工程材料与制造技术简论

第一章工程资料与制造技术简论第一章工程资料与制造技术简论本章将重点引见工程资料和制造技术的历史、现状和开展，以及制造类企业的组织构造和产品消费过程，希望读者能在进入现代资料成型与制造工艺根底的学习之前，对工程资料和制造技术的背景有一个比较完好的了解，以利于本课程和后续相关知识的学习。第一节工程资料开展简述第一节工程资料开展简述资料是人类用以制造有用物件的物质，而新资料主要是指最近开展起来或正在开展之中的具有特殊功能和成效的资料。人类历史证明，资料是人类社会提高的物质根底和先导。按照传统的分类方法可以分为金属资料、无机非金属资料〔陶瓷〕、有机高分子资料和复合资料四大类。图1-1中对上述四类资料在不同历史年代的相对重要性进展了描画。一、金属资料的开展简述金属资料具有其它资料体系不能够完全取代的独特的性质和运用性能，这是由于金属资料主要经过金属键结合而成，这种键合特点使得金属有比高分子资料高得多的模量、有比陶瓷高得多的韧性、可加工性、磁性和导电性。〔一〕金属资料的开展史公元前5000年为青铜器时代，公元前1500－1200年为铁器时代。18世纪以后，钢铁工业开场迅猛开展，成为产业革命的主要潮流和物质根底，其它金属资料也得到相应的快速开展。第一节工程资料开展简述〔二〕金属资料的开展现状主要围绕以下几个方面向纵深开展。〔1〕高纯资料〔2〕高强度及超高强度金属资料〔3〕超易切削钢和超高易切削钢〔4〕硬质合金与金属陶瓷〔5〕高温合金与难熔合金〔6〕纤维加强金属基复合资料〔7〕共晶合金定向凝固资料〔8〕快速冷凝金属非晶及微晶资料典型非晶和微晶金属资料：1〕金属玻璃2〕金属微晶资料〔9〕有序金属间化合物〔10〕纳米金属资料〔11〕外形记忆合金〔12〕贮氢合金第一节工程资料开展简述二、无机非金属资料〔陶瓷〕的开展简述先进陶瓷的化学键是由共价键和离子键组成,具有优良的耐高温、耐磨、耐腐蚀的特点。〔一〕陶瓷的开展史中国是陶瓷的发源地，最早人类利用粘土的可塑性将其加工成所需外形，然后用火烧制成型，这就是陶器。陶瓷的第一次艰苦飞跃是人类掌握了经过鼓风提高熄灭温度的技术，进而利用粘土、石英、长石等矿物制成了瓷器。陶瓷开展过程中的第二次艰苦飞跃是从传统陶瓷到先进陶瓷。〔二〕先进陶瓷的主要研讨领域与研讨现状先进陶瓷的研讨领域包括：粉体、构造陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、薄膜及喷涂、陶瓷工艺等。目前正围绕陶瓷资料的弱点方面转入更细致的根底研讨和运用研讨。第一节工程资料开展简述〔三〕构造陶瓷的研讨开展趋势构造陶瓷的脆性研讨〔1〕相变增韧陶瓷〔2〕高精细陶瓷〔3〕高韧性/高硬度α—Sialon陶瓷〔4〕可塑性变形陶瓷〔5〕金属间化合物与陶瓷复合资料〔6〕纤维及晶须加强陶瓷基复合资料〔7〕叠层构造陶瓷基复合资料〔8〕纳米陶瓷及其复合资料综上所述，陶瓷资料开展的过程也是陶瓷增韧的开展过程，设计思想阅历了“限制和减少缺陷—容忍缺陷—利用缺陷〞的变化过程。2．有关构造陶瓷粉体制备的研讨3．有关陶瓷资料的制备与加工技术4．有关陶瓷资料的可靠性检测与评价技术第一节工程资料开展简述〔四〕构造陶瓷的研讨展望预期构造陶瓷在以下领域具有重要的研讨开展前景：①新型层状碳化物和氮化物陶瓷的研讨②高性能复相陶瓷和陶瓷基复合资料，包括金属陶瓷，纳米复相陶瓷，多层次复合与交融复相陶瓷；③金属间化合物与陶瓷复合资料以及陶瓷纤维补强的陶瓷基复合资料的研讨；④高性能、批量化、低本钱先进陶瓷的制备和加工技术研讨⑤先进构造陶瓷的可靠性及性能评价技术研讨；⑥构造陶瓷资料物理力学性能检测方法与规范及评价技术研讨；⑦构造陶瓷资料可靠性的声学快速评价技术研讨；⑧高性能、低本钱、高可靠性陶瓷资料的制备技术研讨等。第一节工程资料开展简述三、工程塑料的开展简述工程塑料是一个特定的称号，其广义上是泛指具有高性能又能够替代金属资料的塑料，狭义上是指比通用塑料的强度与耐热性优良，可作为工业用的构造资料并具有功能作用的高性能塑料。〔一〕工程塑料开展史20世纪30年代，高分子构造与性能关系研讨的兴起及实际的创建，推进了新型高分子的合成。20世纪50年代初期开场了塑料制品的研讨。工程塑料主要种类工业化年度及首家商品化的企业列入表1-1，工程塑料的快速开展源于80年代以后。第一节工程资料开展简述〔二〕工程塑料的特点1．