[工学]机械工程英语精简版.doc

Unit1 Types of Materials 材料的类型 材料可以按多种方法分类。科学家常根据状态将材料分为：固体、液体或气体。他们也把材料分为有机材料(曾经有生命的)和无机材料(从未有生命的)。 就工业效用而言，材料被分为工程材料和非工程材料。那些用于加工制造并成为产品组成部分的就是工程材料。非工程材料则是化学品、燃料、润滑剂以及其它用于加工制造过程但不成为产品组成部分的材料。 工程材料还能进一步细分为：金属材料陶瓷材料复合材料 聚合材料，等等。Metals and Metal Alloys 金属和金属合金 金属就是通常具有良好导电性和导热性的元素。许多金属具有高强度、高硬度以及良好的延展性。某些金属能被磁化，例如铁、钴和镍。在极低的温度下，某些金属和金属化合物能转变成超导体。 合金与纯金属的区别是什么？纯金属是在元素周期表中占据特定位置的元素。例如电线中的铜和制造烹饪箔及饮料罐的铝。合金包含不止一种金属元素。合金的性质能通过改变其中存在的元素而改变。金属合金的例子有：不锈钢是一种铁、镍、铬的合金，以及金饰品通常含有金镍合金。 为什么要使用金属和合金？许多金属和合金具有高密度，因此被用在需要较高质量体积比的场合。某些金属合金，例如铝基合金，其密度低，可用于航空航天以节约燃料。许多合金还具有高断裂韧性，这意味着它们能经得起冲击并且是耐用的。 金属有哪些重要特性？ 密度定义为材料的质量与其体积之比。大多数金属密度相对较高，尤其是和聚合物相比较而言。高密度材料通常由较大原子序数原子构成，例如金和铅。然而，诸如铝和镁之类的一些金属则具有低密度，并被用于既需要金属特性又要求重量轻的场合。 断裂韧性可以描述为材料防止断裂特别是出现缺陷时不断裂的能力。金属一般能在有缺口和凹痕的情况下不显著削弱，并且能抵抗冲击。橄榄球运动员据此相信他的面罩不会裂成碎片。 塑性变形就是在断裂前弯曲或变形的能力。作为工程师，设计时通常要使材料在正常条件下不变形。没有人愿意一阵强烈的西风过后自己的汽车向东倾斜。然而，有时我们也能利用塑性变形。汽车上压皱的区域在它们断裂前通过经历塑性变形来吸收能量。 金属的原子连结对它们的特性也有影响。在金属内部，原子的外层阶电子由所有原子共享并能到处自由移动。由于电子能导热和导电，所以用金属可以制造好的烹饪锅和电线。因为这些阶电子吸收到达金属的光子，所以透过金属不可能看得见。没有光子能通过金属。 合金是由一种以上金属组成的混合物。加一些其它金属能影响密度、强度、断裂韧性、塑性变形、导电性以及环境侵蚀。例如，往铝里加少量铁可使其更强。同样，在钢里加一些铬能减缓它的生锈过程，但也将使它更脆。Ceramics and Glasses陶瓷和玻璃 陶瓷通常被概括地定义为无机的非金属材料。照此定义，陶瓷材料也应包括玻璃；然而许多材料科学家添加了“陶瓷”必须同时是晶体物组成的约定。 玻璃是没有晶体状结构的无机非金属材料。这种材料被称为非结晶质材料。 陶瓷和玻璃的特性 高熔点、低密度、高强度、高刚度、高硬度、高耐磨性和抗腐蚀性是陶瓷和玻璃的一些有用特性。许多陶瓷都是电和热的良绝缘体。某些陶瓷还具有一些特殊性能：有些是磁性材料，有些是压电材料，还有些特殊陶瓷在极低温度下是超导体。陶瓷和玻璃都有一个主要的缺点：它们容易破碎。 陶瓷一般不是由熔化形成的。因为大多数陶瓷在从液态冷却时将会完全破碎(即形成粉末)。因此，所有用于玻璃生产的简单有效的诸如浇铸和吹制这些涉及熔化的技术都不能用于由晶体物组成的陶瓷的生产。作为替代，一般采用“烧结”或“焙烧”工艺。在烧结过程中，陶瓷粉末先挤压成型然后加热到略低于熔点温度。在这样的温度下，粉末内部起反应去除孔隙并得到十分致密的物品。 光导纤维有三层：核心由高折射指数高纯光传输玻璃制成，中间层为低折射指数玻璃，是保护核心玻璃表面不被擦伤和完整性不被破坏的所谓覆层，外层是聚合物护套，用于保护光导纤维不受损。为了使核心玻璃有比覆层大的折射指数，在其中掺入微小的、可控数量的能减缓光速而不会吸收光线的杂质或搀杂剂。由于核心玻璃的折射指数比覆层大，只要在全内反射过程中光线照射核心/覆层分界面的角度比临界角大，在核心玻璃中传送的光线将仍保留在核心玻璃中。全内反射现象与核心玻璃的高纯度一样，使光线几乎无强度损耗传递长距离成为可能。Composites 复合材料 复合材料由两种或更多材料构成。例子有聚合物/陶瓷和金属/陶瓷复合材料。之所以使用复合材料是因为其全面性能优于组成部分单独的性能。例如：聚合物/陶瓷复合材料具有比聚合物成分更大的模量，但又不像陶瓷那样易碎。 复合材料有两种：纤维加强型复合材料和微粒加强型复合材料。 纤维加强型复合材料 加强纤维可以是金属、陶瓷、玻璃或是已变成石墨的被称为碳纤维的聚合物。纤维能加强基材的模量。沿着纤维长度有很强结合力的共价结合在这个方向上给予复合材料很高的模量，因为要损坏或拉伸纤维就必须破坏或移除这种结合。 