机械制造：机械卷(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：冯显英

出版社：山东科学技术出版社

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机械制造：机械卷试读：

前言

科学技术的发展、新技术的不断涌现，必将引起新的产业革命，对我国这样的发展中国家来说，既是挑战，也是机遇。而能否抓住发展机遇，关键在于提高全民族的科学文化水平，造就一支具有科学精神、懂得科学方法、具有知识创新和技术创新能力的高素质劳动者队伍。所以，发展教育和普及科学知识、弘扬科学精神、提倡科学方法是我们应对世纪挑战的首要策略。

本书本着普及科技知识的目的，以通俗易懂的语言较为系统地介绍了机械制造学科的基础知识和先进制造技术。从机械制造的发展历史谈起，介绍了机械制造方面的基础理论和知识、传统的机械加工设备和方法，还介绍了先进的机械加工设备和方法、机械制造自动化、先进的制造技术和制造系统等。在21世纪，世界机械工业的发展进入了前所未有的高速阶段，与其他行业相比，机械工业的发展具有地位化、规模化、全球化和高技术化的特点。21世纪初机械制造业发展的总趋势表现为全球化、网络化、虚拟化、柔性化、敏捷化、信息化、智能化以及与环保协调的可持续发展的绿色化等，所以本书内容不但包括了机械制造方面的经典理论和方法，还结合现代化建设的需要，与机械制造业的发展接轨，详细介绍了当今机械制造业中的一些高新技术原理、特点、重要地位、应用及产业化的现状与发展前景，如机器人技术、纳米技术、精益生产、敏捷制造、绿色制造等先进制造技术。

为了充分调动读者的兴趣，使本书内容更容易理解，在内容的选择上，我们注重理论和实践的结合，做到知识性、科学性与通俗性、可读性及趣味性的统一，并充分体现科学思想和科学精神对开拓创新的重要作用；在写作上力求深入浅出，图文并茂，使广大青少年读者能够深入其中，充分领会机械制造学科的基础知识和基本概念，对机械制造科学及其在现代社会发展中的重要地位和作用有一个全面而充分的了解。

现代科技发展的日新月异，日益显现出科普工作的艰巨性和科技普及的重要性。所以，在科技进步和创新的同时，我们应该大力加强全社会的科学普及工作,努力提高全民族的科学文化素质。这项工作做好了，就可以为科技进步和创新提供广泛的群众基础。科技知识的普及关乎全民族科学文化素质的提高，尤其是机械制造在现代科技发展和社会进步中又占有重要的地位，关系着一个国家综合国力的加强、技术的进步和工业的发展，那么，普及机械制造学科知识，培养广大青少年对机械制造科学的兴趣和爱好，更显得意义重大。

我们相信，本书的编写，对于普及机械制造科学知识和科学方法，宣传科学思想，弘扬科学精神，正确地理解和掌握科学，提高全民族的科学文化素质必将起到积极的作用。

机械制造涉及的知识面十分广泛，又跨多种学科，限于编写者的水平，书中难免有欠妥之处，恳请广大读者不吝指正。

序言

1961年,我国社会生活中发生了一件令人难忘的事——大型科普读物《十万个为什么》出版发行。此后，这套书又多次修订再版，累计印数超过1亿册，成为家喻户晓的小百科全书式的科普读物。《十万个为什么》初版的时候，我正在上中学，同学们争相阅读的生动场面，至今历历在目。这套书提供的科技知识，深深印在小读者的脑海里，使大家终生受益。不少人就是从读这套书开始对科学技术产生浓厚兴趣，并选择考理工类大学、走科学技术之路的。每每回忆起这些往事，我便深切感到，科技的力量是多么巨大，科普工作是多么重要！

然而，科普工作的春天，是随着改革开放的脚步一同来到神州大地的。上世纪80年代以来，“发展经济靠科技，科技进步靠人才，人才培养靠教育”逐步成为人们的共识；“科教兴国”战略、“人才强国”战略深入人心；“学科学，用科学”的社会风气日渐浓厚。各级各行各业、广大干部群众迫切要求加快科学技术普及的步伐。

进入21 世纪，我国的科普工作发展到了一个新阶段。2002年6月29日，第九届全国人民代表大会常务委员会第二十八次会议通过《中华人民共和国科学技术普及法》。2005年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》出台。2006年2月，国务院颁布《全民科学素质行动计划纲要(2006—2010—2020年)》。这三件大事，标志着提高全民科学技术素质已经摆上我国经济社会发展的重要日程，科普工作已经纳入法制的轨道。面对这样一种新形势，所有热心科普工作的人们无不感到振奋和激动。

在所有热心科普工作的人们当中，我算是比较热心的一个。1991年11月到1997年12月，我在山东省济宁市担任主要领导职务。这个市被评为1997年度全国“科教兴市”先进市，我被评为全国“科教兴市”先进个人。2000年12月到2005年7月，我担任中共山东省委副书记，积极推动市县两级“三馆”(博物馆、科技馆、图书馆)建设，为科学技术普及做了一点工作，被授予中国科技馆发展基金会第六届启明奖。实践使我深深体会到，科普工作是发展先进生产力和先进文化、弘扬民族精神和提高全民族科学文化素质的重要手段，是每一位领导干部义不容辞的责任。

科普创作是科普工作的基石。加强科普工作，必须大力繁荣科普创作。40年前，《十万个为什么》应运而生，难道今天不应该产生一种新的科普读物?于是，我便产生了编一套这类读物的想法。就像当年哥伦布发现新大陆一样，我的这种想法常使我激动不已，有时甚至夜不能寐。

在所有热心科普工作的人们当中，还有一个很有战斗力的群体，这就是山东省科学技术协会。我关于编一套新的科普读物的想法，首先得到他们的热烈响应和积极支持。山东省科协是省委领导的人民团体之一，其主要任务，一是加强学术交流和学术思想创新，促进科技创新，推动科技成果向现实生产力转化，加快产业化进程；二是大力普及科学技术知识，提高全民科学文化素质；三是搞好科学技术队伍的自身建设，维护科技工作者的合法权益。山东省科协联系的科技人员超过100万人。省科协所属的山东省老科技工作者协会，联系离退休的科技工作者有65万多人。这是我省科技工作的主力军。

在省委、省政府的领导下，省科协这些年的工作搞得有声有色、富有成效。特别是大刀阔斧地开展城乡科普工作，有效地提高了全民科学文化素质，有力地保证了经济社会发展的需要。他们在财政部门的支持下，主要通过市场化运作，在短短两年时间里，实现了全省科普宣传栏“村村通”，受到农村广大干部群众的热烈欢迎和高度评价。

编写大型科普读物这件事，很快就列入省科协2005年的工作计划。管华诗、陆巽生、孙培峰、燕翔、林兆谦等同志积极策划并具体操作，同时，成立了由朱明同志具体负责的专门办事机构，筹措了部分经费，从而使这样一项浩繁的工程正式启动起来。

大家一致认为，这套丛书应当是一套自然科学技术普及读物。它应当站在新世纪新起点上，适应新形势新任务的要求，具备以下四个特点：第一，系统性。尽量体现自然科学原理的完整体系，避免零打碎敲。第二，实践性。尽量涉及自然科学应用的各个领域，避免挂一漏万。第三，先进性。尽量采用科学研究和技术进步的最新成果，电子信息、生物工程、新材料等高新技术要占较大篇幅。第四，可读性。尽量做到深入浅出，通俗易懂。

根据上述四点要求，丛书设计了三大部分，共35卷。第一部分，自然科学原理，共6卷：数学、物理、化学、天文、地理、生物。第二部分，自然科学的应用，共24卷：涉及第一产业、第二产业、第三产业，从生产到生活，几乎全面覆盖。第三部分，综合，共5卷：自然科学发展大事年鉴、古今中外科技名人、科学箴言、通俗科技发展史、探索自然奥秘。

丛书共1 000余万字。从酝酿到出版，共用了不到两年的时间。

在如此短的时间内，完成如此浩繁又如此高标准严要求的编写工作，必须举全省之力，加强领导，细心组织，周到安排，通力合作，精益求精。主编是总指挥，负总责。常务副主编是具体指挥，具体负责。编委会办公室处理日常事务。各承编单位调整工作计划，抽调精兵强将，集中时间进行编写。近几年，我主持编写了《齐鲁历史文化丛书》、《山东革命文化丛书》、《山东当代文化丛书》、《社会科学与您同行》、《诚信山东》等多套大型丛书，积累了一定的经验。《自然科学向导丛书》的编写工作，借鉴了前几套丛书编写的经验，达到了一个新的水平。

这套丛书的成功，还得益于中国科协的关怀鼓励，得益于艾兴、蒋民华等专家的指导帮助，得益于省委宣传部、省财政厅、省新闻出版局、山东出版集团、山东科学技术出版社的大力支持。在此，一并表示感谢。

由于我们水平有限，缺点错误在所难免，望广大读者不吝指教。

知识的无限性与人的智力的有限性，是一对无法克服的矛盾。经过上下数千年全人类的共同努力，我们对自然科学、社会科学和人体自身的认识，仍然处于一个初级阶段，离自由王国的境界仍然相当遥远。但是我坚信，经过一代又一代人的不懈努力，我们离那个境界肯定会越来越近。而科普工作，就是接近那个境界的路、桥、船。王修智2007年1月

第一章 机械制造概说

一、机械制造与制造业

机械制造的含义

机械是现代社会进行生产和服务的六大要素(即人、资金、能量、信息、材料和机械)之一，并且能量和材料的生产还必须有机械的直接参与。机械就是机器设备和工具的总称，它贯穿现代社会各行各业、各个角落，任何现代产业和工程领域都需要应用机械。例如农民种地要靠农业工具和农机，纺纱需要纺织机械，压缩饼干、面包等食品需要食品机械，炼钢需要炼钢设备，发电需要发电机械，交通运输业需要各种车辆、船舶、飞机等；各种商品的计量、包装、存储、装卸需要各种相应的工作机械。就连人们的日常生活，也离不开各种各样的机械，如汽车、手机、照相机、电冰箱、钟表、洗衣机、吸尘器、多功能按摩器、跑步机、电视机、计算机等等。总之，现代社会进行生产和服务的各行各业都需要各种各样不同功能的机械，人们与机械须臾不可分离。

大家都知道，而且也都能够体会到上述各行各业的各种不同机械和工具的重要性。但这些机械是哪里来的？当然不是从天上掉下来的，而是依靠人们的聪明才智制造生产出来的。“机械制造”也就是“制造机械”，这就是制造的最根本的任务。因此，广义的机械制造涵义就是围绕机械的产出所涉及的一切活动，即利用制造资源(设计方法、工艺、设备、工具和人力等)将材料“转变”成具有一定功能的、能够为人类服务的有用物品的全过程和一切活动。显然，“机械制造”是一个很大的概念，是一门内容广泛的知识学科和技术。而传统的机械制造则泛指机械零件和零件毛坯的金属切削加工(车、铣、刨、磨、钻、镗、线切割等加工)、无切削加工(铸造、锻压、

焊接

制造业是将制造资源(物料、能源、设备、工具、资金、技术、信息、人力等)，通过一定的制造方法和生产过程，转化为可供人们使用和利用的工业品与生活消费品的行业，是国民经济和综合国力的支柱产业。

制造系统是制造业的基本组成实体，是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员组成的一个将制造资源转变为产品的有机整体。

机械是制造出来的，由于各行各业的机械设备不同、种类繁多，因此机械制造的涉及面非常广，冶金、建筑、水利、机械、电子、信息、运载和农业等各个行业都要有制造业的支持，冶金行业需要冶炼、轧制设备；建筑行业需要塔吊、挖掘机和推土机等工程机械。制造业在我国一直占据重要地位。在上世纪50年代，机械工业就分为通用、核能、航空、电子、兵器、船舶、航天和农业等8个部门。进入21世纪，世界正在发生极其广泛和深刻的变化，随之牵动的机械制造业也发生了翻天覆地的变化。但是，不管世界如何变化，机械制造业一直是国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部门的发展。

机械制造生产过程

在机械制造厂，产品由原材料到成品之间的全部劳动过程称为生产过程。它包括原材料的运输和存储、生产准备工作、毛坯的制造、零件的加工与热处理、部件和整机的装配、机器的检验调试以及油漆和包装等。一个工厂的生产过程，又可分为各个车间的生产过程。一个车间生产的成品，往往又是另一车间的原材料。例如铸造车间的成品(铸件)就是机械加工车间的“毛坯”,而机械加工车间的成品又是装配车间的原材料。

机器的生产过程中，直接改变毛坯的形状、尺寸和材料性能使其成为成品或半成品的过程称为工艺过程。它包括毛坯的制造、热处理、机械加工和产品的装配。把工艺过程的有关内容用文字以表格的形式写成工艺文件，称为机械加工工艺规程，简称为工艺规程。

由原材料经浇铸、

锻造

冲压

其中，制定机械加工工艺规程在整个生产过程中非常重要。工艺规程不仅是指导生产的主要技术文件，而且是生产、组织、和管理工作的基本依据，在新建或扩建工厂或车间时，工艺规程是基本的资料。在制订工艺规程时，需具备产品图纸、生产纲领、现场加工设备及生产条件等这些原始资料，并由生产纲领确定了生产类型和生产组织形式之后，才可着手机械加工工艺规程的制订，其内容和顺序如下：① 分析被加工零件。② 选择毛坯：制造机械零件的毛坯一般有铸件、锻件、型材、焊接件等。③ 设计工艺过程：包括划分工艺过程的组成、方法、安排加工顺序和组合工序等；选择定位基准、选择零件表面的加工。④ 工序设计：包括选择机床和工艺装备、确定加工余量、计算工序尺寸及其公差、确定切削用量及计算工时定额等。⑤ 编制工艺文件。

机械制造生产类型

在制造过程之前，须根据生产车间的具体情况将零件在计划期间分批投入进行生产。一次投入或生产同一产品(或零件)的数量称为批量。

按年生产专业化程度的不同，又可分为单件生产、成批生产和大量生产3种类型。在成批生产中，又可按批量的大小和产品特征分为小批生产、中批生产和大批生产3种。

若生产类型不同，则无论是在生产组织、生产管理、车间机床布置，还是在毛坯制造方法、机床种类、工具、加工或装配方法和工人技术要求等方面均有所不同。为此，制订机器零件的机械加工工艺过程和机械加工工艺的装配工艺过程，以及选用机床设备和设计工艺装备，都必须考虑不同生产类型的工艺特征，以取得最大经济效益。

机械制造的学科分支

现代社会中任何领域都需要应用机械，机械贯穿于现代社会各行各业、各个角落，其形貌不一，种类繁多，按不同的要求可以有不同的分类方法，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、包装机械、罐装机械、粉碎机械、金属切削加工机械等；按服务的产业可分为用于农业、林业、畜牧业和渔业的机械，用于矿山、冶金、重工业、轻工业的机械，用于纺织、医疗、环保、化工、建筑、交通运输业的机械以及供家庭与日常生活使用的机械，如洗衣机、钟表、运动器械、食品机械，用于军事国防及航空航天工业的机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械、液压与气动机械等。另外，全部机械的整个制造过程都要经过研究、开发、设计、制造、检测、装配、运用等几个工作性质不同的阶段。因此相应的机械制造可有多种分支学科体系和分支系统，且有的分支学科系统间互相联系、互相重叠与交叉。分析这种复杂关系，研究机械制造最合理的学科体系划分，有一定的知识意义，但并无大的实用价值。对机械制造的学科划分按其服务的产业较为明朗，但不论哪个行业的机械制造，其共性是主流的，依据行业不同的特点及要求，也有其不同的个性地方。本书涉及的都是机械制造学科的共性知识。

二、国计民生需要机械制造

制造业在众多国家尤其是发达国家的国民经济中占有十分重要的位置，是国民经济的支柱产业。美国68%的财富来源于制造业，日本国民总产值的49%是由制造业提供的。我国的制造业在工业总产值中也占有40%的比例。可以说，没有发达的制造业就不可能有国家真正的繁荣和富强。

国民经济各个部门的发展，都离不开先进的机械与装备，如轻工机械、化工机械、电力设备、医疗器械、通讯与电子设备、农业机械、食品机械等等，就连人们的日常生活，也不例外。是先进发达的机械制造业为人们提供了优雅舒适的工作、生活和休闲娱乐环境。如自行车、摩托车、汽车、轿车、飞机、轮船等代步交通工具，电话、手机、计算机及网络工具等联络通讯工具，冰箱、电视、DVD、空调、微波炉等现代生活必备的工具等等。没有发达的制造技术，这些现实生活中的改善人们生活环境、改造自然、造福人类的先进设备便无从得来。

任何机械，大到船舶、飞机、汽车，小到仪器、仪表，都是由许多零件或部件组成的。以汽车为例，一辆汽车是由车身、发动机、驱动装置、车轮等部分构成，其中每一部分又是由若干个零件或部件组成。而不同的零部件又需用不同的材料(包括钢、塑料、橡胶和玻璃等)和不同的加工方法来制造。同样那些半导体行业的电子元件和大规模集成IC器件、晶元芯片等也是人们制造出来的。所有这些都依赖于制造业的发展，因此，机械制造关系国计民生，国计民生需要机械制造，机械制造在国民经济中具有举足轻重的作用。概括起来，它的主要作用有以下几个方面：

其一，机械制造是国民经济的物质基础，是强国富民的根本。制造业产品占中国社会物质总产品的一半以上；制造业是解决中国就业问题的主要产业领域，其本身就吸纳了中国11.3%的从业人员，同时还有着其他产业无可比拟的带动效应。机械制造的延伸背后就是服务，比如买一辆汽车，专卖店会提供一系列后续服务，创造了很多就业岗位。任何一种机械产品，都需要售后服务，这种延伸出的服务就构成了第三产业的一部分。

其二，制造业是中国实现跨越式发展战略的中坚力量。中国的工业化落后于很多国家，完全可以借助其他国家的经验后发制人。在工业化过程中，制造业始终是推动经济发展的决定性力量。

其三，机械制造是科学技术的载体和实现创新的舞台。没有机械制造，所谓的科学技术创新就无法体现。信息技术就是以传统产业为载体的，它单独存在发挥不出什么作用。

从历史上看，制造业的发展史就是一部科技发展史的缩影，每一项科技发明都推动了制造业的发展并形成了新的产业。比如计算机的发明，推动了整个工业的发展。以信息技术为代表的高新技术的迅速发展，带动了传统制造业的升级。每一次产业结构的优化升级都是高新技术转化为生产力的结果，可见，高新技术及其产业也是内含于制造业中的。

其四，制造业的发展水平体现了国家的综合实力和国际竞争力。当前，世界面临的最重要的趋势之一是经济全球化，而在经济全球化中，制造业的水平直接决定了一个国家的国际竞争力和在国际分工中的地位，也就决定了这个国家的经济地位。

世界上最大的100家跨国公司中，80%集中在制造业领域。当今世界上最发达的3个国家——美国、日本、德国，其制造业也是世界上最先进的，竞争力最强的。日本出口的产品中，机械制成品占70%以上。

三、国防现代化需要机械制造业

建立强大的国防，是中国现代化建设的重要战略任务。没有强大的国防作后盾，就不可能赢得应有的国际地位，甚至在政治、经济、外交等方面受制于人。一个具有强大军事力量作后盾的国家才能有强势外交，在国家交往中才不会受人欺侮。依靠科技进步和创新，加快战斗力生成模式的转变，这是贯彻落实科学发展观与推进中国特色军事变革有机结合的关键所在，也是建设信息化军队、打赢信息化战争的必然要求。信息技术深刻地改变着战斗力生成模式。因此，实现国防现代化不容忽视。而实现国防信息化、现代化就必须大力发展国防科技和武器装备技术，机械制造业在其中发挥了不可替代的作用，因为是国防制造业提供了各式各样先进的信息化、现代化武器装备。

