先进制造技术复习资料doc.docx
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先进制造技术复习资料doc
前言
由于全球经济发展需求的快速增长，资源能源价格不断攀升，且在高位波动
生态环境压力逐渐加大，全球气候变化备受关注，ICT技术突飞猛进
（Informationand Communications Technology，简称ICT，信息通信技术）
信息化、网络化、知识化快速发展，经济全球化和全球绿色、智能制造的发展趋势不可逆转。
我国经济总量已跃居全球第二位，已经成为全球制造大国，但是，也付出了巨大的资源和环境为代价。
新世纪下，资源环境“瓶颈”约束明显加大，关键核心技术的自主创新能力较弱，机械电子装备的关键材料和核心部件仍受制于人。
我国制造业及其产品的物耗、能耗、排放强度较高，信息化、智能化水平较低，仍然处于全球制造业产业链的中低端。
中国制造业亟需实现由大转强的历史跨越，绿色、智能制造应成为中国制造业发展的方向。
（1）地球上有限的不可再生资源决定了人类必须走一条资源节约型的发展之路
未来20年，我国制造业如果单纯依靠数量增长，将是能源资源和环境所不能承受的。
因此，我们必须依靠科技进步，采用绿色制造技术，在提高产品质量和附加值的同时努力降低能源资源的消耗和排放。
我国的能源资源需求快速增长，总量巨大，结构不合理，对外依存度上升，能源利用效率较低，单位GDP能耗强度高，其中制造业耗能占据较大比重。
2009年，我国的总体能源利用效率为33%，较发达国家低10%左右，我国原油的对外依存度已达54.42%。
从各国的经验看，对外依存度50%是一条安全警戒线，预计10年后将达到64.5%。
（2）地球上有限的生态环境承载能力决定了人类必须走一条生态环境友好、绿色低碳、无公害、可再生循环的制造发展之路
可以说，中国制造业总体上仍处于高消耗、高排放、低综合利用率的粗放发展阶段。
我国二氧化硫排放量居世界第一，制造业是目前我国污染物排放大国，二氧化硫和二氧化碳排放分别占86%和37%。
改善生态环境必须减少排放、实施源头治理，依靠科技创新，发展绿色制造业。
（3）ICT技术的发展为智能制造提供了技术基础
传感技术、计算机技术、现场总线、因特网、软件技术等已成为机械电子产品、数控技术、CAD/CAE/CAM/CIMS的技术基础，也为基于计算机和网络的ERP、PDM提供了基础。
提高产品和制造过程的资源能源利用效率，减少排放，改善环境友好，提升绿色制造水平
使按小批量订单要求、乃至个性化制造与服务成为可能，满足全球市场多样性、个性化需求
国外制造企业对智能制造普遍给予高度重视，智能制造已经成为企业赢得竞争优势的重要途径
智能制造在汽车能源的深度应用，正在推动汽车产业发生革命性的变化。
汽车的燃油系统、控制系统、地盘系统、车载系统及汽车行驶的调度系统等都依靠信息集成技术（ICT）来实现智能化。
全球信息化、网络化为智能制造和营销服务提供了空前的信息、知识和市场空间
基于无线传感网、Internet、物联网、云计算、全球知识与技术创新，创造了一种全新的全球网络智能制造和服务模式
制造业的市场信息、知识技术、材料装备、资金人才、管理服务等要素，能在全球范围内更自由、更便捷地流动和更有效地优化配置
5）绿色、智能制造是进一步提高中国制造的全球竞争力、实现由“制造大国”向“制造强国”跨越的必由之路
到2010年5月，我国已超越德国成为全球第一制造出口大国。
能源、炼油、核电等成套设备的制造集成能力已有很大提升，但与国际先进水平仍有明显差距。
主要表现在关键核心技术创新能力、产品能耗物耗与排放水平、产品精度效率与全球服务的信息化、智能化水平、自主知识产权与全球著名品牌。
未来5-10年，全球制造业竞争的关键将集中在产品的性能和效率、智能化程度、环保与低碳性能等。
目前，我国制造业总体仍处于全球制造业产业链的中低端，关键核心技术和部件仍依赖进口。
因此，进一步提高中国制造的全球竞争力，提升我国制造业在全球制造业价值链中的地位，实现我国制造业由大变强的历史跨越，也必须走绿色、智能制造之路。
绿色、智能制造将为传统产业链和战略性新兴产业提供资源节约、节能减排、环境友好、提升信息化水平的先进技术和先进装备支持。
（1）绿色、智能制造是战略性新兴产业的重要组成
环境友好材料，节能减排绿色工艺，绿色智能产品等组成了一条宏大的创新制造产业链，而且还可带动包括研发设计、信息物流、咨询服务等在内的相关产业。
产品的绿色智能设计和研发将减少物耗和能耗，围绕产品的全价值链进行绿色管理
实现从原材料到废弃物回收的资源能源节约、可再生循环、绿色低碳的循环经济
（2）绿色、智能制造将为战略性新兴产业的发展提供先进装备
绿色、智能制造将为七大战略性新兴产业（节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料和新能源汽车等）提供先进的装备支持。
绿色、智能制造几乎覆盖了战略性新兴产业的各个领域，是现代装备产业中最核心、最先进的部分。
