可将摇杆的往复运动变成曲柄的整周连续转动.
凸轮机构主要由凸轮和从动件组合而成,其作用是将凸轮的连续运动转化为从动件的往复移动或摆动.
液压传动是依靠液体介质的静压力来传递能量的液体传动,即它依靠密封容积的变化传递运动,依靠液体内部压力传递动力.其本质是一种能量转换装置,它将机械能转换为便于输送的液压能,随后又将液压能转换为机械能做功.
液压传动系统由动力部分,执行部分,控制部分和辅助部分组成.液压泵是具有一定流量,压力的液压能源,具有一个运动部件和非运动件所构成的密闭容积.该容积的大小随运动件的运动发生的周期性变化.容积增大时,形成真空、油箱的油液在大气作用下进入密封容积(吸油);容积减少时,油液受挤压,克服管路阻力排出(排油).
液压泵按其结构形式可分为齿轮泵,叶片泵等.齿轮泵结构简单,重量轻,制造容易,成本低,工作可靠,维修方便,广泛应用在压力不高的液压系统中.叶片泵结构紧凑,体积小,重量轻,流量均匀、运转平稳,但结构较复杂,吸油条件苛刻,对油液污染比较敏感.柱塞泵压力高,结构紧凑,效率高,流量能调节,但结构比较复杂.
液压马达和液压缸是液压传动系统中的执行元件.液压马达是将液体压力能转换为旋转机械能的装置.液压缸是将液压能变成直线运动或摆动的机械能的装置.
在液压传动中、使用方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀来控制油液的压力、流量和液流方向,从而控制液压传动系统液压设备动作所要求的推力(转矩),速度(转速)和方向.
液压辅件是液压系统中一个重要组成部分,它包括蓄能器,过滤器,油箱,热交换器等.
液压系统中的基本回路主要有:
速度控制回路:用于调节执行元件(液压缸或液压马达)速度
压力控制回路:用于控制整个液压系统和局部压力、达到调压,卸载,减压,增压,平衡,保压等功能.
方向控制回路:通过控制执行元件液流的通断或变向,来实现液压系统执行元件的起动,停止或改变运动方向.
3. 机械工程材料及其性能
3.1 常见材料金属材料金属的晶体结构和结晶金属的塑性变形与再结晶合金的结晶与二元合金相图有色金属及其合金非金属材料高分子材料工程塑料橡胶材料工程陶瓷材料复合材料,玻璃纤维,碳纤维铁碳合金是钢和铁的总称,是工业上应用最广泛的合金.铁碳合金以铁为基本元素,以碳为主加元素组成.在液态时,铁和碳可以无限互溶.在固态时,碳溶于铁中形成固溶体,出现几种基本组织:铁素体,奥氏体,_渗碳体,珠光体,莱氏体,不同形态的组织含碳量不同、其含量及分布对钢铁的强度,硬度,塑性,韧性,脆性等性能有直接影响.
工业用钢结构钢(普通质量结构钢,优质结构钢,铸造钢)包括渗碳钢,调质钢,弹簧钢,滚动轴承钢等.工具钢刃具钢(碳素工具钢;低合金工具钢;高速钢)模具钢(冷作模具钢;热作模具钢)量具钢特殊性能钢不锈钢,耐热钢,耐磨钢等.材料分类查询
3.3 材料的性能
材料的机械性能:指金属材料在各种不同性质的外力作用下所表现的抵抗能力、如弹性,塑性,强度,硬度和韧性等、这些性能指标包括:屈服强度,抗拉强度,延伸率,断面收缩率,冲击韧性,疲劳强度,断裂韧性,耐磨性.
物理性能:如比重、熔点、导电性,导热性,热膨胀性,磁性等.
化学性能:指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能.如,耐用腐蚀性,抗氧化性能.
