内科大金属工艺学问答题与解答：先进制造技术问答

PAGEPAGE1先进机械加工技术问答微型机械加工技术概念微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是只可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。其主要特点有：体积小（特征尺寸范围为：1μm-10mm）、重量轻、耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；惯性小、谐振频率高、响应时间短；集约高技术成果，附加值高。微型机械的目的不仅仅在于缩小尺寸和体积，其目标更在于通过微型化、集成化、来搜索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展早是与大规模集成电路密切相关的，集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术标志，微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺，上世纪八十年代中期以后在LIGA加工（微型铸模电镀工艺）、准LIGA加工，超微细加工、微细电火花加工（EDM）、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造（RPM）以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。微型机械系统可以完成大型机电系统所不能完成的任务。微型机械与电子技术紧密结合，将使种类繁多的微型器件问世，这些微器件采用大批量集成制造，价格低廉，将广泛地应用于人类生活众多领域。可以预料，在本世纪内，微型机械将逐步从实验室走向适用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。微细机械加工技术是微型机械技术领域的一个非常重要而又非常活跃的技术领域，其发展不仅可带动许多相关学科的发展，更是与国家科技发展、经济和国防建设息息相关。微型机械加工技术的发展有着巨大的产业化应用前景。微型机械加工技术国内现状我国在科技部、国家自然基金委，教育部和总装备部的资助下，一直在跟踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件，微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中。已有近40个研究小组，取得了以下一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围为10μm×10μm；位移分辨率为0.01μm，精度为0.1μm，正在研制6自由度微型机器人；长春光学精密机器研究所研制出直径为Φ3mm的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出Φ2mm的电磁电机，南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。我国有很多机构对多种微型机械加工的方法开展了相应的研究，已奠定了一定的加工基础，能进行硅平面加工和体硅加工、LIGA加工、微细电火花加工及立体光刻造型法加工等。微型机械加工技术的国外发展现状1959年，RichardPFeynman（1965年诺贝尔物理奖获得者）就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，气候开发出尺寸为50～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、Stanford\AT&T和的15名科学家在上世纪八十年代末提出"小机器、大机遇：关于新兴领域--微动力学的报告"的国家建议书，声称"由于微动力学（微系统）在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面"，建议中央财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制"发现号微型卫星"，美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的《美国国防部技术计划》报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心（BSAC）得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。

