机械制造概述

第1章 机械制造概述
潜孔钻头知识目标
1．了解机械的基本概念，熟悉日常生活中机械产品的分类模式。
2．学会用系统的观点分析制造过程。
3．掌握零件的基本生产过程和装配过程。
4．掌握机械制造中常见的毛坯制造方法和机械加工方法。
5．了解现代制造加工中的新事物，了解数控技术和计算机辅助技术。
技能目标
1．对机械产品的分类方式有基本的认识，掌握各种分类的特点。
2．熟悉零件的生产和装配过程。
3．掌握毛坯制造方法和常见的机械加工方法及加工应用范围。
4．对现代制造技术以及不断涌现的新技术有初步了解。
项目案例导入说明
机械制造过程涉及材料学、力学、机床与制造技术等多个学科和领域，对这些相关学科知识的深刻了解与掌握是学好本课程的基础。本章将采用抛砖引玉的方式介绍一些基础知识，更详细和全面的知识点读者可以参考相关的专业课程。
1.1 机械的一般概念
1.1.1 机械的定义
“机械”（Machine）一词，源自于希腊语中的Mechine及拉丁文中的Mecina，原指“巧妙的设计”；而作为一般性的机械概念，则可以追溯到古罗马时期，主要是为了能和手工工具区分开而产生的。中文机械的现代概念多源自日语中的“机械”一词，日本的机械工程学对机械概念作了如下定义，即符合下面3个特征的就称为机械。
机械是物体的组合，假定力加到其各个部分也难以变形。
这些物体必须实现相互的、单一的、规定的运动。
把施加的能量转变为最有用的形式，或转变为有效的机械功。
一般认为机械是一切具有确定的运动系统的机器和机构的总称，如机床、拖拉机等。
机械产品指的是以金属材料作为主要原材料，通过铸造、锻造、车、铣、刨、磨和钳等各种机械加工方式加工而成的产品。

1.1.2 机械产品的分类
机械产品分类繁多，下面以一个人一生中可能用到的部分机械为例说明机械产品的类型。
1．出生阶段
出生时，我们会用到CT机、蓝光机等设备。除此之外，还可能会用到自动化仪表、电工仪器仪表、光学仪器、成分分析仪、汽车仪器仪表、电料装备、电教设备和照相机等。所有这些设备都属于仪器仪表类机械产品。
2．出生后的一生中
人必须吃饭，而粮食的生产过程中必然会用到拖拉机、播种机和收割机等，这些机械设备和产品属于农业机械。
人必须住宿，进入幼儿园、小学、中学，及至今天的大学教室，这些建筑物的建设过程中必然用到叉车、铲土运输机械、压实机械、混凝土机械等，这些机械设备属于工程机械。
建筑过程所需要的原材料如花岗石、沙石、水泥及矿石等的获取要用到冶金机械、矿山机械、起重机械、装卸机械、工矿车辆和水泥设备等，这些设备属于重型矿山机械。
人必须穿衣穿鞋，而大部分衣服和鞋都含有塑料制品，如纽扣、塑胶鞋底等，这些都是石油化工产品，这些产品的产出离不开石油钻采机械、炼油机械、化工机械、泵、风机、阀门、气体压缩机、制冷空调机械、造纸机械、印刷机械和塑料加工机械等，这些机械设备属于石化通用机械类。
人必须依靠交通工具外出学习、工作和旅游等，其中包括自行车、小型汽车、大型客车、改装汽车、摩托车、飞机等，这些机械设备属于交通工具类。
电视、电脑、空调、洗衣机等家用电器我们早已司空见惯，而这些设备的供电和维护过程将大量用到发电机械、变压器、电动机、高低压开关、电线电缆、蓄电池和电焊机等设备，这些都属于电工机械。
购物时，大部分都有包装，我们可以根据包装上的信息使用设备、利用包装进行运输保护，而包装必然涉及包装机、装箱机和输送机等设备，这类设备属于包装机械类。
衣食住行的各个环节必然会产生大量废弃物，如瓜皮果壳、纸屑笔头等，必须对其进行一系列的处理，以防止对环境造成危害。在此过程中就会用到水污染防治设备、大气污染防治设备和固体废物处理设备等，这类设备属于环保机械类。
所有这些设备上必然或多或少地存在轴承、螺丝、螺母、链条和齿轮等，也会有液压件、密封件、粉末冶金制品、标准紧固件和复杂的模具，这些都属于基础机械类。
人类发展到现在，和动物的根本区别在于人类会制造和使用工具。而上述这些设备的生产环节将必不可少地用到金属切削机床、锻压机械、铸造机械和木工机械等，这类设备属于机床类设备。
当然，随着科技和生活水平的日益提高，从小到精致的戒指，大到航空母舰，也都可以称为机械类产品，这些已经存在的和将要存在的机械类产品，统一归结为其他机械。

机械制造的一般过程
1.2.1 几个相关的概念
首先来了解机械制造中几个相关的概念。
生产过程：指产品由原材料到成品之间各个相互联系的劳动过程的总和。
工艺过程：在机械产品的生产过程中，通过改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为半成品或者成品的过程。
