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机械工程实践教程
图书信息
书 名: 机械工程实践教程
作 者：王浩程
出版社： 清华大学出版社
出版时间： 2011年7月1日
ISBN: 9787302254300
开本： 16开
定价: 22.00元
内容简介
《机械工程实践教程》立足于机械工程实践知识体系的完整，适应经济社会的发展对工程技术人才的要求，着眼于培养学生综合的工程素质和能力。全书共7章，主要内容包括工程设计基础知识、工程材料基础知识、金属成形工艺方法、传统切削加工工艺方法、先进制造技术理论及实践、工程管理基础知识、工程创新基础知识等内容。每章后附有思考练习题，以满足教学需要。
《机械工程实践教程》可作为工科专业工程实践课程教材，也可供企业技术和管理人员参考。
前言
工程教育关系到社会的进步和国家经济的发展。目前我国工程教育领域存在很多问题，如以学生能力培养为导向的现代工程教育理念亟待更新； 技术与技能培养的定位模糊； 学生培养过程中实践环节的实效性差； 实验室、实训车间先进的软硬件建设相对滞后等。工程教育的根本目标是培养适应现代工程技术发展需要的工程师，其改革应着眼于大学生创新思维能力和工程实践能力的培养。目前国际倡导的CDIO工程教育模式中，“做中学”已成为被广泛接受的工程教育改革理念和卓越工程技术人才培养的教学方法论。面向工程实际，加强能力锻炼，是当代国际高等工程教育实践教学改革的共同趋势。
工程实践教学是高等工科院校培养和提高学生工程综合实践能力的重要环节。工程实践教学的过程是在特定的工程实践环境中对学生进行综合的工程设计、制造、管理、创新等环节的全面工程技术训练。随着现代设计与制造技术、信息技术、自动化技术、现代管理技术等与现代工程的相互交融、渗透，工程实践教学的内涵不断深化，教学内容不断拓展。目前在工程实践教学中存在着设计与工艺严重脱节、应试性的计划教学痕迹过重、亟待建立创新性工程实践教学模式、工程素质培养界定不清等突出问题。面对这些问题，工程实践教学改革必须贯彻以学生为本，知识、能力、素质协调发展，学习、实践、创新相互促进的实践教学理念，探索和构建新的工程实践教学课程体系，深化教学方法改革。
基于上述背景和要求，我们组织编写了《机械工程实践教程》。与传统的金工实习教材相比，本教材具有以下特点：
(1) 增加了工程设计实践教学的内容，旨在强调工程实践中设计与加工制造具有同等的重要性，培养学生设计与工艺相互融合的工程意识。
(2) 增加了工程管理实践教学内容，与设计、材料和工艺内容相呼应，使学生认识到工程实践不单纯是常规制造技术基础训练，应在掌握技术技能的同时，了解企业管理的基本内容，对技术、质量、营销和财务的管理知识有基本把握。
(3) 增加了工程创新教育实践教学内容，针对学生受传统应试教育思维束缚严重的现状，以机电综合创新作品为实例，从创造性思维和技术创新方法论两个角度训练学生的思维创新能力与创新精神。
(4) 传统工程实践教学内容力求简洁，适应工科学生的认知实习，期望能够结合实际操作，起到提纲挈领的作用。
(5) 突出实用性和“做中学”的教学理念。以自行研制的教学设备和科研生产实例为教学内容，目的是将教师的启发、引导与学生的主动体验、积极探究有机结合起来，在训练基本工程实践能力的过程中培养学生的学习兴趣、创新精神与实践能力。
全书由王浩程主编，各章具体编写分工为： 第1章王浩程，第2、3章贾文军，第4章蔡军，第5章刘健，第6章孙永利，第7章周风帆。王浩程负责全书的策划、组织和统稿工作，张彦春对全书图形的绘制、整理做了大量工作。
尽管主观上做了很大努力，但由于水平有限，书中难免有不足甚至错误，恳请广大读者批评指正。
编者2011年4月
图书目录
1 工程设计实践
1.1 工程设计概述
1.1.1 机械工程设计
1.1.2 设计、制造和工艺的关系
