先进制造技术课件

第一章绪论1.1先进制造技术及其主要特点1.2先进制造技术的构成及分类1.3先进制造技术的现状及发展趋势复习思考题1.1先进制造技术及其主要特点

1.1.1制造、制造技术、制造业与现代制造业背景制造(Manufacturing)是利用制造资源(设计方法、工艺、设备和人力等)将材料“转变”为有用的物品的过程。制造是一个很大的概念，按制造的连续性可分为连续制造(如化工产品的制造)和离散制造(如家电产品的制造)；按行业又可分为机械制造、食品制造、化工制造、IT产品制造，等等。当今，人们对制造的概念又加以扩充，将体系管理和服务等也纳入其中。制造是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。

制造技术(ManufacturingTechnology)是制造活动所涉及到的一系列技术的总称，是提高产品竞争力的关键，也是制造业赖以生存和发展的主体技术。传统的制造技术仅强调工艺方法和加工设备。现代的制造技术不仅重视工艺方法和设备，还注重设计方法、生产组织模式、制造与环境和谐统一、制造的可持续性以及制造技术与其它科学技术的交叉和融合，甚至还涉及制造技术与制造全球化、贸易自由化、军备竞争等内容。

制造技术发展的三阶段

——用机器代替手工，从作坊形成工厂

——从单件生产方式发展成大量生产方式

——柔性化、集成化、智能化和网络化的现代制造

技术制造业是以制造技术为主导技术进行产品制造的企业群体的总称，是工业的主体。根据我国现行统计划分，工业由制造业、采掘业以及电力、燃气和水的生产供应业构成，制造系指第二产业中除采掘业、电力和燃气及其生产供应业、建筑业以外的所有行业，包括30个大类、169个中类、482个小类。

制造业我国经济发展的战略重点“十一五”重点发展方向之一工业化国家：60-80%的物质财富来源。

***世界经济发展的趋势表明

制造业——一个国家经济发展的基石

增强国家竞争力的基础

——解决就业矛盾的重要领域

提高国家整体就业水平的重要基础

——新技术的载体

世界高新技术发展的动力1、传统制造业生产和技术的特点

1）单件：小作坊式生产+高度的个人制造技巧，大量：机械化刚性规模生产+一体化的组织生产模式，再加细化的专业分工。

2）制造技术的界限分明及其专业的相互独立。

3）制造技术一般仅指加工制造的工艺方法，即制造

全过程中某一段环节的技术方法。

4）制造技术一般只能控制生产过程中的物质流和能量流。

5）制造技术与制造生产管理的分离

2、现代制造业及其技术的发展

1）在制造的生产规模上，少品种大批量→单件小批量→多品种变批量的发展。

2）生产方式上，劳动密集型→设备密集型→信息密集型→知识密集型变化。

3）制造装备的发展过程，手工→机械化→单机自动化→刚性自动线→柔性自动线→智能自动化。4）在制造技术和工艺方法上，现代制造在发展中，其特征表现为：——重视必不可少的辅助工序，如加工前后处理。——重视工艺装备，使制造技术成为集工艺方法、工艺装备和工艺材料为一体的成套技术。——重视物流、检验、包装及储藏，使制造技术成为覆盖加工全过程的综合技术。——不断吸收微电子、计算机和自动化等高新技术成果，形成CAD、CAM、CAPP、CAE、NC、CNC、MIS、

FMS、CIMS、IMT、IMS等一系列现代制造技术，并实现上述技术的局部或系统集成，形成从单机到自动生产线等不同档次的自动化制造系统。5）引入工业工程和并行工程概念，引入先进的管理模式。§221世纪的制造业

一、传统制造业

企业规模在规模经济的理念下， 生产批量强调资源的有效利用，产品结构

重复性

机器的非柔性以低成本，获得高质标准的产品设计量、高效率高产出。 机器取代人力复杂的专业加工取代人的技能

加工制造技术与工业先进国家相比还有不少差距:

切削速度低,加工精度和表面粗糙度比国外差一个精度级左右,总体呈现出制造生产能力总量过剩而制造加工技术水平偏低的特征。

新型刀具应用不够广泛，刀具寿命偏低、切削性能不够稳定。制造自动化方面，机床数控率仅为百分之几，机床和刀具工况在线检测、监控技术水平有待提高。

在精密和超精密加工方面，一般工厂能稳定掌握的加工精度为5μm（工业发达国家为3μm），超精密加工效率和自动化水平还较低。

当前着重发展0.3-3μm的精密加工、0.03-0.3μm的超精密加工，并逐步发展精度高于0.03μm的纳米加工技术。

我国在激光表面处理研究领域取得了不少成就，但在激光切割、焊接的工业应用方面与工业化国家尚有较大差距。二、制造业的变革时代生产要素组成核心

农业经济劳动力劳动力

工业经济资本、劳动力资本

知识经济资本、劳动力、知识知识1、变革因素

——

社会消费的多样化、科学技术进步

——

政治国际关系的多极化

——

经济经济全球化、贸易自由化

2、变革的主要特点

1）生产能力（包括资本、信息）在世界范围内迅速提高和扩散，已形成全球市场激烈竞争格局。

2）先进生产技术的出现正在急剧地改变着现代制造业的产品结构和生产过程。

3）传统的管理、劳动方式、组织结构和决策准则都在经历新的变化。

3、制造技术给制造业带来的变革1）常规制造工艺的优化2）新型（非常规）加工方法的发展3）专业、学科间的界限逐渐淡化、消失4）工艺设计由经验走向定量分析加工工艺由技艺发展为工程科学。5）信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合

三、21世纪面临的挑战

1、快速响应市场竞争的挑战――实现制造环节并行2、全球化竞争的挑战――技术资源的集成有三个主要的因素促使技术资源的集成：（1）为满足市场需求，企业必须快速响应那些具有不同期望和多种选择的顾客。（2）快速响应环境要求在组织的各个层次上进行高效的通信，特别是与顾客、供应者和合作者的通信。（3）新技术的快速吸收要求整个企业具有快速的学习能力。3、信息时代的挑战――信息向知识的转变4、环境保护压力的挑战――可持续发展5、制造全球化和贸易自由化的挑战――可重组工程6、技术创新的挑战――全新制造工艺及产品的开发

