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桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 1 頁 共 11 頁 1 模具的歷史發(fā)展 David O Kazmer Injection mold design engineering Hanser Gardner Publications 2007 模具的出現(xiàn)可以追溯到幾千年前的陶器和青銅器鑄造 但其大規(guī)模使用卻是隨著 現(xiàn)代工業(yè)的掘起而發(fā)展起來的 19 世紀 隨著軍火工業(yè) 槍炮的彈殼 鐘表工業(yè) 無線電工業(yè)的發(fā)展 沖模得到 廣泛使用 二次大戰(zhàn)后 隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展 它又成了大量生產(chǎn)家用電器 汽 車 電子儀器 照相機 鐘表等零件的最佳方式 從世界范圍看 當時美國的沖壓技 術(shù)走在前列 許多模具先進技術(shù) 如簡易模具 高效率模具 高壽命模具和沖壓自 動化技術(shù)等 其大多起源于美國 而瑞士的精沖 德國的冷擠壓技術(shù) 蘇聯(lián)對塑性加 工的研究也處于世界先進行列 50 年代 模具行業(yè)工作重點是根據(jù)用戶的要求 制作 能滿足產(chǎn)品要求的模具 模具設(shè)計多憑經(jīng)驗 參考已有圖紙和感性認識 對所設(shè)計模 具零件的機能缺乏真切了解 從 1955 年到 1965 年 是沖壓工業(yè)的探索和開發(fā)時代 對模具主要零部件的機能和受力狀態(tài)進行了數(shù)學分橋 并把這些知識不斷應(yīng)用于現(xiàn) 場實際 使得沖壓技術(shù)在各方面有飛躍的發(fā)展 其結(jié)果是總結(jié)出了模具的設(shè)計原則 并使得壓力機械 沖壓材料 加工方法 模具結(jié)構(gòu) 模具材料 模具制造方法 自動 化裝置等領(lǐng)域更新?lián)Q代 并向?qū)嵱没姆较蚯斑M 從而使沖壓加工進入生產(chǎn)優(yōu)良產(chǎn)品 的第一階段 進入 70 年代 模具進入高速化 機械化 精密化 安全化發(fā)展的第二階段 在這 個過程中不斷涌現(xiàn)各種高效率 高壽命 高精度 多功能的自動化模具 其代表是多 個工位的級進模和十幾個工位的多工位傳遞模 在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出既有連續(xù)沖壓工 位又有多滑塊成形工位的壓力機 彎曲機 在此期間 日本站到了世界最前列 其 模具加工精度進入了微米級 模具壽命 合金鋼制造的模具達到了幾千萬次 硬質(zhì)合 金鋼制造的模具達到了幾億次 在沖壓模具中 每分鐘沖壓次數(shù) 小型壓力機通常為 200 至 300 次 最高為 1200 次至 1500 次 在此期間 為了適應(yīng)產(chǎn)品更新快 用期短 如汽車改型 玩具翻新等 的需要 各種經(jīng)濟型模具 如鋅鉻合金模具 聚氨酯橡膠 模具 鋼皮沖模等也得到了很大發(fā)展 從 70 年代中期至今可以說是計算機輔助設(shè)計 輔助制造技術(shù)不斷發(fā)展的時代 隨 著模具加工精度與復(fù)雜性不斷提高 生產(chǎn)周期不斷加快 模具業(yè)對設(shè)備和人員素質(zhì)的 要求也不斷提高 依靠普通加工設(shè)備 憑經(jīng)驗和手藝越來越不能滿足模具生產(chǎn)的需要 90 年代以來 機械技術(shù)和電子技術(shù)緊密結(jié)合 發(fā)展了 NC 機床 如數(shù)控線切割機床 數(shù) 控電火花機床 數(shù)控銑床 數(shù)控坐標磨床等 進而出現(xiàn)了采用電子計算機自動編程 控制的 CNC 機床 提高了數(shù)控機床的使用效率和范圍 近年來又發(fā)展出由一臺計算機 以分時的方式直接管理和控制一群數(shù)控機床的 NNC 系統(tǒng) 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 2 頁 共 11 頁 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展 計算機也逐步進入模具生產(chǎn)的各個領(lǐng)域 包括設(shè)計 制 造 管理等 國際生產(chǎn)研究協(xié)會預(yù)測 