材料成形装备及自动化教学作者樊自田PPT课件

1、第一讲,2,一、基本情况吴志强，东北大学-悉尼大学联合培养博士、国际焊接工程师/国际焊接技士。 联系电话E-mail： 二、工作经历 1、首钢建设集团 技术工艺员 2、龙工上海叉车有限公司 焊接技术员三、研究方向1、先进高强钢设计与组织性能2、材料结构与性能，材料力学行为研究3、高性能材料的焊接研究四、研究项目1、主持国家自然科学基金项目: 低密度高锰高铝钢的动态变形行为及韧脆转变机理研究(51704112) 2、主持湖南省自然科学基金项目: 低密度高锰高铝钢高速变形行为研究2、主持国家公派出国留学项目：The deformation mechanisms in Fe

2、-Mn-Al-C steels by high-pressure torsion, including mechanical behaviour analysis and microstructure characterization. (CSC No:201308430385)3、主持湖南科技大学博士启动项目：低密度高强度Fe-Mn-Al-C钢组织性能及变形行为研究(E51662)4、参与国家自然科学基金项目: 低碳高锰TRIP/TWIP效应共生钢的变形机制和组织演变(50901014)5、参与河北省自然科学基金项目: Fe-Mn-Al-C钢显微带和剪切带诱发塑性机制研究(E20100013

3、90),3,一. 课程简介(内容、历史沿革、目的及意义) 二课程安排(学时安排、考核方式) 三第1章 绪论(材料及其成形装备分类、自动化的含义),内容提要,4,概 述,、本课程是 “材料成型及控制工程”专业核心课之一： （）材料成型原理 （）材料成型技术 （）材料成形装备及自动化 （）模具CAD/CAM 讲课时数 2 8,课程简介,5,2、教材 采用国家“十一五”规划教材：材料成形装备及自动化， 樊自田主编，机械工业出版社，2006.8（目前，第3次印刷） 全书共分为九章。主要内容包括（材料成型的主要设备及自动化）： （1）装备在材料成形加工中的作用及工业自动化的含义 2 （2）金属液态成形装

4、备及自动化 8 （3）金属塑性成形装备及自动化 4 （4）金属连接成形装备及自动化 6 （5）高分子材料成形设备及自动化 2 （6）快速成形装备及控制 2 （7）陶瓷、玻璃等其它材料成形装备 2 （8）热处理工业炉及其控制 2 （9）材料成形加工中的环境保护装备 2,课程简介,概 述,6,课程简介,3、本课程的历史沿革 1998年，国家教育部,将工科本科高校中原铸造、锻压、焊接、热处理等专业，合并调整为“材料成形及控制工程”专业； 原铸造、锻压、焊接、热处理等各老专业的课程体系中，又分工艺、材料、装备及机械化等课程，以讲授金属材料热加工成形为主要内容，专业知识面相对较窄； 原铸、锻、焊、热等专

5、业的“机械设备及自动化”课程有：铸造机械化、锻压设备、塑性成形机械、焊接设备及自动化、热处理工业炉等； 新的“材料成形及控制工程”专业，学习内容应包括金属、高分子、陶瓷等材料的成形及过程控制。经过几年的课程体系过渡，1998年2004年。 2005年，樊自田教授主编的材料成型设备及自动化课程教材，并被列为国家“十一五”教材，于2006年8月正式出版。它是最早出版的国家“十一五”规划教材之一。,概 述,7,（）装备是工业和国民经济的基础，工业的自动化与信息化是现代工业与国民经济发展的必然趋势； （）材料成形装备及其自动化的进展是材料成形工业技术发展的主要标志之一。当代“材料成形及控制工程”专业的

6、大学生，全面了解并掌握材料成形装备及自动化方面的知识是对大学生的必然要求； （）新的“材料成形及控制工程”专业的知识内容，覆盖了原铸造、锻压、焊接、热处理等老专业，还应包括塑料、陶瓷、玻璃等种类材料的成形及控制工程，内容繁多； （）本课程及教材，以材料成形主要装备结构和原理为主体、以其控制与自动化为重点； （）本课程既涉及了传统材料成形方法的装备及其自动化，又包括了高分子材料及其它材料的成形装备与控制，还增加了材料成形领域最新研究与应用成果，即环境保护、绿色加工成形技术装备。,课程简介,4、本课程的目的、意义及重点,概 述,8,大型模锻压机是衡量一个国家工业实力的重要标志。迄今为止，仅有美国、

