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现代制造技术(第二版)(牛同训)
本书从现代制造技术的基本概念入手,主要阐述了现代制造技术的体系构成、工艺方法、管理理念、发展趋势等知识。本书大量教学实例来自于生产实践和研究成果,既有较强的理论性,又具有鲜明的实用性,主要内容包括:现代制造工艺技术、特种加工技术、自动化制造系统、现代生产与管理模式、面向可持续发展的绿色制造、现代制造技术,以及“互联网+制造业”的发展趋势等,并提供应用案例及配套的电子教案等辅助教学资源。
本书可作为高职高专院校机械类、近机类专业教材,也可供相关专业教师、工程技术人员和科研人员参考。
适读人群 :本书可作为高职高专院校机械类、近机类专业教材,也可供相关专业教师、工程技术人员和科研人员参考。
本书主要论述了现代制造技术的体系构成、工艺方法、管理理念、发展趋势等知识。全书共分为7章,具体内容概述如下。
第1章概括介绍了现代制造技术的内涵、构成、在我国的发展现状,以及课程的主要内容和学习方法。
第2章介绍了现代制造工艺技术,主要包括超高速切削技术、高效磨削技术、精密和超精密加工技术、微细加工技术和快速制造技术。
第3章介绍了特种加工技术,包括其产生、发展、分类,电加工技术,电化学加工技术、激光加工技术和能量流加工技术等。
第4章主要介绍了柔性制造系统、计算机集成制造系统和智能制造系统的内涵、构成、分类以及应用。
第5章介绍了现代生产和管理的主要模式,包括成组技术、计算机辅助工艺设计、精益生产、敏捷制造、并行工程和虚拟制造。
第6章重点介绍了绿色制造的内涵、体系组成、绿色设计、清洁生产和再资源化技术等。
第7章对现代制造技术的发展趋势、“互联网+制造业”带来的新变化进行了分析和预测。
制造业作为一个国家国民经济的支柱产业,是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现,也是一个国家实现可持续发展的动力源泉。现代制造技术以传统机械制造技术为基础,并伴随计算机、信息处理、自动化、材料、能源、环保、管理、人工智能等技术的进步而不断发展变化,其内容和体系在新科技、新理念的不断涌现过程中得以更新、充实和发展。
当前,再工业化浪潮席卷全球,2012年,美国国家科学技术委员会发布了《国家先进制造战略规划》;2013年,德国提出了“工业4.0”。面对国际先进制造形势的挑战,我国也于2015年提出制定“互联网+”行动计划,推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合;2015年5月,国务院正式印发了《中国制造2025》。在新的国际国内环境下,我国政府立足于国际产业变革大势,做出了全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署,目的是通过10年的努力,使中国迈入制造强国行列。《现代制造技术》(第二版)正是在这一背景下编写完成的。 在本书编写过程中,编者考虑到高职学生的特点,没有刻意追求理论的广度和深度,而是努力做到突出现代制造技术的职业要求和可持续发展的理念。在内容取舍上,本书不但编入了超高速、超精密加工等比较成熟的工艺方法,而且编入了近年来逐步发展起来的一些新技术、新方法,诸如纳米制造技术、磨料喷射加工技术、干切削技术等,从而体现实用性与前瞻性的结合。本书收入了许多实物照片、大量的图表和应用案例,叙述力求做到深入浅出、通俗易懂,在每一章的后面都附有习题与思考题,以满足高职院校机械类和近机类专业学生的学习要求。 本书主要论述了现代制造技术的体系构成、工艺方法、管理理念、发展趋势等知识。全书共分为7章,具体内容概述如下。 第1章概括介绍了现代制造技术的内涵、构成、发展现状,以及课程的主要内容和学习方法。 第2章介绍了现代制造工艺技术,主要包括超高速切削技术、高效磨削技术、精密和超精密加工技术、微细加工技术和快速制造技术。 