把纤维放入复合材料较困难，这使得制造纤维加强型复合材料相对昂贵。纤维加强型复合材料用于某些最先进也是最昂贵的运动设备，例如计时赛竞赛用自行车骨架就是用含碳纤维的热固塑料基材制成的。竞赛用汽车和某些机动车的车体部件是由含玻璃纤维(或玻璃丝)的热固塑料基材制成的。 纤维在沿着其轴向有很高的模量，但垂直于其轴向的模量却较低。纤维复合材料的制造者往往旋转纤维层以防模量产生方向变化。 微粒加强型复合材料 用于加强的微粒包含了陶瓷和玻璃之类的矿物微粒，铝之类的金属微粒以及包括聚合物和碳黑的非结晶质微粒。 微粒用于增加基材的模量、减少基材的渗透性和延展性。微粒加强型复合材料的一个例子是机动车胎，它就是在聚异丁烯人造橡胶聚合物基材中加入了碳黑微粒。Polymers 聚合材料 聚合物具有一般是基于碳链的重复结构。这种重复结构产生链状大分子。由于重量轻、耐腐蚀、容易在较低温度下加工并且通常较便宜，聚合物是很有用的。 聚合材料具有一些重要特性，包括尺寸(或分子量)、软化及熔化点、结晶度和结构。聚合材料的机械性能一般表现为低强度和高韧性。它们的强度通常可采用加强复合结构来改善。 聚合材料的重要特性 尺寸：单个聚合物分子一般分子量为10,000到1,000,000g/mol之间，具体取决于聚合物的结构这可以比2,000个重复单元还多。聚合物的分子量极大地影响其机械性能，分子量越大，工程性能也越好。 热转换性：聚合物的软化点(玻璃状转化温度)和熔化点决定了它是否适合应用。这些温度通常决定聚合物能否使用的上限。例如，许多工业上的重要聚合物其玻璃状转化温度接近水的沸点(100, 212)，它们被广泛用于室温下。而某些特别制造的聚合物能经受住高达300(572)的温度。 结晶度：聚合物可以是晶体状的或非结晶质的，但它们通常是晶体状和非结晶质结构的结合物(半晶体)。 原子链间的相互作用：聚合物的原子链可以自由地彼此滑动(热可塑性)或通过交键互相连接(热固性或弹性)。热可塑性材料可以重新形成和循环使用，而热固性与弹性材料则是不能再使用的。链内结构：原子链的化学结构对性能也有很大影响。根据各自的结构不同，聚合物可以是亲水的或憎水的(喜欢或讨厌水)、硬的或软的、晶体状的或非结晶质的、易起反应的或不易起反应的。Unit6 注塑成型(图6.1)是将热塑性塑料制成最终形状的主要工艺，并且越来越多地用于热硬化性塑料、纤维填充合成物和人造橡胶。 它是重量范围为5g到85kg极大一类零件可选用的工艺。估计所有热塑性塑料中有25%是采用注塑成型的。如果考虑到新近的改进(例如反作用注塑成型)和采用塑料替代金属的高增长率，注塑成型在世界范围的工业重要性很可能将继续增加。当前，大概所有主要处理设备的近一半是注塑成型机。1988年，美国新的注塑成型机械销售约占全部主要聚合物机械销售量的65%，其中包括4,600台注塑成型设备。这类机械和它们的产品普遍存在，对许多人来说与塑料是同义的。 往复螺旋注射成型机把压出机和成型压力机的功能结合起来。把热塑性塑料树脂的固体颗粒在压出部分融化并增压，迫使其高速融化并通过仔细设计的流动通道进入冷却模具，喷射成最终零件，然后自动再循环。这种机械是1872年Hyatt兄弟获得专利权的融化赛璐珞的活塞型“填充机”的派生物。 1878年Hyatt兄弟开发了第一个多槽模具，但直到1938年Quillery(法国)才发明了用螺旋增塑人造橡胶并使其成型的一体化机械。1956年，Ankerwerk Nuremberg使用于热塑性塑料的现代往复螺旋注塑成型机商业化。今天，已有超过50家制造商列入现代塑料制品百科全书，能为美国市场提供压制能力从2到6,000吨的机械。(一台能力为10,000吨用于成型264加仑高密度聚乙烯垃圾箱的机械也已制成)。许多辅助设备、模具、仪器和控制系统供应商在为聚合物工业的这一主要部分服务。 注塑成型对深入研究很有价值，因为它结合了许多重要领域，如挤压、模具设计、流变学、完备的液压和电子控制、机器人配件、复杂产品的设计，当然还有材料科学与加工工程的综合。注塑成型工程师的目标很简单：在最少废料的情况下取得最小循环时间，在有保证的情况下获得指定产品性能，将由停工或其它原因产生的生产成本最小化，还有稳定地增加专门知识和竞争力。传统的注塑成型机利润盈余据说一般是不足的；为了更多需求及更高盈余工作需要选择一种改善利润的确定方法，它要求最高水平的效率和能力。 本文将集中论述热塑性塑料用的往复螺旋机，除了小容量机械外它已在很大程度上取代了较老的往复活塞式机械。Injection Molding Materials注塑成型材料 要注塑成型所有聚合物是不可能的。像聚四氟乙烯之类的聚合物就不能自由流动得足以适合注塑成型。其它聚合物，例如树脂和编织的或垫子形的玻璃纤维的混合物，由于它们的物理性质不适合使用此工艺。一般而言，能进入流动状态的聚合物都可以注塑成型。 注塑成型的绝大多数都用于热塑性聚合物。