现代战争主要指现代政治、经济、军事和科学技术等条件下，以现代化的武器装备而展开的高技术战争，而不再像传统的以投入较多的兵力而展开的战斗。信息化是世界军事战争的发展趋势。

海湾战争、南斯拉夫战争和后来的伊拉克战争的爆发标志着战争进入了高技术局部战争的历史时期。现代战争是以使用高科技含量的现代武器装备为基本特点，高技术兵器大量地用于战场，战场的时空空前扩大，作战样式不断更新和综合运用，作战指挥更加高度集中统一，战争规模的可控性得到增强。现代化的国防，必须建立在现代高科技基础上，才能有效地实现保家卫国，保障国家和人民的财产、人身安全，保证人民安心地进行国民经济建设。现代战争中使用的激光制导技术、弹道防御系统、无人侦察机、隐形战斗机、洲际导弹、航母等先进的武器装备和工具，离不开国防科技的发展，离不开发达的制造业，离不开现代计算机技术、现代信息技术和微机电技术。总之，现代战争靠的是现代化的武器装备，而现代化的武器装备，离不开现代先进的国防科技和制造业。现代化的高科技含量武器的功能、威力越来越强大，种类众多，主要涉及陆、海、空三大类。包含单兵武器、装甲战车、战斗机、侦察机、直升机、航空母舰、巡洋驱逐舰、深水潜艇和对地、空导弹、洲际导弹等以及各种现代化的先进武器和工程装备。这些都需要强大的制造业为基础。图1-1枭龙战斗机

图1-1是我国“十五”期间自行研制的第三代战斗机枭龙03和枭龙04的形貌。采用中等展弦比梯形机翼的正常式布局，先进的气动布局使飞机具有较好的升力特性、较大的升阻比及良好的大迎角特性，同时具有一定的隐身能力。全机共有7个外挂点，可悬挂多种空空、空地武器，并可外挂3个副油箱，总外挂能力3 600千克，正常起飞重量为9 100千克，最大航程为3 500千米，作战半径大于1 200千米。枭龙04装配了完整的全新开发的先进航电系统，具有先进的综合作战效能，能与国际最先进的战机相媲美。枭龙飞机是中国航空工业2006年的重点项目之一，今年我国将向国外用户交付一批枭龙飞机，实现整机技术出口。我国研制枭龙03，从设计到试飞，利用了计算机辅助设计、加工、测试、虚拟设计与装配等先进的数字化制造技术手段，前后仅仅23个月，这在以往而言，至少需要5～6年的时间才能完成。

20世纪90年代以来，随着现代制造技术的发展，许多先进的制造技术广泛用于军事武器领域。如微机电系统(MEMS)技术、机器人和仿生制造技术等。MEMS在国防武器装备中的应用越来越多，不少产品在武器制导系统、敌我识别系统、分布式战场敏感网络、飞机灵巧蒙皮、微型机器人等方面获得应用。微机电系统制造技术是当代先进制造技术的一个新领域，它包括微机械的制造和封装、组装、试验(PAT)等一系列技术。它的国防应用前景非常广阔。而在诸多现代武器及军械中，相当一部分又是源自对动物的仿生，如当科学家从箭鱼上颌呈长针状受到启发，研制出以刺破高速飞行时产生音的设备用于超音速飞机;从鲸的造型开发出潜水艇;从海豚头部气囊产生振动发射超声波遇到目标被反射而研制出声纳等。动物的一些特殊功能也给现代军事装备的研制以启迪。如夜蛾胸腹之间有一对叫做鼓膜器的听觉器官，可以从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天敌面前处于“隐身”状态。科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材料用于飞机、舰船等装备，大大降低了目标被雷达、红外线和超声波发现的概率。

鸽子的视网膜主要由外层的视锥体、中层的双极细胞、后层的神经细胞节以及视顶盖构成，能对亮度、边缘、方向以及运动等发生特殊反应，所以人们称鸽眼为“神目”。科学家通过模仿研制出鸽眼电子模型，用于预警雷达系统提升了探测能力。

响尾蛇的视力几乎为零，但其鼻子上的颊窝器官具有热定位功能，对0.001℃的温差都能感觉出来，且反应时间不超过0.1秒。即使爬虫、小兽等在夜间入睡后，凭借它们身体所发出的热能，响尾蛇就能感知并敏捷地前往捕食。科学家根据响尾蛇这一奇特功能，研制出现代夜视仪、空对空响尾蛇导弹，以及仿生红外探测器。

军用微小机器人能完成人难以完成的使命。军用微小机器人最大的特点是外形小，有良好的隐蔽性，仿生物外形不会引起敌方注意，而且构造简单，制造周期短，造价低，还可以具有“群”攻击的能力，令敌方防不胜防。军用微小机器人具有超人的功能，不怕疲劳，不惧艰险，忠于职守。美国研制了多种用于军事用途的微小型机器人，如麻省理工学院(MIT)研制的昆虫机器人“金菲斯”、微型飞行器等。图1-2微型飞行器

图1-2为MIT研制的微型飞行器，长、宽、高均小于15厘米，重量不超过120克，其设计目标是16千米的巡航范围，并能以30～60千米/小时的速度连续飞行20～30分钟。美国陆军把这种微型飞行器装备到陆军，广泛地用于战场侦察、通信中继和反恐怖活动。MIT新设计的微型飞行器，预计其飞行速度为30～50千米/小时，可在空中停留1小时，具有侦察及导航能力。图1-3扫雷潜水蟹图1-4排爆机器人

图1-3为一用于水下扫雷的遥控潜水蟹。为了避免人员伤亡，一些发达国家都依靠遥控潜水蟹(ROV)扫雷。目前扫雷用的ROV的潜水深度一般为几米到500米左右。用ROV扫雷的过程大致如下：扫雷舰的声纳发现水雷后，先给出其大致方位，然后给ROV装上扫雷炸药，再把ROV放入水中。操作人员通过光缆控制它驶向目标，在目标附近，ROV的摄像机拍摄目标图像并将它传回军舰，操作人员进一步确定它是不是水雷，若是，就对目标精确定位，ROV把炸药放在水雷旁，然后返回母舰，最后引爆水雷。扫除锚雷时，先由ROV切断锚链，水雷浮出水面后再用炸药引爆。图1-4为陆地用排爆机器人。

除此之外，军用机器人和微机电技术还有很多其他的军事应用。如用于敌我识别系统中，利用其自主和快速响应的功能可达到敌我识别的目的；用于微机器人电子失能系统，可使敌方电子设备或系统丧失功能，这种战略武器可大量散布在目标附近，向目标移动并穿透目标，使其丧失功能；用于导航与制导中，虽然现在多应用于性能较低的系统，但终将会大量进入飞机和战术导弹的惯导系统，并使惯导系统向芯片式发展。另外，它还会延伸应用到航天器和舰船惯导系统以及士兵个人惯性定位装置中。

总之，现代化的国防武器装备和国防建设离不开先进的机械制造技术，没有制造业就没有各种各样的先进现代化武器与装备，机械制造技术在国防现代化建设上起着举足轻重的作用。

四、太空探索、大自然改造需要机械制造业

机械制造业与太空探索

随着航天技术的不断发展，人类探索外层空间的兴趣及能力不断增强，各种空间飞行器被发射到太空，飞行器的制造及其在装配和服役期间的连接和维护等，都离不开制造业，机械制造在这其中起着很重要的作用。人造卫星在几百千米的太空中自动工作，一旦发生故障，甚至仅仅是一个螺钉松了或一根焊线断了，也可能由于无法修理而报废。如果能够派人上去修理，更换部分零件，补充一些燃料，然后重新把它送入太空为人类服务，就可以大大节省费用。然而由于在太空中，人的活动是很不方便的，所以长臂机械手承担了大部分的维修工作。机械手不但用于抓取卫星，而且在修理完毕后还要靠它将卫星放回太空，使其重新进行工作。

无论是航天飞机还是太空空间站，都少不了一样东西，那就是它们能伸向太空的巨臂——太空机械臂。自从1981年美国“哥伦比亚号”航天飞机在外太空首次使用机械臂以来，航天飞机机械臂承担了多次外太空精确操纵任务。例如，将航天飞机有效载荷释放进入预定轨道，帮助航天员对发生故障的航天器进行维修等。太空机械臂具有良好的实用性、可靠性和多功能等特点。美国“发现号”航天飞机发射升空过程中机壳外表隔热材料脱落，对其返回的安全性影响很大。为此，太空飞行中由宇航员走出舱外，借助于太空机械臂成功地对其进行了维护与维修。

在星球探索中，航天机器人发挥了重要作用。如1970年11月17日7时20分，“鲁诺寇德一号”探查机器人在月球着陆，从此揭开人类探索宇宙的新纪元。登月成功之后，美国、前苏联紧接着开展登陆火星的研究工作。由于相关技术的发展，美、苏都研究利用微小型机器人进行火星探测。它的好处是成本低，研究周期短。因此，微小型化成为探查机器人的发展方向。图1-5星球探查机器人

火星探索中，登上火星的首先是前苏联PROP—M号小型探查机器人，该机器人的重量是4.5千克。随后，美国NASA又相继研制了用于星球探测的微小型探查机器人和纳米探查机器人，如图1-5(a)、(b)所示。前者重量为3.5千克，后者重量为0.8千克。日本也研制了用于航空航天的FSAS微型探查机器人，其重量为4.8千克。为了能在星球表面复杂地形下行走，星球探测机器人的移动机构设计非常重要。中国科学院沈阳自动化研究所针对微小型星球探测机器人的移动机构，设计了一系列的复合移动机构。其中包括“沙地一号”、“沙地二号”、“沙地三号”微小型移动机器人。我国的“沙地二号”，其外形如图1-5(c)所示。

这些星球探测机器人的制造显然离不开发达的机械制造业。美国的“发现号”航天飞机、俄罗斯的“联盟号”载人飞船实现了人类太空旅行和向国际空间站运送宇航员、物资和仪器等目标。航天飞机和载人飞船的成功发射、太空运行以及成功返回着陆的每时每刻都标志着人类取得的辉煌成就。图1-6“神舟六号”成功点火发射景象

在太空探索中，我国是世界上第三个成功实现载人航天飞行的国家。图1-6是我国“神舟六号”成功点火发射的壮观景象。飞天梦想，千年夙愿。从“一人一天”到“两人五天”，神舟六号载人航天飞行圆满成功，标志着我们在探索太空的伟大征程中取得了重大进展。这是我国高科技发展新的里程碑，是我国改革开放和社会主义现代化建设的又一骄人成就，是中国人民自强不息、自主创新的又一辉煌成果。全体中华儿女为此感到无比骄傲和自豪。“神六”是一项复杂的工程。据产品质量总工程师王至尧介绍，飞船由643个部件组成，使用了12 434种原料，各种电子器件加起来有10万多个。飞船上的电缆总长度有80千米左右，重达500多千克。所有这些部件由全国15个省市的1 000多个单位制造完成，每个器件的制造品质必须绝对保证。

作为我国空间科学学科带头人之一的中国科学院院士、国际宇航科学院院士胡文瑞说：“人类近半个世纪的空间活动，获得了大量的科学成果，有的已经用于改善人类生活，有的将在不远的将来体现到百姓生活中。人类探索太空最终要实现两个目的，一是从太空中获取能源和资源，二是必要时向太空移民。这个目标虽然还比较遥远，但总有一天会实现。”

探索太空，发展航天科技，造福全人类，机械制造业在其中扮演着极为重要的角色。

机械制造业与改造大自然

人类的发展史就是对大自然的不断改造，使大自然适合人类生存。在改造大自然的过程中，处处可见机械制造的痕迹。从出现第一个工具开始，人类就开始了制造活动，到今天，人类在各个行业为改造自然、造福人类所使用和借助的一切机器、工具都是人们制造出来的，是制造业发展的结果。

今天，人类对自然界的过度使用已经开始对自然界造成了破坏，人类又开始了重新改造大自然的活动，在这一过程中，同样离不开机械制造业的支持。如为了改善环境，我们必须对废弃物进行再加工才可以再利用，在再加工的过程中，肯定是脱离不了机器的，当然也就离不开机械制造业了。所以，从最初人类文明的开创到今天人类为保护环境所采取的一切措施，所有这些改造大自然的活动，都离不开机械制造业。

五、全球经济一体化——中国扮演了

目前，人类正在进入知识经济时代，知识经济的迅猛发展有力地推动着全球经济一体化的进程，全球经济一体化已成为世界演变的主体潮流，并对各个国家的经济建设及社会各行各业产生着深远的影响。中国制造业正是在这样的背景下迎来了新的发展阶段，随着中国制造业在世界上的地位越来越重要，中国成为“世界工厂”的趋势日益明显。

所谓“世界工厂”就是要为世界市场大量提供出口产品，而不是仅仅看一国工业产品的总量。即一个国家的制造业，已成为世界市场重要的工业品的生产供应基地。由于它们的存在和发展，直接影响甚至决定着世界市场的供求关系、价格走向以及未来的发展趋势，以工业制成品为主体的出口贸易已进入世界前列，并成为贸易大国之一。

比较一下下面的权威数据，我们就会明白：美国《财富》杂志在2001年公布的世界500强企业排名，中国企业有11家，没有一家制造业企业；2003年中国企业增加到15家；2005年中国的上榜企业有18家，到了2006年则发展到23家，其中，制造业已占据了4家。在这几年的时间从11家变成23家，中国的制造企业从一家未有发展到4家。从这样的排名中可以发现，中国制造业企业在其中的比例开始增多。就2003年中国入选的15家企业中，有三分之一是金融企业，而最新进入500强的中国公司中，除国家电网公司外，基本上是制造业，而且制造业逐渐增多。中国的财政收入近50%是靠制造业，GDP中，来自制造业占40%以上，可以简单地说，中国企业进入500强预示着中国的制造业正在前所未有地崛起。中国的某些制造业已经形成了成熟市场，很多产品已经成为世界产销量最大的，比如普通家电、显示器、照相机、手机、数控交换机、拉链、钢琴、手表、电池、玩具、拖拉机、变压器、自行车、摩托车、棉布、皮鞋、打火机、微型汽车等接近100项产量和销量都排世界第一，就连世界营业额排名第一的沃尔玛，每年向中国采购达1 000多亿美元。

凭借低廉的劳动力成本，我国大陆一直被全球厂商认为是生产工厂转移的主要目的地。但从发展的角度来看，跨国公司对中国进行大规模的投资已不再主要以利用它的廉价劳动力为目的，而是为了抢占中国经济快速稳定增长所提供的巨大市场，与此同时把中国作为向全世界出口高技术产品的平台，利用中国的有利条件提高自己的竞争力。种种迹象似乎都预示着中国将以较快的速度成为全球新的制造业中心，跻身全球重要的制造业强国，扮演着世界加工厂的角色,成为“世界工厂”。

为了引导企业走集约化发展道路，不断做大做强，国家统计局依据2005年企业年报，按主营业务收入大小排序，首次向社会发布了2006年度中国制造业500强和2 387家大型工业企业。它们可以说是推动我国工业经济快速增长的核心，是造福一方、走向世界的先锋，也是自主创新、节能降耗的表率。在它们当中，寄托着中国涌现出一批世界级企业的希望。然而，我们也应该看到，我国单位GDP所消耗的能源与资源明显高于世界平均水平。若以大量消耗资源、能源为代价来支撑我国经济增长，这样的道路是不可持续的。因此，“十一五”规划提出，在“十一五”时期，要在优化结构、提高效益和降低消耗的基础上，实现2010年人均GDP总值比2000年翻一番；资源利用效率显著提高，单位GDP总值能源消耗比“十五”期末降低20%。

中国制造业500强和大型工业企业既是行业龙头，也是能源与资源消耗大户，这些企业的表率作用是很明显的。这些龙头企业要率先树立可持续发展的理念，不仅要追求企业效益，更要率先发展工业循环经济，减轻经济增长对资源供给和环境保护的压力，依靠技术进步和自主创新，做大做强主导产业和主导产品，提高核心竞争力，为可持续发展赢得更大空间。首先，中国制造业要真正做好，那是件很不容易但意义非常重大的事情。设想一下，如果中国真的成了世界制造业中心、基地，那么中国制造业的标准就是世界制造业的标准，中国制造业的质量就是世界制造业的质量，中国制造业的水平就是世界制造业的水平。那将是怎样的一种景象？要做到这一点，中国制造业须从制造向创造方向发展。那是我们要做的事情。但是，由制造向创造发展困难重重。我们的大企业，既要看到自己的规模效应与能力，同时也要看到自己的弱点。中国传统的大企业大多是大而全的企业，它有一个特点，那就是它是一种自给自足的大企业，也就是小生产的大企业。从这个意义上讲，这些大企业实际上都还是些小生产型企业，专业化的小企业反而是社会化的大企业。

现在，专业化发展已是一种大趋势。全世界的分包、外包和内包等，已经成为一种非常强大的发展潮流。以美国为例，不仅工业企业分包流行，会计师事务所业务也在分包，美国约有35万家公司的报税工作分包给印度人在做，就连美国一些大报记者的活也在分包。现在，连会计师、记者、医生都可以分包了，更不要说企业了。例如，美国医生将拍的片子分包给印度人，在晚上传给印度医生看并做好报告，此时正好是印度的白天，等他们看好了再传回给美国，又恰好是美国的白天时间。分包做到这种专业化程度，自有它道理。所以，我们的国有大企业要看到这一点，看到自己的专业化水平和主业能力，是否应该把一部分业务分包出去。为制造业生产服务的服务业一旦分离出来，其意义不仅是突出了大企业的主业，同时也为中国的中小企业和服务业的发展，创造了生存和发展空间，使中国的大中小企业在良性互动互补的状态下协调发展。

但是，我们还应看到，中国现在离真正成为“世界工厂”还有一段距离。制造的大多数产品属低端产品，技术含量低，附加值低，利润少，缺乏自己的品牌和营销渠道，中国目前真正在世界处于领先水平的制造业企业还太少，技术含量高的“中国制造”产品在全球市场上远未形成主流。不过，目前，中国已具备打造“世界工厂”的有利条件。集中精力发挥我国的优势，就有可能在不久的将来成为“世界工厂”。从发展规律看，中国要取代日本成为世界工厂，也必须通过新的科技革命，在全面确立产业技术优势的基础上，既要靠物美价廉的产品在国际市场中站稳脚跟，又要凭借一流的科技水平和产业创新力,领导世界工业发展的新潮流。而且，与昔日的英国、德国、美国和日本相比，中国“世界工厂”还具有他们所不具备的有利环境。在当时，世界经济全球化不可能像今天这样广泛而迅速发展，上述国家成为世界工厂都只能依靠本国自身工业化的迅速发展。如今，我们只要抓住全球产业重组和制造业转移的机遇，中国成为世界制造中心的一天就会很快到来。同时，也相信，在不久的将来，随着国民经济的发展、科技研发投入的增加，国力将不断增强，满足人们需求的用于各行各业的产品，标记有“Made in China”和中国制造的将愈来愈多，由中国制造变为中国创造的产品也将会日益增多。中国扮演“世界工厂”、世界制造业中心和基地的角色为期不远了。

六、机械制造技术的发展历史

机械制造业的形成

人类成为“现代人”的标志是制造工具与机械。石器时代的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。几千年来，人类经历了从制造最简单、最原始的工具到制造由成千上万个零、部件组成的现代复杂机械的漫长过程。

几千年前，我国就创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用于耕地的锄和犁，用来提水的辘轳和橘槔，装有轮子的车，航行于江河的船及其浆、橹、舵等。制造机械所用的材料经历了从取自天然的石、木、土、皮革，到人造材料；最早的人造材料是陶瓷，从烧制陶瓷发展到青铜时代、铁器时代较初级的金属材料直到现代多种元素、品种繁多能适应各种工作环境的金属材料及有机合成材料。机械所使用的动力从古代的人力、畜力，经历了使用风力、水力，到18世纪开始使用蒸汽机，19世纪出现了内燃机与电力，现代已开始使用核动力。

