机械制造模块

本模块介绍将机械施工图纸变成产品的过程。在这一过程中,首先进行机械零件加工;然后经质量检验合格后,进行总装,按装配图将所有零件组装到一起构成设计方案所要的机械,对本专业来说,就是执行系统或传动系统;最后将所选的驱动装置与组装好的传动系统和执行系统由机架组合在一起,就构成了广义执行子系统,实现了由图纸到产品的过程。

“机械制造”所包含的内容非常多,所涉及的学科也很广,不仅讲技术,也要讲许多基本原理;然而由于机械电子工程专业,机电并重,不能像纯机械类专业那样给许多学时去讲机械制造,只能讲一些机械设计中必须知道的机械制造的主要内容。

同学们一定要注意,不是说机械制造不重要,是不得已而为之。况且机械制造是实践性很强的课程,它讲了许多工程实践经验和技术,不是书本说说即可,只要有理论基础,在工作中学习更方便。希望同学们在校期间初步掌握机械制造的基本原理与技术,将来在工作中再继续深化,继续充实自己的机械制造知识,以真正能够胜任机电工程师的工作。

根据机械电子工程专业机械设计的需要,再考虑传统的课程设置,本模块设置三门课,一门是“工程材料”;另一门是“机械制造基础”及其实践课“金工实习”“机制工艺实习”和“机制工艺课程设计”;第三门是“互换性与技术测量”。下面分别介绍这三门课,它们的实践课以后再介绍。

1.“工程材料”

“工程材料”是机械电子工程专业的基础课。在设计机械零件的时候要考虑该零件选用什么材料合适,加工过程中要对材质进行处理,这些都与材料的性质有关,材料性质又与材料的结构有关。因此本门课的任务是:介绍各种工程材料的性质、处理方法和选用原则。

本门课的知识要点如下。

(1)基本概念

工程材料(金属材料、高分子材料、陶瓷材料、纳米材料)、组织结构(晶体、非晶体)、材料特性(力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能)、热处理、塑性加工、表面技术。

(2)基本原理

①晶体结构理论(金属的结晶、结晶在固态下的转变、合金的相结构、铁碳合金相图、利用相图对铁碳合金结晶过程进行分析、碳含量对合金平衡组织和性能的影响)。

②热处理理论(铁碳合金平衡图、钢在加热时的转变、钢在冷却时的转变、钢在回火时的转变)。

(3)基本知识

①工程材料

a.金属材料(钢、铸铁、有色金属)。

钢:碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢、合金工具钢、不锈钢、耐热钢、高温合金钢、耐磨钢、低温钢、铸钢。

铸铁:灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁。

有色金属:铝及铝合金(铸铝、防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金)、铜及铜合金(工业纯铜、单相黄铜、双相黄铜、铝黄铜、锰黄铜、锰铁黄铜、锡青铜、铝青铜、低铝青铜、铍青铜)。

b.高分子材料(热塑性工程塑料、热固性工程塑料)。

热塑性工程塑料:聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳酸脂、ABS塑料、聚四氯已烯。

热固性工程塑料:酚醛塑料、环氧塑料。

c.陶瓷材料(氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化陶瓷、金属陶瓷)

②材料特性(力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能)

a.力学性能:硬度指标、强度指标、塑性指标、冲击韧性指标、疲劳强度、弹性模量。

b.物理性能:密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性。

c.化学性能:抗化学作用能力和抗腐蚀能力。

d.工艺性能:铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工切削性能、热处理性能。

③金属的热处理工艺(钢、铸铁、铝合金、铜合金)

a.钢的热处理:整体(或称常规)热处理(退火、正火、淬火、回火)、表面热处理(火焰淬火、感应加热淬火)、化学热处理(渗碳、碳氮共渗、渗氮)。

b.铸铁热处理:灰铸铁热处理(退火、正火、表面淬火)、可锻铸铁热处理(退火)、球墨铸铁热处理(退火、正火、调质、淬火)、合金铸铁热处理(淬火)。

c.铝合金热处理:变形铝合金热处理(退火、淬火、时效)、铸造铝合金热处理(退火、淬火)。

d.铜合金热处理(淬火、时效、强化、淬火回火、淬火回火强化、淬火时效)。

④选择材料准则(使用性、工艺性、经济性)

