先进制造技术第2版复习思考题答案Word文档格式.doc
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3)国内生产要素成本提高。
4)当前我国制造业面临工业发达国高技术和发展中国家低成本优势的双向挤压。
1.5先进制造技术在怎样背景下推出的,其内涵与特点如何?
先进制造技术提出背景:
1)社会经济背景:
主题化、个性化和多样化社会消费需求;
全球市场形成,加剧商品市场竞争。
2)科学技术背景:
计算机技术、微电子技术、信息技术、自动化技术的快速发展。
3)可持续发展战略背景:
严峻的环境问题要求制造业对环境负面影响最小,资源利用率最高。
为此在20世纪80年代末,由美国政府首先提出“先进制造技术”概念。
先进制造技术内涵:
先进制造技术是在传统制造技术基础上不断吸收现代技术成果,将其综合应用于产品设计、加工装配、经营管理等产品制造全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产,提高市场适应和竞争能力的制造技术总称。
先进制造技术特征:
1)实用性,是以提高企业综合实力和市场竞争力为目标;
2)应用广泛性,涉及开发设计、生产准备、加工装配、销售服务等产品全生命周期所有技术;
3)发展动态性,是不断吸收各类高新技术,不断发展中的新技术;
4)技术集成性,是集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的集成技术;
5)系统性,是驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流的系统工程;
6)强调优质、高效、低耗、清洁、灵活生产;
7)最终目标是提高市场响应能力和竞争能力。
1.6分析先进制造技术与传统技术的比较?
传统制造技术
先进制造技术
系统性
仅驾驭生产过程中的物质流和能量流。
可驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流。
广泛性
仅指将原材料变为成品的加工装配工艺过程。
贯穿从产品设计、加工制造到产品销售的整个过程。
集成性
学科专业单一、独立,相互间界限分明。
专业和学科不断渗透、交叉融合,其界限逐渐淡化甚至消失。
动态性
静止的、不变的。
不断发展的,不同时期、不同国家的特点、重点、目标和内容不同。
实用性
与企业目标没有关联。
注重实际效果,是以提高企业综合实力和市场竞争力为目标。
1.7查阅资料,分析先进制造技术的最新发展。
略。
第2章现代设计技术
2.1试分析现代设计技术的内涵与特征。
现代设计技术内涵:
现代设计技术是在传统设计方法基础上继承和发展起来的,是一门多专业和多学科交叉,综合性很强的基础技术科学,是一个由时间维、逻辑维和方法维共同组成的三维集成技术。
现代设计技术特征:
l)系统性,在设计前期便综合考虑后期的生产、应用等多方面问题;
2)动态性,不仅考虑产品静态特性,还要考虑产品的动态特征;
3)创造性,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,计算机渗透到产品设计开发的各个环节,应用计算机弥补人天生不足,实现了人机优势互补。
5)强调设计过程的并行化、最优化、自动化和虚拟化;
6)主动性,在产品设计早期就对产品各种性能作出准确预测,体现了现代设计方式的主动性。
2.2描述现代设计技术的体系结构。
现代设计技术是由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个不同层次的技术集群组成。
l)基础技术:
包括运动学、静力学、动力学、材料力学、热力学、电磁学、工程数学等。
2)主体技术:
计算机辅助设计技术以其数值分析计算。
3)支撑技术:
包括设计方法学、可信性设计技术、设计试验技术等。
4)应用技术:
如汽车、飞机、船舶、机床、工程机械等专业领域产品设计知识和技术。
5)其它技术:
先进制造、材料科学、自动化技术、系统管理以及社会人文科学等。
2.3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?
计算机辅助设计(CAD)的基本任务是以计算机为工具,从事产品造型、工程分析、图形处理、运动仿真等任务,最终完成产品数字模型的建立,这是产品设计工作的开端,是其它设计任务的重要基础。
一旦建立完成产品数据模型,后续的各项设计任务方可开展,如计算机辅助工艺规程设计、计算机辅助数控编程,优化设计可靠性设计等。
在现代设计体系结构中的基础技术和支撑技术与计算机辅助技术的关系是一种基础、支撑和工具关系,可使计算机辅助设计能够更快、更好、更为有效的进行。
应用技术为计算机辅助技术提供了应用领域。
2.4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。
计算机辅助设计技术基本内容:
1)从事产品造型、装配、工程图绘制以及相关设计文档处理;
2)应用产品渲染、动态显示等技术展示产品设计结果;
3)应用有限元分析、模型仿真、优化设计等工程分析方法对设计结果进行优化和改进。
计算机辅助设计关键技术
1)产品建模技术,对设计对象进行描述,并用合适的数据结构存储在计算机内;
2)单一数据库与相关性设计,有利于减少设计中差错,提高设计质量和设计效率;
3)NURBS曲面造型技术,可采用统一的数学模型精确表示自由曲线曲面,简化系统结构。
4)有限元分析及动态仿真技术,可对设计对象进行结构位移、应变应力、热分布分析,以及运动学和动力学工作状态的仿真;
5)CAD与其他CAX系统的集成技术,可实现设计资源的共享和应用。
6)标准化技术,利于支持异构、跨平台的工作环境。
2.5描述优化设计数学模型,何为设计变量、目标函数和设计约束,什么是规格化优化设计数学模型形式?