到 2000 年 作為設(shè)計和制造之間聯(lián)系手段的圖 紙將失去其主要作用 模具自動設(shè)計的最根本點是必須確立模具零件標準及設(shè)計標準 要擺脫過去以人的思考判斷和實際經(jīng)驗為中心所組成的設(shè)計方法 就必須把過去的經(jīng) 驗和思考方法 進行系列化 數(shù)值化 數(shù)式化 作為設(shè)計準則儲存到計算機中 因為 模具構(gòu)成元件也干差萬別 要搞出一個能適應(yīng)各種零件的設(shè)計軟件幾乎不可能 但是 有些產(chǎn)品的零件形狀變化不大 模具結(jié)構(gòu)有一定的規(guī)律 可總結(jié)歸納 為自動設(shè)計提 供軟件 如日本某公司的 CDM 系統(tǒng)用于級進模設(shè)計與制造 其中包括零件圖形輸入 毛坯展開 條料排樣 確定模板尺寸和標準 繪制裝配圖和零件圖 輸出 NC 程序 為 數(shù)控加工中心和線切割編程 等 所用時間由手工的 20 工時減少到 35 小時 從 80 年代初日本就將三維的 CAD CAM 系統(tǒng)用于汽車覆蓋件模具 目前 在實體件的掃描輸 入 圖線和數(shù)據(jù)輸入 幾何造形 顯示 繪圖 標注以及對數(shù)據(jù)的自動編程 產(chǎn)生效 控機床控制系統(tǒng)的后置處理文件等方面已達到較高水平 計算機仿真 CAE 技術(shù)也取得 了一定成果 在高層次上 CAD CAM CAE 集成的 即數(shù)據(jù)是統(tǒng)一的 可以互相直接傳 輸信息 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 目前 國外僅有少數(shù)廠家能夠做到 2 沖壓 沖壓是通過模具使板材產(chǎn)生塑性變形而獲得成品零件的一種成形工藝方法 由于 沖壓通常在冷態(tài)下進行 因此也稱冷沖壓 只有當板材厚度超過 8 100 毫米時 才采 用熱沖壓 沖壓加工的原材料一般為板材或帶材 故也稱板材沖壓 某些非金屬板材 如膠木板 云母片 石棉 皮革等 亦可采用沖壓成形工藝進行加工 沖壓廣泛應(yīng)用于金屬制品各行業(yè)中 尤其在汽車 儀表 軍工 家用電器等工業(yè) 中占有極其重要的地位 沖壓成形需研究工藝 設(shè)備和模具三類基本問題 板材沖壓具有下列特點 1 材料利用率高 2 可加工薄壁 形狀復(fù)雜的零件 3 沖壓件在形狀和尺寸精度方面的互換性好 4 能獲得質(zhì)量輕而強度高 剛性好的零件 5 生產(chǎn)率高 操作簡單 容易實現(xiàn)機械化和自動化 沖壓模具制造成本高 因此適合于大批量生產(chǎn) 對于小批量 多品種生產(chǎn)常采用 簡易沖模 同時引進沖壓加工中心等新型設(shè)備 以滿足市場求新求變的需求 板材沖壓常用的金屬材料有低碳鋼 銅 鋁 鎂合金及高塑性的合金鋼等 如前 所述 材料形狀有板材和帶材 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 3 頁 共 11 頁 沖壓生產(chǎn)設(shè)備有剪床和沖床 剪床是用來將板材剪切成具有一定寬度的條料 以 供后續(xù)沖壓工序使用 沖床可用于剪切及成形 生產(chǎn)實踐中所采用的沖壓成形工藝方法有很多 具有多種形式和名稱 但其塑性 變形本質(zhì)是相同的 沖壓成形具有如下幾個非常突出的特點 1 垂直于板面方向的單位面積上的壓力 其數(shù)值不大便足以在板面方向上使板材 產(chǎn)生塑性變形 由于垂直于板面方向上的單位面積上壓力的數(shù)值遠小于板面方向上的 內(nèi)應(yīng)力 所以大多數(shù)的沖壓變形都可以近似地當作平面應(yīng)力狀態(tài)來處理 使其變形力 學的分析和工藝參數(shù)的計算等工作都得到很大的簡化 2 由于沖壓成形用的板材毛坯的相對厚度很小 在壓應(yīng)力作用下的抗失穩(wěn)能力也 很差 所以在沒有抗失穩(wěn)裝置 如壓邊圈等 的條件下 很難在自由狀態(tài)下順利地完成 沖壓成形過程 因此 以拉應(yīng)力作用為主的伸長類沖壓成形過程 多于以壓應(yīng)力作用 為主的壓縮類成形過程 3 沖壓成形時 板材毛坯內(nèi)應(yīng)力的數(shù)值等于或小于材料的屈服應(yīng)力 在這一點上 沖壓成形與體積成形的差別很大 因此 在沖壓成形時變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)中的靜水壓力 成分對成形極限與變形抗力的影響 