日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于1990～1993年拨款4万马克支持"微系统计划"研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的"微系统与技术"项目。欧共体组成"多功能微系统研究网络NEXUS"，联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl/min能开动的汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合（MIMU）。德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器（机械部分）和集成电路（电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等）一起集成在硅片上3mm×3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5μm的微细轴。什么是“虚拟制造”（VirtualManufacturing）“虚拟制造”（VirtualManufacturing）也是新近产生的一个概念，其定义可以综合概括如下：虚拟制造是以虚拟现实技术为基础的、一种集成的综合制造环境，用于加强一个企业各层次的决策与管理。虚拟设计（VirtualDesign）及其应用虚拟设计（VirtualDesign）是以“虚拟现实”技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。借助这样的设计手段设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。虚拟设计技术充分地利用了模拟仿真技术，但它又不同于一般的模拟仿真技术，它具有虚拟现实的特征，如：自主性、交互性、沉浸感等。产品的设计和开发首先是满足市场竞争的需要。当今顾客对产品的要求越来越高，要求真正得到高性能、高附加值、能体现个性的产品，并要求高质量的售后服务等等。以往的大批量生产已经难以满足人们对商品规格多样化日益增长的需要，取而代之的将是小批量多规格的生产。为了解决这个矛盾，人们开始考虑在同一生产线上生产装配不同规格的产品，这无疑要求设计和制造技术应具有更高的灵活性。传统的设计手段已难以满足这样的要求，于是人们开始寻求新技术的支持。多媒体技术的崛起和各种传感技术的高速发展极大地推动了虚拟现实技术的迅速成熟，市场上支持虚拟现实技术的软硬件越来越多。这种技术已经在许多行业找到了应用的领域，并已被用于产品设计之中。虚拟现实技术和产品设计的结合不仅可以帮助人们进行图形处理。强度计算等繁琐的工作，又可帮助设计人员进行创新设计。因此可以说这样的设计手段对缩短产品的开发设计周期具有非常重要的意义，另外，它可以把设计人员从键盘和鼠标上解脱下来，和设计对象进行更自然、更直观的交互。这样的系统便于操作，适合于具有不同专业背景的人员参与设计。再加上直观逼真的反馈（如三维立体图像、三维环绕声响和精细的触觉反馈）信息，可以使产品的最终用户参与设计这样有利于满足用户的各种消费心愿。由于计算机辅助设计技术发展得较早，人们已经积累了不少的经验和数据，所以虚拟设计技术应充分地利用计算机辅助设计已获得的这些宝贵财富。另外，虚拟设计系统比现行的CAD系统具有更强的人机交互能力，设计人员可以通过视觉、听觉、触觉及语音、手势等与设计的对象在虚拟的环境中进行自然地、直观的交互。由此可见，这项技术使得计算机在产品的辅助设计方面向前推进了一步，使计算机辅助设计的工作范围从规范性工作向创造性工作迈进。虚拟现实技术的概念近年来，虚拟现实（VirtualReality）技术被越来越多地应用于科学研究，已逐渐被认为是重要的科学探索工具。利用这项技术，在新产品、新计划或新概念还远没有成为现实之前，人们就能够以较为现实的方式对其进行观察和探索。从这个意义上讲，虚拟现实技术是一种非常独特的技术，很难有别的技术可以取而代之。虚拟设计正是这项技术在机械产品设计方面的一个应用。虚拟现实技术是人的想象力和电子学等相结合而产生的一项综合技术，它利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊环境，用户可以通过各种传感系统与这种环境进行自然交互，从而体验比现实世界更加丰富的感受。CAD技术今后进行重点研究的几方面根据当今计算机硬件及软件的发展状况。预计CAD技术今后将在以下几方面进行重点研究，并将取得进展。（1）CAD技术的智能化将领域专家的知识与经验，运用人工智能技术，归纳成一些规则，形成知识库。再利用推理机制，进行推理及判断，最终应用计算机处理后，获得具有专家水平的设计结果。“专家系统”是一种计算机程序，且是一种能够在专家水平上工作的计算机程序。“专家系统”具有领域专家的知识和能力。因此，专家系统能够在特定的领域和范围内，为解决复杂问题进行“知识”服务，即运用领域专家的专门知识和推理能力，解决在通常情况下难以处理的问题。（2）实体造型与仿真实体造型是用基本体素组合，并通过集合运算和变形操作来建立三维形体的建模方法。它不仅可静态造型，还可进行动态造型。