工程材料與制造技術(shù)簡論

第一章工程資料與制造技術(shù)簡論第一章工程資料與制造技術(shù)簡論本章將重點(diǎn)引見工程資料和制造技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和開展，以及制造類企業(yè)的組織構(gòu)造和產(chǎn)品消費(fèi)過程，希望讀者能在進(jìn)入現(xiàn)代資料成型與制造工藝根底的學(xué)習(xí)之前，對工程資料和制造技術(shù)的背景有一個(gè)比較完好的了解，以利于本課程和后續(xù)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)。第一節(jié)工程資料開展簡述第一節(jié)工程資料開展簡述資料是人類用以制造有用物件的物質(zhì)，而新資料主要是指最近開展起來或正在開展之中的具有特殊功能和成效的資料。人類歷史證明，資料是人類社會提高的物質(zhì)根底和先導(dǎo)。按照傳統(tǒng)的分類方法可以分為金屬資料、無機(jī)非金屬資料〔陶瓷〕、有機(jī)高分子資料和復(fù)合資料四大類。圖1-1中對上述四類資料在不同歷史年代的相對重要性進(jìn)展了描畫。一、金屬資料的開展簡述金屬資料具有其它資料體系不能夠完全取代的獨(dú)特的性質(zhì)和運(yùn)用性能，這是由于金屬資料主要經(jīng)過金屬鍵結(jié)合而成，這種鍵合特點(diǎn)使得金屬有比高分子資料高得多的模量、有比陶瓷高得多的韌性、可加工性、磁性和導(dǎo)電性?！惨弧辰饘儋Y料的開展史公元前5000年為青銅器時(shí)代，公元前1500－1200年為鐵器時(shí)代。18世紀(jì)以后，鋼鐵工業(yè)開場迅猛開展，成為產(chǎn)業(yè)革命的主要潮流和物質(zhì)根底，其它金屬資料也得到相應(yīng)的快速開展。第一節(jié)工程資料開展簡述〔二〕金屬資料的開展現(xiàn)狀主要圍繞以下幾個(gè)方面向縱深開展?！?〕高純資料〔2〕高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度金屬資料〔3〕超易切削鋼和超高易切削鋼〔4〕硬質(zhì)合金與金屬陶瓷〔5〕高溫合金與難熔合金〔6〕纖維加強(qiáng)金屬基復(fù)合資料〔7〕共晶合金定向凝固資料〔8〕快速冷凝金屬非晶及微晶資料典型非晶和微晶金屬資料：1〕金屬玻璃2〕金屬微晶資料〔9〕有序金屬間化合物〔10〕納米金屬資料〔11〕外形記憶合金〔12〕貯氫合金第一節(jié)工程資料開展簡述二、無機(jī)非金屬資料〔陶瓷〕的開展簡述先進(jìn)陶瓷的化學(xué)鍵是由共價(jià)鍵和離子鍵組成,具有優(yōu)良的耐高溫、耐磨、耐腐蝕的特點(diǎn)?！惨弧程沾傻拈_展史中國是陶瓷的發(fā)源地，最早人類利用粘土的可塑性將其加工成所需外形，然后用火燒制成型，這就是陶器。陶瓷的第一次艱苦飛躍是人類掌握了經(jīng)過鼓風(fēng)提高熄滅溫度的技術(shù)，進(jìn)而利用粘土、石英、長石等礦物制成了瓷器。陶瓷開展過程中的第二次艱苦飛躍是從傳統(tǒng)陶瓷到先進(jìn)陶瓷?！捕诚冗M(jìn)陶瓷的主要研討領(lǐng)域與研討現(xiàn)狀先進(jìn)陶瓷的研討領(lǐng)域包括：粉體、構(gòu)造陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、薄膜及噴涂、陶瓷工藝等。目前正圍繞陶瓷資料的弱點(diǎn)方面轉(zhuǎn)入更細(xì)致的根底研討和運(yùn)用研討。第一節(jié)工程資料開展簡述〔三〕構(gòu)造陶瓷的研討開展趨勢構(gòu)造陶瓷的脆性研討〔1〕相變增韌陶瓷〔2〕高精細(xì)陶瓷〔3〕高韌性/高硬度α—Sialon陶瓷〔4〕可塑性變形陶瓷〔5〕金屬間化合物與陶瓷復(fù)合資料〔6〕纖維及晶須加強(qiáng)陶瓷基復(fù)合資料〔7〕疊層構(gòu)造陶瓷基復(fù)合資料〔8〕納米陶瓷及其復(fù)合資料綜上所述，陶瓷資料開展的過程也是陶瓷增韌的開展過程，設(shè)計(jì)思想閱歷了“限制和減少缺陷—容忍缺陷—利用缺陷〞的變化過程。