先进制造技术习题答案

全国高职高专规划教材•精品与示范系列

先进制造技术

习题答案

1-1论述先进制造技术及其重要特点。

答：1.系统性

先进制造技术由于微电子、信息技术日勺引入，使制造技术成为一种能驾驭生产过程的

物质流、信息流和能量流的系统T程。如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统

（CIMS）技术是先进制造技术全过程控制物质流、信息流和能量流的经典应用案例。

2.集成性

现代制造技术使各专业、学科间不停交叉、融合，其界线逐渐淡化甚至消失，发展成

为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。集成技术显示出高效

率、多样化、柔性化、自幼化、资源共享等特点。

3.广泛性

现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及顾客服务等整个产品生命

周期全过程，成为“市场一一产品设计一一制造一一市场”的大系统。

4.高精度

现代制造对产品、零件的精度规定越来越高，在飞机、潜艇等军事设施中使用的精密

陀螺、大型天文望远镜以及大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工技术

的支持。这些需求使激光加工、电子束、离子束加工、纳米制造、微机械制造等新措施迅

速发展。

5、实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产

先进制造技术的关铤是优质、高效、低耗、清洁、灵活生产等基础制造技术，它是从

老式H勺制造工艺发展起来的J,并与新技术实现了局部或系统集成。

1-2论述先进制造技术的构成及分类。

答：先进制造技术的构成：

1、基础技术

第一层次是优质、高效、低耗、少或无污染的基础制造技术。铸造、锻压、焊接、热

处理、表面保护、机械加工等基础工艺至今仍是生产中大量采用、经济合用的技术，这些

基础工艺通过优化而形成日勺基础制造技术是先进制造技术的关键及重要构成部分。这些基

础技术重要有精密下料、精密成形、精密加T、精密测审、毛坯强韧化、无氧化热处理、

气体保护焊及埋弧焊、功能性防护涂层等。

2.新型单元技术

第二个层次是新型的先进制造单元技术。它是在市场需求及新兴产业的带动下，制造

技术与电子、信息、新材料、新能源、环境科学、系统工程、现代管理等高新技术结合而

形成的崭新的制造技术。如：制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技

术、系统管理技术、现代设计基础与措施、清洁生产技术、新材料成形与加工技术、激光

与高密度能源加工技术、工艺模拟及设计优化技术等。

3.集成技术

第三个层次是先进制造集成技术。它是应用信息、计算机和系统管理技术对上述两个

层次的技术局部或系统集成而形成II勺先进制造技术的高级阶段，如：FMS、CIMS、IMS等。

先进制造技术口勺分类：

1.现代设计技术

现代设计技术是根据产品功能规定，应用现代技术和科学知以，制定方案并使方案付

诸实行的技术。包括的内容有：

（1）现代设计措施。现代设计措施包括产品动态分析和设计、摩擦学设计、防蚀设

计、可靠性和可维护性及安全设计、优化设计及智能设计等。

（2）设计自动化技术。设计自动化技术指应用计算机技术，进行产品造型和工艺设

计、工程分析计算与模拟仿真、多变量动态优化，从而到达整体最优功能目的，实现设计

自动化。

（3）工业设计技术。工业设计技术指开展机械产品色彩设计和中国民族特色与世界流

派相结合的造型设计，增强产品口勺国际竞争力。

2.先进制造工艺

现代制造T艺技术包括精密和超精密加T技术、精密成型技术以及特种加T.技术等方

面。

（1）精密和超精密加工技术。精密、超精密加工技术是采用清除加工、结合加工、变

形加工加工措施使工件的尺寸、表面性能到达极高U勺精度。目前的精密、超精密加工已经

向纳米技术发展。

（2）精密成型技术。精密成型技术是生产局部或所有无余量或少余量半成品的工艺措

施的统称。包括精密凝聚成型技术、精密塑性加工技术、粉末材料构件精密成型技术、精

密焊接技术及复合成型技术等。其目的在于使成型日勺制品到达或靠近成品形状的I尺寸，并

到达提高质量、缩短制造周期和减少成本的效果，其发展方向是精密化、高效化、强韧化

和轻量化。

（3）特种加工技术。特种加工技术是指那些不属于常规加工范围的加工，如高能束流

（电子束、离子束、激光束）加工、电加工（电解和电火花加工）、超声波加工、高压水

加工以及多种能源的组合加工。

（4）表面改性、制膜和涂层技术。表面改性、制膜和涂层技术是采用物理、化学、金

属学、高分子化学、电学、光学和机械学等技术及其组合技术对产品表面进行改性、制膜

和涂层，赋予产品耐磨、耐蚀、耐（隔）热、抗疲劳、耐辐射以及光、热、磁、电等特殊

功能，从而到达提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术统称，是表面工程的

重要构成部分。

3.自动化技术