不仅能准确地表达三维物体的形状，还可通过彩色、光照、浓淡处理来增强显示物体的真实感；不仅能对所建立的模型提供几何信息，还能提供物体的体积、质量、加工要求等非几何信息。计算机仿真就是在计算机上建立一个工程设计的实际系统（如机构、机器、机械手、机器人等）的计算机模型，并通过运行仿真软件代替实际系统的运行，以便对设计结果进行试验和考核。仿真的内容十分广泛，设计阶段的仿真有应力分析、振动分析、机构动态分析等。制造阶段的仿真有数控仿真、机器人仿真、搬运仿真、测试仿真、加工刀具轨迹仿真等。仿真与三维实体造型关系十分密切，它的发展将依赖于实体造型与计算机图形学的发展。（3）CAD系统的集成化CAD系统的集成化是当前CAD技术发展的另一个重要方面。集成化形式之一，是将CAD与CAM集成为一个CAD／CAM系统。在这样的系统中，设计师可利用计算机，经过运动分析、动力分析、应力分析、确定零、部件的合理结构形状，自动生成工程图样文件，存放在数据库中。再由CAD／CAM系统，对数据库中的图形数据文件，转换后记录在各种存储介质上，直接用它控制计算机数控机床（CNC）去加工制造，形成所谓的“无图生产”。随着CAD技术的发展和日趋完善，以及CAD系统的普及和应用，可以预料，计算机辅助设计系统必将成为设计工作中不可缺少的手段，计算机辅助设计方法也将成为从事设计工作的工程技术人员必须掌握的基本技能。图10-2为用CAD建立的减速机三维数字化模型什么是CAPP工艺规程设计是一种需要大量时间和经验的工作，随着产品制造中采用了计算机辅助设计(ACD)和计算机辅助制造(CAM)，作为连接产品设计和制造的中间环节，工艺过程的设计也必须实现自动化才能与之相适应，计算机技术的发展为在工艺领域中实现工艺设计自动化提供了可能，而成组技术的实施为工艺设计自动化奠定了技术基础。通过向计算机输入被加工零件的原始数据、加工条件和加工要求，由计算机自动进行编码，编程直至最后输出经过优化的工艺规程卡片的过程，称为计算机辅助工艺规程设计(CAPP)。采用计算机辅助工艺规程设计不仅能减轻工艺人员的重复劳动并显著提高工艺设计的效率，而且将更可靠和更有效地保证了同类零件工艺上的一致性，所以CAPP在国内外正引起越来越多的重视和研究，一些先进实用的系统在技术发达的国家中已得到广泛的应用，并取得了很好的效果。CAPP最初的低级形式仅是用于工艺规程的检索和管理，即利用计算机来存取己有的单独工艺，需要时计算查询和检索。在成组技术的基础上，CAPP逐步发展成能通过修改编辑功能而在己有的标准工艺过程基础上生成新的零件的工艺过程。目前，世界各国又在致力于开发新的工艺设计系统，这种系统能直接输入零件图形和加工要求，通过系统的逻辑判断功能，自动地直接生成零件的工艺过程。按照CAPP的基本原理和方法，可分为两种:修订式(派生式)和创成式。创成式CAPP系统创成式是另一种类型的CAPP系统。它直接根据输入的图形信息和加工信息，生成新的工艺规程。这种方法的主要特点是计算机中并没有预先存入“标准工艺规程”，而是存储了大量的各种各样的逻辑原则和决策方法，当系统输入零件图形后，计算机分析其几何要素并进行逻辑判断和决策，生成新的工艺规程，并使其优化。从理论上讲，创成式工艺规程设计系统是一个完备的高级的系统，它拥有工艺设计所需要的全部信息，在其软件中包含着全部决策逻辑，因此使用方便，无需准备阶段。但是因为工艺过程涉及的因素较多，开发完全自动生成工艺过程的创成式系统还存在许多技术上的困难，目前大多处于研究阶段。许多CAPP系统采用以修订式为主创成式为辅的半创成式，如工序设计用修订式，而工步设计用创成法，两种方法相结合在使用中取得了较好的效果。修订式(派生式)CAPP系统1．修订式CAPP系统的基本概念修订式工艺规程设计系统利用零件相似性来检索现有工艺规程。能被一个零件族使用的工艺规程称为标准工艺规程。一个标准工艺规程是以它的族号作为关键字而永久地存储在数据库中。它能包括的细节是没有限制的，但是它至少必须包括一系列的制造步骤或工序。当检索到一个工艺规程时，通常需要一定程度的修订，以便把它用到一个新零件上。修订式系统的检索方法及逻辑基础是划分零件为零件族。这样就可以对每一种零件族确定出通用的制造方法，而这种通用的制造方法都表示成标准工艺规程。标准工艺规程检索的机理是以零件族为基础的，一个零件族可用一个零件族矩阵表示，这个矩阵则包括所有可能的元素。后面将讨论这种零件族矩阵的结构。2．零件族的建立与特征矩阵在一个工艺规程设计系统中，零件族的形成是以产品零件的制造特征为基础的。把需要相似工艺过程的那些零件归并成同一个零件族。对于工艺规程设计，形成零件族的通用规则是：在一个零件族中，所有的零件必须要求相似的工艺规程。这样整个零件族才可以共有一个标准的工艺规程。零件族的建立是根据成组技术原理进行的。如前所述零件族(组)的划分方法有视检法、生产流程法和分类编码法三种。下面介绍分类编码法。利用成组技术中所述的特征码位法和码域法已可以为零件划分零件族，但为了便于应用计算机进行存储和检索，通常还需用“特征矩阵”来描述零件或零件族的特征。采用特征矩阵法对零件进行分组的原理是依据每个零件的代码均可用矩阵来表示。如代码为130213411的零件可用图10一12所示的矩阵来表示；而一个矩阵可表示一个零件族。如图10-13所示。