1.1.3 机电一体化系统设计概述
1.2 工程设计实例分析
1.2.1 设计任务
1.2.2 机械结构设计
1.2.3 电机驱动及控制设计
1.2.4 工艺设计
1.3 工程设计软件基础知识
1.3.1 常用软件介绍
1.3.2 SolidWorks 2008软件基本功能
思考练习题
2 工程材料实践
2.1 工程材料基础知识
2.1.1 工程材料的分类和应用
2.1.2 金属材料的组织
2.1.3 金属材料的性能
2.2 金属材料改性实例
2.2.1 金属材料的改性方法
2.2.2 典型机械零部件的热处理工艺
2.2.3 汽车半轴零件的材料和热处理工艺
2.2.4 机床齿轮零件的材料和热处理工艺
思考练习题
3 金属成形工艺实践
3.1 金属液态成形
3.1.1 实例分析
3.1.2 砂型铸造基础知识
3.1.3 特种铸造方法
3.2 金属固态成形
3.2.1 实例分析
3.2.2 金属固态成形的主要方法概述
3.3 金属连接工艺
3.3.1 实例分析
3.3.2 常用焊接方法
思考练习题
4 传统切削加工实践
4.1 实例分析
4.1.1 轴类零件
4.1.2 盘类零件
4.2 机械加工工艺规程概述
4.3 切削加工工艺方法及应用范围
4.3.1 车削加工
4.3.2 铣削加工
4.3.3 刨削加工
4.3.4 磨削加工
4.3.5 钳工工艺
4.3.6 典型表面加工方案
4.4 切削加工技术经济分析
4.4.1 切削加工主要技术经济指标
4.4.2 产品加工材料的选用原则
4.4.3 切削用量的合理选择
4.4.4 材料切削加工性的选择
4.4.5 切削加工经济精度
思考练习题
5 先进制造技术实践
5.1 数控加工实践
5.1.1 数控原理基础知识
5.1.2 数控车削原理及实例分析
5.1.3 数控铣削原理及实例分析
5.2 特种加工实践
5.2.1 电火花成形加工原理及实例分析
5.2.2 电火花线切割加工原理及实例分析
思考练习题
6 工程管理实践
6.1 产品技术管理基础知识
6.1.1 技术管理的内涵
6.1.2 工艺技术管理
6.2 产品质量管理基础知识
6.2.1 质量管理的内涵
6.2.2 质量控制方案
6.2.3 设备管理
6.3 财务管理基础知识
6.3.1 财务管理
6.3.2 成本管理
6.3.3 利润管理
6.4 市场营销基础知识
6.4.1 市场营销的内涵
6.4.2 市场营销组合策略
思考练习题
7 工程创新教育实践
7.1 创造性思维概论
7.1.1 思维的结构
7.1.2 创造性思维的形式
7.1.3 创造性思维的方向
7.1.4 创造性思维的特征
7.2 技术创新方法概论
7.2.1 传统创新方法
7.2.2 TRIZ理论
7.3 机电综合创新实例分析
7.3.1 作品创新总体设计方案
7.3.2 作品技术方案
思考练习题
参考文献
部分章节
工程设计实践1学习目的? 了解工程设计的概念和一般过程? 结合实例加深对工程设计过程的认识? 了解当前常用的工程设计软件及其优劣性? 能够根据实际情况选择合适软件进行工程设计1.1工程设计概述工程设计是设计者在工程领域为满足人们对产品功能的需求，运用基础及专业知识、实践经验、系统工程等方法进行构思、计算和分析，最终以技术文件的形式提供产品制造依据的全过程活动。工程设计是形成产品的第一步工作。产品的质量和效益取决于设计、制造及管理的综合运作，这中间设计工作非常重要，没有高质量的设计就没有高质量的产品。狭义的设计通常指产品从概念到绘出图纸或建出模型的过程。从广义上讲，设计的概念和内容非常广泛，如材料选择、机构分析、运动和动力分析、强度校核、建模仿真、优化分析等。在实际设计中，往往根据产品的功能、结构及使用场合来选取设计的具体内容。由许多机器、装置、监控仪器等组成的大型工程系统或由零件、部件等组成的机器（或机器中的局部）都可以看成是一个机械系统或者称为一个机械工程项目。