制造自动化是指用机电设备取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自

动完毕特定的作业，包括物料H勺存储、运送、加工、装配和检查等各个生产环节的自动

化。其目的在于减轻劳动强度、提高生产效率、减少在制品数量、节省能源消耗以及减少

生产成本。

自动化技术重要包括数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术、计算机集成制造技

术、传感技术。自动检测及信号识别技术和过程设备工况监测与控制技术等。

4.系统管理技术

系统管理技术是指企业在市场开发、产品设计、生产制造、质量控制到销售服务等一

系列日勺生产经营活动中，为了使制造资源（材料、设备、能源、技术、信息以及人

力）得到总体配置优化和充足运用，使企业的综合效益（质量、成本、交货期）得到

提高而采用的多种计划、组织、控制及协调的措施和技术的总称。它是现代制造技术

体系中的重要构成部分，对企业的最终效益提高起着重要的作用。

系统管理技术包括工程管理、质量管理、管理信息系统等，以及现代制造模式（如精

益生产、CIMS,敏捷制造、智能制造等）、集成化的管理技术、企业组织构造与虚拟

企业等生产组织措施。

1-3先进制造的关键技术。

答：1.集成化技术。在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。目前更强调

技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”日勺概念，即信息集成、智能集

成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成及人员集成。

2.智能化技术。应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、

支持顾客到产品报废等）各个环节智能化，实现生产过程（包括组织、管理、计划、调

度、控制等）各个环节的智能化，并实现人与制造系统II勺融合及人的智能U勺充足发挥。

3.网络技术。网络技术包括硬件与软件的实现。多种通信协议及制造自动化协议、信

息通信接口、系统操作控制方略等，是实现多种制造系统自动化的基础。

4.分布式并行处理技术。该技术实现制造系统中多种问题的协同求解，获得系统的全

局最优解，进而实现系统的最优决策。

5.多学科、多功能综合产品开发技术。机电产品的开发设计不仅波及到机械科学的I理

论与知识并且还波及到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术原因，还必须考

虑到经济、心理、环境、人文及社会等方面原因。机电产品的开发要进行多FI的全性

能口勺优化设计，以追求机电产品动静特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制导致

木与制造周期的最佳组合.

6、虚拟现实技术。运用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设

计制造过程中H勺几何仿真、物理仿真、制造过程仿真，采用多种介质来存储、体现、

处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人--种真实感及身临其境感。

7、人一机一环境系统技术。将人、机器和环境作为一种系统来研究，发挥系统的最

佳效益。研究的重点是：人机环境的体系构造及集成技术、人在系统中U勺作用及发

挥、人机柔性交互技术、人机智能接口技术、清洁制造等。这些重要关键技术体现了

二十一世纪制造技术对CAD/CAM集成系统“勺规定，体现了CAD/CAM集成发展的方向。

1-4我国机械制造业的发展状况。

答：近23年来，我国制造业日勺发展受到严重减弱，陷入了前所未有日勺困境。制造业的I

发展滞后已成为制约我国经济发展口勺重要原因。据记录:全社会固定资产投资中，设备投资

的2/3依赖进口。FI前，光纤制造装备的100与、集成电路芯片制造装备的85乐石油化上装

备的80%、轿车工业装备、数控机床、纺织机械、胶印设备的70%被进口产品占领，国产装

备的可靠性、自动化程度与国外产品有较大差距。

我国制造业不停采用先进制造技术，但与工业发达国家相比，仍然存在一种阶段性的

整体上的差距。

(1)设计方面。工业发达国家不停更新设计数据和准则，采用新日勺设计措施，广泛采

用计算机辅助设计技术(CAD/CAM),大型企业开始无图纸日勺设计和生产。我国采用CAD/CAM

技术的比例较低。

(2)制造工艺方面。工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、

微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技

术等新型加工措施。我国普及率不高，尚在开发、掌握之中。

(3)管理方面。工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式

的更新发展，推出了准时生产(JIT)、敏捷制造(AM)、精益生产(LP)、并行工程(CE)