为战略性新兴产业和高端制造业提供先进智能设备。
废水处理；风力发电机并网。
生物技术产品的规模化、高效率生产。
新材料的制备；信息网络产业。
新能源汽车的能量控制和管理。
第一章制造业与先进制造技术
在国民经济产业结构中通常有三大产业：
第一产业为农业；
第二产业为工业；
第三产业为服务业。
在工业中，又分制造业、建筑业、采掘业以及电力、煤气、水的生产供应业。
目前，我国工业在国民经济中所占比例为52％、其中的制造业产值又占工业总产值的约45％。
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。
二十一世纪制造业的产品特征
个性化和多样化，产品制造智能化，包括产品自身智能和生产定制化、模块化，满足不同消费者喜好；寿命周期不断缩短，智能化包括产品自身智能和生产设施工具的智能；绿色产品，全寿命周期无污染、低资源消耗和可回收利用。
制造业生产方式：
小批量→少品种大批量→多品种变批
制造业资源配置：
劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集
制造技术：
手工→机械化→单机自动化→刚性自动化→柔性自动化→智能自动化
1.2.2先进制造技术产生背景
1）社会经济发展背景
消费需求：
主题化、个性化和多样化，产品寿命周期缩短
全球性产业结构调整：
制造商之间既有激烈竞争，又有基于实力的合作。
快速响应市场：
满足已有和潜在顾客需求，主动适应市场，引导市场，是赢得竞争，获取最大利润的关键
2）科学技术发展背景
制造技术在向宏观（制造系统）和微观（超精密加工）两个方向发展
现代制造业成为技术密集、知识密集型产业
信息成为制造业决定性因素，Intranet/Internet对制造业产生重大影响
3）可持续发展战略
资源匮泛，污染严重；环境问题不能以牺牲今后几代人的利益为代价；由粗放经营、掠夺式开发向集约型、可持续发展转变
1.3先进制造技术的定义
先进制造技术是在传统制造技术基础上不断吸收机械、电子、信息（计算机与通信、控制理论、人工智能等）、能源、材料以及现代管理技术等方面的成果，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。
1.3.2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。
1994年美国联邦科学、工程和技术协调委员会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管理技术群。
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。
先进制造技术与传统制造技术比较具有系统性、广泛性、集成性、动态性、实用性特征。
先进制造技术被分为：
现代设计技术、先进制造工艺、工自动化技术、现代生产管理技术、先进制造生产模式。
第二章现代设计技术
市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现以及相关科学及技术的发展；
尤其是计算机科学及应用技术的发展，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。
现代设计技术的时间维
产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、总体参数、制约条件和设计要求；
方案设计--功能原理设计，确定原理方案；
技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构；
施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说明书编写等。
现代设计技术的逻辑维
分析--明确设计任务本质；
综合--综合各种因素，探求解决方案；
评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进；
决策--确定最佳的设计方案
方法维
现代设计的特征
现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。
⑴以计算机技术为核心①设计手段的更新，计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。
②产品表示的改变，计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。
③设计方法的发展促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。
新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。
④工作方式的变化，计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。