机械工艺过程：指采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程。
从宏观上讲，机械制造就是一个输入/输出系统。系统理论认为：系统是由多个相互关联和影响的环节组成的一个有机整体，在一定的输入条件下，各个环节之间位置相对稳定、协调的工作状态。机械制造系统的工作原理如图1-13所示。

图1-13 机械制造系统
具体介绍如下：
（1）机械加工的主要任务是将选定的材料变为合格产品，其中材料是整个系统的核心。
（2）能源用于为系统提供动力，在制造过程中不可或缺。
（3）信息用于协调系统各个部分之间的正常工作。随着生产自动化技术的发展，系统的结构日益复杂，信息的控制作用越来越重要。
（4）外界干扰是指来自系统外部的力、热、噪声及电磁等影响，这些因素会对系统的工作产生严重的干扰，必须加以控制。
（5）合格产品必须达到其使用时必需的质量要求，具体包括一定的尺寸精度、结构精度及表面质量。另外，还应尽量降低产品的成本。
（6）机械制造系统必须与场地、熟练的操作人员以及成熟的加工技术等支撑因素配合起作用，才能生产出合格的产品。
采用系统的观点来分析机械制造过程有助于更好地理解现代生产的特点。一条生产线就构成一个相对独立的制造系统，如图1-14所示为产品在各个设备之间进行流水作业。这类系统结构清晰，但是不够紧凑。
当功能强大的数控机床出现以后，一台数控加工中心（如图1-15所示）可以取代一条生产线的工作，并且生产效率更高、质量更优，这样的制造系统更加优越。

1.2.2 自动化制造系统
自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或将零件组装成产品。
自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造。“刚性”的含义是指该生产线只能生产某种产品或生产工艺相近的某类产品，表现为生产产品的单一性。刚性制造包括组合机床、专用机床、刚性自动化生产线等。“柔性”是指生产组织形式和产品及工艺的多样性和可变性，具体表现为机床的柔性、产品的柔性、加工的柔性以及批量的柔性等。柔性制造包括柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、柔性制造线（FML）、柔性装配线（FAL）、计算机集成制造系统（CIMS）等。下面依据自动化制造系统的生产能力和智能程度进行分类介绍。
1．刚性自动化生产
（1）刚性半自动化单机
除上、下料外，机床可以自动地完成单个工艺过程的加工循环，这样的机床称为刚性半自动化机床。这种机床一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床，可以进行多面、多轴、多刀同时加工，加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列；切削刀具由人工安装和调整，实行定时强制换刀，如果出现刀具破损、折断，可进行应急换刀，如单台组合机床、通用多刀半自动车床、转塔车床等。从复杂程度讲，刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次，但是投资少、见效快，适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大，加工质量较差，工人的劳动强度也大。
（2）刚性自动化单机
这是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上、下料等辅助装置而形成的一种自动化机床。辅助装置包括自动工件输送、上料、下料、自动夹具、升降装置和转位装置等；切屑处理一般由刮板器和螺旋传送装置完成。这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要定做或改装，常用于品种变化很小，但生产批量特别大的场合。其主要特点是投资少、见效快，但通用性差，是大量生产最常见的加工装备。
（3）刚性自动化生产线