已失去其在體積成形時的重要程度 有些情況下 甚至可以完全不予考慮 即使有必要考慮時 其處理方法也不相同 4 在沖壓成形時 模具對板材毛坯作用力所形成的約束作用較輕 不像體積成形 如模鍛等 是靠與制件形狀完全相同的型腔對毛坯進行全面接觸而實現(xiàn)的強制成形 在沖壓成形中 大多數(shù)情況下 板材毛坯都有某種程度的自由度 常常是只有一個表 面與模具接觸 甚至有時存在板材兩側(cè)表面都不與模具接觸的變形部分 在這種情況 下 這部分毛坯的變形是靠模具對其相鄰部分施加的外力實現(xiàn)其控制作用的 例如 球面和錐面零件成形時的懸空部分和管坯端部的卷邊成形等都屬這種情況 由于沖壓成形具有上述一些變形與力學方面的特點 致使沖壓技術(shù)也形成了一些 與體積成形不同的特點 1 由于不需要在板材毛坯的表面施加很大的單位壓力即可使其成形 所以在沖壓 技術(shù)中關(guān)于模具強度與剛度的研究并不十分重要 相反地卻發(fā)展了許多簡易模具技術(shù) 由于相同的原因 也促使靠氣體或液體壓力成形的工藝方法得以發(fā)展 2 因沖壓成形時的平面應(yīng)力狀態(tài)或更為單純的應(yīng)變狀態(tài) 與體積成形相比 當前 對沖壓成形中毛坯的變形 力與電能參數(shù)方面的研究較為深人 有條件運用合理的科 學方法進行沖壓加工 借助于電子計算機與先進的測試手段 在對板材性能與沖壓變 形參數(shù)進行實時測量與分析的基礎(chǔ)上 實現(xiàn)沖壓過程智能化控制的研究工作也在開展 3 人們已經(jīng)認識到?jīng)_壓成形與原材料有十分密切的關(guān)系 所以 對板材沖壓性能 即成形性與形狀穩(wěn)定性的研究 目前已成為沖壓技術(shù)的一個重要內(nèi)容 對板材沖壓性 能的研究工作不僅是沖壓技術(shù)發(fā)展的需要 而且也促進了鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 4 頁 共 11 頁 為其提高板材的質(zhì)量提供了一個可靠的基礎(chǔ)與依據(jù) 3 我國模具工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 由于歷史原因形成的封閉式 大而全 的企業(yè)特征 我國大部分企業(yè)均設(shè)有模具 車間 處于本廠的配套地位 自 70 年代末才有了模具工業(yè)化和生產(chǎn)專業(yè)化這個概念 生產(chǎn)效率不高 經(jīng)濟效益較差 模具行業(yè)的生產(chǎn)小而散亂 跨行業(yè) 投資密集 專業(yè) 化 商品化和技術(shù)管理水平都比較低 據(jù)不完全統(tǒng)計 全國現(xiàn)有模具專業(yè)生產(chǎn)廠 產(chǎn)品廠配套的模具車間 分廠 近 17000 家 約 60 萬從業(yè)人員 年模具總產(chǎn)值達 200 億元人民幣 但是 我國模具工業(yè) 現(xiàn)有能力只能滿足需求量的 60 左右 還不能適應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要 目前 國內(nèi) 需要的大型 精密 復(fù)雜和長壽命的模具還主要依靠進口 據(jù)海關(guān)統(tǒng)計 1997 年進口 模具價值 6 3 億美元 這還不包括隨設(shè)備一起進口的模具 1997 年出口模具僅為 7800 萬美元 目前我國模具工業(yè)的技術(shù)水平和制造能力 是我國國民經(jīng)濟建設(shè)中的薄弱環(huán) 節(jié)和制約經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的瓶頸 3 1 模具工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀 按照中國模具工業(yè)協(xié)會的劃分 我國模具基本分為 10 大類 其中 沖壓模和塑料成 型模兩大類占主要部分 按產(chǎn)值計算 目前我國沖壓模占 50 左右 塑料成形模約占 20 拉絲模 工具 約占 10 而世界上發(fā)達工業(yè)國家和地區(qū)的塑料成形模比例一 般占全部模具產(chǎn)值的 40 以上 我國沖壓模大多為簡單模 單工序模和符合模等 精沖模 精密多工位級進模還為 數(shù)不多 模具平均壽命不足 100 萬次 模具最高壽命達到 1 億次以上 精度達到 3 5um 有 50 個以上的級進工位 與國際上最高模具壽命 6 億次 