2023/2/51工業產品開發概論主講蔣亞南副教授第八講金屬材料概述2013年9月工業產品開發概論主講蔣亞南副教授第十六講現代先進制造技術介紹2015年8月寧波市數字圖書館第二批高校網絡（MOOC）課程2023/2/5講次內容內容體系第一講了解工業產品介紹及其開發流程第一篇工業產品開發第二講結合實例介紹硬件產品開發步驟和方法第三講結合實例介紹服務產品的開發步驟和方法第四講工業產品工程設計第二篇產品設計方法基礎第五講工業產品造型設計第六講

工業產品選材—金屬材料第七講工業產品選材—非金屬材料第八講產品表達圖示技術基礎第三篇產品工程表達基礎第九講

產品圖樣表達方法—基本視圖第十講產品圖樣表達方法—剖視斷面第十一講產品圖紙表達—零件圖第十二講產品圖紙表達—裝配圖第十三講工業產品加工方法—熱加工第四篇工業產品生產加工第十四講工業產品加工方法—金屬切削加工第十五講工業產品加工方法—非金屬加工第十六講先進制造技術介紹2023/2/5制造業的社會功能制造業建筑機械交通工具環保設備軍事裝備醫療設備機器制造農業機械化工設備家用電器通訊設備出版印刷網絡媒體文化娛樂冶金機械動力機械紡織服裝2023/2/5從生產靈活性看制造模式的變遷生產靈活性年份手工生產英式系統美式系統大批量制造泰勒制造統計過程控制數控柔性制造計算機集成制造未來制造系統18001831190019501970198719912023/2/5制造業近代的三個發展階段1、機器代替手工，從作坊形成工廠

18世紀后半葉，以蒸汽機和工具機的發明為特征的產業革命，揭開了近代工業的歷史，促成了制造企業的雛形——工場式生產的出現。標志著制造業已完成從手工業作坊式生產到以機械加工廠和分工原則為中心的工廠生產的艱難轉變。

20世紀初，各種金屬切削加工工藝方法逐漸形成，近代制造技術已成體系。但是機器的生產方式是作坊式的單件生產，它產生于英國，在19世紀先后傳到德國和美國，并在美國首先形成了小型的機械加工廠。2023/2/52、從單件生產方式發展成大量生產方式泰勒首先提出了以勞動分工和計件工資制為基礎的科學管理，成為制造工程科學的奠基人。福特首先推行所有零件都按照一定的公差要求來加工（零件互換技術），實現了以剛性自動化為特征的大量生產方式，它對社會結構、勞動分工、教育制度和經濟發展，都產生了重大的作用。20世紀50年代，零件互換技術發展到了頂峰。2023/2/53、柔性化、集成化、智能化和網絡化的現代制造技術：（1）單件小作坊式生產加高度的個人制造技巧，大量的機械化剛性規模生產加一體化的組織生產模式，再加細化的專業分工。（2）制造技術的界限分明及其專業的相互獨立。（3）制造技術一般僅指加工制造的工藝方法，即制造全過程中某一段環節的技術方法。（4）制造技術一般只能控制生產過程中的物料流和能量流。（5）制造技術與制造生產管理的分離。2023/2/5先進制造技術在我國的發展狀況具體表現在以下10個方面：

1、計算機輔助設計（CAD）技術普及化

2、快速原型制造技術由起步邁向成熟，應用初具規模

3、精密成形與加工技術水平顯著提高，在汽車零部件、重大裝配制造中獲得廣泛應用。

4、熱加工工藝模擬優化技術取得重要進展，使材料熱加工由“技藝”走向“科學”。5、激光加工在基礎研究和技術開發方面有實質性進展，產業應用獲得經濟效益。2023/2/56、數控技術取得重要進展，國內市場占有率有所提高。

7、現場總線智能儀表研究開發獲重要進展，應用已有一定的基礎。

8、微型機械研究進展迅速，標志著先進制造技術正向微觀領域擴展。

9、現代集成制造系統研究和應用取得突破，在國際上占有一席之地。10、新生產模式的研究和實踐具有特色，推動了中國制造業的技術進步和管理現代化。

2023/2/5先進制造技術的分類現代設計技術先進制造工藝技術制造自動化技術系統管理技術2023/2/5現代設計技術計算機輔助設計技術有限元法、優化設計、反求工程、模糊智能CAD、工程數據庫等。性能優良設計基礎技術可靠性設計；安全性設計；動態分析與設計；防斷裂設計；疲勞設計；防腐蝕設計；減摩和耐磨損設計；健壯設計；耐環境設計；維修性設計和維修性保障設計；測試性設計；人機工程設計等。