刚性自动化生产线是在多工位生产过程中，用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来，在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。在刚性自动化生产线上，被加工零件以一定的生产节拍，顺序通过各个工作位置，自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。因此，与刚性自动化单机相比，其结构复杂，任务完成的工序多，所以生产效率也很高，是少品种、大量生产必不可少的加工装备。除此之外，刚性自动化生产线还具有可以有效缩短生产周期、取消半成品的中间库存、缩短物料流程、减少生产面积、改善劳动条件以及便于管理等优点。其主要缺点是投资大，系统调整周期长，更换产品不方便。为了消除这些缺点，人们发展了组合机床自动化生产线，可以大幅度缩短建线周期，更换产品后只需更换机床的某些部件即可（如更换主轴箱），大大缩短了系统的调整时间，降低了生产成本，并能收到较好的使用效果和经济效果。组合机床自动化生产线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。
2．柔性制造单元
柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，FMC）由单台数控机床、加工中心、工件自动输送及更换系统等组成。它是实现单工序加工的可变加工单元，单元内的机床在工艺能力上通常是相互补充的，可混流加工不同的零件。系统对外设有接口，可与其他单元组成柔性制造系统。
3．柔性制造系统
柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化，其基本组成部分包括自动化加工设备、工件储运系统、刀具储运系统及多层计算机控制系统等。
柔性制造系统的主要特点如下：
柔性高，适应多品种、中小批量生产。
系统内的机床工艺能力是相互补充和相互替代的。
可混流加工不同的零件。
系统局部调整或维修不中断整个系统的运作。
多层计算机控制，可以和上层计算机联网。
可进行三班无人干预生产。
4．柔性制造线
柔性制造线（Flexible Manufacturing Line，FML）由自动化加工设备、工件输送系统和控制系统等组成。柔性制造线与柔性制造系统之间的界限很模糊，两者的重要区别是前者像刚性自动化生产线一样，具有一定的生产节拍，工作沿一定的方向顺序传送，后者则没有一定的生产节拍，工件的传送方向也是随机的。柔性制造线主要适用于品种变化不大的中批和大批量生产，线上的机床主要是多轴主轴箱的换箱式和转塔式加工中心。在工件变换以后，各机床的主轴箱可自动进行更换，同时调入相应的数控程序，生产节拍也会进行相应的调整。
柔性制造线的主要优点是：具有刚性自动化生产线的绝大部分优点，当批量不是很大时，生产成本比刚性自动化生产线低得多，当品种改变时，系统所需的调整时间又比刚性自动化生产线少得多，但建立系统的总费用却比刚性自动化生产线高得多。有时为了节省投资，提高系统的运行效率，柔性制造线常采用刚柔结合的形式，即生产线的一部分设备采用刚性专用设备（主要是组合机床），另一部分采用换箱或换刀式柔性加工机床。
5．柔性装配线
柔性装配线（Flexible Assembly Line，FAL）通常由装配站、物料输送装置和控制系统等组成。
（1）装配站
FAL中的装配站可以是可编程的装配机器人、不可编程的自动装配装置和人工装配工位。
（2）物料输送装置
在FAL中，物料输送装置根据装配工艺流程为装配线提供各种装配零件，使不同的零件和已装配成的半成品合理地在各装配点间流动，同时还要将成品部件（或产品）运离现场。输送装置由传送带和换向机构等组成。
（3）控制系统
FAL的控制系统对全线进行调度和监控，主要是控制物料的流向、自动装配站和装配机器人。
6．计算机集成制造系统
计算机集成制造系统（Computer Intergrated Manufacturing System，CIMS）是一种集市场分析、产品设计、加工制造、经营管理、售后服务于一体，借助于计算机的控制与信息处理功能，使企业运作的信息流、物质流、价值流和人力资源有机融合，实现产品快速更新、生产率大幅提高、质量稳定、资金有效利用、损耗降低、人员合理配置、市场快速反馈和良好服务的全新的企业生产模式。
CIMS是目前最高级别的自动化制造系统，但这并不意味着CIMS是完全自动化的制造系统。事实上，目前意义上CIMS的自动化程度甚至比柔性制造系统还要低。CIMS强调的主要是信息集成，而不是制造过程物流的自动化。CIMS的主要特点是系统十分庞大，包括的内容很多，要在一个企业完全实现难度很大。但可以采取部分集成的方式，逐步实现整个企业的信息及功能集成。
1.2.3 零件的生产过程
机械零件的制造包括一系列严整有序的工艺过程，一方面要保证制造的零件能够满足使用要求，另一方面要尽量降低成本，还要尽可能提高生产效率。通常来说，制造一个机械零件要经历图1-16所示的基本环节。

图1-16 机械零件制造的基本环节
1.2.4 零件的装配过程