与金属资料相比其优点是：(1)比重小；仅为1.0-2.0，约为铁的六分之一；(2)加工性好，消费效率高；(3)耐水及各种化学药品腐蚀；(4)自光滑性好，摩擦系数小；(5)可以自在着色；(6)容易与玻璃纤维及各种填料复合；(7)优良的电绝缘性；(8)隔热性优良，导热系数约为铁的百分之一；(9)可降低本钱、节约资源和能源。2．与金属资料相比其缺陷是：(1)耐热性能差，软化点低；(2)机械强度低，抗张强度普通约为钢的非常之一；(3)尺寸稳定性差，线膨胀系数约为钢的5倍；(4)耐久性差，长期受重力作用易产生疲劳，在室外长期受紫外线作用，易降低性能。第一节工程资料开展简述四、复合资料的开展简述复合资料是指由不同资料组合而成，在新制成的资料中，原来各资料的特性得到了充分的运用，而且复合后，可望获得单一资料得不到的新功能资料。〔一〕复合资料的开展历史复合资料的开展阅历了古代—近代—先进复合资料的过程，最原始的复合资料是在粘土泥浆中掺稻草，制成很好的土砖。近代复合资料主要包括软质复合资料和硬质复合资料。第一节工程资料开展简述〔二〕先进复合资料的研讨现状典型复合资料的研讨现状如下：1.金属基复合资料〔MetalMatrixComposites—MMC〕MMC所用基体除Al,Mg外还包括Ti,Cu,Zn,Pb,Be超合金及金属间化合物。2.陶瓷基复合资料〔CeramicMatrixComposites—CMC〕3.其它复合资料除MMC和CMC复合资料外，目前处于大量研讨、开发运用的复合资料还包括：〔1〕树脂基〔高聚物〕复合资料，〔2〕原位复合资料〔InSituComposite〕，〔3〕功能精细复合资料〔FunctionalFineComposites〔4〕梯度功能资料〔FunctionallyGradientMaterials〕,〔5〕碳—碳复合资料〔Carbon­-CarbonComposites〕。第一节工程资料开展简述〔三〕复合资料的开展趋势〔1〕进一步了解复合资料所特有的复合效应。〔2〕与复合资料有关的物理景象，包括结晶体、稳定态、亚稳态和非稳态或暂稳态、各向同性物和各向异性物、热力学体系与非热力学体系等这些相互对立的物理景象的产生、转化都是复合资料设计和研讨的焦点。第一节工程资料开展简述五、其它先进资料简介〔一〕智能资料图1-2为其动作流程。〔二〕生物资料表1-2列出了近年来生物陶瓷复合资料的开展情况。〔三〕生态环境资料表1-3列出了生态环境资料的一些相关种类及其产品。〔四〕纳米资料第一节工程资料开展简述第二节制造〔工艺〕技术开展历史、现状与开展趋势制造业的构成见表1-4。一、制造技术的开展历史制造技术的开展大约阅历了以下六个阶段：1.从18世纪后半叶开场，蒸汽机与工具机的发明导致近代产业革命，揭开了近代工业的历史，促成了制造企业的雏形，其特征是工场式消费的出现。2.19世纪电气技术得到快速开展，导致电气技术与制造技术的交融，开创了电气化新时代，促进了制造业的飞速开展，使制造技术实现了批量化消费和工业化消费的新局面。3.20世纪初，内燃机这项艰苦发明引发了制造业的一场革命。使流水消费线和泰勒式任务制得到了广泛运用，特别是受二次大战的影响，使以降低本钱为中心的刚性、大批大量制造技术和科学管理方式得到空前开展。第二节制造〔工艺〕技术开展历史、现状与开展趋势4.制造技术开展的第四个阶段出如今二战以后，随着计算机、微电子、信息和自动化技术的快速开展，制造技术开场向高质量消费和柔性化消费开展。5.20世纪80年代以来制造技术的开展那么是由于市场牵动呵斥的。柔性制造单元〔FMC〕、引发了制造工程中组织构造和运转方式的革命性飞跃。6.进入90年代，制造技术的重要特征是与信息技术、人工智能技术融为一体，随着人工智能、人工神经网络、模糊逻辑等计算机智能的运用，制造知识的获取、表示、存储和推理已成为能够。第二节制造〔工艺〕技术开展历史、现状与开展趋势二、制造技术的现状机械制造工艺的流程图与详细过程见图1-3和表1-5.以机械制造业为例,在2000年前后，我国规模化企业有4万多个〔指产值大于500万的企业〕；资产超越2.5万亿人民币；职工到达1200万；年产值近2万亿；利润约为650亿；税收约为800亿；占工业总产值的1/4-1/5。第二节制造〔工艺〕技术开展历史、现状与开展趋势三、制造业及先进制造技术的开展趋势先进制造技术的开展趋势今后将具有以下明显特征：1.