2020年，技术创新的单元将在以下诸方面发巨大的能力：（——制造单元工艺）

1）多单元工艺技术集成为单一工艺将显著减少投资、检验时间、搬运和加工时间。

2）全部可编程、不需要硬工装的工艺，将使产品的制造、迅速转产成为可能。

3）自我导引工艺的创建将简化工装和编程的要求，并提供更大的加工柔性。

4）对分子或原子级的处理将导致新材料的产生，取消分散件联接与装配操作，允许在一个零件中材料成份产生变化。四、21世纪制造业的主要特点

1.产品生命周期缩短

2.用户需求多样化

3.大市场和大竞争

4.交货期成为竞争的第一要素

5.信息化和智能化

6.人的知识、素质和需求的变化

7.环境保护意识的增强与可持续发展

五、发展趋势

制造业在新世纪、新技术革命的冲击下，面临严峻的挑战和机遇，其发展的重要特征：

1）全球化全球经济一体化的程度不断提高

2）网络化

3）虚拟化

未来制造技术发展的总趋势：

1）精密化

2）柔性化

3）智能化

4）集成化（5）全球化1.1.2先进制造技术的定义先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)是一个相对的、动态的概念，是为了适应时代要求，提高竞争能力，对制造技术不断优化所形成的。虽然目前对先进制造技术仍没有一个明确的、一致的定义，但经过对其内涵和特征的分析研究，可以将其定义为：“先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息(计算机与通信、控制理论、人工智能等)、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力并取得理想经济效果的制造技术总称。”1.1.3先进制造技术的特点1.系统性

2.集成性

3.广泛性

4.高精度

5.实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产

1.2先进制造技术的构成及分类

1.2.1先进制造技术的构成先进制造技术在不同发展水平的国家和同一国家的不同发展阶段，有着不同的技术内涵。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、层次及其技术构成如图1-1所示。图中从内层到外层分别为基础技术、新型单元技术和集成技术，下面将分别论述。

图1-1先进制造技术的内涵、层次及其技术构成

1.基础技术图1-1的最内层是优质、高效、低耗、少或无污染(清洁)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、经济适用的技术，这些基础工艺经过优化而形成的基础制造技术是先进制造技术的核心及重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、精密成型、精密加工、精密测量、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.新型单元技术中间层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，将制造技术与电子、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、先进技术基础方法、清洁生产技术、新材料成型与加工技术、激光等特种加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。

3.集成技术最外层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的先进制造技术的高级阶段，如FMS、CIMS、IMS等。国际上，美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组在1994年提出将先进制造技术分为三个技术群：①主体技术群；②支撑技术群；③制造技术环境。这三个技术群相互联系、相互促进，组成一个完整的体系。表1-1给出了先进制造技术的体系结构。

表1-1先进制造技术体系结构

1.2.2先进制造技术的分类

1.现代设计技术现代设计技术是根据产品功能要求，应用现代技术和科学知识，制定方案并使方案付诸实施的技术。它是一门多学科、多专业相互交叉的综合性很强的基础技术。现代设计技术所包含的内容有：

(1)现代设计方法。现代设计方法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，从而达到整体最优功能目标，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，增强产品的国际竞争力。

2.先进制造工艺现代制造工艺技术包括精密和超精密加工技术、精密成型技术以及特种加工技术等。

(1)精密和超精密加工技术。精密、超精密加工技术采用去除加工(精密切削、磨削、研磨等)、结合加工(离子镀、晶体生长、激光焊接、快速成型等)、变形加工(精锻、精铸等)等加工方法，使工件的尺寸、表面性能达到极高的精度。现在的精密、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全部、无余量或少余量半成品的工艺方法的统称，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。其目的在于使成型的制品达到或接近成品形状的尺寸，并达到提高质量、缩短制造周期和降低成本的效果；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畴的加工，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等。特种加工技术因其各自的独特性能而在机械、电子、化工、轻工、航空、建筑、国防等行业以及材料、能源和信息等领域得到了广泛的应用。

(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，从而提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术的统称，是表面工程的重要组成部分。

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，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验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，节省能源消耗以及降低生产成本。自动化技术主要包括数控技术、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的生产经营活动中，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分利用，使企业的综合效益(质量、成本、交货期)得到提高而采取的各种计划、组织、控制及协调的方法和技术的总称。它是现代制造技术体系中的重要组成部分，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、企业组织结构与虚拟公司等生产组织方法。

1.3先进制造技术的现状及发展趋势

1.3.1世界制造业现状

1.美国制造业的竞争策略制造业是美国经济的主要支柱，美国财富的68%来源于制造业。1991年9月，在由美国总统办公厅指定的国家关键技术委员会向总统提出的双年度报告中，认定制造领域的国家关键技术包括：(1)柔性计算机集成制造；(2)智能加工设备；(3)微米级和毫微米级制造；(4)系统管理技术。