受设计手段限制，传统设计过程采用串行方式进行，即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。
现代设计技术要求设计小组（Team）同时地、并行地参与设计，并最大限度地交流信息，以缩短设计周期及有助于将各种新思想、新技术、新方法融入到产品设计中。
⑤设计与制造一体化⑥管理水平的提高⑦组织模式的开放
网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。
传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。
为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。
⑵以设计理论为指导
传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等为依据进行。
现代设计方法是基于理论（如摩擦学理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等）形成的方法；
⑵以设计理论为指导
利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。
现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。
现代设计的内涵
通过对其特征的分析，认为：
“现代设计”就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。
现代设计的内涵
简单的说，现代设计的内涵就是以市场为驱动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。
基础技术指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学、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。
主体技术
计算机辅助设计技术以其对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术的主干。
可以毫不夸张地说，没有如CAD技术、优化设计、有限元分析、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等这些计算机辅助技术，就没有现代设计技术；
而其他的现代设计技术的理论与方法，是从另一侧面提高了计算机的“能力”和“智能”。
支撑技术
设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。
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、精密机械等设计的知识和技术。
值得一提的是，现代设计技术体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的；
主体技术、支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在绝对的界限。
CAD的技术特征
计算机的支持和参与利用计算机信息存储、逻辑推理、长时间重复工作、快速精确的计算等能力和特长，提高产品设计效率和质量；
设计者的主导作用计算机不可能完全取代人进行设计作业；
主要辅助完成技术设计不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节。
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、材料特征、装配特征等。
形状特征是特征造型的主要部分，是其他特征的载体，形状特征定义为一组唯一确定该特征的参数，这组参数中有形状参数及定位参数。
精度特征可分为两类：
一种是各几何元素本身的要求，如尺寸公差、表面粗糙度等，另一种和其他几何元素相关，即相对于基准的精度要求，如形状及位置公差。
材料特征分为整体材料特征、表面处理特征及局部处理特征，整体材料特征作为零件的属性，包括材料种类代号、性能、热处理方法等，表面处理特征作为表面的属性，包括表面淬火、渗碳、渗氮等。
NURBS（Non-UnifromRationalB-Splines）可统一自由曲线/曲面和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结构，有利于曲线、曲面操作和修改。
2.3.1优化设计
最优化设计是借助最优化数值计算方法和计算机技术，求取工程问题的最优设计方案。
即：
进行最优化设计时，首先必须将实际问题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的数学模型，然后选择一种最优化数值计算方法和计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最佳的设计参数。
