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C6132型车床用微机数控系统改造的设计【优秀机械毕业设计】【word+4张CAD图纸全套】

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关键词：: c6132 车床微机数控系统改造设计优秀优良机械毕业设计 word cad 图纸全套

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用微机数控系统改造C6132型车床的设计

C6132型车床用微机数控系统改造的设计【优秀机械毕业设计】【word+4张CAD图纸全套】

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毕业设计（论文）课题任务书

用微机数控系统改造C6132型车床的设计

内容及任务

内容：

将C6132车床改造成用MCS—51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm横向：0.005mm。

任务：

①机床改造总图；

②进给伺服系统的机械装配图；

③单片机控制系统电路原理图；

④设计计算说明书。

拟达到的要求或技术指标

(1) 统一要求：

按任务书要求完成规定的任务，撰写设计说明书（论文），一律采用计算机编辑。内容包括设计的意义与作用、设计方案选择和计算、主要零件的受力分析和强度校核、经济技术分析等。

写出不少于400字的中文摘要；至少翻译一篇本专业外文文献（10000个以上印刷符号），并附译文。

需完成不少于3张零号图纸的结构设计图、装配图和零件图，其中应包含一张以上用计算机绘制的具有中等难度的1号图纸，同时至少有折合1号图幅以上的图纸用手工绘制，查阅到10篇以上与题目相关的文献，按要求格式独立撰写不少于12000字的设计说明书。

(2) 主要技术参数：

最大加工直径：在床面上：Φ320mm；在床鞍上：Φ175mm

最大加工长度： 1000mm

快进速度：纵向：2.4m/min；横向：1.2m/min

最大进给速度：纵向： 0.8m/min；横向： 0.4m/min

代码制：ISO

脉冲分配方式：逐点比较法

输入方式：增量值，绝对值通用。

控制坐标数：2

最小指令值：纵向： 0.01mm/step；横向： 0.005mm/step

刀具补偿量：　0~99.99mm

进给传动链间隙补偿量：纵向：0.15mm；横向：0.075mm

自动升降速性能：　有

进度安排起止日期工作内容备注

2011年1月

2011年2月

2011年3月

2011年4月

2011年5月

选定课题，调研并收集相关资料，进行设计前的准备工作。

确定整体设计方案，并开始按照整体设计方安进行设计计算。主要是对横向进给系统机械部分的计算和结构的设计。

对纵向进给伺服系统机械部分的计算。包括丝杆螺母副和齿轮的计算，电机的选取以及机械部分的计算和结构分析设计。

进行微机数控系统硬件电路的设计。包括对芯片的选取和个控制线路的连接，以完成设计任务的要求的技术要求。

检查机械和控制部分的设计，并输入电脑进行排版。交排版好的说明书叫老师审查，修改。绘制设计图纸。

把绘制好的图纸交有老师检查并修改，完善设计说明书，进行后期工作，完成说明书。打印说明书及设计图纸。

主要参考资料[1] 周鹏翔,刘振魁.工程制图[M].高等教育出版社,2000.5

[2] 唐增宝,刘元俊.机械设计课程设计[M]．华中理工大学出版社,1995.1

[3]《机械设计手册》编写组.机床设计手册2[M].机械工业出版社,1980.8

[4]《机械设计手册》编写组.机床设计手册3[M].机械工业出,1986.12

[5] 东北大学《机械零件设计手册》编写组.机床零件设计手册第三版[M].冶金工业出版社,1994.5

[6] 华东纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学.机床设计图册[M].上海科学技术出版社,1979.6

[7] 雷晓玲.综合作业指导书[M].机械工业出版社,2000.11

[8] 石光源,周积义,彭福荫.机械制图[M].高等教育出版社,1988.4

[9] 张建钢,胡大泽.数控技术[M].华中科技大学出版社, 2000.8

[10]顾维邦.金属切削机床概论[M].机械工业出版社,1997.6

[11] 林俊主编, 《机床数控系统课程设计指导书》[M]. 中国科学技术出版社,1991, 9.

