学科前沿专题.docx

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学科前沿专题

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一、简述机械制造业的变革及挑战。

（10分）

    机械制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了不少理论和实践经验，但随着社会的发展，人们的生活水平日益提高，各个方面的个性化需求越加强烈。

作为已经深入到各行各业并已成为基础工业的机械制造业面临着严峻的挑战。

机械制造技术的发展趋势可以概括为：

（1）机械制造自动化。

（2）精密工程。

（3）传统加工方法的改进与非传统加工方法的发展。

    下面对自动化技术给予论述和展望。

机械制造自动化技术始终是机械制造中最活跃的一个研究领域。

也是制造企业提高生产率和赢得市场竞争的主要手段。

机械制造自动化技术自本世纪20年代出现以来，经历了三个阶段，即刚性自动化、柔性自动化和综合自动化。

综合自动化常常与计算机辅助制造、计算集成制造等概念相联系，它是制造技术、控制技术、现代管理技术和信息技术的综合，旨在全面提高制造企业的劳动生产率和对市场的响应速度。

一、集成化

计算机集成制造（CIMS）被认为是21世纪制造企业的主要生产方式。

CIMS作为一个由若干个相互联系的部分（分系统）组成，通常可划分为5部分：

1．工程技术信息分系统

包括计算机辅助设计（CAD），计算机辅助工程分析（CAE），计算机辅助工艺过程设计（CAPP），计算机辅助工装设计（CATD）数控程序编制（NCP）等。

2．管理信息分系统（MIS）

包括经营管理（BM），生产管理（PM），物料管理（MM），人事管理（LM），财务管理（FM）等。

3．制造自动化分系统（MAS）

包括各种自动化设备和系统，如计算机数控（CNC），加工中心（MC），柔性制造单元（FMS），工业机器人（Robot），自动装配（AA）等。

4．质量信息分系统

包括计算机辅助检测（CAI），计算机辅助测试（CAT），计算机辅助质量控制（CAQC），三坐标测量机（CMM）等。

5．计算机网络和数据库分系统（Network & DB）

它是一个支持系统，用于将上述几个分系统联系起来，以实现各分系统的集成。

二、智能化

    智能制造系统可被理解为由智能机械和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，该系统在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思、决策等。

在智能系统中，“智能”主要体现在系统具有极好的“软”特性（适应性和友好性）。

在设计和制造过程中，采用模块化方法，使之具有较大的柔性；对于人，智能制造强调安全性和友好性；对于环境，要求作到无污染，省能源和资源充分回收；对于社会，提倡合理协作与竞争。

三、敏捷化

    敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。

为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。

敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。

实现敏捷制造的技术基础包括：

1．大范围的通讯基础结构，要求在全国范围内建立工厂信息网络和准时信息系统（Just-In-Time-Information）。

2．柔性化、模块化的产品设计方法。

3．高柔性、模块化、可伸缩的制造系统。

4．为定单而设计、制造的生产方式。

5．基于任务的组织与管理。

6．基于信任的雇佣关系。

四、虚拟化

    “虚拟制造”的概念于20世纪90年代初期提出。

虚拟制造以系统建模和计算机仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、信息技术、并行工程、人工智能、多媒体技术等高新技术为一体，是一项由多学科知识形成的综合系统技术。

虚拟制造利用信息技术、仿真计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防的措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

五、清洁化

    清洁生产是指：

将综合预防的环境战略，持续应用于生产过程和产品中，以便减少对人类和环境的风险。

    清洁生产的两个基本目标是资源的综合利用和环境保护。

对生产过程而言，清洁生产要求渗透到从原材料投入到产出成品的全过程，包括节约原材料和能源，替代有毒的原材料和短缺资源，二次能源和再生资源的利用，改进工艺及设备，并将一切排放物的数量与毒性削减在离开生产过程之前。

对于产品而言，清洁生产覆盖构成产品整个生命周期的各个阶段，即从原材料的提取到产品的最终处理，包括产品的设计、生产、包装、运输、流通、销售及报废等，合理利用资源，并最大限度地减少对人类和环境的不利影响。