1992年国家关键技术委员会又提出将先进制造技术作为国家关键技术。近几年来，美国政府所采取的主要措施有：

(1)1994年从财政年度预算中拨款14亿美元支持先进制造技术研究开发；

(2)先进技术计划(ATP)1992年已有60个项目获得资助；

(3)实施小企业革新研究计划(SBTR)；

(4)实施工程研究中心建设计划(ERC)；

(5)实施战略制造计划(STRATMAN)；

(6)实施有益于环境的制造计划；

(7)实施制造科学与技术计划；

(8)建立航空航天、电子、机床等领域的敏捷制造研究中心；

(9)在一些大学设置制造工程系、专业、研究中心或实验室；

(10)在美国科学基金会中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科，以强化对其的支持。

分析美国在先进制造技术基础领域的研究现状，其发展趋势大致如下：

(1)面对大制造业，用户需求启动研究。

(2)在制造业和制造技术较为发达的基础上，注重制造模式的研究。

(3)CAD普及率达60%以上。

(4)在传统冷、热成型工艺基础上，发展精度较高的成型工艺技术。

(5)发展特种与复合加工工艺，如高能束加工工艺等。

(6)利用应用软件、传感器和控制系统建造新一代智能化机床和智能化加工单元，通过建模、仿真来优化车、钻、铣、磨、模和注塑成型工艺过程。

(7)生产准备工作柔性化和柔性工装卡具，近几年成为制造领域的研究热点。

(8)发展少或无污染和可拆卸回收的产品及其制造技术。

(9)不少大学工学院多年来设置有技术与管理相结合的工业工程科系。近些年，在大学工学院设置制造工程学科、中心、实验室的数目不断增加。

(10)国家科学基金资助指南中，制造工程与科学在工程领域列为独立学科，与机械和结构学科分立，强化对制造技术基础与应用基础研究的支持。

2.日本制造业的发展对策美国曾以福特方法赢得全世界制造技术的优势。而日本人却在福特方法的基础上，不断更新技术以适应市场需求。在20世纪70年代，日本汽车大举进入美国市场，以其价廉质优和多品种将美国三大汽车公司推向倒闭的边缘。在1990年，仅日本FANUC公司生产的数控系统装置数量就占世界市场的一半。

总体来讲，IMS的研究包括三个方面：

(1)将目前各国、各企业掌握的制造技术系统化，包括产品设计技术和产品加工、装配技术等。

(2)将现有技术及将要开发的技术标准化，包括制造数据的压缩、传递与储存的标准化以及物流管理技术的标准化。

(3)面向21世纪的先进制造系统的研究开发，包括系统管理技术，设计、加工和装配技术以及制造系统体系结构。

3.前欧共体ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划前欧共体支持先进制造技术开发的主要有关计划是ESPRIT计划和BRITE-EURAM计划。ESPRIT计划主要资助微电子、软件工程和信息处理系统、计算机集成制造等方面的研究。BRITE-EURAM计划主要资助材料、制造加工和设计以及复杂工厂系统等方面的研究。上述前欧共体的这种大型国家级研究项目参加者除大企业外还有小企业和大学，参加单位多，研究工作显得分散。

4.韩国G7计划韩国于1991年提出实施“高级先进技术国家计划”，即G7计划。G7计划中的“先进制造系统”项目是一个将市场需求、设计、制造和分销集成在一起的系统，旨在改进产品质量，提高生产率，增加国际竞争力，使韩国制造技术达到世界先进水平。该项目由韩国国家机构科技部负责，总投资额为5.95亿美元，其中政府资助2.77亿美元。

上述“先进制造系统”项目的内涵为

(1)共性基础技术：开放式集成系统(包括设计自动化、并行工程等）；标准和性能评估。

(2)下一代加工系统：加工设备开发(包括5轴加工中心、超精非球面加工中心等）；机械技术(包括高性能主轴、高精度加工和测量等)；运营技术；集成技术。

(3)电子产品的装配和检验系统：下一代印刷线路装配和检验系统；用于装配和制造系统的高性能机械机构；先进装配用基础技术(包括精密装配、无焊料结合等）。

1.3.2先进制造技术在我国的发展

1.我国制造业相对优势与先进制造技术的发展

(1)我国制造技术经建国以来50余年的发展已形成较完整的技术体系，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，已能生产机床、汽车、轮船、飞机、大型发电机组等工业装备及民用消费类制造产品。

(2)通过对引进技术的消化吸收和对企业现有技术的深化改造，不少企业已经掌握了一批相对先进的制造技术和管理方法，不少产品已成功地打入国际市场。

(3)在制造技术基础研究的许多方面我国已具有很高水平，制造学科已发展成为一个重要的支柱学科。近百所高等工科院校设有机械制造、机电一体化等相关专业；国家有关部委也设有制造工艺与技术研究所；20世纪80年代中期，国家设立了国家自然科学基金委员会，建立了机械强度与振动、摩擦学、流体传动与控制、激光、模具、焊接、测试与精密仪器、精密成型、汽车、超精密加工等国家重点实验室或工程中心。

(4)在“九五”计划的实施中，国家科学技术部的“国家科技攻关计划”、“国家高新技术研究发展计划”、“国家基础研究重大项目计划(攀登计划预选项目)”都列入有关项目并付诸实施，其中“精密成型与加工研究开发和应用示范”、“金属材料热成型过程动态模拟及组织性能质量优化控制”、“CIMS”

以及“智能机器人”等项目已全面实施。

(5)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的项目，如数控系统及装备研究、自动测试系统及设备技术研究、现场总线研究、智能化仪表研究、传感器技术研究、30万辆轿车规模生产关键技术及装备研究等。

(6)先进制造技术应用情况。①1993年国家科委组织实施“CAD应用工程”，原机械部又将1997年定为CAD推广年，现在机械工业系统的骨干企业中CAD应用的普及率达到35％，但绝大多数只是“甩图板”。②

1958年开始研制数控机床，到20世纪80年代通过引进、消化、吸收国外成熟技术开发出具有自主知识产权的数控系统；到80年代中期，已开始引进和自行研制柔性制造系统，数控机床的生产也实现了产业化。但在金属切削机床总产量中，数控化率只有5%左右。

③

我国在20世纪70年代中期研制成功了直接数控(群控)系统并应用于生产，现在已拥有柔性制造系统和柔性制造单元等自动化制造系统。北京第一机床厂的CIMS工程于1994年初步建成，并于1995年获得美国制造工程师学会和计算机与自动化系统专业学会(CASA/SME)的CIMS应用工业的称号。在此之前，1994年清华大学获得CASA/SME的CIMS大学领先奖。

④

我国在20世纪80年代末就注意引进先进管理模式。沈阳鼓风机厂很早就采用了国际商用机器公司(IBM)的“面向通信的生产信息和控制系统”(CommunicationOrientedProductionInformationandControlSystem，COPICS)，第一汽车集团公司在生产管理中引进了日本的“准时生产”(JIT)模式。据有关资料报导，我国企业已先后投入大约80亿元购买了MRPⅡ软件来建立现代生产管理系统或MIS系统。

2.我国机械制造业的差距与发展目标我国机械制造业的差距(1)产品品种少、档次低。(2)制造工艺落后，装备陈旧。

(3)生产专业化水平低。

(4)管理技术落后。

鉴于目前机械工业的状况，围绕发展先进制造技术，我国制定了机械工业发展目标：

(1)2000年，产品设计、精密和超精密加工、激光加工、表面改性、制膜和涂层、制造业和过程工业综合自动化以及系统管理技术，总体上达到工业先进国家20世纪80年代末90年代初的水平。

