機械工程導論：基於智能製造（簡體書）

本書以滿足高等學校機械工程類專業學生的專業素質教育需要為目的，以智能製造和新工科建設為背景，主要面向大學一、二年級學生，系統而深入淺出地闡述機械工程的相關基礎知識、機械設計與現代設計方法、機械製造工藝技術、機電一體化與機械製造自動化技術及機械工程技術的新發展，使讀者瞭解當前工業化與信息化高度融合產物的智能製造的發展態勢，同時，結合目前工程教育認證的大環境，特別增加現代機械工程教育章節，介紹機械工程人才創新能力的培養和創新型人才培訓的具體實踐方案。本書提供配套電子課件、習題參考答案等。 本書可作為高等學校機械類專業一、二年級學生或非機械類專業學生開展機械工程通識教育的教學用書，也可以作為近機類專業教師的教學參考書及從事機械工程類相關工作的工程技術人員瞭解機械工程的參考書，還可以作為其他人員的課外讀物。

李勇峰，男，河南科技學院機電學院副院長/副教授。長期講授《數控機床與編程》《機電專業英語》《機械製造技術基礎》《機械工程概論》《機械製造工藝學》《工程材料及成型技術基礎》《現代材料測試與分析技術》等課程。榮獲河南省教育系統教學技能競賽二等獎，《機械製造工藝學》多媒體課件榮獲河南省信息技術教育優秀成果三等獎。

前 言
本書以滿足高等學校機械工程類專業學生的專業素質教育需要為目的，以智能製造和新工科建設為背景，系統而深入淺出地闡述機械工程的相關基礎知識、機械設計與現代設計方法、機械製造工藝技術、機電一體化與機械製造自動化技術及機械工程技術的新發展，同時，結合目前工程教育認證的大環境，特別增加現代機械工程教育章節，介紹機械工程人才創新能力的培養及創新型人才培養的具體實踐方案。本書部分內容為“2017 年河南省高等教育教學改革研究與實踐重點項目（2017SJGLX098）”的研究成果。
近年來，工業領域和信息技術領域發生了深刻變革，工業機器人、智能機床、3D打印、大數據、網絡信息化及移動互聯等技術的快速發展，使得工業化與信息化高度融合產物的智能製造得到長足的發展。通過本課程的學習，學生可瞭解機械工程學科對人類社會發展與進步的重要推動作用和機械工程技術的新發展，通曉機械工程類技術人員所需掌握的專業知識和技能，展望機械工程領域的美好前景，培養學生的專業意識，提高學生的專業興趣，激發學生的專業學習熱情，促使學生能夠更加自主地投入到後續學習與生活中，也為後續課程的學習奠定堅實的基礎。
全書共7章。第1章介紹機械工程的基本概念、服務領域、機械工程的發展等；第2章介紹工程製圖、工程材料、工程力學等相關機械工程基礎知識；第3章介紹機械設計與現代設計的基本方法和步驟；第4章介紹成形加工、去除加工、添加加工等機械製造工藝技術及先進製造工藝；第5章介紹機電一體化技術與機械製造自動化技術；第6章介紹機械工程技術的新發展及工業4.0發展戰略；第7章介紹現代機械工程教育體系及機械工程人才創新能力的培養，並結合創新型人才培養的改革與實踐進行概述。
本書由李勇峰、陳芳任主編，由王豔紅、王占奎任副主編。具體編寫分工如下：第1、7章由李勇峰編寫；2.3節、第3章由陳芳編寫；2.1節、2.2節由張亞奇編寫；4.3節、4.4節、4.5節由王豔紅編寫；第5章由鄭立爽編寫；4.1節、4.2節及第6章由王占奎編寫。
本書可作為高等學校機械類專業一、二年級學生或非機械類專業學生開展機械工程通識教育的教學用書，也可以作為近機類專業教師的教學參考書及從事機械工程類相關工作的工程技術人員瞭解機械工程的參考書，也可作為其他人員的課外讀物。本書涵蓋內容豐富，讀者可以根據需要有選擇地進行閱讀學習。
本書提供配套電子課件、習題參考答案等，請登錄華信教育資源網（http://www.hxedu.com.cn）註冊下載，也可聯繫本書編輯（wangxq@phei.com.cn，010-88254113）索取。
鄭州大學劉德平教授針對本書提出了許多寶貴意見和建議，在此表示感謝。
本書在編寫過程中得到了許多專家、同仁的大力支持和幫助，書中參考並借鑒了許多專家、學者的優秀研究成果，馬利傑教授在本書編寫前期也付出了很多，在此謹向他們表示忠心的感謝。
在編寫過程中，作者力求使本書簡單易懂、易教、易學，但鑒於本書涉及的知識面較廣泛及專業發展的日新月異，加之編者水平所限，書中不足或錯誤之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正，以便後期修正。
編 者
2018年8月

