先进制造技术习题答案

全国高职高专规划教材精品与示系列先进制造技术习题答案燕华 主编电子工业Publishing House of Electronics IndustryBEIJING 1-1 论述先进制造技术与其主要特点。答：1、系统性先进制造技术由于微电子、信息技术的引入，使制造技术成为一个能驾驭生产过程的物质流、信息流和能量流的系统工程。如柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）技术是先进制造技术全过程控制物质流、信息流和能量流的典型应用案例。2、集成性现代制造技术使各专业、学科间不断交叉、融合，其界限逐渐淡化甚至消失，发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的新型交叉学科。集成技术显示出高效率、多样化、柔性化、自动化、资源共享等特点。3、广泛性现代制造技术则贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售与用户服务等整个产品生命周期全过程，成为“市场产品设计制造市场 ”的大系统。4、高精度现代制造对产品、零件的精度要求越来越高，在飞机、潜艇等军事设施中使用的精密陀螺、大型天文望远镜以与大规模集成电路的硅片等高新技术产品都需要超精密加工技术的支持。这些需求使激光加工、电子束、离子束加工、纳米制造、微机械制造等新方法迅速发展。、实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产先进制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁、灵活生产等基础制造技术，它是从传统的制造工艺发展起来的，并与新技术实现了局部或系统集成。1-2 叙述先进制造技术的构成与分类。答：先进制造技术的构成：、基础技术第一层次是优质、高效、低耗、少或无污染的基础制造技术。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与重要组成部分。这些基础技术主要有精密下料、精密成形、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、无氧化热处理、气体保护焊与埋弧焊、功能性防护涂层等。2、新型单元技术第二个层次是新型的先进制造单元技术。它是在市场需求与新兴产业的带动下，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、现代设计基础与方法、清洁生产技术、新材料成形与加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟与设计优化技术等。3、集成技术第三个层次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。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。包含的容有：（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、可靠性和可维护性与安全设计、优化设计与智能设计等。（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、精密成型技术以与特种加工技术等方面。（1）精密和超精密加工技术。精密、超精密加工技术是采用去除加工、结合加工、变形加工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、精密焊接技术与复合成型技术等。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、高压水加工以与多种能源的组合加工。（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与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、耐辐射以与光、热、磁、电等特殊功能，从而达到提高产品质量、延长使用寿命和赋予新性能的新技术统称，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、节省能源消耗以与降低生产成本。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。自动检测与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、信息以与人力）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、控制与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，以与现代制造模式（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 先进制造的关键技术。答：1、集成化技术。在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、人和管理的集成。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、过程集成与人员集成。2、智能化技术。应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、支持用户到产品报废等）各个环节智能化，实现生产过程（包括组织、管理、计划、调度、控制等）各个环节的智能化，并实现人与制造系统的融合与人的智能的充分发挥。3、网络技术。网络技术包括硬件与软件的实现。各种通信协议与制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。4、分布式并行处理技术。