(2)我国的优质、高效、低耗、少或无污染的现代制造技术普及率在2000年由目前的不足10%提高到20%，预计在2010年提高到50%。

(3)形成一批高科技产业：四个加工产业（精密成型加工、精密加工、激光加工、表面处理加工）；三个自动化硬件产业(数控系统、工业机器人、传感器和测试设备）；三个软件产业(CAD、CAM、MIS）。到2000年，大型企业普遍采用CAD技术和计算机辅助管理技术；预计到2010年，大、中型企业普遍采用CAD，25%的大、中型企业采用CAM，大、中型企业主要产品的关键工序实现柔性化生产。

1.3.3先进制造技术的发展趋势

当前先进制造技术的发展方向大致有以下九个方面：(1)信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合，现代制造生产模式将得到不断发展；(2)设计技术与手段更现代化；(3)成型及制造技术精密化，制造过程实现低消耗；(4)形成新型特种加工方法；(5)开发新一代超精密、超高速制造装备；(6)加工工艺由技艺型发展为工程科学型；(7)实施无污染绿色制造；(8)虚拟现实技术将在制造业中广泛应用；(9)制造过程中将贯彻以人为本的概念。

三、发展趋势1、集合多学科成果形成一个完整的制造体2、先进制造技术的动态发展过程3、信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用4、先进制造技术向超精微细领域扩展5、制造过程的集成化6、制造科学与制造技术、生产管理的融合7、绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征（1）绿色产品设计技术（2）绿色制造技术。（3）产品的回收和循环再制造8、虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用（VirtualRealityTechnology）9、制造全球化

（ManufacturingGlobalization）

四、技术前沿――关键技术

1、可重组制造系统

五个方面：（1）制造工艺与工装。（2）基础理论（3）新的制造系统。（4）建模与仿真。（5）控制和通信。

2、无浪费工艺

两个重要领域进行研究：（1）废弃物的减少和利用。（2）产品设计和分析。

3.新的材料工艺三大领域展开：（1）创新的工艺过程。（2）设计和分析方法。（3）理论基础4、生物制造技术5、企业建模和仿真两大领域：（1）通信与信息技术。（2）建模工具6、信息技术7、满足多层次用户需求的产品及工艺设计方法

8、增强型人－机界面9、劳动力教育和培训10、智能协作系统软件§4先进制造工艺一、分类

1、行业标准“JB/T5992-92”机械制造工艺方法分类的代码0-铸造

1－压力加工

2－焊接

3－培训加工

4－特种加工

5－热处理6－覆盖层

7－装配与包装8—其他2、主要的新型加工方法类型

——

精密加工和超精密加工

——

超高速加工

——

微纳加工

——

特种加工及密度高能加工

——

快速原型制造

——

新型材料加工

——

大件及超大件加工

——

表面功能性覆层技术二、工艺技术发展现状

1、

加工精度不断提高

2、加工速度得到提高

3、材料科学促进制造工艺变革

4、重大技术装备促进加工制造技术的发展

5、优质清洁表面工程技术获得进一步发展

6、精密成形技术取得较大进展

7、热成形过程的计算机模拟技术研究有一定发展三、发展特点1、常规工艺不断优化并得到普及2、工艺界限趋于淡化下料与加工；毛坯制造与零件加工；粗、精加工；冷、热加工；成形与改性3、在功能上趋于交叉四、发展趋势

****总体发展趋势：

优质、高效、低耗、敏捷、洁净

****成形工艺发展趋势：

---铸造:轻量化、精确化、强韧化、复合化无环境污染

---压力加工:净成形、工艺变量的定量分析与控制

---焊接：高能密度焊接、柔性化、智能化、自动化焊接系统****非传统加工工艺发展趋势：

柔性化、智能化、自动化、精密化、低成本

****加工制造技术的热点：

—

先进精密、超精密加工技术

—

特种加工技术

—

超高速切削和超高速磨削技术

—

微型机械加工技术

—

新一代制造装备技术

—

虚拟制造技术复

习

思

考

题

1-1论述先进制造技术及其主要特点。1-2叙述先进制造技术的分类及主要技术。1-3描述我国机械制造业的发展目标。

第二章现代设计技术2.1概述

2.2计算机辅助设计(CAD)技术

2.3有限元分析

2.4并行设计

2.5反求工程

2.6绿色产品设计

复习思考题

2.1概述工程设计的最终目的是创造满足用户需求的产品。产品所达到的质量、性能、时间、成本、寿命等综合指标主要是在设计阶段决定的。传统的工程设计，根据工作性质与内容不同，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。现代工程设计技术已扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的设计。2.1概

述

2.1.1现代设计技术定义与特点

1.现代设计技术的定义现代设计技术是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。

2.现代设计技术的特点(1)系统性。(2)动态性。

(3)创造性。

(4)计算机化。

(5)并行化、最优化、虚拟化和自动化。

(6)主动性。

2.1.2现代设计技术体系现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成，如图2-1所示。

图2-1现代设计技术的体系及与其它学科的关系

1.基础技术基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等。

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相关、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(IntelligentCAD，ICAD)、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技术。运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、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、更深入地模拟人的推理与思维，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的主干，即主体技术。

3.支撑技术支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及的内容很广，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、面向对象设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，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的解决各类具体产品设计问题的技术，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具体技术群。现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。

2.2计算机辅助设计(CAD)技术

2.1.1计算机辅助设计技术的产生及发展(1)20世纪50年代——CAD技术的萌芽期。(2)20世纪60年代——CAD技术的成长期。

(3)20世纪70年代——CAD技术的发展期。

(4)20世纪80年代——CAD技术的普及期。

(5)20世纪90年代——CAD技术集成化期。

2.2.2计算机辅助设计的关键技术

1.产品的几何造型技术

CAD的几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内，以建立计算机内部模型的过程。被设计对象的造型建模技术的发展，经历了线框模型、表面(曲面)模型、实体建模、特征造型、特征参数模型、产品数据模型的演变过程，主要模型类型如图2-2所示。

