第1章概述
制造是人类最古老的生产活动。人类从磨制石器、钻木取火开始，就走入了制造的世界。
富兰克林（Benjamin Franklin）说过： “人是制造工具的动物。”使用工具并不仅仅局限于灵长类动物，但是有计划地制造（工具）却需要另一个层次上的心智活动。
制造工具的能力是从功能上区分“人”与那些脑子较小、很像类人猿的人的最直接祖先的重要度量之一。琼斯（Wood Jones）说过： “在很大程度上，人类在自然中的位置是用手勾划出来的。”
黑猩猩是唯一有可靠报道称其能制造工具的类人猿。1913—1917年在特内瑞菲的类人猿研究站观察到一只雄性黑猩猩“萨坦”（Satan），把一个小竹管套在一个大竹管里做成足够长的棍子，去触弄一串单用小的或大的竹管都不能直接触弄到的香蕉，如图1-1所示。在另一个场合，为了同样的目的，它用牙齿弄尖一块木头并将其插到一根棍子上，也达到了同样的效果。当出现缺少棍子的窘境时，黑猩猩会从一个旧箱子上拉下一块松动的木板以代替棍子。但如果木板钉在一起看起来像是完整的表面时，尽管黑猩猩强壮得足以打碎这个箱子，它却看不出来这个表面可能包含了许多棍子——即使它对棍子的需求很急迫。
而人在寻求做出某种形状的工具以适应特定用途时，将会不停地从一堆无固定形状的石头和碎片中想象出这个工具的模样，直到想象之中的工具得以实现（见图1-2）。


图1-1黑猩猩在制造工具




图1-2打制石器



毛泽东在《贺新郎·读史》一词中描述： “人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。”从使用自然工具到打制石器，我们的祖先用了大约150万年。当我们回头看时，会诧异怎么要那么长的时间，才学会制造工具。制造促进了人类的进化，成为人类所有活动的基石，成为现代社会和现代文明发展的动力。接下来，让我们走进制造世界，去认识、感知制造。
1.1制造发展的历程
人类为满足与生俱来的御寒而衣、渴饮饥餐的生存需要以及不断改善、提高生活水平的需求，在工具制造上不断精细、不断创新； 在通向文明的漫长征途中，手工工具发展为简单机械，简单机械发展为先进机械设备，原始实践与经验发展为科学实验、科学技术，个体手工作坊发展为现代制造业。
在人类历史的长河中，发生了几次决定人类命运的大革命。大革命促进了人类社会的发展，也促进了制造技术的发展。反过来，制造技术也促进了人类社会的进步和现代文明的建立。
第一次革命发生在大约200万年前。由于自然条件的突然变化，我们原始的祖先，被迫到陆地上觅食，由于直立行走，逐步进化了大脑； 在狩猎中，面对体力上比自身强大的猎物，手边的石块、树枝都成了制敌的武器。在狩猎活动中，自然工具的使用锻炼了他们的大脑和手指。




第二次革命发生在大约50万年前。在狩猎中，古猿人发现锐利的石头、树枝对敌人的杀伤力大得多，但是锋利的石块、尖利的树枝不容易获得。我们的祖先在恼怒中也许会抬起大石块砸下去，或者发现山体滚石在下滑滚动撞击中，可以砸出几块合心意的锋利石块。这样，我们的祖先在长期实践中，学会了制造和使用简单的木制和石制工具（见图1-3）从事劳动。制造业进入了萌芽期，
拉开了人类制造史的序幕。