该技术实现制造系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解，进而实现系统的最优决策。5、多学科、多功能综合产品开发技术。机电产品的开发设计不仅涉与到机械科学的理论与知识而且还涉与到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、人文与社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。6、虚拟现实技术。利用虚拟现实技术、多媒体技术与计算机仿真技术，实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真，采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人一种真实感与身临其境感。7、人机环境系统技术。将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的重点是：人机环境的体系结构与集成技术、人在系统中的作用与发挥、人机柔性交互技术、人机智能接口技术、清洁制造等。这些主要关键技术体现了21世纪制造技术对CAD/CAM集成系统的要求，表达了CAD/CAM集成发展的方向。1-4 我国机械制造业的发展状况。答：近10年来，我国制造业的发展受到严重削弱，陷入了前所未有的困境。制造业的发展滞后已成为制约我国经济发展的重要因素。据统计:全社会固定资产投资中，设备投资的2/3依赖进口。目前，光纤制造装备的100%、集成电路芯片制造装备的85%、石油化上装备的80%、轿车工业装备、数控机床、纺织机械、胶印设备的70%被进口产品占领，国产装备的可靠性、自动化程度与国外产品有较大差距。我国制造业不断采用先进制造技术，但与工业发达国家相比，仍然存在一个阶段性的整体上的差距。(1) 设计方面。工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助设计技术(CAD/CAM) ，大型企业开始无图纸的设计和生产。我用CAD/CAM技术的比例较低。(2) 制造工艺方面。工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以与复合加工技术等新型加工方法。我国普与率不高，尚在开发、掌握之中。(3) 管理方面。工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产(JIT)、敏捷制造(AM)、精益生产(LP)、并行工程(CE)等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数小型企业仍处于经验管理阶段。(4) 自动化技术方面。工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心与柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)，实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。1-5 先进制造技术的发展趋势。答：在21世纪中，随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。当前影响先进制造技术的发展因素大致有以下几点:1、“数”是发展的核心数字化制造就是指制造领域的数字化，它包含了三大部分:以设计为中心的数字制造，以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。2、“精”是发展的关键“精”是“精密化”，一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高，另一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。3、“极”是发展的焦点“极”即极端条件，就是指在极端条件下工作的或者有极端要求的产品，从而也是指这类产品的制造技术有“极”的要求。如在高温、高压、高湿、强磁场和强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄和奇形怪状的。4、“自”是发展的条件“自”就是自动化，即减轻人的劳动，强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。自动化是先进制造技术发展的前提条件。5、“集”是发展的方法“集”就是集成化，包括技术的集成、管理的集成、技术与管理的集成。其本质是知识的集成。6、“网”是发展的道路“网”就是网络化，制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路，制造业走向整体化、有序化，这同人类社会发展是同步的。7、“智”是发展的前景“智”就是智能化。智能化制造模式的基础是智能制造系统，它既是智能和技术的集成而形成的应用环境，也是智能制造模式的载体。8、“绿”是发展的必然“绿”就是“绿色”，制造业的产品从构思开始，到设计阶段、制造阶段、销售阶段、使用与维修阶段，直到回收阶段、再制造各阶段，都必须充分涉与环境保护，制造必然要走向“绿色”制造。2-1 试论述现代设计技术的涵与特点。答：1、现代设计技术涵：现代设计技术是以满足应市产品的质量、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，以多种科学方法与技术为手段，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从现代设计技术的涵分析，现代设计技术具有如下一系列特点：（1）系统性 现代设计技术强调用系统的观点处理设计问题，从整体上把握设计对象，考虑对象与外界（人、环境）的联系。（2）动态性 不仅要考虑产品的静态特性，还要考虑产品在实际工作状态下的动态特征，考虑产品与周围环境的物质、能量与信息的交互。