平均模具壽命 5000 萬次相比 處于 80 年代中期國際先進水平 我國的塑料成形模具設(shè)計 制作技術(shù)起步較晚 整體水平還較低 目前單型腔 簡單型腔的模具達 70 以上 仍占主導地位 一模多腔精密復(fù)雜的塑料注射模 多色 塑料注射模已經(jīng)能初步設(shè)計和制造 模具平均壽命約為 80 萬次左右 主要差距是模具 零件變形大 溢邊毛刺大 表面質(zhì)量差 模具型腔沖蝕和腐蝕嚴重 模具排氣不暢和 型腔易損等 注射模精度已達到 5um 以下 最高壽命已突破 2000 萬次 型腔數(shù)量已超 過 100 腔 達到了 80 年代中期至 90 年代初期的國際先進水平 3 2 模具工業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀 我國模具工業(yè)目前技術(shù)水平參差不齊 懸殊較大 從總體上來講 與發(fā)達工業(yè)國 家及港臺地區(qū)先進水平相比 還有較大的差距 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 5 頁 共 11 頁 在采用 CAD CAM CAE CAPP 等技術(shù)設(shè)計與制造模具方面 無論是應(yīng)用的廣泛性 還 是技術(shù)水平上都存在很大的差距 在應(yīng)用 CAD 技術(shù)設(shè)計模具方面 僅有約 10 的模具在 設(shè)計中采用了 CAD 距拋開繪圖板還有漫長的一段路要走 在應(yīng)用 CAE 進行模具方案設(shè) 計和分析計算方面 也才剛剛起步 大多還處于試用和動畫游戲階段 在應(yīng)用 CAM 技 術(shù)制造模具方面 一是缺乏先進適用的制造裝備 二是現(xiàn)有的工藝設(shè)備 包括近 10 多 年來引進的先進設(shè)備 或因計算機制式 IBM 微機及其兼容機 HP 工作站等 不同 或因字節(jié)差異 運算速度差異 抗電磁干擾能力差異等 聯(lián)網(wǎng)率較低 只有 5 左右的 模具制造設(shè)備近年來才開展這項工作 在應(yīng)用 CAPP 技術(shù)進行工藝規(guī)劃方面 基本上處 于空白狀態(tài) 需要進行大量的標準化基礎(chǔ)工作 在模具共性工藝技術(shù) 如模具快速成 型技術(shù) 拋光技術(shù) 電鑄成型技術(shù) 表面處理技術(shù)等方面的 CAD CAM 技術(shù)應(yīng)用在我國 才剛起步 計算機輔助技術(shù)的軟件開發(fā) 尚處于較低水平 需要知識和經(jīng)驗的積累 我國大部分模具廠 車間的模具加工設(shè)備陳舊 在役期長 精度差 效率低 至今仍 在使用普通的鍛 車 銑 刨 鉆 磨設(shè)備加工模具 熱處理加工仍在使用鹽浴 箱 式爐 操作憑工人的經(jīng)驗 設(shè)備簡陋 能耗高 設(shè)備更新速度緩慢 技術(shù)改造 技術(shù) 進步力度不大 雖然近年來也引進了不少先進的模具加工設(shè)備 但過于分散 或不配 套 利用率一般僅有 25 左右 設(shè)備的一些先進功能也未能得到充分發(fā)揮 缺乏技術(shù)素質(zhì)較高的模具設(shè)計 制造工藝技術(shù)人員和技術(shù)工人 尤其缺乏知識面 寬 知識結(jié)構(gòu)層次高的復(fù)合型人才 中國模具行業(yè)中的技術(shù)人員 只占從業(yè)人員的 8 12 左右 且技術(shù)人員和技術(shù)工人的總體技術(shù)水平也較低 1980 年以前從業(yè)的技術(shù) 人員和技術(shù)工人知識老化 知識結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)現(xiàn)在的需要 而 80 年代以后從業(yè)的人員 專業(yè)知識 經(jīng)驗匱乏 動手能力差 不安心 不愿學技術(shù) 近年來人才外流不僅造成 人才數(shù)量與素質(zhì)水平下降 而且人才結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了新的斷層 青黃不接 使得模具設(shè) 計 制造的技術(shù)水平難以提高 3 3 模具工業(yè)配套材料 標準件結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀 近 10 多年來 特別是 八五 以來 國家有關(guān)部委已多次組織有關(guān)材料研究所 