图1-3陕西蓝田出土的石器


1—大型砍斫器； 2—球形石； 3—单边砍砸器；  4—刮削器； 5—直刃刮削器； 6—有使用痕迹的石片； 7,8—大尖状器


第三次革命发生在大约15000年前。随着经验的累积，我们的祖先学会制造和使用简单的木制和石制工具，逐步发展出制作石斧、石锥的技艺，开始了农耕和畜牧。距今1万年到4000年，人类进入了新石器时代。7000年前，我们的祖先开始用冷锻法加工天然铜； 约6000年到5000年前，我们的祖先开始用矿石炼铜，并学会了冶炼技术。金属器械逐渐取代了石制、骨制的器械。约2000年前发现了铁金属。随着青铜器和铁器时代的到来，人类开始了采矿、冶炼、铸锻工具等，各种复杂的工具和简单机械相继发明出来，并逐步发展了纺织、水利、车辆技术等，人类社会进入了农耕与畜牧时代。图1-4所示为古代冶铁场景。
在相当长的时期，人们主要以手工作坊生产制造工具以及各种用品，人类在重复制造各种劳动工具的过程中，逐渐产生工具定型化倾向，开始了简单的分工作业，以此训练操作的熟练，提高工效。在手工作坊中，工匠们或用比较粗糙的方法制出日常使用的粗陋、实用的东西，或用更精致更冗长的方法制出更为精巧的用品。中世纪欧洲的产品要么随处可见、粗陋不堪，无经济效益； 要么独一无二、匠心独具，同样没有经济效益。


图1-4古代冶铁场景




图1-5中世纪欧洲的手工纺纱工场



第四次革命发生在1764年到1840年之间，蒸汽机的发明导致了一场工业革命。18世纪以后，由于海上贸易的发展，手工工场不能满足市场需求。图1-5所示为中世纪欧洲的手工纺纱工场。随着工业革命第一机——纺织工哈格里夫斯发明的“珍妮机”替代了早期的纺车，机器生产开始逐渐取代手工劳动，生产效率大幅度提高，人们掀起了发明和使用机器的高潮。
动力方面，从远古工具制造开始，从人力到利用自然力（如水力、风力）、畜力，不仅将人们从繁重的劳动中解放出来，而且也完成了由工具到机械的演变过程，满足了日益提高生产率的要求。随着机器的广泛使用，动力问题成了制约生产发展的严重因素。1769年瓦特（James Watt）制成的性能可靠的蒸汽机，使人类社会进入了蒸汽时代。机械技术与蒸汽技术相结合，使矿业和工业生产、铁路和航运机械动力化，出现了以动力为特征的制造方式。为了加工蒸汽机，威尔金森（John Wilkinson）于1774年发明了加工汽缸的威尔金森镗床（见图1-6）等，反过来又促进了机械制造业的发展。
由于当时战争的不断爆发和持续，加速了枪炮等武器的研制和生产，对兵器的配件以及机床修配的要求导致了互换性的问世； 对各类用于加工的机