工艺性能:指材料适应冷,热加工方法的能力.包括铸造性能,焊接性能,顶锻性能,冷弯性能,冲压性能等
3.4 机械零件选材原则
选材的一般原则:要能满足使用性能,加工要求;经济性.机械零件的材料应该首先满足零件的机械性能要求,达到一定的抗力指标,其次要兼顾零件的工艺性能,同时要考虑节省资源,合理选择零件的材料是产品制造商和社会所共同关注的课题.
轴的制造材料选择轴的材料种类很多,选用时主要根据对轴的强度,刚度,耐磨性等要求,以及为实现这些要求而采用的热处理方式,同时考虑制造工艺问题加以选用,力求经济合理.
___ 轴的常用材料是优质碳素钢最常用的是45和40Cr钢.对于受载较小或不太重要的钢,也常用Q235或Q275等普通碳素钢.对于受力较大,轴的尺寸和重量受到限制,以及有某些特殊要求的轴,可采用合金钢,常用的有等.
___ 球墨铸铁和一些高强度铸铁、由于铸造性能好,容易铸成复杂形状,且减振性能好,应力集中敏感性低,支点位移的影响小,故常用于制造外形复杂的轴.
__ 我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁、冲击韧性好,同时具有减摩,吸振和对应力集中敏感性小等优点、已用于制造汽车,拖拉机、机床上的重要轴类零件,如曲轴等.
4.毛坯制造
5.零件切削加工
6.金属的热处理
8.其他制造技术
4. 毛坯制造根据零件或产品所需要的形状,工艺尺寸而制成的,供进一步加工的生产对象叫毛坯.铸造,压力加工和焊接是获得毛坯的主要手段.
4.1 铸造铸造是将熔化的液体金属浇注到和机械零件形状相似的铸型型腔中、经过凝固冷却之后,获得毛坯(或零件)的加工方法.
常用铸造合金有铸铁、铸钢和铸造有色金属,灰口铸铁使用最普遍.
铸造的步骤:制备型腔、制备液体金属,浇注,清理.铸造能生产从几克到数百吨,形状复杂的各类零件,对于一些要求耐磨,减振,承压,廉价的零件(如,机床床身、机架等)以及一些形状复杂,用其他方法难以成形的零件,只能用铸造取得毛坯.一般机器中、铸件占整个机器重量的40~90,在重型机械,矿山机械,水力发电设备中达到85%以上.
一般铸件精度低,加工余量大,其力学性能较差.
4.2 压力加工压力加工是利用外力使金属材料产生永久变形,以制成所需形状和尺寸的毛坯(或零件)的加工方法.包括锻造和冲压.
4.2.1 锻造锻造时金属材料需要加热、钢的始锻温度为1200℃左右,终锻温度为800 ℃左右.毛坯经过锻造产生塑性变形,力学性能得到提高,一些要求强度高,耐冲击,抗疲劳的重要零件多采用这种方法制造毛坯,但锻造难以获得复杂的形状,特别是一些具有复杂内腔的零件.
锻造可以分为自由锻造和模型锻造.自由锻适用于小批量,形状简单的零件,如轴类零件,齿轮坯等.模锻可以制造稍复杂的零件,精度较高,适用于生产大批量中小型锻件.
4.2.2 冲压冲压是利用冲模对板料加压,使其产生分离或变形,从而获得所需零件的加工方法.
冲压件主要适用于塑性良好的板材,条料制品.冲压可以冲出形状复杂,尺寸精度较高的薄壁件,空心件.
4.3 焊接焊接是通过加热或加压(或两者并用),使两个分离的物体之间借助于内部原子之间的扩散与结合作用,连接成一个整体的加工方法.
焊接按结构特点可分为三大类:
熔焊:将焊件接头处加热至熔化状态、不加压力、凝固后连接成一个整体.
压焊:将焊件接头处加压(加热或不加热)使之紧密接触,连接成一个整体.
钎焊:将钎料加热、使之熔化后填满焊件连接处的缝隙,使焊件连接起来.