从古猿到原始人的漫长进化过程中，石器一直是人类使用的主要工具。最初使用的是天然石块，以后慢慢学会了用石头相互撞击来制造简单工具，这在人类历史上经历了大约200万年的漫长岁月。后来逐步发展到磨制石器，按需要对石器进行磨光、磨尖、钻孔等，从而制作出石刀、石矛、石镰等精巧石器。距今大约15 000年前，才开始出现复合工具，即将石斧、石刀、石镰等安装在木制、竹制或骨制的把柄上，特别是选择合适的木料和动物筋腱制成了弓、箭、弦等更加复杂的狩猎工具，使人类进入了新石器时代。

大约50万年前，人类学会了用火，到原始社会末期，人类的祖先开始用火烧制陶器。原始的制陶技术起源于旧石器时代末期，到新时期时代已相当发达。制陶是人类第一次对材料的加工超出了仅仅改变材料几何形状的范围，开始能够改变材料的物理和化学性能，通过复杂的工艺过程，制造出自然界所没有的人工材料，同时对材料的加工也不仅仅是利用人的体力，而是利用了火这种自然力。制造陶瓷器皿的陶车，已是具有动力、传动和工作三部分的完整机械。因此，制陶是古代材料应用及其加工技术的一个重要进步。

人类在烧制陶器的过程中发明了冶铜术，后来又发现把锡矿石加到红铜中一起冶炼，制成的材料更加坚韧耐磨，这就是青铜，从而使人类于公元前5 000年进入青铜器时代。大约在公元前1 200年，人类进入了铁器时代。冶炼技术和铁器的发明是古代材料技术最重大的成就。1775年，英国人威尔肯逊为了制造瓦特发明的蒸汽机而制造了气缸镗床，标志着人类用机器代替手工的机械化进入了新的发展时期。总之，18世纪后期，以蒸汽机和工具机发明为特征的产业革命，开始了以机器为主导地位的制造业新纪元，促成了制造企业雏形——工厂式生产的出现，标志着机械制造工业开始形成。随后相继出现了各种类型的金属切削机床和刀具，以及自动线、加工中心、数控机床和无人化全自动工厂。机械工程是促成18～19世纪的工业革命以及资本主义机械化大生产的主要技术因素。

制造业和制造技术的形成，只有两百多年的历史。19世纪末20世纪初，内燃机的发明引发了制造业的革命。由福特、斯隆开创了流水式、大批量生产模式，泰勒创立了科学管理理论，导致了制造技术的过细分工和制造系统的功能分解。第二次世界大战后，微电子技术、计算机技术、自动化技术得到了迅速发展，推动了制造技术向高质量生产和柔性生产的方向发展。从20世纪70年代开始，大量生产模式已不能适应新的市场特点，于是相继出现了计算机集成制造、丰田生产模式(精益生产)。也就是说，受市场多样化、个性化的牵引及商业竞争加剧的影响，制造技术进入了面向市场、柔性生产的新阶段，引发了生产模式和管理技术的革命。在90年代，相继出现了智能制造、敏捷制造、下一代制造等新的制造理念，即各种先进制造技术。

随着社会需求个性化、多样化的发展，生产规模沿“小批量—少品种大批量—多品种变批量”的方向发展。制造资源配置沿着“劳动密集型—设备密集型—信息密集型—知识密集型”的方向发展。与之相适应，制造技术的生产方式沿着“手工—机械化—单机自动化—刚性流水自动化—柔性自动化—智能自动化”的方向发展。

中国机械发展简史

中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术文明的进步做出了重大贡献。中国机械发展史可分为6个时期：

形成和积累时期(从远古到西周)

这一时期是中国机械发展的第一个时期，石器的使用标志着这一时期的开始。这是一个十分漫长的时期，经历了3个发展阶段。第一个阶段相当于旧石器时代。这一阶段的工具主要用石料和木料制作，同时也有一些骨制工具。在工艺方面以石器打制工艺为主，主要是经过敲击和初步修整使石块成石器。这一阶段后期出现了磨制的石器，使工具的形状趋于合理。当时石器工具的种类有砍砸器、刮削器、石锤、尖状器、石球、石矛和石镞等，也出现了其他材料的工具如磨制的骨针等。弓箭的出现表明这时的机械技术已有了一定的水平。

第二个阶段相当于新石器时代。这一阶段在石器制造方面以磨制工艺为主，同时对石器的制造有了一套完整的工艺过程。对石器的选择、切割、磨制和钻孔等都有了一定的要求。这一阶段出现了大量的生产工具、如锛、斧、铲、凿、磨盘、磨棒、杵臼、钻、网坠、纺轮、犁、刀、锄、耘田器等。工具的种类不但有所增加，而且出现了不少专用工具。这时还出现了原始纺织机、制陶转轮等较复杂的机械，反映了这一阶段的机械发展水平有了显著的提高。

第三个阶段大约从新石器时代末期到西周时期。从动力方面看，这一阶段已经开始使用畜力和风力作为原动力。古车和风帆的出现标志着新动力的出现。商代已经开始用牛来耕地。这一阶段已广泛使用犁来耕地。农业机械的种类更多，还出现了橘槔、辘轳等复合机械工具。在旧石器时代就已出现铜器，但没有大量使用。商代青铜工具和器械开始得到较广泛的应用，到西周时期，青铜冶铸技术达到了高潮。青铜器的出现标志着一种新的机械技术和制造工艺的诞生。青铜冶铸工艺在这一阶段经历了由低级到高级逐渐成熟的过程。

总的来看，这一时期在动力方面由只利用人力，发展为人力、畜力等并用；在材料方面由以石质材料为主发展为以木、铜质材料为主；在结构方面由简单工具发展为复合工具和较为复杂的机械；在原理方面从杠杆、尖劈等原理的利用发展为对惯性、摩擦、弹性和重力等原理的利用；在制造工艺方面经历了由石器制造工艺向铜器和其他机械工艺的转变。这些情况说明在这一时期中国传统机械技术已经形成并有了一定的发展。

传统机械的迅速发展和成熟时期(从春秋时期到东汉末年)图1-7秦始皇陵铜车马

从春秋时期开始，我国传统机械的发展进入了一个新的时期。这一时期铁器开始得到使用，使古代机械在材料方面取得了重大突破。钢铁技术的产生和发展为制造高效生产工具提供了条件。随之铸造、锻造和热处理等机械热加工技术在这一时期得到了迅速发展。1980年出土的秦始皇陵铜车马(图1-7)，代表了当时铸造技术、金属加工和组装工艺的水平。

在动力方面，这一时期除使用前面的动力外，开始利用水力为机械的原动力，出现了一些水力机械。在结构原理方面也有新的突破。在不少机械上出现了齿轮机构、凸轮机构和曲柄连杆机构等复杂的传动机构。水排、水碓、指南车以及浑天仪、地动仪等机械的出现反映了这一时期的机械在结构原理方面已经达到了相当高的水平。

这一时期的农业机械发展很快，出现了三脚楼这样的重要播种机械。还发明了高效粮食加工机械——风扇车。磨、碓等谷物加工机械都已出现，并有了很大的发展。东汉时期还出现了用齿轮传动的连磨和用水力推动的槽碓和水碓。西汉时期已有犁壁出现，到东汉时期犁的结构已经基本定型。在纺织机械方面出现了手摇纺车、布机和提花机等重要机械。这一时期的造船技术也已比较发达，橹、舵、帆等部件逐渐完善，并且能够制造大型的楼船和战船。

在这一时期，生产过程中的机械系统有了很大的变化。许多机械已用自然力代替人力作为原动力。对机械的操作开始由直接操作向间接操作转变。动力和运动的传输开始由机械本身来完成。对机械的控制开始由人的直接控制向间接控制发展。水排、水碓和马排等机械具备了机器的基本组成要素，都已具有原动机、传动机构和工作机构三个组成部分。机器的出现反映了机械系统的发展达到了很高的程度。这一时期，我国的机械技术迅速发展，传统的铸造、锻造、热处理技术不断提高，逐渐趋于成熟。各种农业机械大都出现并大致定型。造船、纺织机械技术已达到成熟阶段。从动力、材料、工艺和结构原理等多方面看，我国传统机械已发展到成熟阶段。

传统机械的全面发展和鼎盛时期(从三国时期到元代中期)

从三国时期到元代中期是中国机械发展的第三个时期。与前两个时期相比，其主要特点是机械的总体技术水平有了极大的提高，古代机械得到了全面发展。这一时期经过了两个发展阶段。

第一阶段为三国到隋唐五代时期，是传统机械持续发展时期。这一阶段在工艺方面有较大进步。锻造农具开始在农具中占主导地位。铸造技术有了新的发展，出现了一些大型铸件。水力机械在这一阶段得到了进一步发展，两晋时期出现了自动磨车、舂车、水碾等水力机械。东汉时期发明的提水翻车得到了改进和推广。同时还发明了高转筒车等灌溉工具。唐代耕犁的结构有新的改进，出现了可以转动的犁槃装置。这一阶段的造船技术有了新的发展，发明了明轮船。此外，在兵器、纺织机械和天文仪器等方面也有新的发展。

第二个阶段是宋元时期，这是中国传统机械发展的高峰时期。这一阶段，在农业机械方面有很大的进步。宋代出现了锻制的犁刀装置，还较广泛采用了铁搭、踏犁等新式农具。各种水力机械得到了更广泛的利用。在这一阶段，纺织机械有新的发展。王祯《农书》中记述的水力大纺车、脚踏棉纺车等纺织机械反映了当时纺织机械的水平达到了很高的程度。兵器制造技术在这一阶段发展很快，出现了管形火器和喷射火箭等新式武器。在宋代，许多新型船纷纷出现，造船技术趋于鼎盛。这一阶段在天文仪器方面取得了重大突破，我国传统的天文仪器发展到高峰阶段。同时，还有一些重大的发明，如出现了活字印刷术和双作用活塞风箱，还发明了冷锻和冷拔工艺。

在第三个时期，我国出现了许多杰出的机械制造家，如马钧、祖冲之、李皋、张思训、燕肃、苏颂、郭守敬和王祯等，为传统机械的发展做出了重要贡献。这一时期的机械不但种类多，而且水平高、创造性强。中国在机械加工、农业机械、纺织机械、造船和仪器制造等多方面都走在了世界的前列。如历史上郑和下西洋的船队是当时世界上最大的船队。郑和所乘宝船长约137米，张12帆，舵杆长11米多，是古代最大的远洋船舶。不少机械传到了国外，对世界科学技术的发展产生了一定的影响。这时期是传统机械和机械制造技术的全面发展和鼎盛时期，也是中国机械史上的繁荣时期。

传统机械的缓慢发展时期(从元代后期到清代中期)

从元代后期到清代中期是中国机械发展的第四个时期。这一时期也可分为两个阶段。

第一阶段从元代后期到清代初期。这一阶段正是西方文艺复兴时期。西方各国先后发生了资产阶级文化运动，科学技术迅速发展，在这一阶段已经赶上和超过了中国。就机械方面来看，我国并不十分落后，但在发展速度上已明显低于西方。这一阶段后期，西方传教士来到中国带来了西方的科学技术。这时也传入了一些机械仪器和装置，就传入的机械科技来看，其水平已经赶上了中国，有些机械的水平超过了中国。

从18世纪初到19世纪40年代为第二个阶段。这一阶段清朝政府采取了闭关自守的政策，中断了与西方的科技交流。同时，由于封建专制的加强，中国资本主义萌芽的发展受到了极大的限制。中国机械的发展停滞不前，在这100多年内没有出现多少价值重大的发明。而这时正是西方资产阶级政治革命和产业革命时期，机械科学技术飞速发展，远远超过了中国。这样，中国机械的发展水平与西方的差距急剧拉大，到19世纪中期已经落后西方100多年。

中国机械发展的转变时期(从清代中后期到新中国成立前)

从19世纪40年代到20世纪40年代末是中国机械发展的第五个时期。1840年的鸦片战争打开了中国闭关自守的大门，西方近代机械科学技术开始大量传入中国，使中国机械的发展进入了向近代机械转变的时期。

鸦片战争前后，面对列强的侵略和国家民族的危亡，一些有识之士认识到了中国科学技术的落后，感到非学西方先进的科学技术不可。他们开始把西方的科技介绍到国内。在机械方面，出现了《演炮图说辑要》、《火轮图说》等介绍西方兵器制造、轮船和蒸汽机知识的论著。鸦片战争的失败使统治阶级内部不少人物体会到了先进技术的作用，他们出面倡导学习西方科学技术、引进先进的生产机器，兴起了洋务运动。在这期间，先后创办了一批军事工业和民用工业，大量引进了西方的机械设备和工艺。帝国主义在中国的商品输入和资本输入在这时也不断加强，不但输入了大量的机械产品，而且投资建立了不少机器工厂。此外，这时还先后翻译过不少西方机械科技书籍，近代机械科技知识也不断传入中国。到19世纪后期，机器生产在中国迅速发展，蒸汽机得到了广泛应用。西方的锻造、铸造和各种切削加工技术相继传入。同时，我国自己也开始了一些机械的研制工作。如1862年研制出第一台蒸汽机，1865年制造了第一艘汽船。19世纪后期，民族资产阶级已经兴起，建立了一批机械工厂，对中国机械的发展起了重要作用。

19世纪后期到20世纪初期，我国兴起了工程教育。不但翻译了不少机械书籍，而且有了自己编写的机械工程著作。派出的留学生中有专攻机械工程的。

20世纪以来，中国机械进一步得到发展。在引进国外机械的同时，也能自制不少类型的机械产品。到上世纪三四十年代，我国自行生产的产品种类有了较大的增加。在原动机方面能够生产蒸汽机、柴油机等。在工作机方面能生产刨床、铣床、旋床等。在农机方面可以生产碾米机、面粉机和灌溉泵等。此外还能生产化工、纺织、矿山、印刷等方面的不少机械设备。这时的机械工程教育有了新的发展，许多院校设有机械工程系或专业。我国逐渐有了自己的机械工程技术人员。

这一时期中国机械的发展速度还是比较快的。但是，这时的中国机械生产带有半封建半殖民地的特征，对帝国主义国家有很大的依赖性。中国民族资产阶级经济力量十分薄弱，所办企业没有形成独立的机械制造工业体系。中国的机械制造工业主要还是修理性质的。

中国机械发展的复兴时期和振兴时期（新中国成立后）

解放后的发展时期，又可分为不同的发展阶段。

1949年新中国建立后，中国机械的发展进入了新的时期。新社会制度的建立推动了机械科学技术的向前发展。我国不但很快能够自行设计和制造飞机、汽车、轮船、机车等现代机械，而且改变了旧中国以修配为主的状态，建立了门类比较齐全、具有一定规模的机械工业体系。机械工业部门具备了研制和生产重型、大型机械以及精密产品和成套设备的能力。全国基础工业部门的设备绝大多数都是我国自行制造的，为电力部门提供了许多大型设备，改变了重型机械一片空白的面貌。为石油工业提供了3 200米、4 500米钻机和相应的其他设备。为交通运输部门提供了82个品种的汽车和200多种专用改装车。为全国各行业提供了130多种高精度机床和40多种数控机床。为建设项目和科学研究提供了成套的自动检测和控制装置。

我国的机械科技研究水平有了很大的提高。建国后建立了机械科学研究院，电器科学研究院等科研机构，并陆续建立了机床、工具、通用机械、仪表、电气传动、汽车、轴承、内燃机等一系列专业研究设计机构。建国以来取得了许多科研成果，解决了不少机械工业中的重大科技问题。如在钢管轧制理论和制造技术方面取得了重大成果。中国机械科技水平与发达国家差距正在缩小。另外，机械工程教育在这一时期得到了迅速发展，我国自己培养了大批的机械工程专业人才。

近几十年来，世界上科学技术发展速度很快，发达国家的机械科技发展速度都在加快，出现了机械产品高效化、精密化、自动化、成套模块化和智能化的趋势。比较而言，我国的产品还比较落后，处于世界领先地位的还比较少。这是多种复杂的因素造成的，特别是十年动乱使机械工业和科技的发展受到了严重的干扰和破坏。粉碎“四人帮”后，特别是十一届三中全会以来，国家在机械工业方面采取了正确的方针政策，机械工业和机械科技的发展重新走上正轨。

总的来说，通过改革开放20多年来努力奋斗，这一时期中国机械科学技术的成就是巨大的，发展速度之快，水平之高也是前所未有的。我国机械制造工业取得了举世瞩目的成就。这一时期成为中国机械工业的复兴时期和振兴时期。

七、机械制造技术的未来

机械制造业是国民经济最重要的基础产业，而机械制造技术的不断创新则是机械工业发展的技术基础和动力。未来的制造技术所考虑的绝不单单是产品的设计与生产，而应包括从市场调查、产品开发和改进、制造加工、销售、售后服务，到产品报废、解体、回收，再到循环使用、循环利用的产品整个制造过程，是一个大制造系统。其发展趋势随着市场的全球化、竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人性化而体现出

制造技术的信息化

制造业信息化就是用0和1的数字编码来表示、处理和传输企业生产经营的一切信息，使制造业生产经营的信息流实现数字化，从而使制造业达到前所未有的高节奏和高效益。制造业信息化工程的核心任务是设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化。只有实现制造装备数字化才能实现加工自动化和精密化，提高产品精度和加工装配的效率。只有实现制造装备数字化才能实现生产过程的自动化和智能化，提高企业生产过程的自动化水平。

蒸汽机和电机的应用，延伸了人的体力劳动，催生了工业革命，使人类社会通过工业化从农业社会发展到工业社会。而以计算机为核心的现代信息技术的应用，则延伸了人的脑力劳动，引发了新的工业革命，使人类社会通过信息化从工业社会发展到信息社会，信息化是信息时代的工业革命。

20世纪50年代数控机床的发明揭开了制造业机械发展史上新的一页，标志着机械制造业向信息化迈出了第一步而进入经济信息时代。在随后的岁月里，以计算机技术、网络技术、通信技术等为代表的信息技术被广泛应用于制造业的各个领域，先进制造技术（AMT）如雨后春笋层出不穷。这些技术改变了传统资本密集型、设备密集型、技术密集型的生产与管理模式，使生产管理模式向信息密集型和知识密集型转变，使制造技术发生了质的飞跃。随着知识经济时代的到来，信息这一要素正在取代历史上在制造系统占据主导地位的物质、能量两大要素，迅速上升为制约现代制造系统的主导因素，并成为现代制造业中最重要的资源和最宝贵的竞争要素。制造技术的功能发生了很大变化，它不仅加工、处理信息，而且将制造信息录制、物化在原材料上，提高其信息含量，使之转化为产品。现代制造业，尤其是高科技、深加工企业，其主要投入已不再是材料或能源，而是信息或知识；其所创造的社会财富实际上也是某种形式的信息，即产品信息和制造信息。

目前，随着网络时代的到来以及Internet／Intranet／Extranet的迅速普及和广泛应用，计算机技术、网络技术和通信技术已成为制造企业的基础环境和制造技术的重要手段。据1997年统计，世界500强企业无一例外地建立了内部网。美国波音公司利用CAD技术、Internet和并行工程技术，采用数字化产品定义(DPD)和数据化预装配(DPA)信息技术，成功地实现了一年内从设计到一次试飞成功的目标(大型客机从设计到原型制造多则需要十几年，少则七八年)，实现了第一架异地合作飞机设计的无纸化，从而开辟了飞机制造史上无纸制造的新篇章。日本公司实现了网上生产线仿真系统，客户可以定量地分析所订购的生产线组成、价格和性能的不同方案。