机械工程设计可以是应用新的原理或新的概念，开发创造新的机器，也可以是在已有机器的基础上，重新设计或作局部的改造，即工程设计的任务是围绕着开发新产品或改造老产品而进行的，工程设计的最终目的是提供满足人们功能及外观需求、优质高效、价廉物美，并具有市场竞争力的产品。1.1.1机械工程设计机械工程设计涉及技术、经济等许多领域，尤其随着现代制造技术及计算机科学与应用技术的迅速发展，使机械工程的设计方法和手段更加现代化。从总体来讲，现代机械工程设计应具有社会性、系统性、创造性、宜人性、最优性、数字化及绿色环保化等。当然，“现代机械工程设计”与“传统机械工程设计”只是相对而言。传统机械工程设计流程如图1?1所示，其设计流程往往根据任务和目标，先做出第一方案，甚至造出样机，然后通过评定与考核，进行修改，形成第二方案，如此反复，直到满意为止。各分系统设计之间缺乏协调，在设计过程中无法对整个系统给出准确的描述，整个系统的性能只能靠实验来检验，缺乏有效的改进系统性能的技术手段，存在重复设计、工作效率低、产品开发周期长、开发费用高的缺点。图1?1传统机械工程设计流程机械工程实践教程1工程设计实践现代机械工程设计流程如图1?2所示，在设计中可运用虚拟样机、快速成形、模拟仿真等技术，在样机制造之前就可以预测样机的性能，应用机、电、液、气等不同工程领域的知识，协调设计，共享数据，更完整透彻地理解系统模型，对不能用实验进行校验的场合进行仿真。由此可见，现代机械工程设计可显著降低设计成本，减少设计实验周期。图1?2现代机械工程设计流程传统机械工程设计建立在手工操作基础上，人脑的思维进度很大程度上制约着设计操作过程，许多原来始发于人脑的三维构思在传统机械工程设计中必须用抽象的二维图形加以表达。而代表现代机械工程设计的CAD技术很好地解决了这些问题，人们利用计算机可以很快获得进一步思维所必需的理论计算结果和信息。大量的绘图工作由计算机完成，屏幕上的三维图形可以直接实现人脑中的构思。在传统机械工程设计中，机器的动态效果只能通过抽象的运动学、动力学数据加以反映，且这些数据的精确性较低，而现代的虚拟样机技术能对未来机器的运转状态精准清晰地加以描述。现代机械工程设计通常分为结构设计和工艺设计两部分。1. 结构设计结构设计是机械产品生产的第一道工序，也是决定机械产品质量的关键工序，一台机器的质量很大程度上决定于其设计质量。结构设计是一种创造性工作，从狭义的设计过程来看，结构设计一般分为提出设计任务、本体设计和编制技术文件三个阶段。1) 提出设计任务、拟定计划(1) 任务书的酝酿。设计任务通常是根据生产需要提出或经市场调查发现某种机器有较大需求时酝酿提出的。(2) 任务书的内容。完整的任务书应包括机器的用途、主要性能参数范围、环境条件及有关特殊要求、生产批量、预期的成本范围以及设计周期等。(3) 拟定计划。接到任务书后，应组织有关人员就设计任务书提出的各项要求进行全面分析和调查，深入理解设计任务的经济价值、技术要求、重点难点、攻关方向、完成任务的主要途径和关键技术等。2) 本体设计本体设计包括总体设计、装配设计和零件设计三个阶段，这是具体进行机械设计的主要工作。(1) 总体设计阶段。即从机器的工作原理到机构运动简图的阶段，也称设计方案拟定阶段。其具体任务是选择机器的工作原理，本着简单、实用、经济、美观等原则，绘制实现预期使用功能的机器机构运动简图。为此，要进行多种运动方案的比较及初步的承载动力分析，然后进行具体机构的原理设计，这里要求把机器各部分之间的运动关系、动力关系以及各机构主要零件在机器中的大体位置，用特定符号在图纸上标明，形成机器的机构运动简图。(2) 装配设计阶段。即从机器的运动简图到装配图的阶段。装配设计阶段的具体任务是将运动简图中的符号变成具体的零件、部件。