用焊接方法制造的毛坯有较好的强度和刚度,可以以小拼大,气密性好,生产周期短、不需要重型和专用设备,但抗振性差,易变形.
切削加工是利用刀具切除工件上多余的金属材料,以获得符合要求的零件的加工方法,具有加工精度高,生产效率高及加工成本低等优点.
5.1 常见切削加工方法组成任何零件的基本表面都可以用一定的运动组合来形成.比如平面可由直线运动和直线运动的组合来形成;外(内)圆表面可由旋转运动和直线运动的组合来形成.
切削运动:切削时刀具与工件之间的相对运动称为切削运动.
主运动:使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动.
进给运动:为保持切削的连续进行、以逐渐切削出整个工件表面所需的运动.
各种常见切削加工方法中主运动和进给运动的分析及其特点切削加工时,主运动只有一个,通常是速度最高,消耗功率最大的运动.进给运动可以是一个或多个,速度较低,消耗功率较小.
5.2 常用机床的加工范围车床车床主要用于加工轴,盘,套和其他具有回转表面的工件,加工范围较广,主要有;车外圆,车端面,切槽,钻孔、镗孔、车锥面,车螺纹、车成形面,钻中心孔及滚花等.
钻床钻床用于扩孔、锪孔、铰孔或进行攻丝等加工及孔系的加工.镗床镗床主要完成精度高,孔径大或孔系的加工,此外,还可铣平面,沟槽,钻孔、扩孔、铰孔和车端面,外圆,内外环形槽及车螺纹等.
刨床主要用于加工平面,沟槽和成型面.铣床铣床的加工范围与刨床相近,但比刨床加工范围广,生产率也较高.常见的铣床有:卧式铣床,立式铣床和龙门铣床.
磨床磨床种类多,范围广,能适应磨削各种加工表面,工件形状.外圆磨床可磨削工件的外圆柱面,外圆锥面,内圆柱面及锥度较大的内外圆锥面;内圆磨床主要用于磨削内圆柱面,内圆锥面及端面等;平磨床用来磨削工件的平面.
5.2.1 回转面的加工柱面,锥面等回转面主要用车削和磨削的方法加工.车削包括粗车,精车,磨削用于精加工.此外还有刮研、研磨,超精加工,抛光等光整加工方法.采用哪种加工方法较合理,需根据零件的形状,尺寸、材料,技术要求,生产类型及工厂现有设备来决定.
车削过程示意图
5.2.2 平面的加工平面加工方法有刨,铣,拉、磨等、刨削和铣削常用作平面的粗加工和半精加工,而磨削则用作平面的精加工.
刨削刨削是单件小批量生产的平面加工最常用的加工方法,加工精度一般可达IT9~IT7级,表面粗糙值为Ra12.5~1.6μm.刨削加工生产效率低,但刨削所需的机床,刀具结构简单,制造安装方便,调整容易,通用性强.因此在单件,小批生产中特别是加工狭长平面时被广泛应用.
铣削铣削是平面加工中应用最普遍的一种方法,利用各种铣床,铣刀和附件,可以铣削平面,沟槽,弧形面,螺旋槽,齿轮,凸轮和特形面.一般经粗铣,精铣后,尺寸精度可达lT9~1T7,表面粗糙度达Ra12.5~0.63μm.
铣刀由多个刀齿组成,各刀齿依次切削,没有空行程,而且铣刀高速回转,因此与刨削相比、铣削生产率高于刨削,在中批以上生产中多用铣削加工平面.
5.3 轴套类零件的加工轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一.它主要用来支承传动零部件,传递扭矩和承受载荷.轴类零件是旋转体零件,其长度大于直径,一般由同心轴的外圆柱面,圆锥面,内孔和螺纹及相应的端面所组成.