第3章介绍了特种加工技术,包括其产生、发展、分类,电加工技术、电化学加工技术、激光加工技术和能量流加工技术等。 第4章主要介绍了柔性制造系统、计算机集成制造系统和智能制造系统的内涵、构成、分类以及应用。 第5章介绍了现代生产和管理的主要模式,包括成组技术、计算机辅助工艺过程设计、精益生产、敏捷制造、并行工程和虚拟制造。 第6章重点介绍了绿色制造的内涵、体系组成,绿色设计,清洁生产和再资源化技术等。 第7章对现代制造技术的发展趋势、“互联网+制造业”带来的新变化进行了分析和预测。 本书由牛同训担任主编,刘温聚、陈洪玉、牛敏、王恩海担任副主编;参加编写的人员还有陈卫、王秀梅。编者具体分工是:牛同训编写第1、2章并负责统稿,陈洪玉编写第3章,牛敏编写第4章,刘温聚编写第5章,王恩海编写第6章,陈卫、王秀梅编写第7章。全书由山东工业职业学院孔凡杰教授主审。 我们将为使用本书的教师免费提供电子教案,需要者可以到化学工业出版社教学资源网站http://www.cipedu.com.cn免费下载使用。 在本书的编写过程中,得到了东南大学机械工程学院汤文成教授和山东工业职业学院解先敏教授的关心和支持,在此一并表示感谢。 由于现代制造技术是一门新兴的、多学科交叉融合的先进技术,目前尚未形成完整的理论体系,许多问题仍处在发展和探索当中,加之编者水平有限,书中疏漏之处在所难免,恳请读者指正。 编者 2018年1月
牛同训,山东工业职业学院,教授/高级工程师,牛同训,男,49岁,山东工业职业学院教授/高级工程师,工程硕士学位,获“2015年度全国冶金教育系统年度杰出人物奖”;获“山东省高等学校科研成果二等奖”一次,获淄博市高校系统优教师两次;现为山东工业职业学院机电设备维修与管理专业建设带头人。
研究方向:成组技术与计算机集成制造系统(CIMS)、机电设备维修与再制造。
教育背景
1987.9—1991.7 山东理工大学机械制造工艺与设备专业本科,获工学学士学位。
1991.7—2003.8 淄博牵引电机集团公司高级工程师,先后从事机械加工工艺、电机设计等工作。
1997.9—1998.7 在山东大学自动化系电机电器及自动化专业进修一年。
2003.9— 山东工业职业学院机电工程系,教授。
2009.9—2010.7 东南大学机械工程学院国内访问学者。
业务成果
主持或主研完成(或在研)科研课题5项,其中获山东省机械厅和淄博市科委科学技术进步奖各一项。
在国内核心期刊发表论文8篇,EI检索1篇。
第1章绪论1
1.1现代制造技术的内涵1
1.1.1现代制造技术的定义1
1.1.2现代制造技术的内涵及其组成技术2
1.2现代制造技术的构成2
1.2.1现代制造技术的分类2
1.2.2现代制造技术的体系结构3
1.3我国现代制造技术发展现状4
1.4本课程的主要内容和学习方法6
习题与思考题7
第2章现代制造工艺技术8
2.1超高速切削技术8
2.1.1超高速切削技术的内涵8
2.1.2超高速切削技术的特点9
2.1.3超高速切削技术的应用10
2.1.4超高速切削加工的关键技术11
2.2高效磨削技术13
2.3精密和超精密加工技术16
2.3.1精密和超精密加工方法及其分类16
2.3.2金刚石刀具超精密切削加工18
2.3.3精密和超精密磨削加工20
2.4微细加工技术27
2.4.1微细加工技术的概念和特点27
2.4.2常用的微细加工工艺27
2.4.3纳米加工技术30
2.5快速制造技术31
2.5.1快速制造的定义与特点31
2.5.2快速制造工艺方法32
2.5.3快速制造技术的应用36
2.6应用案例38
2.6.1超高速切削技术应用案例38
2.6.2超精密加工技术应用案例39
2.6.3微细加工技术应用案例40
2.6.4快速制造技术应用案例41
习题与思考题43
第3章特种加工技术44
3.1概述44
3.1.1特种加工的产生和发展44
3.1.2特种加工的分类45
