機(jī)械工程的發(fā)展歷程
人類(lèi)成為“現(xiàn)代人”的標(biāo)志就是制造工具。石器時(shí)代的各種石斧、石錘和木質(zhì)、皮質(zhì)的簡(jiǎn)單粗糙的工具是后來(lái)出現(xiàn)的機(jī)械的先驅(qū)。從制造簡(jiǎn)單工具演進(jìn)到制造由多個(gè)零件、部件組成的現(xiàn)代機(jī)械，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程。
幾千年前，人類(lèi)已創(chuàng)制了用于谷物脫殼和粉碎的臼和磨，用來(lái)提水的桔槔和轆轤，裝有輪子的車(chē)，航行于江河的船及槳、櫓、舵等。所用的動(dòng)力，從人自身的體力，發(fā)展到利用畜力、水力和風(fēng)力。所用材料從天然的石、木、土、皮革，發(fā)展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷，制造陶瓷器皿的陶車(chē)，已是具有動(dòng)力、傳動(dòng)和工作三個(gè)部分的完整機(jī)械。
人類(lèi)從石器時(shí)代進(jìn)入青銅時(shí)代，再進(jìn)而到鐵器時(shí)代，用以吹旺爐火的鼓風(fēng)器的發(fā)展起了重要作用。有足夠強(qiáng)大的鼓風(fēng)器，才能使冶金爐獲得足夠高的爐溫，才能從礦石中煉得金屬。在中國(guó)，公元前1000～前900年就已有了冶鑄用的鼓風(fēng)器，并逐漸從人力鼓風(fēng)發(fā)展到畜力和水力鼓風(fēng)。
15～16世紀(jì)以前，機(jī)械工程發(fā)展緩慢。但在以千年計(jì)的實(shí)踐中，在機(jī)械發(fā)展方面還是積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，成為后來(lái)機(jī)械工程發(fā)展的重要潛力。17世紀(jì)以后，資本主義在英、法和西歐諸國(guó)出現(xiàn)，商品生產(chǎn)開(kāi)始成為社會(huì)的中心問(wèn)題。
18世紀(jì)后期，蒸汽機(jī)的應(yīng)用從采礦業(yè)推廣到紡織、面粉、冶金等行業(yè)。制作機(jī)械的主要材料逐漸從木材改用更為堅(jiān)韌，但難以用手工加工的金屬。機(jī)械制造工業(yè)開(kāi)始形成，并在幾十年中成為一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)。
機(jī)械工程通過(guò)不斷擴(kuò)大的實(shí)踐，從分散性的、主要依賴(lài)匠師們個(gè)人才智和手藝的一種技藝，逐漸發(fā)展成為一門(mén)有理論指導(dǎo)的、系統(tǒng)的和獨(dú)立的工程技術(shù)。機(jī)械工程是促成18～19世紀(jì)的工業(yè)革命，以及資本主義機(jī)械大生產(chǎn)的主要技術(shù)因素。
動(dòng)力是發(fā)展生產(chǎn)的重要因素。17世紀(jì)后期，隨著各種機(jī)械的改進(jìn)和發(fā)展，隨著煤和金屬礦石的需要量的逐年增加，人們感到依靠人力和畜力不能將生產(chǎn)提高到一個(gè)新的階段。
在英國(guó)，紡織、磨粉等產(chǎn)業(yè)越來(lái)越多地將工場(chǎng)設(shè)在河邊，利用水輪來(lái)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械。但當(dāng)時(shí)的煤礦、錫礦、銅礦等礦井中的地下水，仍只能用大量畜力來(lái)提升和排除。在這樣的生產(chǎn)需要下，18世紀(jì)初出現(xiàn)了紐科門(mén)的大氣式蒸汽機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)礦井排水泵。但是這種蒸汽機(jī)的燃料消耗率很高，基本上只應(yīng)用于煤礦。
1765年，瓦特發(fā)明了有分開(kāi)的冷凝器的蒸汽機(jī)，降低了燃料消耗率。1781年瓦特又創(chuàng)制出提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力的蒸汽機(jī)，擴(kuò)大了蒸汽機(jī)的應(yīng)用范圍。蒸汽機(jī)的發(fā)明和發(fā)展，使礦業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)、鐵路和航運(yùn)都得以機(jī)械動(dòng)力化。蒸汽機(jī)幾乎是19世紀(jì)唯一的動(dòng)力源，但蒸汽機(jī)及其鍋爐、凝汽器、冷卻水系統(tǒng)等體積龐大、笨重，應(yīng)用很不方便。
19世紀(jì)末，電力供應(yīng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)開(kāi)始發(fā)展和推廣。20世紀(jì)初，電動(dòng)機(jī)已在工業(yè)生產(chǎn)中取代了蒸汽機(jī)，成為驅(qū)動(dòng)各種工作機(jī)械的基本動(dòng)力。生產(chǎn)的機(jī)械化已離不開(kāi)電氣化，而電氣化則通過(guò)機(jī)械化才對(duì)生產(chǎn)發(fā)揮作用。