摘要

数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，结构简单，系统的定位精度较高。普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。

对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为微机控制的，能独立运动的进给系统，刀架改造为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于切削过程中切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动运行，调节和更换，再加上纵向和横向联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复查的回转零件，并能实现多工序自动加工车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适合小批量多品种复查零件的加工。

C6132车床改造属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，车床通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。

关键词：微机控制；伺服系统；回转刀架；自动车削

ABSTRACT

The numerical control engine bed is more and more widespread in machine-finishing profession application. Numerical control engine bed development, on the one hand is the entire function, the high performance; On the other hand is the simple practical economy numerical control engine bed, has the automatic processing the basic function, the operation service is convenient. The economy numerical control system passes commonly used is the split-ring step-by-steps the control system, the power step-by-steps the electrical machinery for to actuate the part, does not have the examination feedback organization, the system pointing accuracy is high. Knife rest vertical to enter, give sport and horizontal to stock for sport to can be linked, cut order by artificial control even.Carry on the numerical control transformation to the ordinary lathe. Mainly vertical and horizontal enter give system transform into by what computer control.The knife rest is transformed into the gyration knife rest that can be changed one hundred sheets automatically. Introduces the engine bed the microcomputer numerical control system the transformation to be possible to enhance the engine bed the operational performance,Reduces the production cost,Obtains the high economic efficiency with the few funds investmentTake the C6132 lathe numerical control transformation as the example,In line with are as far as possible few to the lathe modification,Control section anti-jamming,Transformation cost low principle,Carries on the numerical control transformation to the lathe.

Lathe for the NC transformation is mainly vertical and horizontal feed system into a computer-controlled, The independence movement can feed system can transform Tool Automatic Tool Change of Rotary Tool. Thus, the use of NC devices, lathe can be imported at a pre-processing machining instructions. As the cutting process of cutting parameters, priorities and cutting tool will automatically by operation, regulation and replacement, coupled with the vertical and horizontal linkage functions, CNC lathe after the conversion can be processed into various shapes review the rotating parts, and multiple processes can be automatically processed turning, thus enhancing the efficiency of production and processing accuracy, also suitable for small batch multiple types of review parts of the processing.

C6132 lathe belongs to economic numerical control lathes transformation of transformation, mainly in the numerical control system by using nc system transformation, of transverse and longitudinal feeding system, open loop control by stepping motor driver components, lathe, through the stepper motor driving ball screw rotation.

Key words：the computer controls; servo system; turn the knife rest round; automatic turning