3.1.3特种加工的工艺特点与应用47
3.2电火花加工48
3.2.1电火花加工的特点及应用48
3.2.2电火花加工的常用术语与符号50
3.2.3电火花加工的类型52
3.2.4电火花加工的基本规律53
3.2.5电火花加工机床56
3.2.6电火花成形加工65
3.2.7电火花线切割加工74
3.3电解加工和电解磨削79
3.3.1电解加工的特点及应用79
3.3.2电解磨削的特点及应用81
3.4激光加工技术82
3.4.1激光加工及其设备82
3.4.2激光加工工艺及其应用84
3.5其他特种加工86
3.5.1电子束加工86
3.5.2离子束加工88
3.5.3超声波加工89
3.5.4水射流切割90
3.5.5磨料喷射加工91
3.5.6化学加工92
3.6应用案例93
3.6.1冷冲模的电火花加工要点93
3.6.2排孔、小方孔筛网的特种加工95
习题与思考题97
第4章自动化制造系统98
4.1柔性制造系统98
4.1.1概述98
4.1.2FMS的组成99
4.1.3FMS的分类与应用103
4.1.4FMS的发展104
4.2计算机集成制造系统105
4.2.1概述105
4.2.2CIMS的组成与体系结构107
4.2.3CIMS的现状与发展110
4.2.4CIMS在企业的实施方法112
4.3智能制造系统113
4.3.1智能制造系统的内涵113
4.3.2智能制造系统的关键技术115
4.3.3智能制造系统的架构118
4.4应用案例122
4.4.1带自动输送刀具的箱体零件加工FMS122
4.4.2计算机集成制造系统应用实例128
4.4.3智能制造系统在飞机装配中的应用135
习题与思考题142
第5章现代生产与管理模式143
5.1成组技术(GT)143
5.1.1成组技术原理与相似性143
5.1.2零件的分类编码系统144
5.1.3零件分类成组148
5.1.4成组技术的应用151
5.2计算机辅助工艺过程设计(CAPP)153
5.2.1CAPP的基本概念153
5.2.2CAPP系统中零件信息的描述153
5.2.3CAPP系统的类型及应用154
5.2.4国内常用的CAPP软件156
5.3精益生产(LP)158
5.3.1精益生产的特征与体系158
5.3.2精益生产的应用159
5.4敏捷制造(AM)160
5.4.1敏捷制造的内涵及特点160
5.4.2敏捷制造的关键技术162
5.4.3实施敏捷制造的流程163
5.5并行工程(CE)164
5.5.1并行工程的概念164
5.5.2并行工程的特点及效益165
5.5.3并行工程的关键技术166
5.5.4并行工程的发展和应用167
5.6虚拟制造(VM)168
5.6.1虚拟制造的产生与发展168
5.6.2虚拟制造技术的内涵170
5.6.3虚拟制造的关键技术172
5.6.4虚拟制造的应用与发展173
5.7应用案例175
5.7.1成组技术在沈阳第一机床厂的应用175
5.7.2开目CAPP在上海锅炉厂的应用175
5.7.3精益生产在我国卫星生产集成化中的应用178
5.7.4面向敏捷制造的产品快速设计181
5.7.5铁路货车产品开发并行工程184
5.7.6虚拟制造在汽车覆盖件模具制造中的应用186
习题与思考题188
第6章面向可持续发展的绿色制造189
6.1绿色制造189
6.1.1绿色制造的概念、内涵与发展189
6.1.2绿色制造的内容体系192
6.2绿色设计194
6.2.1绿色设计的实施过程194
6.2.2绿色设计与传统设计的区别195
6.2.3绿色设计的环境协调原则195
6.2.4生命周期评价196
6.2.5面向产品生命周期的设计197
6.3清洁生产202
6.3.1节省材料技术202
6.3.2节省能源技术204
6.3.3环境友好技术205
6.4再资源化技术207
6.4.1拆卸工艺及工具207
6.4.2再制造工程208
6.4.3材料再资源化技术210