2023/2/5競爭優勢創建技術

快速響應設計；智能設計；仿真與虛擬設計；工業設計；價值工程設計；模塊化設計等。全壽命周期設計技術

并行設計；面向制造的設計；全壽命周期設計。可持續性發展產品設計技術

主要有綠色設計設計試驗技術

產品可靠性試驗；產品環保性能試驗與控制、仿真試驗與虛擬試驗2023/2/5先進制造工藝技術（1）精密潔凈鑄造成形工藝外熱沖天爐熔煉、處理、保護成套技術；鋼液精煉與保護技術；近代化學固化砂鑄造工藝；高效金屬型鑄造工藝與設備；氣化膜鑄造工藝與設備：鑄造成形工藝模擬和工藝CAD。（2）精確高效塑性成形工藝熱鍛生產線成套技術；精密輥鍛和楔橫軋技術；大型覆蓋件沖壓成套技術；精密沖裁工藝；超塑和等溫成形工藝；鍛造成形模擬和工藝CAD等。（3）優質高效焊接及切割技術新型焊接電源及控制技術；激光焊接技術；優質高效低稀釋率堆焊技術；精密焊接技術；焊接機器人；現代切割技術；焊接過程的模擬仿真與專家系統。2023/2/5先進制造工藝技術（續）（4）優質低耗潔凈熱處理技術可控氣氛熱處理；真空熱處理；離子熱處理；激光表面合金化；可控冷卻。

（5）高效高精機械加工工藝精密加工和超精密加工；高速磨削；變速切削；復雜型面的數控加工；游離磨料的高效加工等。

（6）現代特種加工工藝包括：激光加工；復合加工；微細加工和納米技術；水力加工等。2023/2/5先進制造工藝技術（續）（7）新型材料成形與加工工藝新型材料的鑄造成形；新型材料的塑性成形；新型材料的焊接；新型材料的熱處理；新型材料的機械加工。（8）優質清潔表面工程新技術化學鍍非晶態技術；新型節能表面涂裝技術；鋁及鋁合金表面強化處理技術；超聲速噴涂技術；熱噴涂激光表面重熔復合處理技術；等離子化學氣相沉積技術；離子輔助沉積技術（9）快速模具制造技術鍛模CAD／CAM一體化技術；快速原型制造技術等。2023/2/5制造自動化技術制造自動化是指用機電設備工具取代或放大人的體力，甚至取代和延伸人的部分智力，自動完成特定的作業，包括物料的存儲、運輸、加工、裝配和檢驗等各個生產環節的自動化。是機械制造業最重要的基礎技術之一。包括：（1）數控技術數控裝置；送給系統和主軸系統；數控機床的程序編制。（2）工業機器人機器人操作機；機器人控制系統；機器人傳感器；機器人生產線總體控制。2023/2/5制造自動化技術（續）（3）柔性制造系統（FMS）FMS的加工系統；FMS的物流系統；FMS的調度與控制，FMS的故障診斷。（4）自動檢測及信號識別技術自動檢測CAT；信號識別系統；數據獲取；數據處理；特征提取；識別。（5）過程設備工況監測與控制過程監視控制系統；在線反饋質量控制。2023/2/5系統管理技術（1）先進制造生產模式現代集成制造系統CIMS、敏捷制造系統AMS、智能制造系統IMS、精良生產LP以及并行工程CE等先進的生產組織管理和控制方法。（2）集成管理技術并行工程CE；物料需求計劃MRP與準時制生產JIT的集成—生產組織方法；基于作業的成本管理ABC；現代質量保障體系；現代管理信息系統；生產率工程；制造資源的快速有效集成。（3）生產組織方法虛擬公司理論與組織；企業組織結構的變革；以人為本的團隊建設；企業重組工程。2023/2/516.1先進制造工藝技術

1、精密加工精密加工一般指加工精度在10～0.1μm（相當于IT5級精度和IT5級以上精度），表面粗糙度Ra值在0.1μm以下的加工方法，如金剛車、金剛鏜、研磨、珩磨、超精研、砂帶磨、鏡面磨削和冷壓加工等。用于精密機床、精密測量儀器等制造業中的關鍵零件加工，如精密絲杠、精密齒輪、精密蝸輪、精密導軌、精密滾動軸承等，在當前制造工業中占有極重要的地位。

超精密加工是指被加工零件的尺寸公差為0.1～0.01μm數量級，表面粗糙度Ra值為0.001μm數量級的加工方法。16.1.1精密加工與特種加工2023/2/52、特種加工