这类材料由具有加热软化、冷却硬化甚至可重复循环能力的聚合物组成。这是由于这类材料的长链分子总是保持分离的实体并不相互形成化学连结。一辆由冰块制成的模拟汽车，可以融化(即转化为液态)，倒入任何形状的空腔，然后冷却重新变成固体。这个特性将热塑性材料与热硬化性材料区分开。后者在加工过程中分离的分子链之间形成化学连结。在此情况下作为交联的化学连结是硬化机制。 一般而言，大多数热塑性材料具有较高的抗冲击强度、耐腐蚀性以及良好流动性使其容易加工而适于复杂成型设计。热塑性塑料通常分为两类：即结晶质的和非结晶质的。结晶质聚合物具有规则的分子排列及明显的熔点。由于规则的分子排列，结晶质聚合物能反射大多数特定光线并一般表现为不透明的。它们在固化过程中收缩较大或体积减少较多。结晶质聚合物通常多能抵御有机溶剂并具有良好的抗疲劳和磨损特性。结晶质聚合物通常也比非结晶质聚合物更致密并且具有更好的机械性能。其中主要例外是聚碳酸酯，它是可选用做高质量透明注塑件的非结晶质聚合物，并具有卓越的机械性能。 就本质而言，热塑性塑料的机械性能低于金属，但可以通过加入玻璃纤维强化予以增强来适应某些运用。常用几毫米长的短碎纤维随机地与热塑性树脂混合。 纤维可占材料体积的三分之一以极大改善材料的强度和硬度。这种加强的负作用通常是抗冲击强度降低及磨损性增加。后者对加工过程也有影响，因为模具腔的寿命从典型的普通树脂零件大约1,000,000件减少到玻璃纤维填充树脂零件的约300,000件。 注塑成型零件的主要缺点或许是它们能承受的工作温度相对较低。热塑性塑料零件只有很少能连续运行在250以上，其绝对最高工作温度约为400。热塑性塑料带载运行温度可从质量上定义为热偏差温度。这是中心承载的该材料简支梁达到预定偏差的温度。其温度值明显取决于试验条件和允许偏差，因此对比较不同的聚合物而言只有试验数据是真正有用的。Cycle of Operation作业循环 往复螺旋注塑成型机被认为由两部分组成：一个固定注塑端和一个活动夹具端。注塑端包含压出机，它接受小球或粒状的固体树脂，然后将其转化为粘性液体或称为融化，再强迫其通过连接喷嘴、中心和浇道到闸道进入模具腔。模具被紧紧地夹住以抵抗注塑压力，并在热塑性塑料的融化温度以下很好地冷却。当模腔内的零件充分冷却，剖分模在模具分模面处打开，推出系统将零件推出落入下面的接收容器内。这概述了整个循环，但省略了许多对理解此工艺所必需的很重要细节。然而通过本介绍，了解这种工艺的优缺点仍是可能的。Effects of Process Variables on Orientation 加工变量对方向性的影响 在注塑成型时，整个填料过程始终保持成型树脂高温的任何加工变化都会增加松弛作用而减少方向性。下面是可以用于减少方向性的若干措施。较快注塑(到点)：在填料过程中冷却较少，因此初始固化层较薄，由于剪应变稀少而粘性较低；能较好地流到角落；结晶度较小；所有这些促成表面下的方向性也较低。主要效果是闸道将较快固化。这样使得方向性停止产生而松弛作用开始增加。 较高的融化和成型温度：融化粘性较低，更容易填充，较大松弛作用促成方向性减少。 减少挤压时间和压力：过度挤压会抑制松弛过程。 减小闸道尺寸：闸道越大则固化时间越长并会使方向性增加。 过高的注塑速度会引起较高的表面方向性及增加应力破裂的敏感性。例如，要电镀的注塑件在电镀时会经受酸溶液，必须采用很低的注塑速度制造以使表面方向性最小化。另一方面，大多数注塑件的融化前部横向运动部分能导致在主要方向性上有层理的表面下横向方向性，产生需要的双轴方向性效应。 在填充模腔时流动受到阻碍会极大地增加方向性。围绕障碍物流动使融化前部的速度下降并产生较高的局部粘性而减少松弛作用。如果闸道不适当，这也很可能发生在接近填充结束阶段。 注塑工必须认识过快填充速度、不足注塑压力、过高融化温度和不充分挤压的危害性。这些危害性要与上述方向性的反向效应相权衡。较厚零件会延迟冷却并且增加松弛时间，趋向于导致较低的方向性。较厚零件也有助于减少翘曲。因此，对各种形状、材料和工艺组合能通过经验来确定最小壁厚。在热塑性塑料中较小的分子量以及较宽泛的分子量分布促成方向性减少同时降低注塑件中的内应力。 外壳厚度比受加工变量影响的方式与方向性预测一样；也就是它能随融化或成型温度及模腔压力的增加而减少。拉伸强度和硬度随外壳厚度比增加而增加。因而显微镜检查提供了有效研究该工艺的另一方法。Advantages 优点 1. 高生产率：例如，一张CD盘在高融体流动指数生产控制中只需1012s一个循环就能生产出来。 2. 相对较少的工作内容：一个操作者经常可以照看两台以上机械，尤其是当成品能自动卸到输送机上时。 3. 零件几乎不需要修整：例如，飞边可以最小化并且模具能被设计成自动将浇道和闸道从零件本身分离。 4. 非常复杂的形状也能成型：模具的进步很大程度上是可靠的。 5. 设计的灵活性(光洁度、颜色、插入物、材料)：通过复合注塑可以成型多于一种材料。