制造技术在知识经济到来时呈现明显的信息化趋势，可以说信息技术在促进21世纪制造技术发展过程中的作用是第一位的，信息技术将在更高更深的层次上渗透和改造传统制造业和传统制造技术，以智能化(Intelligence)、网络化(Internet)、集成化(Integration)和创新(Innovation)为特征的信息化(Information)制造技术将成为21世纪制造技术的主要发展方向。

制造技术的服务化

在工业经济时代，农业被按照工业生产方式加以改造成为一种特殊“工业”。在21世纪知识经济已经来临的时候，制造业正在被改造和演变成为某种意义上的“服务业”，工业经济时代的“以产品为中心”的大批量生产正在转向“以顾客为中心”的单件小批量或大规模定制生产。企业提供给顾客的不只是单一的产品，而必须是一种将服务和产品紧密集成在一起的全面的解决方案，以获得顾客的满意，这就是制造技术的服务化。“高质量”和“低价格”曾是制造业孜孜以求的目标，可是今天，正是由于制造技术的服务化，“快速交货”正在超越质量、价格和成本，而成为企业竞争成败的第一要素。从某种意义上说，顾客的满意程度取决于企业提供的产品和服务给顾客增加了多少价值。近年来，网上制造和电子商务服务也风起云涌，充分显示了制造业和制造技术的服务化倾向，这也是工业经济迈向知识经济的必然。

制造技术的高技术化

在知识经济时代来临之际，传统的制造技术正在从其他学科和高新技术吸取营养并与之相结合，逐渐发展成为一门技术含量高、附加值大的现代先进制造技术(AMT)，未来的制造技术日益高技术化。

21世纪促进制造业和制造技术发展的主要是信息技术、自动控制技术、管理科学、系统科学、生命科学、机械科学、经济学、物理学和数学等。现代AMT，特别是其中的超精密加工技术和数控加工技术，又已成为一门使其他高新技术或尖端技术，如航空航天、办公自动化、电子、通信、科学仪器和精密电子机械等，得以出现和发展的“使能”技术。但是，21世纪制造技术的基础还是传统的制造技术，发展AMT绝不是要丢掉传统的制造技术，而是要以现代高新技术来改造传统的制造技术，并以此为手段制造出满足现代社会需求的新产品。

未来机械制造技术的发展，其具体的表现如下：

1. 机械制造技术的发展经历了一个漫长的过程，在制造自动化方面，从单机到生产线到系统，从理想到实际，围绕着人的作用进行了探讨，从追求高度自动化，全盘自动化走向人、组织、技术三结合，人们开始变得更为实际，制造技术开始向具有一定自动化程度的而且能够满足生产需要的制造自动化技术方向发展。

2. 数字化是21世纪制造技术发展的重要内容，一方面从数字化产品定义、数字化产品模型、数字化加工、数字化管理等数字化技术本身进行发展，另一方面数字化技术的应用将会渗透到各个领域。如民用产品中的数字电视、数码相机、数字变频空调等。以数字化为主要特征的新的工业革命，正在深刻地改变着制造业的生产方式、工作方式和思维方式，关系到制造业的生存和发展、前途和命运，必须正确认识和有效实施制造业信息化。

3. 精密加工和超精密加工代表了制造技术发展的另一个方向，它在20世纪末期已经达到了纳米加工水平，并且出现了微型人造卫星、微型飞机等微型机械。21世纪它将会取得更大的成就，制造出更多类型的微型机械。

4. 可持续发展在未来的制造技术中将更受重视，如何有效地利用资源和最大限度的降低环境污染，是摆在大家面前的一大难题。因此，绿色制造、环境保护、生态平衡成为科学技术研究的重点和工业生产的基点，这是一个新领域，机械制造技术必将在这方面有所作为，将从加工所用材料、加工环境、资源的回收和再利用、加工工艺等几个方面发展。

5. 市场需求的导向作用突出，根据市场需求做出快速响应，推出相应产品是制造技术的当务之急。这是市场经济的规律，也是制造技术赖以生存的重要条件。

第二章 机械制造工程基础

一、互换性

互换性是什么

互换性的例子很多，在日常生活中，我们经常碰到灯泡坏了，自己只要到有关商店买一个相同规格的就能毫无困难地装上。又如自行车、缝纫机、手表上的零件坏了，也可以迅速换上新的继续使用。机器上掉了一个螺钉或螺母也可以随便挑一个相同规格的换上……。这些彼此能相互调换的零件，给我们的工作(生产)带来很多的方便，我们就称这些灯泡、灯头、自行车、缝纫机、手表上的零件、螺钉、螺母等是具有互换性的零件。从制造机器的角度来看，制造机器的过程是先由零件制造，而后部件，最后才装配成机器。使组成一台机器中的同类零件，在装配时能相互调换，这样便能大大的缩短生产周期，提高劳动生产率。

因此，零部件的互换性就是指：机械制造中按规定的几何和机械物理性能等参数的允许变动量来制造零件和部件，使其在装配或维修更换时不需要选配或辅助加工便能装配成机器并满足技术要求的性能。几何参数包括尺寸大小、几何形状、相互位置、表面粗糙度等；机械物理性能参数通常指硬度、强度和刚度等。这样，在机器制造中，由于零部件具有了互换性，对规格大小相同的一批零件(或部件)，装配前，不需选择；装配时(或更换时)，不需修配和调整；装配后，机器质量完全符合规定的使用性能要求。这种生产就叫互换性生产。

从现代工业的特点来看，在现代工业生产中，常采用专业化大协作的生产，即用分散制造，集中装配的办法来提高劳动生产率，以保证产品的质量和降低成本。为此，要实行专业化生产，必须采用互换性原则。如像轿车这样由上万个零件组成的产品，正是基于互换性原则，才保证了当今不足1分钟就可装配下线一辆轿车的高生产率。因此，工业生产中只有提出互换性，推行互换性生产，才能适应国民经济高速度发展的需要。可以说互换性是大生产的一条重要的技术经济原则。当前，互换性已不只是大生产的要求，即使小批量，亦按互换性的原则进行。

加工误差与加工精度

具有互换性的零件，其几何参数值是否必须绝对准确呢？事实上不但不可能，而且也不必要。只要实际值保持在规定的变动范围之内就能满足技术要求。机械制造中，实际加工后的零件不可能做得与理想零件完全一致，总会有大小不同的偏差，零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度，称为加工误差。

那么为什么会造成零件的加工误差呢？原因有多方面，一是机械加工过程中，由于机床、夹具、刀具、工件所组成的工艺系统存在的误差；二是零件加工时受到切削力作用，将引起工艺系统的弹性变形；三是加工时的切削热、环境温差等会引起工艺系统的热变形；另外还有刀具的磨损等种种因素的影响，致使加工完的零件的几何参数与图纸上规定的不可能完全一致，从而造成加工误差。

加工精度是指零件加工后的实际几何参数(尺寸、形状和位置)与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度越高。根据零件几何参数不同，相应地衡量零件加工准确性的加工精度，可分为零件的尺寸精度、形状精度和位置精度。分别反映了加工后零件的实际尺寸与零件理想尺寸、实际形状与理想形状、实际位置与理想位置相符的程度。如果加工制造完成后的零件的几何参数(形状、尺寸、相互位置等)，非常接近规定的几何参数(设计图纸上规定的理想形状、尺寸等)，通常说这零件的加工精度高；反之，偏离越大，加工精度越低。加工精度通常用加工误差表示，加工误差小，精度高；误差大，精度低。

表面粗糙度

表面粗糙度，过去亦称表面光洁度，是指表面微观几何形状误差，反映工件的加工表面精度。在机械加工过程中，由于刀痕、切削过程中切屑分离时的塑性变形、工艺系统中的高频振动、刀具和被加工表面的摩擦等原因，会使被加工零件的表面产生微小的峰谷，这些微小峰谷的高低程度和间距(波距)状况用表面粗糙度来描述。它与表面宏观几何形状误差以及表面波度误差之间的区别，通常是按波距的大小来划分的。波距小于1毫米的属于表面粗糙度(微观几何形状误差)；波距在1～10毫米的属于表面波度(中间几何形状误差)；波距大于10毫米的属于形状误差(宏观几何形状误差)。

表面粗糙度对零件的功能有很多影响，如接触面的摩擦、运动面的磨损、贴合面的密封、旋转件的疲劳强度和抗腐蚀性能等。因此对提高产品质量起着重要作用。

公差与配合

在实际的机械制造中，不可能保证同一类零件的所有尺寸都一样，我们允许产品的几何参数，在一定限度内变动，以保证产品达到规定的精度和使用要求，而这一变动量就是公差。由于是变动量，所以公差不能取负值和零。几何参数的公差有尺寸公差和形位公差。

机械制造中，设计时给定的尺寸称为基本尺寸，测量得到的尺寸称为实际尺寸；允许变动的两个极限值称为极限尺寸，分最大极限尺寸和最小极限尺寸，而公差等于最大极限尺寸和最小极限尺寸的差值。而尺寸偏差是某尺寸减其基本尺寸所得的代数值。最大极限尺寸减其基本尺寸所得的代数值为上偏差，最小极限尺寸减其基本尺寸所得的代数值为下偏差。上偏差与下偏差的代数差的绝对值也等于公差。例如某孔在图纸上的标注为Φ25+0.0210毫米，则孔的直径的基本尺寸为25，最大和最小极限尺寸为25.021毫米和25毫米，则公差就等于最大极限尺寸减最小极限尺寸，为0.021毫米。对于偏差而言，孔的上偏差为0.021毫米，下偏差为0，上偏差与下偏差的代数差的绝对值即为公差0.021毫米，与前述相同。在实际应用中，尺寸、偏差和公差的关系用图来表示，称为公差带图。

配合指的是基本尺寸相同的相互结合的孔和轴公差带之间的关系。孔的尺寸减去相配轴的尺寸所得的代数差称为间隙或过盈。此差值为正时是间隙，为负时是过盈。按间隙或过盈及其变动的特征，配合分为间隙配合、过盈配合和过渡配合。

具有间隙(包括最小间隙为零)的配合就是间隙配合。例如孔的尺寸为Φ25+0.0210毫米，轴的尺寸为Φ25-0.020-0.033毫米，它们的基本尺寸相同均为25毫米。最大间隙为孔的最大极限尺寸减轴的最小极限尺寸为0.054毫米，最小间隙为孔最小极限尺寸减轴的最大极限尺寸为0.020毫米。间隙配合主要用于孔与轴的活动联接，例如滑动轴承与轴的联接。

具有过盈(包括最小过盈为零)的配合就是过盈配合。例如孔的尺寸为Φ25+0.0210毫米，轴的尺寸为Φ25+0.048+0.035毫米，最大过盈为0.048毫米，最小过盈为0.014毫米。过盈配合主要用于需要传递扭矩与轴向力的固定联接，如大型齿轮的齿圈与轮毂的联接。

过渡配合就是可能具有间隙或过盈的配合。例如孔的尺寸为Φ25+0.0210毫米，轴尺寸为Φ25+0.015+0.002毫米，最大间隙为0.019毫米，最大过盈为0.015毫米。过渡配合用于保证定心良好又能拆卸的精密定位联接，如滚动轴承内径与轴的联接。

二、机械原理和机械零件

机构与机构学的概念

人类在长期的劳动中创造了许多机器。生产活动中常见的机器有起重机、拖拉机、机车、电动机、内燃机和各种机床、生产线等，日常生活中常见的机器有缝纫机、洗衣机、摩托车等。虽然机器的种类繁多，用途不一，但它们都具有共同的特征，即：① 它是人为的实物组合；② 各实物间具有确定的相对运动；③ 能代替或减轻人类的劳动去完成有效的机械功(如牛头刨床)或能量转换(如内燃机把燃料燃烧的热能转换成机械能)。

为了研究机器的工作原理，分析运动特点和设计新机器，通常从运动学角度又将机器视为若干机构组成。由两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的组合件，就称为机构，它是具有确定运动的实物组合体。机构也是人为的实物组合，各实物件间具有确定的相对运动，所以只具有机器的前两个特征。做无规则运动或不能产生运动的实物组合均不能称为机构。机构中总有一个构件作为机架。多数机构都具有一个接受外界已知运动或动力的构件，即主动件，但有的机构需要两个以上的主动件，其余被迫做强制运动的构件称为从动件，其中作为输出的从动件将实现规定的运动。若机构用来做功，或完成机械能与其他能之间的转换，机构就成为机器，所以机器主要是由机构组成的。一部机器可能由一种机构或多种机构所组成。如我们常见的内燃机便是由曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构所组成，而电动机只是由一个简单的二杆机构(即转子和定子)所组成。

若撇开机器在做功和转换能量方面所起的作用，仅从结构和运动的观点来看，则机器和机构之间并无区别。因此，习惯上用“机械”一词作为机器和机构的总称。

1. 机构:机构中做相对运动的每一个运动的单元体称为构件。构件可以是一个独立运动的零件，但有时为了结构和工艺上的需要，常将几个零件刚性地联接在一起组成构件。由此可知，构件是独立的运动单元，而零件是制造单元。

机构学是着重研究机械中机构的结构和运动等问题的学科，是机械原理的主要分支。其研究内容是对各种常用机构如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、差动机构、间歇运动机构、直线运动机构、螺旋机构和方向机构等的结构和运动，以及这些机构的共性问题，在理论上和方法上进行机构分析和机构综合。而机构分析包括结构分析和运动分析两部分。前者研究机构的组成并判定其运动可能性和确定性；后者考察机构在运动中位移、速度和加速度的变化规律，从而确定其运动特性。这对于如何合理使用机器、验证机器的性能是必不可少的。

机构在机器中得到了广泛的应用，但由于功能需求的多样性，组成机器的机构形式和类型也是多样的。其分类方法有：组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在相互平行的平面内，则此机构称为平面机构；机构各构件的相对运动不在同一平面或平行平面内，则此机构称为空间机构。

与平面连杆机构相比，空间连杆机构常有机构紧凑、运动多样、工作灵活可靠等特点，但设计困难，制造较复杂。空间连杆机构常应用于农业机械、轻工机械、纺织机械、交通运输机械、机床、工业机器人、假肢和飞机起落架中。

由于实际构件的外形结构往往很复杂，在研究结构运动时，为了将问题简化，往往撇开与运动无关的构件外形和运动副具体结构，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，绘出简单图形来表征机构各构件间相对运动关系，称这一简图为机构运动简图。这样借助机构运动简图便可对复杂机构或机械的运动关系及相互规律、机械属性进行分析研究和认知，以进一步改善机械性能和创新设计新型机械。

2. 运动副与运动链:机构都是由构件组合而成的，其中每个构件都以一定的方式至少与另一个构件相联接，这种联接既使两个构件直接接触，又使两构件能产生一定的相对运动。每两个构件间的这种直接接触所形成的活动联接称为运动副。

构成运动副的两个构件间的接触不外乎点、线、面3种形式，两个构件上参与接触而构成运动副的点、线、面部分称为运动副元素。

运动副的分类方法有多种：

(1) 按运动副的接触形式分类：面与面相接触的运动副，在承受载荷方面与点、线相接触的运动副相比，其接触部分的压强较低，故面接触的运动副称为低副，以点、线接触的运动副称为高副，高副比低副易磨损。

(2) 按相对运动的形式分类：构成运动副的两构件之间的相对运动若为平面运动则称为平面运动副，若为空间运动则称为空间运动副。两构件之间只做相对转动的运动副称为转动副或回转副，两构件之间只做相对移动的运动副，则称为移动副。

(3) 按运动副引入的约束数分类：引入一个约束的运动副称为1级副、引入两个约束的运动副称为2级副，依此类推，则有3级副、4级副、5级副。

(4) 按接触部分的几何形状分类：根据组成运动副的两构件在接触部分的几何形状，可分为圆柱副、球面副、螺旋副、平面与平面副、球面与平面副、球面与圆柱副、圆柱与平面副等等。

两个以上构件通过运动副的联接构成的系统称为运动链。如果组成运动链的各构件构成首末封闭的系统，则称为闭式运动链，简称闭链。如果组成运动链的各构件未构成首末封闭的系统，则称为开式运动链，简称开链。

闭链的每个构件至少有两个运动副元素，只要有一个构件间仅含一个运动副元素的都是开链。当运动链中有一个构件被指定为机架，若干个构件为主动件，从而整个组合体具有确定运动时，运动链即成为机构。同一运动链，在指定不同的构件作为机架时，可得到不同的机构。机械中绝大部分机构都由闭链组成，所以闭链是构成机构的基础。而机械手和工业机械人则是开链的具体应用。

3. 机构自由度:构件所具有的独立运动的数目(或是确定构件位置所需要的独立参变量的数目)称为构件的自由度。一个构件在未与其他构件联接前，在空间可产生6个独立运动，也就是说具有6个自由度。而两个构件直接接触构成运动副后，构件的某些独立运动将受到限制，自由度随之减少，构件之间只能产生某些相对运动。运动副对构件的独立运动所加的限制称为约束。运动副每引入一个约束，构件便失去一个自由度。两个构件间引入了多少个约束，限制构件的哪些独立运动，则完全取决于运动副的类型。

使机构具有确定运动时所必须给定的独立运动数目称为机构自由度。欲使机构具有确定运动，应使机构的主动件数等于其自由度数。如平面四杆机构的自由度为1，而平面五杆机构的自由度为2。给定平面四杆机构一个独立运动参数，机构就具有确定的运动。而对平面五杆机构，必须同时给定两个独立运动的参数，机构的运动才能完全确定。事实上，在机械制造学科中，自由度的概念也适用于机器、工件及其他任何物体等。设计的机器要具有确定的运动关系，必须限制其多余的自由度，工件加工时，对工件的定位装夹，其实就是限制其额外的自由度。当然，“自由”与“限制”的涵义也是广泛的，在不同领域里、不同条件下都有其一定的约束规则和制度，都有一个“自由度”。

4. 自锁和平衡:机械在给定方向的驱动力作用下，由于摩擦原因无论驱动力多大都不能使机械产生运动，这一现象称为自锁。

简单机构的机械效率计算公式通常是按最大摩擦力导出的，故自锁条件可由效率等于或小于零来确定。以力耦驱动构件转动时不会有自锁问题。但以不通过回转轴线的力驱动构件转动时，就有可能产生自锁现象。

实际工程中可以有效地利用自锁现象。如利用自锁现象设计的夹具，在工件加工前，首先要对工件毛坯进行定位并利用专用、通用或组合夹具对工件进行夹紧，防止其在受到切削力时工件位置发生变化，为此，夹具设计时，可以利用夹具夹紧时的自锁现象进行工件的夹紧，使得夹紧更为牢靠；利用自锁现象设计的自锁式千斤顶，可以长时间支撑重物，在除去油压时仍然可以支持重物，从而保证安全可靠。这种形式的千斤顶，一般是现代家用轿车、卡车等出厂时必备的汽车维修工具。再如自锁阀门、自锁继电器、自锁密封螺纹技术、汽车变速箱的自锁机构等应用。总之，自锁现象可以被广泛的应用。

通过合理分配各运动件的质量，以消除或减少机械运转时由于惯性力所引起的振动的措施，称为平衡。

在绕定轴转动的转子上，各定点的离心惯性力组成一个空间力系，根据力学原理将它们向任何一点简化，均可得到一个离心惯性力F和一个惯性力偶M。这个离心惯性力和惯性力偶将引起转子的振动，这种转子称为不平衡转子。不平衡转子在转动时，可能会发生转子断裂的重大事故。为了使转子得到平衡，必须满足F=0，M=0的条件，这就是转子平衡的力学原理。在工程实际中，对转动机械一般都有一个平衡等级的要求，以保证其运转的平稳性、可靠性等。如电机的制造，必须保证电机主轴的动平衡性能；机床回转主轴组件的制造，也必须保证其回转运动时良好的动平衡性，尤其是对高速回转的主轴。如在高速切削加工时，对高速机床主轴的回转要求必须具有很高的动平衡等级，不仅如此，对高速切削下的刀柄结构以及装夹刀柄、刀具后的主轴系统，也必须满足严格的动平衡要求。否则，就会造成剧烈的振动，大大加剧其支撑轴承的磨损，从而导致发热和寿命降低，严重时还会造成刀具断裂破损等危险事故，甚至危及机器操作者的人身安全。因此，机械设计与制造时必须重视运动组件的平衡要求。