特種加工是指直接利用電能、聲能、光能、電化學能、熱能以及特殊機械能對材料進行加工。它與傳統的切削加工方法相比具有許多特點：在加工過程中工具與工件之間沒有顯著的切削力；加工用的工具材料硬度可以低于被加工材料的硬度；能用簡單的運動加工出復雜的型面。1）電火花加工

電火花加工是指在一定介質中，通過工具電極和工件電極之間脈沖放電的電蝕作用對工件進行的加工。能對任何導電材料加工而不受被加工材料強度和硬度的限制。2023/2/5圖14－4電火花加工原理1－工件2－脈沖電源3－自動進給裝置4－工具電極5－工作液6－過濾器7－泵2023/2/5２）電解加工

電解加工是利用金屬在電解液中產生陽極溶解的電化學腐蝕將工件加工成形，又稱電化學加工。

電解加工的工具（陰極）不發生溶解，可長期使用。可在一個工序內完成復雜形狀的加工。2023/2/5３）超聲波加工

超聲波加工是利用超聲頻振動的工具，使磨料撞擊和拋磨工件，進行成形的一種加工方法。超聲波加工主要靠磨粒作用去除工件材料，加工設備較簡單，操作及維護方便。加工精度可達0.02μm，表面粗糙度Ra值達1.25～0.1μm。超聲波加工廣泛用于各種超硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料的加工。2023/2/5圖14－7超聲波加工原理圖1－超聲波發生器2－冷卻水入口3－換能器4－外罩5－循環冷卻水6－變幅桿7＝冷卻水出口8－工具9－磨料懸浮液10－工件11－工作槽2023/2/5４）激光加工

激光加工是利用能量密度很高的激光束使工件材料熔化、蒸發和氣化而予以去除的高能束加工。2023/2/516.2計算機輔助設計與制造技術

16.2.1計算機輔助設計與制造

2023/2/51.計算機輔助設計（CAD）計算機輔助設計（CAD）是指工程技術人員以計算機為工具，用各自的專業知識對產品進行總體設計、繪圖、分析和編寫技術文檔等設計活動的總稱。1、二維設計2、線框造型3、曲面造型4、實體造型1、幾何建模功能2、工程分析和計算功能3、機構設計與分析功能1、有限元分析2、優化設計3、可靠性設計4、自動繪圖功能2023/2/52.計算機輔助工藝規程設計（CAPP）計算機輔助工藝規程設計方法1、派生式2、創成式3、綜合式派生式計算機輔助工藝規程設計原理1、零件編碼矩陣化2、零件組特征的矩陣化3、主樣件設計4、零件上各種形面的數字化5、工序工步名稱編碼6、綜合加工工藝路線的數字化7、工序工步內容矩陣1、工藝信息數字化2、CAPP數據庫特征矩陣文件綜合工藝路線工序、工步文件工藝數據文件2023/2/5

從廣義的角度講，CAM指利用計算機輔助從毛坯到產品制造過程中的直接和間接的活動，包括計算機輔助生產計劃、計算機輔助工藝設計、計算機數控編程、計算機控制加工過程等內容。而從狹義的角度講，CAM僅指數控程序的編制，包括刀具路徑的確定、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及NC代碼的生成等3.計算機輔助制造（CAM）在市場上比較成熟的CAD/CAM系統有Pro/engineer系統和MasterCAM系統。前者是一體化的CAD/CAM系統，其內部是統一的數據格式，能直接調用CAD系統中的圖形數據。后者是CAD模塊與CAM模塊的無縫集成，其系統內部通過中性文件獲取其它CAD系統的圖形信息。

2023/2/516.2.2快速成形技術1.快速成形技術的概念

快速成形技術（RP,RapidPrototyping）是運用堆積成形法，由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維實體的技術總稱。

RP技術的成形原理不同于常規制造的去除法（切削加工、電火花加工等）和變形法（鑄造、鍛造等），而是利用光、電、熱等手段，通過固化、燒結、粘結、熔結、聚合作用或化學等方式，有選擇地固化（或粘結）液體材料，實現材料的遷移和堆積，形成所需要的原型零件。

快速成形技術是綜合利用CAD技術、數控技術、激光加工技術和材料技術實現從零件設計到三維實體原型制造一體化的系統技術。2023/2/52.快速成形技術的工藝方法

RP技術的具體工藝有很多種，根據采用的材料和對材料的處理方式不同，選擇其中3種方法的工藝原理進行介紹。(1)選擇性液體固化又稱光固化法，光固化法是目前應用最廣的快速成形制造方法。其主要特點是：制造精度高、表面質量好、原材料利用率接近100%；能制造形狀復雜及特別精細的零件；能使用成形材料較脆、材料固化伴隨一定收縮率的材料制造所需零件。2023/2/5(2)選擇性層片粘結

