先进制造技术(第3版)习题参考答案Word下载.doc
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3.可持续发展战略
日益严峻的环境问题引起国际社会的普遍关注,世界环境与发展委员会(WCED)于1987年向联合国42届大会递交的报告《我们共同的未来》提出了“可持续发展”的思路,其定义是:
既满足当代人的需求,又不对子孙后代满足其需要之生存环境构成危害的发展。
世界资源研究所于1992年对可持续发展给出了更简洁明确的定义:
即建立极少产生废料和污染物的工艺或技术系统。
上述定义强调了当代人在创造和追求今世发展和消费的时候,不能以牺牲今后几代人的利益为代价;
社会经济发展模式应由粗放经营、掠夺式开发向集约型、可持续发展转变。
面向可持续发展的制造业,应力求对环境的负面影响最小,资源利用效率最高。
4.叙述制造技术的发展历程。
自18世纪以来,制造技术的发展经历了五个发展时期。
(1)工场式生产时期18世纪后半叶,以蒸汽机和工具机的发明为标志的产业革命,揭开了近代工业的历史,促成了制造企业的雏形——工场式生产的出现,标志着制造业已完成从手工业作坊式生产到以机械加工和分工原则为中心的工厂生产的艰难转变。
(2)工业化规模生产时期19世纪电气技术得到了发展,由于电气技术与其他制造技术的融合,开辟了崭新的电气化新时代,制造业得到了飞速发展,制造技术实现了批量生产、工业化规范生产的新局面。
(3)刚性自动化发展时期20世纪初,内燃机的发明,引起了制造业的革命,流水生产线和泰勒式工作制及其科学管理方法得到了应用。
(4)柔性自动化发展时期自二战之后,计算机、微电子、信息和自动化技术有了迅速的发展,推动了生产模式由大中批量生产自动化向多品种小批量柔性生产自动化转变。
(5)综合自动化发展时期自20世纪80年代以来,随着计算机及其应用技术的迅速发展,促进了制造业中包括设计、制造和管理在内的单元自动化技术逐渐成熟和完善。
5.试述先进制造技术的发展趋势。
1.数是发展的核心数是指制造领域的数字化。
它包括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指加工精度及其发展。
3.极是发展的焦点极就是极端条件,是指生产特需产品的制造技术,必须达到极
的要求。
4.自是发展的条件自就是自动化。
它是减轻、强化、延伸、取代人的有关劳动的技术或手段。
5.集是发展的方法集就是集成化。
6.网是发展的道路网就是网络化。
7.智是发展的前景智就是智能化。
8.绿是发展的必然绿就是绿色制造。
6.先进制造技术的内涵及特点是什么?
先进制造技术内涵是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息、材料、能源、以及现代管理技术的成果,将其综合应用于产品设计、加工装配、检验测试、经营管理、售后服务乃至回收的制造全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产,提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。
先进制造技术的特点:
(1)系统性
(2)广泛性(3)集成性(4)动态性(5)实用性
7.说明先进制造技术的体系结构?
先进制造技术的体系结构如下图。
管理技术群
①质量管理②用户/供应商交互作用
③工作人员培训和教育④全国监督和基准评测
⑤技术获取和利用
主体技术群
支撑技术群
①信息技术·
接口和通信·
数据库·
集成框架·
软件工程·
人工智能·
决策支持
②标准和框架·
数据标准·
产品定义标准·
工艺标准·
检验标准·
接口框架
③机床和工具技术
④传感器和控制技术
设计技术群
①产品、工艺设计
·
计算机辅助设计
工艺过程建模和仿真
工艺规程设计
系统工程集成
工作环境设计
②快速成形技术
③并行设计
制造工艺技术群
①材料生产工艺
②加工工艺
③联接和装配
④测试和检验
⑤环保技术
⑥维修技术
⑦其他
8.根据先进制造技术的功能和研究对象,先进制造技术可分几类?