    综上所述，机械制造业的发展方向是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术是企业产品在全生命周期

中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化达到产品上市快、服务好、质量优成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，是企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

二、简述先进制造技术的定义、特点和发展趋势。

（10分）

先进制造技术（AdvancedManufacturingTechnology，简称为AMT）是指微电子技术、自动化技术、信息技术等先进技术给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。

具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。

主要包括：

计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。

AMT是制造业企业取得竞争优势的必要条件之一，但并非充分条件，其优势还有赖于能充分发挥技术威力的组织管理，有赖于技术、管理和人力资源的有机协调和融合。

三、现代设计技术的核心因素及发展特点有哪些？

列举一些主要设计技术方法。

（15分）

四、简述超高速加工技术和超精密加工技术所涉及的主要关键技术问题有哪些？

（20分）

  超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。

超高速加工技术主要包括：

超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。

超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1µ  m，表面粗糙度Ra小于0.025µ  m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01µ  m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。

  超精密加工技术主要包括：

超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。

（1）超高速切削、磨削机理研究。

对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。

（2）超高速主轴单元制造技术研究。

主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。

  （3）超高速进给单元制造技术研究。

高速位置芯片环的研制；精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；机械传动链静、动刚度研究；加减速控制技术研究；精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。

  （4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。

研究开发各种超高速加工（包括难加工材料）用刀具磨具材料及制备技术，使刀具的切削速度达到国外工业发达国家90年代末的水平，磨具的磨削速度达到150m/s以上。

  （5）超高速加工测试技术研究。

对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术，对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。

  （6）超精密加工的加工机理研究。

“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。

  （7）超精密加工设备制造技术研究。

纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。

  （8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术研究。

金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。

  （9）精密测量技术及误差补偿技术研究。

纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。

  （10）超精密加工工作环境条件研究。

超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究。

五、非传统加工技术主要有哪些种类？

非传统加工技术的主要特点有哪些？

（10分）

非传统加工亦称为“特种加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。

雷射加工（LaserBeamMachining,简称LBM）

是以种高热的加工法，被加工之工件材料一部分是在液态下以高速除去，但主要是由於高热直截挥发成汽态离开工件。

加工法是激发红宝石中铬离子放出能量，加强加速光束。

切割、雕刻、打洞、焊接、钻孔、模板修补、标记、表面处理等，使用的雷射则分气体雷射及固体雷射两种。

气体雷射以二氧化碳為主，固体雷射则以加工用的YAG雷射為代表。

指传统车、钳、铣、鉋、磨等加工以外，新的机械加工方法之总称，主要是指不直接利用机械能，而利用电能、热能、光能、声能、化学能等，其他能量来对工件进行尺寸、形状变更或表面处理加工的方法。

除了这些单独的加工方法使用外，亦可结合两种或多种加工方法的应用而得到复合加工方法，来达到截长补短之功效。

电镀（electroplating）被定义為一种电沉积过程（electrodepos-itionprocess），是利用电极（electrode）通过电流，使金属附著於物体表面上，其目的是在改变物体表面之特性或尺寸。

电镀之目的:

在基材上镀上金属镀层（deposit），改变基材表面性质或尺寸。

電子束加工

电子束是其物体受激振后所產生的眾多电子，若利用导引或约束装置将其集结成束后，然后高速撞击於工件上，将其动能转换為热能，即可进行切削或熔接，然而若是将电子撞击到工件材料后，依工件材料受激发出来的二次电子或波长等特徵，即可进行检验工件。

以执行所须的操作---如切削、熔接或检验。

优点:

1.精度高，适合需要高精度的细微切削。

2.电子束甚集中（直径0.0012mn），工件上的热影响区域或压力几乎难以发现，可得很精确的公差

缺点:

1.设备成本高。

2.须熟练的技术。

3.须在真空中操作，工件大小较受限制。

超音波加工

超音波是一种频率超过可听到声音的振动波，视其应用而可分為超音波切削、超音波熔接与超音波检验等主要用途。

超音波的產生是利用一种介质，如石英晶体等，将电气信号转变為一种高频振动波而得者。

优点计有:

1.没有热应力存在。

2.低工