可以高效地生产带有固体外壳的泡沫型芯材料。热硬化性塑料和纤维加强形状都可以注塑成型。 6. 废料损失最小化：浇道、闸道和废料通常可以重新研磨。循环热塑性塑料可以注塑成型。 7. 能得到接近的公差：现代微处理器控制、合适的精密模具和精心制作的液压设备使得尺寸和重量的公差保持在0.1% 的范围内(但不是没有在持续照看时的高水平操作技能)。 8. 充分利用聚合物诸如流动能力、重量轻、透明和耐腐蚀等独特属性：从日常使用成型塑料产品的数量和种类就能明显看到。Disadvantages and Problems缺点和问题 1. 较高的设备和模具投资需要较高生产量才合算。 2. 缺少专门技术和良好的预防性维修会导致较高的启动和运行成本。 3. 质量有时难以马上确定。例如，成型后的翘曲会导致零件不能用，因为在成型后几星期甚至几个月尺寸变化都不能完成。 4. 对许多需要广泛多样性技能和交叉学科知识的细节必须加以注意。 5. 零件设计有时不能很好地适应有效率的成型。 6. 模具设计、模具制造和调试试验这些先导工作有时要花费很长时间。Unit9Lapping 研磨 研磨是一种用于平面和圆柱面的精加工作业。研具，如图9.1a所示，通常用铸铁、铜、皮革或布制成。研磨微粒嵌入研具内，或者可以通过液体携带。根据工件硬度，研磨压力可在7kPa到140kPa(1到20psi)范围中取。 研磨有两个主要作用。首先，它通过去除所有机加工痕迹能产生较好的表面光洁度。其次，它能用作获得像活塞与气缸之类配件间过盈配合的方法。 研磨后的工件表面可能看似平滑，其实布满着微观峰、谷、划痕和凹陷。几乎没有表面是完全平整的。研磨使表面不规则最小化，因而增加了有效接触面积。图9.1a上显示了两个表面。上面是研磨前表面可能的外观模样而下面则是研磨后的模样。研磨去除了微观峰顶从而产生相对平坦的平台。整个微观山脉范围都需要磨去以增加有效接触面积。 研磨平面或圆柱面工件的生产过程是在如图9.1b和9.1c那样的机器上完成的。研磨也可采用特殊成型研具在诸如球形物体和透镜之类的曲面上进行。Polishing 抛光 抛光是生成平滑、有光泽表面光洁度的工艺。抛光工艺涉及两种基本机理： (a)精细等级磨粒去除，和(b)在抛光中通过摩擦生热软化并抹光表面层。 电解抛光 电解抛光是一种与电镀相似的电化学工艺，但过程与电镀正好相反。电解抛光工艺使金属物体的微观表面平滑和简单化。通过电解抛光能在金属表面得到镜面光洁度。 在电解抛光中，金属是逐个离子地从被抛光金属物体表面去除的。电化学和电解基本原理(Faraday定理)取代了传统的机械精加工技术。用基本术语说，要电解抛光的物体被浸没在电解液中并且通上直流电。该物体为阳极，阴极连接到附近的金属导体上。 金属表面的平滑是电解抛光主要的和最有优势的效应之一。在此过程中，一变化着厚度的膜覆盖在金属表面上。该膜在微观凹陷处最厚而在微观凸出处最薄。电阻在膜最薄处最小，导致最大金属分解率。电解抛光选择性地去除微观高点或“峰” 快于对相应微观凹陷处或“谷”的侵蚀速率。原材料以金属盐的形式被去除。在特定环境下金属的去除是可控的并且保持在0.0001 到0.0025mm范围内。Chemical Mechanical Polishing化学机械抛光 化学机械抛光正在多层集成电路制造领域成为日益重要的步骤。化学机械抛光是指大量抛光液与被抛光表面产生化学和机械作用的抛光。在化学机械抛光过程中，旋转晶片面向下压在旋转、有回弹力的抛光衬垫上，而同时含有研磨微粒和化学反应物的抛光液流过晶片与衬垫之间。抛光衬垫、研磨微粒和化学反应物的共同作用导致晶片表面的材料去除并抛光。化学机械抛光可使多种易碎材料平整且不受损害，因此在集成电路制造中被广泛地用在硅晶片上。 化学机械抛光是一种复杂的多相工艺。它主要包括下列两个动态过程：第一，抛光液中活性成分与晶片的原子发生反应，这是带有氧化-还原反应的化学反应步骤。第二步是解吸附过程，即反应产物逐渐从晶片表面分离并将新表面暴露给抛光液。如果化学反应速率较小，晶片的总去除率也较小，而且表面光洁程度不够好。与之相反，即使化学反应很快，但解吸附很慢，则总去除率也不够好。因为反应产物不能从晶片表面分离，抛光液中活性成分就不能暴露并与新表面上的原子起反应，这会抑制化学反应。这两个步骤的平衡与合成效应决定了总去除率和表面光洁程度。 Unit10 进行表面工程或表面处理的目的是：(1)控制摩擦和磨损，(2)改善抗腐蚀性，(3)改变物理性能，例如，传导率、电阻系数和反射率，(4)修改尺寸，(5)变更外观，例如颜色和粗糙程度，(6)降低成本。 通常的表面处理可以分为两个主要类型：覆盖表面的处理和改变表面的处理。Covering the Surface覆盖表面 覆盖表面的处理包括有机涂层和无机涂层。无机涂层有电镀、转化层、热喷涂、热浸渍、熔炉熔融、或在材料表面涂上薄膜、玻璃、陶瓷。 