（3）创造性 现代设计技术建立在先进的设计理论与设计工具基础上，能充分发挥设计者的创造性思维能力和集体智慧，运用各种创造方法和手段，开发出具有创新性的产品。（4）计算机化 计算机已经渗透到产品设计开发的各个环节，很多现代设计技术的实现都依赖于计算机，如优化设计、有限元分析、系统仿真等。它们充分利用计算机快捷的数值计算功能、严密的逻辑推理能力和巨大的信息存储与处理能力，弥补自然人存在的天生不足，实现人机优势的互补。（5）并行化、最优化、虚拟化和自动化 在产品的设计阶段就综合考虑产品全生命周期中的所有因素，强调对产品设计与其相关过程并行地、集成地、一体化地进行设计。在设计过程中，通过优化的理论与技术，对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，力争实现系统的整体性能最优化，以获得功能全、性能好、成本低、价值高的产品。设计过程自动化的实现主要依托于各种不同的计算机辅助设计技术、自动建模技术，以与一批功能强大的商品化CAD软件的支撑。设计手段虚拟化，是以虚拟现实的设计系统进行三维建模，使设计者能在虚拟的设计环境下观察CAD设计容，从而实现设计的可视化、评估设计产品的性能与其可实现性，灵活方便地修改设计，大大提高设计效果与质量。（6）主动性 科学技术的发展使得在产品设计的早期，就可对产品全生命周期的各种性能作出准确预测有利于与早发现产品的潜在缺陷，将各种失误、可能发生的故障减少到最低程度，体现了主动性的特征，也有利于缩短开发周期、降低生产成本、提高产品质量。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？答：现代设计技术的整个体系由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。（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方面。（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、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，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。（3）支撑技术 支撑技术主要指现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉与容很广，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、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计扩展，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，以与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领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计容，可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。2-3计算机辅助设计技术包括哪些主要容？分析其中的关键技术。答：计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是20世纪50年代末发展起来的综合性计算机应用技术。它是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成产品设计过程的技术。CAD技术包含的容有；利用计算机进行产品的造型、装配、工程图绘制以与相关文档的设计；进行产品渲染、动态显示；对产品进行工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学与动力学仿真等。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，以建立计算机部模型的过程。（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。但无法产生剖面图、消除隐藏线以与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是在线框模型的基础上，增加了有关面的信息和棱边的联接方向等容。表面造型又分为“多边平面造型”和“曲面造型”两种。（3）实体模型 实体模型较完整地反映三维实体的几何信息，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与多至五轴的数控编程等作业。（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，它既能反映零件的几何信息，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。2、单一数据库与相关性设计单一数据库就是与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。所谓的相关性设计就是任何设计改动，都将与时地反映到设计过程的其他相关环节上。3、CAD与其他CAX系统的集成技术CAD技术与其他CAX技术进行有效的集成，包括CADCAM技术的集成、CAD与CIMS其他功能系统的集成等。CAD技术主要功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供了共享的产品数据模型，成为CIMS或其他制造系统的基础和关键。CAD技术与其他CAX系统的集成，涉与到产品的造型建模技术、工程数据的管理技术、数据交换接口等技术。4、标准化技术国际标准化组织（ISO）制定了“产品数据模型交换标准”（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。