1 前言1

2 设计方案3

2.1 总体方案的确定3

2.1.1 系统的运动方式与伺服系统的选择3

2.1.2 计算机系统3

2.1.3 机械传动方式3

2.2 系统运动方式的确定3

2.3 伺服系统的选择3

2.4 执行机构传动方式的确定4

2.5 计算机的选择4

2.6 总体方案框图绘制4

3 横向进给伺服系统机械部分计算与校核5

3.1 计算切削力5

3.2 滚珠丝杆螺母副的设计、计算、选型5

3.2.1 计算进给牵引力5

3.2.2 计算最大动负载C6

3.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型6

3.2.4 传动效率计算7

3.2.5 刚度验算7

3.2.6 稳定性校核8

3.2.7 横向滚珠丝杆副的几何参数9

3.3 齿轮传动比计算10

3.4 横向步进电机计算和选型11

3.4.1 初选步进电机11

3.4.2 校核步进电机转矩12

3.5 横向进给伺服系统机械部分结构设计17

3.5.1 横向进给伺服系统总图设计17

3.5.2 进给伺服系统的装配图18

4 纵向进给伺服系统机械部分计算与校核20

4.1 计算切削20

4.2 滚珠丝杆螺母副的计算和造型20

4.2.1 计算进给牵引力20

4.2.2计算最大动负载C21

4.2.3 滚珠丝杆螺母副的选型21

4.2.4 传功效率计算：21

4.2.5 刚度验算22

4.2.6 稳定性校核23

4.2.7纵向滚珠丝杆副几何参数23

4.3 齿轮传动比计算24

4.3.1 进给齿轮箱传比计算24

4.4 步进进电机的计算和选型25

4.4.1 初选步进电机25

4.4.2 校核步进电机转矩27

4.5 纵向进给伺服系统机械部分结构设计31

4.5.1 纵向进给伺服系统总图设计32

4.5.2进给伺服系统的装配图32

5 微机数控系统硬件电路的设计34

5.1硬件电路一般要求34

5.2控制系统的组成及功能34

5.2.1 CPU、存储器、I/O接口电路扩展34

5.2.2控制系统的功能36

5.3步进电机控制电路36

5.3.1步进电机开环驱动原理36

5.3.2脉冲分配37

5.3.3驱动电路37

5.3.4其他辅助电路38

6 微机控制系统的软件设计39

6.1 监控程序39

6.2 直线圆弧插补程序设计39

6.3升降速处理软件41

6. 4步进电机的软件控制及转程序设计43

7 机床的加工程序编制46

致谢49

参考文献50

附录51

1 前言

经济型数控是我国80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。

数控机床与通用机床相比，增加了功能，提高了性能，简化了结构，较好地解决形状复杂、精密、小批及形状多变零件的加工问题，能够获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控机床的应用也受到其他条件的限制。

（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小企业常是心有余而力不足。

（2）目前，各企业都有大量的通用机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。

（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。

（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。

要较好地解决上述问题，通用机床数控化改造便是很好的对策。通用机床的数控化改造就在通用机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这一工作早在20世纪60年代已经开始时迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，在国外已发展成为一个新兴的工业部门。从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有26%的机床经过数控改造，中小企业则多达74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地担供数控化改造业务。中国是拥有300多万台机床的国家，其中大部分都是多年累积生产的通用机床，如卧式车床和各种铣床等，自动化程度低，要想在近几年来内用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，通用机床的数控化改造大有可为。它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造主要方向之一。

十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。

CA6132是金属切削机床加工中比较常用的一类机床。属于经济型数控车床的改造，主要针对进给系统进行数控化改造，利用数控系统对纵、横向进给系统进行开环控制，驱动元件采用步进电动机，车床通过步进电动机带动滚珠丝杠转动。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面，圆锥面，端面，螺纹面等，借助于成型刀具，还能加工各种回转表面。普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动纵溜板、横溜板的移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作，刀架的纵向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。

毕业设计是学生在校学习阶段的最后一个教学环节，也是学生完成工程师基本训练的重要环节。其目的是培养学生综合运用所学的专业和基础理论知识，独立解决本专业一般工程技术问题的能力，树立正确的设计思想和工作作风。毕业设计说明书不只反映了设计的思想内容，方法和步骤，而且还反映了学生的文理修养和作风。

本说明书介绍了此次设计的任务，将普通卧式车床（C6132）改造为经济型数控车床；有关经济型数控车床改造总体方案确定及框图、进给伺服系统机械部分设计计算及校核、数控系统硬件电路的设计、加工程序编制。

2 设计方案

2.1 总体方案的确定

2.1.1 系统的运动方式与伺服系统的选择

由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。

2.1.2 计算机系统

根据机床要求，采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

2.1.3 机械传动方式

为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。

参考文献

[1] 周鹏翔,刘振魁主编，工程制图第二版[M].高等教育出版社,2000, 5

[2] 唐增宝,刘元俊主编，《机械设计课程设计》（修订版）[M].华中理工大学出版社1995, 1

[3] 《机械设计手册》编写组编,《机床设计手册2》[M].机械工业出版社,1980, 8

[4] 《机械设计手册》编写组编，《机床设计手册3》[M].机械工业出，1986, 12

[5] 东北大学《机械零件设计手册》编写组编,《机床零件设计手册》第三版[M]. 冶金工业出版社，1994, 5

[6] 华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编，《机床设计图册》[M]. 上海科学技术出版社，1979, 6