电镀是一种在电镀槽通上电流使金属沉淀在基体上的电化学过程。 通常有一个阳极(正电极)，是要沉淀材料的来源；电化学反应是使金属离子交换并迁移到要覆盖基体上的中间过程；以及一个阴极(负电极)，即要覆盖的基体。 电镀在通常为非金属容器(一般是塑料)的电镀槽中进行。该容器装满了含有离子态被镀金属的电解液。 阳极与电源正极相连。阳极通常为被镀金属(假定该金属能在电解液中腐蚀)。为了操作容易，该金属呈固体小块形式并置于由抗腐蚀金属(如钛或不锈钢)制成的惰性金属筐内。 阴极是工件，即要镀的基体，连接到电源的负极。很好地调节电源使波动最小化并在载荷变化情况(如同电镀容器中看到的那样)下提供稳定的可预知电流。 一旦通上电流，来自溶液的正的金属离子被吸引到带负电的阴极并沉淀在其上。作为这些沉淀离子的补充，来自阳极的金属被溶解并进入溶液平衡离子势能。 热喷涂工艺：热喷涂金属涂层是金属熔化后立即投射到基体上形成的金属沉积层。所用的金属和应用系统都可以变化，但大多数应用都是在要求改善抗腐蚀或耐磨性能的表面涂上薄层。 热喷涂是用于很大一类相关工艺的一个通用术语，喷涂到表面产生涂层的熔化小滴可以是金属、陶瓷、玻璃和/或聚合物，形成独立的近似纯形或产生具有独特性能的设计材料。 大体上，有稳定熔化状态的任何材料都可以热喷涂，范围宽阔的纯净和合成材料一般都能喷涂用于研究及工业目的。其沉积率与可供选择的涂层技术比较是很高的。沉淀厚度普遍为0.1到1mm，对某些材料则沉淀厚度可以达到1cm以上。 热喷涂金属的应用工艺相对简单并由下列阶段组成： (1)在喷枪内熔化金属。 (2)通过压缩空气将液态金属喷涂在准备好的基体上。 (3)熔化微粒投射在清洁过的基体上。 现在有两种主要的金属丝应用类型可选用，也就是电弧喷涂和气体喷涂。 电弧喷涂当一对金属丝通过手持喷枪连到一起时，通上电横过其末端划燃电弧。压缩空气吹过电弧使其雾化并驱使自动送料金属丝微粒到准备好的工件上。 气体喷涂连续移动的金属丝在燃烧火焰喷射中通过手持喷枪，并被燃烧气体的锥形喷嘴所熔化。熔化后的金属丝顶端进入锥体雾化并驱使其到基体上。 薄膜涂层：物理蒸发沉淀(PVD)和化学蒸发沉淀(CVD)是两种最常见薄膜涂层方法的类型。 物理蒸发沉淀涂层涉及到在真空装置内各种各样的材料原子紧靠原子、分子紧靠分子或离子沉淀于固态基体上。 热蒸发利用涂层金属在真空环境中蒸发形成的微粒子雾将基体和靶材之间可见范围内所有表面覆盖。在塑料零件上生成较薄(0.5m)的、装饰性的、有光泽的涂层时常常用到它。 然而，这种薄涂层是易碎的并不适合用于磨损场合。热蒸发工艺也能在喷气发动机零件上覆盖很厚(1mm)的耐热材料涂层，例如MCrAIY一种金属、铬、铝和钇合金。 反应溅射法通过在氩真空设备中连接工件和具有特定成分的材料到高压直流电来应用诸如陶瓷、金属合金、有机和无机化合物之类的高技术涂层。等离子区形成于基体(工件)和靶材(原料物质)之间并将被溅射的靶材原子转移到基体的表面上。如果基体不导电，例如聚合物，则采用射频(RF)溅射代替。反应溅射法可以生成较薄(小于3m(120in)的、坚硬薄膜涂层，像比最硬金属还硬的氮化钛(TIN)。现在反应溅射法已被广泛应用于切削刀具、成型工具、注射模具和诸如冲头和冲模之类的通用器具，以增强其耐磨性和使用寿命。 化学蒸发沉淀能在金属和像玻璃和塑料之类的非金属上生成较厚的、致密的、有延伸性的和带良好粘性的涂层。与物理蒸发沉淀在“可见范围”对比，化学蒸发沉淀能将基体的所有表面都覆盖。 常规的化学蒸发沉淀涂层工艺需要一种容易在相当低温度下挥发并且在较高温度下与基体接触时能分解成纯金属的金属化合物。最为人熟知的化学蒸发沉淀例子是在玻璃窗和容器上镀厚为2.5mm(0.1in.)的羰基镍(NiCO4)涂层使它们能抵抗爆裂或破碎。 为增加切削刀具表面硬度引入了钻石化学蒸发沉淀涂层工艺。可是此工艺要在高于700(1300)的温度下才能实现，这温度会软化大多数工具钢。因而钻石化学蒸发沉淀的应用受到材料限制，要求材料在此温度下不软化例如硬质合金。 等离子体辅助化学蒸发沉淀涂层工艺可以在比钻石化学蒸发沉淀涂层低的温度下操作。这种化学蒸发沉淀用于在塑料膜和半导体(包括人工0.25m半导体的情况)上覆盖钻石涂层或碳化硅隔离涂层。Altering the Surfaces改变表面 改变表面的处理包括淬火处理、高能加工和特殊处理。 高能加工是相对较新的表面处理方法。它们能在不改变表面尺寸的情况下改变表面性能。通用的高能加工包括电子束处理、离子注入和激光束处理简要讨论如下： 电子束处理：电子束处理在靠近表面很浅(100m)的区域通过用电子束快速加热并以106/秒等级快速冷却来改变表面性能。这种技术也被用于表面硬化产生“表面合金”。 离子注入：离子注入采用电子束或等离子体通过真空室内磁性线圈加速以足够的能量将气体原子撞击为离子，并把这些离子嵌入基体的原子点阵中。