先进制造技术习题答案Word格式.docx
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它涉及到国民经济的许多部门，是国民经济和综合国力的支柱产业。
在知识经济条件下，制造业是参与市场竞争的主体，它始终是国民经济的支柱产业。
1-5分析制造业在新世纪所面临的机遇与挑战及发展趋势。
人类进入21世纪后，社会与政治环境、市场需求、技术创新预示着制造业人类进入将发生巨大变化。
美国国家科学研究委员会工程技术委员会、制造与工程设计院“制造业挑战展望委员会”对2020年制造业所面员会对临的形势，提出了六大挑战：
快速响应市场能力的挑战——全部制造环节并行实现；
打破传统经营面临的组织、地域及时间壁垒的挑战——技术资源的集成；
信息时代的挑战——信息向知识的转变；
日益增长的环保压力的挑战——可持续发展；
制造全球化和贸易自由化的挑战——可重组工程；
技术创新的挑战——全新制造工艺及产品的开发。
在知识经济时代，制造业面临着新的历史性发展机遇和更加严峻的挑战。
其特点是：
产品生命周期缩短；
用户需求多样化；
大市场和大竞争；
交货期成为竞争的第一要素；
信息化和智能化；
人的知识、素质和需求的变化；
环境保护意识的增强与可持续发展。
1-6论述先进制造技术提出的背景，各国和我国对先进制造技术发展战略如何？
进入80年代以来，各国制造业面临复杂多变的外部环境：
科学技术突飞猛进，供求关系变化频繁，产品更新日新月异，各国经济与国际市场纵横交错，竞争对手林立等等。
因此，当局和企业界都在寻求对策，以获取全球范围内竞争优势。
传统的制造技术已变的越来越不适应当今快速变化的环境，先进的制造技术，尤其是计算机技术和信息技术在制造业中的广泛应用，使人们正在或已经摆脱传统观念的束缚，跨入制造业的新纪元。
先进制造技术AMT就是在这种大环境下，美国根据本国制造业的挑战与机遇，对制造业存在的问题进行了深刻反省，为了加强其制造业的竞争能力和促进贵民经济增长而提出来的。
从技术的角度来看，以计算机为中心的新一代信息技术的发展，使制造业技术达到了前所未有的新高度，先进制造技术是提出也是这种进程的反映。
“先进制造技术”这个专有名词一经提出，立即获得欧洲各国、日本及亚洲新兴工业化国家的响应。
美国的经济领导地位，无论在国内或国外，都面临着强烈的挑战。
美国通过大量研究报告为美国制造业的发展勾画蓝图。
国家自然科学院和工程科学院、
白宫科技政策办公室、国防部、商业部以及其他政府政府部门，都着手对制造业进行调查，以评估目前和近期的有多大能力对付可能面临的竞争。
国会也参与有关美国企业竞争危机的讨论，并通过立法，促进制造业和制造技术的发展和进步。
日本从第二次世界大战的战败国一跃成为世界经济强国，在许多重要领域把工业实力很强、科学技术先进的美国和德国挤出了市场。
从1992年秋至1994年的大约两年时间内，IMS选择了六个试验项目开展为期两年的研究，以探讨实施的可能性。
西欧制造业已明显受到来自美国和日本的压力，就连一向以产品质量技术高超而自豪的德国也不得不承认与日本存在不小的差距。
1992年由显赫的企业家和政治家们共通掀起了一场旨在通过“欧共体统一市场法案”运动。
这项法案得到众多的支持。
这些国家表明，为避免在工业上落后，他们是愿意在政治上付出代价的。
我国制造技术经建国以来40余年的发展已形成脚完整的技术体系，为国民经济发展所需各类机械产品的制造提供基本的工艺技术，并取得了重要成就。
然而与国外工业发达国家相比，仍存在着阶段性的差距。
同时在80年代受到“第三次浪潮”的影响，一度认为制造业进入了夕阳阶段，影响到制造技术的发展。
近几年来对制造技术的发展获得了重新认识，我国政府及有关领导对先进制造技术的发展给予了高度的关注。
国家计委也十分重视先进制造技术的发展，在“九五”期间实施了一批发展先进制造技术项目。
1-7简述先进制造技术内涵、技术构成及特点。
先进制造技术在不同的发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有不同的技术内涵和构成，对我国而言，它是一个多层次的技术群。
先进制造技术的内涵和层次及其技术构成包括:
基础技术；
新型单元技术；
集成技术。
以上三个层次都是先进制造技术的组成部分，但其中每一个层次都不等于先进制造技术的全部。
先进制造技术有以下特点：
先进性；
广泛性；
实用性；
系统性；
动态性；
集成性；
技术与管理的更紧密结合；