6.4.4逆向物流技术211
6.5绿色制造应用案例212
习题与思考题213
第7章现代制造技术与新型制造业的发展趋势214
7.1现代制造技术的发展趋势214
7.1.1高速高效加工领域发展趋势215
7.1.2超精密加工领域发展趋势216
7.1.3微纳制造领域发展趋势216
7.1.4特种加工技术领域发展趋势217
7.1.5未来制造系统的发展趋势218
7.2“互联网+制造业”发展趋势220
7.2.1国外“互联网+制造业”的主要模式220
7.2.2“互联网+”给中国制造业带来的新变化222
7.2.3中国“互联网+制造业”的未来展望223
习题与思考题224
参考文献225
7.2“互联网+制造业”发展趋势
2015年5月,国务院印发了《中国制造2025》战略规划,将“互联网+制造业”推向舆论的风口浪尖。经过多年发展,我国目前已经形成比较完善的制造业体系,国内市场规模巨大,对先进制造产品的需求呈爆发式增长,这是我国发展新一代制造业的优势所在。但也应看到,与德国、美国、日本等技术领先的制造业大国相比,国内制造企业普遍存在着技术短板,在关键零部件研发、工业级系统软件开发等方面与世界先进水平仍然有较大差距。因此,借鉴国外经验,探索中国“互联网+制造业”的可能道路是十分必要的。 7.2.1 国外“互联网+制造业”的主要模式 1. 博世的“慧连制造”解决方案(Intelligent Connected Manufacturing solutions) 博世(Robert Bosch GmH)成立于1886年,是全球最大的汽车零件供应商之一,总部设在德国Gerlingen。博世是德国政府“工业4.0”工作小组的主要成员、联席主席之一,近来推出的“博世物联网套装”(Bosch IOT Suite),可以看作是博世物联网应用战略的基石。 具体到制造业,博世的主打概念为“慧连制造”解决方案,该方案的核心为制造物流软件平台,以之作为本地(on-prem)和云端的软件基础,对整个生产流程进行云化和再造。方案包括三个部分:一是制程质量管理(Process Quality Manager),二是远端服务管理(Remote Service Manager),三是预测维护(Predictive maintenance)。 制程质量管理:对生产全过程中所有的车间、流水线、作业区、机器设备实时监控;操作界面把各环节的表现指标和容忍度可视化,并对可能出现的波动提前预警。工作人员可以直观地感受到整个流程是否顺畅,及早对表现不正常的生产环节进行纠正。 远端服务管理:这一系统允许机器的制造者在远端控制产品,帮助客户解决在机器装配、使用中遇到的问题。例如博世的工作人员可以在办公室里,对在世界其他角落的设备进行功能测试、参数设置、数据接入、错误排查、故障解除等工作。大幅缩减设备交割、安装、售后维修的工作量。 预测维护:基于博世物联网套装,厂家可以通过装在产品上的传感器实时掌握其工作状态,并对可能出现的检修维护做准确预测,减少用户停产检修的次数。 可以看到,制程质量管理已经具备了工厂内信息实时互联等智慧工厂的基本要素;远端服务管理、预测维修,都是基于物联网产生的价值链延伸。从这个意义上说,博世的慧连制造,已经具备“工业4.0”的一些关键基础,未来发展值得关注。 2. 西门子数字工厂解决方案(Digital Factory Solution) 西门子是德国工业自动化的排头兵、“工业4.0”的重要参与者和推手。西门子对于未来制造业有自己的一套蓝图和实现路径设想、方法论。认为软件、数据、连接造就所谓数字工厂(digital factory),是未来互联网与传统制造业结合的落地场景。 “数字工厂”的工作流程可以大致描述如下,通过PLM前端NX软件,和用户一起设计产品,同时从TIA中调取制造流水线的组成模块信息,模拟生产流程。制造过程模拟信息实时反馈至设计环节,互相调整、配适。