优化设计数学模型:
是用一组优选的设计参数在满足一系列限制条件下使设计指标达到最优的数学表达式,该表达式包括设计变量、目标函数和设计约束三要素。
设计变量:
是反映设计方案特性的若干参数,即:
目标函数:
是用设计变量表示设计中所追求目标的函数,表示为
设计约束:
是对设计变量取值的限制。
规格化优化设计数学模型:
,
st.
2.6试分析优化设计过程与步骤。
优化设计步骤:
1)分析设计对象,明确优化设计的需求,合理确定优化的范围和目标。
2)确定设计变量和设计约束条件,选择若干对设计指标直接有影响的相互独立的参数作为设计变量,并确定各变量所满足的条件。
3)选择优化指标,确定目标函数,建立规格化目标函数模型。
4)选择合适的优化计算方法,进行优化计算。
5)分析优化结果,修改设计方案,求得满意的结果。
2.7分析可靠性设计解决什么问题,各项可靠性指标是什么含义。
可靠性:
即为在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力。
可靠性设计是确定产品质量指标的变化规律,以最少的费用以保证产品应有的工作寿命和可靠度,以最优的设计方案实现所要求的产品可靠性水平。
常用可靠性指标:
l)产品工作能力:
指产品功能参数达到技术要求时的完成规定功能所处的状态。
2)可靠度:
指产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。
3)失效率:
表示产品工作到某一时刻后在单位时间内发生故障的概率。
4)平均寿命:
对于不可修复产品,是指产品从开始工作到发生失效前的平均工作时间;
对于可修复产品,是指两次故障之间的平均工作时间。
2.8什么是“应力-强度干涉模型”,如何利用该模型进行机械零件可靠性设计?
应力-强度干涉模型:
该模型是机械零件可靠性设计的基本模型,即要求零件强度X大于零件所受应力Y的概率模型。
图示中强度X的概率密度与应力Y的概率密度分布曲线的相互搭接的阴影区域为零件可能出现失效的区域,其面积越小零件可靠性越高,应用概率论的卷积公式可求零件失效的概率密度函数,即:
其中,X、Y概率密度函数分别为f(x)和g(y),为干涉随机变量。
2.9为什么说串联系统的可靠度比系统中最不可靠元件的可靠度还低,而并联系统的单元数目越多,则系统的可靠度越高?
如何合理进行可靠性分配?
串联系统:
设串联系统各元件可靠度分别为R1、R2、…、Rn,则串联系统可靠度为
由于系统各元件可靠度均小于1,所以串联系统可靠度比系统中最不可靠的元件可靠度还低。
并联系统:
并联系统可靠度计算公式为,设R1=R2=…=Rn=R时,则有
同样,由于各元件可靠度均小于1,则并联系统单元数目越多,系统的可靠度越高。
可靠性分配原则:
1)组成单元越成熟,应分配的可靠度可相应增大;
2)单元在系统中的重要性越高,应分配的可靠度也越高。
3)对具有相同重要性和相同工作周期的单元,分配的可靠度也应相同;
4)综合考虑各组成单元结构、可维修性、工作环境、技术成熟度等因素,进行可靠度合理分配。
2.10简述价值工程的内涵,价值工程是如何解决实际工程问题的?
价值工程内涵:
价值工程是以产品的功能分析为核心,以提高产品的价值为目的,力求以最低寿命周期成本,实现产品使用所要求的必要功能,即以最少的费用换取所需要的功能。
价值、功能和寿命周期成本为价值工程三要素,三者之间关系为
V=F/C
价值工程实施过程:
价值工程的实施是一个发现矛盾、分析矛盾和解决矛盾的过程,通常是围绕以下7个逻辑问题展开的:
①这是什么?
②它是干什么用的?
③它的成本是多少?