先进制造技术强调的是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产。
1-8简述先进制造技术的技术分类及其具体有哪些先进制造技术。
将目前各国掌握的制造技术系统化，对先进制造技术的研究分为如下4大领域：
⑴现代设计技术。
包括计算机辅助设计技术、性能优良设计基础技术、竞争优势创建技术、全寿命周期设计、可持续发展产品设计、设计实验技术。
⑵先进制造工艺。
包括精密捷径铸造成型技术、精确高效塑性成形技术、优质高效焊接及切割技术、优质低耗洁净热处理技术、高效高精密机械加工工艺、现代特种加工工艺、新型材料成型与加工工艺、优质洁净表面工程新技术、快速模具制造技术、模拟制造成型加工技术。
⑶自动化技术。
包括数控技术、工业机器人、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、传感技术、自动检测及信号识别技术、过程设备工况监测与控制。
⑷系统管理技术。
包括先进制造生产模式、集成管理模式、生产组织方式。
1-9结合杨叔子院士的观点分析先进制造技术的特点和发展趋势。
先进制造技术是面向21世纪的技术系统，其目的是提高制造业的综合经济效益，赢得激烈的市场竞争。
人类已进入一个新的世纪，在新世纪中，制造业发展的重要特性是向全球化、网络化、模拟化方向发展。
未来先进制造技术的发展的总趋势是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化方向发展。
第二章现代设计技术
2-1试分析现代设计技术的内涵与特点并简述现代设计技术的体系结构。
现代设计技术是根据产品功能要求和市场竞争（时间、质量、价格等）的需要，应用现代技术和科学知识，经过设计人员创造性思维、规划和决策，制定可以用于制造的方案，并使方案付诸实施的技术。
特点：
设计范畴的扩展化；
设计手段的计算机化；
设计过程的并行化；
设计过程智能化；
分析手段的精确化；
多种手段综合应用；
强调设计的逻辑性和系统性；
进行动态多变量的优化；
强调产品的环保性；
强调产品的宜人性；
强调用户参与；
强调设计阶段的质量控制；
设计和制造一体化；
强调产品全寿命周期最优化。
体系结构：
1、基础技术（主体技术）：
CAX技术。
2、支持技术：
设计方法学、可信任设计、试验设计技术。
3、应用技术。
2-2决定产品（或企业）竞争力有哪些因素？
质量：
不仅满足用户功能要求还应以自身的特点满足用户的非物质功能方面的需求，符合有关法律、标准和生态环境要求，安全性、可靠性、合理的寿命、方便使用和维护保养并提供及时必要的用户培训、质量保证和维修服务。
时间：
设计开发的周期，供货的时间、方式、供货的数量、品种和方式等方面的适应能力。
成本／价格：
产品成本、合理利润、一次性安装费用和经常性维持费用等。
2-3计算机辅助设计技术包括哪些主要内容？
分析其中的关键技术？
主要包括：
有限元法；
优化设计；
计算机辅助设计；
反求工程；
技术；
模糊智能CAD；
工程数据库。
关键技术：
计算机辅助设计，包括CAD/CAE/CAM/CAPP/CAAP等技术。
2-4简述并行设计内涵、特点、技术体系及其对制造业的影响。
并行设计是指集成地、平行地处理产品设计制造及其相关过程的系统方法。
并行设计要求产品的设计开发者一开始就考虑产品整个生命周期（从概念设计到产品报废处理）的所有因素。
信息资源共享，即时交互和协同，系统集成。
技术体系：
1.并行环境下的信息抽象与建模技术；
2.计算机辅助设计评价与决策——DFMA与RPM；
3.支持并行设计的分布式计算机环境。
影响：
并行设计改变了传统的串行工作方法，使得在设计阶段就可能有制造和营销服务人员的介入和彼此信息交互。
可以避免失误，减少反复，增强了综合协同，从而达到提高质量、缩短开发周期和降低成本的目的。
可以预计并行设计在今后的虚拟制造体系中将大有作为。
2-5叙述绿色设计的主要内容与原则。
主要内容：
1.绿色产品设计的材料选择与管理；
2.产品的可回收性设计；
3.产品的可拆卸性设计；
4.绿色产品的成本分析；
5.绿色产品设计数据库。
原则：
产品在生命周期中符合环保、人类健康、能耗低资源利用率高。
2-6CAPP有哪三种？
请简述派生式CAPP的工作原理。
派生式CAPP，创成型CAPP，综合型CAPP。
原理：
它是利用成组技术将工艺设计对象按其相似性（例如，零件按其几何形状及工艺过程相似性；