装配是指将零件按规定的技术要求组装起来，并经过调试、检验使之成为合格产品的过程。装配过程是通过工艺规程来指导完成的。装配工艺规程是规定产品或部件装配工艺规程和操作方法等的工艺文件，是制定装配计划和技术准备、指导装配工作和处理装配工作问题的重要依据，它对保证装配质量、提高装配生产效率、降低成本和减轻工人劳动强度等都有积极的作用。
下面是制定装配工艺规程的原则：
保证产品质量，延长产品的使用寿命。
合理安排装配顺序和工序，尽量减少手工劳动量，满足装配周期的要求，提高装配效率。
尽量减少装配占地面积，提高单位面积的生产率。
尽量降低装配成本。
如图1-17所示为减速器的装配示意图。

图1-17 单级圆柱齿轮减速器的装配示意图
装配时按先内后外的顺序进行：
（1）按合理顺序装配轴、齿轮和滚动轴承，并注意滚动轴承方向。
（2）合上箱盖。
（3）安装好定位销钉。
（4）装配上、下箱之间的连接螺栓。
（5）装配轴承盖、观察孔盖板。
1.3 机械制造的基本环节
1.3.1 认识毛坯的制造
1．关于毛坯的基本概念
毛坯制造是机械制造中的重要环节。毛坯的形状和尺寸主要是由零件组成表面的形状、结构、尺寸及加工余量等因素确定的，并尽量与零件相接近，以减少机械加工的劳动量，力求达到少或无切削加工。但是，由于现有毛坯制造技术及成本的限制，以及产品零件的加工精度和表面质量要求愈来愈高，毛坯的某些表面仍需留有一定的加工余量，以便通过机械加工达到零件的技术要求。
毛坯种类的选择不仅影响毛坯的制造工艺及费用，而且也与零件的机械加工工艺和加工质量密切相关。为此需要毛坯制造和机械加工两方面的工艺人员密切配合，合理地确定毛坯的种类和结构形状，并绘出毛坯图。

2．常见的毛坯种类
常见的毛坯有以下几种：
（1）铸件
对形状较复杂的毛坯，一般可用铸造方法制造。目前大多数铸件采用砂型铸造；对尺寸精度要求较高的小型铸件，可采用特种铸造，如永久型铸造、精密铸造、压力铸造、熔模铸造和离心铸造等。
（2）锻件
锻件毛坯由于经锻造后可得到连续和均匀的金属纤维组织，因此其力学性能较好，常用于受力复杂的重要钢质零件。其中，自由锻件的精度和生产率较低，主要用于小批生产和大型锻件的制造；模型锻件的尺寸精度和生产率较高，主要用于产量较大的中小型锻件。
（3）型材
型材主要有板材、棒材、线材等，常用截面形状有圆形、方形、六角形和特殊截面形状。就其制造方法，又可分为热轧和冷拉两大类。热轧型材尺寸较大，精度较低，用于一般的机械零件：冷拉型材尺寸较小，精度较高，主要用于毛坯精度要求较高的中小型零件。
（4）焊接件
焊接件主要用于单件小批生产和大型零件及样机试制。其优点是制造简单、生产周期短、节省材料、减轻重量。但其抗振性较差，变形大，需经时效处理后才能进行机械加工。
（5）其他毛坯
其他毛坯包括冲压件、粉末冶金件、冷挤件和塑料压制件等。
3．影响毛坯选择的因素
选择毛坯时应该考虑以下几个方面的因素：
（1）零件的生产纲领
大量生产的零件应选择精度和生产率高的毛坯制造方法，用于毛坯制造的昂贵费用可由材料消耗的减少和机械加工费用的降低来补偿。例如，铸件采用金属模机器造型或精密铸造；锻件采用模锻、精锻；选用冷拉和冷轧型材。单件小批生产时，则应选择精度和生产率较低的毛坯制造方法。
（2）零件材料的工艺性
例如，材料为铸铁或青铜等的零件应选择铸造毛坯；钢质零件当形状不复杂、力学性能要求又不太高时，可选用型材；重要的钢质零件，为保证其力学性能，则应选择锻件毛坯。
（3）零件的结构形状和尺寸
形状复杂的毛坯，一般采用铸造方法制造，薄壁零件不宜用砂型铸造。一般用途的阶梯轴，如各段直径相差不大，可选用圆棒料；若各段直径相差较大，为减少材料消耗和机械加工的劳动量，则宜采用锻造毛坯，尺寸大的零件一般选择自由锻件，中小型零件可考虑选择熔模锻件。
（4）现有的生产条件
选择毛坯时，还要考虑本厂的毛坯制造水平、设备条件以及外协的可能性和经济性等。

1.3.2 认识机械加工方法
1．传统机械加工的特征
毛坯成形后还特别粗糙，接下来的加工环节将对其进行精雕细琢，去除多余材料，最后获得理想的产品。近年来，随着材料能源和检测技术的发展，机械加工技术也有了飞速的发展，其生产质量和效率明显提高。传统加工的特征如下：
刀具材料比被加工材料硬。
靠机械能（力的作用）去除多余的材料。
加工过程主要靠操作者的经验来控制。
自动化程度相对较低，生产效率不高，精度较低。
2．传统机械加工分类及用途
传统的机械加工分为车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削、拉削和绞孔等，下面进行详细介绍。
（1）车削加工