轴用轴承支承,与轴承配合的轴段称为轴颈.轴颈是轴的装配基准,它们的精度和表面质量一般要求较高,对于7级精度,表面粗糙度Ra0.8~0.4μm的一般传动轴,其典型工艺路线是:正火-车端面钻中心孔-粗车各表面-精车各表面-铣花键,键槽-热处理-修研中心孔-粗磨外圆-精磨外圆-检验.
轴类零件可根据需求选用棒料,锻件等毛坯形式.对于外圆直径相差不大的轴,一般以棒料为主;而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴,常选用锻件.
轴类零件一般采用中心孔作为定位基准,钻中心孔工序可以在普通车床上进行也可在铣端面钻中心孔专用机床上进行.
加工细长轴常增加如下措施解决刚性差,加工中易变形的问题:改进工件的装夹方法;采用跟刀架;采用反向进给;采用车削细长轴的车刀.
轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范(如调质,正火、淬火等)、以获得一定的强度,韧性和耐磨性.
5.4 轮盘类零件的加工与轴类零件相比、盘类零件的直径较大而长度较小,需要加工的形状相对比较复杂.因此,盘类零件的加工程序一般比较长,所使用的刀具也比轴类零件要多些.
轮盘类零件的加工以车床加工为主,装夹时零件轴线水平放置.盘盖类零件的径向方向的基准都是回转轴线,长度方向的主要基准是经过加工的较大端面.圆周上均匀分布的小孔的定位圆直径是这类零件典型定位尺寸.
盘类零件根据形状的要求,有时可能需要使用两次装夹、调头加工的工艺、这对加工的位置误差会产生一定的影响.
轮盘类零件安排走刀路线的原则是径向走刀、轴向进刀、循环去除余量的循环终点在粗加工起点.编制轮盘类零件的加工程序时,与轴套类零件相反、是从大直径端开始顺序向前.
5.5 叉架类零件的加工叉架类零件形状不规则,外形比较复杂.叉杆零件常有弯曲或倾斜结构.包括各种用途的拨叉和支架.拨叉主要用在机床,内燃机等各种机器的操纵机构上,实现一定动作,改变其它零件的位置;支架主要起支承和连接作用.
因叉架类零件一般都是锻件或铸件,往往要在多种机床上加工.
5.6 箱体类零件的加工箱体类是机器或部件的基础零件,它将机器或部件中的轴,套,齿轮等有关零件组装成一个整体,使它们之间保持正确的相互位置,并按照一定的传动关系协调地传递运动或动力.
常见的箱体类零件有:机床主轴箱,机床进给箱,变速箱体,减速箱体,发动机缸体和机座等.整体式箱体是整体铸造,整体加工,加工较困难,但装配精度高;分离式箱体可分别制造,便于加工和装配、但增加了装配工作量.
箱体的结构形式多种多样,共同的主要特点是:形状复杂,壁薄且不均匀、内部呈腔形,加工部位多,加工难度大,既有精度要求较高的孔系和平面,也有许多精度要求较低的紧固孔.一般中型机床制造厂用于箱体类零件的机械加工劳动量约占整个产品加工量的15-20.
5.6.1 箱体类零件平面加工方案和方法箱体主要是由平面和孔组成,先加工平面,后加工孔、是箱体加工的一般规律.箱体类零件外形基本上是由六个或五个平面组成的封闭式多面体,箱体加工包括大量的平面的加工.
箱体平面的粗加工和半精加工常选择刨削和铣削加工.刨削箱体平面的主要特点是:刀具结构简单;机床调整方便;在龙门刨床上可以用几个刀架,在一次安装工件中、同时加工几个表面,于是,经济地保证了这些表面的位置精度.
箱体平面铣削加工的生产率比刨削高.在成批生产中、常采用铣削加工.当批量较大时,常在多轴龙门铣床上用几把铣刀同时加工几个平面,即保证了平面间的位置精度,又提高了生产率.
