什么是现代机械工程史?

什么是现代机械工程史?

[拼音]：xiandai jixie gongchengshi

[外文]：contemporary history of mechanical engineering

20世纪以来，世界机械工程的发展远远超过了上个世纪。尤其是第二次世界大战以后，由于科学技术工作从个人活动走向社会化，科学技术的全面发展，特别是电子技术、核技术和航空航天技术与机械技术的结合，大大促进了机械工程的发展。

第二次世界大战前的40年，机械工程发展的主要特点是:继承19世纪延续下来的传统技术，并不断改进、提高和扩大其应用范围。如农业和采矿业的机械化程度有了显著的提高；动力机械功率增大，效率进一步提高，内燃机的应用普及到几乎所有的移动机械。随着工作母机设计水平的提高及新型工具材料和机械式自动化技术的发展，机械制造工艺的水平有了极大的提高。美国人F.W.泰勒首创的科学管理制度，在20世纪初开始在一些国家广泛推行，对机械工程的发展起了推动作用。

第二次世界大战以后的30年间，机械工程的发展特点是：除原有技术的改进和扩大应用外，与其他科技领域的广泛结合和相互渗透明显加深，形成了机械工程的许多新的分支，机械工程的领域空前扩大，发展速度加快。这个时期，核技术、电子技术、航空航天技术迅速发展。生产和科研工作的系统性、成套性、综合性大大增强。机器的应用几乎遍及所有的生产部门和科研部门，并深入到生活和服务部门。

进入70年代以后，机械工程与电工、电子、冶金、化学、物理和激光等技术相结合，创造了许多新工艺、新材料和新产品，使机械产品精密化、高效化和制造过程的自动化等达到了前所未有的水平。从60年代开始，计算机逐渐在机械工业的科研、设计、生产及管理中普及应用，过去机械工程中许多不便计算和分析的工作，已能用计算机加以科学计算，为机械工程各学科向更复杂、更精密方向发展创造了条件。

动力机械

19世纪末至20世纪初，大部分动力机械，如水轮机、汽轮机、柴油机、汽油机等，均已具备了现代产品的基本特征。以后的发展主要是提高效率，增大功率，改善运行控制条件，扩大应用范围。进入50年代后，减少环境污染成为一个重要的课题。20世纪以来发展起来的动力机械新机种有30年代末进入实用的燃气轮机和50年代发明的旋转活塞式发动机。50年代起，核反应堆作为新型的蒸汽发生器进入动力机械行列，成为动力工程的一项重大突破。已经采用或正在研究的还有利用其他能源，如风力、太阳能、地热能、海洋能、生物能等的动力装置。

水轮机

19世纪下半叶创制的混流式和水斗式水轮机结构简单，效率高，适合于高水头，迅速得到普及。20世纪以来水轮机品种发展迅速。1920年，奥地利人V.卡普兰又研制成适合低水头的轴流转桨式水轮机。第二次世界大战前夕，又研制成功可逆式水泵水轮机和贯流式水轮机。1956年，斜流式水轮机问世，它的特点是转轮轻，能适应蓄能电站的要求。水轮机主要用于水力发电，单机容量从40年代的120兆瓦增加到60年代的600兆瓦，1981年，世界最大的水轮机已超过700兆瓦。

汽轮机

20世纪初汽轮机就已成为主要的火力发电设备，并作为船舶动力装置的主机，代替了部分蒸汽机。此后汽轮机的发展主要结合锅炉的改进，增加功率、提高热效率、降低材料消耗和造价。第二次世界大战后，为提高热效率，大型电站汽轮机一度趋向于采用超临界蒸汽参数，蒸汽压力达30～35兆帕，温度达593～650℃。但因需要昂贵的奥氏体不锈钢制造锅炉。后来选用的蒸汽参数有所下降。汽轮机的单机功率不断增大，1912年最大为25兆瓦，1947年为100兆瓦，1962年为500兆瓦，1972年瑞士制造的双轴汽轮机组功率达1300兆瓦，是迄今最大的机组。