大專院校和鋼鐵企業(yè) 研究和開發(fā)模具專用系列鋼種 模具專用硬質(zhì)合金及其他模具 加工的專用工具 輔助材料等 并有所推廣 但因材料的質(zhì)量不夠穩(wěn)定 缺乏必要的 試驗條件和試驗數(shù)據(jù) 規(guī)格品種較少 大型模具和特種模具所需的鋼材及規(guī)格還有缺 口 在鋼材供應(yīng)上 解決用戶的零星用量與鋼廠的批量生產(chǎn)的供需矛盾 尚未得到有 效的解決 另外 國外模具鋼材近年來相繼在國內(nèi)建立了銷售網(wǎng)點 但因渠道不暢 技術(shù)服務(wù)支撐薄弱及價格偏高 外匯結(jié)算制度等因素的影響 目前推廣應(yīng)用不多 模具加工的輔助材料和專用技術(shù)近年來雖有所推廣應(yīng)用 但未形成成熟的生產(chǎn)技 術(shù) 大多仍還處于試驗摸索階段 如模具表面涂層技術(shù) 模具表面熱處理技術(shù) 模具 導向副潤滑技術(shù) 模具型腔傳感技術(shù)及潤滑技術(shù) 模具去應(yīng)力技術(shù) 模具抗疲勞及防 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 6 頁 共 11 頁 腐技術(shù)等尚未完全形成生產(chǎn)力 走向商品化 一些關(guān)鍵 重要的技術(shù)也還缺少知識產(chǎn) 權(quán)的保護 我國的模具標準件生產(chǎn) 80 年代初才形成小規(guī)模生產(chǎn) 模具標準化程度及標準件 的使用覆蓋面約占 20 從市場上能配到的也只有約 30 個品種 且僅限于中小規(guī)格 標準凸凹模 熱流道元件等剛剛開始供應(yīng) 模架及零件生產(chǎn)供應(yīng)渠道不暢 精度和質(zhì) 量也較差 3 4 模具工業(yè)產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀 我國的模具工業(yè)相對較落后 至今仍不能稱其為一個獨立的行業(yè) 我國目前的模 具生產(chǎn)企業(yè)可劃分為四大類 專業(yè)模具廠 專業(yè)生產(chǎn)外供模具 產(chǎn)品廠的模具分廠或 車間 以供給本產(chǎn)品廠所需的模具為主要任務(wù) 三資企業(yè)的模具分廠 其組織模式與 專業(yè)模具廠相類似 以小而專為主 鄉(xiāng)鎮(zhèn)模具企業(yè) 與專業(yè)模具廠相類似 其中以第 一類數(shù)量最多 模具產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的 70 以上 我國的模具行業(yè)管理體制分散 目前 有 19 個大行業(yè)部門制造和使用模具 沒有統(tǒng)一管理的部門 僅靠中國模具工業(yè)協(xié)會統(tǒng) 籌規(guī)劃 集中攻關(guān) 跨行業(yè) 跨部門管理困難很多 模具適宜于中小型企業(yè)組織生產(chǎn) 而我國技術(shù)改造投資向大中型企業(yè)傾斜時 中 小型模具企業(yè)的投資得不到保證 包括產(chǎn)品廠的模具車間 分廠在內(nèi) 技術(shù)改造后不 能很快收回其投資 甚至負債累累 影響發(fā)展 雖然大多數(shù)產(chǎn)品廠的模具車間 分廠 技術(shù)力量強 設(shè)備條件較好 生產(chǎn)的模具水平也較高 但設(shè)備利用率低 我國模具價格長期以來同其價值不協(xié)調(diào) 造成模具行業(yè) 自身經(jīng)濟效益小 社會 效益大 的現(xiàn)象 干模具的不如干模具標準件的 干標準件的不如干模具帶件生產(chǎn) 的 干帶件生產(chǎn)的不如用模具加工產(chǎn)品的 之類不正?，F(xiàn)象存在 4 工程 工程這門科學 是運用科學 數(shù)學 經(jīng)濟 社會和實用知識的總稱 常用于設(shè)計 和建造建筑物 機器 設(shè)備 系統(tǒng)等等 可以穩(wěn)定地實現(xiàn)對社會的需求提供解決方案 的專業(yè) 美國工程師專業(yè)發(fā)展理事會 ECPD ABET 的前身 定義了 工程 為 創(chuàng)造性地運用科學原理 設(shè)計或開發(fā)的結(jié)構(gòu) 機器 儀器或生產(chǎn)工藝 或單獨或 聯(lián)合的利用他們的產(chǎn)品 或建造或操作其設(shè)計 或預(yù)測其具體的操作條件下的行為 作為全方位的預(yù)定功能 是安全操作和經(jīng)濟學的生命和財產(chǎn) 