2．有關(guān)構(gòu)造陶瓷粉體制備的研討3．有關(guān)陶瓷資料的制備與加工技術(shù)4．有關(guān)陶瓷資料的可靠性檢測與評價(jià)技術(shù)第一節(jié)工程資料開展簡述〔四〕構(gòu)造陶瓷的研討展望預(yù)期構(gòu)造陶瓷在以下領(lǐng)域具有重要的研討開展前景：①新型層狀碳化物和氮化物陶瓷的研討②高性能復(fù)相陶瓷和陶瓷基復(fù)合資料，包括金屬陶瓷，納米復(fù)相陶瓷，多層次復(fù)合與交融復(fù)相陶瓷；③金屬間化合物與陶瓷復(fù)合資料以及陶瓷纖維補(bǔ)強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合資料的研討；④高性能、批量化、低本錢先進(jìn)陶瓷的制備和加工技術(shù)研討⑤先進(jìn)構(gòu)造陶瓷的可靠性及性能評價(jià)技術(shù)研討；⑥構(gòu)造陶瓷資料物理力學(xué)性能檢測方法與規(guī)范及評價(jià)技術(shù)研討；⑦構(gòu)造陶瓷資料可靠性的聲學(xué)快速評價(jià)技術(shù)研討；⑧高性能、低本錢、高可靠性陶瓷資料的制備技術(shù)研討等。第一節(jié)工程資料開展簡述三、工程塑料的開展簡述工程塑料是一個(gè)特定的稱號，其廣義上是泛指具有高性能又能夠替代金屬資料的塑料，狹義上是指比通用塑料的強(qiáng)度與耐熱性優(yōu)良，可作為工業(yè)用的構(gòu)造資料并具有功能作用的高性能塑料。〔一〕工程塑料開展史20世紀(jì)30年代，高分子構(gòu)造與性能關(guān)系研討的興起及實(shí)際的創(chuàng)建，推進(jìn)了新型高分子的合成。20世紀(jì)50年代初期開場了塑料制品的研討。工程塑料主要種類工業(yè)化年度及首家商品化的企業(yè)列入表1-1，工程塑料的快速開展源于80年代以后。第一節(jié)工程資料開展簡述〔二〕工程塑料的特點(diǎn)1．與金屬資料相比其優(yōu)點(diǎn)是：(1)比重??；僅為1.0-2.0，約為鐵的六分之一；(2)加工性好，消費(fèi)效率高；(3)耐水及各種化學(xué)藥品腐蝕；(4)自光滑性好，摩擦系數(shù)??；(5)可以自在著色；(6)容易與玻璃纖維及各種填料復(fù)合；(7)優(yōu)良的電絕緣性；(8)隔熱性優(yōu)良，導(dǎo)熱系數(shù)約為鐵的百分之一；(9)可降低本錢、節(jié)約資源和能源。2．與金屬資料相比其缺陷是：(1)耐熱性能差，軟化點(diǎn)低；(2)機(jī)械強(qiáng)度低，抗張強(qiáng)度普通約為鋼的非常之一；(3)尺寸穩(wěn)定性差，線膨脹系數(shù)約為鋼的5倍；(4)耐久性差，長期受重力作用易產(chǎn)生疲勞，在室外長期受紫外線作用，易降低性能。第一節(jié)工程資料開展簡述四、復(fù)合資料的開展簡述復(fù)合資料是指由不同資料組合而成，在新制成的資料中，原來各資料的特性得到了充分的運(yùn)用，而且復(fù)合后，可望獲得單一資料得不到的新功能資料?！惨弧硰?fù)合資料的開展歷史復(fù)合資料的開展閱歷了古代—近代—先進(jìn)復(fù)合資料的過程，最原始的復(fù)合資料是在粘土泥漿中摻稻草，制成很好的土磚。近代復(fù)合資料主要包括軟質(zhì)復(fù)合資料和硬質(zhì)復(fù)合資料。第一節(jié)工程資料開展簡述〔二〕先進(jìn)復(fù)合資料的研討現(xiàn)狀典型復(fù)合資料的研討現(xiàn)狀如下：1.金屬基復(fù)合資料〔MetalMatrixComposites—MMC〕MMC所用基體除Al,Mg外還包括Ti,Cu,Zn,Pb,Be超合金及金屬間化合物。2.陶瓷基復(fù)合資料〔CeramicMatrixComposites—CMC〕3.