车削常用来加工单一轴线的零件，如直轴和一般盘、套类零件等。若改变工件的安装位置或将车床适当改装，还可以加工多轴线的零件（如曲轴、偏心轮等）或盘形凸轮。使用不同的车刀或其他刀具，可以加工各种回转表面，如内外圆柱面、内外圆锥面、螺纹、沟槽、端面和成形面等。
车削加工的特点如下：
易于保证工件各加工面的位置精度。
切削过程较平稳，避免了惯性力与冲击力，允许采用较大的切削用量，高速切削，利于生产率提高。
适于有色金属零件的精加工。有色金属零件表面粗糙度要求较小时，不宜采用磨削加工，需要用车削或铣削等。用金刚石车刀进行精细车时，可达较高质量。
刀具简单。车刀制造、刃磨和安装均较方便。
（2）铣削加工
铣削是指使用旋转的多刃刀具切削工件，是一种高效率的加工方法。工作时刀具旋转（作主运动），工件移动（作进给运动），工件也可以固定，但此时旋转的刀具还必须移动（同时完成主运动和进给运动）。铣削用的机床有卧式铣床或立式铣床，也有大型的龙门铣床。这些机床可以是普通机床，也可以是数控机床。
铣削加工的特点如下：
铣刀各刀齿周期性地参与间断切削。
每个刀齿在切削过程中的切削厚度是变化的。
（3）刨削加工
刨削加工是用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行直线切削加工。加工过程中，刀具或工件作往复直线的运动，由工件和刀具作垂直于主运动的间歇进给运动。刨削加工主要用于单件、小批量生产及机修车间，在大批量生产中往往被铣床所代替。
铣削加工的特点如下：
主要用于单件、小批量生产及机修车间。
刀具较简单，但生产率较低（加工长而窄的平面除外）。
（4）磨削加工
磨削是一种用磨料、磨具切除工件上多余材料的加工方法。根据工艺目的和要求不同，磨削加工工艺方法有多种形式，为了适应发展需要，磨削技术正朝着精密、低粗糙度、高效、高速和自动磨削方向发展。
磨削加工的特点如下：
可以获得很高的加工精度和表面质量。
在磨削力的作用下，磨钝的磨粒出现自身脆裂或脱落的现象，称之为磨具的自 砺性。
（5）钻削加工
钻削加工指的是用钻头、铰刀、锪刀在工件上加工孔的方法。通常，钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动，可以加工通孔、盲孔；如果将刀具更换为特殊刀具，则可以进行扩孔、锪孔、铰孔或进行攻丝等加工。
钻削加工的特点如下：
容易产生“引偏”。
切削热不易传散。
排屑困难。
（6）镗削加工
镗刀旋转作主运动，工件或镗刀作进给运动的切削加工方法称为镗削加工。镗削加工主要在铣镗床、镗床上进行。
镗削加工的特点如下：
适应性广。
可以校正圆孔的轴线位置误差。
生产效率低。
适合加工箱体以及支架上的孔系，可保证其位置精度。
（7）拉削加工
拉削加工是使用拉床（拉刀）加工各种内外成形表面的切削工艺。当拉刀相对工件作直线移动时，工件的加工余量由拉刀上逐齿递增尺寸的刀齿依次切除。
拉削加工的特点如下：
是一种高效率的精加工方法。
制造成本高，且有一定的专用性。
主要用于成批大量生产。
（8）绞孔加工
绞孔加工是用定尺寸铰刀或可调尺寸的铰刀在已加工的孔的基础上再进行微量切削，目的是提高孔的精度。
1.4 认识现代制造技术
1.4.1 了解现代加工中的新事物
1．现代加工技术
现代加工技术主要是指利用声、光、电、化学等非机械能来完成材料的剥离过程，一般可以用较低硬度的材料实现对高硬度材料的加工。例如，线切割、激光切削加工、电火花加工等都是现代的特种加工方法。
2．新材料的应用
随着科学技术的发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，不断开发出新材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料按组分，有金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分，有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光、热等效应实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。新材料在国防建设上作用重大。例如，超纯硅、砷化镓的研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上；航空发动机材料的工作温度每提高100℃，推力可增大24%；隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现等。
3．新切削方式的应用
（1）高压水切割