④有没有实现同样功能的新方案?
⑤新方案能实现功能要求吗?
⑥新方案成本是多少?
⑦新方案价值怎样?
按照顺序回答和解决这7个问题的过程,就是价值工程的实施程序和步骤,即选定对象、收集情报资料、进行功能分析、提出改进方案、分析和评价新方案、实施新方案、评价活动成果。
2.11简述反求工程的内涵,分析反求工程基本作业步骤。
反求工程内涵:
反求工程是对已有产品进行解剖、分析、重构和再创造的一种产品开发技术,它利用数据采集设备获取实物样本结构信息,借助于三维图形处理系统对所采集的样本信息进行处理和重构,复现原实物样本结构模型,通过对重构模型的分析、改进和创新,快速地加工出创新的新产品。
反求工程基本步骤:
反求工程设计分为三个阶段:
l)分析阶段:
对反求对象功能原理、结构形状、材料性能、加工工艺等进行分析,明确关键功能及关链技术,对原设计特点和不足之处作出评估。
2)再设计阶段:
包括对样本的测量规划、模型重构、改进创新等任务。
3)反求产品制造阶段:
采用通常产品制造方法,完成反求产品的制造过程。
2.12如何进行反求对象的模型重构?
模型重构:
即根据所采集的样本几何数据在计算机内重构样本模型。
模型重构基本步骤:
1)数据预处理。
对所采集的原始数据进行过滤、筛选、去噪、平滑和编辑等操作,使数据满足模型重构的要求;
2)网格模型生成。
采用反求工程模型重构软件系统将预处理的数据自动生成样本的三角化网格模型;
3)网格模型后处理。
对三角化网格模型进行修补、简化,去除模型存在的一些孔洞、缝隙和重叠等缺陷。
2.13绿色设计的实质内容是什么,举例说明绿色设计的基本原则。
绿色产品:
指产品自身及其生产过程具有节能、节水、低污染、低毒、可再生、可回收特点的产品。
具有优良的环境友好性,能够最大限度地利用材料资源,最大限度地节约能源。
绿色设计:
将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中,将环境性能作为产品的设计目标和出发点,力求使产品对环境的影响为最小,其核心为3R1D(Reduce、Recycle、Reuse、Degradable),即低消耗、可回收、再利用、可降解。
绿色设计基本原则:
包括资源最佳利用原则、能量消耗最少原则、“零污染”原则、“零损害”原则、技术先进原则、生态经济效益最佳原则等。
例如超声波洗衣机利用超音波所产生的小汽泡“空化”作用达到清洗的目的,节省了电源、用水量和清洗剂用量,降低了噪声污染和清洗剂对环境的污染,符合资源最佳利用、能量消耗最少、技术先进等绿色设计原则。
第3章先进制造工艺技术
3.1从材料成形学角度,零件成形工艺有哪几种类型,列举这些成形方法各自的工艺内容。
零件成形工艺通常包括如下三种成形类型:
1)材料受迫成形,是利用材料的可成形性在特定边界和外力约束条件下的成形过程,如铸造、锻压、粉末冶金和高分子材料注射成形等。
2)材料去除成形,是有序地从基体材料中分离出部分材料的成形工艺方法,如传统的车、铣、刨、磨切削加工,以及电火花加工、激光切割加工等。
3)材料堆积成形,又称增材制造,是应用连接及合并等工艺手段将材料有序地合并堆积起来的一种成形工艺方法,如快速原型制造、焊接、粘合等。
3.2描述先进制造工艺的发展与特点。
先进制造工艺具有优质、高效、低耗、洁净和灵活的特点:
优质:
加工的产品质量高、性能好、使用寿命和可靠性高。
高效:
生产率高,降低了劳动强度和生产成本。
低耗:
节省原材料和能源消耗。
洁净:
可做到零排放或少排放,生产过程对环境污染少。
灵活:
可对市场和生产过程变化、设计内容更新快速做出反应。
3.3查阅资料,列举现已成熟使用的精密洁净铸造成形工艺方法。
略.
3.4查阅资料,列举现已成熟使用的精确高效金属塑性成形工艺。
3.5什么是超塑性,目前金属超塑性主要有哪两种工艺手段获得?
超塑性:
指金属材料在一定的内部组织条件和外部环境条件下呈现出异常低的流变抗力、异常高的延伸率现象,目前主要有细晶超塑性和相变超塑性不同工艺两种类型。
细晶超塑性:
其内在条件是具有均匀、稳定的等轴细晶组织,晶粒尺寸通常小于10µ
m;
外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下形变,一般应变速率在10-4-10-5min-1范围内,要比普通金属应变速率至少低一个数量级。
相变超塑性:
在材料相变点上下进行温度循环变化的同时对试样进行加载,经多次循环,试样得到积累的大变形。
3.6目前在高分子材料注射成形工艺中,有哪些先进技术?