内燃机

20世纪以来内燃机的应用范围急剧扩大。移动式机械大部分都使用内燃机为动力。为减少内燃机特别是汽车发动机排气的污染，采用了分层供气涡流燃烧室，利用计算机控制燃油空气混合比和点火时间，采用二次空气喷射和排气再循环等技术。同时还在试用较少或没有排气污染的燃气轮机、增压柴油机和飞轮、氢发动机、斯特林发动机等。汽油机进入20世纪后的主要发展是扩大气缸容积、提高压缩比、提高转速以增大功率，并注重降低能耗。柴油机在50年代以前主要用于船舶、农业机械、施工及矿山机械、大型载重汽车和坦克上。柴油机因能节省燃油，排气污染少，机器使用寿命长，应用范围不断扩大，50年代后，在部分小轿车上也开始采用柴油机为动力。旋转活塞式发动机（见图）是联邦德国工程师F.汪克尔于1957年制成的。这种发动机结构简单，无往复运动，体积小、重量轻、成本低。但在低转速时的气体泄漏量高于往复机，低速动力性能和燃料经济性低于往复机。近年来，由于设计结构、工艺、材料的不断改进，差距正在逐步缩小。

燃气轮机

20世纪30～40年代燃气轮机发展迅速。1939年瑞士建成世界上第一座以燃气轮机为动力的尖峰负荷电站，1941年燃气轮机机车问世，同年，以燃气轮机作为动力的喷气式飞机在英国试飞成功。第二次世界大战以后，燃气轮机除大量用于航空外，还用于备用电站和石油、天然气输送管线。1982年，世界最大的燃气轮机单机功率达100兆瓦，效率达30％。美国正在研究200兆瓦级、效率为40％的新型机组。50年代以后，利用燃气轮机与锅炉、汽轮机组成燃气－蒸汽联合循环装置提高热效率的方法获得一定的应用。

核动力装置

1942年，美国的E.费密(原籍意大利)等人建成第一座可控的链式核裂变原子反应堆。1954年苏联建成功率为5000兆瓦的第一座核电站。至1983年底，世界上共建成核电站反应堆302座，总装机容量达19.9万兆瓦，最大的核电站反应堆达1200兆瓦。核反应分为核裂变和核聚变两种。核聚变比核裂变释放的能量大得多，放射性危险较小，所用燃料（超重氢）资源丰富，但人工控制它的能量释放较困难。

机械制造技术

机械制造技术的发展与产品和材料技术的发展紧密相关。20世纪以来，促进机械制造技术进步的主要因素是：

（1）产品大型化。70年代，大的工件已重达几百吨。因此，成套地发展了大型毛坯制造、大型零件加工、大型整机装配和运输等所需的技术和装备。

（2）产品加工精度提高。20世纪初，最精密零件尺寸精度为0.01毫米，现代最精密的量块和航天陀螺仪零件的精度要求高达0.01微米。

（3）机械材料的多样化和加工难度提高。20世纪初，机械工业的主要材料是一般钢铁。30年代以后，铝合金的应用增多。第二次世界大战后，球墨铸铁、合金铸铁、耐热钢、耐磨钢、高强钢、镍合金、钛合金、硬质合金的用量不断增加。60年代以来，工程塑料、复合材料和宝石、玻璃、陶瓷等非金属材料的应用也逐渐增加。材料力学性能如强度、硬度、韧性的提高，使加工难度越来越大，因之出现了一些特殊加工方法。

（4）缩短加工制造周期，提高劳动生产率，减少原材料和能源消耗，提高产品质量，也是促进机械制造技术发展的重要因素。20世纪在这方面的主要进展是加工和检测过程的连续化、自动化、金属切削加工速度的提高，少无切削加工的发展，焊接结构的推广，金属热处理和材料保护等技术的普及。