5. 摩擦与润滑:两相互接触的物体有相对运动或有相对运动趋势时在接触处产生阻力的现象称为摩擦。因摩擦而产生的阻力称为摩擦力。相互摩擦的两物体称为摩擦副。

摩擦是一种常见的现象。在日常生活中，摩擦力也经常伴随在我们身旁。如人的行走、吃饭、洗衣服都是依靠摩擦；各种车辆的行进也是借助于摩擦。在机械工程中利用摩擦做有益工作的有带传动、制动器、离合器和摩擦焊等。摩擦现象为我们所广泛应用，是不可缺少的。但是它有时又是特别有害的。运动中的机械由于摩擦的存在，使得相互摩擦的两机件发热，轴承过度磨损，消耗额外功率，导致机械工作效率降低，机器的可靠性和使用寿命降低。航天飞机、宇宙飞船等在穿越大气层时，由于其外表面与空气的摩擦，可使得机身外表面的温度高达上千摄氏度，可以熔化任何钢铁材料。为此，航天飞机制造时，其机身外表面都粘贴有一层绝热材料。美国“发现号”航天飞机在发射时绝热泡沫材料脱落，为了保证飞机安全返回，才最终临时改变计划，出现了宇航员在太空行走设法修复绝热板的壮举。由于摩擦的存在，导致火灾给人类造成财产严重损失的事例也不少。

摩擦的类别有很多，按摩擦副的运动形式，摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦。前者是两相互接触物体有相对滑动或有相对滑动趋势时的摩擦，后者是两相互接触物体有相对滚动或有相对滚动趋势时的摩擦；按摩擦副的运动状态分为静摩擦和动摩擦，前者是相互接触的两物体有相对运动趋势并处于静止或静止临界状态时的摩擦，后者是相互接触的两物体越过静止临界状态而发生相对运动时产生的摩擦；按摩擦表面的润滑状态，摩擦可分为干摩擦、边界摩擦和流体摩擦；另外，摩擦还可分为外摩擦和内摩擦，外摩擦是指两物体表面做相对运动时的摩擦，内摩擦是指物体内部分子间的摩擦。干摩擦和边界摩擦属于外摩擦，流体摩擦属于内摩擦。

改善摩擦副的摩擦状态以降低摩擦阻力减缓磨损的技术措施称为润滑。充分利用现代的润滑技术能显著提高机器的使用性能和寿命并减少能源消耗。按摩擦副之间润滑的材料不同，润滑可分为流体(液体、气体)润滑和固体润滑(润滑剂)。按摩擦副之间摩擦状态的不同，润滑油分为流体润滑和边界润滑。介于流体润滑和边界润滑之间的润滑状态称为混合润滑，或称部分弹性流体动压润滑。机器中相互运动的部件间，一般都要设法采取一定的润滑措施，以减少磨损，提高机器的寿命和工作性能。

常用的机械传动机构

1. 平面连杆机构:由许多刚性构件用低副(回转副和移动副)连接组成的平面机构，称为平面连杆机构，也叫做平面低副机构。平面连杆机构广泛用于各种机械和仪表中，其种类繁多，运动形式多样，其中最基本、最常用的是四杆机构。平面四杆机构的基本型式是铰链四杆机构，如图2-1所示。对铰链四杆机构来说，机架和连杆总是存在的。因此，按连架杆运动情况不同，铰链四杆机构可以分为3种基本型式：图2-1曲柄连杆机构

(1) 曲柄摇杆机构：铰链四杆机构中，若两个连架杆中的一个为曲柄(可旋转360°)，另一个为摇杆(在一定角度范围内作来回摆动)，则此机构称为曲柄摇杆机构。通常曲柄为原动件，作等速转动，而摇杆为从动件，作变速往复摆动。如牛头刨床的横向自动进给机构。

(2) 双曲柄机构：两个连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。

(3) 双摇杆机构：两个连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。这种机构应用也很广泛。

显然，铰链四杆机构在实际各类机械工程中得到了广泛的应用。不仅如此，实际应用中，还广泛采用着其他型式的四杆机构，它们大多数都可看作是由曲柄摇杆机构演化而成的。

2. 齿轮机构:齿轮传动是工程机械中应用最为广泛的一种传动形式，以齿轮的轮齿互相啮合传递轴间的动力和运动的机械传动。齿轮就是在其中相互啮合的有齿的机械零件，是机械工程中应用最为广泛的八大基础零件之一。

齿轮机构由主动齿轮、从动齿轮和机架组成。通过齿廓间的高副接触，将主动轮的运动和动力传递给从动轮，使从动轮获得所需要的转速、转向和转矩。它可以保证主动轴和被动轴之间的精确速比。齿轮传动应用极广，具有结构紧凑、传递功率范围广、效率高、寿命长、工作可靠、传动比准确等优点，且可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴间传动。但其制造和安装精度要求较高，不适宜远距离两轴之间的传动。否则噪声较大，齿轮承载能力会降低。

齿轮种类很多，通常有以下分类方法：齿轮按照齿形的变位可分为标准齿轮、变位齿轮；按其外形可分为圆柱齿轮、锥齿轮、齿条、蜗杆-蜗轮；按齿线形状可分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、烧结齿轮等。图2-2各种齿轮

同样，齿轮传动的类型也很多，按齿轮轴线的相对位置可分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动。平行轴齿轮传动又可分为直齿轮传动、斜齿轮传动、人字齿轮传动、齿轮—齿条传动和内啮合齿轮传动等。相交轴齿轮传动又可分为直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动和曲线齿锥齿轮传动等。交错轴齿轮传动又可分为双曲面齿轮传动、螺旋齿轮传动和蜗杆传动等。齿轮传动按齿轮的外形可分为圆柱齿轮传动、锥齿轮传动、非圆柱齿轮传动、齿条传动和蜗杆传动。按轮齿的齿廓曲线可分为渐开线齿轮传动、摆线齿轮传动和圆弧齿轮传动等。工程中常用的各种齿轮传动及其所用的齿轮形式如图2-2所示。常用的主要有：

(1) 圆柱齿轮传动：圆柱齿轮传动是用于两平行轴间的传动，采用的齿轮都是圆柱形的。齿轮齿形一般有直齿、斜齿、人字形齿等。相应的传动分别有直齿轮传动、斜齿轮传动和人字齿轮传动等。直齿轮传动适用于中、低速传动，斜齿轮传动运转平稳，适用于中、高速传动。人字齿轮传动适用于传递大功率和大转矩的传动。

圆柱齿轮传动的啮合形式有3种，分别为外啮合齿轮传动、内啮合齿轮传动和齿轮齿条传动。外啮合齿轮传动由两个外齿轮相啮合，两轮的转向相反；内啮合齿轮传动，由一个内齿轮和一个小的外齿轮相啮合，两轮的转向相同；齿轮齿条传动，可将齿轮的转动变为齿条的直线移动，或者相反。图2-3锥齿轮传动

(2) 锥齿轮传动：锥齿轮传动用于相交轴间的传动，其所采用的啮合齿轮为锥形，如图2-3所示。同样依据锥齿轮的齿形不同，锥齿轮传动有斜齿锥齿轮传动、直齿锥齿轮传动、曲线齿锥齿轮传动等。

(3) 蜗轮蜗杆传动：蜗轮蜗杆传动是交错轴传动的主要形式，轴线交错角一般为90°。蜗杆传动可获得很大的传动比，通常单级为8～90，传递功率可达4 500千瓦，蜗杆的转速可到3万转／分钟，圆周速度可到70米／秒。蜗杆传动工作平稳，传动比准确，可以自锁，但自锁时传动效率低于0.5。蜗杆传动齿面间滑动较大，发热量较多，传动效率低，通常为0.45～0.49。

(4) 圆弧齿轮传动：圆弧齿轮传动是用凸凹圆弧做齿廓的齿轮传动。空载时两齿廓是点接触，啮合过程中接触点沿轴线方向移动，靠纵向重合度大于1来获得连续传动。特点是接触强度和承载能力高，易于形成油膜，无根切现象，齿面磨损较均匀，跑合性能好；但对中心距、切齿深和螺旋角的误差敏感性很大，故对制造和安装精度要求高。

(5) 摆线齿轮传动：摆线齿轮传动是用摆线作齿廓的齿轮传动。这种传动齿面间接触应力较小，耐磨性好，无根切现象，但制造精度要求高，对中心距误差十分敏感。仅用于钟表及仪表中。

3. 间歇传动机构:将主动件的连续运动转化为从动件有停歇的周期性运动的机构称为间歇运动机构。间歇运动机构可分为单向运动和往复运动两类，如图2-4所示的内燃机配气机构和缝纫机紧线机构。图2-4凸轮机构应用

单向间歇运动机构的特点是当主动件与从动件脱离接触，或虽不脱离接触但主动件不起推动作用时，从动件便不产生运动的机构。单向间歇运动机构广泛应用于生产中，如牛头刨床上工件的进给运动，转塔车床上刀具的转位运动，装配线上的步进输送运动等。棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮单向间歇运动机构等都用这种方法来实现间歇运动。

往复间歇运动机构的特点是当主动件运动时，它会带动从动件进行往复运动。

常用的间歇机构主要有：

(1) 凸轮机构：在各种用来实现连续输入间歇输出运动传递的间歇传动机构中，应用最广泛的就是凸轮机构。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架这3个基本构件所组成的一种高副机构。

凸轮机构的优点是结构简单、运转可靠、转位精确，无需专门的定位装置，易实现工作对动程和动停比的要求。最吸引人的特征是其多用性和灵活性，从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线的形状，只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件获得各种预期的运动规律，这也是间歇运动机构不同于棘轮机构、槽轮机构的最突出优点。正是由于这些独特的特点，凸轮式间歇运动机构在轻工机械、化工机械、医疗制药、食品包装与罐装、冲压机械、制造自动化生产线等机械中得到了广泛的应用。

凸轮机构的缺点在于：凸轮廓线与从动件之间是点或线接触的高副，易于磨损，故多用在传力不太大的场合。

如图2-5所示的凸轮机构被用于汽车发动机燃烧室气门的开闭控制。图2-5凸轮机构的应用图2-6盘型凸轮

工程实际中根据所使用的凸轮廓面形状不同，凸轮机构形式多种多样，常用的有以下几种：

① 盘形凸轮机构：图2-6所示的凸轮呈盘状，并且具有变化的向径。当其绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内做往复运动。它是凸轮最基本的形式，结构简单，应用最广。

② 移动凸轮机构：当盘形凸轮的转轴位于无穷远处时，就演化成了图2-7所示的板状的凸轮或楔形凸轮，这种凸轮机构通常称为移动凸轮机构。凸轮呈板状，它一般相对于机架作直线移动。在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。图2-7移动凸轮图2-8圆柱凸轮

③ 圆柱凸轮机构：凸轮的轮廓曲线做在圆柱体上，如图2-8所示。它可以看做是把上述移动凸轮卷成圆柱体演化而成的。在这种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，故它属于空间凸轮机构。

当然，工程实际应用中还有许多其他形式的凸轮机构，如弧面凸轮机构等。另外按照从动件与凸轮接触的方式不同，又可分为滚子从动件凸轮、平底从动件凸轮和尖端从动件凸轮等。

(2) 棘轮机构：棘轮机构是由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。它将连续转动或往复运动转换成单向步进运动。棘轮轮齿通常用单向齿，棘爪交接于摇杆上，当摇杆逆时针方向摆动时，驱动棘爪插入棘轮齿以推动棘轮同向转动；当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。为了确保棘轮不反转，常在固定构件上加装止逆棘爪。棘轮机构工作时常伴有噪声和振动，因此它的工作频率不能过高。棘轮机构常用在各种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的转位上，也常用在千斤顶上。

(3) 槽轮机构：槽轮机构是由槽轮和圆柱销组成的单向间歇运动机构，又称马耳他机构。它常被用来将主动件的连续转动转换成从动件的带有间歇的单向周期性转动。槽轮机构有外啮合和内啮合两种形式。外啮合槽轮机构的槽轮和转臂转向相反，而内啮合相同。与外槽轮机构相比，内槽轮机构传动较平稳、停歇时间短、所占空间小。单臂外啮合槽轮机构是槽轮机构中最常用的一种，它由带圆柱销的转臂、具有4条径向槽的槽轮和机架组成。当连续转动的转臂上的圆柱销进入径向槽时，拨动槽轮转动；当圆柱销转出径向槽后，槽轮停止转动。转臂转一周，槽轮完成一次转停运动。槽轮机构一般用在转速不高、要求间歇的转过一定角度的分度装置中，如转塔车床上的刀具转位机构。它还常在电影放映机中用以间歇移动胶片等。

图2-9为用于牛头刨床工作台作间歇进给运动控制的双向棘轮机构。若改变驱动棘爪的摆角，可以调节进给量；改变驱动棘爪的位置(绕自身轴线转过180°后固定)，可改变进给运动的方向。图2-9双向棘轮机构

4. 带传动:利用紧套在带轮上的挠性环带与带轮间的摩擦力来传递动力和运动的机械传动称为带传动。根据带的截面形状不同，可分为平带传动、V带传动、同步带传动、多楔带传动等。

带传动是具有中间挠性元件的一种传动，所以它具有以下优点：① 能缓和载荷冲击；② 运行平稳，无噪声；③ 制造和安装精度不像啮合传动那样严格；④ 过载时将引起带在带轮上打滑，因而可防止其他零件的损坏；⑤ 可增加带长以适应中心距较大的工作条件(可达15米)。

带传动同时也有下列缺点：① 有弹性滑动和打滑，使效率降低和不能保持准确的传动比(同步带传动是靠啮合传动的，所以可保证传动同步)；② 传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上的压力都比啮合传动大；③ 带的寿命较短。

平带传动时，带套在平滑的轮面上，靠带与轮面间的摩擦进行传动。平带传动结构简单，但容易打滑，通常用于传动比为3左右的传动。平带有胶带、强力绵纶带和高速环形带等。胶带是平带中最常用的一种，它强度高，传递功率范围广。编织带挠性好，但易松弛。强力绵纶带强度高，且不易松弛。高速环形带薄而软、挠性好、耐磨性好，专用于高速传动。平带的截面尺寸都有标准规格，可选取任意长度。图2-10 V形三角带

V带传动时，带放在带轮上相应的型槽内，靠带与型槽两面的摩擦实现传动，如图2-10所示。V带通常是数根并用，带轮上有相应数目的型槽。采用V带传动时，带与轮接触良好，打滑小，传动比较稳定，运动平稳。V带传动适用于中心距较短和较大传动比的场合。此外，因V带数根并用，其中一根破坏也不致发生事故。

V带有普通V带、窄V带和宽V带等类型，一般多使用普通V带。普通V带由强力层、伸张层、压缩层和包布层组成。强力层主要用来承受拉力，伸张层和压缩层在弯曲时起伸张和压缩作用，包布层的作用主要是增强带的强度。普通V带的截面尺寸和长度都有标准规格。普通V带适用于转速较高，带轮直径较小的场合。窄V带与普通V带比较，当高度相同时，其宽度比普通V带小约30%。窄V带传递功率的能力比普通V带大，允许速度和曲挠次数高，传动中心距小。适用于大功率且结构要求紧凑的传动。

平带带轮和V带带轮均由三部分组成：轮缘(用以安装传动带)；轮毂(用以安装在轴上)；轮辐或腹板(联接轮缘与轮毂)。带速较低的传动带，其带轮一般用灰铸铁HT200制造，高速时宜使用钢制带轮。在结构上，平带、V带带轮和平带、V带一样，其截面形状均有标准规格，带轮应易于制造，能避免由于铸造而产生过大的内应力，重量要轻。高速带轮还要进行动平衡。带轮工作面要保证适当的粗糙度值，以免把带很快磨坏。

同步齿形带传动是一种特殊的带传动，如图2-11所示。带的工作面要做成齿形，带轮的轮缘表面也做成相应的齿形，带与带轮靠啮合进行传动，如图2-12所示。与普通带传动相比，同步齿形带传动的特点是：带与带轮间无相对滑动，传动比恒定；可用于速度较高的场合；结构紧凑，耐磨性好；制造和安装精度较高，要求有严格的中心距，成本较高。同步齿形带传动主要用于要求传动比准确的场合，如计算机中的外部设备、电影放映机、录像机和纺织机械等。图2-11同步带传动图2-12同步带齿型

5. 链传动:利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动称为链传动。链传动在传递功率、速度、传动比、中心距等方面都有很广的应用范围。目前，最大传递功率达到5 000千瓦，最高速度达到40米/秒，最大传动比达到15，最大中心距达到8米。但在一般情况下，链传动的传动功率一般小于100千瓦，速度小于15米/秒，传动比小于8。链传动广泛应用于农业、采矿、冶金、起重、运输、石油、化工、纺织等各种机械的动力传动中。

和带传动相比，链传动的主要优点是：① 没有滑动；② 工况相同时，传动尺寸比较紧凑；③ 不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小；④ 效率较高；⑤ 能在温度较高、湿度较大的环境中使用等。因链传动具有中间元件(链)，和齿轮、蜗杆传动比较，需要时轴间距离可以很大。

链传动的缺点是：① 只能用于平行轴间的传动；② 瞬时速度不均匀，高速运转时不如带传动平稳；③ 不宜在载荷变化很大和急促反向的传动中应用；④ 工作时有噪声；⑤ 制造费用比带传动高等。

链传动主要有下列几种型式：套筒链、套筒滚子链(简称滚子链)和齿形链。

滚子链是由内链板、外链板、销轴、套筒、滚子等组成，如图2-13所示。销轴与外链板、套筒与内链板分别用过盈配合固定，滚子与套筒为间隙配合。套筒链除没有滚子外，其他结构与滚子链相同。当链节屈伸时，套筒可在销轴上自由转动。当套筒链和链轮进入啮合和脱离啮合时，套筒将沿链轮轮齿表面滑动，易引起轮齿磨损。滚子链则不同，滚子起着变滑动摩擦为滚动摩擦的作用，有利于减小摩擦和磨损。图2-13链条

套筒链结构较简单、重量较轻、价格较便宜，常在低速传动中应用。滚子链较套筒链贵，但使用寿命长，且有减低噪声的作用，故应用很广。

齿形链是由彼此用铰链联接起来的齿形链板所组成，链板两工作侧面间的夹角为60°，链板的工作面与链轮相啮合。为防止链条在工作时从链轮上脱落，链条上装有内导片或外导片，啮合时导片与链轮上相应的导槽嵌合。

和滚子链比较，齿形链具有工作平稳、噪声较小、允许链速较高、承受冲击载荷能力较好(有严重冲击载荷时，最好采用带传动)和轮齿受力较均匀等优点；但价格较贵、重量较大并且对安装和维护的要求也较高。

链轮结构也有一定的标准，但与带轮相比，其标准较宽松，有一定的范围，因而链轮齿廓曲线的几何形状可以有很大的灵活性。链轮轮齿的齿形应保证链节能自由地进入和退出啮合，在啮合时应保证良好的接触，同时它的形状应尽可能地简单。小直径链轮可采用实心式、腹板式，或将链轮与轴做成一体。链轮损坏主要由于齿的磨损，所以大链轮最好采用齿圈可以更换的组合式。

6. 流体传动:用流体作为工作介质的一种传动称为流体传动。其中，依靠液体的静压力传递能量的称为液压传动。依靠叶轮与液体之间的流体动力作用传递能量的称为液力传动。利用气体的压力传递能量的称为气压传动。