其它復(fù)合資料除MMC和CMC復(fù)合資料外，目前處于大量研討、開發(fā)運(yùn)用的復(fù)合資料還包括：〔1〕樹脂基〔高聚物〕復(fù)合資料，〔2〕原位復(fù)合資料〔InSituComposite〕，〔3〕功能精細(xì)復(fù)合資料〔FunctionalFineComposites〔4〕梯度功能資料〔FunctionallyGradientMaterials〕,〔5〕碳—碳復(fù)合資料〔Carbon--CarbonComposites〕。第一節(jié)工程資料開展簡述〔三〕復(fù)合資料的開展趨勢〔1〕進(jìn)一步了解復(fù)合資料所特有的復(fù)合效應(yīng)?！?〕與復(fù)合資料有關(guān)的物理景象，包括結(jié)晶體、穩(wěn)定態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)或暫穩(wěn)態(tài)、各向同性物和各向異性物、熱力學(xué)體系與非熱力學(xué)體系等這些相互對立的物理景象的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化都是復(fù)合資料設(shè)計(jì)和研討的焦點(diǎn)。第一節(jié)工程資料開展簡述五、其它先進(jìn)資料簡介〔一〕智能資料圖1-2為其動作流程。〔二〕生物資料表1-2列出了近年來生物陶瓷復(fù)合資料的開展情況?！踩成鷳B(tài)環(huán)境資料表1-3列出了生態(tài)環(huán)境資料的一些相關(guān)種類及其產(chǎn)品。〔四〕納米資料第一節(jié)工程資料開展簡述第二節(jié)制造〔工藝〕技術(shù)開展歷史、現(xiàn)狀與開展趨勢制造業(yè)的構(gòu)成見表1-4。一、制造技術(shù)的開展歷史制造技術(shù)的開展大約閱歷了以下六個(gè)階段：1.從18世紀(jì)后半葉開場，蒸汽機(jī)與工具機(jī)的發(fā)明導(dǎo)致近代產(chǎn)業(yè)革命，揭開了近代工業(yè)的歷史，促成了制造企業(yè)的雛形，其特征是工場式消費(fèi)的出現(xiàn)。2.19世紀(jì)電氣技術(shù)得到快速開展，導(dǎo)致電氣技術(shù)與制造技術(shù)的交融，開創(chuàng)了電氣化新時(shí)代，促進(jìn)了制造業(yè)的飛速開展，使制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了批量化消費(fèi)和工業(yè)化消費(fèi)的新局面。3.20世紀(jì)初，內(nèi)燃機(jī)這項(xiàng)艱苦發(fā)明引發(fā)了制造業(yè)的一場革命。使流水消費(fèi)線和泰勒式任務(wù)制得到了廣泛運(yùn)用，特別是受二次大戰(zhàn)的影響，使以降低本錢為中心的剛性、大批大量制造技術(shù)和科學(xué)管理方式得到空前開展。第二節(jié)制造〔工藝〕技術(shù)開展歷史、現(xiàn)狀與開展趨勢4.制造技術(shù)開展的第四個(gè)階段出如今二戰(zhàn)以后，隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息和自動化技術(shù)的快速開展，制造技術(shù)開場向高質(zhì)量消費(fèi)和柔性化消費(fèi)開展。5.20世紀(jì)80年代以來制造技術(shù)的開展那么是由于市場牽動呵斥的。柔性制造單元〔FMC〕、引發(fā)了制造工程中組織構(gòu)造和運(yùn)轉(zhuǎn)方式的革命性飛躍。6.進(jìn)入90年代，制造技術(shù)的重要特征是與信息技術(shù)、人工智能技術(shù)融為一體，隨著人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等計(jì)算機(jī)智能的運(yùn)用，制造知識的獲取、表示、存儲和推理已成為能夠。第二節(jié)制造〔工藝〕技術(shù)開展歷史、現(xiàn)狀與開展趨勢二、制造技術(shù)的現(xiàn)狀機(jī)械制造工藝的流程圖與詳細(xì)過程見圖1-3和表1-5.