图2-2三维几何模型类型(a)线框模型；(b)表面模型；(c)实体模型

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，用来描述产品的轮廓外形(见图2-2(a))。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局、三视图生成、运动机构的模拟和有限元网络的自动生成等方面，但它无法产生剖面图、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结构在线框模型的基础上，增加了有关面的信息和棱边的连接方向等内容。表面造型又分为“多边平面造型”和“曲面造型”两种。多边平面造型只能构建平面主体，描述能力不强，故较少采用(见图2-2(b))。曲面造型则发展非常迅速，它可以用于构建具有复杂自由曲面和雕塑曲面的物体模型(见图2-3)，因此广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造工业中。常用的建模方法有贝塞尔(Beizer)曲面技术和B样条(B－spline)曲面技术。表面模型能求解两个形体的交线、消除隐藏线等，但无法定义厚度及内部几何体，故无法生成形体的剖面图以及进行物性的计算。

图2-3曲面造型典型模型

3)实体模型实体模型较完整地反映了三维实体的几何信息(见图2-2(c))，它既能消除隐藏线，产生有明暗效应的立体图像，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，进行有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等作业。常用的实体造型方法有“边界表示”(BoundaryRepresentation，B-rep)法和“构造实体几何”(ConstructiveSolidGeometry，CSG)法。边界表示法把一个物体被看作是由有界的平面或曲面片子集构成的，每个面又由它的边界边和顶点组成(见图2-4)，经过各种几何运算和操作，最后达到构成物体的目的。

图2-4边界表示法实体模型

CSG法的基本思想认为任何几何形体都是由简单的“实体细胞”组成的，这种实体细胞可称为“体素”。CAD系统中常用的体素有：长方体、圆柱、圆锥、球、圆台、楔、椭圆锥等。系统通过布尔运算可以将这些几何体素组成所需要的物体。高档的CAD系统还允许用户根据需要自己定义一些参数化的几何体素。复杂的几何物体是由体素组成的，通过正实体、负实体的定义，二维多边形的扫描、移动、旋转、挖切和镜像等操作来实现物体的创建。图2-5就是用此方法生成的复杂零件图。

图2-5CSG法实体模型

4)特征造型所谓特征，就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几何体，它既反映了零件的几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的零件特征包括：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。与实体模型相比较，特征造型能更好地表达统一、完整的产品信息；能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。因此，基于特征的建模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。

2.单一数据库与相关性设计单一数据库是指与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。所谓相关性设计，是指任何设计改动都将及时地反映到设计过程的其他相关环节上。例如，修改二维零件工程图样中的某个尺寸，则与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新；修改二维图样左视图中的某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的尺寸和形状也会随之变化。建立在单一数据库基础上的产品开发，可以实现产品的相关性设计。单一数据库和相关性设计技术的应用有利于减少设计中的差错，提高设计质量，缩短开发周期。

3.CAD与其他CAX系统的集成技术

CAD技术为产品的设计开发提供了基本的数据化模型，然而，它只是计算机参与产品生产制造的一个环节。为了使产品生产后续的作业环节有效地利用CAD作业所构造的产品信息模型，充分利用已有的信息资源，提高综合生产效率，必须将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其他功能系统的集成等。CAD技术的主要功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供共享的产品数据模型，它已成为CIMS或其他制造系统的基础和关键。

CAD技术的集成体现在以下几个方面：

(1)CAD与CAE集成、CAD与CAPP/CAM集成、CAD与PDM集成、CAD与ERP等软件模块集成。CAD与这些系统模块的集成为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动了企业的信息化进程。

(2)将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统以专用芯片的形式加以固化，这样一方面可以提高CAD系统的运行效率，另一方面可以供其他系统直接调用。

(3)CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现。

4.标准化技术由于CAD软件产品众多，为实现信息共享，相关软件必须支持异构、跨平台的工作环境。该问题的解决主要依靠CAD技术的标准化。国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模型交换标准”(StandardfortheExchangeofProductModelData，STEP)。STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。

2.2.3CAD系统软件与应用

1.系统软件系统软件主要用于计算机管理、维护、控制、运行以及计算机程序的翻译和执行，分为以下几类：

(1)操作系统。操作系统的主要功能是管理文件及各种输入输出设备。微机上常用的操作系统有DOS、Windows、UNIX、OS/2等。目前较为流行的操作系统是Windows，它是32位多窗口、多任务操作系统，提供了对多媒体和网络的软件支持。工作站主要采用UNIX操作系统，提供支持X协议的多窗口环境。

(2)编译系统。编译系统是将用高级语言编制的程序转换成可执行指令的程序。我们所熟知的高级语言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C++等，都有相应的编译程序或集成开发环境。

(3)图形接口及接口标准。为实现图形向设备的输出，必须向高级语言提供相应的接口程序(函数库)。Windows的CGI计算机图形接口编码面向应用软件开发，先后推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等图形接口标准。利用这些标准所提供的接口函数，应用程序可以方便地输出二维和三维图形。在各种以图形为基础的CAD软件相继推出后，为了满足不同应用系统产品数据模型的交换、共享需要，又制定了IGES、DXF、STEP等图形(产品)信息交换标准。

2.支撑软件

1)计算机分析软件

(1)常用数学方法库及其可视化软件。

(2)有限元分析软件。目前，有限元理论和方法已趋成熟，除应用于弹性力学和流体力学外，也应用于流动分析、电磁场分析等方面。商品化的有限元分析软件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些软件还具有较强的前、后置处理功能。

(3)优化设计软件。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，通过迭代寻求设计的最优方案。目前已有不少成熟的优化程序库，如LBM公司的ODL，我国自主知识产权的“优化方法程序库OPB-2”等。

2)集成化CAD/CAM软件集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。早期的集成化CAD/CAM软件主要致力于实现交互式绘图，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二维交互式绘图为主。20世纪80年代中期开始，实体造型技术日趋完善，不少CAD系统转向采用实体造型技术定义产品零件的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。目前较流行的CAD集成系统有：美国

PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司的Pro/Engineer，美国麦道飞机公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中国科学院北京软件工程研制中心开发的参数智能化CAD系统PICAD，高华计算机有限公司开发研制的集成智能化CAD系统，清华大学和华中理工大学共同开发的CAD-MLS等。