铸造

40～50年代之间，高压造型开始应用推广。这是砂型铸造的一大改进，造型比压达0.7～2兆帕，可生产高精度铸件。砂型铸件占铸件总量的 3/4以上。80年代初，世界上已有高压造型线约1000条。1971年，日本创造了砂型负压造型法，提高了铸件精度，并且省砂、节能、污染少。熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、壳型铸造等的应用都在扩大。1947年制成球墨铸铁，使机械中应用最广的铸铁性能大大改善，并扩大应用到部分齿轮和曲轴，代替锻钢。第二次世界大战以后逐渐普及用电炉冶炼铸钢件钢水，而战前主要是用平炉。特大件采用多炉合浇工艺，有的采用电渣重熔。50年代发展了真空冶炼和真空除气，提高了铸钢质量。真空浇注首先用于发电设备的大锻件制造，后来扩展到滚动轴承钢，促进了轴承寿命的提高。

锻压

30年代出现的钢质零件的冷镦、冷挤技术，使一些标准件的材料利用率提高到80％以上，并大幅度提高了劳动生产率和产品质量。第二次世界大战期间，奥地利制成精密锻轴机，美国将爆炸成形工艺投入实用。50年代发展了生产大型复杂工件的多向模锻技术。1958年瑞士制成精密冲裁机。50～60年代之间，出现了高速高能锤和辊锻。60年代以后，精密模锻技术大量用于锥齿轮和叶片等零件的成形。冷锻、温锻和粉末锻造在各国迅速发展，超塑性成形已应用于制造汽车、飞机发动机、汽轮机等复杂精密零件。现代工业发达国家生产的锻件中，模锻件占50％以上。在锻压机械方面，欧美各国曾于19世纪末用1000千牛以上自由锻锤锻造大件。20世纪初，结构紧凑、振动小、易 *** 作的锻造水压机取代了大锻锤。到70年代末，大型自由锻造水压机在10万千牛左右。后来，由于钢锭质量的提高和采用了不镦粗、硬壳压实等新工艺，锻件虽然加大，而新造的自由锻造水压机均未向更大的方向发展。为满足大量生产的需要，先后还研制出模锻锤和热模锻压力机。

焊接

焊接以其联接可靠、施工简便、产品结构轻、改型快等优点而不断扩大应用范围，技术发展迅速。19世纪发明电弧焊，20世纪头10年发明了薄药皮电弧焊、铝热焊、点焊、气焊。30年代出现埋弧焊和厚药皮电弧焊。1951年，苏联的Б.Ε.巴顿创造的电渣焊工艺，为大截面材料的焊接开辟了新途径。50年代还发明了二氧化碳气体保护电弧焊、摩擦焊、超声波焊、等离子弧焊。60年代出现激光焊技术。1966年美国发展了厚板窄间隙气体保护电弧焊，比埋弧焊效率提高1倍，而且节省焊丝，能耗降低。

热处理

热处理对改善材料性能有重要意义。1914年德国发明铝合金时效硬化。1935年美国发展了碳氮共渗，1949年出现了真空热处理。1954年又发展了形变热处理。60年代出现流动粒子加热炉。70年代，激光热处理、软氮化、辉光离子氮化开始用于机械工业。第二次世界大战后热处理技术最突出的发展之一是可控气氛热处理技术的应用和推广。为满足对大件热处理的需要，已研制出多种大型热处理炉。大焊接件多采用现场焊接、现场退火的方式进行处理。

机械加工设备

随着部分产品的大型化，加工机床也得到相应发展。到70年代，最大车床加工直径已达6米，最大立车的加工直径是26米，最大镗床镗杆直径355毫米，最大龙门铣加工宽度已超过7米，最大滚齿机加工直径为1.5米。大型机床普遍采用数字显示仪表显示加工尺寸。