等新日勺管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数小

型企业仍处在经验管理阶段。

(4)自动化技术方面。工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元

(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS),实现了柔性自动化、知识

智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅

在少数企业使用。

1-5先进制造技术的发展趋势。

答：在二十一世纪中，伴随电子、信息等高新技术H勺不停发展，伴随市场需求个性化

与多样化，未来先进制造技术发展H勺总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能

化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。

目前影响先进制造技术的发展原因大体有如下几点：

1.“数”是发展的关键

数字化制造就是指制造领域日勺数字化，它包括了三大部分：以设计为中心的I数字制造，

以控制为中心U勺数字制造和以管理为中心的数字制造。

2.“精”是发展的关键

“精”是“精密化”，首先是指对产品、零件的精度规定越来越高，另首先是指对产

品、零件的加工精度规定越来越高。

3.“极”是发展的焦点

“极”即极端条件，就是指在极端条件下工作日勺或者有极端规定口勺产品，从而也是指

此类产品的制造技术有“极”日勺规定。如在高温、高压、高湿、强磁场和强腐蚀等条件下

工作，或有高硬度、大弹性等规定的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄和奇形怪

状电

4.“自”是发展的条件

“自”就是自动化，即减轻人H勺劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手

段。自动化是先进制造技术发展日勺前提条件。

5.“集”是发展的措施

“集”就是集成化，包括技术的集成、管理的集成、技术与管理的集成。其本质是知

识的集成。

6.“网”是发展的道路

“网”就是网络化，制造技术的网络化是先进制造技术发展口勺必由之路，制造业走向

整体化、有序化，这同人类社会发展是同步的。

7、“智”是发展日勺前景

“智”就是智能化。智能化制造模式U勺基础是智能制造系统，它既是智能和技术的集

成而形成欧I应用环境，也是智能制造模式的载体。

8、“绿”是发展的必然

“绿”就是“绿色"，制造业"勺产品从构思开始，到设计阶段、制造阶段、销售阶

段、使用与维修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都必须充足波及环境保护，制造必

然要走向“绿色”制造。

2-1试论述现代设计技术日勺内涵及特点。

答：1.现代设计技术内涵：

现代设计技术是以满足应市产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为R

的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学措施及技术为手段，研

究、改善、发明产品活动过程所用到H勺技术群体的总称。

2.现代设计技术的特点

从现代设计技术的内涵分析，现代设计技术具有如下一系列特点：

（1）系统性现代设计技术强调用系统的观点处理设计问题，从整体上把握设计对象,

考虑对象与外界（人、环境）日勺联络。

（2）动态性不仅要考虑产品欧I静态特性，还要考虑产品在实际工作状态下的动态特

性，考虑产品与周围环境的物质、能量及信息的交互。

（3）发明性现代设计技术建立在先进的设计理论及设计工具基础上，能充足发挥设

计者的发明性思维能力和集体智慧，运用多种发明措施和手段，开发出具有创新性的产

品。

（4）计算机化计算机已经渗透到产品设计开发的各个环节，诸多现代设计技术的实

现都依赖于计算机，如优化设计、有限元分析、系统仿真等。它们充足运用计算机快捷日勺

数值计算功能、严密的逻辑推理能力和巨大H勺信息存储及处理能力，弥补自然人存在日勺天

生局限性，实现人机优势的互补。

（5）并行化、最优化、虚拟化和自动化在产品的设计阶段就综合考虑产品全生命周

期中H勺所有原因，强调对产品设计及其有关过程并行地、集成地、一体化地进行设计工在

设计过程中，通过优化的理论与技术，对产品进行方案优选、构造优选和参数优选，力争

实现系统的整体性能最优化，以获得功能全、性能好、成本低、价值高的产品。设计过程

自动化的实现重要依托于多种不一样日勺计算机辅助设计技术、自动建模技术，以及一批功

能强大的商品化CAD软件的支撑。

设计手段虚拟化，是以虚拟现实的设计系统进行三维建模，使设计者能在虚拟的设计

环境下观测CAD设计内容，从而实现设计H勺可视化、评估设计产品口勺性能及其可实现性，

灵活以便地修改设计，大大提高设计效果与质量。

（6）积极性科学技术的发展使得在产品设计的初期，就可对产品全生命周期的多种

性能作出精确预测.有助于及早发现产品的潜在缺陷，将多种失误、也许发生II勺故障减少

到最低程度，体现了积极性的特性，也有助于缩短开发周期、减少生产成本、提高产品质

量。

2-2描述现代设计技术日勺体系构造，为何说计算机辅助设计技术是现代设计技术的主

体？它与其他技术口勺关系怎样？

答：现代设计技术的整个体系由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次

构成。

(1)基础技术基础技术是指老式的设计理论与措施，尤其是运动学、静力学与动力

学、材料力学、构造力学、热力学、电磁学、工程数学H勺基本原理与措施等方面。

(2)主体技术现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息有关、相辅相成。计

算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD.优化设计、有限元分析程序、模

拟仿真、虚拟设计和工程数据库等，运用现代设计技术的多种理论与措施如优化设计、可

靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深

入地模拟人H勺推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它

对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体口勺主干。

(3)支撑技术支撑技术重要指现代设计措施学、可信性设计技术、试验设计技术。现代