流体传动系统中最基本的组成部分是：将机械能转换成液体压力能的转换元件，如压缩机、液压泵和泵轮等；将流体压力能转换成机械能的转换元件，如气动马达、气缸、液压马达、液压缸和涡轮等，这种转换元件也称为执行元件；对流体能量进行控制的各种控制元件，如液压控制阀、液压伺服阀、气动逻辑元件和射流元件等。此外流体传动系统中还包括液力耦合器、液力变矩器、活塞与气缸等部分。

流体传动系统中常用的元件有：

(1) 液压泵：液压泵是为液压传动提供加压液体的一种液压元件，是泵的一种。它的功能是把动力机的机械能转换成液体的压力能。输出流量可以根据需要来调节的称为变量泵，流量不能调节的为定量泵。常用的液压泵有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵3种。齿轮泵体积小，结构简单，对油的清洁度要求不严，但泵受不平衡力，磨损严重，泄漏较大。叶片泵流量均匀，运转平稳，噪音小，工作压力和容积效率比齿轮泵高，结构也比齿轮泵复杂。柱塞泵容积效率高，泄漏小，可在高压下工作，多用于大功率液压系统；但结构复杂，价格贵，对油的清洁度要求高。一般在齿轮泵和叶片泵不能满足要求时才用柱塞泵。

(2) 液压马达：液压马达是液压传动中的一种执行元件。它的功能是把液体的压力能转换为机械能以驱动工作部件。它与液压泵的功能恰恰相反。液压马达在结构、分类和工作原理上与液压泵大致相同。有些液压泵也可直接用作为液压马达。液压泵只是单向转动，而液压马达则能正反转。液压马达可分为柱塞马达、齿轮马达和叶片马达。柱塞马达种类较多，有轴向柱塞马达和径向柱塞马达。轴向柱塞马达大都属于高速马达，径向柱塞马达则属于低速马达。齿轮马达和叶片马达属于高速马达，它们的惯性和输出扭矩很小，便于起动和反向，但在低速时速度不稳或效率显著降低。图2-14液压集成阀体

(3) 液压控制阀：液压控制阀是液压传动中用来控制液体压力、流量和方向的元件，如图2-14为一实际工程中应用的液压集成阀。液压控制阀主要有三类，其中控制压力的称为压力控制阀，控制流量的称为流量控制阀，控制通、断和流向的称为方向控制阀。

压力控制阀按用途分为溢流阀、减压阀和顺序阀。溢流阀能控制液压系统在达到调定压力时保持恒定状态。当系统发生故障，压力升高到可能造成破坏的限定值时，阀口会打开而溢流，以保证系统的安全。减压阀能控制分支回路得到比主回路油压低的稳定压力。顺序阀能使一个执行元件动作以后，再按顺序使其他执行元件动作。

流量控制阀的功能是调节阀芯和阀体间的节流口面积和它所产生的局部阻力对流量进行调节，从而控制执行元件的速度。流量控制阀按用途分为5种：① 节流阀：在调定节流口面积后，能使载荷压力变化不大和运动均匀性要求不高的执行元件的运动速度基本上保持稳定。② 调速阀：在载荷压力变化时能保证节流阀的进出口压差为定值。③ 分流阀：不论载荷大小，能使同一油源的两个执行元件得到相等流量的为等量分流阀，得到按比例分配流量的为比例分流阀。④ 集流阀：作用与分流阀相反，使流入集流阀的流量按比例分配。⑤ 分流集流阀：兼有分流阀和集流阀两种功能。

方向控制阀按用途分为单向阀和换向阀。单向阀只允许流体在管道中单向接通，反向即切断。换向阀能改变不同管路间的通、断关系。根据阀芯在阀体中的工作位置数分两位、三位等；根据所控制的通道数分两通、三通、四通、五通等；根据阀芯驱动方式分手动、机动、电动、液动等。

(4) 液力耦合器：液力耦合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。液力耦合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。液力耦合器的输入轴和输出轴间靠液体联系，工件构件间不存在刚性联接。液力耦合器的特点是：能消除冲击和振动；输出转速低于输入转速，两轴的转速差随着载荷的增大而增加；过载保护性能和起动性能好。

(5) 液力变矩器：液力变矩器是以液体为工作介质的一种非刚性扭矩变换器。液力变矩器靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。液力变矩器不同于液力耦合器的主要特征是它具有固定的导轮。导轮对液体的导流作用使液力变矩器的输出扭矩可高于或低于输入扭矩，因而成为变矩器。液力变矩器特点是：能消除冲击和振动，过载保护性能和起动性能好；输出转速可大于或小于输入转速，两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同；有良好的自动变速性能。

(6) 气缸和液压缸：气缸是用于气压传动中的实现往复运动的气动执行元件。它主要由活塞、活塞杆和气缸体等组成。其中，沿缸体轴线往复运动的活塞零件一般有圆盘形、圆柱形和圆筒形3种形式。在气缸中，活塞在气压的推动下做功。活塞的工作端面承受工作气体的压力，并与缸盖、缸壁构成燃烧室或压缩容积。活塞可用铸铁、锻钢、铸钢和铝合金等材料制造。气缸是气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸一般分为单作用气缸和双作用气缸两种。在单作用气缸中，仅一端有活塞杆，活塞将气缸分成两部分。而双作用气缸中，两端都有活塞杆，分别从活塞的两侧供气。同样，在液压传动中，有液压缸执行元件，结构和工作原理同气缸类似。

7. 其他传动

(1) 摩擦轮传动：利用两个或两个以上相互压紧的轮子间的摩擦力传递动力和运动的机械传动称为摩擦轮传动。工作时摩擦轮之间必须有足够的压紧力，以免产生打滑现象。摩擦轮传动按传动比的不同可分为定传动比摩擦轮传动和变传动比摩擦轮传动两类。定传动比摩擦轮传动按照摩擦轮形状不同，又可分为圆柱平摩擦轮传动和圆柱槽摩擦轮传动。在相同径向压力下，槽摩擦轮传动可以产生较大的摩擦力，比平摩擦轮具有较高的传动能力，但槽轮易于磨损。变传动比摩擦轮传动易实现无级变速，并具有较大的调速幅度。摩擦轮传动具有结构简单、传动平稳、传动比调节方便、过载时能产生打滑而避免损坏装置等优点。其缺点是传动比不准确、效率低、磨损大，而且通常轴受力较大，所以主要用于传递动力不大、传动比要求不严格或需要无级调速的情况。

(2) 螺旋传动：利用螺杆和螺母的啮合来传递运动和动力的机械传动称为螺旋传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点，螺旋传动分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。① 传力螺旋以传力为主，它用较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。② 传导螺旋以传递运动为主，常要求具有高运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的丝杠。③ 调整螺旋用于调整并固定零件或部件的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。

联接、支撑、制动与密封

1. 联接的类型:利用不同方式将机械零件联成一体的技术称为联接。机器有很多零部件组成，这些零部件通过联接来实现机器的职能，所以联接是构成机器的重要环节。按被联接件间的相互关系，联接分为静联接和动联接。机器工作时，被联接件间的相互位置不容许变化的称为静联接，被联接件间的相互位置在工作时容许有一定形式的变化称为动联接。按联接件能否不被毁坏而拆开，联接可分为可拆联接和不可拆联接。可拆联接有螺纹联接、楔联接、销联接、键联接和花键联接等。采用可拆联接通常是由于结构、维护、制造、装配、运输和安装等方面的原因。不可拆联接有铆接、焊接和胶接等。采用不可拆联接通常是由于工艺上的原因。

2. 联轴器:联接主动轴和从动轴，使之共同旋转，以传递运动和扭矩的机械零件，称为联轴器，如图2-15所示。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴、从动轴联接，并联接成一体。大多数动力机都依靠联轴器与工作机联接。联轴器的类型很多，通常分为刚性联轴器和弹性联轴器两类。图2-15十字连接联轴器

(1) 刚性联轴器：刚性联轴器适用于两轴能严格对中并在工作中不发生相对位移的地方。主要有凸缘联轴器、套筒联轴器和夹壳联轴器3种。刚性联轴器结构简单，价格较低，制造容易，两轴瞬时转速相同，但要求所联两轴保持在同轴线上无相对位移，以免产生附加动载。

在刚性联轴器中，凸缘联轴器是应用最广的一种。这种联轴器主要由两个分装在轴端的半联轴器和联接它们的螺栓所组成。凸缘联轴器对中精度可靠，传递转矩较大，但要求两轴同轴度好，主要用于载荷平稳的联接中。

套筒联轴器由联接两轴轴端的套简和联接套筒与轴的联接零件(键或销钉)所组成。套筒联轴器径向尺寸和转动惯量都很小，可用于启动频繁、速度常变的传动。由于这种联铀器的径向尺寸较小，所以在机床中应用很广。

夹壳联轴器由纵向剖分的两半筒形夹壳和联接它们的螺栓所组成。由于这种联轴器在装卸时不用移动轴，所以使用起来很方便，夹壳联轴器常用于联接垂直安置的轴。

(2) 弹性联轴器：弹性联轴器适用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方。如图2-16所示为一弹性销轴联轴器形貌，它是靠弹性销轴元件的弹性变形来补偿两轴轴线的相对位移，且有缓冲、减震性能。弹性元件的材料有金属和非金属两种。金属弹性元件强度高，承载能力大，弹性模量大而稳定，受温度影响小，但成本较高。使用金属弹性元件的联轴器有簧片联轴器、盘簧联轴器、卷簧联轴器等。簧片联轴器具有高弹性和良好的阻尼性能，适用于载荷变化不大的大功率场合。盘簧联轴器由带状弹簧绕在两半联轴器的齿间构成，依靠不同的齿形可做成定刚度或变刚度的联轴器，后者适用于扭矩变化较大的两轴间的联接。图2-16弹性销轴联轴器

使用非金属弹性元件容易得到不同的刚度，内摩擦大，单位体积储存的变形能大，阻尼效果好，工作时无需润滑，重量轻，但强度较低，承载能力小，材料容易老化和磨损，寿命较短。使用橡胶、尼龙和聚氨酯等非金属弹性元件的有弹性圆柱联轴器、轮胎联轴器、高弹性橡胶联轴器、橡胶套筒联轴器、橡胶板联轴器和尼龙柱销联轴器等。弹性圆柱联轴器广泛用于载荷平稳、要求正反转或起动频繁的传动。轮胎联轴器用橡胶或橡胶织物制成轮胎作为弹性元件，扭转刚度小，缓冲减震能力强，适用于潮湿、多尘、冲击大、需要正反转或两轴相对位移较大的联接，在起重运输机械中应用较广。高弹性橡胶常成对配置，具有较高的弹性和良好的减震性能。橡胶套筒联轴器和橡胶板联轴器结构简单，易于制造，应用也很广泛。尼龙柱销联轴器与弹性圈柱联轴器相似，但结构较简单，耐磨性和减振能力也较强。

3. 离合器:离合器也是联接两轴使之一同回转并传递转矩的一种部件。离合器和联轴器的不同点是：联轴器只有在机器停车后用拆卸方法才能把两轴分离；而离合器不必采用拆卸方法，在机器工作时就能将两轴分离或接合。利用离合器可使机器起动、停止、换向和变速等。例如机床中的离合器可使主轴迅速与动力机接合或分离，能节省停车和起动等辅助时间，提高机床的生产率。

离合器的种类很多，按控制方式可分为操纵式和自动式的离合器。操纵式的有：嵌入式离合器、摩擦离合器、磁粉离合器等；自动式的有：安全离合器、离心离合器、超越离合器等。

嵌入式离合器通过牙、齿或键的嵌合来传递扭矩。它结构简单，外形尺寸较小，可传递较大的扭矩；但接合时有冲击，两轴间转速不宜过大。

摩擦离合器利用摩擦力传递扭矩。它接合和分离迅速，操作方便，振动和冲击较小，超载时其摩擦件发生打滑，有过载保护作用；但从动轴与主动轴不能严格同步，摩擦件的微量打滑导致能量损失并会发热和磨损，所以需要经常调整和更换。

磁粉离合器利用激磁线圈使磁粉磁化，形成磁粉链以传递扭矩。电流增大时，磁场增强，则磁粉链传递扭矩增大。这种离合器离合迅速，运转平稳，能使主、从动轴在同步、有转速差和制动状态下工作；通过磁粉打滑可起过载保护作用，通过控制电流易于实现无级调速。

安全离合器能在载荷达到最大值时使联接件破坏、分开和打滑等，从而防止机器中重要零件的损坏。

离心离合器有自动联接的和自动分离的两种。前者在机器起动后，当主动轴转速升高到某一定值时，离合器上瓦块的离心力将克服弹簧拉力作用在外鼓轮上，从而将运动传递到从动轴；后者是限制从动轴最高转速的一种装置，当轴的转速升高到某一定值时，离合器就由于离心力的作用而处于分离状态。

超越离合器利用棘轮-棘爪的啮合或滚柱、楔块的楔紧作用单向传递运动或扭矩。当主动轴反转或转速低于从动轴时，离合器就自动分离，是一种定向离合器。啮合式结构简单，但外形尺寸大，分离状态下有噪声，常用于低速不重要的场合。楔紧式结合平稳，无噪声，外形尺寸小，但制造工艺要求高，可用于高速和重载情况。

4. 制动器:制动器是使机械中的运动件停止或减速的机械零件，俗称刹车或闸。制动器主要有制动架、制动件和操纵装置等组成。为了减小制动力矩和结构尺寸，通常装在高速轴上。但对安全性要求高的机器，如电梯和矿井卷扬机等，则应直接装在卷筒轴上。图2-17电磁制动器

制动器分为摩擦式和非摩擦式两类。摩擦式制动器靠制动件和运动件的摩擦力制动。按制动件的结构形式又分为块式制动器、带式制动器和盘式制动器等。摩擦式制动器按制动件所处工作状态还分为常闭式制动器和常开式制动器。前者经常处于紧闸状态，要施加外力才能解除制动作用；后者经常处于松闸状态，要施加外力才能制动。非摩擦式制动器有电磁制动器和水涡流制动器。图2-17示出的属于电磁制动器的一种。

块式制动器是靠制动块压紧在制动轮上实现制动的制动器。单个制动块对制动轮轴压力大而不匀，故通常多用一对制动块，使制动轮轴上所受制动块的压力抵消。块式制动器有外抱式和内张式两种。外抱式制动器的磁铁直接装在制动臂上。工作时，动铁芯绕销轴实现松闸；磁铁断电时靠主弹簧紧闸。这种制动器结构紧凑，紧闸和松闸动作快，但冲击力大。内张式制动器的制动块位于制动轮的内部，通过踏板、拉杆和凸块使制动块张开，压紧制动轮内面而紧闸，松开踏板则弹簧拉回制动块而松闸。这种制动器也可用液压或气压等操作。内张式块式制动器结构紧凑，防尘性好，可用于安装空间受限制的场合，广泛用于各种车辆。

带式制动器是利用挠性钢带压紧制动轮来实现制动的制动器。挠性钢带中多装有皮革、木块或石棉摩擦材料，以增大摩擦系数和减轻带的磨损。带式制动器构造简单，尺寸紧凑，但制动轮轴上受力较大，摩擦面上压力分布不均匀，因而磨损也不均匀。这种制动器通常用于中小型起重机、车辆和人力操纵的场合，不如块式制动器应用广泛。

盘式制动器是靠圆盘间的摩擦力实现制动的制动器，主要有全盘式和点盘式两种类型。全盘式制动器由定圆盘和动圆盘组成。定圆盘通过导向平键或花键联接于固定壳内，而动圆盘用导向平键或花键装在制动轴上，并随轴一起旋转。当受到轴向力时，动、定圆盘相互压紧而制动。这种制动器结构紧凑，摩擦面积大，制动力矩大，但散热条件差。点盘式制动器的制动块通过液压驱动装置夹紧装在轴上的制动盘而实现制动。为增大制动力矩，可采用数对制动块。各对制动块在径向上成对布置，以使制动轴不受径向力和弯矩。点盘式制动器比全盘式制动器散热条件好，装拆也比较方便。盘式制动器体积小、质量小、动作灵敏，较多地用于起重运输机械和卷扬机等机械中。

电磁制动器是利用电磁效应实现制动的制动器，分为电磁粉末制动器和电磁涡流制动器两种。在电磁粉末制动器中，激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化，形成磁粉链，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。这种制动器体积小，重量轻，激磁功率小，而且制动力矩与转动件转速无关，但磁粉会引起零件磨损。它便于自动控制，适用于各种机器的驱动系统。在电磁涡流制动器中，激磁线圈通电时形成磁场，制动轴上的电枢旋转切割磁力线而产生涡流。电枢内的涡流与磁场相互作用形成制动力矩。电磁涡流制动器坚固耐用、维修方便、调速范围大；但低速时效率低、温升高，必须采取散热措施。这种制动器常用于有垂直载荷的机械中。

5. 轴承:轴承也是支撑和约束轴的旋转或摆动的八大基础机械零件之一。轴承和轴构成活动联接，借以传递载荷和约束轴的运动。常见的轴承主要有滑动轴承和滚动轴承两大类，如图2-18所示。前者在滑动摩擦下工作，后者在滚动摩擦下工作。图2-18轴承

滑动轴承是在滑动摩擦条件下工作的一类轴承。用来承受径向载荷的称为径向滑动轴承，用来承受轴向载荷的称为推动滑动轴承。轴被轴承支撑的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。使用中多数是轴承固定，轴在轴承中旋转。滑动轴承用油作润滑剂，是两相对运动表面完全为油膜隔离开。这一类轴承在液体润滑下工作，载荷由油膜压力支撑，其摩擦完全取决于油的黏度，所以摩擦阻力很小。正常工作时，运动表面不会直接接触，所以没有磨损。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声，在液体润滑条件下油膜还具有一定的吸振作用。图2-19滚动轴承的分类和组成

滚动轴承是用一组滚动元件把两相对运动表面隔开，在滚动摩擦下工作的一类轴承，其分类和组成如图2-19所示。滚动轴承按承载方向可分为向心轴承和推力轴承。向心轴承主要承受径向力，也能同时承受不大的轴向力；推力轴承只能承受轴向力。向心推力轴承能同时承受径向力和轴向力。滚动轴承按滚动元件形状又可分为球轴承、滚子轴承和滚针轴承。转速较高、载荷较小、要求旋转精度较高时宜选用球轴承；载荷大时宜选用滚子轴承；载荷大而径向尺寸又受限制时宜选用滚针轴承。向心轴承的套圈分内圈和外圈，内圈常与轴紧套并随轴一起旋转，外圈装在轴承座孔中。滚动体沿套圈的滚道滚动，由保持架隔开，避免相互摩擦。推力轴承分紧圈和活圈两部分。紧圈与轴紧套，活圈支承在轴承座上。滚动轴承的摩擦系数比较低，且不随速度变化，所以机器容易启动。滚动轴承的标准化和商品化程度很高，便于选用。滚动轴承消耗润滑剂少，大多能用脂润滑，润滑脂不易流失，使用维护方便。与滑动轴承比较，滚动轴承的径向尺寸较大，减振能力较差，高速时寿命较低、噪声较大。

轴承的应用非常广泛，几乎所有的动力机械中都离不开轴承。

6. 弹簧:弹簧是利用自身的变形来产生力或储存能量的零件，也是机械中最常用的零件之一。弹簧的主要功用是：控制机械的运动，例如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧；吸收振动和冲击能量，例如车辆中的缓冲弹簧、联轴器中的吸振弹簧；储蓄能量，例如钟表弹簧；测量力的大小，例如测力器和弹簧秤中的弹簧等等。

弹簧按照受力的性质，主要分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧和弯曲弹簧等4种。按照弹簧形状又可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧、盘簧等。