目 錄
第1章 緒論 1
1.1 機械與機械工程 1
1.1.1 機械有關的基本概念 1
1.1.2 機械工程的服務領域及工作內容 3
1.2 機械工程發展與社會發展 5
1.2.1 世界機械發展簡史 5
1.2.2 中國機械發展簡史 13
1.2.3 機械工程發展展望 19
1.3 本課程的基本內容、學習要求與方法 20
1.3.1 機械工程學科簡介 20
1.3.2 本課程的基本內容 22
1.3.3 本課程的學習要求與方法 23
複習思考題 23
參考文獻 23
第2章 機械工程基礎 24
2.1 工程製圖基礎 24
2.1.1 製圖標準及圖樣畫法 24
2.1.2 零件的互換性與公差 33
2.1.3 零件圖和裝配圖 36
2.1.4 計算機製圖及常用軟件 38
2.2 工程材料基礎 40
2.2.1 工程材料的發展及分類 43
2.2.2 金屬材料及其性能 45
2.2.3 高分子材料及其性能 52
2.2.4 陶瓷材料及其性能 56
2.2.5 複合材料及其性能 58
2.3 工程力學基礎 60
2.3.1 工程靜力學 60
2.3.2 工程運動學 62
2.3.3 工程動力學 63
2.3.4 材料力學基礎知識 64
2.3.5 杆件的受力與變形形式 65
2.3.6 構件失效 67
複習思考題 69
參考文獻 69
第3章 機械設計與現代設計方法 70
3.1 概述 70
3.1.1 機械設計方法發展歷程 70
3.1.2 傳統設計方法和現代設計方法的關係 71
3.2 機械設計的基本方法 72
3.2.1 機械設計的基本要求 72
3.2.2 機械設計方法和一般步驟 73
3.3 常用的現代設計方法 74
3.3.1 優化設計 75
3.3.2 有限元設計 80
3.3.3 可靠性設計 85
3.3.4 創新設計 88
3.3.5 反求設計 93
複習思考題 98
參考文獻 98
第4章 機械製造工藝技術 99
4.1 機械製造工藝概述 99
4.1.1 機械製造工藝及其階段劃分 99
4.1.2 機械製造工藝的成形學分類 100
4.1.3 機械製造工藝的發展特徵 101
4.1.4 機械製造工藝中的新技術 102
4.2 受迫成形加工工藝（?m = 0） 103
4.2.1 鑄造成形 103
4.2.2 壓力加工 109
4.2.3 粉末冶金 110
4.2.4 高分子材料塑性成形 111
4.3 去除成形加工工藝（?m＜0） 114
4.3.1 切削加工 114
4.3.2 特種加工去除工藝 125
4.4 添加成形加工工藝（?m＞0） 130
4.4.1 累積加工 130
4.4.2 結合加工 131
4.5 先進製造工藝簡介 134
4.5.1 光整加工技術 134
4.5.2 微細加工技術 136
4.5.3 納米加工技術 137
複習思考題 137
參考文獻 138
第5章 機電一體化與機械製造自動化技術 139
5.1 機電一體化技術簡介 139
5.1.1 概述 139
5.1.2 機電一體化系統的基本組成 142
5.1.3 機電一體化技術體系 144
5.1.4 典型的機電一體化應用實例 148
5.2 機械製造自動化技術及實例 154
5.2.1 概述 154
5.2.2 自動化加工設備 157
5.2.3 自動化加工刀具 164
5.2.4 物流供輸自動化 170
5.2.5 裝配過程自動化 174
5.2.6 檢測過程自動化 176
複習思考題 178
參考文獻 178
第6章 機械工程技術的新發展 179
6.1 增材製造與3D打印 179
6.1.1 概述 179
6.1.2 增材製造技術 179
6.1.3 發展趨勢 181
6.2 納米製造 182
6.2.1 概述 182
6.2.2 納米製造的加工原理 182
6.2.3 納米製造的應用實例 185
6.3 生物製造 186
6.3.1 概述 186
6.3.2 生物製造的主要研究方向 186
6.3.3 生物製造的應用實例 188
6.4 智能製造 189
6.4.1 智能製造的概念 189
6.4.2 智能製造系統 190
6.4.3 智能製造的發展現狀 190
6.4.4 智能製造的關鍵技術 191
6.4.5 智能製造的發展方向 193
6.5 工業4.0發展戰略 193
6.5.1 工業4.0的概念 193
6.5.2 工業4.0的特點 193
6.5.3 工業4.0的三大主題 194
參考文獻 194

第7章 現代機械工程教育 195
7.1 機械工程教育體系 195
7.1.1 機械工程教育發展歷程 195
7.1.2 機械工程教育體系 195
7.2 機械工程類專業人才培養 197
7.2.1 機械工程人才的素質 197
7.2.2 機械工程人才的知識結構和能力 198
7.2.3 當前機械類工程教育中遇到的問題 199
7.3 創新型人才培養的改革與實踐 200
參考文獻 204