3)数据库管理系统(DBMS)数据库管理系统用于管理庞大的数据信息，提供数据的增删、查询、共享、安全维护等操作，是用户与数据之间的接口。数据库管理系统使用三种数据模型，即层次模型、网状模型和关系模型。目前流行的数据库管理系统有DBASE、FOXBASE、FOXPRO、ORACI.E、SYBASE等。

4)网络软件采用微机和工作站局域网形式的CAD系统已成为20世纪90年代CAD软硬件配置的首选方案。网络服务软件为这些系统在网络上的传输和共享文件提供了条件。最常用的网络软件是Novell公司的NETWARE，它包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。Microsoft的Windows95以上操作系统可直接支持绝大多数的网络互连服务。

3.应用软件应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发，也称“二次开发”。例如，模具设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件、飞机气流分析软件等均属应用软件。专家系统也是一种应用软件。在设计过程中，有相当一部分工作不是仅通过计算或绘图就可以完成的，而必须依赖该领域专家丰富的实践经验和专门知识，经过专家们的思考、推理和判断才能够完成。为使计算机模拟专家解决问题的工作过程而编制的智能型计算机程序称为专家系统。

2.3有

限

元

分

析

1960年，克拉夫(Clough)首先提出“有限元法”这个概念。30多年来，有限元法得到了很大的发展。它不仅可用于计算静力学模型，也可用于动力学模型求解；既可以计算稳态温度场的物体热力学响应，也可以用于非稳态热源下的时间响应，还能用于电磁场的力学分析等；既可以用于分析刚件结构的受载变形过程，也可以用于设计轮胎、橡胶零件等非刚性物体，找出它们结构设计中的薄弱环节。因此，有限元法已成为工程结构设计阶段不可缺少的工具。

秦凯维奇(Ｏ.Ｃ.Zienkiewicz)教授在他的名著《有限元法》中给出的有限元法定义是：把连续体看成是有限个部分(有限元)的集合体，其性态由有限个参数所规定，在求解离散成有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则。

有限元法的产品结构模型与CAD几何造型的模型是有区别的。有限元法将连续体的结构模型分解成数目有限的小块体(见图2-6)，这些小块体称为有限元，它们彼此之间用有限个结点相互联结，再在这些结点上引进等效力代替作用到单元上的外力，通过计算这些单元阵点力和位移之间的关系来解决连续体的力学问题。有限元法实质上就是把无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题。

图2-6有限元实体模型

图2-7受力弯曲有限元图

2.4并

行

设

计

关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，被普遍采用的是美国防务研究所1988年12月在第一届CE专题研讨会上给出的定义：“并行工程是一种对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行的、一体化设计的工作模式。这种工作模式可使产品开发人员一开始就能考虑到从产品概念设计到消亡的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求。”在传统的制造系统中，新产品的开发从概念设计到产品出厂的整个过程是按顺序(即串行)进行的。在产品图纸设计完成后，必须进行样机试制，再根据试制中发现的问题对图纸进行修改，同时整理试制工艺，设计制造工艺装备，然后再进行小批量生产，考核工艺规程和工装的正确性，并进行必要的修改。只有在小批量试制通过验证后，才能正式批量投产。

这种串行工程方式对批量较大和市场寿命较长的产品来说，不失为一种行之有效的方法。但是，许多不合理设计和错误设计只有通过试制过程才能发现，有时某些问题甚至是无法修改的，修改设计就意味着部分或全部报废，造成不必要的人力和物力浪费，其缺点是显而易见的。

因此，对于面向定单的单件及小批量生产，这种串行工作方式就完全不适用了。图2-8(a)、(b)为产品设计及技术准备阶段串行工程与并行工程的基本概念示意图。在串行工程中，前馈信息随着过程传递，反馈信息总滞后于过程，返工浪费很难避免。并行工程采用并行方式，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地设计或考虑整个产品生命周期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验方式、售后服务方案等进行统筹考虑，协同进行。经系统的仿真和分析评估，对设计对象进行反复修改和完善，力争后续的制造过程一次成功(DoRightFirst)。这样，设计阶段完成后一般能保证后面阶段如制造、装配、检验、销售和维护等活动顺利进行，前馈信息在过程传递之前即预发布至各后续工作环节，反馈信息能在过程传递之前送至前序环节，使之能及时修改。特殊情况下，并行工程中也需要对设计方案甚至产品模型进行修改。

图2-8串行工程与并行工程的基本概念示意图(a)串行工程；(b)并行工程并行工程在实施中采用团队工作(TeamWork)方式(见图2-9)，将各类专业人员在产品设计的开始时就组织在一起协同工作。初期人们采用集体办公模式实现团队工作，而在企业的计算机信息网络建立起来后，可以将各功能部门的计算机系统联网并通过相应的管理控制软件，使团队成员在异地共享信息，协同工作，实现更大范围内的并行工程模式。

图2-9企业范围内的并行工程模式

在上述并行工程运行模式下，每个设计者可以像在传统的CAD工作站上一样进行自己的设计工作。借助于适当的通信工具，在公共数据库、知识库的支持下，设计者之间可以相互通信，根据目标要求既可随时应其它设计人员要求修改自己的设计，也可要求其它设计人员响应自己的要求。通过协调机制，设计小组的多种设计工作可以并行协调地进行(见图2-10)。

图2-10并行工程设计网络

2.5反

求

工

程

1.零件反求零件反求实质上是零件复制。对于结构复杂和要求精确的关键零件，如果复制不精确，将直接影响所开发机器的性能。因此，精确测量拟复制零件，并在此基础上逆向生成精确的零件CAD模型，这是反求工程的关键。在反求工程中采用的测量方法可归纳为两类：一类为采用坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，CMM)的接触式测量，另一类是采用激光或机器视觉系统进行图像扫描的光学非接触式测量。下面以采用CMM测量的反求工程为例说明零件反求的过程。零件反求工程系统原理图如图2-11所示。