高分子材料注射成形有如下先进技术:
l气体辅助成形:
在熔融塑料在模腔内未冷却之前,将具有一定压力的惰性气体注入,可使塑料均匀填充整个模腔,防止塑件表面出现缩痕或收缩翘曲等缺陷。
l注射压缩成形:
在模具保持一定开度下合模充填塑料熔融体,再利用油缸压缩使模具的动模板移动至完全合模状态,此时塑料熔融体因受压而充满模具整个型腔而成形,常用于流动性较差的薄壁制品等。
l模具滑合成形:
用于某些中空制品或不同材料的复合体注塑成型。
l剪切场控制取向成形:
在模具上开设两个主流道,通过这两主流道充满型腔后,用安装于主流道的两个油缸活塞进行反复振荡,迫使熔接痕部位的填充物沿着剪切力场方向取向,可提高熔接痕处的强度,可消除制品内部缩孔或表面缩痕等缺陷。
l直接注射成形:
是应用注射机螺杆结构来提高注塑时的混炼效果。
3.7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?
普通加工精度范围:
加工精度是在1、表面粗糙度Ra0.1以上的加工方法。
精密加工精度范围:
加工精度是在0.1~1、表面粗糙度Ra为0.01~0.1之间的加工方法。
超精密加工精度范围:
加工精度高于0.1,表面粗糙度小于Ra0.01加工方法。
3.8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?
分析超精密切削时的最小切削厚度与刃口圆弧半径的关系。
金刚石刀具的性能特征:
1)具有极高的硬度,其硬度达到HV6000~10000;
2)能磨出极其锋锐的刃口,且切削刃没有缺口、崩刃等现象;
3)热化学性能优越,导热性能好,与有色金属间的摩擦系数低、亲和力小;
4)耐磨性好,刀刃强度高。
超精密切削加工一般采用金刚石刀具:
因为超精密切削要求刀具具有极高的硬度和耐用度,且能磨出极其锋锐的刃口,目前只有金刚石刀具能满足这些要求。
超精密切削时的最小切削厚度与刃口圆弧半径的关系:
其最小切削厚度取决于刀具的刃口半径,具有如下关系:
当μ=0.12时,可得:
hDmin=0.322ρ
当μ=0.26时,可得:
hDmin=0.249ρ
若能正常切削hDmin=1nm,要求金刚石刀具的刃口半径ρ应为3~4nm。
3.9超精密磨削一般采用什么类型砂轮,这些砂轮又如何进行修整?
超精密磨削砂轮:
一般采用超硬磨料砂轮,如金刚石和立方氮化硼(CBN)。
金刚石砂轮:
有较强的磨削能力和较高的磨削效率,一般用于磨削硬质合金、非金属硬脆材料、有色金属及其合金等,不宜用于铁族元素合金。
立方氮化硼砂轮:
比金刚石磨料有较好的热稳定性和较强的化学惰性,较合适于硬而韧、高温硬度高、热传导率低的钢铁材料。
超硬磨料砂轮修整方法:
1)车削法:
用金刚石笔、金刚石修整片等车削金刚石砂轮以达到修整目的。
2)磨削法:
用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮进行对磨修整。
3)喷射法:
将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到砂轮表面,以去除部分结合剂致使超硬磨粒突出。
4)电解在线修锐ELID法:
应用电解加工原理,在砂轮进行磨削加工的同时,完成对工作砂轮的修锐过程。
5)电火花修整法:
采用电火花放电原理进行超硬磨料砂轮的修整,适用于各种金属结合剂砂轮。
6)其它修整法:
超声波修整、激光修整等。
3.10超精密加工对机床设备和环境有何要求?