答:
根据先进制造技术的功能和研究对象,可将先进制造技术归纳为如下几个大类。
(1)现代设计技术
(2)先进制造工艺(3)加工自动化技术
(4)现代生产管理技术(5)先进制造生产模式及系统
第二章
1.按照工具电极的形式及其与工件之间的相对运动的特征,可将电火花加工方式分成哪六类?
按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征,可将电火花加工方式分为六类:
(1)利用成型工具电极,相对工件作简单进给运动的电火花成形加工;
(2)利用轴向移动的金属丝做工具电极,工件按所需形状和尺寸作轨迹运动,以切割导电材料的电火花线切割加工;
(3)利用细管冲注高压水基工作液,作简单轴向进给运动的小孔加工;
(4)利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极,进行小孔磨削或成形磨削的电火花磨削;
(5)用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花共轭回转加工;
(6)刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。
2.火花放电转化为有用的加工技术,必须满足什么条件?
实现电火花加工,应具备如下条件:
(1)工具电极和工件之间必须维持合理的距离
(2)两电极之间必须充入介质
(3)输送到两电极间的脉冲能量密度应足够大
(4)放电必须是短时间的脉冲放电
(5)脉冲放电需重复多次进行,并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的
(6)脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外,使重复性放电顺利进行
3.影响数控电火花成形加工生产率、加工精度及加工表面质量的工艺因素有哪些?
影响数控电火花成形加工生产率、加工精度及加工表面质量的工艺因素有:
(1)极性效应
(2)覆盖效应(3)二次放电(4)加工速度
(5)表面粗糙度(6)工具电极损耗(7)放电间隙(8)放电产物排除
4.简述电火花成型加工的主要优点和局限性。
电火花成型加工的优点主要有:
(1)工具电极制造容易。
(2)不受材料硬度影响,不受热处理状况影响,与工件的机械性能关系不大。
(3)对脆性材料如导电陶瓷或薄壁弱刚性的航空航天零件,以及普通切削刀具易发生干涉而难以进行加工的精密微细异形孔、深小孔、狭长缝隙、弯曲轴线的孔、型腔等,均适宜采用电火花成形加工工艺来解决。
(4)对整个工件而言,在加工过程中几乎不受热的影响。
(5)可以改革工件结构,简化加工工艺,提高工件使用寿命,降低工人劳动强度。
电火花加工也有其一定的局限性:
(1)它仅适于加工金属等导电材料。
(2)在一般情况下,电火花加工的加工速度要低于切削加工。
(3)工件与工具电极都会有损耗,这直接影响了电火花成形加工的成形精度。
(4)最小圆角半径有限制,难以清角加工。
(5)加工后表面产生变质层,在某些应用中须进一步去除。
(6)工作液的净化和加工中产生的烟雾污染处理比较麻烦。
5.如何合理选择数控电火花成形加工的电加工工艺参数?
(1)电极极性的选择工具电极极性一般选择原则是:
铜电极对钢:
选“+”极性;
铜电极对铜:
选“-”极性,铜电极对硬质合金:
“+”、“-”极性都可以;
石墨电极对铜选“-”极性;
石墨电极对铜、对硬质合金均可选“-”极性;
石墨电极对钢:
加工Rmax为15µ
m以下孔,选“-”极性;
m以上孔,选“+”极性;
钢电极对钢:
选“+”极性.