离子注入和金属表面之间的错配产生了硬化表面的原子瑕疵。 激光束处理：与电子束处理类似，激光束处理通过在靠近表面很浅的区域快速加热和快速冷却来改变表面性能。它也可以用于表面硬化产生“表面合金”。 高能加工的结果不能充分地了解或很好地控制。但初步结果看来是有前途的。高能加工需要进一步的开发，特别是注入剂量和处理方法。第二单元(Part2)（1）数控是程序控制的自动化，在数字控制系统中，设备通过数字，字母和符号来编码，以一种合适的格式为每一个特定的零件或工件定义一个程序指令集。当工件变化时，程序也变化，改变程序的能力也就是适合中小批量生产。写一个新程序比改变大量生产设备要容易的多。（2）基本结构：数控系统由下面三部分组成：1.控制程序；2.机器控制单元；3.加工设备。三部分的基本关系，由图2.1所示。程序输入到控制单元由送入的程序来引导加工设备控制。（3）指导程序是一步步详细的指导加工设备的指令。通常指令把主轴上刀具相对于安装工具的工作台定位。更多先进的说明包括主轴的转速，加工工具的选择及其功能。程序刻在合适的介质中，提交到机器控制单元中，在过去几十年中，最常用的介质是一英寸宽的打孔纸带。由于打孔纸带的广泛使用，NC有时也叫纸带控制，然而这是现代数控使用的误称。现在进入使用更多的是磁带和软盘。（4）机器控制单元（MUC）由电子和控制硬件组成，机器控制单元可以读出和执行指令程序，可以自动改变加工工具和其他加工设备。（5）执行单元是数控系统的第三基础部分，执行原件是有效执行工作的原件，最常见的数控例子其中的一个加工操作，加工设备由工作台和主轴组成，就像用电动机来驱动一样。加工设备由控制单元来驱动控制系统的类型。控制系统的类型（6）数控有2种基本类型，点对点式和轮廓式控制，点对点式控制也称定位控制，每个轴都是通过丝杠单独驱动，根据加工类型不同，加工速度也不一样。机器开始以最大速度运行来减少非加工时间，但当他达到数据定义的位置时，机器开始减速。因此在一个操作中，如钻或冲孔操作先定位在加工。在钻或冲孔之后，迅速收起工具移动到另一个位置重复此操作。从一个位置移到另一个位置是非常重要的，要遵循一个原则，从效率上考虑只要时间最短即可。点对点系统主要用于钻，冲孔，直铣操作中。（7）轮廓式也就是连续路径式系统，定位和切削同时按不同速度来控制，由于刀具在指定路线运动同时切削，因此速度和运动的同步控制是非常重要的。轮廓式系统常用于车床铣床磨床焊接设备和加工中心。（8）沿着路径的运动或以增量差补是几个基本方式的一个，在所有的差补中，要控制刀具的回转中心定位，补偿可以以不同直径及刀具磨损，在数控程序中进行改写。（9）有一些已形成差补方案来处理数控系统中连续路径和加工系统产生的问题包括：1.线性差补；2.圆弧差补；3.螺旋线差补；4.抛物线差补；5.立体差补（10）每一种差补程序都允许程序源产生加工指令，适用于相对少的输入参数的直线或曲线路径。储存在数控单元中的模块预算指引工具沿计算出的路径运动。（11）线性差补是最基本的差补方法，用于连续路径的数控系统中。两轴和三轴线性差补路线在实际中有时会分辨出的，但在概念上他们是一样的，程序源要明确指定直线的起点和缺点及沿直线的进给率。差补需计算两轴或三轴的进给速率以达到设定的进给速度。（12）线性差补用来差补圆是不合适的因为程序源需要明确指定线段部分（线段数量）和各自的终点来大约模拟圆弧。圆弧差补法已形成他允许程序编程的路径，使用圆弧只要给定以下参数，圆弧终点坐标，圆心坐标，半径和刀具沿圆弧路径的走刀方向。圆弧差补也是由许多小的直线段来实现的，但这些小线段的参数由差补模块来计算出来的，而不是程序员设定的。切削是沿着每一小线段一个一个的进行以产生光滑曲线路径。圆弧差补的局限性是圆弧路径所在平面是由数控系统中两轴所决定的平面。（13）螺旋线差补结合了环形差补两轴在第三轴上做线性运动这样来定义空间三维螺旋路径。（14）抛物线差补和立方差补法通过高次高程来实现自由曲线。这通常需要有强的计算能力，正因如此，他不如直线差补和环形差补常见。他们主要用于汽车工业中具有自由风格的车身面，而这是线性差补和圆弧差补不能精确容易得到的。（15）数控技术运用于数控机床，这是数控的主要应用。现在主要用于商业。我们仍讨论数控系统特别是金属数控车床。数控车床技术（16）每一种加工过程都可以在设计的专门车床上来实现加工。在车床上车削，在钻床上钻，在铣床上加工。有几种类型的磨削方法也要有相应种类的磨床。被设计的数控磨床可以进行下列加工包括：1.钻加工；2.铣床立式和卧式主轴；3.车床卧式主轴和立式主轴；4.卧式和立式镗床；5.仿形铣床；6.平面磨和圆柱磨（17）除了上述几种机械加工方法，数控机床可用于其他金属加工过程包括：用于薄片板的金属板上冲孔的冲压机，用于薄片金属弯曲的折弯机。（18）数控技术的介入到机加工对机床的设计和运用有着显著的影响。数控影响之一在程序控制下切削金属的时间与传统手动机床大得多。