工程材料成形与机械制造基础第一章 PPT课件

课程名称 工程材料与机械制造基础 或 金属工艺学 与制造业有关的技术基础课 教育部爱课程网站国家精品资源共享课 或 课程特点 1 知识面宽 跨学科 2 各部分联系相对松散 3 理论与实践密切结合 4 制造技术基础 课程知识体系 理论 1 工程材料 制造基础的历史与发展2 工程材料的基础知识3 热处理与表面工程技术4 材料成形技术5 机械加工 材料的切削加工 技术6 结构工艺性7 材料的特种加工技术与先进制造技术8 工艺选择9 材料工艺性能10 材料与制造的可持续发展实验实践 工程训练或金工实习 1 材料成形 热处理 铸造 锻压 焊接 塑料成形 陶艺 2 切削加工 车 铣 刨 磨 钳 3 特种加工 电加工 激光 等 第一章工程材料与制造技术简论 第一章工程材料与制造技术简论本章将重点介绍 工程材料的历史 现状和发展 制造技术的历史 现状和发展 制造类企业的组织结构和产品生产过程 希望读者能在进入现代材料成型与制造工艺基础的学习之前 对工程材料和制造技术的背景有一个比较完整的了解 以利于本课程和后续相关知识的学习 第一节工程材料发展简述 第一节工程材料发展简述材料 是人类用以制作有用物件的物质 人类历史证明 材料是人类社会进步的物质基础和先导 新材料 主要是指最近发展起来或正在发展之中的具有特殊功能和效用的材料 性能 力学性能 物理性能 化学性能 工艺性能 材料分类按照用途分 结构功能按照性质分 金属材料 无机非金属材料 陶瓷 有机高分子材料 复合材料四大类 金属材料 金属材料 无机非金属 陶瓷 材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 材料是社会进步的先导 图1 1中对上述四类材料在不同历史年代的相对重要性进行了描述 一 金属材料的发展简述金属键合特点 金属材料具有其它材料体系不可能完全取代的独特的性质和使用性能 这是由于金属材料主要通过金属键结合而成 这种键合特点使得金属有比高分子材料高得多的模量 有比陶瓷高得多的韧性 可加工性 磁性和导电性 第一节工程材料发展简述 一 金属材料的发展史公元前5000年为青铜器时代 公元前1500 1200年为铁器时代 18世纪以后 钢铁工业开始迅猛发展 成为产业革命的主要潮流和物质基础 其它金属材料也得到相应的快速发展 二 金属材料的发展现状主要围绕以下几个方面向纵深发展 1 高纯材料 2 高强度及超高强度金属材料 3 超易切削钢和超高易切削钢 4 硬质合金与金属陶瓷 5 高温合金与难熔合金 6 纤维增强金属基复合材料 7 共晶合金定向凝固材料 8 快速冷凝金属非晶及微晶材料典型非晶和微晶金属材料 1 金属玻璃2 金属微晶材料 9 有序金属间化合物 10 纳米金属材料 11 形状记忆合金 12 贮氢合金 第一节工程材料发展简述 二 无机非金属材料 陶瓷 的发展简述先进陶瓷的化学键特点 是由共价键和离子键组成 具有优良的耐高温 耐磨 耐腐蚀的特点 第一节工程材料发展简述 图1 7共价键 图1 8离子键 一 陶瓷的发展史 1 陶器 中国是陶瓷的发源地 最早人类利用粘土的可塑性将其加工成所需形状 然后用火烧制成型 这就是陶器 2 瓷器 陶瓷的第一次重大飞跃是人类掌握了通过鼓风提高燃烧温度的技术 进而利用粘土 石英 长石等矿物制成了瓷器 3 先进陶瓷 陶瓷第二次重大飞跃是从传统陶瓷到先进陶瓷 二 先进陶瓷的主要研究领域与研究现状1 先进陶瓷的研究领域包括 粉体 陶瓷制备技术 成形技术 加工工艺 分析检测技术 以及各种用途的陶瓷 例如 结构陶瓷 功能陶瓷 生物陶瓷 薄膜及喷涂 电子陶瓷 与能源有关的陶瓷等 2 先进陶瓷的主要缺点 材料内部存在各种微小缺陷 杂质 气孔 这些缺陷相当于微裂纹 导致脆性大 韧性差 3 研究的主攻方向 目前正围绕陶瓷材料的弱点方面 即增强补韧 转入更细致的基础研究和应用研究 三 结构陶瓷的研究发展趋势结构陶瓷的脆性研究 1 