图1-6威尔金森镗床

床的迫切需求导致了机床的发明、改进。18世纪，车床用金属结构取代木结构，增强了机床的刚性和强度。1794年英国机械师莫兹利（Henry Maudslay）发明了车床上的移动刀架，使用了丝杠、光杠，使车床真正成为制造机器的机器（即工作母机）。进入19世纪，各种工具机床如铣床、刨床、插床、剪床、锻床等也被不断被发明、制造出来，开始了用机器制造机器，从此机械制造业进入了一个崭新的阶段。
19世纪，蒸汽机几乎是唯一的动力源。但是蒸汽机及其锅炉、凝汽器、冷却水系统等体积庞大、笨重，应用很不方便。19世纪末期，随着发电机和电动机的出现，电力供应系统和电动机开始发展和推广，电气时代终于来临。20世纪初电动机已在工业生产中代替了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。电力作为动力，改变了机器的结构和生产效率。西方工业国家开始使用机床进行大批量生产。
内燃机的出现，又一次引发了机械制造的革命。经过多年改进，燃气机成为轻而小、效率高、易于操纵并可随时启动的原动机，它被用以驱动无电力供应的陆上工作机械，此后又用于汽车、移动机械和轮船。20世纪中叶，燃气机开始用于铁路机车，还成为飞机、航天器等的基础动力。
在这一阶段，机械及机械制造通过不断扩大的实践，从分散的、依赖匠师们个人才智和手艺的一门技艺，逐渐发展成为一门有理论指导的系统和独立的工程技术。机械工程是促进18～19世纪工业革命以及资本主义大生产的主要技术因素。
第五次革命是因计算机的发明而导致的一场现代工业革命。第二次世界大战以后，电子计算机和集成电路的出现，使机械制造业产生了一次新的飞跃。数控机床的出现，使多品种、小批量、复杂的零件加工成为可能。人类社会进入了信息化时代，计算机正在改变人类传统的生活方式和工作方式。
当前，世界正在进行着一场新的技术革命。机械学、微电子学和信息科学三者有机结合，构成了一种优化技术。这种技术制造出来的机械产品结构简单、轻巧、省力和高效率，并部分代替了人脑的功能，实现人工智能。同时出现了许多先进的制造系统模式，如敏捷制造、虚拟制造、智能制造、绿色制造等，从对市场的快速反应、产品快速开发、环境、资源等角度诠释了制造技术与人类社会发展、人类生产水平的关系。
概括起来，从远古到现代社会，从猿到人，由于人类生存、生活的需要，社会生产发展的需要，以及探索科学技术的需要，甚至是战争的需要，促进了机械及机械工程由粗糙到精密，由简单到复杂，由低级幼稚到高级智能化，构成了整个国民经济第一产业——农业、第二产业——工业、第三产业——信息产业和服务产业及其他工业等。反之，机械工业的发展也促进了人类社会进步和现代文明的建立。
1.2机械制造的一般过程
机械工业向国民经济各部门提供各种机器，涉及机械、冶金、航空航天、船舶、汽车、石油化工、电子、日用消费品等各行各业，品种繁多，门类复杂。
在了解机械制造的一般过程前，先了解机器、认识机器。
1.2.1机器
机器，通常指具有一定用途、功能的机械设备和机电一体化设备，如图1-7所示。机器保持了3个特征： 


图1-7机器示例


（1） 它们都是人为的实体的组合。
（2） 各个运动实体之间具有确定的相对运动。
（3） 能实现能量转换，代替或减轻人类的劳动来完成有用的机械功能。
对“机器”概念的界定有很多种说法，有一点是共同的： “人们随着自己的需要制造了机器”。任何一种机器，都是为了满足人们的某种使用目的，换句话说就是都有各自的用途，例如： 
（1） 载货汽车（卡车）的用途是将货物运输到预定的地方； 
（2） 车床的用途是切削加工回转体（如轴、盘套类）机械零件； 
（3） 复印机的用途是复印文件、资料； 
（4） 手持可移动式电动割草机的用途是用来割草和修剪草坪； 
……
机器的功能、性能、结构都是为“用途”服务的。我们都有这样的经验，同样用途的机器设备使用起来有的好用，有的不好用； 有的价格贵，有的价格较低。具体的区别之处在于机器的功能与性能。

图1-8全自动洗衣机结构


1—离合器安装处； 2—电动机； 3—下支承（4处）；  4—吊杆； 5—平衡环； 6—外桶盖； 7—上支承（4处）；  8—程序控制器； 9—安全开关； 10—水位开关气管； 11—外桶； 12—内桶； 13—波轮； 14—减速器； 15—排水阀



1. 机器的功能
任何一个产品的出现总是以社会需要为前提。所谓需要即是功能的需要。功能就是某种产品表现出来的具体功用。1947年美国工程师L. D. 麦尔斯（Miles）在他的《价值工程》一书中首先明确地指出： “顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能。”说明了“功能”是产品的核心和本质。
产品的功能包括基本功能、附加功能等。图1-8所示为一种全自动洗衣机的基本结构图。洗衣机启动之后，就能自动完成从洗涤到甩干的全部工作，其“功能”大概归纳为以下4条： ①洗涤功能； 
②漂洗功能； 
③脱水功能； 
④自动程序控制功能。