设计措施学波及内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、

质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可

信性设计是广义的可靠性设计扩展，重要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断

裂设计、强健设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环境保护性能试验与

控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。

(4)应用技术应用技术是针对实用目日勺处理各类详细产品设计领域的技术，如机床、汽

车、工程机械、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的详细技术

群。

2-3计算机辅助设计技术包括哪些重要内容？分析其中W、J关键技术。

答:计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)是20世纪50年代末发展起来

的综合性计算机应用技术s它是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，

辅助完毕产品设计过程的技术。

CAD技术包括的内容有：①运用计算机进行产品的造型、装配、工程图绘制以及有关

文档的设计；②进行产品渲染、动态显示；③对产品进行工程分析，如有限元分析、优化

设计、可靠性设计、运动学及动力学仿直等。

关键技术：

1.产品的几何造型技术

CAD曰勺几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适日勺数据构造存储在计算

机内，以建立计算机内部模型日勺过程。

（1）线框模型线框模型由一系列空间直线、圆弧和点组合而成，用来描述产品日勺轮

廓外形。但无法产生剖面图、消除隐藏线以及求解两个形体间的交线，也无法根据线框模

型进行物性计算和数控加工指令的编制等作业。

（2）表面模型表面模型的数据构造是在线框模型H勺基础上，增长了有关面的信息和

棱边的联接方向等内容。表面造型又分为“多边平面造型”和“曲面造型”两种。

（3）实体模型实体模型较完整地反应三维实体的几何信息，它既能消除隐藏线，

产生有明暗效应口勺立体图像；又能进行物性计算，进行装配体或运动系统的空间干涉检查,

进行有限元分析H勺前后处理以及多至五轴的数控编程等作业。

（4）特性造型所谓特性就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造U勺

基本几何体，它既能反应零件的几何信息，又反应了零件的加工工艺信息。常用的零件特

性包括：形状特性、精度特性、技术特性、材料特性、装配特性等。

2.单一数据库与有关性设计

单一数据库就是与设计有关日勺所有数据信息来自同一种数据库。所谓的有关性设计就

是任何设计改动，都将及时地反应到设计过程的其他有关环节上。

3.CAD与其他CAX系统的集成技术

CAD技术与其他CAX技术进行有效的集成，包括CAD/CAM技术的集成、CAD与CIMS其

他功能系统11勺集成等。CAD技术重要功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供了

共享的产品数据模型，成为C1MS或其他制造系统的基础和关键。

CAD技术与其他CAX系统的J集成，波及到产品口勺造型建模技术、工程数据口勺管理技

术、数据互换接口等技术，

4.原则化技术

国际原则化组织（ISO）制定了“产品数据模型互换原则”（STEP）。STEP采用统一日勺数

字化定义措施，涵盖了产品的I整个生命周期，是CAD技术最新日勺国际原则。

2-4试论述并行工程的基本概念与设计措施。

答：并行设计是在设计阶段就综合考虑产品生命周期中工艺、制造、装配、测试、维

修等环节的原因，及时全面地评价产品口勺设计，及时反馈改善意见，及时改善产品设计，

使得产品设计、工艺设计、制造一次成功，以到达减少产品成本，提高产品质量和缩短开

发周期的目的。

并行设计规定在设计阶段就要考虑产品全生命周期的各个环节，老式的“孤岛”式H勺

设计措施已不能满足并行设计的需要。为此人们对并行环境下的产品设计理论与措施进行

了研究，重要包括设计措施、建模技术、计算机辅助评价及决策技术。针对设计措施，基

本上可分为两大类:一类是通过人员协同集成实现并行化；另一类是通过知识协同集成实现

并行化，研究得比较多的有:面向产品生命周期各/某环节口勺设计DFX和CAX技术。

DFX包括面向装配的J设计(DFA)、面向制造W、J设计(DFM)、面向质量W、J设计(DFQ)、面

向环境保护日勺设计(DFE)、面向维护的设计(DFS)等；CAX技术包括计算机辅助工艺设计

(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程分析(CAE)等。

2-5论述反求工程日勺含义，简述反求工程口勺关键技术。

答：反求工程(ReverseEngineering,RE)也称逆向工程、反向工程等，是指用一定日勺

测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模措施，重构实物的CAD

模型，从而实现产品设计与制造的1过程。与老式U勺”产品概念设计一产品CAD模型一产品

(物理模型)”的正向工程相反。反求工程是在没有设计图纸或图纸不完整，而有样品的状

况下，运用三维扫描测量仪，精确迅速地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点数据处

理、曲面创立、三维实体模型重构，然后通过CAM系统进行数控编程，宜至运用CNC加工

机床或迅速成型机来制造产品。

反求工程的关键技术有:数据测量技术、数据预处理技术、模型重构及产品制造技术。

1、数据测量技术

反求工程中数据测量措施重要分为两种:一种是老式H勺接触式测量法，如三坐标测量机

法；另一种是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、工业CT法、核磁共振法

（MRI）、自动断层扫描法等。只有获取了高质晟的三维坐标数据，才能生成精确的几何模

型。因此，测量措施的选用是反求工程中一种非常重要的问题。

2.数据预处理技术:对得到H勺测最数据在CAD模型重构之前应进行数据预处理，重要是为了

排除噪声数据和异常数据、精简和归并冗余数据，一般包括:①噪声点过滤②数据点分区③

数据点精简④数据点平滑。

3、模型重构及产品制造技术:通过重构产品零件的CAI）模型，在打听和理解原设计技术H勺