螺旋弹簧是用弹簧丝卷绕制成的，由于制造简便，所以应用最广。碟形弹簧和环形弹簧能承受很大的冲击载荷，并具有良好的吸振能力，所以常用作缓冲弹簧。在载荷相当大和弹簧轴向尺寸受限制的地方，可以采用碟形弹簧。环形弹簧是目前最强力的缓冲弹簧，近代重型列车、锻压设备和飞机着陆装置中用它作为缓冲零件。螺旋扭转弹簧是扭转弹簧中最常用的一种。当受载不很大而轴向尺寸又很小时，可以采用盘簧。盘簧在各种仪器中广泛地用作储能装置。板弹簧主要受弯曲作用，它常用于受载方向尺寸有限制而变形量又较大的地方。由于板弹簧有较好的消振能力，所以在汽车、铁路客货车等车辆中应用很普遍。

7. 密封:密封是防止工作介质从机器(或设备)中泄露或外界杂质侵入其内部的一种措施。密封分为静密封和动密封。机械(或设备)中相对静止件间的密封称为静密封；相对运动件间的密封称为动密封。被密封的工作介质可以是气体、液体或粉状固体。密封不良会降低机器效率、造成浪费和污染环境。易燃、易爆或有毒性的工作介质泄露会危及人身和设备安全。气、水或粉尘侵入设备会污染工作介质，影响产品质量，增加零件磨损，缩短机器寿命。

第三章 机械制造工艺与设备

一、热加工

热加工是在高于再结晶温度的条件下，使金属材料同时产生塑性变形和再结晶的加工方法。热加工通常包括

铸造

熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。铸造是一门应用科学，广泛用于生产机器零件或毛坯，其实质是液态金属逐步冷却凝固而成形，具有以下优点：

1. 可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。

2. 铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5毫米到1米。

3. 铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。

图3-1所示的零件，其毛坯都是采用铸造的方法获得的，其中左图为树脂型铸造而得，右图为砂型铸造获得。图3-1铸造零件图

但是，液态成形也给铸件带来某些缺点，如铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。加之铸造工序多，且难于精确控制，使得铸件质量不够稳定。同时铸造的劳动条件差。

尽管铸造存在着上述缺点，但是其优点是显而易见的，故铸造在工业生产中得到广泛应用。现代各类机器设备中，铸件所占的比例很大，如在机床、内燃机中，铸件占机器总重的70%～80%，在一些重型机械中，铸件可占总重的90%以上。

我国铸造生产有着悠久的历史。早在3 000年前，青铜铸器已有应用，2 500年前，铸铁工具已经相当普遍。例如，始建于公元856年的河北正定隆兴寺内的铜佛菩萨，高22米余，42臂，重120吨，是我国古代最大的佛像，且造型生动逼真，是一尊难得的佛教艺术珍品；再如制造于公元953年的河北沧州铁狮子，身高5.4米，长6.5米，宽3米，重40吨，颈下及体外铸有“狮子王”、“大周广顺三年铸”等字样，腹内还铸有金刚经文，雄伟壮观，具有极高的艺术价值，充分体现了我国古代劳动人民精湛的铸造技艺。大量历史文物显示出我国古代劳动人民在世界铸造史上做出的卓越贡献，如泥型、金属型、石蜡型三大铸造技术就是我国的创造。

随着铸造技术的发展，除了机器制造业外，在公共设施、生活用品、工艺美术和建筑等国民经济各个领域，也广泛采用各种铸件。

铸件的生产工艺方法大体分为砂型铸造和特种铸造两大类。

1. 砂型铸造:在砂型铸造中，造型和造芯是最基本的工序。它们对铸件的质量、生产率和成本的影响很大。造型通常可分为手工造型和机器造型。手工造型是用手工或手动工具完成紧砂、起模、修型工序。其特点为：① 操作灵活，可按铸件尺寸、形状、批量与现场生产条件灵活地选用具体的造型方法；② 工艺适应性强；③ 生产准备周期短；④ 生产效率低；⑤ 质量稳定性差，铸件尺寸精度、表面质量较差；⑥ 对工人技术要求高，劳动强度大。

手工造型主要适应于单件、小批量铸件或难以用造型机械生产的形状复杂的大型铸件。

随着现代化大生产的发展，机器造型已代替了大部分的手工造型，机器造型不但生产率高，而且质量稳定，劳动强度低，是成批大量生产铸件的主要方法。机器造型的实质是采用机器完成全部操作，至少完成紧砂操作的造型方法，效率高，铸型和铸件质量高，但投资较大。适用于大量或成批生产的中小铸件。

在铸造生产中，一般根据产品的结构、技术要求、生产批量及生产条件进行工艺设计。铸造工艺设计包括选择浇注位置和分型面、确定浇注系统、确定型芯的形式等几个方面。

2. 特种铸造:随着科学技术的发展和生产水平的提高，对铸件质量、劳动生产率、劳动条件和生产成本有了进一步的要求，因而铸造方法有了长足的发展。所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺。目前特种铸造方法已发展到几十种。常用的有熔模铸造、金属型铸造、离心铸造、压力铸造、低压铸造、陶瓷型铸造、实型铸造、磁型铸造、石墨型铸造、差压铸造、连续铸造、挤压铸造等。图3-2特种铸造实物

特种铸造能获得如此迅速的发展，主要由于这些方法一般都能提高铸件的尺寸精度和表面质量，或提高铸件的物理及力学性能；此外，大多能提高金属的利用率(工艺出品率)，减少原砂消耗量；有些方法更适宜于高熔点、低流动性、易氧化合金铸件的铸造；有的明显改善劳动条件，并便于实现机械化和自动化生产等，如图3-2所示为特种铸造获得的零件实物。

3. 铸造技术的发展趋势:随着科学技术的进步和国民经济的发展，对铸造提出优质、低耗、高效少污染的要求，铸造技术将向以下几方面发展：

(1) 数字化、自动化技术的发展：随着汽车工业等大批大量制造的要求，各种新的造型方法(如高压造型、射压造型、气冲造型等)和制芯方法进一步开发和推广。当前，由于功能强大的现代CAD/CAM软件和数控机床等数字化成形与加工工具和设备的发展，为铸型的设计、制造提供了高效、高精度的铸型制造方法。

(2) 特种铸造工艺的发展：随着现代工业对铸件的比强度、比刚度的要求增加，以及少无切削加工的发展，特种铸造工艺向大型铸件方向发展。铸造柔性加工系统逐步推广，逐步适应多品种少批量的产品升级换代的需求。复合铸造技术(如挤压铸造和熔模真空吸铸)和一些全新的工艺方法(如实型铸造工艺、超级合金等离子滴铸工艺等)逐步进入应用。

(3) 特殊性能合金进入应用：球墨铸铁、合金钢、铝合金等高比强度、高比刚度的材料逐步进入应用。新型铸造功能材料如铸造复合材料、阻尼材料和具有特殊磁学、电学、热学性能和耐辐射材料进入铸造成形领域。

(4) 微电子技术进入使用：铸造生产的各个环节已开始使用微电子技术，如铸造工艺和模具的CAD及CAM，凝固过程数值模拟，铸造过程自动检测、监测与控制，铸造工程MIS，各种数据及专家系统，机器人的应用等。

(5) 新的造型材料的开发和应用。焊接

焊接是现代制造技术中重要的金属连接技术。焊接成形技术的本质在于：利用加热或者同时加热加压的方法，使分离的金属零件形成原子间的结合，从而形成新的金属结构。

焊接的实质是使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。要使两个分离的物体形成永久性结合，首先必须使两个物体相互接近到0.3～0.5纳米的距离，使之达到原子间的力能够互相作用的程度，这对液体来说是很容易的。但对固体则需外部给予很大的能量才会使其接触表面之间达到原子间结合的距离。而实际金属由于固体硬度较高，无论其表面精度多高，实际上也只能是部分点接触，加之其表面还会有各种杂质，如氧化物、油脂、尘土及气体分子的吸附所形成的薄膜等，这些都是妨碍两个物体原子结合的因素。焊接技术就是采用加热、加压或两者并用的方法，来克服阻碍原子结合的因素，以达到二者永久牢固连接的目的。

焊接的优点在于：

1. 接头的力学性能与使用性能良好。例如，120万千瓦核电站锅炉，外径6 400毫米，壁厚200毫米，高13 000毫米，耐压17.5兆帕。使用温度350℃，接缝不能泄漏。应用焊接方法，制造出了满足上述要求的结构。

某些零件的制造只能采用焊接的方法连接。例如电子产品中的芯片和印刷电路板之间的连接，要求导电并具有一定的强度，到目前为止，只能用钎焊连接。

2. 与铆接相比，采用焊接工艺制造的金属结构重量轻，节约原材料，制造周期短，成本低。

焊接存在的问题是：焊接接头的组织和性能与母材相比会发生变化；容易产生焊接裂纹等缺陷；焊接后会产生残余应力与变形。这些都会影响焊接结构的质量。

焊接方法种类很多，根据焊接过程的特点，主要有熔化焊、压力焊、钎焊。

熔化焊是利用局部加热的手段，将工件的焊接处加热到熔化状态，形成熔池，然后冷却结晶，形成焊缝的焊接方法。熔化焊简称熔焊。

压力焊是在焊接过程中对工件加压(加热或不加热)完成焊接的方法。压力焊简称压焊。

钎焊是利用熔点比母材低的填充金属熔化以后，填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的焊接方法。

焊接广泛用于汽车、造船、飞机、锅炉、压力容器、建筑、电子等工业部门，世界上钢产量的50%～60%要经过焊接才能最终投入使用。

1. 手工电弧焊:手工电弧焊是利用手工操纵电焊条进行焊接的电弧焊方法。电弧导电时，产生大量的热量，同时发出强烈的弧光。手工电弧焊是利用电弧的热量熔化熔池和焊条的。

焊缝形成过程：焊接时，在电弧高热的作用下，被焊金属局部熔化，在电弧吹力作用下，被焊金属上形成了卵形的凹坑。这个凹坑称为熔池。

由于焊接时焊条倾斜，在电弧吹力作用下，熔池的金属被排向熔池后方，这样电弧就能不断地使深处的被焊金属熔化，达到一定的熔深。

焊条药皮熔化过程中会产生某种气体和液态熔渣。产生的气体充满电弧和熔池周围的空间，起到隔绝空气的作用。液态熔渣浮在液体金属表面，起保护液体金属的作用。此外，熔化的焊条金属向熔池过渡，不断填充焊缝。

熔池中的液态金属、液态熔渣和气体之间进行着复杂的物理、化学反应，称之为冶金反应，这种反应对焊缝的质量有较大的影响。

熔渣的凝固温度低于液态金属的结晶温度，冶金反应中产生的杂质与气体能从熔池金属中不断被排出。熔渣凝固后，均匀地覆盖在焊缝上。

焊缝的空间位置有平焊、横焊、立焊和仰焊。焊条的组成与作用：焊条对手工电弧焊的冶金过程有极大的影响，是决定手工电弧焊焊接质量的主要因素。

如图3-3所示，焊条由焊芯与药皮组成。焊芯是一根具有一定长度与直径的钢丝。由于焊芯的成分会直接影响焊缝的质量，所以焊芯用的钢丝都需经过特殊冶炼，有专门的牌号。这种焊接专用钢丝称为焊丝，如H08A等。图3-3焊条组成

焊条的直径就是指焊芯的直径。结构钢焊条直径从1.6～8毫米，共分8种规格。焊条的长度是指焊芯的长度，一般均在200～550毫米之间。

在焊接技术发展的初期，电弧焊采用没有药皮的光焊丝焊接。在焊接过程中，电弧很不稳定。此外，空气中的氧气和氮气大量侵入熔池，将铁、碳、锰等氧化或氮化成各种氧化物和氮化物。溶入的气体又产生大量气孔，这些都使焊缝的力学性能大大降低。

在上世纪30年代，发明了药皮焊条，解决了上述问题，使电弧焊大量应用于工业中。

药皮的主要作用是：

(1) 药皮中的稳弧剂可以使电弧稳定燃烧，飞溅少，焊缝成形好。

(2) 药皮中有造气剂，熔化时释放的气体可以隔离空气，保护电弧空间熔化后产生熔渣。熔渣覆盖在熔池上可以保护熔池。

(3) 药皮中有脱氧剂(主要是锰铁、硅铁等)、合金剂。通过冶金反应，可以去除有害杂质；添加合金元素，可以改善焊缝的力学性能。碱性焊条中的萤石可以通过冶金反应去氢。

焊条按用途可分为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍合金焊条、铜合金焊条、铝合金焊条等。

2. 其他焊接方法

(1) 气焊与气割：气焊是利用气体火焰作为热源的焊接方法。常用氧-乙炔火焰作为热源。氧气和乙炔在焊炬中混合，点燃后加热焊丝和工件。气焊焊丝一般选用和母材相近的金属丝。焊接不锈钢、铸铁、铜合金、铝合金时，常使用焊剂去除焊接过程中产生的氧化物。

气割又称氧气切割，是广泛应用的下料方法。气割的原理是利用预热火焰将被切割的金属预热到燃点，再向此处喷射氧气流。被预热到燃点的金属在氧气流中燃烧形成金属氧化物。同时，这一燃烧过程放出大量的热量。这些热量将金属氧化物熔化为熔渣。熔渣被氧气流吹掉，形成切口。接着，燃烧热与预热火焰又进一步加热并切割其他金属。因此，气割实质上是金属在氧气中燃烧的过程。金属燃烧放出的热量在气割中具有重要的作用。

(2) 二氧化碳气体保护焊：二氧化碳气体保护焊是以二氧化碳气体作为保护介质的气体保护焊方法，如图3-4所示。图3-4二氧化碳气体保护焊

二氧化碳气体保护焊用焊丝做电极，焊丝是自动送进的。二氧化碳气体保护焊分为细丝二氧化碳气体保护焊(焊丝直径0.5～1.2 毫米)和粗丝二氧化碳气体保护焊(焊丝直径1.6～5.0毫米)。细丝二氧化碳气体保护焊用得较多，主要用于焊接0.8～4.0毫米的薄板。此外，药芯焊丝的二氧化碳气体保护焊也日益广泛使用。其特点是焊丝是空心管状的，里面充满焊药，焊接时形成气—渣联合保护，可以获得更好的焊接质量。

利用二氧化碳气体作为保护介质，可以隔离空气。二氧化碳气体是一种氧化性气体，在焊接过程中会使焊缝金属氧化。故须采取脱氧措施，即在焊丝中加入脱氧剂，如硅、锰等。二氧化碳气体保护焊常用的焊丝是H08MnSiA。

二氧化碳气体保护焊的主要优点是：

① 生产率高：比手工电弧焊高1～5倍，且工作时连续焊接，不需要换焊条，不必敲渣。

② 成本低：二氧化碳气体是很多工业部门的副产品，所以成本较低。

二氧化碳气体保护焊是一种重要的焊接方法，主要用于焊接低碳钢和低合金钢。在汽车工业和其他工业部门中广泛应用。

(3) 电阻焊：在电阻焊时，电流在通过焊接接头时会产生接触电阻热。电阻焊是利用接触电阻热将接头加热到塑性或熔化状态，再通过电极施加压力，形成原子间结合的焊接方法。

(4) 钎焊：钎焊时母材不熔化。钎焊时使用钎剂、钎料，将钎料加热到熔化状态，液态的钎料润湿母材，并通过毛细管作用填充到接头的间隙，进而与母材相互扩散，冷却后形成接头。

钎焊接头的形式一般采用搭接，以便于钎料的流布。钎料放在焊接的间隙内或接头附近。

钎剂的作用是去除母材和钎料表面的氧化膜，覆盖在母材和钎料的表面，隔绝空气，具有保护作用。钎剂同时可以改善液体钎料对母材的润湿性能。

焊接电子零件时，钎料是焊锡，钎剂是松香，钎焊是连接电子零件的重要焊接工艺。

钎焊可分为两大类：硬钎焊与软钎焊。硬钎焊的特点是所用钎料的熔化温度高于450℃。接头的强度大。用于受力较大、工作温度较高的场合。所用的钎料多为铜基、银基等。钎料熔化温度低于450℃的钎焊是软钎焊。软钎焊常用锡铅钎料，适用于受力不大、工作温度较低的场合。

钎焊的特点是接头光洁、气密性好。因为焊接的温度低，所以母材的组织性能变化不大。钎焊可以连接不同的材料。钎焊接头的强度和耐高温能力比其他焊接方法差。

钎焊广泛用于硬质合金刀头的焊接以及电子工业、电机、航空航天等工业。

3. 焊接新技术——焊接机器人:近年来各国所安装的工业机器人中，大约一半是焊接机器人。焊接机器人大量使用在汽车制造等领域，适用于弧焊、点焊和切割。焊接机器人常安装在自动生产线上，或和自动上下料装置及自动夹具一起组成焊接工作站。工业机器人大量应用于焊接生产不是偶然的事情，这是由焊接工艺的必然要求所决定的。无论是电弧焊还是电阻焊，在由人工进行操作的时候，都要求焊枪或焊钳在空间保持一定的角度。随着焊枪或焊钳的移动，这个角度不断地由操作者人为地进行调整。也就是说，焊接时焊枪或焊钳不仅需要有位置的移动，同时应该有“姿态”的控制。满足这种要求的自动焊机就是焊接机器人。焊接机器人的应用，可以提高焊接质量，改善工人的工作条件，是焊接自动化的重大进展。图3-5为一铆焊机器人外形。图3-5铆接机器人锻造

在冲击力或静压力的作用下，使热锭或热坯产生局部或全部的塑性变形，获得所需形状、尺寸和性能的锻件的加工方法称为锻造。

锻造一般是将轧制圆钢、方钢(中、小锻件)或钢锭(大锻件)加热到高温状态后进行加工。锻造能够改善铸态组织、铸造缺陷(缩孔、气孔等)，使锻件组织紧密、晶粒细化、成分均匀，从而显著提高金属的力学性能。因此，锻造主要用于那些承受重载、冲击载荷、交变载荷的重要机械零件或毛坯，如各种机床的主轴和齿轮，汽车发动机的曲轴和连杆，起重机吊钩及各种刀具、模具等。

锻造分为自由锻造、模型锻造及胎模锻。

1. 自由锻造:只采用通用工具或直接在锻造设备的上、下砥铁间使坯料变形获得锻件的方法称为自由锻。自由锻的原材料可以是轧材(中小型锻件)或钢锭(大型锻件)。自由锻工艺灵活、工具简单，主要适合于各种锻件的单件小批生产，也是特大型锻件的唯一生产方法。

自由锻的设备有锻锤和液压机两大类。锻锤是以冲击力使坯料变形的，设备规格以落下部分的重量来表示。常用的有空气锤和蒸汽—空气锤。空气锤的吨位较小，一般只有500～10 000牛，用于锻100千克以下的锻件；蒸汽—空气锤的吨位较大，可达10～50千牛，可锻1 500千克以下的锻件。

液压机是以液体产生的静压力使坯料变形的，设备规格以最大压力来表示。常用的有油压机和水压机。水压机的压力大，可达5 000～15 000千牛，是锻造大型锻件的主要设备。

自由锻的基本工序是指锻造过程中直接改变坯料形状和尺寸的工艺过程。主要包括镦粗、拔长、弯曲、冲孔、扭转、错移等，其中最常用的是镦粗、拔长和冲孔。

镦粗是使坯料的整体或一部分高度减小、断面积增大的工序。拔长是减小坯料截面积、增加其长度的工序。冲孔是在实心坯料上冲出通孔或不通孔的工序。

2. 胎膜锻:胎模锻是在自由锻设备上使用可移动的简单模具生产锻件的一种锻造方法。胎模锻造一般先采用自由锻制坯，然后在胎模中终锻成形，如图3-6所示。锻件的形状和尺寸主要靠胎模的型槽来保证。胎模不固定在设备上，锻造时用工具夹持着进行锻打。图3-6模锻示意图