产品的工作能力产品完成规定功能所处的状态；产品工作能力的耗损过程属于随机过程。
产品在某一时刻t时的工作能力，就是产品在t时刻所处的状态。
可靠度在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率R（t），可靠度愈大，工作愈可靠，0≤R（t）≤1。
可靠度是累积分布函数，它表示在规定的时间内圆满工作的产品占全部工作产品累积起来的百分数。
设有N个相同的产品在相同的条件下工作，到任一给定的工作时间t时，累积有Ｎｆ（ｔ）个产品失效，剩下Ｎｐ（ｔ）个产品仍能正常工作。
那么，该产品到时间ｔ的可靠度Ｒ（ｔ）为
思考：
如何计算产品在正常运行一定时间后再正常运行一段时间的可靠度？
采用经验可靠度R（t）=Np（t）/N
例子：
在某批产品N个中，已有88个正常工作2400小时，在继续工作800小时，还有66个能正常工作，问在这800小时中的可靠度是多少？
解：
因为Np（t）=Np（2400）=88
Np（t+△t）=Np（2400+800）=66
所以
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λ（t），失效率愈低，产品愈可靠,能决定每一时刻的可靠度。
由此可知，失效率是个条件概率。
失效率的观测值：
有100块IC，在1000小时内失效5块，在1000～1010小时失效38块，求t＝1000，和t＝1010h的失效率的估计值？
代入公式：
λ（t）＝∆n（t）/∆t[N-n（t）]
求解：
λ（1000）＝5/1000（100-0）=5×10－5/h＝50000Fit
λ（1010）＝38/（1010-1000）（100-5）＝0.4%h－1
（5）系统的可靠性预测
任何一个能实现所需功能的产品都是由一定数量的独立单元组成的系统，因此，系统的可靠度取决于各个独立单元本身的可靠度和它们组成形式。
组成形式的不同，系统的可靠度也有很大的差别。
系统的组成形式有：
串联、并联和混合型。
定义：
用已知组成系统的各个独立单元的可靠度计算系统的可靠性指标。
（7）可靠性试验
是为了定量评价产品的可靠性指标而进行的各种试验的总称。
获得可靠性指标，如平均寿命、可靠度R（t）、失效概率λ（t）等。
常用试验：
（1）环境可靠性试验
（2）寿命试验（3）现场可靠性试验
（2）价值工程基本概念产品价值V是产品功能F与产品成本C的综合反映。
价值（V）功能（F）成本（C）三者关系为：
V=F/C
提高产品价值有以下五种途径：
1）功能不变，降低成本2）成本不变，提高功能3）功能提高，成本降低4）成本略有提高，功能有更大的提高5）功能略有下降，成本有更大的下降。
对象选择是回答“它是什么”？
能否从丛多产品中准确地选择分析对象，关系到价值工程地效果，应选择在改进功能、降低成本上有较大潜力地对象。
1）对象选择主要原则：
从产品功能考虑：
不能满足用户要求，功耗大、效率低、可靠性低的产品；
从产品成本考虑：
原材料昂贵、加工成本高的产品；
从企业外部环境考虑：
市场需求量大，发展前景好的产品
价值系数分析法--价值系数作为选择对象的依据vi=fi/ci
Vi=1零件的功能比重与成本比重基本相同。
可以不作重点对象
Vi<1说明零件功能系数小，而成本系数大，作为重点选择对象
Vi>1说明零件的比较重要，而分配的成本比较小
功能定义用简明语言对分析对象功能作出表述，说明它干什么用。
例如车床产品的功能是“车削工件”的。
产品的功能具有多样性。
主要分类方法有：
1）按功能的重要程度分，将功能分为基本功能和辅助功能。
2）按功能的性质分，有使用功能和外观功能。
3）按用户需要分，有必要功能和不必要功能
功能整理确定产品必要功能，调整过剩功能，明确产品功能区域。
功能评价是回答成本是多少和价值是多少的提问，其目的是寻求给定功能的最低成本。
一对一比较法（0-1评分法）
0-1评分法是把产品的各个功能逐个相互比较，排定功能重要性的次序，具体方法如下：
如果产品有七个功能，先将功能填入功能比较表，然后逐行一对一比较，较重要的功能得1分，较次要的功能得0分。
逐行计算得分。
同功能相比计以符号×,X作为1分计算。
将每个功能的得分与所有功能的总分比较，得出每个功能评价系数。
如表1-1
产品开发的两种模式：
1、从市场需求出发，从无到有（正向工程）：
市场分析→概念设计→结构设计→加工制造→装配检验
2、从已有产品出发，从有到新（反求工程）：
已有产品→实物测量→重构模型→创新改进→加工制造
反求工程类型：
（1）实物反求信息源为产品实物模型，应用最广
（2）软件反求信息源为产品工程图样、数控程序、技术文件等技术软件；
（3）影像反求信息源为图片、照片或影像等资料
模型重构技术
模型重构：
根据所采集的样本几何数据在计算机内重构样本模型的技术。
模型重构的分类
（1）根据所处理的数据对象的不同：