零件族的矩阵，亦即码域，是表示含有一定范围的零件特征的矩阵。根据分组要求，可以确定若干个特征代码矩阵，作为划分零件组的依据。为了将特征矩阵转变为计算机容易识别的形式，可将特征矩阵的每一列作为一个数来处理，如图10-18所示之特征矩阵，第一列可记为1100000000，第二列可记为1111100000，……，由此类推，这个特征矩阵就变为九个十位数。每个特征矩阵都可用这样一组数据来表示，并以文件形式存储在计算机中。称之为特征矩阵文件。分组时，将零件代码与特征矩阵进行比较，如果与零件代码各个位的数值相对应的矩阵位置上均为l，则认为该零件与此矩阵匹配，该零件就分入这个组;如果在与零件代码相对应对的矩阵位置上不是l，而是0，则认为该零件与此矩阵不匹配，该零件就不能分入这个组。对零件分族(组)和检索零件族就是以这一原理为基础的。为了适应计算机的运行，标准工艺规程的内容(如工序、工步内容、机床、工具名称等)均需一定的代码。因此，存入计算机的标准工艺实际就是各种工艺代码的有序集合。至此，我们已有了零件族矩阵，各种工序代码以及它们合理的有序组合亦即标准工艺规程。下一步就是按计算机能解释的方法将它们存储起来，以便以后将这些信息用于新的零件。3．数据库结构实际应用的修订式工艺规程设计系统，所需要的信息量是相当大的，它要检索成千上万的零件及工艺规程。所以修订式系统中的数据库起着重要作用。数据库是一组互相参照的数据文件，它包括应用中需要的所有信息，同时也可由几种不同的程序各为其具体的应用存取数据。有三种方法可以用来建立数据库，层次式、网格式、关系式。这是简单介绍采用层次式来建立数据库。在这类数据库中，每个零件族均按其族号寻找零件族矩阵。零件族名和族矩阵均作为记录被存储在数据库中。标准工艺规程与每一个零件族相联系，族矩阵用一个指针连接下一个文件中的位置。标准工艺规程是由一组工序代码表示的，每一个工序代码都有一系列具体操作存储在下一级。每一级的数据都存储在一种数据文件中，所以这种修订式系统的数据库需要三种类型的数据文件：零件族矩阵文件；标准工艺规程文件；工序代号文件。工序代码文件与标准工艺规程文件相似，只是它具有与标准工艺规程文件相连接的指针。因为标准工艺规程文件的记录和工序代码文件的记录有“一对N”的关系，所以，在工序代码文件中保持“指出来源的指针”是很必要的。这种结构使文件更容易维护。4．搜索过程修订式系统的本质是为相似零件检索标准工艺规程。标准工艺规程是按零件族建立的，所以要对标准工艺规程检索，首先要检索该零件所属的零件族，也就是零件族矩阵，确定要编工艺的零件属于哪一个零件族。对零件族矩阵的搜索可以看作是零件族与给定的零件代码相匹配的过程。零件族矩阵可以看作是一个筛子，矩阵元素为1的地方就像是筛孔，如果一个零件的代码全能通过筛孔，这个零件就属于这个零件族。搜索的结果是检索到一组工序代码表示的标准工艺规程。这个标准工艺规程在使用前常需作某些修改。工序的具体操作也可以被检索出来，并取代标准工艺规程中的工序代码，最终的工艺规程还需作一些人工修改。5．工艺规程编辑及参数选择在工艺规程发到车间之前，需要对标准工艺规程进行某些修改，同时必须把加工参数加入到这个工艺规程中去。工艺规程的编辑有两种含义：一是数据库中对标准工艺规程进行编辑；另一个是对某个零件的工艺规程的编辑。编辑标准工艺规程，意味着对存储起来的这个为标准工艺规程影响到这个零件族中的所有零件。编辑某个零件的工艺规程，是一个临时性的改变，对零件族中的其它零件没有影响。在编辑过程中，需要修改标准工艺规程，以适应某一零件的特殊要求。可能要删除一些工序，也可能要增加一些工序。在这个阶段通常使用一个文本编辑程序。一个完整的工艺规程不仅包括工序，而且也包括加工参数。加工参数可在加工参数文件中查出，也可以利用优化技术计算得出。第一种方法较简单，因此修订式系统申都有加工参数文件。加工参数文件根据存储方式不同可分为:①循环存取文件，即数据按顺序存取或从软盘上按顺序连续读出数据。②随机存取文件，即把文件分成若干个记录，从零号开始编号，把它们存放在磁盘中的一个指定区域，每个记录都有相应的存放位置，只要告诉计算机文件名和记录号，就可随意存取某一记录。顺序存取方式比较简单，不必关心哪个记录存放什么内容，从头开始，逐个按顺序存放；随机存取方式，虽然存时比较麻烦，要编记录号，但以后调用和修改时比较方便，而且速度快。CAM的基本概念计算机辅助制造（ConputerAidedManufacturing）是指利用计算机系统，通过计算机与生产设备直接的或间接的联系，进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。关于CAM的概念，有两种理解，一种是狭义的CAM，指数控自动编程（NCP）,包括NC代码生成、与数控机床数控装置的软件接口等。另一种是广义的CAM，除自动编程外，还包括工艺过程设计（CAPP）、制造过程仿真（MPS）。自动化装配（FA）、车间生产计划控制（SFC，shop－FloorControl），制造过程检测与故障诊断等，凡涉及到零件加工与检验，产品装配与检验的环节都属于广义CAM的范畴。CAM技术的发展大致分为三个阶段：上世纪60年代CAM以大型机为基础，价格昂贵；70年代CAM系统以小型机为主机，使CAM技术得到了较为成熟的发展；80年代以工作站为基础的CAM系统功能越来越强；近年来，由于PC机性能价格比大幅度提高，特别是奔腾机出现以后，以PC机为主机的CAM系统成为CAM系统的主流趋势。CAM技术的未来发展趋势是集成化、智能化和网络化。CAE的基本概念计算机辅助工程分析（ConputerAidedEngineering,CAE）技术，是指在零件或整机的数字化特征建模完成之后，运用有限元及边界元等数值分析方法，对零件或整机对其未来的工作状态和运行行为进行结构、动力、运动及各种物理场耦合等一系列分析、模拟的计算机辅助分析方法,其目的是及早发现设计缺陷、优化结构并证实未来的产品功能和性能的可用性和可靠性。它与CAD和CAM技术构成了当今计算机技术在机械设计及制造领域最重要的三大支撑技术。传统的机电产品开发是在产品零件的设计过程中，运用传统的材料力学、机械零件设计或类比的方法对一些重要零件进行强度校核，往往只注重于单个零件和力的作用。但在现实生产中，需要对产品进行复杂工况下全局的分析及优化。许多机电产品往往工作在一些复杂的物理环境中，如高温、磁场、流场等。对零部件强度、寿命的影响已不仅仅是力的作用，而是热、力、磁、流体等的耦合作用。而制作零件的材料在高温、强磁作用下，其物理、力学性能将发生巨大的变化。因此，CAE技术的研究和应用应该是机械、力学（包括计算力学、固体力学、流体力学）、传热学、电磁学和材料学等学科的交叉和结合。CAD的基本概念计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）是从上世纪50年代开始，随着计算机技术及其外围设备的发展而形成的一门新技术。如今，CAD技术已广泛应用于电子、机械、航空、汽车、建筑以及环境工程等领域。传统的产品设计是多次“设计——评价——再设计（修改）”的反复过程，它是以满足社会客观需求及提高社会生产力为目标的一种创造性劳动。设计工作是新产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平，直接关系到产品质量、性能、研制周期和技术经济效益。因此，在商品竞争剧烈的市场经济条件下，使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化是十分必要的。应用计算机辅助设计就是实现设计现代化的重要途径之一。计算机辅助设计是指应用计算机系统，协助工程技术人员完成产品设计过程中各阶段的工作。在方案设计及技术设计阶段，CAD应用尤为广泛。在计算机辅助设计工作中，计算机的任务实质上是进行大量的信息加工、管理和交换。也就是在设计人员初步构思、判断、决策的基础上，由计算机对数据库中大量设计资料进行检索，根据设计要求进行计算、分析及优化，将初步设计结果显示在图形显示器上，以人机交互方式反复加以修改。经设计人员确认之后，在自动绘图机及打印机上输出设计结果。特种加工的发展趋势1.按照系统工程的观点，加大对待特种加工的基本原理、加工机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度。同时，充分融合以现代电子技术、计算机技术、信息技术和精密制造技术为基础的高新技术，使加工设备向自动化、柔性化方向发展。2.从实际出发，大力开发特种加工领域中的新方法，包括微细加工和复合加工，尤其是质量高、效率高、经济型的复合加工，并与适宜的制造模式相匹配，以充分发挥其特点。3.污染问题是影响和限制有些特种加工应用、发展的严重障碍，必须化大力气利用废气、费液、废渣，向"绿色"加工的方向发展。可以预见，随着科学技术和现代工业的发展，特种加工必将不断完善和迅速发展，反过来又必将推动科学技术和现代工业的发展，并发挥愈来愈重要的作用。轴类车削步骤的选择零件和车刀装夹好以后，切削用量已大致选定。接下来就要进行车削。拿到图纸从哪一端开始车削呢？这是一个很重要的工作。你可能零件和车刀安装的很正确，切削用量也选的不错。但是如果车削步骤选得不好，同样会出废品。