要考虑并确定各零部件的相对位置及连接方法，主要零件的具体形状、关键尺寸、材料、工艺、安装等一系列问题，进行必要的计算、类比和选择，有时还要做认定实验。要根据机器运动的具体情况，如运动动力特性、工作阻力、工作速度以及传动效率等，初步选择原动机； 根据工作阻力或原动机的主要参数，计算出各主要零件的关键尺寸并选定材料； 一些直接影响机器的性能、精度、寿命或特殊的关键部位，还应考虑选定合适的配合。在综合考虑以上问题后，绘出装配图，形成本阶段的设计成果。(3) 零件设计阶段。此阶段就是从装配图拆出零件图，具体任务是把零件的全部尺寸、结构要素及加工技术要求等参数按机械绘图标准详细地表达出来。应该从总体要求出发，综合考虑零件的使用性能、工艺性能以及质量、体积、寿命、成本限制等因素，确定零件的材料、尺寸、结构要素（如圆角半径、倒角尺寸等）、制造精度（如尺寸公差、表面粗糙度等）以及技术条件（如硬度、表面防护、加工缺陷限制等）。完整的零件图体现出本阶段的设计成果。 本体设计完成后，提供了机器的运动简图、装配图和零件图，从原理上、结构上和工艺上为一台机器的制造准备了初步条件。应该注意，本体设计的三个阶段是密切联系的，前一阶段的工作为后一阶段提供了依据，三个阶段进行过程中，如果后一阶段经深入探讨确定的东西一旦超出前一阶段的限制，就会要求前一阶段的设计成果作适当修改。因此，本体设计的三个阶段必然互相牵连、互相影响、互相交叉地反复进行。3） 编制技术文件技术文件的种类很多，通常有机器的设计计算说明书、产品使用说明书、标准件明细表、外购件明细表、主要零件检验项目及产品验收技术标准等。2. 工艺设计机械设计完成后，工艺设计所要解决的基本问题，就是如何用最小的加工成本生产出符合设计质量要求的产品。由于同一种产品或零件的生产通常可以用几种不同的工艺方案来完成，而不同的工艺方案所取得的经济效益和消耗的成本是不同的，因此，工艺设计过程就是要从众多的工艺方案中选出既符合技术标准要求，又具有较好技术经济效果的最佳工艺方案。为了获得最佳工艺方案，工艺设计人员必须根据产品或零部件的结构特点、技术要求、生产类型及企业生产技术条件等诸多因素，应用各种加工方法结构工艺性的知识，对各工艺方案逐一进行充分的技术、经济分析后，从中选择一种比较适合的工艺方案； 然后，对组成机械产品的所有零部件分别进行零件毛坯制造工艺设计、热处理工艺设计、零件机械加工工艺设计以及装配工艺设计和表面涂装工艺设计等，还包括必要的生产工艺装备的设计，主要包括刀具、夹具、工装设计及机床设备的改装等。完整考虑各个因素后，便能制定出相应的工艺规程。工艺规程种类繁多，例如零件的毛坯制造工艺规程有铸造工艺规程、锻造或冲压工艺规程、焊接工艺规程，还有机械加工工艺规程、装配工艺规程等，各种工艺规程一般都设计成表格形式的卡片。在现代设计制造方法中多采用计算机辅助工艺规程（CAPP）进行工艺设计。1.1.2设计、制造和工艺的关系在工程领域，无论是学生学习，还是实际生产，必须重视设计、制造和工艺的关系。设计是产品从概念到模型（图纸）的转化； 制造是产品实体的实现； 而工艺则是从设计到制造的转化过程，具体来说就是转化过程中所用的方法与手段。设计、制造、工艺三者的关系如图1?3所示。图1?3设计、制造、工艺三者的关系从图1?3中可以看出，设计、制造、工艺三者在工程领域是相辅相成、缺一不可的。从理论与实践相结合的角度，不能认为某一方面更重要。要获得高质量的产品，企业要追求良好的经济效益，从技术层面上要对设计、制造、工艺三方面给予同等的重视。就产品设计与工艺而言，二者应该是个并行工程，在设计时就要考虑工艺，同时，如果工艺上不好实现或有更经济的方式实现，可以考虑更改设计。当前，在学生学习专业知识的过程中，重设计轻工艺的现象仍很严重，或者设计与工艺相脱节的现象突出存在。学生往往只有到了需要动手去做的时候，如参加各种科技竞赛，或者是求职应聘到了工作岗位的时候，才体会到所掌握的工艺知识过于欠缺。