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 7 頁 共 11 頁 4 1 歷史 在維基詞典中查找工程 工程的概念已經(jīng)存在 解釋為制造 如滑輪 杠桿和車 輪等等古代人類發(fā)明的 這些發(fā)明每一方都與現(xiàn)代的工程定義相一致 利用基本力學 原理 開發(fā)有用的工具和對象 長期的工程技術(shù)本身有一個更近詞源 工程師 而它本身的歷史可以追溯到 1325 年 當一個 engine er 字面上看 一個經(jīng)營發(fā)動機 原指 軍用發(fā)動機的構(gòu)造 現(xiàn) 在已經(jīng)過時了 一個 發(fā)動機 指的是一個軍事機器 也就是說 在戰(zhàn)爭中使用的機 械武器 例如 一個投石器 過時的用法有存活至今例外 其中值得注意的是軍事工 程兵 例如 美國陸軍工程兵 這個 engine er 本身更老的起源是 最終從拉丁語派生 ingenium 約 1250 意思是 生的素質(zhì) 特別是精神力量 后來 隨著橋梁和建筑技術(shù)學科成熟的平民建 筑設(shè)計 土木工程一詞進入 以此來區(qū)分在這些非專業(yè)的軍事工程建設(shè) 并參與了這 些詞庫舊的軍事工程學科 4 2 古代時代 在亞歷山大燈塔 埃及金字塔 巴比倫的空中花園 雅典衛(wèi)城帕特農(nóng)神廟和希臘 羅馬渡槽 威盛阿皮亞和羅馬斗獸場 特奧蒂瓦坎的城市和瑪雅 印加和阿茲特克帝 國 中國的長城 其中許多東西能作為一個獨立的聰明才智和古代民事和軍事工程師 技能的證明 最早的土木工程師的美稱 是印和闐 左塞爾作為法老的官員之一 他可能在公 元前約 2630 至 2611 年于薩卡拉設(shè)計和監(jiān)督建造階梯金字塔 他可能也已為第一位的 建筑工程師 古希臘的發(fā)展無論在民用和軍事領(lǐng)域 都使用了安提凱希拉機制 第一個已知的 機械計算機 與阿基米德的機械的發(fā)明是早期機械工程的例子 阿基米德的發(fā)明以及 安提凱希拉機制的若干規(guī)定以及差行星齒輪傳動裝置或更復(fù)雜的知識 兩機理論的主 要原則 幫助設(shè)計了工業(yè)革命的齒輪火車 今天仍然被廣泛地應(yīng)用于不同領(lǐng)域 如機 器人和汽車工程 中國 希臘和羅馬軍隊 如火炮是由希臘人圍繞公元前 4 世紀發(fā)明 中世紀弩和 投石車 投石機的復(fù)雜的軍事機器的發(fā)明和設(shè)計制造 4 3 文藝復(fù)興時代 第一個電氣工程師被認為是 1600 年的 Magnete 對 電 的出版創(chuàng)始人威廉吉爾 伯特 第一臺蒸汽發(fā)動機 由機械工程師托馬斯薩弗里發(fā)明于 1698 年 此裝置的研 制牽扯到了在未來幾十年的工業(yè)革命 大規(guī)模生產(chǎn)的開始 隨著工程師這種職業(yè)的地位不斷上升 在十八世紀 這個詞的意義變得更加狹窄 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 8 頁 共 11 頁 其中應(yīng)用到數(shù)學和科學應(yīng)用到這些目標的領(lǐng)域 同樣 軍事和民用工程機械工業(yè)也作 為已知的領(lǐng)域融入到了工程 4 4 現(xiàn)代時代 國際空間站是一個由多學科組成的現(xiàn)代工程技術(shù) 電氣工程可以在 1800 年追溯到亞歷山德羅伏 邁克爾法拉第 格奧爾格歐姆的實 驗 他人和電動機發(fā)明的實驗起源于 1872 年 詹姆斯麥克斯韋和赫茲于 19 世紀的作 品引擴寬了電子領(lǐng)域 在真空管和晶體管的發(fā)明 后來進一步加速了電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展到 這樣的程度 目前電氣和電子工程師數(shù)量超過任何其他工程專業(yè)的同類 托馬斯薩弗里和蘇格蘭工程師瓦特的發(fā)明提升了現(xiàn)代機械工程 在工業(yè)革命的發(fā) 源地英國和海外發(fā)展的專業(yè)機器和他們的維修工具導致機械工程的快速增長 化學工程 像它的對手機械工程一樣在十九世紀工業(yè)革命時期發(fā)展 由 1880 年的 化學品的大規(guī)模生產(chǎn)的需要以及工業(yè)革命生產(chǎn)要求的新材料 新工藝 人民創(chuàng)建了一 個新的行業(yè) 致力于大規(guī)模開發(fā)化學品 化學工程師的角色是設(shè)計這些化學工廠和建 