为了正确选择轴类零件车削步骤：首先要了解选择原则：

1.零件根据数量和精度要求的不同，机床条件差异，可用两种不同加工原则：即工序集中和工序分散原则.

工序集中＝把第一个零件全部车好后，再车第二，第三个………

工序分散＝先车好全部零件的同一个表面，然后再车全部零件的第二，第三……..个表面。

大体说来:当零件批量较小，或只有几个中工表面互相位置精度要求较高，车床精度又较高时，也可采用集中原则。反之，采用工序分散原则。

2.车削零件时：一般总是分粗车。半粗车。精车三个阶段。为什么要这样做呢？理由如下：1）粗车时，由于吃刀深度和进刀量，所产生分削力也大，因此必须把工夹紧。这样会把工件夹毛。夹变形。

如果马零件一个表面全部车好，哪么粗车另一头时，已精车表面在卡盘中夹毛表面。

2）粗车时产生大量热，影响零件尺寸精度。当精车，粗车，分开后，使零件在精车前有冷却机会。3）任何工件毛坯中，都存有内应力当表面车去一层后，内应力重新分布而使零件发生变形。粗车零件变形大。（吃刀深）精车：在精度高机床上进行。

5）由于精车放在最后，可以避免光洁的工年表面，在多次装夹中碰伤，划伤，造成退修，浪费工时。

6）精车，精车分开，可以及时发现毛坯缺陷更换毛坯，那么前面一切工作都是白费。

上述这几点都说明零件粗.精车应分末的必要性。

3.对于精度要求高的零件，为了消除内应力，粗车后要经过调质和正火处理。（由1.5－2.5毫米余量）

4.如果零件车削后，还要经过磨削，哪么粗车，不再精车了。粗车后由有适当余量。

5.车削阶台轴时：一般是车削直径较大一端。这样可以保证轴在车削过程中刚度。

6.在轴上切槽时，一般是在：粗车和半精车以后，精车之前。如果零件钢性，精度要求不高，也可在精车后进行。这样深度就容易控制。

7.轴上的螺纹一般是放在半精车以后车削。如果轴的钢性不太好，螺纹也可放在最后车削。如何判别轴的精度高低根据轴的精度高低。必须从下面几个项目来看：

1.尺寸精度―――――指直径和长度。

2几何形状精度――――指椭圆度，锥度，棱形度，鼓形度，弯曲度。

3.相互位置精度――――径向跳动和不垂直度。

4.粗糙度――――一般车床上能达到R3.2－R1.6

对于一般轴类零件：以尺寸精度和光洁度为主。至于要达到几项要求，这要根据加工图纸上的规定要求来确定。轴类零件上退刀槽、倒角、圆弧的作用轴由圆柱面，端面沟槽组成。另外还倒角，圆弧。

1.沟槽：沟槽又叫退刀槽，它是作用是使轴颈加工简便。容易、达到要求，能使装配简单可可靠。

2.倒角：作用是防止工件边缘锋口划伤人。此外，装配容易，一般在加工结束之前进行。倒角大小根据工件直径同有所区别。

3.圆弧：园弧作用是增加轴的强度。使轴在受外变力的作用下不致群裂。此外，在淬火过程中不致引起裂缝。但在加工时，应注意圆弧光洁度（粗糙度）一般圆弧是在精加工时车削的。什么是花盘，用花盘安装工件简介花盘是安装在车床主轴上的一个大圆盘，其端面有许多长槽，用以穿放螺拴，压紧工件。花盘的端面需平整，且应与主轴中心线垂直。

花盘安装适于不能用卡盘装夹的形状不规则或大而薄的工件。当零件上需加工的平面相对于安装平面有平行度要求或加工的孔和外圆的轴线相对于安装平面有垂直度要求时，则可以把工件用压板、螺栓安装在花盘上加工。当零件上需加工的平面相对于安装平面有垂直度要求或需加工的孔和外圆的轴线相对于安装平面有平行度要求时，则可以用花盘、角铁（弯板）安装工件。角铁要有一定的刚度，用于贴靠花盘及安放工件的两个平面，应有较高的垂直度。图用花盘装夹工件当使用花盘安装工件时，往往重心偏向一边，因此需要在另一边安装平衡块，以减小旋转时的离心力，并且主轴的转速应选得低一些。四爪卡盘简介及用四爪卡盘安装工件的视频四爪卡盘的结构见直观教具。四爪卡盘有四个互不相关的卡爪，各卡爪的背面有一半瓣内螺纹与一螺杆相啮合。螺杆端部有一方孔，当用卡盘扳手转动某一螺杆时，相应的卡爪即可移动。如将卡爪调转180°安装，即成反爪。图四爪卡盘