相变增韧陶瓷 限制缺陷 2 高精细陶瓷 减少缺陷 3 高韧性 高硬度 Sialon陶瓷 4 可塑性变形陶瓷 5 金属间化合物与陶瓷复合材料 6 纤维及晶须增强陶瓷基复合材料 容忍缺陷 7 叠层结构陶瓷基复合材料 利用缺陷 8 纳米陶瓷及其复合材料综上所述 陶瓷材料发展的过程也是陶瓷增韧的发展过程 设计思想经历了 限制和减少缺陷 容忍缺陷 利用缺陷 的变化过程 2 有关结构陶瓷粉体制备的研究3 有关陶瓷材料的制备与加工技术4 有关陶瓷材料的可靠性检测与评价技术 第一节工程材料发展简述 四 结构陶瓷的研究展望预期结构陶瓷在以下领域具有重要的研究发展前景 新型层状碳化物和氮化物陶瓷的研究 高性能复相陶瓷和陶瓷基复合材料 包括金属陶瓷 纳米复相陶瓷 多层次复合与融合复相陶瓷 金属间化合物与陶瓷复合材料以及陶瓷纤维补强的陶瓷基复合材料的研究 高性能 批量化 低成本先进陶瓷的制备和加工技术研究 先进结构陶瓷的可靠性及性能评价技术研究 结构陶瓷材料物理力学性能检测方法与标准及评价技术研究 结构陶瓷材料可靠性的声学快速评价技术研究 高性能 低成本 高可靠性陶瓷材料的制备技术研究等 第一节工程材料发展简述 三 工程塑料的发展简述定义 工程塑料是一个特定的名称 其广义上是泛指具有高性能又可能代替金属材料的塑料 狭义上是指比通用塑料的强度与耐热性优异 可作为工业用的结构材料并具有功能作用的高性能塑料 键合特点 高分子与高分子之间是由范德华键等弱结合力连接 材料熔点低 强度较差 塑性好 易加工成型等 第一节工程材料发展简述 高分子材料微观示意图 一 工程塑料发展史20世纪30年代 高分子结构与性能关系研究的兴起及理论的创立 推动了新型高分子的合成 20世纪50年代初期开始了塑料制品的研究 工程塑料主要品种工业化年度及首家商品化的企业列入表1 1 工程塑料的快速发展源于80年代以后 二 工程塑料的特点1 与金属材料相比其优点是 1 比重小 仅为1 0 2 0 约为铁的六分之一 2 加工性好 生产效率高 3 耐水及各种化学药品腐蚀 4 自润滑性好 摩擦系数小 5 可以自由着色 6 容易与玻璃纤维及各种填料复合 7 优异的电绝缘性 8 隔热性优良 导热系数约为铁的百分之一 9 可降低成本 节约资源和能源 第一节工程材料发展简述 2 与金属材料相比其缺点是 1 耐热性能差 软化点低 2 机械强度低 抗张强度一般约为钢的十分之一 3 尺寸稳定性差 线膨胀系数约为钢的5倍 4 耐久性差 长期受重力作用易产生疲劳 在室外长期受紫外线作用 易降低性能 四 复合材料的发展简述定义 复合材料是指由不同材料组合而成 在新制成的材料中 原来各材料的特性得到了充分的应用 而且复合后 可望获得单一材料得不到的新功能材料 特点 重量轻 比强度 比模量大等 第一节工程材料发展简述 一 复合材料的发展历史 复合材料的发展经历了古代 近代 先进复合材料的过程 最原始的复合材料是在粘土泥浆中掺稻草 制成很好的土砖 近代复合材料主要包括软质复合材料和硬质复合材料 二 先进复合材料的研究现状典型复合材料的研究现状如下 1 金属基复合材料 MetalMatrixComposites MMC MMC所用基体除Al Mg外还包括Ti Cu Zn Pb Be超合金及金属间化合物 2 陶瓷基复合材料 CeramicMatrixComposites CMC 3 其它复合材料除MMC和CMC复合材料外 目前处于大量研究 开发应用的复合材料还包括 1 树脂基 高聚物 复合材料 2 原位复合材料 InSituComposite 3 功能精细复合材料 FunctionalFineComposites 4 梯度功能材料 FunctionallyGradientMaterials 5 碳 碳复合材料 Carbon CarbonComposites 第一节工程材料发展简述 三 复合材料的发展趋势 1 进一步了解复合材料所特有的复合效应 2 与复合材料有关的物理现象 包括结晶体 稳定态 