提高加工效率最直接、最明显的办法是改进机床和刀具及合理组织生产。19世纪末至20世纪初，转塔车床、单轴和多轴自动车床、滚齿机和插齿机等已在部分国家使用。20世纪初，先后出现仿形机床和组合机床。随着机床刚性的提高，机床的加工范围不断扩大，专业化、自动化程度不断提高，适应了成批大量生产的要求。50年代，数字控制机床和加工中心问世。70年代微电子技术应用于机床，使机床的加工灵活性增加，满足了多品种、小批量生产的要求。19世纪末，F.W.泰勒研究金属切削理论，作了大量的切削实验，并与M.怀特合作发明了高速钢，使切削速度成倍提高。20～30年代，美国的J.F.尼科尔森、D.史密斯和日本的大越淳等，在金属切削原理方面，进行了大量的试验研究，使金属切削和刀具设计逐步科学化。继高速钢之后，刀具材料又不断革新。1923年德国用粉末冶金法制成硬质合金刀具，又一次提高了切削速度。第二次世界大战后，发展了不重磨硬质合金刀具、超细化硬质合金刀具。后来又出现碳化钛、氮化钛、陶瓷覆层硬质合金，人造金刚石等，都具有优异的切削性能。

提高机械产品的精度等级，主要依靠新的加工方法、新型机床、新工具和先进的测量手段。19世纪磨床已经实用，碳化硅、氧化铝磨料也已问世。20世纪初陆续研制出坐标镗床、磨齿机、螺纹磨床等，成为现代精密机床的基础。30～50年代出现珩磨机、超精磨床、光学坐标镗床、电动比较仪、高精度圆度仪等精密加工和测试设备。60年代，激光干涉仪的问世，对能达到0.01微米的加工精度起了重要作用。80年代以来，为满足电子工业和空间技术的更高要求，加工精度正向0.001微米这一目标前进。为此，从材料、工艺、设备到环境控制方面入手，创造了一套不同于传统的新工艺，即所谓“毫微米工艺”。

特种加工技术

第二次世界大战以后，由于机械工业使用的难加工材料增加，特种加工应运而生。这些加工方法的共同特点是能量密度高，作用时间短，产生热影响或变形小，能量可控，容易自动化。在模具、动力机叶片、宝石轴承、硬质合金等领域的生产制造方面，如电火花加工、电解加工、激光加工和等离子弧加工等特种加工方法，已逐渐取代了传统的加工方法。

粉末冶金技术

一种精密的无切削制造方法。1910年美国首先用粉末冶金材料生产电灯钨丝，20年代在德国开始用于生产硬质合金。第二次世界大战期间，德国向意大利和日本传播粉末冶金技术，用于生产炮dd带和其他制品，美国在此期间开始生产含油轴承。战后粉末冶金材料种类增多，制件质量提高，应用范围扩大。40年代末，美国、苏联就已着手研制粉末冶金高速钢，以后许多国家进行了生产。1964年日本制成铝基粉末冶金烧结零件。1970年美国制成烧结钛合金。粉末冶金还可以制造金相平衡图上所没有的非平衡材料。粉末冶金材料除铁粉、铜粉外还包括合金钢粉、合金粉、稀土元素粉等。制粉方法有还原、雾化、机械粉碎、电解、化学置换法等。

自动化

机械工业的自动化生产，是20世纪机械工程发展中的一项突出成就。

（1）机械式自动化技术:首先在武器、钟表、缝纫机、自行车、汽车和拖拉机等大批量生产的行业中发展起来。1926年，美国福特汽车公司建造了加工汽车底盘的第一条自动生产线。1939年苏联建成拖拉机履带加工自动线。第二次世界大战后，自动化进一步获得发展。

（2）电子式自动化技术:机械式自动化适用于单一品种的大量生产。电子计算机在机床上的应用为多品种、小批量生产的自动化提供了手段。美国于1952年制成数字控制机床，又于1958年制成加工中心。1964年，小型计算机用于数控机床，使系统的灵活性、通用性大大提高。1966年又制成由一台计算机控制多台数控机床的群控系统。从此以后，数控机床的发展和普及十分迅速。它具备自动机床、精密机床和万能机床三者的优点，可达到高效率、高精度、高灵活性的良好效果。