5.6.2 箱体类零件的孔加工对于直径小于250mm的孔、一般不铸出、可采用钻-扩(或半精镗)-铰(或精镗)的方案.对于已铸出的孔、可采用粗镗-半精镗-精镗(用浮动镗刀片)的方案.
由于主轴轴承孔精度和表面质量要求比箱体支承轴孔高,故应在其它轴孔加工后再单独进行主轴孔的精加工,即在精镗后,还要用浮动镗刀片进行精细镗.对于箱体上的高精度孔、最后精加工工序也可采用珩磨,滚压等工艺方法.
目前机床主轴箱主轴孔的精加工方案有:精镗浮动镗;金刚镗珩磨;金刚镗滚压.精镗和半精镗应在不同的设备上进行.若设备条件不足,也应在半精镗之后,把被夹紧的工件松开、以便使夹紧压力或内应力造成的工件变形在精镗工序中得以纠正.
箱体类零件孔系加工车床箱体的孔系,是有位置精度要求的各轴承孔的总和、包括同轴孔系和平行孔系两类.孔系加工不仅孔本身的精度要求较高,而且孔距精度和相互位置精度的要求也高,是箱体加工的关键.
同轴孔系加工同轴孔系加工的主要技术要求是各孔的同轴度精度.成批生产时,箱体的同轴孔系的同轴度大部分是用镗模保证、单件小批生产中、在普通镗床上可用以下两种方法进行加工:
从箱体一端进行加工:采用导向套加工同轴孔.
从箱体两端进行镗孔:采用调头镗使工件在一次安装下,镗完一端的孔后,将镗床工作台回转180°,再镗另一端的孔.
平行孔系加工平行孔系加工的主要技术要求是各平行孔中心线之间以及孔中心线与基准面之间的尺寸精度和平行精度.
单件小批生产时,主要采用划线找保证孔距精度.在单件小批生产中也广泛采用坐标法加工孔系,特别是在普通镗床上加装较精密的测量装置(如数显等)后,可以较大地提高其坐标位移精度.
成批或大量生产时,加工孔系都采用镗模法,即利用镗模夹具加工孔系.孔距精度主要取决于镗模的精度和安装质量.镗模制造比较复杂,造价较高,加工精度较高.
6. 热处理
6.1 热处理概述金属热处理是机械制造过程中的重要工艺之一、是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度,并在此温度中保持一定时间后,又以不同速度冷却的一种工艺.
热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学成分,从而改善工件的内在质量,以使金属工件具有所需要的力学性能,物理性能和化学性能,如耐磨,耐腐蚀等.还可以改善毛坯的组织和应力状态、以利进行各种冷,热加工.
热处理工艺一般包括加热、保温,冷却三个过程.金属热处理的加热方法很多,通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热、也可用涂料或包装方法进行保护加热.一般都要加热到相变温度以上,以获得高温组织.
显微组织的转变需要一定的时间,因此当金属工件表面达到要求的加热温度时,还须在此温度保持一定时间,使内外温度一致.冷却方法因工艺不同而不同、主要是控制冷却速度.按冷却速度不同可分为退火、正火、淬火等不同工艺.
6.2 常用热处理工艺
6.2.1 整体热处理整体热处理是对工件整体加热并冷却,以改变其整体力学性能.钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺.
退火是将工件加热到适当温度,保温一定时间,然后进行缓慢冷却,以使金属内部组织达到或接近平衡状态、获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备.
正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改善材料的切削性能,有时也用于对一些要求不高的零件作为最终热处理.
淬火是将工件加热保温后,在水,油或其他无机盐,有机水溶液等淬冷介质中快速冷却.淬火后钢件变硬,但同时变脆.为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,即为回火.淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可.
形变热处理把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行、使工件获得很好的强度,韧性配合的方法称为形变热处理.
真空热处理在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理,它不仅能使工件不氧化,不脱碳,保持处理后工件表面光洁、提高工件的性能,还可以通入渗剂进行化学热处理.