以機(jī)械制造業(yè)為例,在2000年前后，我國規(guī)模化企業(yè)有4萬多個(gè)〔指產(chǎn)值大于500萬的企業(yè)〕；資產(chǎn)超越2.5萬億人民幣；職工到達(dá)1200萬；年產(chǎn)值近2萬億；利潤約為650億；稅收約為800億；占工業(yè)總產(chǎn)值的1/4-1/5。第二節(jié)制造〔工藝〕技術(shù)開展歷史、現(xiàn)狀與開展趨勢三、制造業(yè)及先進(jìn)制造技術(shù)的開展趨勢先進(jìn)制造技術(shù)的開展趨勢今后將具有以下明顯特征：1.信息技術(shù)正在向制造技術(shù)注入和交融，促進(jìn)著制造技術(shù)的不斷開展。2.設(shè)計(jì)技術(shù)在不斷現(xiàn)代化的同時(shí)，設(shè)計(jì)過程也由單純思索技術(shù)要素轉(zhuǎn)向綜合思索技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、和社會要素。3.成型及改良制造技術(shù)向精細(xì)、準(zhǔn)確、少能耗、無污染方向開展。4.加工制造技術(shù)那么向著超精細(xì)加工技術(shù)、超高速切削以及開展新一代制造配備的方向開展。5.工藝將由技藝開展為工程科學(xué)。6.冷熱加工之間、加工、檢測、物流、裝配過程之間、設(shè)計(jì)、資料運(yùn)用、加工制造之間，其界限將逐漸淡化，并逐漸走向一體化。第二節(jié)制造〔工藝〕技術(shù)開展歷史、現(xiàn)狀與開展趨勢第三節(jié)制造類企業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式一、近代企業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式福特消費(fèi)方式的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：〔1〕規(guī)范化產(chǎn)品的大批量消費(fèi)〔2〕互換性原理的運(yùn)用〔3〕流水作業(yè)與精細(xì)加工〔4〕剛性消費(fèi)〔5〕專業(yè)化分化和順序決策〔6〕集中指點(diǎn)與分級管理第三節(jié)制造類企業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式二、現(xiàn)代企業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式〔一〕精益消費(fèi)(1)即時(shí)消費(fèi)傳統(tǒng)消費(fèi)方式與即時(shí)消費(fèi)方式的表示圖分別見圖1-4(a)和圖1-4(b)。(2)成組技術(shù)成組車間規(guī)劃如圖1-5所示。(3)全面質(zhì)量管理〔二〕集成制造福特方式與現(xiàn)代方式的在信息交流和組織構(gòu)造之間的差別可用表示圖1-6表示。第三節(jié)制造類企業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式〔三〕矯捷制造矯捷制造的突出特點(diǎn)主要表如今以下幾個(gè)方面：(1)制造資源能快速重組，能矯捷的跟上市場的變化，具有快速的市場呼應(yīng)才干。(2)能跨企業(yè)、跨地域甚至跨國界實(shí)現(xiàn)資源共享，使制造資源得到最充分的利用。(3)在共同利益驅(qū)動下，能實(shí)現(xiàn)部分利益與整體利益的高度一致，而無需行政命令。(4)能在保證整體利益的協(xié)調(diào)一致性的前提下，最大限制的發(fā)揚(yáng)個(gè)體的積極性。第三節(jié)制造類企業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式第四節(jié)產(chǎn)品制造的過程簡介現(xiàn)代產(chǎn)品的制造過程包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)，資料選擇、資料成型、加工與外表處置、檢驗(yàn)與裝配等。