[7] 雷晓玲主编，《综合作业指导书》[M]. 机械工业出版社, 2000, 11

[8] 石光源、周积义、彭福荫主编，《机械制图》第三版[M]. 高等教育出版社,1988, 4

[9] 《C6132型卧式车床说明书》

[10] 赵长德主编,《微机原理与接口技术》[M]. 中国科学技术出版社, 1990, 9

[11] 林俊主编, 《机床数控系统课程设计指导书》[M]. 中国科学技术出版社,1991, 9

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内容简介：: 材料制备机械设计理论中的新趋势和新问题王艾伦,段吉安,黄明辉,钟掘(中南大学机电工程学院,湖南长沙 410083)摘要: 在全面综述材料制备机械技术及设备发展动态的基础上,提出了研究领域的几个新问题和发展方向,如通过集成和融合现代相关前沿科学和技术，生产具有超常和特殊性能的新概念材料等,并进行了简要分析和讨论.关键词: 界面;超常物理场;制备机械;功能材料1机械材料加工的时代背景在人类进步的一段长时间范围内，许多工具、机械和方法被提出来；不同的原料用不同的工具来加工。原料及其处理过程已经变成了推动人类进步不可缺的一部份。在当前世界中日益激烈的竞争和人们追求幸福生活的今天，物质的功能已经远远超出了人类现有的并不断增长的知识及想象。例如：神秘原料功能，半导体材料，原料能量有吸力的材料，在航空领域中占有70%份额的强力铝合金45um的薄金属片，用各向异性深冲压金属板在1%以下；电子铝箔与强耐热铝合金已经被应用到航空、宇宙及深海领域中，等等；在原料加工加工领域中不同的时间段里，材料重要发展趋势就这样形成了：（1）在特殊的物理领域里制造原料加工机械，是为了能有特殊的质地结构和辅助性的加工功能。例如：运用热能和机械能能够突破科学技术的极限，将一些不常用的能量，例如：微波、化学能、生物能等等，一个接一个的被引入到材料加工中来，因此一些加工特殊能量原材料的加工设备就被制造出来了。（2）突破传统的物质限制，将溶化、凝固、造型一体化，然后加热得到具有特殊功能的原料，这样就可以降低加工费用。例如：材料加工整形技术，比如像快速翻滚，喷雾处理、塑胶成型、喷射造型法、高能量射束等等被应用。（3）原料加工处理正在向高速、重载和高精度在线控制方向上迈进。例如：轧制速度达到130m/s，压力变形已达到300MPa，尺寸精度达到了0.1um ，成型精度已达到 0.1i；浓度精度已达到0.1MPa。由于这些原因，原料加工机械设备设计理论将科学与技术相关联的领域有机的结合起来设计生产一中新概念材料加工设备是可能的。2对于新概念材料加工设备的期望功能（1）要有能力生产具有特殊物质的领域；能传送那些对于新概念材料加工在特定的物质环境下是非常必要的特殊能流。例如：在高温环境下能使那些高温波或者脉冲以超过104106K/s的速度冷却下来；将外表面的凝固、变形合成一体，然后在将超强接触面应力重新组合成新的分界面；融化的大金属薄片的湍流；随机的低频率磁场用于金属末加热的微波、用于大量凝固的超声波等等都已经被应用了。（2）有能力在临界状态下工作，因此高稳定性和理想性能的处理设备是在加强技术条件和室外操作的保证。例如：禁止在润滑状态下边界上的摇晃；在特有的摩擦状态下的抗震能力；有韧性的连接管的合力稳定性和干扰稳定性与轴相比更易驱动系统。（3）有能力精确的控制原料加工而获得低损耗、高功率、高性能的原料加工。例如：精确的在线监测产品成型；在线监测和在线调整产品品质和器具还有在线控制金属、塑胶成型的程序。产品的精确度指数可以列举如下：宏观上精确度可达到0.1um ，微观上的晶状体结构非常均匀，浓度误差在0.1MPa 。简而言之，拥有特别功能的新概念原料加工设备应该被设计和生产出来。这样的话，那些特别性能的原料就能被处理加工了。3在特殊的物理领域和环境下金属材料加工设备的问题和需要学习的内容由于这些原因和以上提到的背景，如下的一些新的研究主题应该被改进：3.1 连接传热装置和温度应力场的相界面当融化金属处于液体和固体的临界状态时通过连续的变形和快速凝固，一种全新的微观结构可以被获得。在这个非常时刻，高浓度的热流和动态的热阻力在材料加工处理中成了主要事项。关于设计这个设备的基本理论问题是要学习核心传动系统合能量转化和建立数学模型。3.2 材料加工设备表面粘流摩擦力的抑制操作装置和工件的连接是相当复杂的因为粘流阻挡了加工表面界面态由周转速度、热力学处理工作量、操作装置的弹性、工件的可塑性、滑性界面的动态行为、局部水力的润滑油等等来决定。它们影响着材料加工设备抗摩擦装置的成型。因为它们会会强制其产生很大的非线性，这种强制会在瞬间被损坏或者是失谐，最后会导致动态不稳定性。因此提出了以下的问题：机械装置的噪声可能在晃动的界面引起滑动摩擦、不稳定状态；在高速、重载和边界润滑状态下在光滑表面和旋转式喷灌器之间的装置抑制。润滑油薄膜吸收装置和不断再生的表面的物理化学行为；流变学的特征和操作参数之间的关系。3.3 在高压场条件下非线性接触式机械装置在大范围内组建一个超强力压力场是材料加工设备的一个基本功能。当然形成一个大结构的元素也是可能的（例如太空船、大陆洲际间的交通工具、汽车、飞机）。组建一个超强压力场是最重要的特征之一，也是保卫国家独立最基本的装备。在强压力场环境下，接触式和非线性摩擦将会产生；因此将会导致局部的永久的变形和不好的因素。在强压力场下设计过程中，将会涉及到设备的设计新理论，例如：非接触式、非线性摩擦机构。3.4 负荷分配规律关于超静定结构，抑制点的负荷分配规律由相容性条件决定。虽然，关于那些大尺寸的、不定的、静止的结构在真实空间中是自由变化的，但负荷分配规律是不能决定相容性条件。因此新的基础理论由分析接触行为和变形装置获得（例如：摩擦力、变形相容性条件，等等）。3.5 耦合装置和在材料加工系统中物理领域内的稳定性随着系统的功能越来越多元化；许多限制材料加工进度的传统技术正在不断的被改善；系统结构也逐渐变得越来越复杂，系统性能变得越来越好。例如：钢扎厂的快速瞬间反转受弹性形变、粘流、散热处理、水动力润滑处理的，物理化学分子状态的影响。另外，机电的耦合在处理系统中已经超出了传统的概念；例如，一些奇特的现象（微小的变化可以引起很大的变化）已经出现；因此，滚筒操作的不稳定性可能会导致混乱。所以，这个主题将会在机械装置的物理领域中，在处理系统稳定性的影响和加工助剂质量上被提及和充分关注；3.6 技术综合和合并精准的控制在特定的物理条件下进行操作的材料加工设备是一个相当复杂系统，一些系统的参数在领域的边界上也是可以改变的；因此在领域环境下精确的控制与调整，调和尺寸，能量转换，信息传递，界面耦合等等是非常重要的。因为在控制模型中多种交互作用的存在，根据退耦控制模型而建立综合框架是必要的；精确的控制基于综合技术。 3.7 优化的和创新的设计基于创新的知识材料加工技术能促进产品的设计质量的提高。最优化的材料加工技术和材料加工设备意味着实现实质的仿真通过类似的设计和一致的设计是我们学习的主题。3.8 在特殊的领域里机械装置的特殊功能和应用一些重要的元素和部分在材料加工设备中常常在强力场、温度场、电磁场和流场中工作，有建造特别物理界面的功能；虽然对那些普通单一的物质象金属、陶瓷等拥有单一的高指数和卓越的总质量是很困难的。因此我们需要在重要部位采用具有新功能的原料；例如：尺度功能有倾向的材料是想当可贵的。由于这些原因，学习基本法律和以上提到的具有这些功能的机械装置；例如：强调分配功能、破坏机理和在特定领域中的设计标准，静态（动态）的硬度和阻尼，模糊设计和明朗设计处理系统构成了有斜度的材料，等等。今天，材料加工科学和技术正在快速的向前发展；把学习的目标瞄准材料加工设备的技术问题将会为21世纪的制造业提供技术支持。