所以对于一些零件如主轴驱动主轴丝杠磨损更快，这些零件要设计成持续时间长的。第二，增加电子控制单元后设备成本也随之增加，因此需要更高的利用率。取代传统手工操作的一班制，数控机床通常采用两班或三班制来获得更多的回报。数控机床的设计中减少了非操作过程的时间如装卸工件和换刀时间。第三，增加的劳动成本由人工成本变为设备成本。考虑到人工操作的角色，角色由技术熟练的工人控制，工件生产的每一个过程变为只控制装卸换刀和清除碎屑和类似的操作，这样一个工人可以同时操作两台或三台车床，机床的角色和功能也改变了。数控需要设计成高度自动化具有需要在不同车床加工几种操作联合在一起一定加工的能力，这些变化是通过一种新型车床在数控技术存在之前是不存在的，他丰富了数控加工中心（19）加工中心是在20世纪50年代发展起来的具有在程序控制下在一个工件上一次装夹完成几种不同的加工能力的机床。加工中心能完成铣，钻，铰屑，攻丝，镗，车端面及一些类似机加工工作。另外数控加工中心的典型特征包括以下方面：（20）(1)自动换刀能力: 多种机加工工作一位着需要多种刀具。刀具贝安装在刀库或多刀刀库中。当一把刀需要被调换时，多刀刀座自动旋转到相应的位置上。自动化的换刀机构。在程序控制下进行，把主轴上需换下的刀和多刀刀座上的刀调换。(2)工件的自动定位: 大多数加工中心都可以使工件沿着主轴旋转因此允许刀具达到工件的四个表面。(3)托架滑动装置（平板架）: 加工中心另一个特点是有两个或多个独立拖板每个拖板都可以调整在刀具上。在加工过程中，一个拖板在刀具的前部，另一个拖板在远离主轴的安全位置。这样当机床正在加工当前的零件时。操作人员就可以从上一个工作循环中卸下最终加工好的零件，同时加紧毛坯用于下一个工作循环。（21）加工中心可以分为立式和卧式。这是参照机床主轴方向来划分的。立式加工中心具有轴线相对工作台垂直的主轴，卧式车床的主轴轴线是水平方向的。这种区别通常会导致在这些加工中心加工的零件类型不同。立式加工中心用于以上进刀的平面工作。卧式加工中心用于立体形状，刀具在立体侧面可以进刀。一台数控卧式加工中心，例子如图2.2所示，具有上面提到的一些特征。（22）加工中心的成功应用导致了其他类似金属加工机床的发展。例如：在车削中心，把车削加工设计成一个高度自动化万能机床可以完成车削，刨，钻，螺纹加工和类似的操作DNC AND CNC（23）数控的发展在分批生产和小批量生产中有着重要意义，从技术和商业角度来说都有着重要意义。数控有两方面的提高和扩展，包括：1.直接数据控制；2.计算机数字控制（24）直接数据控制直接数据控制定义为一个制造系统，一定数量的机床有一台计算机通过直接硬件连线实时控制。相应的磁带播放机忽略在直接数控中，这样就消除系统中最不可靠的环节。不用磁带播放机而用电脑信息传给车床。原则上说一台计算机可以控制100台独立机器（DNC系统在1970年称为可控制26台机床）直接数控（DNC）电脑设计成在需要的时候提供指令给每一台机床，当机床需要控制指令时，计算机立即发送指令给机床。（25）图2.3说明了DNC的基本配置。这个系统包括4部分：1.中央计算机；2.大量内存，用于存放数控程序；3.通信线；4.机床刀具（26）计算机从海量内存中取出部分程序指令送入到需要的独立机床中。相应的计算机也接受机床反馈信息。这种双工的信息流在实时控制加工系统中出现意味着每台机床需要指令的请求能立即得到回应。类似的，计算机必须总是要准备要接受信息和进行回应。DNC系统显著特点是：可以实时控制大量机床。更具机器数量和所需的计算机程度化。有时需要使用卫星计算机如图2.4所示。卫星计算机是更小的计算机，可以分担中央计算任务，减轻其负担。每台卫星控制几台机床。零件加工指令程序由计算机接受，储存在内存中。当需要时卫星计算机发送指令程序到每个独立机床中。来自机床的反馈数据在电脑中央存储接受之前存储在卫星内存中。（27）计算机数字控制由于DNC技术的介入，在计算机技术上得到了很大的发展。计算机在尺寸和成本显著减少的同时，计算机的能力却有很大的提高。在数控中，这些发展使得由硬件布置的MCU（）变为数字电脑控制的控制单元。最早，小型机在1970年使用。随着计算机进一步小型化，小型机被当今的微型机取代。（28）计算机控制也是一种数字控制，它采用微型计算机作为控制单元。由于数字电脑用于CNC 和DNC中，只近似区分两种类型。有三个区分原则：1）.DNC电脑接受和发送指令数据都是来自许多机器，CNC电脑控制只是一个机器或多个机器。2）.DNC电脑占有一个位置通过控制来实现机器的旋转。CNC电脑要非常靠近车床。3）.DNC软件的发展不经可以控制生产设备的每个单独零件，还可以在生产坚固性方面提供主要控制信息。CNC的提高可以提高特殊车床的能力。（29）电脑数控系统的大体配置如图2.5所示。如图中所示，最初进入控制器的是磁带播放机。这样，CNC的外部系统与传统的NC机相似。