選擇性層片粘結又稱分層實體制造、疊層制造法疊層法的主要特點是：不需要制作支撐；激光只作輪廓掃描，而不需填充掃描，成形率高；運行成本低；成形過程中無相變且殘余應力小，適合于加工較大尺寸零件；但材料利用率較低，表面質量差。(3)選擇性粉末熔結/粘結選擇性粉末熔結/粘結又稱燒結法激光選區燒結法的主要特點是：不需要制作支撐；成形零件的機械性能好，強度高；粉末較松散，燒結后精度不高，Z軸精度難以控制。2023/2/53.

快速成形技術的特點和用途

(1)主要特點

1）高度柔性；

2）技術的高度集成；

3）設計制造一體化；

4）快速性；

5）自由成形制造(FreeFormFabrication，FFF)；

6）材料的廣泛性。

(2)用途

1）產品設計評估與功能測驗；

2）快速模具制造；

3）醫學上的仿生制造；

4）藝術品的制造；

5）直接制造金屬型。

2023/2/52023/2/52023/2/516.3制造自動化技術

163.1工業機器人1.工業機器人的定義工業機器人（IndustrialRobot,簡稱Robot

）是一種可重復編程的、自動控制的、多自由度的、機體獨立的自動操作機械。

2.工業機器人的組成（1）執行系統（2）驅動系統（3）控制系統（4）檢測系統（5）智能系統2023/2/511.4工業機器人3.工業機器人的分類按系統功能分類：專用機器人、通用機器人、示教再現機器人、智能機器人按結構形式分類：直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人、關節機器人。按驅動方式分類：氣壓傳動機器人、液壓傳動機器人、電力傳動機器人。按承擔工作任務性質可分為：搬運機器人和作業機器人。雖然工業機器人品種繁多，但從設計與使用角度出發，工業機器人的主要技術性能參數包括：運動自由度、工作空間、工作負荷、運動速度、位置精度。2023/2/54.工業機器人的應用

工業機器人的最初應用主要是對人體有危險或危害的操作環境。今天，在現代制造業中，利用機器人能擴大機械制造系統的功能和范圍，以及提高自動化程度，是實現柔性自動化的基本設備。用于生產中的工業機器人有：鑄造機器人、焊接機器人、噴漆機器人、裝配機器人、搬運機器人等。此外，高壓作業線、服裝剪裁、管道作業、擦玻璃的機器人也發揮著巨大的作用。2023/2/516.3.2柔性制造系統

傳統的專用機床和“剛性”自動生產線雖然有很高的生產效率，但其加工的零件形狀和尺寸單一，難以改變，這對于大批大量生產是合適的。為滿足多品種、小批量、產品更新換代周期短的要求，20世紀70年代以來，隨著微電子技術，特別是計算機技術、傳感技術的發展，一種以機械加工為主的柔性制造技術得到迅速發展，主要有柔性制造單元、柔性制造系統、計算機集成制造系統。1.柔性制造單元

FMC（FlexibleManufacturingCell）是在加工中心的基礎上，增加了貯存工件的自動料庫、輸送系統所構成的自動加工系統。FMC適于多品種、小批量工件的生產。FMC具有規模小、成本低，便于擴展等優點。但FMC的信息系統自動化程度較低，加工柔性不高，只能完成品種有限的零件加工。2023/2/52.柔性制造系統

（1）FMS（FlexibleManufacturingSystem）的定義和組成FMS是在FMC的基礎上擴展而成的一種高效率、高精度、高柔性的加工系統。對柔性制造系統直觀的定義：“柔性制造系統至少是由兩臺數控加工設備、一套物料儲運系統和一套計算機控制系統所組成的制造系統。從上述定義可以看出，FMS主要由以下三部組成：1）加工系統2）物料儲運系統3）信息系統除上述三個主要組成部分外，FMS還包括冷卻系統、排屑系統、刀具監控和管理等附屬系統。（2）FMS的優點和效益1）能接受各種不同零件加工2）生產周期短、成本低3）使加工質量得到保證4）對企業的競爭力和資金周轉十分有利2023/2/516.4現代制造系統

16.4.1計算機集成制造系統1.CIMS(ComouterIntegratedManufacturingSystem)的基本概念CIMS是