利用超高压技术可以把普通的自来水加压到250～400MPa压力，然后再通过内孔直径约0.15～0.35mm的宝石喷嘴喷射形成速度约为800～1000m/s的高速射流，俗称其为水箭，该水箭具有很高的能量，可用来切割软基性材料。
（2）激光切割
激光切割设备的投资较大，目前大多用于薄钢板、部分非金属材料的切割，切割速度较快，精度较高。
（3）电火花
电火花加工是利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温，熔蚀工件材料获得工件成形的制造工艺方法，适用于加工各种硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料，可以加工各种型孔、曲线孔和微小孔，也可以加工各种立体曲面型腔，既可以用来进行切断、切割，也可以用来进行表面强化、刻写、打印铭牌和标记等。
（4）线切割
电火花线切割加工有时又称线切割，其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成形。它主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板和卸料板等，成形刀具、样板、电火花成形加工用的金属电极，各种微细孔槽、窄缝和任意曲线等，具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，在生产中获得了广泛的 应用。
1.4.2 了解数控技术
数控技术简称“数控”，即Numerical Control（NC），是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。
目前，从世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。
1．高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期，提高市场竞争力。
在加工精度方面，近10年来，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，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
2．5轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于两台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
3．智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的特点体现在数控系统中的各个方面——为追求加工效率和加工质量的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。
4．重视新技术标准、规范的建立
（1）关于数控系统设计开发规范
开放式数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性和扩展性。美国、欧盟和日本纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范（OMAC、OSACA、OSEC）的研究和制定。世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示着数控技术新的变革时期的来临。我国起步较晚，但在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。
（2）关于数控标准
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G、M代码描述如何（How）加工，其本质特征是面向加工过程。显然，这已经越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC），其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。
1.4.3 了解CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM技术
（1）CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）
利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的计算、画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。