很显然，只要以上任何一条功能不存在，就不能成为全自动洗衣机了，因此这些功能属于“基本功能”。
另外还有 “附加功能”。例如，设计自动洗衣机时考虑增加对洗涤用水加热的功能，以提高洗涤效果，这样的功能应该称为“附加功能”。一般来讲“附加功能”不会影响产品的正常使用，但可以改善该产品的性能。
机器除了上述功能外，还应具有可靠性、安全性、经济性、造型要求、环境保护性等各种功能。还应考虑不同产品的一些特殊要求，如精密机械要求长期保持其精度并有良好的防振性； 食品和药品加工机械要求不污染被加工产品； 户外机械要求良好的防护性、防腐性和密封性等。
产品的功能与技术、经济等因素密切相关，机器设备功能增多的同时，必然会使机器结构变得较为复杂，并增加制造成本。而产品功能的减少又可能造成市场竞争力下降。一台机器的功能不是越多越好，我们要学会分析“功能”的作用，分清哪些属于“基本功能”，哪些属于“附加功能”，同时还要学会估量不同的“功能”可能会给人们带来多少效益与问题。分析研究一个机器时，可以问几个问题，如： ①是否减轻人们的体力劳动，提高劳动的舒适性； ②是否提高工作能力与生产效率； ③是否提高工作质量； ④是否增加新的用途； ……
2. 机器的规格与性能
同样用途、同样基本功能的机器，还是存在很多差别。简单归纳起来主要集中在规格与性能的差异上面。
产品的规格反映了该产品适合的工作能力与范围。例如，同样是载货的汽车，重型车、中型车、轻型车、微型车之间差别很大。重型车可一次运载10t、20t或更重的货物，而微型车最大载重一般不超过1t。不同规格的汽车从汽车的体积、重量、结构和价格上都不相同。用户购买机器设备时，必须首先明确购买该设备的规格和工作能力范围。如果选择的规格超过了使用需要，出现“大马拉小车”的问题，必然会增加购置成本和使用成本； 而选择的规格小于使用范围，则有些工作在这台设备上干不了，这都会给用户带来损失。因此，我们了解机器，不要忽视它们在规格上的差异。

产品的性能，粗略地说反映了产品的工作能力与工作质量方面的差异，经常用一系列技术指标将其表现出来。设备的规格其实也是工作能力的一种。机器工作时可以提供的功率、力、速度、尺寸范围都反映了机器设备的工作能力。例如对于汽车，除载重量外， 动力性（最高车速、最大爬坡度等）也是其工作能力的表现。

工作质量的内容应视不同机械设备的要求而有所不同。例如，反映汽车工作质量的平顺性（乘坐舒适）、操纵稳定性（便于操纵而不感到紧张疲劳）、制动性（制动有效、不易跑偏，以保证安全）、经济性（油耗小）等； 而对于机床来说，加工零件的尺寸精确度及加工表面粗糙度，则是反映机床工作质量的重要指标。任何产品都有一定的质量标准（国际标准、国家标准、企业标准），具有配套的统一的检验方法。产品出厂时，必须通过该产品的质量标准。

3. 机器的功能与结构的关系
前面讨论了机器设备的用途、功能与性能的概念。机器的结构是功能与性能实现的保证。如图1-9所示的咖啡手摇磨，其研磨功能是由手摇手柄组件1、带动传动轴6、研磨轴7，由研磨轴7与研磨轮8互研来实现的。手柄、传动轴、研磨轴、研磨轮都是咖啡手摇磨结构的一部分，它们在实现研磨咖啡豆功能中所起的作用是各不相同的。其中手柄的作用是将手动能量转化为机械能； 传动轴将动力传入工作部位（研磨轴），研磨轮、研磨轴互研，完成研磨功能； 咖啡杯13起到盛放和将咖啡豆导入研磨腔的作用； 而盒体10、抽屉11分别起到支撑和收集咖啡粉的作用。


图1-9咖啡手摇磨


1—手摇手柄组件； 2—锁紧螺母； 3—定位卡； 4—轴套； 5—调节螺母； 6—传动轴； 7—研磨轴； 8—研磨轮； 
9—定位环； 10—盒体； 11—抽屉； 12—封盖； 13—咖啡杯； 14—支架组件； 15—螺钉