2-4试论述并行工程的基本概念与设计方法。答：并行设计是在设计阶段就综合考虑产品生命周期中工艺、制造、装配、测试、维修等环节的因素，与时全面地评价产品的设计，与时反馈改进意见，与时改进产品设计，使得产品设计、工艺设计、制造一次成功，以达到降低产品成本，提高产品质量和缩短开发周期的目的。并行设计要求在设计阶段就要考虑产品全生命周期的各个环节，传统的“孤岛”式的设计方法已不能满足并行设计的需要。为此人们对并行环境下的产品设计理论与方法进行了研究，主要包括设计方法、建模技术、计算机辅助评价与决策技术。针对设计方法，基本上可分为两大类:一类是通过人员协同集成实现并行化；另一类是通过知识协同集成实现并行化，研究得比较多的有:面向产品生命周期各/某环节的设计DFX和CAX技术。DFX包括面向装配的设计（DFA）、面向制造的设计(DFM)、面向质量的设计(DFQ)、面向环保的设计(DFE)、面向维护的设计(DFS)等；CAX技术包括计算机辅助工艺设计(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程分析(CAE)等。2-5叙述反求工程的含义，简述反求工程的关键技术。答：反求工程(Reverse Engineering，RE)也称逆向工程、反向工程等，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。与传统的“产品概念设计产品CAD模型产品(物理模型)”的正向工程相反。反求工程是在没有设计图纸或图纸不完整，而有样品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，然后通过CAM系统进行数控编程，直至利用CNC加工机床或快速成型机来制造产品。反求工程的关键技术有:数据测量技术、数据预处理技术、模型重构与产品制造技术。1、 数据测量技术反求工程中数据测量方法主要分为两种:一种是传统的接触式测量法，如三坐标测量机法；另一种是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、工业CT法、核磁共振法(MRI)、自动断层扫描法等。只有获取了高质量的三维坐标数据，才能生成准确的几何模型。所以，测量方法的选取是反求工程中一个非常重要的问题。2、数据预处理技术:对得到的测量数据在CAD模型重构之前应进行数据预处理，主要是为了排除噪声数据和异常数据、精简和归并冗余数据，通常包括:噪声点过滤数据点分区数据点精简数据点平滑。3、模型重构与产品制造技术:通过重构产品零件的CAD模型，在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的，同时也可以完成产品或模具的制造。2-6 叙述绿色设计的主要特征。答： 1、面向产品生命周期绿色设计考虑的是产品在整个生命周期的所有潜在的环境影响，包括有毒有害物质向环境的排放，不可再生资源的消耗以与能源的过度消耗等等。产品的生命周期包括从资源原料的开发到产品废弃报废的整个过程， 2、 环境因素是产品设计的考虑因素之一绿色设计并不是意味着产品设计只是面向环境或者说环境因素是唯一的考虑因素。相反，绿色设计是像其它因素(比如:用户需求分析、可制造性、经济性、功能、尺寸和重量等)一样作为产品设计共同考虑的容。所以绿色设计是在原有的设计求解过程中又引入了一个环境变量，从而使设计过程变得复杂起来，即是一个更多目标的优化求解问题。3-1 常见的精密成型技术分为哪几类？答：精密成型技术是指零件成型后，仅需少量加工或不再加工(近净成型技术或净成型技术)就可用作机械构件的一种成型技术。它是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成型技术，使之由粗糙成型变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的成型技术。它使得成型的机械零件具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、好的表面粗糙度。精密成型技术分为粉末冶金、精密铸造、精密锻造、精密冲裁、精密焊接、快速原型技术等。3-2 快速原型技术的特点与工艺。答：快速原型技术的特点：（1）快速性。通过STL格式文件，快速成型制造系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈。以快速原型为母模的快速模具技术，能够在几天制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢制模具制作，至少需要几个月的时间。（2）高度集成化快速成型技术实现了设计与制造的一体化。在快速成型工艺中，计算机中的CAD模型数据通过接口软件转化为可以直接驱动快速成型设备的数控指令，快速成型设备根据数控指令完成原形或零件的加工。（3）与工件复杂程度无关快速成型技术由于采用分层制造工艺，将复杂的三维实体离散成一系列层片加工和加工层片之叠加，大大简化了加工过程。它可以加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的问题，理论上可以制造具有任意复杂形状的原形和零件。（4）高度柔性快速成型系统是真正的数字化制造系统，仅需改变三维CAD模型，适当地调整和设置加工参数，即可完成不同类型的零件的加工制作，特别适合新产品开发或单件小批量生产。并且，快速成型技术在成型过程中无需专用的夹具或工具，成型过程具有极高的柔性，这是快速成型技术非常重要的一个技术特征。（5）自动化程度高快速成型是一种完全自动的成型过程，只需要在成型之初由操作者输入一些基本的工艺参数，整个成型过程操作者无需或较少干预。出现故障，设备会自动停止，发出警示并保留当前数据。完成成型过程时，机器会自动停止并显示相关结果。快速原型工艺：（1）利用激光固化树脂材料的光造型法敏树脂选择性固化是采用立体雕刻原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。