与自由锻相比，胎模锻生产效率高，锻件加工余量小，精度高；与模锻相比，胎模制造简单，使用方便，成本较低，又不需要昂贵的设备。因此胎模锻曾广泛用于中小型锻件的中小批量生产。但胎模锻劳动强度大，辅助操作多，模具寿命低，在现代工业中已逐渐被模锻所取代。

3. 模型锻造:模型锻造简称为模锻，是将加热到锻造温度的金属坯料放到固定在模锻设备上的锻模模膛内，使坯料受压变形，从而获得锻件的方法。图3-7示出了采用模锻加工法获得的各种不同形状的机器零件。图3-7各种模型锻件

与自由锻和胎模锻相比，模锻可以锻制形状较为复杂的锻件，且锻件的形状和尺寸较准确，表面质量好，材料利用率和生产效率高。但模锻需采用专用的模锻设备和锻模，投资大、前期准备时间长，并且由于受三向压应力变形，变形抗力大，故而模锻只适用于中小型锻件的大批量生产。

生产中常用的模锻设备有模锻锤、热模锻压力机、摩擦压力机、平锻机等。其中尤其是模锻锤工艺适应性广，可生产各种类型的模锻件，设备费用也相对较低，长期以来一直是我国模锻生产中应用最多的一种模锻设备。

锤模锻是在自由锻和胎模锻的基础上发展起来的，其所用的锻模是由带有燕尾的上模和下模组成的。下模固定在模座上，上模固定在锤头上，并与锤头一起做上下往复的锤击运动。

根据锻件的形状和模锻工艺的安排，上、下模中都设有一定形状的凹腔，称为模膛。模膛根据功用分为制坯模膛和模锻模膛两大类。

制坯模膛主要作用是按照锻件形状合理分配坯料体积，使坯料形状基本接近锻件形状。制坯模膛分为拔长模膛、弯曲模膛、成形模膛、镦粗台及压扁面等。

模锻模膛又分为预锻模膛和终锻模膛两种。预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，以便在终锻成形时金属充型更加容易，同时减少终锻模膛的磨损，延长锻模的使用寿命。预锻模膛的圆角、模锻斜度均比终锻模膛大，而且不设飞边槽。终锻模膛的作用是使坯料变形到热锻件所要求的形状和尺寸，待冷却收缩后即达到冷锻件的形状和尺寸。终锻模膛的分模面上有一圈飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。模锻件的飞边须在模锻后切除。

实际锻造时应根据锻件的复杂程度相应选用单模膛锻模或多模膛锻模。一般形状简单的锻件采用仅有终锻模膛的单模膛锻模，而形状复杂的锻件(如截面不均匀、轴线弯曲、不对称等)则须采用具有制坯、预锻、终锻等多个模膛的锻模逐步成形。冲压

冲压是在冲床上用冲模使金属或非金属板料产生分离或变形而获得制件的加工方法。板料冲压通常在室温下进行，所以又称冷冲压。用于冲压的材料必须具有良好的塑性，常用的有低碳钢、高塑性合金钢、铝和铝合金、铜和铜合金等金属材料以及皮革、塑料、胶木等非金属材料。冲压的优点是生产率高，成本低；成品的形状复杂，尺寸精度高，表面质量好且刚度大、强度高、重量轻，无需切削加工即可使用。因此在汽车、拖拉机、电机、电器、日常生活用品及国防工业生产中得到广泛应用。图3-8中图(a)为空调底盘的冲压件，图(b)为铝叶轮的冲压件。图3-8冲压件

冲压常用的设备有剪床和冲床两大类。剪床的主要用途是把板料切成一定宽度的条料，为下一步的冲压备料。而冲床主要用来完成冲压的各道工序。

1. 冲压的基本工序:冲压的基本工序主要有冲孔和落料、弯曲、拉深等。将板坯在冲模刃口作用下沿封闭轮廓分离的工序称为冲孔或落料。

冲孔是用冲裁模在工件上冲出所需的孔形，而落料是用冲裁模从坯料上冲下所需形状的板块，作为工件或进一步加工的坯料。两者的模具结构基本相同，只是尺寸有所差别。冲孔模的凸模尺寸由工件尺寸决定，凹模比凸模放大一定的间隙量；落料模的凹模尺寸由工件尺寸决定，凸模比凹模缩小一定的间隙量。

弯曲是利用弯曲模使工件轴线弯成一定角度和曲率的工序。

拉深是利用模具将平板毛坯变成杯形、盒形等开口空心工件的工序。

2. 冲模:冲模是实现坯料分离或变形必不可少的工艺装备。典型冲模的主要组成部分及作用如下：① 工作部分：包括凸模、凹模等。实现板料分离或变形，完成冲压工序。② 定位部分：包括导板、定位销等。用于控制坯料的送进方向和送进距离。③ 卸料部分：包括卸料板、顶板等。用于在冲压后卸取板坯或工件。④ 导向部分：包括导柱、导套等。用来保证上、下模合模准确。⑤ 模体部分：包括上、下模板、模柄等。用于与冲床连接、传递压力。

对于冲模的种类，按照冲模完成的工序性质可分为冲孔模、落料模、弯曲模、拉深模等，按其工序的组合程度又可分为简单模、连续模和复合模。

(1) 简单模：在冲床的一次行程中只完成一道冲压工序的冲模。简单模结构简单但效率低，适合于小批量、低精度的冲压件生产。

(2) 连续模：在冲床的一次行程中，在模具的不同工位上完成两道或两道以上冲压工序的冲模。连续模效率高且结构相对简单，适合于大批量、一般精度的冲压件生产。

(3) 复合模：在冲床的一次行程中，在模具的同一工位上完成两道或两道以上冲压工序的冲模。复合模效率高但结构复杂，适合于大批量、高精度的冲压件生产。

近年来，随着CAD/CAM技术和数控机床、加工中心的发展，模具的制造周期大大缩短，原来生产周期6～12个月的模具，现在采用加工中心，只需1周或1个月便能制造出来。因此，模具的应用日益广泛。

二、 冷加工

在金属工艺学中，冷加工是指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冷挤压、冲压等。冷加工在金属成形的同时提高了金属的强度和硬度。在机械制造工艺学中，冷加工通常指金属的

切削加工

1. 切削加工的分类:切削加工是利用切削工具从工件上切去多余材料的加工方法。通过切削加工，使工件变成符合图样规定的形状、尺寸和表面粗糙度等方面要求的零件。切削加工分为机械加工和钳工加工两大类。

机械加工(简称机工)是利用机械力对各种工件进行加工的方法。它一般是通过工人操纵机床设备进行加工的，其方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削、磨削、研磨、超精加工和抛光等。

钳工加工(简称钳工)是指一般在钳台上以手工工具为主，对工件进行加工的各种加工方法。钳工的工作内容一般包括划线、锯削、锉削、刮削、研磨、钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹、机械装配和设备修理等。

对于有些工作，机械加工和钳工加工并没有明显的界限，例如钻孔和铰孔，攻螺纹和套螺纹，二者均可进行。随着加工技术的发展和自动化程度的提高，目前钳工加工的部分工作已被机械加工所替代，机械装配也在一定范围内不同程度地实现机械化和自动化，而且这种替代现象将会越来越多。尽管如此，钳工加工永远也不会被机械加工完全替代，将永远是切削加工中不可缺少的一部分。这是因为，在某些情况下，钳工加工不仅比机械加工灵活、经济、方便，而且更容易保证产品的质量。

2. 切削加工的特点和作用：

(1) 切削加工的精度和表面粗糙度的范围广泛，且可获得高的加工精度和低的表面粗糙度。

(2) 切削加工零件的材料、形状、尺寸和重量的范围较大。切削加工多用于金属材料的加工，如各种碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及其合金等，也可用于某些非金属材料的加工，如石材、木材、塑料和橡胶等；对于零件的形状和尺寸一般不受限制，只要能在机床上实现装夹，大都可进行切削加工，且可加工常见的各种型面，如外圆、内圆、锥面、平面、螺纹、齿形及空间曲面等。切削加工零件重量的范围很大，重的可达数百吨，如葛洲坝一号船闸的闸门，高30多米，重600吨；轻的只有几克、如微型仪表零件。

(3) 切削加工的生产率较高。在常规条件下，切削加工的生产率一般高于其他加工方法。只是在少数特殊场合，其生产率低于精密铸造、精密锻造和粉末冶金等方法。

(4) 切削过程中存在切削力，刀具和工件均须具有一定的强度和刚度，且刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度。因此，限制了切削加工在细微结构与高硬高强等特殊材料加工方面的应用，从而给特种加工留下了生存和发展的空间。

正是因为上述特点和生产批量等因素的制约，在现代机械制造中，目前除少数采用精密铸造、精密锻造以及粉末冶金和工程塑料压制成形等方法直接获得零件外，绝大多数机械零件要靠切削加工成形。因此，切削加工在机械制造业中占有十分重要的地位，目前占机械制造总工作量的40%～60%。它与国家整个工业的发展紧密相连，起着举足轻重的作用。完全可以说，没有切削加工，就没有机械制造业。

3. 切削加工的发展方向:随着科学技术和现代工业日新月异的飞速发展，切削加工也正朝着高精度、高效率、自动化、柔性化和智能化方向发展，主要体现在以下三方面：

(1) 加工设备朝着数字化、精密和超精密化以及高速和超高速方向发展。目前，普通加工、精密加工和高精度加工的精度已经达到了1微米、0.01微米和0.001微米(毫微米，即纳米)，正向原子级加工逼近。

(2) 刀具材料朝超硬刀具材料方向发展。

(3) 生产规模由目前的小批量和单品种大批量向多品种变批量的方向发展，生产方式由目前的手工操作、机械化、单机自动化、刚性流水线自动化向柔性自动化和智能自动化方向发展。

21世纪的切削加工技术与计算机、自动化、系统论、控制论及人工智能、计算机辅助设计与制造、计算机集成制造系统等高新技术及理论融合更加密切，出现了很多新的先进制造技术，切削加工正向着高精度、高速度、高效自动化、柔性化和智能化等方向发展，并由此推动了其他各新兴学科和经济的高速发展。

① 车削：车削加工是机械零件加工中最常用的一种加工方法。它是利用车刀在车床上完成加工，加工时，工件旋转，车刀在平面内作直线或曲线移动。

车削主要用来加工工件的内外圆柱面、端面、锥面、螺纹、成形回转表面和滚花等，图3-9所示为几种典型的车削方式。图3-9车削各种回转表面

② 铣削:铣削加工就是用旋转的铣刀作为刀具的切削加工。铣削一般在卧式铣床(简称卧铣)、立式铣床(简称立铣)、龙门铣床、工具铣床以及各种专用铣床上或镗床上进行。

铣削可加工平面(按加工时所处位置又分为水平面、垂直面、斜面)、沟槽(包括直角槽、键槽、V形槽、燕尾槽、T形槽、圆弧槽、螺旋槽)和成形面等，还可进行孔加工(包括钻孔、扩孔、铰孔、铣孔)和分度工作，图3-10所示为各种铣削加工及其所采用的铣刀。图3-10各种铣削加工

铣平面是平面加工的主要方法之一，有端铣、周铣和二者兼有3种方式，所用刀具有镶齿端铣刀、套式立铣刀、圆柱铣刀、三面刃铣刀和立铣刀等。镶齿端铣刀生产率高，应用很广泛，主要用于加工大平面。套式立铣刀生产率较低，用于铣削各种中小平面和台阶面。圆柱铣刀用于卧铣铣削中小平面。三面刃用于卧铣铣削小型台阶面和四方、六方螺钉头等小平面。立铣刀多用于铣削中小平面。

③ 磨削:利用高速旋转的砂轮等磨具，加工工件表面的切削加工称为磨削加工。磨削加工一般在磨床上进行。

磨削用于加工各种工件的圆柱面、圆锥面和平面，以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。由于磨粒的硬度很高，磨具具有自锐性，磨削可以加工各种材料。磨削的功率比一般的切削大，而金属切除率比一般的切削小，故在磨削之前工件通常都先经过其他切削方法去除大部分加工余量，仅留0.1～1毫米或更小的磨削余量。

常用的磨削形式有外圆磨削、内圆磨削、平面磨削和无心磨削等。

1) 外圆磨削：外圆磨削主要在普通外圆磨床和万能外圆磨床上进行，具体方法有纵磨法和横磨法两种。采用纵磨法磨削时，工件宽度大于砂轮宽度，工件作纵向往复运动，而横磨法磨削时，工件宽度小于砂轮宽度，工件不做纵向移动。两种方法相比，纵磨法加工精度较高，但生产率较低；横磨法生产率较高，但加工精度较低。因此，纵磨法广泛用于各种类型的生产中，而横磨法只适用于大批量生产中磨削刚度较好、精度较低、长度较短的轴类零件上的外圆表面和成形面。

2) 内圆磨削：内圆磨削主要在内圆磨床和万能外圆磨床上进行。与外圆磨削相比，由于磨内圆砂轮受孔径限制，切削速度难以达到磨外圆的速度，且砂轮轴直径小、悬伸长、刚度差、易弯曲变形和振动，砂轮与工件成内切圆接触，接触面积大，磨削热多，散热条件差，表面易烧伤。因此，磨内圆比磨外圆生产率低得多，加工精度和表面质量也较难控制。

3) 磨平面：磨平面在平面磨床上进行。如图3-11所示为在平面磨床上磨削平面的一个工程实例。其方法有周磨法和端磨法两种，周磨法就是用砂轮外圆表面磨削的方法，而端磨法就是用砂轮端面磨削的方法。周磨法加工精度高，表面粗糙度值小，但生产率较低，多用于单件小批生产中，大批量生产中亦可采用。端磨法生产率较高，但加工质量略差于周磨法，多用于大批量生产中磨削精度要求不太高的平面。磨平面常作为铣平面或刨平面后的精加工，特别适宜磨削具有相互平行平面的零件。此外，还可磨削导轨平面。机床导轨多是几个平面的组合，在成批或大量生产中，常在专用的导轨磨床上对导轨面作最后的精加工。图3-11磨平面图3-12无心磨削

4) 无心磨削：无心磨削一般在无心磨床上进行，用以磨削工件外圆。如图3-12所示。磨削时，工件2不用顶尖定心和支撑，而是放在砂轮1与导轨之间，由其下方的托板4支撑，并由导轮3带动旋转。无心磨削也有纵磨法和横磨法两种。当导轮轴线与砂轮轴线调整成斜交1°至6°时，工件能边旋转边自动沿轴向作纵向进给运动，称为无心纵磨法。无心纵磨法主要用于大批量生产细长光滑轴及销钉等零件的外圆磨削。当导轮的轴线与砂轮轴线平行，工件不作轴向移动，称之为无心横磨法。无心横磨法主要用于磨削带台肩而又较短的外圆、锥面和成形面等。

④ 钻削：用钻头或铰刀、锪刀在工件上加工孔的方法统称钻削加工。主要用来钻孔、扩孔、铰孔、锪孔、钻中心孔、攻丝等加工，如图3-13所示为钻削加工的各种应用方式。图3-13各种钻孔

1) 钻孔：用钻头在实体材料上加工孔的方法称为钻孔。钻孔是最常用的孔加工方法之一。属于粗加工，麻花钻是钻孔最常用的刀具。

2) 扩孔：用扩孔刀具扩大工件孔径的方法称为扩孔。扩孔所用机床与钻孔相同。可用扩孔钻扩孔，也可用直径较大的麻花钻扩孔。常用的扩孔钻的直径规格为15～50毫米。

3) 铰孔：用铰刀在工件孔壁上切除微量金属层，以提高尺寸精度和降低表面粗糙度的方法称为铰孔。铰孔所用机床与钻孔相同。铰孔可加工圆柱孔和圆锥孔，可以在机床上进行(机铰)，也可以手工进行(手铰)。铰孔属于定径刀具加工，适宜加工中批或大批量生产中不宜拉削的孔。

4) 锪孔：用锪钻(或代用刀具)加工平底和锥面沉孔的方法称为锪孔。锪孔一般在钻床上进行，虽不如钻、扩、铰应用那么广泛，但也是一种不可缺少的加工方法。

⑤ 镗削:镗削加工是利用镗刀刀具在镗床上完成的加工。在镗削加工时，镗床主轴带动镗刀做旋转运动，工件或镗刀做进给运动完成切削加工，是孔加工常用的方法之一。

铣镗床镗孔主要用于机座、箱体、支架等大型零件上孔和孔系的加工。此外，铣镗床还可以加工外圆和平面，主要加工箱体和其他大型零件上与孔有位置精度要求，需要与孔在一次安装中加工出来的短而大的外圆和端平面等。

⑥ 拉削:用拉刀作为刀具加工工件通孔、平面和成形表面的切削加工方法称为拉削加工。拉削能获得较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度，生产率高，适用于成批大量生产。大多数拉削加工时，拉床只有拉刀做直线拉削的主运动，而没有进给运动。

1) 拉圆孔：拉削圆孔时，孔径一般为8～125毫米，孔的深径比为L/D≤5。工件不需要夹紧，只以已加工过的一个端面为支撑面即可。当工件端面与拉削孔的轴线不垂直时，依靠球面浮动支承装置自动调节，始终使受力方向与端面垂直，以防止拉刀崩刃和折断。

2) 拉平面：拉削平面时，平面拉刀可制成整体式的(加工较小平面)，但更多制成锯齿式的(加工大平面)，镶嵌硬质合金刀片，以提高拉削速度，且便于刃磨和调整。拉削可加工单一的敞开的平面，也可加工组合平面。

拉削的优点在于：一般一次行程中完成加工、生产率很高；切削平稳、加工质量好。缺点是：刀具制造复杂、工时费用较高；拉圆孔与精车孔和精镗孔相比，适应性较差。因此，拉削加工一般用于批量生产中。

⑦ 刨削:用刨刀对工件作水平相对直线往复运动的切削加工方法称为刨削加工，如图3-14所示。刨削是平面加工方法之一，可以在牛头刨床和龙门刨床上进行。前者适宜加工中小型工件，后者适宜加工大型工件或同时加工多个中型工件。图3-14刨削

刨削可加工平面(按加工时所处位置又分为水平面、垂直面、斜面)、沟槽(包括直角槽、V形槽、燕尾槽、T形槽)和直线型成形面等。

从表面上看，刨削和铣削均以加工平面和沟槽为主，似乎是相同的。但由于所用机床、刀具和切削方式不同，致使它们在工艺特点和应用方面存在较大的差异。现将刨削与铣削分析比较如下：

1) 加工质量一般同级，经粗、精加工之后均可达到同等精度。但二者又略有区别，加工大平面时，刨削因无明显接刀痕而优于铣削。

2) 生产率一般铣削高于刨削。但加工窄长平面(如导轨面)时，铣削的进给量并不因工件变窄而增大，而刨削却可因工件变窄而减少横向走刀次数，使刨削的生产率高于铣削。

3) 加工范围铣削比刨削广泛得多。例如，铣削可加工内凹平面、圆弧沟槽、具有分度要求的小平面等，而刨削则难以完成。

4) 工时成本铣削高于刨削。这是因为铣床的结构比牛头刨床复杂，铣刀的制造和刃磨比刨刀困难。

5) 应用铣削比刨削广泛。铣削适用于各种生产批量。而刨削仅用于单件小批生产及修配工作中。

机床与刀具

机床就是对金属或其他材料的坯料或工件进行加工，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。要完成切削加工，在机床上必须完成所需要的零件表面成形运动，即刀具与工件之间必须具有一定的相对运动，以获得所需表面的形状，这种相对运动称为机床的切削运动。

机床运动包括表面成形运动和辅助运动。表面成形运动，根据其功用不同可分为主运动、进给运动和切入运动。

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