通过咖啡手摇磨的结构与功能的分析，我们知道实现“研磨”单一功能与相应结构之间的关系。实际上，机器经常要完成多项功能，实现这些功能与结构可能会出现比较复杂的关系。对于咖啡手摇磨，我们还需要增加功能——研磨出不同粒度要求的咖啡粉。调节螺母5可改变研磨轴的高低，从而调节研磨轴与研磨轮的轴向间隙，起到调节咖啡豆研磨粒度的作用； 定位卡3与调节螺母4上的定位槽配合，起到调整粒度后的定位防松作用。图1-8所示的自动洗衣机的构造在一定程度上也反映了这一情况。
4. 机器的组成
通过上述一些例子，我们可以看到机器具有多样性与复杂性。任何一种机器，从功能的角度来看，它可以分为以下几个部分，如图1-10所示。


图1-10机器的主要组成


1） 原动机
原动机，是整个机器的动力部分，是机械工作能力的来源。从石器打磨到现代生产，机械工作能力的来源从人力到自然力、畜力，到如今使用动力能量，如电能、蒸汽。例如洗衣机的原动机是电动机，使用电能； 咖啡手摇磨是以手动为原动机，使用人力。
2） 传动机构
传动机构是机器中连接原动机和执行机构的中间环节，起着“桥梁”的作用。在工作中，它将原动机输出的运动和动力传递给执行机构。它的运动形式是多种多样的，有可能是转动，也有可能是移动，还有可能是摆动等，例如汽车发动机是将汽油燃烧推动活塞的直线往复运动通过传动机构转变为车轮的回转运动； 游乐场的海盗船是将电机的回转运动通过传动机构转换为摆动。传动机构不论从技术难度和在整机成本方面都占有重要的比重。
3） 执行机构
执行机构，是直接完成机器工作任务的部分，如咖啡机的研磨轴与研磨轮，洗衣机的波轮、车床的刀架等，通过它们完成机器预定的功能。执行机构主要取决于机器的工作要求和工作中的动作，随机器的功能不同而有所不同，是直接影响机器工作质量的重要部分。图1-7（a）中机器人的执行机构是抓取机构，为了能可靠抓起不同形状的物体，抓取机构有各种不同的结构形式。
4） 操纵和控制系统
操纵和控制系统使机器各组成部分彼此协调运行，从而高效可靠地完成机器的工作任务。如使机器开或停、改变运动的速度和方向、输出或切断动力等等。随着技术的发展，控制系统在整台机器设备中的作用越发重要，在整机成本中的份额也越来越大。
5） 支承机构
支承机构指机器设备的底座、床身、箱体等大型构件。其作用是支撑原动机、传动机构、执行机构、操纵和控制系统，使它们保持各自正确的位置，并保持各种运动机构沿着该构件精确的导轨方向移动，以实现执行机构预定的工作。机器设备的运输、安装都离不开支承构件，并往往占据了机器重量的大部分。例如咖啡手摇磨的盒体、机床的床身等。
6） 润滑、冷却与密封系统
润滑、冷却与密封系统是为了保证总系统及各子系统能在规定的温度范围内正常地工作和延长使用寿命。润滑密封装置可降低摩擦，冷却的作用是降低温升。
对于汽车这种复杂的机器，发动机是原动机，从发动机到4个车轮之间的各个齿轮、离合器、变速机构等都是传动机构； 4个车轮是执行机构； 它们都固定在汽车的底盘上，同时汽车的壳体、座位也固定在底盘上，所以底盘是汽车的支承机构； 而方向盘、操纵杆和加速、停车踏板则是控制系统； 润滑、冷却与密封系统对于汽车也是必不可少的。我们可以按图1-10所示的关系，对自己家里的或熟悉的小机械、小电器产品进行分析，了解它们的性能和组成。
4. 机器零件的分类
整台机器无论哪个部分都是由若干个不同几何形状和尺寸的零件按照一定的方式装配而成的。而每一种零件又是由各种各样的材料经过一系列的成形工艺或加工工艺而形成。了解零件的形状与几何特征对零件的制造是很重要的。
零件随其功用、形状、尺寸和精度诸因素的不同而千变万化，但组成零件的常见的表面有外圆、内圆、锥面、平面、螺纹、齿形、成形面以及各种沟槽等。按零件的结构一般又可分为5类，即轴类、盘套类、支架箱体类（六面体类和机身机座类）、板块类和特殊类零件。其中轴类零件、盘套类零件和支架箱体类零件是最常见的3类零件。
按零件的几何特征，轴、盘套类零件可分为外圆柱体、孔、端面槽、键槽、螺纹、齿形、倒角等特征； 板块类零件可分为槽类、孔类、凹腔类、凸起类、台阶类、过渡边类等特征。
例如作为教学用的台饰作品（见图1-11），由3个零件组成，如表1-1所示，不同类型的零件采用的材料、成形和制造加工方法不同。