信息技术正在向制造技术注入和交融，促进着制造技术的不断开展。2.设计技术在不断现代化的同时，设计过程也由单纯思索技术要素转向综合思索技术、经济、和社会要素。3.成型及改良制造技术向精细、准确、少能耗、无污染方向开展。4.加工制造技术那么向着超精细加工技术、超高速切削以及开展新一代制造配备的方向开展。5.工艺将由技艺开展为工程科学。6.冷热加工之间、加工、检测、物流、装配过程之间、设计、资料运用、加工制造之间，其界限将逐渐淡化，并逐渐走向一体化。第二节制造〔工艺〕技术开展历史、现状与开展趋势第三节制造类企业的组织构造与运转方式一、近代企业的组织构造与运转方式福特消费方式的特点包括以下几个方面：〔1〕规范化产品的大批量消费〔2〕互换性原理的运用〔3〕流水作业与精细加工〔4〕刚性消费〔5〕专业化分化和顺序决策〔6〕集中指点与分级管理第三节制造类企业的组织构造与运转方式二、现代企业的组织构造与运转方式〔一〕精益消费(1)即时消费传统消费方式与即时消费方式的表示图分别见图1-4(a)和图1-4(b)。(2)成组技术成组车间规划如图1-5所示。(3)全面质量管理〔二〕集成制造福特方式与现代方式的在信息交流和组织构造之间的差别可用表示图1-6表示。第三节制造类企业的组织构造与运转方式〔三〕矫捷制造矫捷制造的突出特点主要表如今以下几个方面：(1)制造资源能快速重组，能矫捷的跟上市场的变化，具有快速的市场呼应才干。(2)能跨企业、跨地域甚至跨国界实现资源共享，使制造资源得到最充分的利用。(3)在共同利益驱动下，能实现部分利益与整体利益的高度一致，而无需行政命令。(4)能在保证整体利益的协调一致性的前提下，最大限制的发扬个体的积极性。第三节制造类企业的组织构造与运转方式第四节产品制造的过程简介现代产品的制造过程包括：产品设计，资料选择、资料成型、加工与外表处置、检验与装配等。一、产品与零部件设计现代产品设计是一个动态的过程。它不仅要思索产品的出世，还要思索产品从生到死整个生命周期和服役过程，这种设计思想的变化是基于制造业要对环境维护担任，企业要在市场猛烈竞争中提高消费效率、降低产品的制造本钱等要求中逐渐演化而成的。图1-7是串行设计与并行设计的表示图。第四节产品制造的过程简介二、产品或零件的选材与制造产品或零件设计完成以后，通常要根据产品的各种要求进展选材。选材时不仅对资料的性能有要求，对资料的本钱和可加工性能等诸多方面也有要求。产品制造工艺技术很多，概括起来主要有以下几大类：〔1〕成型工艺；〔2〕切削与磨削工艺；〔3〕特种工艺；〔4〕塑料成型工艺；〔5〕生长成形工艺〔快速成型工艺〕。第四节产品制造的过程简介1.课程性质传统的工程资料及机械制造根底课程是研讨机器零件常用资料和加工方法，即从选择资料、制造毛坯、直到加工出零件的综合性课程。随着科学技术的快速开展，知识更新的加快，学科大幅度的调整，本课程性质也在逐渐发生变化，为充分表达各学科的交叉、交融，全面拓宽课程知识体系，使实际、实际和创新结合在一同，本课程的内容已不仅局限于机械制造，而是更充分的表达了先进制造技术、资料科学与工程、资料及制造技术开展史、现代信息技术、现代管文科学等跨学科之间的亲密交叉与交融。可以说该课程是一门以各种制造方法为载体，涉及多学科知识浸透与交叉，从常用工程资料的选择、成形、加工制造直到加工出零件或器件的综合性课程，它表达了实际教学与实际环节〔或工程训练环节〕亲密结合的特点，它即是高等学校机械、资料、管理等类专业必修的技术根底课，也是培育复合型人才的重要工程技术入门课程。第五节课程的性质、义务和学习要求2.学习要求经过本课程的学习，要求学习者结合现代工程训练或金工实习环节，了解资料及制造技术开展史和现代制造行业的组织构造与运转方式，获得常用工程资料、各种制造技术的根底知识以及零件或器件的加工工艺知识，培育工艺分析的初步才干，为学习其它有关课程及以后从事机械设计和加工制造任务奠定必要的根底，并为复合型人才的培育奠定现代制造技术根底。第五节课程的性质、义务和学习要求3.课程义务(1)了解资料及制造技术开展史、现代制造业的组织构造与运转方式。(2)了解常用工程资料的种类、成分、组织、性能和改性方法，以及外表工程原理，具有选用工程资料的初步才干。(3)掌握主要工程资料或器件的成形与加工方法的根本原理和工艺特点，具有选择毛坯、零件加工方法及工艺分析的初步才干