基础上，实现对原型的修改和再设计，以到达设计创新、产品更新之目的，同步也可以完

毕产品或模具的制造。

2-6论述绿色设计的重要特性。

答：1.面向产品生命周期

2、绿色设计考虑U勺是产品在整个生命周期内的所有潜在U勺环境影响，包括有毒有害

物质向环境的排放，不可再生资源口勺消耗以及能源的过度消耗等等。产品“勺生命

周期包括从资源原料的开发到产品废弃报废H勺整个过程，

3、环境原因是产品设计口勺考虑原因之一

绿色设计并不是意味着产品设计只是面向环境或者说环境原因是唯一的考虑原因。相反，

绿色设计是像其他原因（例如:顾客需求分析、可制造性、经济性、功能、尺寸和重量等）同

样作为产品设计共同考虑的内容。因此绿色设计是在原有的设计求解过程中又引入了一种

环境变量，从而使设计过程变得复杂起来，即是一种更多目的的优化求解问题。

3-1常见日勺精密成型技术分为哪儿类？

答：精密成型技术是指零件成型后，仅需少许加工或不再加工（近净成型技术或净成型

技术）就可用作机械构件口勺一种成型技术。它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化

技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了老式的毛坯成型技术，使之由粗糙成型变为

优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的成型技术。它使得成型的机械零件具有

精确的外形、高口勺尺寸精度和形位精度、好的表面粗糙度。

精密成型技术分为粉末冶金、精密铸造、精密铸造、精密冲裁、精密焊接、迅速原型

技术等。

3-2迅速原型技术的特点及工艺。

答：迅速原型技术的特点：

（1）迅速性。

通过STL格式文献，迅速成型制造系统几乎可以与所有日勺CAD造型系统无缝连接，从

CAD模型到完毕原型制作一般只需几小时到几十小时，可实现产品开发时迅速闭环反馈。

以迅速原型为母模H勺迅速模具技术，可以在几天内制作出所需材料的I实际产品，而通过老

式的钢制模具制作，至少需要几种月的时间。

（2）高度集成化

迅速成型技术实现了设计与制造的一体化。在迅速成型工艺中，计算机中口勺CAD模型

数据通过接口软件转化为可以直接驱动迅速成型设备的数控指令，迅速成型设备根据数控

指令完毕原形或零件附加工。

（3）与工件复杂程度无关

迅速成型技术由于采用分层制造工艺，将复杂日勺三维实体离散成•系列层片加工和加

工层片之叠加，大大简化了加工过程。它可以加工复杂的中空构造且不存在三维加工中刀

具干涉的问题，理论上可以制造具有任意复杂形状的原形和零件。

（4）高度柔性

迅速成型系统是真正的数字化制造系统，仅需变化三维CAD模型，合适地调整和设置

加工参数，即可完毕不一样类型的零件附加工制作，尤其适合新产品开发或单件小批量生

产。并且，迅速成型技术在成型过程中无需专用的夹具或工具，成型过程具有极高的柔性，

这是迅速成型技术非常重要的一种技术特性。

（5）自动化程度高

迅速成型是一种完全自动的成型过程，只需要在成型之初由操作者输入某些基本口勺工

艺参数，整个成型过程操作者无需或较少干预。出现故障，设备会自动停止，发出警示并

保留目前数据。完毕成型过程时，机器会自动停止并显示有关成果。

迅速原型工艺：

（1）运用激光固化树脂材料的光造型法

敏树脂选择性固化是采用立体雕刻原理的一种工艺，简称SLA,也是最早出现的、技

术最成熟和应用最广泛的迅速原型技术。

①SLA迅速原型技术的长处是：

②成形速度较快。

③系统工作相对稳定。

④尺寸精度较高，可保证工件的尺寸精度在0.Inin（但，国内SLA精度在0.1——

0.3mm之间，并且存在一定的波动性）。

⑤表面质量很好，工件的最上层表面很光滑，侧面也许有台阶不平及不一样层面间的

曲面不平：比较适合做小件及较精细件。

⑥系统辨别率较高。

①SLA迅速原型的技术缺陷：

②需要专门试验室环境，维护费用高昂。

③成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。

④光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100℃,成形件

易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。

⑤氮-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵。同步需对整个截面进行扫描固化,

成型时间较长，因此制作成本相对较高。

光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。

需要设计T件的支撑构造，以便保证在成型过程中制作日勺每一种构造部位都能可靠定

位，支撑构造需在未完全固化时手工清除，轻易破坏成型件。

（2）纸张叠层造型法

纸张叠层造型法目前以Helisys企业开发的L0M装置应用最广。

I.0M可制作某些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光

造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5如下），并可简便地分析设计构思和

功能。

①L0M迅速原型技术艮|长处是：

②由于只需要使激光束沿着物体的I轮廓进行切割，无需扫描整个断面，因此这是一种

高速日勺迅速原型工艺。常用于加工内部构造简朴的大型零件及实体件。

③无需设计和构建支撑构造。

①L0M迅速原型技术的缺陷是：

②需要专门试验室环境，维护费用高品。

③可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及

合成材料，但目前常用日勺只是纸，其他箔材商在研制开发中。

④表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很轻易

吸潮，必须立即进行后处理、上漆。

⑤难以构建精细形状的I零件，即仅限于构造简朴的零件。

由于难以(虽然并非不也许)清除里面的废料，该工艺不适宜构建内部构造复杂的零

件。

当加工室FI勺温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。

(3)热可塑造型法

热可塑造型法以DTM企业开发的选择性激光烧结即SLS(SelectiveLaser

Sintering)应用较多。

①SLS迅速原型技术的长处是：

②与其他工艺相比，能生产较硬的模具，有宜接金属型的概念。

③可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。

④零件H勺构建时间较短，可到达lin/h高度。

⑤无需设计和构造支撑.