7、俄罗斯、法国3个国家有类似设备，最大锻造等级为俄罗斯的7.5万吨，而我国的达8万吨。,世界第一 总高42米，重约2.2万吨，单件重量在75吨以上的零件68件，压机尺寸、整体质量和最大单件重量均为世界第一。这是中国二重历时10年打造的世界“重装之王”。,9,5、本课程的基础、要求 （）本课程的基础课程： 机械零件与机械设计、工程制图、工程测试基础、工程控制基础、液压传动与气压传动、材料成形原理、材料成形技术()。 （）本课程的要求： 材料成形装备种类繁多，本课程将重点或详细介绍各材料成形装备及方法中的主要设备和自动化程度较高的新型设备，而对其中的次要设备或较旧式设备只作简要介绍或不作介绍。 因此

8、，通过本课程学习，要求重点掌握各材料成形工艺中的主要设备和新型设备的工作原理、结构特点、应用范围、控制方法等。,课程简介,概 述,10,本课程的考核方式,成绩计算： （1）平时成绩30： 到课情况、课外作业、听课纪律等； （2）考试成绩70。【旷课3次及以上取消考试资格】 基本要求:不旷课、不迟到、不早退、事先请假， 按时交作业（课堂或课外）。,考核方式,11,1.1 材料的分类及其成形装备概述,1.1.1 材料的分类,复合材料,第1章,绪 论,12,（1）金属材料：钢铁、铜合金、铝合金、镁合金等 （2）有机高分子材料：塑料、树脂、橡胶等。 （3）无机非金属材料：几乎包括除金属材料、高分子材料

9、以外的所有材料，主要有：陶瓷、玻璃、胶凝材料（水泥、石灰和石膏等）、混凝土、耐火材料、天然矿物材料等。 （4）复合材料：“由两个或两个以上独立的物理相，包括粘结材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物”。复合材料的组成分为两大部分：基体与增强材料。 （5）材料还可以根据其性能特征、用途、状态等分类。,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,13,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,14,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,15,1.1.2 材料的成形方法分类及装备概述,（1）金属材料加工成形方法 通常分为冷加工、热加工两大类 ： 1）冷

10、加工成形是指切削加工，如：车削、刨削、磨削、铣削、镗削等； 2）热加工成形有：铸造（或液态成形）、锻压（挤压）、焊接、粉末冶金等。 铸造成形和焊接成形又称为金属的液态成形 ，金属的锻压（挤压）成形又称为塑性成形，当金属处于半固态下成形叫做半固态铸造、液态锻压成形或半固态成形。,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,16,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,17,（2）常见的金属材料热加工成形的主要装备（本课程的主要内容）,A、铸造成形 1）重力作用下的铸造 砂型铸造：各类造型机、制芯机、铸型输送机及辅助装备、落砂机、砂处理设备、清理设备等 金属型铸造：金属型铸造机

11、 熔模铸造：压蜡机、结壳生产线、焙烧炉等 消失模铸造：模样成形机、振动紧实台、热干砂冷却系统、真空系统等 2）外力作用下的铸造 离心铸造：离心铸造机 压力铸造：冷室压铸机、热室压铸机 低压铸造：低压铸造机 挤压铸造：挤压铸造机,铸造的本质特点： 液 态 金属成形 装备特点： 必须有 模、型,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,18,B、塑性成形： 轧制：各类轧机 挤压：各类压力机 拉拔：各类拉拔（或拉力）机 自由锻：各类锻锤 模锻：各类锻锤或压力机 板料冲压：各类压力机,锻造的本质特点： 金属 塑 性 成形 装备特点： 必须有 外 力,焊接的本质特点： 液 态 金属 局部成形