一、產(chǎn)品與零部件設(shè)計(jì)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)動態(tài)的過程。它不僅要思索產(chǎn)品的出世，還要思索產(chǎn)品從生到死整個(gè)生命周期和服役過程，這種設(shè)計(jì)思想的變化是基于制造業(yè)要對環(huán)境維護(hù)擔(dān)任，企業(yè)要在市場猛烈競爭中提高消費(fèi)效率、降低產(chǎn)品的制造本錢等要求中逐漸演化而成的。圖1-7是串行設(shè)計(jì)與并行設(shè)計(jì)的表示圖。第四節(jié)產(chǎn)品制造的過程簡介二、產(chǎn)品或零件的選材與制造產(chǎn)品或零件設(shè)計(jì)完成以后，通常要根據(jù)產(chǎn)品的各種要求進(jìn)展選材。選材時(shí)不僅對資料的性能有要求，對資料的本錢和可加工性能等諸多方面也有要求。產(chǎn)品制造工藝技術(shù)很多，概括起來主要有以下幾大類：〔1〕成型工藝；〔2〕切削與磨削工藝；〔3〕特種工藝；〔4〕塑料成型工藝；〔5〕生長成形工藝〔快速成型工藝〕。第四節(jié)產(chǎn)品制造的過程簡介1.課程性質(zhì)傳統(tǒng)的工程資料及機(jī)械制造根底課程是研討機(jī)器零件常用資料和加工方法，即從選擇資料、制造毛坯、直到加工出零件的綜合性課程。隨著科學(xué)技術(shù)的快速開展，知識更新的加快，學(xué)科大幅度的調(diào)整，本課程性質(zhì)也在逐漸發(fā)生變化，為充分表達(dá)各學(xué)科的交叉、交融，全面拓寬課程知識體系，使實(shí)際、實(shí)際和創(chuàng)新結(jié)合在一同，本課程的內(nèi)容已不僅局限于機(jī)械制造，而是更充分的表達(dá)了先進(jìn)制造技術(shù)、資料科學(xué)與工程、資料及制造技術(shù)開展史、現(xiàn)代信息技術(shù)、現(xiàn)代管文科學(xué)等跨學(xué)科之間的親密交叉與交融?？梢哉f該課程是一門以各種制造方法為載體，涉及多學(xué)科知識浸透與交叉，從常用工程資料的選擇、成形、加工制造直到加工出零件或器件的綜合性課程，它表達(dá)了實(shí)際教學(xué)與實(shí)際環(huán)節(jié)〔或工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)〕親密結(jié)合的特點(diǎn)，它即是高等學(xué)校機(jī)械、資料、管理等類專業(yè)必修的技術(shù)根底課，也是培育復(fù)合型人才的重要工程技術(shù)入門課程。第五節(jié)課程的性質(zhì)、義務(wù)和學(xué)習(xí)要求2.學(xué)習(xí)要求經(jīng)過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)習(xí)者結(jié)合現(xiàn)代工程訓(xùn)練或金工實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，了解資料及制造技術(shù)開展史和現(xiàn)代制造行業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式，獲得常用工程資料、各種制造技術(shù)的根底知識以及零件或器件的加工工藝知識，培育工藝分析的初步才干，為學(xué)習(xí)其它有關(guān)課程及以后從事機(jī)械設(shè)計(jì)和加工制造任務(wù)奠定必要的根底，并為復(fù)合型人才的培育奠定現(xiàn)代制造技術(shù)根底。第五節(jié)課程的性質(zhì)、義務(wù)和學(xué)習(xí)要求3.課程義務(wù)(1)了解資料及制造技術(shù)開展史、現(xiàn)代制造業(yè)的組織構(gòu)造與運(yùn)轉(zhuǎn)方式。(2)了解常用工程資料的種類、成分、組織、性能和改性方法，以及外表工程原理，具有選用工程資料的初步才干。(3)掌握主要工程資料或器件的成形與加工方法的根本原理和工藝特點(diǎn)，具有選擇毛坯、零件加工方法及工藝分析的初步才干