亚稳态和非稳态或暂稳态 各向同性物和各向异性物 热力学体系与非热力学体系等这些相互对立的物理现象的产生 转化都是复合材料设计和研究的焦点 3 复合材料研究涉及多学科 跨学科 第一节工程材料发展简述 第一节工程材料发展简述 五 新材料发展趋势及先进材料简介 一 发展趋势 小 强 智 绿 二 先进材料简介1 智能材料 传感器 反馈 执行 图1 2为其动作流程 2 生物材料表1 2列出了近年来生物陶瓷复合材料的发展情况 3 纳米材料 图1 17纳米金颗粒 图1 18石墨稀材料 4 生态环境材料表1 3列出了生态环境材料的一些相关种类及其产品 第二节制造 工艺 技术发展历史 现状与发展趋势制造定义 把原材料加工成使用的产品 制造业的分类 17个 与构成 金属制品一般机械运输机械电器电子设备仪器仪表食品工业纺织服装家具文教用品油加工化工建材有色冶金黑色冶金其他制造 第二节制造 工艺 技术发展历史 现状与发展趋势 一 制造技术的发展历史制造技术的发展大约经历了以下六个阶段 1 从18世纪后半叶开始 蒸汽机与工具机的发明导致近代产业革命 揭开了近代工业的历史 促成了制造企业的雏形 其特征是工场式生产的出现 2 19世纪电气技术得到快速发展 导致电气技术与制造技术的融合 开创了电气化新时代 促进了制造业的飞速发展 使制造技术实现了批量化生产和工业化生产的新局面 3 20世纪初 内燃机这项重大发明引发了制造业的一场革命 使流水生产线和泰勒式工作制得到了广泛应用 特别是受二次大战的影响 使以降低成本为中心的刚性 大批大量制造技术和科学管理方式得到空前发展 4 制造技术发展的第四个阶段出现在二战以后 随着计算机 微电子 信息和自动化技术的快速发展 制造技术开始向高质量生产和柔性化生产发展 第二节制造 工艺 技术发展历史 现状与发展趋势 5 20世纪80年代以来制造技术的发展则是由于市场牵动造成的 柔性制造单元 FMC 引发了制造工程中组织结构和运行模式的革命性飞跃 6 进入90年代 制造技术的重要特征是与信息技术 人工智能技术融为一体 随着人工智能 人工神经网络 模糊逻辑等计算机智能的应用 制造知识的获取 表示 存储和推理已成为可能 二 制造技术的现状机械制造工艺的流程图与具体过程 第二节制造 工艺 技术发展历史 现状与发展趋势 制造业现状 社会三大产业 第一产业 农业第二产业 工业第三产业 信息与服务业中国三大产业比重 中国统计局 美国三大产业比重 美国商务部 1977年 29 5 46 9 23 6 2 5 30 6 66 8 1997年 18 3 47 5 34 2 1 3 22 8 75 9 2008年 11 3 49 6 40 1 1 8 22 76 十三五末 5 46 49 制造业在GDP中占的比例 37 41 制造业GDP在工业中的比例 超过70 世界工厂 制造业大国 制造业现状 表1 1中国三大产业GDP所占比重 表1 2美国三大产业GDP所占比重 2010年制造业GDP1 955万亿美元 占全球制造业比例的19 8 美19 4 世界第一制造业大国 三 制造业及先进制造技术的发展趋势先进制造技术的发展趋势今后将具有以下明显特征 1 信息技术正在向制造技术注入和融合 促进着制造技术的不断发展 伺服电机 全电产品 2 设计技术在不断现代化的同时 设计过程也由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术 经济 和社会因素 3 成型及改进后的制造技术向精密 精确 少能耗 无污染方向发展 4 加工制造技术则向着超精密加工技术 超高速切削以及发展新一代制造装备的方向发展 5 工艺将由技艺发展为工程科学 6 冷热加工之间 加工 检测 物流 装配过程之间 设计 材料应用 加工制造之间 其界限将逐渐淡化 并逐渐走向一体化 第二节制造 工艺 技术发展历史 现状与发展趋势 制造技术发展趋势 杨叔子院士 微 众 网 智 绿微 精密加工 微纳加工制造等 众 学科交叉 