發(fā)電站初期應(yīng)用蒸汽機(jī)為原動(dòng)力。20世紀(jì)初期，出現(xiàn)了高效率、高轉(zhuǎn)速、大功率的汽輪機(jī)，也出現(xiàn)了適應(yīng)各種水利資源的水輪機(jī)，促進(jìn)了電力供應(yīng)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展。
19世紀(jì)后期發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過(guò)逐年改進(jìn)，成為輕而小、效率高、易于操縱、并可隨時(shí)啟動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。它先被用以驅(qū)動(dòng)沒(méi)有電力供應(yīng)的陸上工作機(jī)械，以后又用于汽車(chē)、移動(dòng)機(jī)械和輪船，到20世紀(jì)中期開(kāi)始用于鐵路機(jī)車(chē)。蒸汽機(jī)在汽輪機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的排擠下，已不再是重要的動(dòng)力機(jī)械。內(nèi)燃機(jī)和以后發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，是飛機(jī)、航天器等成功發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)因素之一。
工業(yè)革命以前，機(jī)械大都是木結(jié)構(gòu)的，由木工用手工制成。金屬(主要是銅、鐵)僅用以制造儀器、鎖、鐘表、泵和木結(jié)構(gòu)機(jī)械上的小型零件。金屬加工主要靠機(jī)匠的精工細(xì)作，以達(dá)到需要的精度。蒸汽機(jī)動(dòng)力裝置的推廣，以及隨之出現(xiàn)的礦山、冶金、輪船、機(jī)車(chē)等大型機(jī)械的發(fā)展，需要成形加工和切削加工的金屬零件越來(lái)越多，越來(lái)越大，要求的精度也越來(lái)越高。應(yīng)用的金屬材料從銅、鐵發(fā)展到以鋼為主。
機(jī)械加工包括鍛造、鍛壓、鈑金工、焊接、熱處理等技術(shù)及其裝備，以及切削加工技術(shù)和機(jī)床、刀具、量具等，得到迅速發(fā)展，保證了各產(chǎn)業(yè)發(fā)展生產(chǎn)所需的機(jī)械裝備的供應(yīng)。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求猛增。生產(chǎn)批量的增大和精密加工技術(shù)的進(jìn)展，促進(jìn)了大量生產(chǎn)方法的形成，如零件互換性生產(chǎn)、專(zhuān)業(yè)分工和協(xié)作、流水加工線和流水裝配線等。
簡(jiǎn)單的互換性零件和專(zhuān)業(yè)分工協(xié)作生產(chǎn)，在古代就已出現(xiàn)。在機(jī)械工程中，互換性最早體現(xiàn)在莫茨利于1797年利用其創(chuàng)制的螺紋車(chē)床所生產(chǎn)的螺栓和螺帽。同時(shí)期，美國(guó)工程師惠特尼用互換性生產(chǎn)方法生產(chǎn)火槍?zhuān)@示了互換性的可行性和優(yōu)越性。這種生產(chǎn)方法在美國(guó)逐漸推廣，形成了所謂“美國(guó)生產(chǎn)方法”。
20世紀(jì)初期，福特在汽車(chē)制造上又創(chuàng)造了流水裝配線。大量生產(chǎn)技術(shù)加上泰勒在19世紀(jì)末創(chuàng)立的科學(xué)管理方法，使汽車(chē)和其他大批量生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率很快達(dá)到了過(guò)去無(wú)法想象的高度。
20世紀(jì)中、后期，機(jī)械加工的主要特點(diǎn)是：不斷提高機(jī)床的加工速度和精度，減少對(duì)手工技藝的依賴(lài)；提高成形加工、切削加工和裝配的機(jī)械化和自動(dòng)化程度；利用數(shù)控機(jī)床、加工中心、成組技術(shù)等，發(fā)展柔性加工系統(tǒng)，使中小批量、多品種生產(chǎn)的生產(chǎn)效率提高到近于大量生產(chǎn)的水平；研究和改進(jìn)難加工的新型金屬和非金屬材料的成形和切削加工技術(shù)。
18世紀(jì)以前，機(jī)械匠師全憑經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)和手藝進(jìn)行機(jī)械制作，與科學(xué)幾乎不發(fā)生聯(lián)系。到18～19世紀(jì)，在新興的資本主義經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)下，掌握科學(xué)知識(shí)的人士開(kāi)始注意生產(chǎn)，而直接進(jìn)行生產(chǎn)的匠師則開(kāi)始學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，他們之間的交流和互相啟發(fā)取得很大的成果。在這個(gè)過(guò)程中，逐漸形成一整套圍繞機(jī)械工程的基礎(chǔ)理論。