6.2.2 表面热处理表面热处理是只加热工件表层,以改变其表层力学性能的金属热处理工艺.为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部,使用的热源须具有高的能量密度,即在单位面积的工件上给予较大的热能,使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温.表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理,常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰,感应电流、激光和电子束等.
6.2.3 化学热处理化学热处理是通过改变工件表层化学成分,组织和性能的金属热处理工艺.化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分.化学热处理是将工件放在含碳,氮或其他合金元素的介质(气体,液体,固体)中加热、保温较长时间,从而使工件表层渗入碳,氮,硼和铬等元素.渗入元素后,有时还要进行其他热处理工艺如淬火及回火.化学热处理的主要方法有渗碳,渗氮,渗金属.
钢铁是机械工业中应用最广的材料,钢铁显微组织复杂,可以通过热处理予以控制,钢铁的热处理是金属热处理的主要内容.另外,铝、铜,镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学,物理和化学性能,以获得不同的使用性能.
例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁、提高塑性;齿轮采用正确的热处理工艺、使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高;另外,价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能,可以代替某些耐热钢,不锈钢;工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用.
7. 装配机器的装配是整个机械制造工程中的最后一个过程,包括安装、调试,检验、试验、油漆及包装等.
7.1 机器装配的基本概念机器都是由零件,套件,组件,部件等组成.零件是组成机器的最小单元、一般都预先装成套件,组件,部件后才安装到机器上.
套件是在一个基准零件上,装上一个或若干个零件构成.组件是在一个基准零件上,装上若干套件及零件而构成的.部件是在一个基准零件上,装上若干组件,套件和零件构成的.
在一个基准零件上,装上若干部件,组件,套件和零件就成为整个机器,把零件和部件装配成最终产品的过程,称之为总装.
如卧式车床就是以床身为基准零件,装上主轴箱,进给箱,溜板箱等部件及其它组件,套件,零件组成.
7.2 装配精度机器装配后要进行调整,精度检验和试车.调整是指调节零件或机构的相对位置,配合间隙和结构松紧等.精度检验包括工作精度和几何精度检验.试车是指机器装配后,按设计要求进行的运转试验、包括运转灵活性,工作时温升,密封性,转速,功率,振动和噪声等.
装配工作的好坏,对产品的质量起着决定性作用.若零件间的配合精度不符合要求,相对位置不准确,将会影响及其的工作性能.
产品的装配精度一般包括:尺寸精度.包括相关零部件的距离精度和配合精度.位置精度.包括相关零部件间的同轴度,平行度,垂直度等.相对运动精度接触精度.接触精度常以接触面积大小及接触点的分布来衡量.参数
0.02 工作台主轴回转中心线对定位键侧面的平行度(mm)正转分度精度(″)反转重复定位精度(″)
0.01 工作台主轴孔的径向跳动(mm)
4 工作台面对底面的垂直度(mm)
3 工作台面的端面跳动(mm)
2 工作台面的直线度(mm)图示项目序号数控立式回转工作台TK16315的工作精度
8. 其他制造技术
8.1 特种加工特种加工是利用电能,电化学能,光能,声能等进行加工的方法,主要用于加工难切削材料,如高强度,高韧性,高硬度,高脆性,耐高温,磁性材料,以及精密细小和形状复杂的零件.
电火花加工:利用工具电极与工件电极在绝缘体中靠近时形成的脉冲放电,瞬时产生大量热能,使工件局部金属熔化甚至气化,并在放电力的作用下,把熔化的金属抛出、从而达到蚀除金属的目的.
常见的电火花加工有成形,穿孔、电火花切割,电火花磨削,雕刻等.
超声波加工:利用工具作超声频振动,冲击磨料进行撞击和抛磨工件,从而达到加工目的.
超声波加工适用于各种不导电的硬脆材料,如玻璃、陶瓷等、易于加工出各种复杂形状的,不能承受较大机械应力的薄壁、薄片零件.