SLA快速原型技术的优点是： 成形速度较快。 系统工作相对稳定。 尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm（但，国SLA精度在0.10.3mm之间，并且存在一定的波动性）。 表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平与不同层面间的曲面不平；比较适合做小件与较精细件。 系统分辨率较高。SLA快速原型的技术缺点： 需要专门实验室环境，维护费用高昂。 成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。 光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。 氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵。同时需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。 光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。 需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。（2）纸叠层造型法纸叠层造型法目前以Helisys公司开发的LOM装置应用最广。LOM可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的1/2）、速度高（约为木模制作时间的1/5以下），并可简便地分析设计构思和功能。LOM快速原型技术的优点是： 由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。常用于加工部结构简单的大型零件与实体件。 无需设计和构建支撑结构。LOM快速原型技术的缺点是： 需要专门实验室环境，维护费用高昂。 可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、土以与合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材商在研制开发中。 表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。 难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。 由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建部结构复杂的零件。 当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。 （3）热可塑造型法热可塑造型法以DTM公司开发的选择性激光烧结即SLS（Selective Laser Sintering）应用较多。SLS快速原型技术的优点是： 与其他工艺相比，能生产较硬的模具，有直接金属型的概念。 可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、瓷等。 零件的构建时间较短，可达到1in/h高度。 无需设计和构造支撑。SLS快速原型技术缺点是： 需要专门实验室环境，维护费用高昂。 在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5-10小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。 成形件强度和表面质量较差，精度低。表面的粗糙度受粉末颗粒大小与激光光斑的限制。 零件的表面多孔性，为了使表面光滑必须进行渗蜡等后处理。在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。 该工艺产生有毒气体，污染环境。3-3 就目前技术条件下精密加工和超精密加工是如何划分的？根据目前技术水平与国外专家的看法，对中小型零件的加工形状误差 和表面粗糙度Ra的数量级可分为以下档次。精密加工： =1.00.1 m，Ra=0.10.03 m；超精密加工： =0.10.01 m，Ra=0.030.005 m；纳微米加工： 0.01m，Ra0.005m。3-4 超精密加工所涉与的技术围包含哪些？答：（1）超精密加工机理,超精密加工是从被加工表面去除一层微量的表面层，包括超精密切削、超精密磨削和超精密特种加工等。当然，超精密加工也应服从一般加工方法的普遍规律，但也有不少其自身的特殊性，如刀具的磨损、积屑瘤的生成规律、磨削机理、加工参数对表面质量的影响等。 （2）超精密加工的刀具、磨具与其制备技术,包括金刚石刀具的制备和刃磨、修整等是超精密加工的重要的关键技术。 （3）超精密加工机床设备,超精密加工对机床设备有高精度、高刚度、高的抗振性、高稳定性和高自动化的要求，具有微量进给机构。 （4）精密测量与补偿技术,超精密加工必须有相应级别的测量技术和装置，具有在线测量和误差补偿。 （5）严格的工作环境,超精密加工必须在超稳定的工作环境下进行，加工环境的极微小的变化都可能影响加工精度。因而，超精密加工必须具备各种物理效应恒定的工作环境，如恒温室、净化间、防振和隔振地基等。3-5 叙述精密和超精密加工方法的分类、加工机理与加工方法示例。精密和超精密加工方法分类加工机理主要加工方法示例去除加工（分离加工）力学加工、力溅射电物理加工电化学加工热蒸发、热扩散 、热溶解切削、磨削、研磨、抛光、超精加工、珩磨、超声波加工、离子溅射加工 等离子加工喷射加工；电火花加工（电火花成型、电火花线切割）；电解加工、蚀刻（电子束曝光）、 化学机械抛光；电子束加工、激光加工、脱碳处理、气割 结合加工附着加工化学电化学热、热熔化力物理化学镀、化学气相沉积；电镀、电铸；真空蒸镀、熔化镀；离子镀（离子沉积）、物理气相沉积 注入加工（渗入加工）化学电化学热热扩散力物理氧化、氮化、活性化学反应；阳极氧化；晶体生长、分子束外延、掺杂、渗碳和烧结；离子束外延、离子注入连接加工热物理、电物理化学激光焊接、气焊、电焊、快速成型加工；化学粘接变形加工（流动加工）热流动、表面热流动粘滞流动分子定向锻造、热流动加工（气体火焰、高频电流、热射线、电子束和激光）；铸造、液体流动加工（金属、塑料等压铸、注塑）；液晶定向3-6 试说明超精密切削、超精密磨削加工的特点和各自的适应场合。