部件按其结构功能和装配工艺相似性等）分类成组（簇），为每一组（簇）对象设计典型工艺，并建立典型工艺库。
当为具体对象设计工艺时，CAPP系统按零件（部件或产品）信息和分类编码检索相应的典型工艺，并根据具体对象的结构和工艺要求，修改典型工艺，直至满足实际生产的需要。
2-7分析PDM产生背景、内涵、主要功能及其结构组成。
背景：
在20世纪的60、70年代，企业在其设计和生产过程中开始使用CAD、CAM等技术，新技术的应用在促进生产力发展的同时也带来了新的挑战。
对于制造企业而言，虽然各单元的计算机辅助技术已经日益成熟，但都自成体系，彼此之间缺少有效的信息共享和利用，形成所谓的“信息孤岛”。
在这种情况下，许多企业已经意识到：
实现信息的有序管理将成为在未来的竞争中保持领先的关键因素。
产品数据管理（ProductDataManagement简称PDM）正是在这一背景下运行而生的一项新的管理思想和技术。
内涵：
以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。
主要功能：
电子仓库管理；
文档管理；
产品结构管理；
产品配置管理；
项目管理；
用户与组织团队管理；
工作流与过程管理；
系统集成；
系统安全与权限管理；
系统管理。
结构组成：
分为五层，即底层平台层、PDM核心服务层、PDM应用组件层、应用工具层和实施理念层。
2-8简述CAD/CAPP/CAE及PDM（C3P）集成技术的技术思想。
技术思想是：
在开发制造系统时强调“多集成”的概念，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、技术集成及人员集成。
第三章先进制造工艺技术
3-1简述先进制造工艺发展与特点。
有哪几类零件成形方法？
各自有哪些工艺内容？
先进制造工艺技术就是机械制造工艺不断变化和发展后所形成的制造工艺技术，包括了常规工艺经优化后的工艺，以及不断出现和发展的新型加工方法。
其主要技术体系由先进成形加工技术、现代表面工程技术等技术构成及先进制造加工技术。
特点：
加工精度不断提高；
加工速度得到提高；
材料科学促进制造工艺变革；
重大技术装备促进加工制造技术的发展；
优质清洁表面工程技术获得进一步发展；
精密成形技术取得较大进展；
热成形过程的计算机模拟技术研究有一定发展。
从总体发展趋势看，优质、高效、低耗、灵捷、洁净是机械制造业永恒的追求目标，也是先进制造工艺技术的发展目标。
依据现代成形学的观点从物质的组织方式上，可把成形方式分为如下四类：
去除成形：
它是运用分离的办法，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体中分离出去而成形的办法。
受迫成形：
它是利用材料的可成形性（如塑性等），在特定外围约束（边界约束或外力约束）下成形的方法。
堆积成形：
它是运用合并与连接的办法，把材料（气、液、固相）有序地合并堆积起来的成形方法。
生成成形：
是利用材料的活性进行成形的方法。
3-2分析高速超高速加工技术的产生背景及应用领域。
产生背景：
随着数控机床、加工中心、柔性制造系统的发展,机械加工中的“辅助工时”大为缩短,为了进一步提高机床的生产效率,必须极大地提高加工的切削速度和进给速度,以便大幅度地降低“切削工时”。
高速加工技术就是在这样的历史背景下产生的。
应用领域：
大批生产领域如汽车工业；
工件本身刚度不足的加工领域；
加工复杂曲面领域；
难加工材料领域；
超精密微细切削、加工领域。
3-3分析高速加工的技术内涵特点及高速加工所需解决的关键技术。
超高速加工技术是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化、高柔性的制造设备，以极大地提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。
它是提高切削和磨削效果以及提高加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。
其显著标志是使被加工塑性金属材料在切除过程中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。
超高速切削、磨削机理，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具、磨具，超高速机床支承及辅助单元制造技术，以及超高速加工测试技术等。