四爪卡盘由于四个卡爪均可独立移动，因此可安装截面为方形、长方形、椭圆以及其它不规则形状的工件。同时，四爪卡盘比三爪卡盘的夹紧力大，所以常用来安装较大的圆形工件。由于四爪卡盘的四个卡爪是独立移动的，在安装工件时须进行仔细的找正工件，一般用划针盘按工件内外圆表面或预先划出的加工线找正，其定位精度较低，为0.2～0.5mm。用百分表按工件精加工表面找正，其定位精度可达0.02～0.01mm。三爪卡盘简介及用三爪卡盘安装工件的视频

图三爪卡盘三爪卡盘是车床上应用最广的通用夹具，适合于安装短圆棒料或盘类（直径较大的盘状工件中，可用反三爪夹持）工件，它的结构见示范教具。当转动小伞齿轮时，大锥齿轮便转动，它背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中心靠近或退出，以夹紧不同直径的工件。三爪卡盘装夹方便能自动定心，但其定心准确度不高，约为0.05～0.15mm。工件上同轴度要求较高的表面应在一次装夹中车出。什么是DSPC（DirectShellProductionCasting）工艺——直接制壳生产铸件的工艺DSPC工艺与迄今所描述的制壳工艺有本质上的不同，它允许在计算机屏幕上进行零件设计直到浇注铸造模拟。它直接利用CAD数据自动制造陶瓷型壳，而无需模具和压型，使熔模铸造省去了制压型、压蜡模及涂料等繁杂的工序，大大缩短了熔模铸件的生产周期。DSPC将铸造和计算机数控（CNC（ComputerNumericalControl））的优点综合于金属零件的制造工艺中，是一种很有生命力的RPT新工艺。DSPC的工作原理如下：（图10-14所示为DSPC工艺原理示意图）DSPC主要由两大部分组成，即型壳设计部分SDU和型壳制造部分SPU。SDU将所制零件的CAD模样转换为型壳的数字化模样，并显示在屏幕上。当确定好每个型壳上零件的数量、型壳壁厚以及收缩率、浇注系统等铸造参数后,计算机就能很快显示出所制铸件型壳的几何形状，并进行铸造工艺的模拟。然后将有关数据传输给SPU，并控制其工作。SPU包括一个用来盛铝矾土陶瓷粉末的料箱。计算机根据SDU的数据，精确控制料箱的上下移动和印刷头的运动轨迹。印刷头以光栅形式运动。当印刷头在料箱中的耐火材料粉末表面掠过时，按计算机的指令会“喷”出粘结剂。有粘结剂的区域内的耐火材料粉末粘结在一起，形成型壳的一个截面，然后喷头再喷出一层粉末，这样从底部开始，一层一层进行，最后就制成了具有整体芯的型壳。未被粘结的耐火材料粉末可以对以后的粘结展起支撑作用。然后型壳经焙烧，回收未粘结的粉末，就可以浇注金属液了。什么是LOM（LaminatedObjectManufacturing）工艺——分层叠纸制造成型工艺LOM工艺的基本原理是：首先将需进行快速成型的产品的三维图形输入计算机的成型系统，用切片软件对该三维图形进行切片处理，得到沿产品高度方向上的一系列横截面轮廓线。单面涂有热熔胶的纸卷套在纸辊上，并跨过支承辊缠绕到收纸辊上。步进电机带动收纸辊转动，使纸卷沿图中箭头方向移动一定的距离。工作台上升至与纸接触，热压辊沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与基底上的前一层纸粘合。CO2激光器发射的激光束经反射镜和聚焦镜等组成的光路系统到达光学切割头，激光束跟踪零件的二维横截面轮廓数据，进行切割，并将轮廓外的废纸余料切割出方形小格，以便成型过程完成后易于剥离余料。每切割完一个截面，工作台连同被切出的轮廓层自动下降至一定高度，然后步电机再次驱动收纸辊将纸移到第二个需要切割的截面，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面粘叠的立体纸模样。然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。零件的几何模型加工完之后，不属于工件的区域就被分离出去了，零件模型的表面还应根据要求用手工进行后处理。分层实体制造法可以用厚度在0.05～0.5mm之间的纸箔作为原材料，所得到的模型的尺寸和形状精度在0.25mm的范围内。图10-12所示为LOM工艺原理示意图。与其它RPT技术相比，LOM艺具有下列优点：（1）无需用激光束扫描所制模样的整个二维横截面，只需沿其横截面的内、外周边轮廓线进行切割。故在短时间内（如几小时、几十小时），就能制出形状复杂的零件模样。（2）成型件的机械性能较高。LOM工艺的制模材料是用涂有热熔胶和特殊添加物，使其成型件硬如胶木，有较好的机械性能，表面光滑，能承受100～200℃的高温，必要时可再对成型件进行机械加工。（3）成型件尺寸大，LOM艺是最适合制造大尺寸模样的快速成型工艺。目前已制出的最大成型件尺寸为1200mm×750mm×550mm。如发动机、汽缸体等中大型精密铸件。鉴于上述优点，LOM工艺己得到迅速发展。什么是FDM（FusedDepositionModelling）工艺——熔丝沉积成型工艺FDM工艺是最新申报专利的RPT之一。它使用一个外观非常像二维平面绘图仪的装置，只是笔头被一个挤压头代替，它可挤压出一束非常细的蜡状塑料（热塑性）或熔模铸造蜡，并以此逐步挤入热熔塑料丝的方法来画出和堆积由切片软件所形成的每一二维切片薄层。