New Trends and Problems in Material Processing Machine Design Theory WANG Ai-lun ,DUAN Ji-an ,HUANG Ming-hui ,ZHONG Jue (College of Mechanical & Electronic Engineering , Central South University ,Changsha 410083 ,Hunan China) Abstract : Based on reviewing the historical background, prospecting for the development trend ,analyzing the complicacy and mechanism and summing up some achievements and experiences in scientific research , several new problems and the possible direction of development in material processing technology and machine are proposed ,such as ,producing new concept materials possessing some specific and extraovdinary properties by means of integrating and coalescing conelative frontier science and technology ;and thereafter a brief discussion is given. Keywords: interface; extraordinary physical field; procession machine ; function material 1 The Time Background of Material Processing Machine In the long span of history of human progress ,many tools ,machines and methods were created and a variety of materials with different properties were processed. Materials and its processing have become one of pillar and driving force of mankind progress. In pace with multi - polar competition in current world and peoples striving perseveringly for happier life ,material function goes beyond unceasingly mens knowledge and imagination ,for example ,cryptic function material ,semiconductor material ,energy material ,vibration - absorptive material , super - strength aluminum alloy accounting for 70 percent of application of aeronautics and space ,metal foil of 4 5m ,deep drawing plate with anisotropy below 1 percent ,electronic aluminum foil with micro - orientation up to 95 percent ,heat resisting aluminum alloy with super strong specific strength used in aeronautics ,space and deep sea ,etc. Thus several important development trends with distinct time features in material processing domain are shaped up as follows : (1) Creating material processing machine with extraordinary physical field for processing material with special texture structures and functions. For example ,applications of thermal energy and mechanical energy are breaking through unceasingly technology limit ,and some non - tradition energy ,such as microwave ,chemical energy , bioenergy , etc. , are introduced into material processing procedure one after another ,so that some material processing machines with extraordinary energy circumstance are produced. (2) Breaking through traditional physical limits and integrating melting ,solidifying ,plastic deformation and heat treatment to obtain special function of material and cut down expenses3 . For example ,near - net shaping material processing technology , such as fast rolling , spraying deposition ,over - plastic molding , injection molding , high energy beam ,etc ,is applied. (3) Material processing process is forged ahead in the direction of high speed ,heavy - duty and high accuracy online control ,for instance , the rolling speed goes up to 130 ms - 1 ,the deformation pressure rises up to 300 MPa ,accuracy of dimension up to 0.1m ,accuracy of shape up to 0. 1 I ,strength accuracy comes up to 0.1 MPa. For these reasons ,it is necessary for material processing machine design theory to integrate and coalesce ingeniously correlative frontier science and technology to create and produce some new concept material processing machine with following functions. 2 Due Functions of New Concept Material Processing Machine (1) To have the ability to produce and bear extraordinary physical field and transmit extraordinary energy flow with the aim of providing extraordinary physical circumstances necessary for new concept material processing. For example ,high gradient temperature field with the speed of cool - down of work interface which exceeds 104 106 Ks - 1 , line wave and pulse complex exerted in solidifying - deforming area , super - strength contact stress field of material forming interface ,turbulent flow field of molten metal with very big flakiness ratio ,low frequency magnetic field with random frequency ,microwave field for powder metal heating ,ultrasonic field for large volume solidifying ,etc. 4 ,are applied. (2) To have the ability to work