ch1机械制造概论.docVIP

機械製造概論 從歷史上記載得知數千年前人類就已經知道利用地球上存在的資源製造求生存所需的工具，例如石刀、石箭或斧頭等，和用以改善生活的器具，例如陶器、瓷器或青銅器等。他們藉助人力或水力的能量，利用簡易的手工設備和加工方法，例如鑄造、鍛錘或切削等，因此得到的產品精度和生產效率並不是很理想。雖然生產設備或加工方式，乃至產品品質都持續不斷的在改進，然而成效確是極為緩慢而有限。直到十八世紀末，蒸汽機的發明導致了所謂的第一次工業革命後，這些現象才大為改觀。第一次工業革命的主要特點是應用蒸汽機於各行各業，實現產業機械化以節省人力，並使產能大增。到十九世紀末，內燃機與發電機取代了蒸汽機，造成機械使用能源的方式改變，從燃煤、燃油、電力、核能到太陽能等演進。同時也促進了加工機器和加工技術的改革。進一步促使加工效率及產品精密度，大大超越以往幾千年來的努力，對人類文明的發展和生活品質的提昇貢獻極大。 二十世紀中後期電子計算機(又稱為電腦)和資訊傳遞技術的發展與改進，更是徹底的改變人類生活。電腦被應用於機械工業，促使加工用的工具機和加工方法都產生本質上的改變。機械的控制方式由傳統的機械式轉變為數值控制式，使得機械製造的生產效率及產品的品質都大為提高。同時藉助電腦的資料儲存和計算處理的能力，使生產自動化、系統整合製造和無人化工廠的目標方得以達成。因此有人稱電腦的誕生和應用是第二次工業革命。目前許多國家正努力於奈米技術的研發，此乃因為它將帶動材料、生醫、光電、資訊、能源、農業、化工、機械等產業進入新的發展方向，大幅提升其附加價值及競爭力，成為最可能激發二十一世紀新產業革命的關鍵技術。 通常產業結構分為三級，第一級是原料供應業，包括農業、漁業、牧業、林業和礦業等。第二級是製造業，即將原料加工成更有價值的產品。第三級是服務業，如教育、保險、銀行、運輸、娛樂、和商業等。很明顯的可以看出第一級和第三級的產業都必須仰賴第二級製造業所生產的機器、設備或產品才能達成它們的功能需求，因此可以說製造業是經濟活動的原動力。 1.1 製造的發展過程 機械製造的定義是將材料轉變為有用且可以銷售出去的產品。欲完成此以目的則需依靠機器的協助，一般即稱這些機器為工具機，並將轉變材料之形狀、尺寸或特性的方法稱為製造程序(Manufacturing processes)或加工方法。工具機和加工方法的發展是相輔相成且為同時並進，跟使用材料種類的不同與新材料的出現，供應能量方式的改變，輔助設備的更替，和製程技術的進步等有極為密切的關係。 機械製造的處理對象是材料，材料的種類很多，其中以金屬材料的用量最大，因此通常所提及的工具機和加工方法大都是針對金屬材料來討論。金屬材料的來源是將取自大自然的礦砂，經冶鍊及澆鑄後，再經滾軋等加工而形成棒狀、管狀、線狀、板狀或條狀等素材以供應後續加工之用，稱此過程為一次加工。若將素材再進一步製造成產品的方法，則稱之為機械加工方法，即所謂的二次加工。其中又可分為傳統加工方法和非傳統加工方法。傳統加工方法包含鑄造、切削、塑性成形、銲接、粉末冶金等，所需的能量以機械能為主，其值相對較小，對某些材料及複雜形狀的產品則無法加工。非傳統加工方法是以放電、電化學、超音波、雷射、爆炸或磁力等不同形式的能量為手段，其產品的精度較高，可製造較複雜形狀的產品。 由於製造的目的在產出有用的產品以滿足市場需求，故最開始是考慮可以提升生產效率增加產量的加工方法。但隨著人類追求更高生活品質的要求，有關如何增進產品品質的加工方法則成為優先考慮。近年來由於內外在條件的變遷，在資金、能源、環保和操作人員的安全衛生等之限制或規範下，可以兼顧各種因素的加工方法將成為最佳的選擇。有關加工方法之發展過程如表1.1所示，其中各加工方法之原理、特性、種類和應用等將分別在第三章以後詳述。 機械製造的生產方式有三個主要不同形式的演進，即包工方式、勞動分工和自動化生產等。在第一次工業革命之前工人對產品的每一加工道次都需親自操作，即材料被加工成產品的程序全部由一人包辦，且工作場所大都較窄小。第一次工業革命後產生勞動分工的觀念，將產品的不同加工道次分別交由不同的工人負責，每人專門負責其中的一項操作程序，產品需經過不同工作內容的所有操作人員後才能完成。同時也形成了近代工廠之型態，其後更有生產線的出現被用來製造大量生產的產品。近年來由於科技的進步，新型的工具機陸續被發明使用，先是自動工具機，然後是數值控制工具機，接著因電腦的發達而產生自動化生產，彈性製造系統和無人化工廠等自動化生產方式。 表1.1 加工方法之發展過程 年代 加工方法 1000~1700 永久模鑄造、滾軋、手工鍛造、鋸切 1700~1800 擠製、深抽、車削、搪孔 1800~1900 電鍍、離心鑄造、銑削、粉末冶金 1900~1940 壓