同理，制造模样从底部开始，一层一层进行，由于热塑性树脂或蜡冷却很快，这样形成了一个由二维薄层轮廓堆集并粘结成的立体模样（树脂模或蜡模）。图10-11所示为FDM艺原理示意图，图10-12是放大的FDM挤压头的示意图。与其它RPT成型工艺相比，用FDM成型工艺制模时，其模样上的突出部分无需支承也能制出，制出的模样表面光洁，尺寸精度更高，且消除了因层间粘结不良而形成的层间台阶毛刺缺陷和分层问题。用这种方法得到的零件的尺寸和形状精度大约可达到0.15mm，如果要为熔模铸造工艺制做零件模型，可采用的材料有热塑性塑料以及模蜡。什么是SLS（SelectiveLaserSintering）工艺——选择性烧结成型工艺SLS工艺是在一个充满氮气的惰性气体加工室中，先将一层很薄的可熔粉末沉积到圆柱形容器底部的可上、下移动的板上，按CAD数据控制CO2激光束的运动轨迹，对可熔粉末材料进行扫描熔化，并调整激光束强度正好能将0.125～0.25mm的粉末烧结。这样，当激光在模样几何形状所确定的区域内移动时，就能将粉末烧结，从而生成模样的截面形状。同SLA工艺一样，每层烧结都是在先制成的那层顶部进行。未烧结的粉末在制完模后，可用刷子或压缩空气去掉。图10-10为SLS工艺的原理示意图。SLS所用的制模材料包括熔模铸造蜡料、聚碳酸酯和尼龙。别的制模材料如高性能的热塑性塑料，陶瓷粉末及金属粉末也正在研究。SLS用熔模铸造蜡所制的蜡模，公差为±0．13～±0.25mm，表面粗糙度为Ra6.3～3.2μm。SLS工艺成功地生产了汽缸头熔模铸件（原用砂型铸造要16周时间，现用SLS工艺只需4周）。该工艺很适合那些采用机械加工方法难以成型或加工的几何形状复杂的聚碳酸酯模。该工艺的发展方向是用金属粉末和陶瓷粉末来直接制造工具、模具和铸造型壳。什么是STL工艺——立体平版印刷成型工艺STL（StereoLithography）工艺——立体平版印刷成型工艺STL是世界上第一种快速原型技术。其基本原理为：STL将所设计零件的三维计算机图像数据，转换成一系列很簿的模样截面数据。然后在快速成型机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模样的一个薄截面轮廓。下一层以同样的方法制造。该工艺从零件的最底薄层截面开始，一次一层，连续进行，直到三维立体模样制成。一般每层厚度为0.076～0.381mm，最后将模样从树脂液中取出，进行最终的硬化处理，再打光、电镀、喷涂或着色即可。图10-9所示为STL工艺原理示意图。用STL工艺快速制成的立体树脂模可代替蜡模进行结壳，型壳焙烧时去除树脂模，得到中空型壳，即可浇注出具有高尺寸精度和几何形状、表面光洁度较好的各种合金铸件。RPT（快速原型技术）的应用及发展目前快速原型技术的应用可概括如下列方面：1．用RPT制造母模，生产金属或塑料产品；(1)用RPT母模复制硅橡胶型，生产金属件，产品精度可达±0.5mm；(2)用RPT母模复制硬环氧树脂靠模，加工制造注塑模；（3）用RPT母模代替木模制造砂型，生产注塑模或金属件；(4)用RPT母模进行熔模铸造。2．制造新产品样品，对其形状及尺寸设计进行直观评估在新产品设计阶段，虽然可以借助设计图纸和计算机模拟，对产品进行评价，但不直观，特别是形状复杂的产品，往往因难于想象其真实形貌。采用RPT可以快速制造样品，供设计者和用户直观测量，并可迅速反复修改、制造，可大大缩短新产品的设计周期，使设计符合预期的形状和尺寸要求。3．用RPT制件进行产品性能测试与分析由于用特殊纸制造RPT制件有较好的机械性能，经表面喷涂金属（锌或铝）后有更好的防潮和抗高温特性，因而可用于产品的部分性能测试与分析。如运动特性测试、风洞试验、有限元分析结果的实体表达，零件装配性能判断等。4．在医学上的应用外科医生已利用CT扫描和MRI磁共振图像所得数据，用RPT制造模样，以便策划头颅和面部的外科手术。他们还用RPT模样进行复杂手术的演习，为骨移植设计样板。牙科医生己利用病人牙齿的RPT模样进行牙病的诊断和手术安排。总之，RPT的发展，使熔模铸件的近净成形技术发生了突飞猛进的进步。从而使熔模铸件在质量、价格和交货期上可与其它铸造方法，以及铸造领域之外的其它成型方法进行竞争，保持和扩大了市场。RPT已在制造业引起震撼，在不久的将来必将会有更广泛的使用和更大的发展。计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing）的概念国际标准化组织ISO在1992年提出的CIM的定义为：“CIM是把人和经营知识及能力与信息技术、制造技术综合应用，以提高制造企业的生产率和灵活性；由此将企业所有的人员、功能、信息和组织诸方面集成为一个整体”。CIMS的主要特征是集成化和智能化。集成化反映了自动化的广度，把系统空间扩展到市场、设计、加工、检验、管理、销售以及用户服务等全部过程；而智能化则体现了自动化的深度，即不仅涉及物料控制的传统体力劳动自动化，还包括信息控制的脑力劳动自动化。超高速切削对刀具的要求超高速切削希望刀具强度高、耐热性能好。刀具材料一般可根据工件材料来选择。