①SLS迅速原型技术缺陷是：

②需要专门试验室环境，维护费用高昂。

③在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点如下，当零件构建之后，还要花

5-10小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。

④成形件强度和表面质量较差，精度低。表面的粗糙度受粉末颗粒大小及激光光斑U勺

限制。

⑤零件的表面多孔性，为了使表面光滑必须进行渗蜡等后处理。在后处理中难于保证

制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。

需要对加工室不停充氮气以保证烧结过程的安全性，加工R勺成本高。

该工艺产生有毒气体，污染环境。

3-3就H前技术条件下精密加工和超精密加工是怎样划分的？

根据目前技术水平及国内外专家的见解，对中小型零化附加工形状误差4和表面粗糙度

Ra"勺数量级可分为如下档次。精密加工：△=1.0~0.1ym,Ra=0.l-0.03um；超精密

加工：A=0.1-0.01um,Ra=0.03-0.005um；纳微米加工：△<0.01um,Ra<0.005

3-4超精密加工所波及的技术范围包括哪些？

答：（1）超精密加工机理，超精密加工是从被加工表面清除•层微量的表面层，包括超精

亲密削、超精密磨削和超精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加工措施的普

遍规律，但也有不少其自身的特殊性，如刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加

工参数对表面质量R勺影响等。

（2）超精密加工的刀具、磨具及其制备技术，包括金刚石刀具的制备和刃磨、修整等是

超精密加工日勺重要日勺关键技术。

（3）超精密加工机床设备，超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗振性、高

稳定性和高自动化的规定：具有微量进给机构。

（4）精密测量及赔偿技术，超精密加工必须有疝应级别的测量技术和装置，具有在

线测量和误差赔偿。

（5）严格的工作环境，超精密加工必须在超稳定H勺工作环境下进行•，加工环境日勺极

微小口勺变化都也许影响加工精度。因而，超精密加工必须具有多种物理效应恒定的工作环

境，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等。

3-5论述精密和超精密加工措施H勺分类、加工机理及加工措施示例。

精密和超精密加工措施

分类加工机理重要加工措施示例

力学加工、力溅射切削、磨削、研磨、抛光、超精加工、疥

磨、超声波加工、离子溅射加工等离子加

电物理加工工喷射加工；

清除加工

电化学加工电火花加工（电火花成型、电火花线切

（分离加

热蒸发、热扩散、热溶解割）：

工）

电解加工、蚀刻（电子束曝光）、化学机械

抛光；

电子束加工、激光加工、脱碳处理、气割

化学化学镀、化学气相沉积；

电化学电镀、电铸；

附着加工

热、热熔化真空蒸镀、熔化镀；

力物理离子镀（离子沉积）、物理气相沉积

氧化、氮化、活性化学反应；

化学

结合加工注入加工阳极氧化；

电化学热

（渗透加晶体生长、分子束外延、掺杂、渗碳和烧

热扩散

工）结；

力物理

离子束外延、离子注入

热物理、电物激光焊接、气焊、电焊、迅速成型加工；

连接加工

理化学化学粘接

铸造、热流动加工（气体火焰、高频电

变形加工热流动、表面热流动

流、热射线、电子束和激光）；

（流动加粘滞流动

铸造、液体流动加工（金属、塑料等压

工）分子定向

铸、注塑）；液晶定向

3-6试阐明超精亲密削、超精密磨削加工的特点和各自的适应场所。

答：超精亲密削是借助锋利的金刚石刀具对工件进行车削或铳削。重要用于加工规定

低粗糙度和高形状精度的有色金属或非金属零件，如激光或红外的平面，非球面反射镜、

磁盘铝基底、VTR轻轴、有色金属轴套和塑料多面棱镜等，甚至直接加工纳米级表面的硬

脆材料。超精密金刚石刀具镜面车削加工人造卫星仪器轴承一一真空无润滑轴承，其孔和

轴的表面粗糙度R。到达1nm,圆度和圆柱度均为纳米级精度。超精密车削可到达粗糙度

RaO.005Hm和0.1口m日勺半球面形状精度。

超精密磨削：

超精密磨削是运用磨具上尺度均匀性好、近似等高口勺磨过（金刚石砂轮和CBN砂轮）对被

加工零件表面进行摩擦、耕犁及切削的过程。重要用于硬度较高的金属和非金属零件，如

对加工尺寸及形状精度规定很高的伺服阀、空气轴承主轴、陀螺仪超精密轴承、光学玻璃

基片等。超精密磨削可到达%（）.002umH勺表面粗糙度和0.（）1umH勺圆度。

3-7超精密加工时机床设备和环境有何规定？

答：超精密加工时机床设备：

超精密加工机床应具有高精度、高刚度、高加工稳定性和高度自动化的规定，超精密机床

的质量重要取决于机床的主轴部件、床身导轨以及驱动部件等关键部件的质量。

(1)精密主轴部件

精密主轴部件是超精密机床H勺圆度基准，也是保证机床加工精度的关键。主轴规定到

达极高的回转精度，精度范围为().02〜0.1um,此外，主轴还要具有对应H勺刚度，以抵御

受力后的变形。主轴运转过程中产生H勺热量和主轴驱动装置产生H勺热量对机床精度有很大

影响，故必须严格控制温升和热变形。为了获得平稳的J旋转运动，超精密机床主轴广泛采

用空气静压轴承，主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性联轴节驱动的主轴系统。

(2)床身和精密导轨

床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的规

定。目前，超精密机床床身多采用人造花岗岩材料制造。人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树

脂粘结而成，它不仅具有花岗岩材料口勺尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨且不

生锈口勺特点，又可铸导致形，克服了天然花岗岩有吸湿性H勺局限性，并加强了对振动H勺衰

减能力。

超精密机床导轨部件规定有极高的直线运动精度、不能有爬行，导轨偶合面不能有

磨损，因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因

数靠近于零欧I特点，在超精密机床中得到广泛的使用。

(3)微量进给装置

在超精密加工中，规定微量进给装置满足如下的规定：①稍微进给与粗进给分开，以

提高微位移H勺精度、辨别率和稳定性：②运动部分必须是低摩擦和高稳定性，以便实现很

高的反复精度；③末级传动元件必须有很高口勺刚度，即夹固刀具处必须是高刚度口勺；④工

艺性好，轻易制造；⑤应能实现微进给的自动控制，动态性能好。

微晶进给装置有机械或液压传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸

缩式、压电陶瓷式等多种构造形式。

超精密加工时工作环境：

工作环境的任何微小变化都也许影响加工精度的变化，使超精加工达不到精度规定。

因此，超精密加工必须在超稳定的环境下进行。超稳定环境重要是指恒温、超净和防振三

个方面。

超精密加工一般应在多层恒温条件下进行，不仅放置机床的房间应保持恒温，还规定

机床及部件应采用特殊的恒温措施。一般规定加工区温度和室温保持在20±0.06℃日勺范

围内。

超净化环境对超精密加工也很重要，由于环境中硬粒子会严重影响被加工表面日勺质

量。

外界振动对超精密加工H勺精度和粗糙度影响甚大。采用带防振沟时隔振地基和把机床

安装在专用时隔振设备上：都是极有效的防振措施。

3-8在怎样的速度范围下加工属于高速加工？分析高速切削加工所用处理的关键技术。

答：超高速加工是指高于常规切削速度5倍乃至十几倍条件下所进行II勺切削加工。例如在

试验室中，铝合金加工已达6000m/min；而在实际生产中也到达了1500-5500m/min。在试

验室中，磨削中单层镀砂轮磨削速度达300m/s,H前正探索500m/s速度II勺磨削；而实际

生产中也到达了250m/so超高速加工不仅可以大幅度提高零件的加工效率、缩短加工时

间、减少加工成本；并且可以使零件的表面加工质量和加工精度到达更高的水平。

高速切削加工比常规切削加工日勺切削速度高5〜10倍，进给速度随切削速度的提高也可对

应提高5—10倍。

3-9超高速切削的包括哪些有关技术？

答：超高速切削是一种综合性的高新技术，超高速切削技术U勺推广应用是多项有关技

术发展到与之相匹配的程度而产生的综合效应。超高速切削的有关技术包括：超高速切削

中的刀具技术、高速主轴技术、直线滚动导轨和直线驱动技术、高速数控技术、机床构造

等技术。

3-10简述超高速磨削特点及关键技术？

答：超高速磨削技术特点：

(1)大幅度提高磨削效率，设备使用台数少；

(2)磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好；

(3)砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的I自动化;