答：超精密切削是借助锋利的金刚石刀具对工件进行车削或铣削。主要用于加工要求低粗糙度和高形状精度的有色金属或非金属零件，如激光或红外的平面，非球面反射镜、磁盘铝基底、VTR辊轴、有色金属轴套和塑料多面棱镜等，甚至直接加工纳米级表面的硬脆材料。超精密金刚石刀具镜面车削加工人造卫星仪器轴承真空无润滑轴承，其孔和轴的表面粗糙度R。达到1 nm，圆度和圆柱度均为纳米级精度。超精密车削可达到粗糙度Ra0.005m和0.1m的非球面形状精度。超精密磨削：超精密磨削是利用磨具上尺度均匀性好、近似等高的磨粒（金刚石砂轮和CBN砂轮）对被加工零件表面进行摩擦、耕犁与切削的过程。主要用于硬度较高的金属和非金属零件，如对加工尺寸与形状精度要求很高的伺服阀、空气轴承主轴、陀螺仪超精密轴承、光学玻璃基片等。超精密磨削可达到R。0002m的表面粗糙度和 001m的圆度。 3-7 超精密加工时机床设备和环境有何要求？答：超精密加工时机床设备：超精密加工机床应具有高精度、高刚度、高加工稳定性和高度自动化的要求，超精密机床的质量主要取决于机床的主轴部件、床身导轨以与驱动部件等关键部件的质量。 (1) 精密主轴部件精密主轴部件是超精密机床的圆度基准，也是保证机床加工精度的核心。主轴要求达到极高的回转精度，精度围为0.020.1m，此外，主轴还要具有相应的刚度，以抵抗受力后的变形。主轴运转过程中产生的热量和主轴驱动装置产生的热量对机床精度有很大影响，故必须严格控制温升和热变形。为了获得平稳的旋转运动，超精密机床主轴广泛采用空气静压轴承，主轴驱动采用皮带卸载驱动和磁性联轴节驱动的主轴系统。(2) 床身和精密导轨床身是机床的基础部件，应具有抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好的要求。目前，超精密机床床身多采用人造花岗岩材料制造。人造花岗岩是由花岗岩碎粒用树脂粘结而成，它不仅具有花岗岩材料的尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨且不生锈的特点，又可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性的不足，并加强了对振动的衰减能力。 超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损，因而液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零的特点，在超精密机床中得到广泛的使用。 (3) 微量进给装置在超精密加工中，要求微量进给装置满足如下的要求：稍微进给与粗进给分开，以提高微位移的精度、分辨率和稳定性；运动部分必须是低摩擦和高稳定性，以便实现很高的重复精度；末级传动元件必须有很高的刚度，即夹固刀具处必须是高刚度的；工艺性好，容易制造；应能实现微进给的自动控制，动态性能好。微量进给装置有机械或液压传动式、弹性变形式、热变形式、流体膜变形式、磁致伸缩式、压电瓷式等多种结构形式。超精密加工时工作环境：工作环境的任何微小变化都可能影响加工精度的变化，使超精加工达不到精度要求。因此，超精密加工必须在超稳定的环境下进行。超稳定环境主要是指恒温、超净和防振三个方面。超精密加工一般应在多层恒温条件下进行，不仅放置机床的房间应保持恒温，还要求机床与部件应采取特殊的恒温措施。一般要求加工区温度和室温保持在 20土 0.06的围。超净化环境对超精密加工也很重要，因为环境中硬粒子会严重影响被加工表面的质量。外界振动对超精密加工的精度和粗糙度影响甚大。采用带防振沟的隔振地基和把机床安装在专用的隔振设备上，都是极有效的防振措施。3-8 在怎样的速度围下加工属于高速加工？分析高速切削加工所用解决的关键技术。答：超高速加工是指高于常规切削速度5倍乃至十几倍条件下所进行的切削加工。例如在试验室中，铝合金加工已达6000m/min；而在实际生产中也达到了1500-5500m/min。在实验室中，磨削中单层镀砂轮磨削速度达300m/s，目前正探索500m/s速度的磨削；而实际生产中也达到了250m/s。超高速加工不但可以大幅度提高零件的加工效率、缩短加工时间、降低加工成本；而且可以使零件的表面加工质量和加工精度达到更高的水平。高速切削加工比常规切削加工的切削速度高510倍，进给速度随切削速度的提高也可相应提高510倍。3-9 超高速切削的包含哪些相关技术？答：超高速切削是一种综合性的高新技术，超高速切削技术的推广应用是多项相关技术发展到与之相匹配的程度而产生的综合效应。超高速切削的相关技术包括：超高速切削中的刀具技术、高速主轴技术、直线滚动导轨和直线驱动技术、高速数控技术、机床结构等技术。3-10 简述超高速磨削特点与关键技术？答：超高速磨削技术特点：( 1) 大幅度提高磨削效率，设备使用台数少；( 2) 磨削力小、磨削温度低、加工表面完整性好；( 3) 砂轮使用寿命长，有助于实现磨削加工的自动化；( 4) 实现对难加工材料的磨削加工。超高速磨削关键技术1、超高速磨削的砂轮超高速磨削砂轮应具有良好的耐磨性、高动平衡精度和机械强度、高刚度和良好的导热性等。 （1）超高速砂轮的材料：超高速磨削用砂轮应具有强度高、抗冲击强度高、耐热性好、微破碎性好、杂质含量低等优点。超高速磨削砂轮可以使用AI2O3、SiC、CBN和金刚石磨料。（2）超高速砂轮的修整：超高速单层电镀砂轮一般不需修整。特殊情况下利用粗磨粒、低浓度电镀杯形金刚石修整器对个别高点进行微米级修整。 2、 超高速主轴和超高速轴承 （1）超高速电主轴技术：超高速磨削主要采用大功率超高速电主轴。