图2-11零件反求工程系统原理图

2.整机反求整机反求的工作内容如下：

(1)探索样机的设计思想。事实上在选择引进样机时就有一个指导思想，例如是选择功能齐全的还是造价便宜的，是注重高科技含量还是可持续发展性(如节约资源、不污染环境和模块化设计等)。根据这个指导思想去分析样机的特点，判断此指导思想是否与需求相吻合，这样才能为反求以后的产品发展打下良好的基础，避免引进错误。

(2)功能剖析。每种产品都有其特定功能，这是引进样机和发展产品的核心问题。因此，必须对样机的功能进行深入的研究剖析，特别是关键性的功能，必须掌握其基本原理，才能在此基础上设计自己的产品。

(3)性能试验。对样机的性能必须进行全面的试验和测定，反复验算，深入分析，掌握它的运动特性和动、静态力学特性，找出它可能存在的薄弱环节，以便于在自行设计开发时加以改进，使反求产品优于样机。

(4)结构分析。零部件的结构与功能原理和机械性能直接有关，并同生产成本和使用性能关系密切，也影响产品的可制造性和可维护性。因此，必须充分了解功能零部件的结构特点及其作用，精确反求，否则会危及产品的稳定性和可靠性，达不到样机的使用性能。

(5)形体尺寸及精度测定。对于关键零件，必须采用先进而精确的反求手段和仪器，精确测定样件的形体和相关精度(尺寸、形状和相互位置精度)，并分析它们的作用，否则，反求设计的产品将达不到样机的质量要求。

(6)工艺分析。这是反求工程中至关重要的一步。反求产品往往可以做到同样机“形似”，但由于工艺问题没有解决而达不到“神似”，即产品性能总达不到或不能超过样机。因此，在工艺问题上必须特别重视分析和掌握其工艺诀窍，这样才能真正达到反求工程的目标。

(7)材料分析。零件的材料及其处理方法是决定零件的功能和使用性能的关键因素之一。一般情况下，可通过外观对比、密度确定、理化分析、硬度测定和光谱分析等各种方法来测定材料的物理性能、化学成分，分析对它的热处理和表面处理方法及工艺方法。

(8)使用和维修分析。以用户的目光审视样机的使用方便性和易维修性，充分理解和掌握样机在这方面的设计思想。

(9)相关辅料分析。样机中使用的冷却液、润滑剂、密封件等也会影响产品的使用性能，在反求工程中同样不能轻视。除上述反求工作外，样机的造型设计、色彩配置、包装技术等也不能忽视，这将影响用户对产品的直觉印象和市场效应。

图2-12产品反求工程的工作流程

2.6绿色产品设计

1.绿色产品及特点绿色产品是指在产品全生命周期内(包括原材料准备、设计、制造、包装、运输、使用、回收、再用或再生等过程)能节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，并对生产者及使用者具有良好保护性的产品。因此，绿色产品设计可定义为面向不损害产品质量、功能及其制作过程的，能与环境相容的设计。

绿色产品的特点：

(1)优良的环境友好性，即产品从生产到使用乃至废弃回收处理的各个环节都对环境无害或危害极小。这就要求企业在生产过程中选用清洁的原料、清洁的工艺过程，生产出清洁的产品；使用产品时不对使用者造成危害；报废产品在回收处理过程中很少产生废弃物。

(2)最大限度地利用材料资源。

(3)最大限度地节约能源。

2.绿色产品设计的主要内容

(1)绿色产品的描述与建模：准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色产品设计的关键。

(2)绿色产品设计的材料选择：绿色产品设计要求设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用要求和性能，还应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，应选用无毒、无污染材料以及易回收、可重用、易降解材料。

(3)面向拆卸性设计：传统设计方法多考虑产品的装配性，很少考虑产品的可拆卸性。绿色产品设计要求把可拆卸性作为产品结构设计的一项评价准则，使产品在报废以后其零部件能够高效地、不加破坏地被拆卸，这有利于零部件的重新利用和材料的循环再生，达到节省资源、保护环境的目的。

产品类型千差万别，不同产品的拆卸性设计不尽相同。总体上，可拆卸性设计的原则包括：①

实现零件的多功能性，减少应拆卸零部件的数目，减少拆卸工作量；②

避免有相互影响的材料组合，避免零件的污损；③

易于拆卸，易于分离；④

实现零部件的标准化、系列化、模块化，减少零件的多样性。

(4)产品的可回收性设计：在设计时要充分考虑产品各零部件回收再利用的可能性、回收处理方法、回收费用等问题，达到节省材料、节约能源、尽量减小环境污染的目的。可回收性设计的内容包括：①可回收材料的识别及标志；②回收处理工艺方法：③可回收性的结构设计；④可回收性的经济分析与评价。可回收性设计的主要原则有：①

避免使用有害于环境及人体的材料；②

减少产品所使用的材料种类；③

避免使用与循环利用过程不相兼容的材料或零件；④

使用便于重用的材料；⑤

使用可重用的零部件。

(5)绿色产品的成本分析：与传统成本分析不同，绿色产品成本分析应考虑污染物的处理成本、产品拆卸成本、重复利用成本、环境成本等，以达到经济效益与环境质量双赢的目的。

(6)绿色产品设计数据库：这是一个庞大复杂的数据库，该数据库对绿色产品的设计过程起到举足轻重的作用。数据库包括产品全生命周期中环境、经济等有关的一切数据，如材料成分、各种材料对环境的影响、材料自然降解周期、人工降解时间和费用，以及制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及其对环境的影响等环境评估准则所需的各种判断标准。

复

习

思

考

题

2-1试论述现代设计技术的内涵及特点。

2-2描述现代设计技术的体系结构。为什么说计算机辅助设计技术是现代设计技术的主体？它与其它技术的关系如何？

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。

2-4叙述反求工程的含义，分析反求工程作业的基本步骤。

2-5试论述串行工程、并行工程的工作方式与优缺点。

2-6叙述绿色产品设计的主要内容。

第三章先进制造工艺技术3.1精密成型技术3.2精密与超精密加工技术

3.3超高速加工技术

3.4特种加工技术

3.5微细加工技术

复习思考题

3.1精密成型技术

3.1.1粉末冶金粉末冶金是一种精密成型工艺，成品件可以达到相当高的精度和表面粗糙度，可以不经任何后续加工直接应用，也可以进行一定的精加工。图3-1所示为粉末冶金工艺过程。