常用的刀具材料有：带涂层的硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）或聚晶金刚石（PCD）刀具。试验表明，在同等情况下，其寿命往往比常规速度下的刀具寿命还要长。超高速切削对机床的主要要求超高速机床，是实现超高速切削的前提条件和关键因素。超高速切削对机床的主要要求如下：要有一个适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统；要有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件；高压大流量喷射冷却系统要有一个“三刚”（静刚度、动刚度、热刚度）特性都很好的机床支承件超高速切削区的概述及应用通常把切削速度比常规高5～10倍以上的切削叫做超高速切削。切削温度通常随切削速度升高而升高，但超过一定范围后，切削温度反而随切削速度的升高而下降如图10-1所示。超高速切削可以提高加工质量和生产率，节约能耗，是一项有综合效益的机械加工技术。超高速切削目前主要用于飞机、汽车及模具工业。超高速切削希望刀具强度高、耐热性能好。刀具材料一般可根据工件材料来选择。常用的刀具材料有：带涂层的硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）或聚晶金刚石（PCD）刀具。试验表明，在同等情况下，其寿命往往比常规速度下的刀具寿命还要长。超高速机床，是实现超高速切削的前提条件和关键因素。超高速切削对机床的主要要求如下：要有一个适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统；要有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件；高压大流量喷射冷却系统要有一个“三刚”（静刚度、动刚度、热刚度）特性都很好的机床支承件焊接工艺参数焊接时，为保证焊接质量而选定的诸物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度等）统称为焊接工艺参数。手弧焊的工艺参数主要是焊条直径、焊接电流、电弧电压和焊接速度等，其中尤为重要的是，焊条直径和焊接电流。1。焊条直径。首先，根据焊件的厚度初步选择焊条直径（表5－3），然后按焊接工艺条件（接头型式、焊接位置、焊接层数等）作必要的调整。如立焊、横焊和仰焊应选较细焊条；多层焊时，打底层用小直径焊条以保证焊透，减少缺陷和防止烧穿，而中间及覆盖层可用大直径焊条以提高生产率。2．焊接电流一般情况下都按焊条直径选择焊接电流。通常可按经验公式I=（30～55）d来确定。式中，I是焊接电流（A），而d则是焊条直径（mm）。应注意的是，由上述公式计算所得的电流只是个大致范围，实际施焊时还要考虑焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头型式、焊接位置等因素进行必要的修整，通常要经过试焊来确定。焊接层数对较厚的工件要开坡口，采用多层焊或多层多道焊。一般每层焊道厚度不能大于4～5mm。其它焊接工艺参数电弧长度（和电弧电压成正比，影响熔宽）和焊接速度（单位时间内完成的焊缝长度）由焊工视具体操作情况掌握，一般不作规定。通常，尽量要求用短弧焊接，电弧长度不超过焊条直径。使用碱性焊条时，弧长应更短（约为焊条直径的一半）。焊接时，所用工艺参数是否正确，不但影响焊缝外观成形，而且影响焊接接头的内部质量。焊条的型号及牌号为使用方便，对焊条必须进行统一的分类编号。目前同时存在两种方法，一是焊条型号，指的是国家规定的各类标准焊条；二是焊条牌号，指的是有关部门或厂家实际生产的焊条产品样本上的编号。以焊接低碳钢和普通低合金结构钢使用的酸性焊条E4303为例。E4303是国家标准型号，其中E表示电焊条；43表示焊缝金属的抗拉强度不低于420MPa（43Kgf/mm2）；0表示适于全位置焊接；3表示钛钙型药皮。这种焊条的牌号是J（结）422，其中J（结）表示结构钢焊条；42表示焊缝金属抗拉强度不低于420MPa；2表示钛钙型药皮，交直流两用。常用焊缝型号和牌号对照如表5—2所示，其它焊条可参阅相关标准或焊接手册。引起残余应力的原因工件经机械加工后，其表面层都存在残余应力。残余压应力可提高工件表面的耐磨性和受拉应力时的疲劳强度，残余拉应力的作用正好相反。若拉应力值超过工件材料的疲劳强度极限时，则使工件表面产生裂纹，加速工件的损坏。引起残余应力的原因有以下三个方面：(一)冷塑性变形引起的残余应力在切削力作用下，已加工表面受到强烈的冷塑性变形，其中以刀具后刀面对已加工表面的挤压和摩擦产生的塑性变形最为突出，此时基体金属受到影响而处于弹性变形状态。切削力除去后，基体金属趋向恢复，但受到已产生塑性变形的表面层的限制，恢复不到原状，因而在表面层产生残余压应力。(二)热塑性变形引起的残余应力工件加工表面在切削热作用下产生热膨胀，此时基体金属温度较低，因此表层金属产生热压应力。当切削过程结束时，表面温度下降较快，故收缩变形大于里层，由于表层变形受到基体金属的限制，故而产生残余拉应力。切削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至产生裂纹。磨削时产生的热塑性变形比较明