高速电主轴惯性扭矩小，振动噪声小，高速性能好，可缩短加减速时间，但它有很多技术难点。 （2）超高速轴承技术：高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁悬浮轴承几种形式。3、超高速磨削的砂轮平衡技术与防护装置：对于超高速砂轮系统不仅进行静平衡，还必须根据系统与不平衡质量划分平衡阶段，进行分级动平衡以保证在工作转速下的稳定磨削。 4、磨削液供给系统超高速磨削常用的冷却液注入方法有：高压喷射法，空气挡板辅助截断气流法，气体冷却法，径向射流冲击强化换热法等。为提高供液效果，应对供液系统参数包括供液压力、流量、磨削液喷注位置、喷嘴结构与尺寸等进行优化设计，此外系统还需配有高效率油气分离和吸排风单元。5、超高速磨削进给系统随着高速超高速加工技术的发展，国外都采用了直线伺服电机直接驱动技术。使用高动态性能的直线电机结合数字控制技术，避免了传统的滚珠丝杠传动中的反向间隙、弹性变形、磨擦磨损和刚度不足等缺陷，可获得高精度的高速移动并具有极好的稳定性。6、磨削状态检测与数控技术利用磨削过程中产生的各种声发射源，如砂轮与工件弹性接触、接合剂破裂、磨粒与工件磨擦、砂轮破碎和磨损、工件表面裂纹和烧伤、砂轮与修整轮的接触等，可以通过检测声发射信号的变化来对磨削状态进行判别和监测。此外，工件精度和加工表面质量的在线监控技术也是高效率磨削的关键技术。3-11 简述超高速铣削特点与关键技术？答：1、超高速铣削的技术特点：（1）生产效率高，成本低超高速铣削高硬度钢的金属切除率高、没有手工精加工等耗时的工序，缩短了生产过程，简化了辅助工作，能使整体加工效率提高几倍乃至十几倍，且其能耗低，能源和设备的利用率高，从而降低了生产成本。（2）加工精度高对于同样的切削层参数：在超高速铣削条件下，单位切削力显著下降，且其变化幅度小，使工件的受力变形显著减小；同时，由于机床主轴运转速度极高： 激振频率远离机床、工件、刀具工艺系统的高阶固有频率：能有效减小系统的振动，因此有利于获得高的加工精度（3）加工表面质量好超高速铣削的加工过程极为迅速，加工表面的受热时间极短，95%-98%以上的切削热被切屑带走，传入工件的切削热大为减少，切削温度低，热影响区和热影响程度都较小：有利于获得低损伤的加工表面；同时，由于超高速铣削时切削振动对加工质量的影响很小，因而能显著降低加工表面粗糙度，表面粗糙度Ra值可达到0.1um。（4）适于加工薄壁类精细零件与常规切削相比，超高速铣削加工时的切削力至少降低30%，尤其是径向切削力显著降低，非常有利于薄壁类精细零件的加工。例如，当切削速度达到13000r/min 时，可以铣削壁厚仅0.0165的薄壁零件。2、超高速铣削的关键技术超高速铣削刀具几何角度：超高速铣削高硬度钢时，刀具的主要失效形式为刀尖破损，设计时应着重考虑提高刀尖的抗冲击强度。通常采用较小的前角（零度或负角度前角）。增大后角可减少刀具的磨损，但后角过大会影响刀具的强度和散热条件，故也不宜过大。较大的螺旋角可增大实际工作前角，减小被切金属的变形，降低切削力，还可大大降低切削力的振幅，减小振动加速度，从而改善加工表面质量。超高速铣削刀具材料：有整体硬质合金、涂层硬质合金、瓷、硬质合金和立方氮化硼等。3-12 特种加工技术的特点与应用领域。特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能、化学能以与特殊机械能等多种能量或其复合施加在工件的被加工部位上以实现材料切除的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。与传统机械加工方法相比具有许多独到之处：1)在加工围上不受材料的物理、机械性能限制。能加工硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属与非金属材料；2)易获得良好的表面质量，残余应力、热应力、热影响区、冷作硬化等均比较小；3)易于加工比较复杂的型面、微细表面与柔性零件；4)各种加工方法易于复合形成新的工艺方法，便于推广和应用。特种加工技术所包含的围非常广，随着科学技术的发展，特种加工技术的容也不断丰富。目前各种特种加工方法已达数十种，其中也包含一些借助机械能切除材料， 但又不同于一般切削和磨削的加工方法，如磨粒流加工、液体喷射流加工、磨粒喷射加工、磁磨粒加工等等。除了借助于化学能或机械能的加工方法以外，大多数常用的特种加工方法均为直接利用电能或电能所产生的特殊作用所进行的加工方法，通常将这些方法统称为电加工。3-13 电火花加工的原理与应用。电火花加工（又称放电加工、电蚀加工，简称EDM）是一种利用脉冲放电对导电材料电蚀来去除多余材料的工艺方法。1、加工原理电火花加工的原理示意图如图3-20所示。加工时，将工具与工件置于具有一定绝缘强度的液体介质中，并分别与脉冲电源的正、负极相连接。调节装置控制工具电极，保证工具与工件间维持正常加工所需的很小放电间隙。当两极之间的电场强度增加到足够大时，两极间最近点的液体介质被击穿，产生短时间、高能量的火花放电，放电区域的温度瞬时可达10000以上，金属被熔化或气化。灼热的金属蒸汽具有很大的压力，引起剧烈的爆炸，而将熔融的金属抛出，金属微粒被液体介质冷却并迅速从间隙中冲走，工件与工具表面形成一个小凹坑（图3-20（b、c）。第一个脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第一脉冲又在另一极间最近点击穿放电。如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，得到由无数小凹坑组成的加工表面，工具的形状最终被复制在工件上。进行电火花加工必须具备下列三个条件：必须采用脉冲电源，以形成瞬时的脉冲式放电。每次放电时间极短，使放电产生的热量来不与传输出去，而集中于微小区域。必须采用自动进给调节装置，保证工具电极与工件电极间微小的放电间隙（0.010.05 mm），以维持适宜的火花放电状态。火花放电必须具有足够大的能量密度，且必须在具有一定的绝缘强度的液体介质（工作液）中进行。