in critical state so that high stability and ideal performance of processing machine is ensured under the circumstance of reinforced technological condition and multi - field coupling operation. For example ,chatter suppressing capability of fast ultra - thin rolling under the condition of boundary lubricating state5 ,the capability of self - excited vibration suppressing under the condition of special friction state ,synergism stability and disturbance stability of flexible connecting parallel shaft with multi - driving system ,etc. 4 ,are ensured. (3) To have the ability to accurately control the material processing in order to obtain low loss ,high efficiency and high quality of material processing. For example , super - high accuracy on - line monitor of products form ,on line monitor and on - line adjustment of products texture and properties ,precision coordination control of multi - procedure , on - line monitor of micro - orientation of metal plastic deformation ,etc. 4 ,are ensured. Some products accuracy index may be enumerated as follows : dimensional accuracy coming to 0.1m , microstructure uniformity to crystal lattice ,strength error to 0.1 MPa ,etc. 4 In short ,only by new concept material processing machine with extraordinary function being designed and made , can special function material be processed. 3 Science Problems and Study Contents of Metal Material Processing Machine Under the Circumstance of Extraordinary Physical Field In view of these facts and background mentioned above ,several new research topics can be advanced as follows. 3. 1 Coupling Heat Transfer Mechanism of Multi - Phase Interface Temperature - Stress Field A brand - new microstructure can be obtained through continuously large deformation and fast solidifying when melting metal is in critical state of liquid solid. At this very moment ,high density heat flow and dynamic heat resistance are present in material processing circumstance . A basic theory problem of designing this kind of machine is to study mechanism of heat transmittance and energy conversion ,and to establish mathematical model . 3. 2 Friction Constraint Mechanism of Plastic Flow Interface of Material Processing Machine The coupling between operation mechanism and workpiece is very complicated because plastic flow is present in processing interface. The interface state , determined by velocity , load thermodynamic process , elasticity of operation mechanism ,plasticity of workpiece ,dynamic behaviour of interface sticking - sliding and partial hydrodynamic lubrication ,etc ,affect and form friction constraints mechanism peculiar to material processing machine ,because these constraints present strong non - linearity ;and under certain circumstances ,the constraints may be destroyed or mismatched instantaneously and thus dynamic instability is resulted in. Thus following problems can be put forward : Mechanism of“spectre chatter”arose from sticking - sliding friction and partial hydrodynamic lubrication in rolling interface , instability condition and mechanism of constraint between smooth surface and rotating body under the circumstance of high speed ,heavy - duty and boundary lubrication , Lubrication film absorption mechanism and physical chemistry behaviour of interface of unceasingly regenerative surface ,the relationship between rheological characteristic and machine operation parameters. 3. 