(2)加工峰值电流和脉冲宽度的选择加工峰值电流和脉冲宽度主要影响加工表面粗糙度、加工宽度。
主要依据加工经验和机床的电源特性来确定。
一般来说机床厂家会提供一个比较粗糙的电源指标,如最大加工峰值电流,最小加工峰值电流,最大加工脉冲宽度,最小脉冲宽度,这样我们就可以把这些加工峰值电流及脉冲宽度分为三个区域,即粗加工区、半精加工区、精加工区,精加工区的峰值电流及加工脉冲宽度都最小,最小加工峰值电流可达1/6的最大加工峰值电流和1/30最大脉冲宽度,半精加工区为1/6的最大加工峰值电流和1/30最大脉冲宽度,到1/2的最大加工峰值电流和1/12最大脉冲宽度;
最后剩下的即为粗加工区域。
加工时,操作者可以根据实际加工情况加以修正。
为达到最终加工要求精度,粗糙度值较低,则最终加工峰值电流和脉冲宽度选择时要偏下限一些。
对粗加工,因为后面还有半精加工、精加工,所以其加工峰值电流和脉冲宽度可以偏大一些,以获得大的加工速度。
对半精加工,主要是为了去除粗加工留下的加工痕迹及去除少量余量,所以峰值电流及脉冲宽度一般取中间值。
(3)脉冲间隙时间选择,脉冲间隙时间影响加工效率,但过短的间隙时间会引起放电异常,所以选择时重点考虑排屑情况,以保证正常加工。
6.简述电火花加工时,工作液的作用。
电火花加工时工作液的作用有以下几方面:
1)放电结束后恢复放电间隙的绝缘状态(消电离),以便下一个脉冲电压再次形成火花放电。
为此要求工作液有一定的绝缘强度,其电阻率在l03~106Ω•cm之间。
2)使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去,免得放电间隙严重污染,导致火花放电点不分散而形成有害的电弧放电。
3)冷却工具电极和降低工件表面瞬时放电产生的局部高温,否则表面会因局部过热而产生结炭、烧伤并形成电弧放电。
4)工作液还可压缩火花放电通道,增加通道中压缩气体、等离子体的膨胀及爆炸力,以抛出更多熔化和气化了的金属,增加蚀除量。
5)工作液应对人体和设备无害,安全和价格低廉。
7.用线切割机床加工直径为10mm的圆孔,当采用的补偿量为0.12mm时,实际测量孔的直径为10.02mm。
若要孔的尺寸达到10mm,试计算采用的补偿量应为多少?
补偿量:
8.加工如图所示零件,试分析说明图示穿丝位置及加工路线的优缺点。
图(a)(b)的穿丝孔的位置在坯料的外部,切割时坯料易产生变形。
图(c)(d)的穿丝孔的位置在坯料的内部,切割时坯料不易产生变形。
图(a)(c)加工路线,最后切割部位靠近夹持部位,切割时坯料不易产生变形。
图(b)(d)加工路线,最先切割部位靠近夹持部位,切割时坯料易产生变形。
9.用3B格式按如图所示依电极丝中心轨迹编制内型腔的数控线切割程序(毛坯尺寸为50×
50mm)。
B15000B0B15000GXL1
B0B14000B14000GYL4
B0B8000B8000GYNR2
B14000B0B14000GXL3
B8000B0B8000GXNR1
B0B28000B28000GYL2
B0B8000B8000GYNR4
B14000B0B14000GXL1
B8000B0B8000GXNR3
B15000B0B15000GXL3
DD
10.分析RPM工作原理和作业过程,列举典型的RPM工艺方法。
RPM工作原理;
基于“材料逐层堆积”的制造理念,将复杂的三维加工分解为简单的材料二维的组合,它能在CAD模型的直接驱动下,快速制造任意复杂形状的三维实体,是一种全新的制造技术。
作业过程如下:
1.建立产品的三维CAD模型2.三维模型的近似处理
3.三维模型的Z向离散化(即分层处理)4.逐层堆积制造5.后处理
典型的RPM工艺方法:
1.光固化成形法2.叠层实体制造法3.选择性激光烧结法
4.熔融沉积制造法
11.如何利用RPM技术进行模具制造?
分别列举几种直接制模和间接制模工艺。
RT技术无需数控铣削,无需电火花加工,无需专用工装,直接根据RPM原型可将复杂的模具型腔制造出来,是当今RPM技术的最大优势。
图2-62为各种基于快速原型的RT技术示意图。
间接制模工艺:
①硅橡胶浇注法。
②树脂浇注法。
③精密铸造陶瓷型模具。
④电铸法制作金属模。
⑤金属熔射喷涂法制作金属模。
⑥熔模铸造制作模具。
用SLS和FDM等工艺方法。
12.叙述微机械的概念及基本特征,目前有哪些微细加工工艺方法?