然而CNC中的程序使用方法是不同的 。第七单元（Part2）CAD/CAM这个词条的意思是计算机辅助设计和计算机辅助制造。它是在设计和制造中运用数字化计算机执行某些职能的技术。这项技术正在向设计制造更高的一体化发展。这两个在生产企业中被看作是截然不同的，相互分离的。最终，cad/cam将会提供给未来的计算机集成化工厂技术基础。 计算机辅助设计可以定义为使用计算机系统来协助一个设计方案的形成，修改，分析及优化,计算机系统由硬件和软件组成来进行公司特定用户需要的专门设计功能。cad硬件通常包括计算机，一个或多个图形显示终端，键盘，和一些其他的外围设备。cad软件是由计算机指令组成，他在系统中加上一些应用程序实施+计算机绘图从而给用户电脑的工程功能提供便利。例如，这些应用程序包括应力应变分析组件，动态反应机制，热传递计算，和数控编程的一部分。该应用程序的内容将会随着企业用户的不同而变化，这是因为他们的生产线，生产工艺和消费者市场不同。这些因素导致对cad系统要求的不同。 计算机辅助制造（CAM）可以被定义为利用计算机系统进行规划，管理和控制一个制造工厂通过计算机将接口直接或间接的计算机将接口和工厂生产资源，正如所指出的定义，计算机辅助制造的应用被归结为两大类；1) 电脑监测和控制（这两段基本上不会考）2) 制造业应用支持.增加设计效果Cad、cam可以推导出一整组全新的绘图原理，他们都能够提高生产率。例如，现在市场上大部分系统都有一些能自动生成新的有用的绘图技术的内置功能。例如，分层法能够使起草者在可以被分开储存易于识别的逻辑段内作图，但这些段仍然可以一起输出，在一个单独的片内就可以立刻显示整个绘图。这种方法类似于我们经常在生物练习上看到的解剖图，骨骼，神经，内部器官，血管和肌肉。在绘图方面提高生产效率的另一个例子是自动生成设计图的辅助试图，通过按适当的键或输入正确的指令，设计图可以朝一个方向或另一个方向旋转90度，三维设计图可以绕任意坐标轴旋转，或显示其任意一个投影图。 这个潜力死无穷无尽的。只有当系统的管理理念是有限的才会限制生产率的增长。举另一个例子，想想一个专门从事设计仓库的建筑公司的起草中心，设计工作较多的是重复的，可以从一个工作转到另一个。在这种情况下，每张图的标准部件可由生成宏指令自动生成，这些宏指令只不过是一组串起来的绘图系统的指令，他们可以作为独立的单元来使用。例如，一个标准的平面图和标准的楼梯，或者一个标准的门和门框。这个系统可以在几秒钟之内做这个工作，起草者就不用再每次需要插图一个图的时候重新做那个部分的设计了。 其他的宏程序可能是有用的。一组指令可能被组合在一起自动的把一个图纸的尺寸从英尺改成公尺或者是延展一整个图纸，把它旋转到预定的方向，或者生成一个复杂的工程图纸的材料清单。 进一步说，整套设计方案可以保存在系统中，当起草者接到一份和他储存的设计极其类似的工作时，他只要把它检索出来，把它放到工作方案中，修改一下和这份新工作中不太相关的部分。从而加速了生产率的提高。原来的工作加快了，那个工作，反过来说又进一步加快了下一个工作，这说明有必要保持一个可以让用户轻松访问的完整的和最新的资料库。 （第七单元不全）第十单元（Part2）虚拟制造和网络制造万维网在制造业中的作用1 我们正处在一个创造历史的时代，这段历史将会在全人类的未来发挥中的的作用。一般说来，一种变化总是让人们慢慢感觉到的。然而，我们在过去的几年里所看到的变化，尤其是在最新科技进步的发展方面所放生的变化是如此突兀而迅速，以至于它们将会对我们的思维、工作、相互交流，特别是制造方式产生巨大的冲击。两个最重要的改变是：全球化和信息技术的快速变化。2. 我们生活在一个信息时代。我们坐在家里就可以获取世界时事信息。电视提供的信息有限，计算机所能获得的信息是无限的。你能进入的地方、你能获得的信息的丰富化以及你能完成的事情的多样化已经达到了令人震惊的程度。网络技术的出现和进步以及相关的一些服务器已经为我们铺平了通往信息高速公路的路。3. 让我们首先来看一下这个改变的根本支柱，也就是信息技术。硬件和软件的进步是波澜起伏的。计算机变得更强大、功能更多而体积更小。这个进化从20世纪50年代最简单的数据处理器发展到知识（数据/信息）处理系统。软件和硬件的进步是非常显著的。大量的进步，比如因特网、万维网服务器、数字图书馆、交互式学习工具、虚拟教室和多媒体等等，正在改变着我们的日常生活。我们不需要再去强调它们在制造业中的重要性。知识就是力量，信息技术是的知识的存储、处理和传播变得更容易。信息技术将显著的影响我们制造、教育和销售（营销）的方式。4. 现在让我们来看看（考察）全球化的过程。社会已经从一个封闭的市场和制造场变为开放的市场和制造场。不再需要一个集中的制造基地，各个功能可以被分配。设计可以在法国进行，制造可以在墨西哥、印度尼西亚或其他一些成本可能保持很低的国家进行，生产计划可以在美国完成，市场策略发展在香港，中国大陆提供