3 Multi - Body Non - Linear Contact Mechanism Under the Condition of Extra - High Pressure Field To build the super strength pressure field on large area is one of basic function of material processing machine , and it is also necessary to form by once large - size structure element (such as spacecraft , intercontinental vehicles ,car and large - scale aeroplane etc) . The ability to build super strong pressure field is one of important feature and the base of independent national defense. Under the circumstance of super strength pressure field ,multi - body strong nonhertz contact and non - linear friction will be produced ,thus local permanent deformation and degrading of element accuracy may be led. New theory foundation of design of machine with super strength pressure field will be furnished through study of multi - body strong non - hertz contact mechanism , multi - body non - linear friction mechanism (such as providing force - displacement mixed solving process of three - dimension multi - body) . 3. 4 Load Distribution Law in Multi - Sliding Pair With Structure Bias Load With regard to statically indeterminate structure ,load distribution of constraint point is determined by deformation compatibility condition. However ,concerning some plane large - size statically indeterminate structure with sliding degree of freedom in third dimension ,load distribution can not be determined by deformation compatibility condition. Thus new theory basis will be provided by analyzing of contact behaviour and mechanism of sliding pair (such as creep ,force of friction ,integral deformation compatibility condition ,etc) . 3. 5 Coupling Mechanism and Stability of Multi - Physical Fields in Material Processing Systems In the wake of system function becoming more and more diversified , conventional technology limits in material processing machine is being broke through unceasingly ,system structure also becomes increasingly complicated ,and system performance becomes increasingly multi - causal . For example ,any instantaneous state of roller in fast rolling mills is affected by elastic deformation ,plastic flow ,heat transfer process , hydro - dynamic lubrication process ,interface physical chemistry molecular state and so on . In addition ,electromechanical coupling in processing system have already gone beyond conventional concept ,for instance ,some singular point phenomenon (such as micro - variable can be transformed into macro - variable) ,are present ,thus roller operation instability may be led by perturbation8 . Therefore ,this subject will study the interaction mechanism of multi - physical field and the influence on processing system stability and processing material quality started with analysis of micro - state of executive body. 3. 6 Multi - Technology Integration and Coalescence of Accurate Control The material processing machine ,which operate under the circumstance of extraordinary physical field ,is a complicated large - scale system ,and some parameters of the system vary on feasible field boundary ;thereby ,to keep under accurate control and adjustment of multi field circumstance ,multi - dimension coordination ,multi - energy conversion , multi - level information transfer ,interface multi - process coupling ,etc. is of much significance. Since a variety of multi - interaction exists in control model ,it is necessary to establish integration framework of coordination work according to decoupling of control model ,so as to accurate control based on the multi - technology integration and coalescence is realized. 3. 7 Quasi - Reality Design and Concurrent Design Based on Knowledge Innovation Systems Digitalization and visualization of material processing technology will promote immediately the quality of design, operation and control . Therefore optimization of material processing technology and material processing machine by means of realization of virtual simulation of processing procedure through quasi - reality design and concurrent design is one of our pressing study subjects. 3. 8

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