（4）实现对难加工材料的磨削加工。

超高速磨削关键技术

1.超高速磨削的砂轮

超高速磨削砂轮应具有良好H勺耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好H勺导

热性等。

（1）超高速砂轮日勺材料：超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热

性好、微破碎性好、杂质含量低等长处。超高速磨削砂是可以使用AI203.SiC.CBN和金刚

石磨料。

（2）超高速砂轮的修整：超高速单层电镀砂轮一般不需修整。特殊状况下运用粗磨粒、低

浓度电镀杯形金刚石修整器对个别高点进行微米级修整。

2.超高速主轴和超高速轴承

（1）超高速电主轴技术：超高速磨削重要采用大功率超高速电主轴,高速电主轴惯性

扭矩小，振动噪声小，高速性能好，可缩短加减速时间，但它有诸多技术难点。

（2）超高速轴承技术：高速主轴采用的1轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和

磁悬浮轴承几种形式。

3、超高速磨削的砂轮平衡技术与防护装置：对于超高速砂轮系统不仅进行静平衡，还

必须根据系统及不平衡质量划分平衡阶段，进行分级动平衡以保证在工作转速下的稳定磨

削。

4.磨削液供应系统

超高速磨削常用的冷却液注入措施有：高压喷射法，空气挡板辅助截断气流法，气体

内冷却法，径向射流冲击强化换热法等。为提高供液效果，应对供液系统参数包括供液压

力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴构造及尺寸等进行优化设计，此外系统还需配有高效率

油气分离和吸排风单元。

5.超高速磨削进给系统

伴随高速超高速加工技术的发展，国内外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用

高动态性能H勺直线电机结合数字控制技术，防止了老式H勺滚珠丝杠传动中H勺反向间隙、弹

性变形、磨擦磨损和刚度局限性等缺陷，可获得高精度口勺高速移动并具有极好口勺稳定性。

6.磨削状态检测及数控技术

运用磨削过程中产生的多种声发射源，如砂轮与工件弹性接触、接合剂破裂、磨粒与

工件磨擦、砂轮破碎和磨损、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等，可以通过检

测声发射信号的变化来对磨削状态进行鉴别和监测。此外，工件精度和加工表面质量欧I在

线监控技术也是高效率磨削的关键技术。

3-11简述超高速铳削特点及关键技术？

答：1.超高速铳削的技术特点：

(1)生产效率高，成本低

超高速铳削高硬度钢的金属切除率高、没有手工精加工等耗时的工序，缩短了生产过

程，简化了辅助工作，能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍，月.其能耗低，能源和设备

的运用率高，从而减少了生产成本。

(2)加工精度高

对于同样口勺切削层参数：在超高速铳削条件下，单位切削力明显下降，且其变化幅度

小，使工件口勺受力变形明显减小；同步，由于机床主轴运转速度极高：激振频率远离机

床、工件、刀具工艺系统日勺高阶固有频率：能有效减小系统R勺振动，因此有助于获得高的

加工精度

(3)加工表面质量好

超高速铳削H勺加工过程极为迅速，加工表面H勺受热时间极短，95298%以上的切削热被

切屑带走，传入工件的切削热大为减少，切削温度低，热影响区和热影响程度都较小：有

助于获得低损伤的加工表面；同步，由于超高速铳削时切削振动对加工质量的影响很小，

因而能明显减少加工表面粗糙度，表面粗糙度Ra值可到达0.lumo

（4）适于加工薄壁类精细零件

与常规切削相比，超高速铳削加工时的切削力至少减少30%,尤其是径向切削力明显

减少，非常有助于薄壁类精细零件口勺加工。例如，当切削速度到达13000r/min时，可以

铳削壁厚仅0.0165日勺薄壁零件。

2.超高速铳削日勺关键技术

超高速铳削刀具几何角度：超高速铳削高硬度钢时，刀具日勺重要失效形式为刀尖破损，

设计时应着重考虑提高刀尖的抗冲击强度。一般采用较小H勺前角（零度或负角度前角）。

增大后角可减少刀具的磨损，但后角过大会影响刀具的强度和散热条件，故也不适宜过

大。较大的螺旋角可增大实际工作前角，减小被切金属H勺变形，减少切削力，还可大大减

少切削力的振幅，减小振动加速度，从而改善加工表面质量。

超高速铳削刀具材料：有整体硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、硬质合金和立方氮化

硼等。

3-12特种加工技术的特点及应用领域。

特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能以及特殊机械

能等多种能量或其复合施加在工件的被加工部位上以实现材料切除的加工措施，从而实现

材料被清除、变形、变化性能或被镀覆等的非老式加工措施统称为特种加工。与老式机械

加工措施相比具有许多独到之处：

1）在加工范围上不受材料的物理、机械性能限制。能加工硬的、软的、脆代I、耐热或

高熔点金属及非金属材料：

2）易获得良好口勺表面质量，残存应力、热应力、热影响区、冷作硬化等均比较小；

3）易于加工比较复杂的型面、微细表面及柔性零件；

4）多种加工措施易于复合形成新的工艺措施，便于推广和应用。

特种加工技术所包括的范围非常广，伴随科学技术的发展，特种加工技术的内容也不

停丰富。H前多种特种加工措施已达数十种，其中也包牯某些借助机械能切除材料，但又