机电信息一体化 自动化 特种加工等 网 网络化 全球一体化 资源优化等 智 智能化 绿 考虑环保 可持续制造 循环制造 第三节制造类企业的组织结构与运行模式一 近代企业的组织结构与运行模式福特生产模式的特点包括以下几个方面 1 标准化产品的大批量生产 2 互换性原理的应用 3 流水作业与精密加工 4 刚性生产 5 专业化分化和顺序决策 6 集中领导与分级管理 第三节制造类企业的组织结构与运行模式 二 现代企业的组织结构与运行模式 一 精益生产原则 以人为中心 以简化为手段 以尽善尽美为最终目标 1 即时生产传统生产模式与即时生产模式的示意图分别见图1 4 a 和图1 4 b 第三节制造类企业的组织结构与运行模式 2 成组技术成组车间布局如图1 5所示 3 全面质量管理 图1 5成组车间布局 相似零件一组 相似零件二组 相似零件三组 二 集成制造 CIMS 通过计算机将企业设计 工艺 生产 供销 管理集成为一个整体 提高相应能力 福特模式与现代模式在信息交流和组织结构之间的差异可用示意图1 6表示 三 敏捷制造敏捷制造的突出特点主要表现在以下几个方面 集成不仅限于企业内部 而是企业网 组织结构按照生产任务设置工作小组 不是按功能设小组 小组有自主性 可临时设置 1 制造资源能快速重组 能敏捷的跟上市场的变化 具有快速的市场响应能力 2 能跨企业 跨地区甚至跨国界实现资源共享 使制造资源得到最充分的利用 3 在共同利益驱动下 能实现局部利益与整体利益的高度一致 而无需行政命令 4 能在保证整体利益的协调一致性的前提下 最大限度的发挥个体的积极性 第三节制造类企业的组织结构与运行模式 第四节产品制造的过程简介现代产品的制造过程包括 产品设计 材料选择 材料成型 加工与表面处理 检验与装配等 一 产品与零部件设计设计思想 现代产品设计是一个动态的过程 它不仅要考虑产品的出世 还要考虑产品从生到死整个生命周期和服役过程 这种从传统的串行设计到现代并行设计的思想的变迁是基于制造业要对环境保护负责 企业要在市场激烈竞争中提高生产效率 降低产品的制造成本等要求中逐渐演化而成的 图1 7是串行设计与并行设计的示意图 第四节产品制造的过程简介 串行 并行 二 产品或零件的选材与制造选材 产品或零件设计完成以后 通常要根据产品的各种要求进行选材 选材时不仅对材料的性能有要求 对材料的成本和可加工性能等诸多方面也有要求 制造工艺分类 产品制造工艺技术很多 概括起来主要有以下几大类 1 成形工艺 2 切削与磨削工艺 3 特种工艺 4 塑料成型工艺 5 生长成形工艺 快速成形工艺 第四节产品制造的过程简介 1 课程性质传统的工程材料及机械制造基础课程是研究机器零件常用材料和加工方法 即从选择材料 制造毛坯 直到加工出零件的综合性课程 随着科学技术的快速发展 知识更新的加快 学科大幅度的调整 本课程性质也在逐渐发生变化 为充分体现各学科的交叉 融合 全面拓宽课程知识体系 使理论 实践和创新结合在一起 本课程的内容已不仅局限于机械制造 而是更充分的体现了先进制造技术 材料科学与工程 材料及制造技术发展史 现代信息技术 现代管理科学等跨学科之间的密切交叉与融合 可以说该课程是一门以各种制造方法为载体 涉及多学科知识渗透与交叉 从常用工程材料的选择 成形 加工制造直到加工出零件或器件的综合性课程 它体现了理论教学与实践环节 或工程训练环节 密切结合的特点 它即是高等学校机械 材料 管理等类专业必修的技术基础课 也是培养复合型人才的重要工程技术入门课程 第五节课程的性质 任务和学习要求 2 学习要求通过本课程的学习 要求学习者结合现代工程训练或金工实习环节 了解材料及制造技术发展史和现代制造行业的组织结构与运行模式 获得常用工程材料 各种制造技术的基础知识以及零件或器件的加工工艺知识 培养工艺分析的初步能力 为学习其它有关课程及以后从事机械设计和加工制造工作奠定必要的基础 并为复合型人才的培养奠定现代制造技术基础 第五节课程的性质 任务和