造 航空航天工程是一個更現(xiàn)代化的工程 擴展了包括航天器設(shè)計 使其達到高度 它的起源可以追溯到大約在世紀之交的航空先驅(qū) 19 世紀末至 20 初 早期航空的工程 知識 主要是一些概念和其他部門的工程技術(shù)經(jīng)驗的引進 1863 年在耶魯大學應(yīng)用科學工程中的第一個博士在美國獲得前往威拉德吉布斯的 機會 他也是第二批博士在美國進修 僅僅十年后 萊特兄弟成功的飛行 20 世紀 20 年代通過第一次世界大戰(zhàn)軍用飛機的發(fā)展 航空工業(yè)獲得廣泛發(fā)展 同時 提供基本 的背景研究 科學實驗相結(jié)合 理論物理仍在繼續(xù) 1990 年 隨著計算機技術(shù)的興起 師艾倫設(shè)計了第一個電腦工程 4 5 工程主要分公司 工程 就像其他科學 是一個廣泛的學科 通常分為幾個子學科 這些不同學科 的關(guān)注自己工作領(lǐng)域的工程 最初的工程師將在一個特定的學科培訓在整個工程師的 生涯中 工程師有可能成為多學科 歷史上工程的主要分支分類如下 航天工程 飛機 航天器和相關(guān)主題的設(shè)計 化學工程 化工原理開發(fā)及大規(guī)模的化學過程 以及設(shè)計新的特殊材料和燃料 土木工程 設(shè)計以及公共和私人工程 如基礎(chǔ)設(shè)施 道路 鐵路 供水和水處理等 橋梁和建筑物的建設(shè) 電氣工程 一個非常廣泛的領(lǐng)域 可能包括設(shè)計和各種電器及電子系統(tǒng) 如電子線路 發(fā)電機 電動機 電磁 機電設(shè)備 電子器件 電子電路 光纖 光電器件 計算機系 統(tǒng) 研究 電信和電子產(chǎn)品 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 9 頁 共 11 頁 機械工程 以物理 機械系統(tǒng)設(shè)計 如發(fā)動機 壓縮機 動力系統(tǒng) 運動鏈 真空技 術(shù) 設(shè)備和振動隔離設(shè)備的工程 有時新專業(yè)與傳統(tǒng)領(lǐng)域相結(jié)合 形成新的分支 一個新的或新興的應(yīng)用領(lǐng)域通常會暫 時被定義為一個置換或?qū)ΜF(xiàn)有學科的一個子集 往往有灰色地帶時 以一個給定的子 場變大或突出到足以作為一個新的 分支分類 出現(xiàn)這樣的一個關(guān)鍵指標是重點大學 時開始在新的領(lǐng)域建立部門和方案 對于其中的每個領(lǐng)域存在著相當多的重疊 尤其是在物理 化學和數(shù)學科學應(yīng)用 到了自己的學科領(lǐng)域 4 6 方法 例如渦輪的設(shè)計需要從許多領(lǐng)域的工程師合作 因為系統(tǒng)是受機械 電磁和化學 過程 葉片 轉(zhuǎn)子和定子以及蒸汽循環(huán)都需要精心設(shè)計和優(yōu)化 工程師運用物理學和數(shù)學科學領(lǐng)域找到合適的解決問題的方法并作出舉措改善現(xiàn) 狀 比以往任何時候 工程師們現(xiàn)在要求為他們設(shè)計項目有關(guān)的科學知識更豐富 因 此 他們在整個職業(yè)生涯的不斷學習新知識 工程師設(shè)計選擇不同的解決方案 如果有多個選項存在的利弊權(quán)衡的 必須選擇 出最符合要求的那一個 工程師的重要而獨特的任務(wù)就是將其識別 理解和解釋上的 設(shè)計 以便產(chǎn)生一個成功的設(shè)計 但它通常是不夠的 建立一個在技術(shù)上成功的產(chǎn)品 還必須滿足進一步的要求并克服限制 限制可能包括可用資源有限 有想象力或技術(shù) 的限制 為今后的修改和補充的靈活性 以及諸如成本 安全性 市場化 生產(chǎn)能力 和可維護性要求的其他因素 通過了解的限制 工程師導出了在其中一個可行的物體 或系統(tǒng) 4 7 問題解決 工程師利用他們的科學 數(shù)學和相應(yīng)的經(jīng)驗知識 以尋找合適的解決方案的一個 問題 工程被認為是應(yīng)用數(shù)學和科學的一個分支 建立適當?shù)臄?shù)學模型的一個問題讓 他們?nèi)シ治鏊?