3-4试用单颗磨粒最小磨削厚度的概念来解释高速超高速磨削的现象。
3-5试综述超高速加工机床的主轴单元系统的关键技术及国内外现状。
关键技术有：
超高速主轴材料、结构、轴承的研究与开发，超高速主轴系统动态特性及热态特性研究，柔性主轴及其轴承的弹性支承技术的研究，超高速主轴系统的润滑与冷却技术研究，以及超高速主轴系统的多目标优化设计、虚拟设计技术研究等。
从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种
工艺、加工中心及超高速磨床上，而且越来越多地采用电主轴加工类型。
主轴支撑、轴承
选择及轴承设计制造是超高速主轴单元技术中的关键。
超高速大功率主轴单元的基本方案是采用集成内装式电主轴，主轴支撑考虑功能和经济性的要求，采用陶瓷混合球轴承或油基动静压轴承是较好的可选方案，对于超高速的磁悬浮轴承是各制造商和研究机构更为重视的研究和应用领域。
小功率的超高速主轴单元可以采用高精度的滚动轴承、液体动静压轴承或气浮动静压轴承。
超高速主轴单元制造技术的发展前沿主要涉及以下几个方面：
柔性主轴的设计技术，使得主轴可在系统的二阶或三阶固有频率以上稳定地工作；
柔性主轴支撑技术，减小主轴系统向机架传递的动载荷和控制主轴系统的稳定性；
主轴轴承的开发研究；
主轴系统动态优化设计和计算机虚拟设计技术；
新的主轴系统润滑与冷却技术的研究。
3-6试综述超高速加工机床的进给系统的关键技术及国内外现状。
高速位置环芯片的研制，高速精密交流伺服系统及电机的研究，直线伺服电机的设计与应用的研究，加减速控制技术的研究，超高速进给系统的优化设计技术、虚拟设计技术，高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研制，高精度导轨、新型导轨摩擦副的研究，以及新型导轨防护罩的结构与加工工艺研究等。
超高速进给单元制造技术发展趋势及特点可归纳为以下几个方面：
1.从80年代中期，快速移动速度已由8~12m/min提高到现在的30~50m/min，18~20m/min正在普及，某些加工中心已达到60m/min，采用直线伺服电机传动技术已成为当前超高速加工技术发展的必然趋势。
2.在进给系统的设计上，采用了新方法、新理论。
3.采用新结构、新工艺。
由交流伺服电机代替直流伺服电机，或者采用直线伺服电机；
液体静压丝杠代替滚珠丝杠；
滚柱丝杠副代替传统的滚珠丝杠副；
采用静压导轨；
采用新的制造工艺；
简化进给系统，提高快速移动速度和定位精度。
4.数字交流伺服系统及伺服电机将向高精度、更高的转速发展。
5.带动一些相关技术如机床移动部件防护罩也将产生新的适应高速运动特点的结构，润滑方式也将有所突破。
6.高精度加工的交流伺服系统、高分辨率及高响应速度的位置检测器和用于降低加工形状误差的插补前加减速控制方法得到研究和开发。
依据国内外比较分析，近期我国用于中等规格的加工中心的高速进给单元的相关指标是：
快速进给速度为40~60m/min，切削进给速度为0.001~10m/min，定位精度±
0.002mm。
3-7超高速加工对刀具和砂轮有什么要求？
简述超高速加工用的工具具体有哪些。
要求：
1.刀具的材料，需要耐高温、高压；
2.刀具的几何角度必须选择最佳数值；
3.刀具与机床的联结界面结构装夹要牢靠，工具系统应有足够整体刚性；
4.砂轮的磨料、结合剂、基体三者之间的结合强度要高。
目前，超高速加工用刀具切削刃（如超高速铣刀的切削刃）一般选用以下刀具材料：
超细晶粒硬质合金、聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、氮化硅（Si3N4）陶瓷材料、混和陶瓷和碳（氮）化钛基硬质合金以及采用气相沉淀法的超硬材料涂层刀具等。
3-8分析精密超精密加工技术的技术领域。
超精密加工技术从加工技术范畴来说，其包括微细加工和超微细加工、精整和光整加工。
所涉及的技术领域包含了以下几个方面：
1.加工技术即加工方法与加工机理；
2.材料技术即加工工具和被加工材料；
3.加工设备及其基础元部件；
4.测量即误差补偿技术；
5.工作环境
6.工件的定位与加紧；
7.人的技艺。
3-9就目前技术条件下，普通加工、精密加工和超精密加工时如何划分的？
目前，普通加工、精密加工和超精密加工的划分如下：
普通加工，加工精度在10μm左右，表面粗糙度Ra值在0.3~0.8μm的加工技术，如车、铣、刨、磨、镗、铰等。