在模拟无误之后,产品设计、制造流程方案传递至加工基地,由MES实现由生产设施构建、生产线的改装、产品生产、下线、配送到用户手中的全过程。 数字工厂的设想,已经在一些高端汽车业的自动化制造过程中得到应用。例如玛莎拉蒂Buiglie的定制。 数字工厂可以看成是部分实现了“工业4.0”第二构想全价值链工程端到端数字整合:从产品设计这一“端”到产品出厂的这一“端”,都事先在数字模拟平台上完成详尽的规划。与现实中在工厂走流程的产品相对应的,是数字模拟平台在云中分享一个一模一样的虚拟产品。工厂内的具体执行系统,可以根据数字模拟平台要求进行一定程度的重构。不仅如此,为了配合自己的工业自动化产品,西门子推出一款APP“西门子工业支持中心”。但这个App目前只包括西门子的5000多份各种手册、操作指南,以及60000多个常见问题解答。 3. GE的炫工厂(brilliant factory) GE的炫工厂,是工业互联网(Industrial Internet)和先进制造(advanced manufacturing)相结合的产物。用数据链(digital thread)打通设计、工艺、制造、供应链、分销渠道、售后服务,并形成一个内聚、连贯的智能系统。 2015年2月14日,GE在印度Pune建设的炫工厂揭幕。区别于传统的大型工业制造厂,这间工厂具备超强的灵活性(flexibility),可以根据GE在全球不同地区的需要,在同一厂房内加工生产飞机发动机、风机、水处理设备、内燃机车组件等看似完全不相干的产品。理论上说,这一灵活性将极大提升GE Pune的生产效率:通过分析云端从全球实时反馈回来的数据,炫工厂会自行在各个生产线分配人力、设备资源,从而减少设备闲置时间、提升对市场需求反馈的反应速度。 4. 三菱电机的e-F@ctory 三菱电机(Mitsubishi Electric)是全球领先的工业自动化成套设备供应商之一,e-F@ctory是三菱电机面向制造业推出的整体解决方案。这一解决方案的结构很像一块“三明治”:底层为硬件、顶层为软件,中间夹着人机界面。硬件层包括两个部分,动力分配输送系统和生产设备系统;夹心层由信息通信产品群组成;软件层主要是企业级的信息系统如ERP、MES。 以太网(Ethernet)贯穿整个“三明治”:在生产场地,设备和配电系统通过所谓iQ平台接入以太网,将设备运行状态实时反应在夹心层的可视化人机交互页面上,同时数据实时反馈到上层的企业级信息系统,方便决策层及时调整企业内部的生产布局和企业外部的供应链管理。 5. 谷歌的“Google for work” 谷歌推出的Google for work(以下简称GFW)是以云为基础的一系列企业级服务套装,包括工作应用、云平台、工作浏览器、工作地图、工作搜索。可以说,谷歌为传统行业企业提供了一整套的“互联网+”解决方案,既包括工作场景中的e-mail、电视电话会、文件处理、分享/存储,也包括后台服务如云存储、计算、API开发,还有打包的互联网增值服务如搜索、地图等等。这些成套解决方案对于节约IT成本、提高运营效率作用突出。实际上西门子、GE都是谷歌的客户,使用GFW中的一项或多项互联网服务套装。 针对制造业,谷歌提出了所谓“做联网的制造者”(Be a connected manufacturer)的口号,利用自己的产品,帮助制造业者建立快速多层次沟通网络。 6. 亚马逊的“Amazon Web Services” 亚马逊的Amazon Web Services (以下简称AWS)于2006年推出,面向企业提供云计算等IT基础设施服务。AWS一揽子方案包括亚马逊弹性计算网云(Amazon EC2)、亚马逊简单储存服务(Amazon S3)、亚马逊简单数据库(Amazon SimpleDB)、亚马逊简单队列服务(Amazon Simple Queue Service)以及Amazon CloudFront等。
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