動(dòng)力機(jī)械最先與當(dāng)時(shí)的先進(jìn)科學(xué)相結(jié)合。蒸汽機(jī)的發(fā)明人薩弗里、瓦特，應(yīng)用了物理學(xué)家帕潘和布萊克的理論；在蒸汽機(jī)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家卡諾、蘭金和開(kāi)爾文建立起一門(mén)新的科學(xué)——熱力學(xué)。內(nèi)燃機(jī)的理論基礎(chǔ)是法國(guó)的羅沙在1862年創(chuàng)立的；1876年奧托應(yīng)用羅沙的理論，徹底改進(jìn)了他原來(lái)創(chuàng)造的粗陋笨重、噪聲大、熱效率低的內(nèi)燃機(jī)而奠定了內(nèi)燃機(jī)的地位。其他如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等都在理論指導(dǎo)下得到發(fā)展，而理論也在實(shí)踐中得到改進(jìn)和提高。
早在公元前，中國(guó)已在指南車(chē)上應(yīng)用復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)，在被中香爐中應(yīng)用了能永保水平位置的十字轉(zhuǎn)架等機(jī)件。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動(dòng)的記載。但是，關(guān)于齒輪傳動(dòng)瞬時(shí)速比與齒形的關(guān)系和齒形曲線的選擇，直到17世紀(jì)之后方有理論闡述。
手搖把和踏板機(jī)構(gòu)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的先驅(qū)，在各文明古國(guó)都有悠久歷史，但是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的形式、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的確切分析和綜合，則是近代機(jī)構(gòu)學(xué)的成就。機(jī)構(gòu)學(xué)作為一個(gè)專(zhuān)門(mén)學(xué)科，遲至19世紀(jì)初才首次列入高等工程學(xué)院(巴黎的工藝學(xué)院)的課程。通過(guò)理論研究，人們方能精確地分析各種機(jī)構(gòu)，包括復(fù)雜的空間連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)而能按需要綜合出新的機(jī)構(gòu)。
機(jī)械工程的工作對(duì)象是動(dòng)態(tài)的機(jī)械，它的工作情況會(huì)發(fā)生很大的變化。這種變化有時(shí)是隨機(jī)而不可預(yù)見(jiàn)；實(shí)際應(yīng)用的材料也不完全均勻，可能存有各種缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。
與以靜態(tài)結(jié)構(gòu)為工作對(duì)象的土木工程相比，機(jī)械工程中各種問(wèn)題更難以用理論精確解決。因此，早期的機(jī)械工程只運(yùn)用簡(jiǎn)單的理論概念，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工作。設(shè)計(jì)計(jì)算多依靠經(jīng)驗(yàn)公式；為保證安全，都偏于保守，結(jié)果制成的機(jī)械笨重而龐大，成本高，生產(chǎn)率低，能量消耗很大。
從18世紀(jì)起，新理論的不斷誕生，以及數(shù)學(xué)方法的發(fā)展，使設(shè)計(jì)計(jì)算的精確度不斷的提高。進(jìn)入20世紀(jì)，出現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法，人們已能用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出模型和實(shí)物上各部位的應(yīng)力。
20世紀(jì)后半葉，有限元法和電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得對(duì)復(fù)雜的機(jī)械及其零件、構(gòu)件進(jìn)行力、力矩、應(yīng)力等的分析和計(jì)算成為可能。對(duì)于掌握有充分的實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)資料的機(jī)械或其元件，已經(jīng)可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)，按照要求的可靠度，科學(xué)地進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。