精密加工，加工精度在10~0.1μm，表面粗糙度Ra值在0.3~0.03μm的加工技术，如金刚车、金刚镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨削、镜面磨削和冷压加工等。
超精密加工，加工精度在0.1~0.01μm，表面粗糙度Ra值在0.03~0.05μm的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。
3-10为什么当今超精密切削加工一般均采用金刚石刀具？
超精密切削加工主要用于加工软金属材料，如铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维板等非金属材料，主要加工对象是精度要求很高的镜面零件，因此要求刀具的刃口半径要尽量小，而金刚石刀具的刃口半径可达到纳米级水平，所以当今超精密切削加工一般都采用金刚石刀具。
3-11超精密磨削一般采用什么类型砂轮？
这些砂轮又如何修整？
超精密磨削一般采用人造金刚石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料砂轮。
CBN砂轮一般采用金刚石滚轮整形，金刚石滚轮是采用电镀法或粉末冶金法将金刚石颗粒固结在金属基体的圆周表面上制成的高效成型修整工具，其修整机理是通过金刚石滚轮与CBN砂轮的旋转运动之间产生的相对运动来实现砂轮整形。
修整进给量ar和修整速比q（q=vr/vs，vr为金刚石滚轮线速度，vs为CBN砂轮线速度）对修整后CBN砂轮的磨削性能有重要影响。
采用较大修整速比q，修整后的CBN砂轮磨削力较小，但工件表面粗糙度较大。
采用较大修整进给量ar修整后的砂轮较锋利。
3-12相比较普通机床，超精密加工机床的主轴部件和进给系统有何具体的特点？
主轴部件：
主轴转速高速化、高精度；
一般采用柔性主轴，稳定性好。
进给系统：
移动速度快，普遍采用直线伺服电机传动技术；
在进给系统的设计上，采用了新方法、新理论；
采用新结构、新工艺；
数字交流伺服系统及伺服电机将向高精度、更高的转速发展；
润滑方式的突破；
采用新的控制方法。
3-13综述精密超精密加工技术的现状和发展趋势。
基于超精密及纳米加工技术的重要性，国内外对该技术的研究和开发都投入了大量的人力和财力。
超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本，目前这些国家的超精密加工技术正向纳米精度发展。
以精密和超精密机床为标志，目前世界各国的超精密机床已发展到了极高的水平。
在测量技术方面，广泛采用激光干涉仪、电容式测微仪、莫尔条纹光学尺甚至扫描隧道显微镜等技术实现精密超精密测量。
我国的超精密加工技术研究始于60年代末，在80年代有几个机床厂生产液体静压轴承主轴的超精密车床和空气轴承主轴的磁盘车床，80年代中后期，我国已具有世界先进水平的超精密加工机床及机床部件，并向专业化批量生产发展。
当前，超精密及纳米加工技术的发展趋势主要表现在以下一些方面：
1.向高精度方向发展，向加工精度的极限冲刺，由现阶段的亚微米级向纳米级进军，其最终目标是做到“移动原子”，实现原子级精度的加工。
2．向大型化方向发展，研制各种大型超精密加工设备，以满足航空航天、电子通信等领域的需要。
3.向微型化方向发展，以适应微型机械、集成电路的发展。
4.向超精结构、多功能、光机电一体化、加工检测一体化方向发展，并广泛采用各种测量、控制技术实时补偿误差。
5.不断出现许多新工艺和复合加工技术，被加工的材料范围不断扩大。
6.在作业环境建造方面诸如高性能的基础隔振技术、净化技术与环境温控技术将有更大发展。
3-14试分析工程陶瓷材料的加工（磨削）技术及加工（磨削）机理。
在陶瓷磨削方面由于陶瓷的高硬度和高脆性，大多数研究都使用了“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来近似处理。
陶瓷材料的去除机理通常为裂纹扩展和脆性断裂，而当材料硬度降低，压痕半径小，摩擦剧烈，并且载荷小时，就会出现塑性变形。
3-15叙述MEMS（微型机电系统）的基本特征，目前有哪些微型机械加工技术？
基本特征：
体积小、重量轻、能耗低、性能稳定；
有利于大批量生产，降低生产成本；
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