（2）CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）
CAM是一种将计算机应用于制造生产过程的系统，其核心是计算机数值控制（简称数控）。1952年美国麻省理工学院首先研制出数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床。利用这些机床，可从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、铰、攻丝等多道工序。这些都是通过程序指令控制运行的，只要改变程序指令即可改变加工过程。数控的这种加工灵活性称为“柔性”。由于加工程序的编制不但需要相当多的人工，而且容易出错，麻省理工学院于1950年开始研究开发数控机床的加工零件编程语言APT（类似于FORTRAN的高级语言），增强了几何定义、刀具运动等语句，使得编写程序变得简单。
（3）CAPP（Computer Aided Process Planning）
CAPP是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机的数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件机械加工工艺的过程。借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。
CAPP是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时还可为企业的管理部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节。
（4）CAE（Computer Aided Engineering）
CAE是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

（5）PDM（Product Data Management）
PDM是一种用来管理所有与产品相关的信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和过程（包括过程定义和管理），以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。PDM明确定位为面向制造企业，以产品为管理的核心，以数据、过程和资源为管理信息的三大要素。PDM进行信息管理的两条主线是静态的产品结构和动态的产品设计流程，所有的信息组织和资源管理都是围绕产品设计展开的，这也是PDM系统有别于其他的信息管理系统，如企业信息管理系统（MIS）、制造资源计划（MRPII）、项目管理系统（PM）、企业资源计划（ERP）的关键所在。
本章小结
机械制造是一项复杂的系统工程，随着市场竞争的充分展开，提高生产效率和产品质量被摆在了越来越重要的位置。我国是一个制造大国，大部分的机械生产仍然在沿袭传统的生产模式。一般情况下，通常使用铸造、锻造和焊接等热加工方法制造零件毛坯，然后通过车削、铣削、刨削以及磨削等金属切削方法获得尺寸精度和表面质量都比较优良的零件。有时为了改善零件的质量或者缩短加工时间，会在零件的加工前、中、后期适当穿插热处理工艺。
本章首先介绍了机械的定义和常见机械产品的分类。不同用途的机械产品因为其工作环境的不同，关键零部件所承受的负载以及产品的生命周期都会有所不同，因此对材料的选择及后续的热处理方面都有不同的要求。对机械产品工作环境的认识是用好金属材料热处理的基础。
随着现代科学技术的发展，机械制造的自动化程度大幅度提高，在提高生产效率的同时，也降低了复杂零部件的加工难度，提升了加工精度。同时新材料的不断发展以及CAD等相关计算机辅助工具的日益完善，大大丰富了产品的种类，为机械制造业注入了更多的活力。
思考与练习题
1．观察身边的机械产品，看看它们属于哪种类型的机械产品，都有什么特点，对工作环境有什么要求。
2．观察和思考新技术、新材料对机械制造的影响及其与环境保护的相互依存关系。
3．通过现场观察，对照课程中相应的机械产品图例，比较产品的异同点。
4．思考在当今时代怎样才能成为一名优秀的机械制造工程师。
5．认识学习的思路和方法，思考怎样才能紧握时代脉搏，学好先进的制造技术。
6．效率和质量是企业的生命，思考提升效率和提高产品质量的措施主要有哪些。
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