超精密加工对机床设备要求:
1)精密主轴部件,主轴要求达到极高的回转精度,其关键在于所用的精密轴承。
2)床身和精密导轨,要求床身具有较强的抗振衰减能力、低热膨胀系数、尺寸稳定;
要求导轨部件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。
3)微量进给装置,要求:
①精微进给与粗进给分开;
②运动部分必须是低摩擦和高稳定性;
③末级传动元件有很高的刚度;
④工艺性好,易于制造;
⑤具有自动控制功能,动态性能好。
超精密加工对环境要求:
1)净化的空气环境,减少空气中的尘埃含量,提高空气的洁净度。
2)恒定的温度环境,加工精度要求越高,对温度波动范围的要求越严格。
3)较好的抗振动干扰环境,消除振动干扰。
3.11在怎样的速度范围下进行加工属于高速切削,分析高速切削加工所需解决的关键技术。
高速切削区域:
工件材料都对应有一个临界切削速度,在该切削速度下切削温度最高,当超过临界速度后切削温度将随着切削速度增加而下降,高速切削区域即为越过不能切削的高温区域之后的某速度区域。
高速切削加工关键技术:
1)高速主轴单元,一般采用“电主轴”,具有重量轻、振动小、噪音低、响应性能好的特点。
2)快速进给系统,通常采用直线电机直接驱动的进给系统,没有刚性摩擦,几乎没有反向间隙,有较好加、减速特性。
3)先进的机床结构,必须具足够的刚度和强度,高的阻尼特性和热稳定性。
4)高速切削刀具系统,要求具有良好的热稳定性,严格的动平衡。
5)高性能CNC控制系统,必须有高运算速度和控制精度,以满足复杂曲面型面的高速加工要求。
3.12叙述高速磨削对砂轮的要求。
高速磨削砂轮要求:
①砂轮基体机械强度能够承受高速磨削时的磨削力;
②磨粒突出高度大,以便能够容纳大量的长切屑;
③结合剂具有很高的耐磨性,以减少砂轮的磨损;
④磨削安全可靠。
3.13分析增材制造工作原理和作业过程。
增材制造技术基本原理:
采用软件离散-材料堆积原理实现零件的成型过程。
增材制造技术作业过程:
1)建立三维实体模型,可用各种三维CAD系统或通过反求工程方法建立实体CAD模型;
2)生成数据转换文件,将三维实体数据模型转换为STL三角化数据文件;
3)分层切片,沿给定方向将STL文件进行切片,得到一个个二维薄片层;
4)逐层堆积成形,根据切片轮廓和厚度要求完成各切片层,通过一层层堆积完成实体成形制造。
5)成形实体后处理,对成形实体进行固化、修补、打磨、涂覆等后处理工序。
3.14列举当前常用的增材制造的工艺方法,叙述各种工艺方法的工艺过程及其特点。
快速原型制造工艺方法:
1)光敏液相固化法SLA,利用紫外光对液槽内的光敏树脂进行一层层固化成形。
特点:
成形精度好,材料利用率高,适宜制造形状复杂、特别精细的树脂零件。
不足:
材料昂贵,制造过程需要设计支撑,加工环境有气味等问题。
2)叠层实体制造法LOM,通过单面带有粘胶的纸材或箔材通过相互粘结成形的。
成形速度快,成形材料便宜,无相变、无热应力、形状和尺寸精度稳定。
成形后废料剥离费时,取材范围较窄,且层厚不可调整。
3)选区激光烧结法SLS,应用高能激光束将粉末材料逐层烧结成形。
成形材料广泛,不需要支撑材料。
需要高能激光器,设备成本较高。
4)熔丝沉积成形法FDM,通过挤压头挤出一束非常细的热熔塑料丝来成形。
无需激光系统,设备组成简单,其成本及运行费用较低。
需要支撑材料,成形材料限制较大。
金属零件直接制造工艺方法:
1)同轴送粉激光近形制造LENS,采用与激光束同轴的喷粉送料方法将金属粉末送入激光束熔池中融化逐点逐线成形。
组织致密,快速熔凝,力学性能高。
难以成形复杂和精细结构,粉末材料利用率偏低。
2)粉末床选择性激光熔化SLM,是利用高概率密度激光器熔化预先铺设在粉床上薄层粉末成形。
成形金属件接近全致密,强度达到锻件水平,M成形精度高。
成形效率较低,可重复性及可靠性有待进一步优化。
3)电子束熔化技术EBM,SLM工艺相似,差别在于应用电子束。
成形室为高真空,能量吸收率高,材料润湿性增强,结合强度高。
系统复杂,需要预热,影响成形效率。
三维打印工艺方法:
无需激光器,体积小,结构紧凑,特别适合用作桌面办公系统。
1)粘接型3DP,采用喷头喷射粘接剂使粉末材料成形。
2)光敏固化型3DP,用打印头喷出液态光敏树脂,再利用紫外光对其进行固化成形。
3)熔融涂覆型3DP,为熔丝沉积成形工艺FDM。
3.15列举当前常用的微制造工艺技术以及纳制造工艺技术。
微制造工艺
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