图1-11教学用台饰作品（图注见表1-1）



表1-1台饰作品零件明细表



序号名称材料零件类型成形及加工方法

1储物筒铝合金盘套类铸造、车削
2底座铝合金板块类铸造、铣削
3起瓶器铝合金板块类剪板、电火花线切割、钳工

1.2.2机械制造的一般过程
我们需要机器，必然要研究怎样制造最好的机器。
首先我们先了解如何制造机器。机器产品的制造过程，就是将原材料转变为产品的全过程，通常要包括原材料和生产技术准备、毛坯制造、零件加工、装配与调试、成品检验与包装等一系列环节。
机械产品的制造过程如图1-12所示，与日常生活中烹饪美味佳肴的过程很类似，有选择食材（原材料）和解决烹制手段（加工过程）两个问题。机械制造的“食材”就是方框内参与加工制造过程的物质，如矿石、生铁、铸造生铁、铸件、零件、机电产品等，这些物质在各个工艺过程中被加工或成形，称为原材料、毛坯、半成品。机械制造过程中的“烹制手段”，叫工艺方法（或称工艺过程），即将一种物质变成（或加工成）另一种物质的方法，如图1-12中的炼钢、锻造、切削加工、装配等。一定的工艺方法总是和一定的设备相关联的。工艺方法及相关设备的发展和更新引起制造技术的进步，甚至会带来整个制造工业的飞跃。
在实际生产中，机械制造的一般过程可分为原材料生产、毛坯制造、零件加工和产品装配4个阶段，如图1-12所示。


图1-12机械制造的一般过程


1. 原材料的生产阶段
例如，铁矿石经过炼铁得到生铁，生铁可以直接作为铸造生铁，也可以通过炼钢得到钢。而钢，可以直接铸成铸钢锭，也可以经过轧钢轧制成各种型钢。
2. 毛坯制造阶段
毛坯制造多数要加热，我们通常称作热加工。常见的有铸造、焊接、锻造、冲压和下料等。
（1） 铸造，就是将液态金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却后，获得金属零件或毛坯的加工方法。
（2） 锻造，就是借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。
（3） 焊接，就是利用局部的加热或加压，把分离的金属材料连接成不可拆的整体的加工方法。
（4） 冲压，就是利用安装在冲压机床上的冲压模具，对板料加压，使其产生塑性变形或分离，获得所需的零件或制品。
（5） 下料,就是将各种的型钢如板料、棒料、角钢等通过锯削、切割或者剪切，获得所需的、满足尺寸要求的零件毛坯。
3. 零件加工阶段
零件加工阶段就是将毛坯通过切削加工、特种加工、热处理等方法制造成零件的过程。
（1） 切削加工，是利用切削工具从毛坯上切除多余的材料，获得满足图纸要求的零件的加工方法。这个过程通常在常温下进行，故常称为冷加工。冷加工主要分为两大类： 一类是机械加工，简称机工，就是工人操纵机床完成切削加工，常见的有车削、铣削、刨削、磨削、钻削等； 另一类是钳工，就是工人用手持工具进行切削加工，是装配和修理必不可少的加工方法。
（2） 特种加工，是直接利用机械能以外的其他能量如电能、电化学能、声能、光能等进行