12、装备特点： 必须有 局部高温源,C、焊接成形： 1）熔焊： 电弧焊：各类弧焊机 电渣焊：电渣焊机 电子束焊：电子束焊机 激光焊：激光焊机 等离子弧焊：等离子弧焊机 2）压焊： 电阻焊：电阻点焊机和电阻缝焊机 摩擦焊：摩擦焊机 3）钎焊： 钎焊设备,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,19,（3）高分子材料成形设备 1）高分子塑料制品成形，主要有：挤出机、注射机等。 2）橡胶成形装备 （4）粉末材料的成形设备（粉末冶金 ） 制粉设备、成型设备、烧结设备等 （5）材料的快速成形设备，主要有： 1）立体平版印刷机(SLA-Stereo Lithography Apparatus) 2

13、）分层物体制造(LOM-Laminated Object Manufacturing) 3）选择性激光烧结(SLS-Selective Laser Sintering) 4）熔丝沉积制造(FDM-Fused Deposition Modeling) 5）粉末材料选择性粘结（TDP-Three Dimensional Printing）等,快速成形的本质特点： 增 长 成形 装备特点： 必须有 机电一体化,第1章,绪 论,1.1 材料的分类及其成形装备概述,20,1.2 装备在材料成形加工中的作用,（1）社会的进步，可归结为人类不断创造工具以延伸自身的能力； （2）从原始人类的工具到今天各种现代

14、化工具、精密加工装备等，都是在延伸人的体力与能力。 （3）装备在材料成形加工中的作用归纳为如下几个方面： 1）大大提高了生产率、降低了工人的劳动强度； （以自动化压铸机为例，每小时可压铸60180次，最高可达500次） 2）提高了产品质量与精度，降低了原材料消耗； （自动化生产可避免人力生产中的人为因素，保障产品的质量与精度，大大降低原材料的消耗 ）,第1章,绪 论,21,3）缩短了产品设计至实际投产时间； （快速成形技术及装备的出现，使得新产品的设计、评价、修改、制造等过程形成了一个整体的闭环系统，大大缩短了新产品的研制时间和用。 ） 4）减少制品的库存； （实现生产管理自动化，可及时、准确

15、地处理大量数据，对器件、设备、人力、技术资料进行组织、协调，大大减少生产制品的库存量。） 5）改善操作环境，实现安全和清洁生产。 （除尘设备、降噪设备的使用，生产废料（废渣、废气、废水等）再生回用（或无害处理），可大大减少了生产资源浪费和对环境的污染，实现绿色可持续发展 ）,第1章,绪 论,1.2 装备在材料成形加工中的作用,22,1.3 工业自动化的含义,（1）工业自动化的定义及组成 1）工业自动化是指： 将多台设备（或多个工序）组合成有机的联合体，用各种控制装置和执行机构进行控制，协调各台设备（或各工序）的动作，校正误差、检验质量，使生产全过程按照人们的要求自动实现，并尽量减少人为的操作与

16、干预。 2）工业自动化系统一般由如下部分组成： *.自动机床； *.物料自动搬运系统； *.自动装配机； *.流水生产线； *.信号检测数据采集系统； *.计算机过程控制系统； *.为支持制造活动用来收集数据、进行规划和做出决策的计算机控制系统。,第1章,绪 论,23,(2) 工业生产过程,第1章,表1-2 生产过程中的三大环节及八个主要过程,绪 论,1.3 工业自动化的含义,24,（1）设计过程 在采用CAD（计算机辅助设计）技术之前，机械（或材料加工）工业的设计人员约占技术人员的10%15%，设计工作的50%60%的工作量是制图与其它一些重复性劳动，且设计多凭经验设计，工作量大、周期长、设

17、计图纸修改不便，设计的安全系数通常较大。随着计算机技术的广泛采用，设计过程中可应用计算机辅助进行产品设计、性能分析、模拟试验等，进一步的发展是将CAD技术与CAE（计算机辅助工程）技术和CAM（计算机辅助制造）技术等结合起来，实现CAD/CAE/CAM一体化。从而大大缩短了设计过程、提高了设计的准确性与可靠性，设计方案与图纸的修改和保存也非常便利，设计过程的发展趋势是设计自动化。 我国歼-10战机首次采用CAD进行无纸化设计的战斗机，大大缩短了设计过程。,第1章,绪 论,1.4 工业自动化内容,25,第1章,（2）生产准备过程 该过程包括：根据公司企业销售和市场信息部门提出的产品订货订单，考虑