并測試可能的解決方案 一個問題通常存在多種合理的解決方案 因此工程師必須評估其優(yōu)劣 選擇不同 的設(shè)計選擇最佳的解決方案能滿足其需求 收集大量專利統(tǒng)計數(shù)據(jù) 以 低層次 工 程設(shè)計的核心 而在更高層次上做出最好的設(shè)計 消除矛盾 找出導致了問題的核心 工程師一般嘗試預(yù)測他們的設(shè)計有多好并發(fā)揮自己的所有能力后全面生產(chǎn) 他們 使用包括 原型 比例模型 模擬 破壞性試驗 無損檢測 壓力試驗 測試確保產(chǎn) 品將達到預(yù)期效果 作為專業(yè)工程師要有認真對待設(shè)計產(chǎn)品的責任 并完成生產(chǎn)預(yù)期的設(shè)計 以免造 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 10 頁 共 11 頁 成意外傷害殃及市場 因此通常需要校核 包括工程師在其設(shè)計的安全系數(shù) 工程師 的設(shè)計需要更大的安全系數(shù) 以減少意外的失敗的風險 對不合格產(chǎn)品的研究被稱為法醫(yī)工程 并能通過幫助評估它的實際情況而設(shè)計的 產(chǎn)品設(shè)計師 例如橋梁工程 在橋梁坍塌后 應(yīng)當仔細分析 找出橋梁坍塌的原因以 及造成災(zāi)害的損失 4 8 電腦使用 航天飛機在周圍的高速空氣中重返大氣層進行流量計算機模擬 解決方案要求的 流量建模的流體流動與傳熱方程的綜合影響進行計算 這樣的計算只能依靠計算機的 使用 如同所有的現(xiàn)代科學技術(shù) 計算機和軟件發(fā)揮著越來越重要的作用 以及典型的 商業(yè)應(yīng)用軟件也有計算機輔助申請數(shù)目 計算機輔助技術(shù) 專門用于工程 計算機 可用于生成基本物理過程 可以用數(shù)值方法解決模式 行業(yè)最廣泛使用的工具之一 是計算機輔助設(shè)計 CAD 軟件使工程師創(chuàng)建三維模 型 二維圖紙 繪制設(shè)計原理圖 民航處聯(lián)同數(shù)字樣機 DMU 的和 CAE 如有限元分析 方法或分析元素軟件允許工程師創(chuàng)建的外觀設(shè)計 可以無需進行昂貴且費時的物理原 型的分析模型 這些讓產(chǎn)品和組件為缺陷檢查 評估適應(yīng)和組裝 研究人體工程學 并分析系統(tǒng)的靜態(tài) 和動態(tài)的特征 如壓力 溫度 電磁輻射的電流和電壓 數(shù)字邏輯電平 流體流動和 運動學 所有這些訪問和信息的發(fā)布是普遍組織了產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件的使用 也有許 多工具支持 如電腦輔助制造 CAM 軟件工程任務(wù)的具體產(chǎn)生數(shù)控加工指令 生產(chǎn)工 程制造流程管理軟件的 EDA 印刷電路板 PCB 和電子工程師電路原理圖 維修申請維 修管理 民用工程 AEC 軟件 近年來 利用計算機軟件來輔助品開發(fā)已集體來被視為 產(chǎn)品生命周期管理 PLM 而聞名 4 9 社會背景 工程是一大課題 合作范圍從小型個人項目到大型國家企業(yè) 幾乎所有工程項目 都依賴于一些融資機構(gòu)類別 一個公司 一個投資者的集合 或者一個政府 工程的 最低限度是由少數(shù)種類的限制等問題是無償開放式設(shè)計 工程和工程 由于工程其本身的性質(zhì) 必然與社會和人的行為相接觸 每個工程設(shè)計產(chǎn)品都將 影響到社會 工程設(shè)計是一個非常強大的工具 使環(huán)境 社會和經(jīng)濟變化 它的應(yīng)用 帶來了很大的責任 許多工程協(xié)會建立了工作守則和道德守則 以指導廣大成員 并 告知公眾 工程項目可能會受到爭議 從不同的工程學科的例子包括核武器的發(fā)展 三峽大 壩的設(shè)計和運動型多用途車的使用和石油開采 對此 一些西方工程公司已制定嚴重 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計用紙 第 11 頁 共 11 頁 的企業(yè)和社會責任政策 工程是人類發(fā)展的主要驅(qū)動力 撒哈拉以南的非洲地區(qū) 許多國家僅有非常小的 工程能力 這導致很多重要基礎(chǔ)設(shè)施無法發(fā)展 僅靠外來援助 對千年發(fā)展目標的實 現(xiàn)需要很多足夠的工程成就 發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施能力和可持續(xù)的技術(shù)發(fā)展 所有海外發(fā)展 和救濟的非政府組織作出的工程設(shè)計中 工程師大量使用適用于災(zāi)害和開發(fā)方案的解 決方案 一個慈善機構(gòu)的目標是將良好的工程更好的服務(wù)于人類