激光加工:利用装置把激光聚集成能量密度极高,温度可达10000℃的小光斑,使任何坚硬的材料都瞬时急剧熔化或气化,从而进行加工.目前主要用于打孔和切割.
8.2 数控加工技术在机械制造业中数控加工技术是一种最重要的加工手段.从第一台数控饥床开发成功到现在已有5O多年的历史,前后经历了5个发展阶段,即电子管数控,晶体管数控,中小规模IC数控,小型计算机数控,微处理器数控.
传统的计算机数控系统,由于采用封闭的体系结构.它的通用性,软件移植性,功能扩展和维修都比较困难.所以开放式体系结构的计算机数控系统的发展,使传统的计算机数控系统的市场正在受到挑战.
开放式计算机数控系统,采用软件模块化的体系结构.这种系统,显示了优良的性能,能适应各种计算机的软件平台,具有统一风格的用户交互环境、操作,维护,更新换代和软件开发都比较方便.具有较高的性能价洛比、它已成为数控系统发展的方向.
8.3 高速加工技术采用比常规切削速度高5-10倍的速度进行有效加工的一种工艺方法,称为高速加工.一般标准是:钢380mmin,铸铁700mmin,铜1000 mmin,铝1100 mmin,工程塑料1150 mmin.
高速加工是一项系统工程.它集数控机床技术,刀具与材料技术,刀具磨损或破损的在线检测与报警技术于一体.
用于高速加工的数控饥床,要有足够的整体刚度.其数控系统能对机床进行平滑的运动控制,以免产生冲击.高速加工刀具,应具有高的硬度和高温硬度,以及足够的断裂韧性.为此,应选用涂层硬质合金,陶瓷,聚晶金钢石和聚晶立方氮化硼等刀具材料.
高速加工是集高效,优质和低耗于一身的现代制造技术,不仅用于加工普通钢,铸铁、有色金属材料,还可用于各种难加工材料,如高强度钢,高合金钢,镍基合金钢,钛合金钢和纤维强化复合材料.
8.4 快速成型技术快速成型技术是将计算饥辅助制造,计算机数字控制,精密伺服驱动,激光与材料技术于一体的现代技术.其基本思路起源于三维实体被切成一系列连续切片的逆过程.即只需用三维的制造方法制作成一系的薄切片.便可堆积成所需的三维零件.
快速加工技术的主要持点:
能直接由三维CAD模型剐造形状复杂的原型,缩短了产品开发周期,降低了生产成本.使产品能迅速投入市场.
可制造任意复杂的高精度零件,而无需任何工具.它是创造性设计的有效工具,也能比较容易制造出试验模型,可在加工生产前找出设计中存在的不足之处,并迅速加以修改.
快速成型技术在应用中存在的问题:系统造价昂贵,运行费用高,加工用材价格偏高,能够处理的材料种类有限,与CAD系统的接口尚无通用格式.
9. 汽车结构和工作过程
9.1 汽车由四大部分组成发动机发动机是汽车的动力装置,其作用是使燃料燃烧产生动力、然后通过底盘的传动系驱动车轮使汽车行驶.发动机主要有汽油机和柴油机两种.汽油发动机由曲柄连杆机构,配气机构和燃料供给系,冷却系,润滑系,点火系,起动系组成.柴油发动机的点火方式为压燃式,无点火系.
底盘底盘作用是支承,安装汽车发动机及其各部件,总成,形成汽车的整体造型,并接受发动机的动力、使汽车产生运动,保证正常行驶.底盘由传动系,行驶系,转向系和制动系四部分组成.
车身车身安装在底盘的车架上,用以驾驶员,旅客乘坐或装载货物.轿车,客车的车身一般是整体结构,货车车身一般是由驾驶室和货箱两部分组成.
电气设备电气设备由电源和用电设备两大部分组成.电源包括蓄电池和发电机.用电设备包括发动机的起动系,汽油机的点火系和其它用电装置.