有序数据的模型重构和散乱数据的模型重构
（2）对测量数据重构后表面表示形式的不同，将模型重构分为：
由众多小三角片构成的网格曲面模型和分片连续的样条曲面模型。
模型重构的基本步骤
数据预处理对原始数据过滤、筛选、去噪、平滑和编辑等操作
网格模型生成采用适当的方法生成三角网格模型
网格模型后处理三角网格模型进行简化,修补模型孔洞、缝隙和重叠等缺陷
绿色产品的定义：
可以拆卸、分解的产品；原材料使用合理化，并能处理回收的产品；从生产、使用、回收过程对生态环境无害或危害小产品；可翻新和重新利用的产品；
综合定义：
在产品全生命周期内，节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，对生产者及使用者具有良好保护性的产品。
绿色产品特点：
优良的环境友好性，最大限度地利用材料资源，节约能源。
绿色设计主要内容
绿色产品描述与建模；准确全面的描述，建立评价模型；
绿色设计材料选择侧重环境约束和材料对环境影响；
面向拆卸的设计能够高效、不加破坏地拆卸，有利于材料的重新利用和循环再生；
可回收性设计包括可回收材料识别及标志、回收处理工艺、可回收性结构设计、可回收经济分析与评价；
绿色产品成本分析包括污染物处理成本、拆卸成本、重复利用成本、环境成本等；
绿色设计的原则
资源最佳利用原则①能源选用，尽可能使用再生资源;②提高利用率；能量消耗最少原则尽可能选用可再生一次能源，力求能源消耗最少；“零污染”原则消除污染源，尽可能地做到零污染；“零损害”原则将对身心健康损害降低最低程度；技术先进原则采用新技术，使产品具有市场竞争力；生态经济效益最佳原则同时考虑经济效益和环境效益。
新型工程材料的应用
类型：
超硬材料、超塑材料、高分子材料、
复合材料、工程陶瓷等
对制造工艺贡献：
①改善刀具切削性能，改进加工设备；②促进特种加工工艺发展。
单机自动化→系统自动化；刚性自动化→柔性自动化→综合自动化
毛坯成形技术在向少、无余量发展如：
熔模精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷温挤压等新工艺。
表面工程技术的形成和发展
表面工程：
通过表面涂覆、表面改性、表面加工、表面复合处理改变零件表面形态、化学成分和组织结构，以获取与基体材料不同性能的一项应用技术。
机械零件成形方法：
受迫成形在特定边界和外力约束下成形，如铸造、锻压、粉末冶金和注射成形等；
去除成形将材料从基体中分离出去成形，如车、铣、刨、磨、电火花、激光切割；
堆积成形将材料有序地合并堆积成形，如快速原形制造、焊接等。
自硬砂精确砂型铸造
粘土砂造型铸件质量差、生产效率低，劳动强度大、环境污染严重
自硬树脂砂造型高强度、高精度、高溃散性，低劳动强度，适合于各种复杂铸件型芯制作。
铸件壁厚可<2.5mm
高紧实砂型铸造可提高铸型强度、刚度和硬度，减少金属液浇注凝固时型壁移动，降低金属消耗、减少缺陷，提高精度、粗糙度提高2-3级
消失模铸造利用泡沫塑料作为铸造模型，并在其四周填砂，不分上下模，泡沫塑料在浇注过程中气化。
可避免砂型溃散，可消除起模斜度，减小铸件壁厚，能够获得表面光洁、尺寸精确，无飞边、少无余量精密铸件
特种铸造技术
类型：
压力铸造、低压铸造、熔模铸造，真空铸造、挤压铸造等。
压力铸造：
金属模，以压力浇注取代重力浇注，铸件精确、表面光洁、内部致密。
清洁（绿色）铸造技术
洁净的能源以感应电炉代替冲天炉，减轻对空气的污染，废弃物再生和综合利用铸造旧砂再生回收、熔炼炉渣处理和综合利用。
精密模锻利用模锻设备锻造出锻件形状复杂、精度高的模锻工艺，其尺寸精度可达到IT12~15,表面粗糙度可为Ｒａ３.２~1.6um，对于碳素钢，精锻温度一般在900～450度之间，又称低温模锻。
锻模精度要求比锻件精度高1~2级。
冷温模锻是指金属材料在室温或再结晶温度以下爱的塑性成形工艺。
超塑性成形
超塑性现象：
在一定内部条件（如晶粒形状、相变）和外部条件（如温度、应变速率）下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的延伸率现象。
目前已知锌、铝、铜等合金超塑性达1000%，有的甚至达2000%。
金属超塑性类型：
细晶超塑性（恒温超塑性）
内在条件：
具有均匀、稳定等轴细晶组织（<10µm）；
外在条件：
特定温度和变形速率（10-4-10-5min-1）。
超塑性气压成形薄板加热到超塑性温度，在压力作用下产生超塑性变形，直至同模具贴合为止。
辊轧工艺用轧辊对坯料连续变形加工工艺，生产率高、质量好、材料消耗少。
粉末冶金的定义:
将各种金属和非金属粉料均匀混合后压制成形，再经高温烧结和必要的后续处理来制取金属材料及其制品的成形工艺方法。
粉末锻造件优点：
能源消耗低，材料利用率高为普通锻造能耗49%，材料利用率达90%，普通锻造仅40-60%；锻件
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