这些应引起教育部门的重视，改革教学内容，注重学以致用，强调在做中学。1.1.3机电一体化系统设计概述机电一体化（Mechatronics）是以机械学、电子学和信息科学为主的多门技术学科在机电产品发展过程中相互融合渗透而形成的一门交叉技术学科。图1?4机电一体化学科概念图1?4 表明了机电一体化与机械学、电子学和信息科学之间的相互关系。机电一体化包括技术和产品两个方面。机电一体化技术是从系统工程的观点出发，将机械、电子和信息等相关技术有机结合起来，以实现系统或产品整体最优的综合性技术。机电一体化技术主要包括原理性技术和使产品应用和发展的技术。机电一体化技术是一个技术群的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术等。每一种机电一体化产品又可称为是一个机电一体化系统。现代社会中的机电一体化产品比比皆是，如全自动洗衣机、空调、数控机床、机器人、三坐标测量机等。目前汽车工业中成功应用的机电一体化系统达数十种之多，如发动机电子控制系统、汽车防抱死制动系统等。这些产品使得现代汽车的乘坐舒适性、行驶安全性及环保性能都得到了很大的改善。从功能上讲，机电一体化系统主要是对输入的物质、能量与信息按照要求进行处理，输出具有所需特性的物质、能量与信息，如图1?5所示。图1?5机电一体化系统的主要功能从构成要素上看，人体是机电一体化系统理想的参照物。如图1?6(a)所示，构成人体的五大要素分别是头脑、感官、四肢、内脏及躯干，其对应的功能如图1?6(b)所示，内脏提供人体所需要的能量（动力），维持人体活动； 头脑处理各种信息并对其他要素实施控制； 感官获取外界信息； 四肢执行运动。由类比可知，机电一体化系统内部功能与人体的上述功能几乎一样，而实现各功能的相应构成要素如图1?6(c)所示。图1?6人体与机电一体化构成要素对应关系（a） 人体构成要素； （b） 人体要素对应功能； （c） 机电一体化构成要素机电一体化系统设计是运用相关学科的知识、技术和经验，对系统进行分析，通过总体设计和详细设计等环节，形成满足使用目标的机电一体化产品模型。机电一体化系统设计方案的目标要求包括经济实用、系统可靠、运行稳定、操作宜人、结构合理、人机安全、外形美观、环保生态等。机电一体化系统设计步骤如图1?7所示。图1?7机电一体化系统设计步骤1.2工程设计实例分析下面以自行研制的小型三轴数控雕铣机（见图1?8）为例，详细介绍工程设计的过程，并结合其中一些零件的实际加工深入学习车、铣、刨、磨、铸、锻、焊、数控和特种加工等加工方法及相关机床的实际操作。图1?8三轴数控雕铣机1.2.1设计任务设计任务： 设计一适合大量学生学习数控原理及编程、掌握基本操作方法的小型三轴数控雕刻机。主要功能： ①电路板制作； ②模型制作，如木质模型、软金属模型等； ③字体及图案雕刻； ④低精度小型模具的制作。性能参数： ①加工精度： 本设计的加工精度为0.05mm； ②雕刻尺寸： 本设计的雕刻尺寸定为300mm×200mm×100mm； ③尺寸及质量要求： 小而轻。根据使用要求，最终确定的雕刻机的主要参数如表1?1所示。表1?1雕刻机机械部分的主要参数项目参数单位主轴最高转速n=8000r/min最大进给速度vf=3600mm/min工作台总质量W=25kg夹具最大质量Wj=15kg工作台总行程L=350mm主轴总行程L1=160mm导轨动摩擦系数μ=0.01—导轨静摩擦系数μ0=0.02—使用寿命Lh=20000h定位精度25μm重复定位精度20μm1.2.2机械结构设计1. 总体设计三轴雕刻机各轴的运动方式主要有两种： 第一种如图1?9(a)所示，工作台只作Y方向的移动，而刀具作X方向和Z方向的移动； 第二种如图1?9(b)所示，工作台作X、Y方向的移动，而刀具只作Z方向的移动。