不一样于一般切削和磨削的加工措施，如磨粒流加工、液体喷射流加工、磨粒喷射加工、

磁磨粒加工等等。除了借助于化学能或机械能的加工措施以外，大多数常用的特种加工措

施均为直接运用电能或电能所产生的特殊作用所进行的加T措施，一般将这些措施统称为

电加工。

3-13电火花加工日勺原理与应用。

电火花加工（又称放电加工、电蚀加工，简称EDM）是一种运用脉冲放电对导电材料

电蚀来清除多出材料的工艺措施。

1.加工原理

电火花加工口勺原理示意图如图3-2（）所示。加工时，将工具与工件置于具有一定绝缘强

度的液体介质中，并分别与脉冲电源日勺正、负极相连接。调整装置控制工具电极，保证工

具与工件间维持正常加工所需R勺很小放电间隙。当两极之间的电场强度增长到足够大时，

两极间近来点的液体介质被击穿，产生短时间、高能量口勺火花放电，放电区域日勺温度瞬时

可达10000C以上，金属被熔化或气化。灼热H勺金属蒸汽具有很大的压力，引起剧烈的爆

炸，而将熔融的金属抛出，金属微粒被液体介质冷却并迅速从间隙中冲走，工件与工具表

面形成一种小凹坑（图3-20（b、c））o第一种脉冲放电结束之后，通过很短的间隔时间,

第一脉冲又在另一极间近来点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不停

地向工件进给，得到由无数小凹坑构成MJ加工表面，工具口勺形状最终被复制在工件上。

进行电火花加工必须具有下列三个条件：

①必须采用脉冲电源，以形成瞬时H勺脉冲式放电。每次放电时间极短，使放电产生日勺

热量来不及传播出去，而集中于微小区域。

②必须采用自动进给调整装置，保证工具电极与工件电极间微小的放电间隙（0.01〜

0.05mm）,以维持合适的火花放电状态。

③火花放电必须具有足够大的能量密度，且必须在具有一定的绝缘强度的液体介质（工

作液）中进行。大H勺能量密度用以熔化（或气化）工件材料，液体介质除对放电通道有压

缩作用外，还可排除电蚀产物，冷却电极表面。常用的液体介质有煤油、矿物油、皂化液

或去离子水等。

2.电火花加工时应用

（1）电火花穿孔

穿孔加工是指贯穿的二维型孔附加工，是电火花加工中应用最广口勺一种，常加工日勺

型孔有圆孔、方孔、多边形孔、异形孔、曲线孔及小孔、微孔等，例如冷冲模、拉丝模、

挤压模、喷嘴、喷丝头上的多种型孔和小孔。穿孔的I尺寸精度重要靠工具电极的尺、J•和火

花放电的间隙来保证。

（2）电火花型腔加工

电火花型腔加工指三维型腔和型面的加工及电火花雕刻。例如加工锻模、压铸模、挤

压模、胶木模、塑料模等，

型腔加工比较困难，首先是由于均是盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环和电蚀产物

排除条件差，工具电极损耗后无法靠进给赔偿；另一方面是加工面积变化大，加工过程中

电规准调整范围较大，并由于型腔复杂，电极损耗不均匀，对加工精度影响很大，因此型

腔加工生产率低，质量保证有一定困难。

（3）电火花线切割加工

电火花线切割加工简称线切割加工，它是运用一根运动11勺细金属丝（60.02〜60.3

mmH勺铝丝或铜丝）作工具电极，在工件与金属丝间通以脉冲电流，匏火花放电对工件进行

切割加工。其工作原理是，工件上预先打好穿丝孔，电极丝穿过该孔后，经导向轮由储丝

简带动作正、反向交替移动；放置工件的工作台按预定的控制程序，在X、Y两个坐标方向

上作伺服进给移动，把工件切割成形。加工时，需在电极丝和工件间不停浇注工作液。

电火花加工尚有其他许多方式的应用。如用电火花磨削，可磨削加工精密小孔、深

孔、薄壁孔及硬质合金小模数滚刀、成形铳刀的背面；用电火花共挽回转加工可加工精密

内、外螺纹环规，内锥螺纹，精密内、外齿轮等；此外尚有电火花表面强化和刻字加工

等。

3-14电解加工口勺应用有哪些？

电解加工首先在国防工业中应用于加工炮管膛线。目前已成功地应用于叶片型面、模具

型腔与花键、深孔、异型孔及复杂零件的薄壁构造等加工；用于电解刻印、电解倒棱去毛

刺时，加工效率高、费用低；用电解抛光不仅效率比机械抛光高，并且抛光后表面耐腐蚀

性好。此外电解加工与机械加工结合能形成多种复合加工，如电解磨削、电解斩磨、电解

研磨等。

（1）电解整体叶轮

采用电解加工的措施，不受材料硬度和韧性的限制，在一次行程中可加工出具有复杂

叶型面的J整体叶轮，比切削加工有明显的优越性。电解加工整体叶轮前，先加工好整体叶

轮的毛坯，然后用套料法加叶片。每加工完一种叶片，退出阴极（工具），分度后再依次

加工下一种口I♦片。这样不仅处理了刀具磨损问题，缩短了加工周期，并且可保证叶轮的整

体强度和质量。

（2）深孔扩孔加工

深孔扩孔电解加工时，常采用移动式阴极。将待扩孔的工件用夹具固定，工件接电源

正极，移动工具接电源负极。工具（阴极）由接头、密封圈、前引导、出水孔、阴极主体

及后引导等部分构成。

（3）电解去毛刺

电解去毛刺是电解加二技术应用的又一种方面。图3-28为电解去小孔毛刺的原理图，

它以工件为阳极，工具电极为阴极。电解液流过工件上的毛刺与工具阴极之间的狭小间隙

（0.3-1mm）时，在直流电压的作用下，工件的尖角、棱边处的电流密度最大，使毛刺迅

速被溶解清除，棱边也可获得倒圆。工件上H勺其他部分有绝缘层屏蔽保护，不会山于电解

作用而破坏原有精度。

（4）电解磨削

电解磨削是靠阳极金属的电化学溶解（占95%〜98%）和机械磨削作用（占2%〜5，）相

结合的复合加工措施。

电解磨削克服了电解加工精度不高口勺弱点，集中了电解加工和机械磨削口勺长处。其加

工精度平均为0.02mm,最高可达