微机械是指可以批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统,也称微型机电系统或微型系统。
微机械基本特征:
(1)体积小,精度高,重量轻
(2)性能稳定,可靠性高(3)能耗低,灵敏度和工作效率高(4)多功能和智能化(5)适用于大批量生产,制造成本低(6)集约高技术成果,附加价值高
13.什么是LIGA技术,什么是准LIGA技术?
有何不同之处?
LIGA是一种使用X射线的深度光刻与电铸相结合,实现深宽比大的微细构造的成形方法。
准LIGA技术,它是用紫外光源代替同步辐射源,虽然不具备和LIGA技术相当的深度或宽深比。
但是,它涉及的是常规的设备和加工技术,这些技术更容易实现。
不同之处:
LIGA技术使用同步辐射源,准LIGA技术使用用紫外光源。
14.叙述微细加工技术的发展与趋势。
答;
从目前来看,微细加工技术总的发展趋势是:
(1)加工方法的多样化
(2)加工材料从单纯的硅向着各种不同类型的材料发展(3)提高微细加工的经济性(4)加快微细加工的机理研究
15.就目前技术条件下,普通加工、精密加工和超精密加工是如何划分的?
按我国目前的加工水平,普通加工、精密加工和超精密加工的划分标准是:
(1)普通加工加工精度在lμm、表面粗糙度值大于Ra0.1μm的加工方法。
在目前的工业发达国家中,一般工厂均能稳定达到这样的加工精度。
(2)精密加工加工精度在0.1~1μm、表面粗糙度值为Ra0.01~0.1μm之间的加工方法,如金刚车、金刚镗、精磨、研磨、珩磨、镜面等加工等。
主要用于加工精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件加工,在当今制造工业中占有极重要的地位。
(3)超精密加工加工精度小于0.1μm,表面粗糙度值小于Ra0.01μm的加工方法,主要加工技术有金刚石刀具超精密切削、超精密磨削加工、超精密特种加工和复合加工等。
目前,超精密加工的精度正在从微米工艺向纳米工艺提高。
16.描述金刚石刀具的性能特征,为什么当今超精密切削加工一般均采用金刚石刀具?
金刚石刀具具有如下的性能特征:
(1)具有极高的硬度。
(2)能磨出及其锋锐的刃口,且切削刃没有缺口、崩刃等现象。
(3)热化学性能优越,具有导热性能好,与有色金属间的摩擦因数低、亲和力小的特征。
(4)耐磨性好,刀刃强度高。
金刚石摩擦因数小,和铝之间的摩擦因数仅为0.06~0.13,如切削条件正常,刀具磨损极慢,刀具耐用度极高。
为实现超精密切削,刀具应具有如下的性能:
(1)极高的硬度、耐用度和弹性模量,以保证刀具有很高的刀具耐用度。
(2)刃口能磨得极其锋锐,刃口半径ρ值极小,能实现超薄的切削厚度。
目前,国外金刚石刀具刃口半径已达到纳米级水平。
(3)刀刃应无缺陷。
因切削时刃形将复印在加工表面上,而不能得到超光滑的镜面。
(4)与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低,能得到极好的加工表面完整性。
而金刚石刀具又能满足上述要求,所以当今超精密切削加工一般均采用金刚石刀具。
17.常用修整超精密磨削砂轮的方法有哪些?
超硬磨料砂轮修整的方法很多,可归纳为以下几类:
(1)车削法
(2)磨削法(3)喷射法(4)电解在线修锐法(5)电火花修整法
18.超精密加工对机床设备和工作环境有何要求?
超精密对机床设备的要求包括:
①高精度;
②高刚度;
③高稳定性;
④高自动化。
超精密对工作环境的要求包括:
1.净化空气环境2.恒温、恒湿环境3.抗振动、抗干扰环境
19.高速切削理论的主要内容是什么?