机器人是50年代后期出现的一种电子式自动化装置（见工业机器人）。各国已研制出数百种型号的机器人，大量用于机械工厂的物料搬运、焊接、喷漆等。现代正在利用计算机、传感器、变送器和人工智能的成果，研制智能机器人，以便用于装配和维修等复杂作业。

机械工程基础理论

机械工程基础理论为机械技术的发展开辟道路，又在解决机械技术的实际问题中得到充实和提高。

机构学

第二次世界大战以后，由于机器的负荷提高，速度加快，对机器的精度和可靠性提出了更高的要求，对机械动力学的研究有所加强，研究的内容也日益丰富。50年代后期，随着电子计算机的发展，以美国的F.弗罗伊登施泰因为代表建立了以线性代数为基础、用计算机求解机构学问题的方法。60年代后期，由于数学规划法与计算机的结合，出现了机构的优化设计。针对工业自动化、空间技术、机器人等发展提出的复杂的机构问题，70年代以来，开展了对开环运动链的空间机构、多自由度空间机构、运动过程中结构变化的机构、组合机构等的研究。

机械振动

20世纪以来，随着机器的高速化、大型化，机械振动问题越来越突出。专家们对线性振动、非线性振动和随机振动进行了系统的研究，到50～60年代已形成基本的理论体系。针对海洋设备绳缆、油气管线、大型起重机、汽车、船舶、飞机、火箭、汽轮机、锅炉、换热器、容器等遇到的问题，对弦、梁、板、壳等连续体振动的研究都十分活跃。对锅炉、换热器、压力容器、核反应堆中产生的热和流体诱发的振动，也开展了研究。旋转机械由于转速的提高而引起的振动，早已引起人们注意。1907年已有转子双面平衡机的设计，刚性转子平衡问题也已获得解决。70年代以来，对挠性转子的平衡和减振、隔振以及振动的利用等课题的研究已成为一门新的学科。

摩擦、磨损和润滑

关于摩擦，20世纪初仍沿用18世纪建立的分子粘附理论和凹凸理论。40年代后，两者统一为机械-分子理论。关于磨损，50年代提出粘着磨损理论和疲劳磨损理论。关于润滑，1886年英国学者O.雷诺的流体动压润滑理论，到20世纪仍居经典理论地位。40～60年代，苏联和英国学者建立了d性流体动压润滑理论，并用电子计算机进行了验证，这是流体动压润滑理论的重要发展，对轴承等技术的提高起了积极作用。60年代以来，摩擦、磨损和润滑逐渐形成一门统一的学科，称为摩擦学。

材料力学

进入20世纪以来，材料力学产生了许多新的分支：结构力学、板壳力学、d性力学、塑性力学，疲劳、蠕变和环境强度理论，断裂力学、实验力学等。其中如断裂力学在判断机构结构方面影响很大。断裂力学的初期理论，即能量平衡理论，是1920年英国的A.A.格里菲思提出的。他在研究材料表面缺陷对疲劳的影响时发现，只考虑应力集中不能充分说明问题，遂提出材料存在裂纹的假定，考虑整个系统的能量平衡，引出材料脆性断裂的理论。第二次世界大战后，经美、英等国学者进一步研究，形成断裂力学这一新的学科分支。1956年断裂力学名称开始使用，到70年代材料断裂的判据已发展到3种：断裂韧性Ke值，裂纹尖端张开位移COD和J积分，现代正进一步向微观与宏观结合的方面发展。

有限元法

50年代，美国开始用有限元法进行应力分析，其基本思路是把连续体转化为有限个单元，然后用矩阵分析，在计算机上求解未知量。经过20年的推广应用，有限元法已用于解决几乎所有连续介质和场的问题，包括应力、应变、振动、温度场、流场之类的问题。许多过去只凭经验数据类推或靠实验分析验证的复杂工程问题，已能更简便、更精确地用计算方法来解决。