9.2 汽车装配GZ-QCX型系列汽车生产线采用大节距弯板滚子链作为传动介质,和链条固定的金属面板为输送载体,托载汽车架体运行、以优质重型悬挂链作为传动介质,以专用工装夹具为输送载体,吊载汽车架体运行、以完成输送和装配目的的一种大型线体.
第四部分先进技术及行业发展趋势
10.1先进机械制造理念机械制造业历来是应用科学技术的主要领域,是应用最新科技推动社会,经济发展的主导产业.随着现代科学技术的飞速发展,以及市场需求的个性化与多样化,机械制造业发生了极为深刻和广泛的变化,已不是传统意义上的机械制造业.其发展特点与趋势主要体现为绿色制造,计算机集成制造,柔性制造,虚拟制造,智能制造,并行工程,敏捷制造和网络制造等方面.
柔性,集成,并行工作现代机械制造系统具有多功能性和信息密集性,能够制造生产成本与批量无关的产品、能按订单制造,满足产品的个性要求.
设计与工艺一体化设计与工艺密切结合,以工艺为突破口,形成设计与工艺的一体化.改变了传统的制造工程设计和工艺分步实施,工艺从属于设计,工艺与设计脱离等影响了制造技术发展的限制.
精密加工技术是关键精密和超精密加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一.当前、纳米加工技术代表了制造技术的最高精度水平.
10.2 现代机械制造技木的新发展绿色制造CM绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式,是可持续发展战略在制造业中的重要体现.其目标是使产品在设计,制造,装配、运输,销售及使用的整个过程中努力做到资源的优化利用,清洁生产和废弃物的最少化及综合利用.要力求实现切削加工工艺的绿色化.
目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上.在欧洲的大批量机械加工中、已有10%一15%的加工使用了干切削和准干切削.
柔性制造FM柔性制造系统(FMS)是由统一的控制系统(信息流)、物料(工件,刀具)和输送系统(物料流)连接起来的一组加工设备,能在不停机的情况下实现多品种、小批量零件的加工,并具有一定管理功能的自动化制造系统.柔性制造技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段,是各国制造业发展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术.数控技术的成熟及单台数控设备的问世,使许多工业发达国家开始了柔性制造系统的研究.
计算机集成制造CIMCIM就是通过计算机实现信息集成,实现现代化的生产制造,求得企业的总体效益,使企业能够持续稳定的发展.集成制造主要包括:人员集成,信息集成,功能集成,技术集成.
虚拟制造VM虚拟制造主要就是利用计算机技术和装备产生一个虚拟环境、应用人类知识,技术和感知能力、与虚拟对象进行交互作用,对产品设计,制造进行全面的建模和仿真.
虚拟制造技术从根本上改变了设计,试制,修改设计和规模生产的传统制造模式.在产品真正制造以前、首先在虚拟制造环境中生产软产品原形,代替传统的硬样品、预测产品的设计和制造的合理性,产品性能和制造周期等、从而使产品的开发生产周期最短、成本最低,质量最优,最终提高快速响应市场多变的能力.
敏捷制造AM敏捷制造是将柔性生产技术,熟练掌握生产技能的劳动力、与促进企业内部和企业之间相互合作的灵活管理集成在一起,通过所建立的共同基础结构,对迅速改变或无法预见的市场作出快速反应、它旨在不可预测的持续变化的环境中使企业具有卓越的自适应能力、从而占据主导地位的总体战略,同时也是对市场需求做出快速响应、快速重组的生产模式;
敏捷制造是一种哲理或管理哲学,是企业管理的战略性变革.其特征是:制造柔性和成员合作,制造柔性是敏捷制造的组成部分,包括人员,设备和软件3方面的柔性.提高从产品设计,制造和销售全过程的整体柔性,进而保证敏捷制造系统快速响应、快速重组的能力.目前、敏捷制造在西方国家已初见成效.
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