a.据使用性能选材:由零件的工作条件和失效分析确定零件的使用性能,然后提出对材料性能(力学、物理、化学)的要求。

b.据工艺性能选材:由零件加工工艺(铸造、压力加工、机械加工、焊接、锻压、热处理)的需要,选择适合上述工艺过程的材料。

c.据材料的经济性选材:由材料价格最低和制造完零件总成本最低综合最优选材。

(4)基本技能

①熟悉工程材料(尤其是金属材料)的种类、牌号、性能(尤其是力学特性)和用途。

②掌握钢的热处理原理,熟悉常用金属材料的热处理技术、方法,并会选用。

③熟悉选择材料的准则,能正确地为零件(轴、齿轮、箱体、弹簧等)选择合适的材料。

④掌握金属材料常用的实验方法(拉力实验、扭转实验、冲击实验、硬度实验),会使用四类试验机。

⑤掌握金相分析方法(原材料缺陷的低倍检验、断口分析、显微组织检验)会使用金相显微镜。

(5)在机电系统中的应用

①在整个设计过程中为产品或构件选材。

②在详细设计阶段标明对钢铁构件的热处理。

2.“机械制造基础”

“机械制造基础”是机械电子工程专业的专业技术基础课。当广义执行子系统被设计好以后,首先要将零件图变成零件,然后再按装配图将所有零件组装到一起构成系统(产品)。“机械制造基础”的任务是介绍将图纸变成产品的制造技术和制造过程。

本课程的知识要点如下。

(1)基本概念与基本知识

①生产过程(制造过程):原材料、毛坯制造、加工零件、装配成品、检验、试运行、涂装与包装。

②工艺过程:机械加工、铸造、锻造、冲压、焊接、热处理、钳工、装配等工艺的过程。

③机械加工工艺过程:工序(安装、工位、工步、走刀,切削用量、加工余量)。

④机械加工工艺规程(工艺规程):工艺规程设计(图样分析、毛坯制造、工艺路线、定位基准、工序设计、工艺规程文件)。

⑤产品结构工艺性(产品及零部件):可加工性、可装配性、可维修性、经济性。

⑥工艺尺寸链:工艺尺寸链组成环(工序尺寸)、工艺尺寸链封闭环(设计尺寸、加工余量)、基本工艺尺寸链(设计尺寸尺寸链、加工余量尺寸链)、综合工艺尺寸链。

⑦工艺方案技术经济分析:评价原则(成本指标、投资指标、追加投资回收期)、分析比较(工艺成本比较、工艺路线优化)。

⑧工艺装备:

a.机加工:各类冷加工机床及其刀具、夹具、辅具、检验仪表(量具)、工具。

b.装配:刮削工具、装配工具、平衡校正工具、形位误差检测工具与装置。

c.铸造:样模、模板、芯盒、砂箱、木模、金属模、消失模。

d.压力加工:各种冲压机床及所用模具(冲压模、热锻模、挤压模、冷拨模、自由锻模、快速经济模)。

e.焊接:焊接机、焊接夹具、焊接用工具及辅助装置。

f.特种加工:各类特种加工机械及电火花成形工具电极,各类特种加工的工具、磨轮等。

⑨装配工艺过程:分装配(合件、组件、部件)、总装(产品)。

⑩装配工艺规程:工艺规程制定(装配图分析、验收技术标准、装配顺序、装配系统图、装配工序、检测和试验规范)。

(2)基本理论

①切削原理:金属切削过程和剪切角、切削力、切削热、切削液、刀具角度,磨损与使用寿命,切削用量的选择。

②磨削原理:磨削加工的基本规律、砂轮的修正和耐用度、磨削用量的选择。

③加工精度分析:理论误差和工艺系统几何误差、工艺系统受力变形引起的加工误差、工艺系统受热变形引起的加工误差、误差的综合分析。

(3)基本技术与方法

①车削技术

a.常用车削方式:车外圆(圆柱面、椭圆柱面、斜面、球面)、车端面、车内孔、车螺纹、成形车、切槽。

b.车床类型:普通卧式车床、数控卧式车床(单轴、多轴)、立式多轴半自动车床、转塔车床、仿形车床。

c.新的车削技术:加热车削、超声振动车削、超精车削、硬态车削。

②铣削技术

a.常用铣削方式:周铣(顺铣、逆铣)、端铣(对称、不对称逆、不对称顺)、兼有周铣与端铣(铣平面、铣沟槽、铣曲面、铣螺旋、铣花键、铣凸轮、铣齿轮)。

b.铣床类型:立铣、卧铣、龙门铣。

c.介绍上述三种铣削方式所用的刀具、夹具、量具和工具。

③磨削技术

a.常用磨削方式:纵磨、横磨、综合磨(磨外圆、磨平面、磨曲面(锥、球)、磨曲轴、磨内孔)。

b.磨床类型:外圆磨床、内圆磨床、无心外圆磨床、成型磨床。

c.要介绍上述三种磨削方式所用的磨具、夹具、量具和工具。

④数控机床

数控车床、数控铣床、加工中心简介。

⑤铸造技术

砂型铸、金属型铸、压铸、熔模铸。

⑥压力加工技术

a.锻造(自由锻、模锻、辊锻、粉末锻、电镦等)。

b.冲压(冲裁、弯曲、成型、拉深、翻边等)。

c.介绍上述五种冲压成形所用的模具。

⑦特种加工技术

电火花、线切割、激光加工、超声加工、电子束加工、离子束加工、光化学加工。

⑧表现处理技术:喷丸、喷砂、发兰、磷化、涂装、热喷涂、电镀。

(4)基本技能

①了解常用的机械制造技术,知道各种机床的用途以及它所需要的刀具、夹具、量具和工具,会选择定位基准,会计算切削用量和加工余量。

②熟悉产品和零件的结构工艺性,在详细设计阶段会应用这些知识去设计。

③了解表面处理技术,知道每种技术的用途。

④熟悉机械加工工艺过程,具有编写工艺规程的初步能力。

⑤熟悉装配工艺过程,具有编写装配工艺规程的初步能力。

⑥了解数控车床(或铣床)的加工过程,针对具体零件会编写加工程序。

⑦了解CAD/CAPP/CAM的基本原理和工作流程。

(5)在机电系统中的应用

①在详细设计阶段,根据所学工艺知识,保证所设计的构件(零件)能够制造出来,即具有良好的结构工艺性。同时给零件标注表面处理工艺。

②在样机试制阶段,根据零件图编制工艺规程文件和工艺卡片;根据部件图和总装图编制装配工艺规程文件。

3.“互换性与技术测量”

“互换性与技术测量”是机械电子工程专业的专业技术基础课。在制造机械零件时,误差是不可避免的,因此,不同类型的零件都有一个误差允许范围(公差);另外,在大批生产的情况下,希望所加工出来的零件基本上都能通用(即可互换),这样就需要对零件加工有个标准。本门课程就是要向学生介绍公差、配合的国家标准,它们的符号及如何在图纸上标记。另一个内容是技术测量,即介绍怎么样去检验已加工好的零件的尺度,以保证零件能用。

本门课的知识要点如下。

(1)基本概念

互换性、公差与配合、优先数、优先数系、极限与配合、公差带与配合、未注公差、尺寸传递、尺寸链、形状公差、位置公差、表面粗糙度。

(2)基本知识

极限与配合的国家标准,国家标准规定的公差带与配合公差的标注和选择,形位公差的标注与形位公差的选择。滚动轴承的公差与配合、花键的公差与配合、标准推荐的螺纹公差带及其选用、齿轮副误差及其评定指标、渐开线圆柱齿轮精度标准、渐开线圆柱齿轮新国家标准、表面粗糙度参数的选择、长度测量方法及仪器、形位误差检测方法及仪器、表面粗糙度的检测方法及仪器。

(3)基本技能

①会选择和使用国家有关的标准规定去标注零件图上的公差和形位公差。

②会选择和使用测量仪器去检测零件的长度误差、形位误差。

③掌握滚动轴承与轴和外壳孔的配合标准并会应用。

④掌握螺纹的检验方法。

⑤掌握齿轮加工误差的检验方法。

⑥掌握解装配尺寸链的方法。

⑦了解或会使用以下测量工具和仪器(机械工程师资格考试指导书要求的)。

a.长度测量器具:游标尺、千分尺、千分表、电子测微仪、气动量仪、万能测长仪、工具显微镜、三坐标测量机。

b.角度测量器具:分度头、分度台和测角仪,水平仪,自准直仪和激光干涉仪。

c.形状测量器具:测矩形用的矩形角尺或角度测量仪;测圆形度用的圆度测量仪;测圆柱用的圆度测量仪或三坐标测量机;测直线度或平面度用的平尺、水平仪和自准直仪;测表面粗糙度用的激光干涉仪、针描测微仪;测波纹度用的针描测微仪;测螺纹用的螺纹量规、工具显微镜和万能测长仪;测齿轮用的公法线千分尺、万能测齿仪、手提式基节仪、单面啮合仪、双面啮合仪。

(4)在机电系统中的应用

①在详细设计阶段注意系统中全系统或部件、零件之间的尺寸链和配合关系,并给零件标上尺寸公差、形位公差和表面粗糙度。

②在样机试制阶段要注意对零件和产品(系统)的质量检验。