大的能量密度用以熔化（或气化）工件材料，液体介质除对放电通道有压缩作用外，还可排除电蚀产物，冷却电极表面。常用的液体介质有煤油、矿物油、皂化液或去离子水等。2、 电火花加工的应用（1）电火花穿孔 穿孔加工是指贯通的二维型孔的加工，是电火花加工中应用最广的一种，常加工的型孔有圆孔、方孔、多边形孔、异形孔、曲线孔与小孔、微孔等，例如冷冲模、拉丝模、挤压模、喷嘴、喷丝头上的各种型孔和小孔。穿孔的尺寸精度主要靠工具电极的尺寸和火花放电的间隙来保证。（2）电火花型腔加工电火花型腔加工指三维型腔和型面的加工与电火花雕刻。例如加工锻模、压铸模、挤压模、胶木模、塑料模等。型腔加工比较困难，首先是因为均是盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环和电蚀产物排除条件差，工具电极损耗后无法靠进给补偿；其次是加工面积变化大，加工过程中电规准调节围较大，并由于型腔复杂，电极损耗不均匀，对加工精度影响很大，因此型腔加工生产率低，质量保证有一定困难。（3）电火花线切割加工 电火花线切割加工简称线切割加工，它是利用一根运动的细金属丝（0.020.3 mm的钼丝或铜丝）作工具电极，在工件与金属丝间通以脉冲电流，靠火花放电对工件进行切割加工。其工作原理是，工件上预先打好穿丝孔，电极丝穿过该孔后，经导向轮由储丝筒带动作正、反向交替移动；放置工件的工作台按预定的控制程序，在X、Y两个坐标方向上作伺服进给移动，把工件切割成形。加工时，需在电极丝和工件间不断浇注工作液。电火花加工还有其他许多方式的应用。如用电火花磨削，可磨削加工精密小孔、深孔、薄壁孔与硬质合金小模数滚刀、成形铣刀的后面；用电火花共轭回转加工可加工精密、外螺纹环规，锥螺纹，精密、外齿轮等；此外还有电火花表面强化和刻字加工等。3-14 电解加工的应用有哪些？电解加工首先在国防工业中应用于加工炮管膛线。目前已成功地应用于叶片型面、模具型腔与花键、深孔、异型孔与复杂零件的薄壁结构等加工；用于电解刻印、电解倒棱去毛刺时，加工效率高、费用低；用电解抛光不仅效率比机械抛光高，而且抛光后表面耐腐蚀性好。另外电解加工与机械加工结合能形成多种复合加工，如电解磨削、电解珩磨、电解研磨等。（1）电解整体叶轮采用电解加工的方法，不受材料硬度和韧性的限制，在一次行程中可加工出具有复杂叶型面的整体叶轮，比切削加工有明显的优越性。电解加工整体叶轮前，先加工好整体叶轮的毛坯，然后用套料法加叶片。每加工完一个叶片，退出阴极（工具），分度后再依次加工下一个叶片。这样不但解决了刀具磨损问题，缩短了加工周期，而且可保证叶轮的整体强度和质量。（2）深孔扩孔加工深孔扩孔电解加工时，常采用移动式阴极。将待扩孔的工件用夹具固定，工件接电源正极，移动工具接电源负极。工具（阴极）由接头、密封圈、前引导、出水孔、阴极主体与后引导等部分组成。（3）电解去毛刺电解去毛刺是电解加工技术应用的又一个方面。图3-28为电解去小孔毛刺的原理图，它以工件为阳极，工具电极为阴极。电解液流过工件上的毛刺与工具阴极之间的狭小间隙（0.31 mm）时，在直流电压的作用下，工件的尖角、棱边处的电流密度最大，使毛刺迅速被溶解去除，棱边也可获得倒圆。工件上的其余部分有绝缘层屏蔽保护，不会因为电解作用而破坏原有精度。（4）电解磨削电解磨削是靠阳极金属的电化学溶解（占95%98%）和机械磨削作用（占2%5%）相结合的复合加工方法。电解磨削克服了电解加工精度不高的弱点，集中了电解加工和机械磨削的优点。其加工精度平均为0.02 mm，最高可达0.001 mm，表面粗糙度Ra值平均为0.8m，最高可达0.02m；其磨削效率一般高于机械磨削，而砂轮的损耗远比机械磨削小。电解磨削适合于磨削高强度、高硬度、热敏性和磁性材料，如硬质合金、高速钢、不锈钢、钛合金、镍基合金等。在生产中已用来磨削各种硬质合金刀具、量具、涡轮叶片棒头、蜂窝结构件、轧辊、挤压与拉丝模等，并且应用围正在日益扩大。（5）电解抛光电解抛光是利用不锈钢在电解液中的选择性阳极溶解而达到抛光和清洁表面目的的一种电化学表面处理方法。其作为一种表面处理方法，具有以下突出优点：极大提高表面耐蚀性。由于电解抛光对元素的选择性溶出，使得表面生成一层致密坚固的富铬固体透明膜，并形成等电势表面，从而消除和减轻微电池腐蚀。电解抛光后的微观表面比机械抛光的更平滑，反光率更高。这使得设备不粘壁、不挂料、易清洗，达到GMP和FDA规要求。电解抛光不受工件尺寸和形状的限制。对不宜进行机械抛光的工件可实施电化学抛光，例如细长管壁、弯头、螺栓、螺母和容器外壁。3-15 超声加工工艺特点与应用。超声加工（简称USM）也称超声波加工，是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击与由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。工艺特点（1）适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，如玻璃、宝石、瓷、金刚石与各种半导体材料。（2）由于去除加工材料是靠极小磨粒瞬时局部的撞击作用， 故工件表面的宏观切削力很小， 切削应力、切削热很小， 不会引起变形与烧伤， 避免了被加工工件的物理和化学性能的变化， 表面粗糙度也较好， 可达Ra10.1 mm， 加工精度可达0.010.02 mm， 而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度零件。（3）由于工具可用较软的材料， 做出较复杂的形状， 故不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构一般比较简单， 只需一个方向轻压进给， 操作、维修方便。（4）超声加工的生产率较低。对导电材料的加工效率远不如电火花与电解加工；对软质、反弹性大的材料，加工较为困难。超声加工的应用：工业上超声应用可以分为加工应用和非加工应用两大类。加工应用包括传统的超声加工