18、生产纲领、本厂设备及库存情况；编制材料、刀具、元器件、专用设备等需用、采购、外协加工委托计划；必要时，甚至包括专用生产基地厂房的建设等任务。在这些工作中相应地采用各种自动化技术与手段可提高效益、减少差错。,（3）工艺准备过程 该过程包括：根据设计图纸、技术装备水平及产品批量等因素，选择加工设备；确定加工工艺及技术要求；设计零件制造、产品装配的工艺过程，编制材料明细表；确定工装模具、量具等的设计制造，准备外协加工件的验收方法及手段。在这些工作中，有些已经实现了相当程度的自动化，如工艺过程模拟及自动设计方面。,绪 论,1.4 工业自动化内容,26,第1章,（4）加工过程 自动化的加工过程包括：从大

19、批量生产中采用的各种高效专用机床、组合机床、自动化生产线，到多品种、小批量生产中采用的数控机床、组合机床，直至近年来采用的成组技术和柔性加工系统。各种类型的调节器、控制器，特别是计算机，微型机的大量应用，加快了加工过程自动化速度。 （5）检验试验过程 在自动化单机、自动线等的工作过程中，出于保证产品质量、提高精度和为操作者提供安全保护等目的，往往需要进行自动测试。各种传感器的出现使原材料、毛坯、零部件等的性能、外形尺寸、特征，加工和装配的工位状况，设备工作状况，材料、零件的传送情况，产品性能等的检测试验都成为可能。各种各样的放大器、转换器、传送器显示记录装置促进了自动检测技术的发展，使得机械及

20、材料加工工业的检测技术由过去的离线、被动、单参数、接触式逐步转向使用计算机的在线、主动、多参数、非接触式快速检测。,绪 论,1.4 工业自动化内容,27,第1章,（6）装配过程 装配作业自动化包括零件供给、装配作业、装配成品、运送等方面的自动化。从装配作业来看，方向是研制高生产率的数控装配机、自动装配线，装配机器人；从整个生产过程来看，是如何将装配作业与CAM、零件后处理和自动化立体仓库相联接。 （7）辅助生产过程 该过程包括毛坯、原材料、工件、刀具、工夹具、废料等的处理、搬运、抓取、中间存贮、检修等，由于该过程的时间占生产时间的95%以上，费用占30%40%，因此研制各种自动化物流装置得到各

21、国普遍重视。各种悬挂输送、自动小车输送，高架立体仓库、机械手和工业机器人已广泛应用于各个领域。,绪 论,1.4 工业自动化内容,28,第1章,（8）生产管理过程 生产管理包括车间或工厂的各种原材料、工具、存货的管理，生产调度，中长期规划，生产作业计划，产品订货与销售，市场预测与分析，财务管理，工资计算，人事管理等。生产管理自动化就是利用计算机技术按照订货或任务要求，通过各个管理子系统可及时、准确地处理大量数据，对器件、设备、人力、技术资料进行组织、协调，保证在规定的时间、人力和消耗限额（包括能源、资金、器材等）内完成生产任务。,绪 论,1.4 工业自动化内容,29,综上所述，工业生产过程自动化

22、所研究的内容主要有两个方面： 1）对上述各个过程，实现不同程度自动化时的各种方法和手段； 2）对上述几个过程或全部过程按照一定的目标和要求联系起来，组成不同规模的自动线、自动化车间或自动化工厂。 实际上由物质流和信息流两个主要部分组成： 1）物质流是指物质的流动和处理，包括原材料、毛坯、工夹具、模具、半成品、成品、废料、能源的流动、处理（加工）、变换 2）信息流指信息（包括加工指令、数据、反映生产过程各种状态的资料等）的流动和处理。,第1章,绪 论,1.4 工业自动化内容,30,1.5 本课程的目标及主要内容,（1）学习材料成形主要装备的结构原理及其自动化控制技术 （2）具体的教学目标及内容如下： 1）材料的种类繁多，成形方法及装备各异，本课程以介绍材料的成形装备为主体、讲述成形装备的自动化为重点，使学生获得必要的装备及自动方面的基本知识，了解材料成形装备及自动化技术的发展前沿； 2）在全面了解与掌握材料成形装备种类及结构特点的基础上，重