1.粉末成型方法

(1)磁动力压制。装于精密模具中的松散铁粉，经磁场径向压制可达到很高的密度，同时克服了单轴模压方法中限制轴向长度与密度梯度的局限性。

图3-1粉末冶金工艺过程

(2)爆炸压制。爆炸压制是得到高密度坯料的好方法。冲击波通过粉末即可将粉末压制成坯。光学研究表明，对于柱形试样，为使密度均匀，冲击波的形状应该是锥形的。

(3)新的挤压成型法。常规金属挤压仅限于铝和铜一类延性材料，而高强度材料和高温材料只能采用锻造与机加工方法。新的挤压法可通过调节金属粉末/粘结剂混合系统的粘度来制取挤压料，然后用挤压塑性材料的常规挤压机进行挤压。可像金属注射成型那样，用溶剂萃取法去除粘结剂，而后经烧结可制得棒、管等一类致密型材。通过调节粉末坡度与烧结参数，也可制取壁上有开孔的管，由此制成过滤器及其他功能产品。

(4)吹气装粉法。因粉末流动性差，故往往在压模装粉时出现粒度偏析。新开发出的吹气装粉法将少量气体吹入装粉靴中，因而改善了粉末的流动性，降低了粒度偏析，缩短了装粉时间。

(5)温压。温压工艺是利用温度与压力使粉末致密化的，其最终密度可达7.25～7.458g/cm3。各种温压工艺都有一定的温度范围。温压工艺应用于汽车零件等高强度、小型化的开发制造过程。

2.成型工艺特点及研究方向粉末冶金工艺一般具有以下特点：

(1)可以得到近净形零件；

(2)通过粉末合金成分的配合，可以得到符合零件性能要求的制品；

(3)也适合于大批量生产。

粉末成型领域的主要研究方向是：

(1)粉末制造技术，例如急冷凝固粉末、机械合金化(MA)粉末、超微(1μm以下)粉末的制备等。

(2)成型及固化技术，例如冷等静压成型(CIP)和热等静压成型(HIP)、粉末锻造、电磁成型、金属粉末注射成型(MIM)等。新开发的粉末材料需配以优化的固化及成型技术。另外，比较成熟的模具成型技术亦存在工艺优化的需求。复杂零件的粉末精确成型(公差达±0.02mm)也需要高精度、智能化的成型和固化设备的支持。这些问题共同的特点是对技术诀窍或经验的依赖程度很大。

3.1.2精密洁净铸造

1.精密砂型铸造(PrecisionSandCasting)

(1)FM法。FM为法语FonteMince(薄壁铁)的缩写。FM法采用冷芯盒砂芯叠箱造型，在低压下进行浇注。这种方法已成功地用于大量生产壁厚仅2.8mm的球墨铸铁排气管。法国一铸造厂已建成日产2500根排气管的生产线(1992年)，其主要用户为美国通用汽车公司Cadillac豪华型轿车部。

(2)Zeus法。Zeus法采用冷芯盒砂芯组芯造型，重力浇注。由于所用的工艺装备(芯盒)制造得十分精确，因而可获得尺寸十分精确的铝铸件，这种方法可以生产壁厚仅2.5mm的复杂铝合金发动机缸体、缸盖。

(3)Cosworth法。Cosworth法(见图3-2)采用冷芯盒砂芯组芯造型，但是它使用锆砂(通常在铸造生产中使用石英砂)，利用电磁泵来实现在可控压力下使铝合金液由下而上地充填铸型。由于锆砂的热膨胀率很小而且恒定，因而有利于获得尺寸精确度高的铸件。但是，由于锆砂导热性极好，比石英砂高出两倍多，因而用它所造的砂型难以浇注出壁厚小于4mm的铝铸件。此外，砂芯采用机械组装，组装后砂型如同一个整体，也有利于确保铸件尺寸精度。

图3-2Cosworth法示意图

2.消失模铸造(ExpendablePatternCastingorLostFoamProcess)消失模铸造采用遇液体金属后即气化的泡沫塑料作模样，无分型面，也不用取模，不用砂芯，同时采用无水分、无粘结剂、无附加物的干砂造型。这种方法可以生产出薄壁、零度拔模斜率的复杂铸件，并可直接铸出螺纹及曲折的通道。它可以减少机械加工工序。这种方法在大量生产中应用后发现还有不少有待解决的技术问题，例如：用于制造消失模的模具成本高和制造周期长，消失模因刚度差在紧砂过程中易变形，铸件表面质量不稳定，等等。B）工艺过程（P104）

3.挤压铸造(SqueezeCasting)所谓“挤压铸造”，是指将液体金属在不受扰动、不卷进空气的条件下充填金属铸型，随后又使铸件在高压下完成凝固过程，从而获得优质可热处理的铸件的工艺方法。这种最初作为液态冲压而开发的“挤压铸造”，目前则一般是指一种由截面尺寸很大的浇道将液态金属引入型腔的铸造方法，这样就能使铸件在凝固过程中能得到充分的补缩。今天被普遍接受的“挤压铸造”定义是：一种具有低的充型速率，最低限度的扰动，并在整个凝固期间保持高压的工艺方法，它能稳定地制造进行固熔热处理的高度整体性的铸件。汽车发动机铝合金活塞可以由加热的含超过25%陶瓷或耐磨金属纤维的预制件挤压铸造而成。该工艺方法将增强材料安放在需要的部位，如活塞圆顶或上活塞环槽处，以达到耐热及耐磨等目的。

4.半固态铸造(Semi-solidMetalCasting)半固态铸造的过程是：将一专门的连续铸造铝合金的坯料仔细地加热到其中含有一定的液态容积组分的温度，这一粥状坯料随后被挤压到一金属型腔内以形成一近终形、致密的铸件，然后可以通过热处理来进一步改善其性能。半固态铸造示意图如图3-3所示。

图3-3半固态铸造示意图

图3-4半固态铸造及挤压铸造获得的A1Si7Mg(A356/357)合金机械性能

5.压力铸造压力铸造是在高压作用下，将金属熔液以较高的速度压入高精度的型腔内，力求在压力下快速凝固，以获得优质铸件的高效率铸造方法。在有