图1?9雕刻机各轴的运动方式(a) 结构1； (b) 结构2结构1的优点是制作容易、结构稳定，但由于工件随工作台移动，所以不能加工太重的工件，而且雕刻机尺寸不能太大； 结构2虽然制作也较容易，然而稳定性要比结构1差很多。由于本设计对机械部件结构的要求是小而轻便，加工工件的质量也比较轻，因此选用结构1。在结构1中，雕刻机的机械本体包括底座、三轴的滑板、立柱、工作台、机头和主轴组件等部分。2. 结构设计根据确定下来的雕刻机各轴运动方式，采用UG软件绘制出三轴数控雕刻机的装配图，如图1?10所示。图1?10三轴数控雕刻机的装配图3. 零件设计根据绘制的三轴数控雕刻机装配图拆分各主要零件，对于一些适合使用车削、铣削等方法进行加工的零件直接基于UG的CAM模块和后置处理模块生成相应机床的加工程序即可； 对于一些适用于线切割或者通过二维图就能够生成加工程序的零件，利用UG直接转换为二维工程图或者采用AutoCAD、CAXA电子图板绘制二维零件图，以用于零件的后续编程和加工。1.2.3电机驱动及控制设计任何一个机电一体化系统都包含动力执行元件、驱动元件和控制部分。由于伺服电机适用于反馈控制系统,控制精度高，能够满足三轴数控雕刻机的要求，故设计的三轴数控雕刻机各轴均选择伺服电机作为动力执行元件。要想实现伺服电机的速度、位置等的控制，就需要连接伺服驱动器，伺服驱动器前端的控制系统（比如PLC、单片机或者计算机的运动控制卡等）会发脉冲给驱动器以驱动电机的运动，同时也可以提供模拟量甚至可以通过串行通信来控制驱动器以实现伺服电机的位置控制。1. 铣削力的计算铣削时,铣削深度ap=1mm，进给速度vf=1200mm/min，主轴转速n=15000r/min。根据经验公式计算铣削力： F=42.76apv0.75fn-0.62=22.45N2. 启动转矩的计算对于4级精度的丝杠，η=0.85。已知导程Ph=4mm，设丝杠上最大负载G为500N，静摩擦系数μ为0.2，根据经验公式计算启动力矩： T=(F+μG)Ph/(2πη)×10-3=0.0918Nm3. 伺服电机的选择根据所需转矩，结合所查资料确定采用型号为HC?PQ23?S11的三菱伺服电机作为本设计所需的驱动电机。图1?11所示为该电机的外观，其技术参数如表1?2所列。图1?11电机外观表1?2伺服电机技术参数型号相数相电流步距角保持转矩速度响度频率转动惯量质量HC?PQ23?S1131.5A1.81.0Nm50kHz0.23kgcm21kg4. 伺服电动驱动器的选择 根据伺服电机的参数及其控制要求，本设计选择型号为MR?C20A的三菱伺服电机驱动器。5. 主轴电机的选择主轴电机的主要技术参数如表1?3所列。表1?3主轴电机的主要技术参数主轴型号转速/(r/min)电机额定功率/kW额定电压/V额定电流/A运行频率/HzADX60?24Z/0.25240000.252201.24001.2.4工艺设计1. 工艺方案的确定为保证雕刻机的抗振性和结构稳定性，各部分材料选择Q235钢； 为保证操作人员在使用雕刻机过程中的安全，设计一个钣金安全罩，材料为铝合金； 为保证美观，焊接完成后作喷涂处理。 2. 毛坯制造工艺设计根据各主要零件的特点，选择合适的加工方式获得毛坯。大部分长方体毛坯直接通过等离子切割获得，而如图1?12所示的Y轴底座需要通过在长方体毛坯上焊接两个支撑工作台滑轨的长方体件获得整体毛坯，雕刻机的立柱是通过线切割方式将一块长方体料切割成两个毛坯，具体参照5.2.2节的实例。图1?12Y轴底座3. 热处理工艺设计所有毛坯需要经过退火热处理，以除去内应力，防止零件在使用中发生变形。4. 零件机械加工工艺设计根据零件的结构特点，选择合理的加工方法（车、铣、刨、磨、特种加工等）对毛坯进行加工，具体工艺设计过程要视零件的结构特征而定，在5.1.3节的数控铣削实例中以三轴数控雕刻机的X轴底座为例详细介绍了其工艺设计的过程。