分析高速切削加工所需解决的关键技术。
高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的,他指出:
在常规切削速度范围内(见图2-78中A区),切削温度随着切削速度的提高而升高,但切削速度提高到一定值后,切削温度不但不升高反会降低,且该切削速度值vε与工件材料的种类有关。
图2-78超高速切削概念示意图
高速切削加工所需解决的关键技术:
机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术。
20.叙述高速与超高速切削的特点。
高速与超高速切削的特点:
(1)可减少工序,提高生产效率;
(2)切削力低、热变形小;
(3)加工精度高;
(4)加工能耗低、节省制造资源。
21.叙述高速磨削对砂轮的要求。
高速磨削对砂轮的要求:
①砂轮基体的机械强度必须能承受高速磨削时的磨削力;
②磨粒突出高度要大,以便能容纳大量的长切屑;
③结合剂具有很高的耐磨性,以减少砂轮的磨损;
④高速磨削时要安全可靠。
22.分别分析激光加工、超声波加工及水射流切割加工的工作原理。
它们各有何加工特点?
有哪些用途?
激光加工的工作原理:
是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。
激光加工的特点
(1)激光加工是非接触加工,加工速度快,热影响区小,没有明显的机械力,可加工易变形的薄板及弹性零件等;
(2)由于激光的功率密度高,几乎能加工所有的材料;
(3)由于激光光点的直径可达1μm以下,能进行非常微细的加工;
(4)不需要加工工具,所以不存在工具损耗问题,适宜自动化生产系统;
(5)通用性好,同一台激光加工装置,可作多种加工用;
(6)激光加工是属于一种瞬时的局部熔化和气化的热加工方法,其影响因素很多。
激光加工的应用
(1)激光打孔
(2)激光切割(3)激光焊接(4)激光表面处理
超声波加工的工作原理:
是利用工具端面作超声频振动,通过磨料悬浮液加工,使工件成型的一种方法。
超声加工的特点
(1)适合于加工各种硬脆材料,特别是不导电的非金属材料。
(2)由于工具可用较软的材料,可以制成较复杂的形状,工具和工件之间的运动简单。
(3)由于去加工材料是靠极小磨料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,不会引起变形及烧伤。
超声加工的应用
(1)超声加工目前在各部门中主要用于对脆硬材料加工圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等;
(2)用普通机械加工切割脆硬的半导体材料十分困难,但超声切割则较为有效;
(3)用于一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模具型腔的最终抛磨光整加工;
(4)超声加工还可以用于清洗、焊接和探伤等;
(5)在用超声波直接加工金属材料时,其自身加工效率较低,工具消耗大。
水射流切割加工的工作原理:
是以水作为携带能量的载体,用高速水射流对各类材料进行切割的一种工艺方法。
水射流切割具有切口平整、无毛边、无火花、加工清洁等特点,已用于汽车、航空、家电、食品加工等行业,有着十分广阔的应用前景
23.叙述表面工程技术的概念。
表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程,来改变基体表面状态、化学成分、组织结构和应力状态等,使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能,从而达到特定使用要求的一项应用技术。
24.常用的金属表面改性技术的种类有哪些?
表面覆层技术和复合表面处理技术的方法有哪些?
金属表面改性技术的种类有:
(1)激光表面改性
(2)电子束表面改性(3)离子注入表面改性。
表面覆层技术的方法有:
(1)热喷涂技术
(2)气相沉积技术
复合表面处理技术方法有:
(1)复合热处理技术
(2)表面覆层技术与其他表面处理技术的复合
第三章
1.叙述CAD系统的基本功能。
完整的CAD系统具有图形处理、几何建模、工程分析,仿真模拟及工程数据库的管理与共享等功能,见表3-1。
表3-1CAD系统的基本功能
功能
功
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- 先进 制造 技术 习题 参考答案