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材料制備機械設計理論中的新趨勢和新問題 王艾倫,段吉安,黃明輝,鐘 掘 (中南大學機電工程學院,湖南長沙 410083) 摘 要: 在全面綜述材料制備機械技術及設備發(fā)展動態(tài)的基礎上,提出了研究領域的幾個新問題和發(fā)展方向,如通過集成和融合現(xiàn)代相關前沿科學和技術，生產具有超常和特殊性能的新概念材料等,并進行了簡要分析和討論. 關鍵詞: 界面;超常物理場;制備機械;功能材料 1．機械材料加工的時代背景 在人類進步的一段長時間范圍內，許多工具、機械和方法被提出來；不同的原料用不同的工具來加工。原料及其處理過程已經變成了推動人類進步不可缺的一部份。在當前世界中日益激烈的競爭和人們追求幸福生活的今天，物質的功能已經遠遠超出了人類現(xiàn)有的并不斷增長的知識及想象。例如：神秘原料功能，半導體材料，原料能量有吸力的材料，在航空領域中占有70%份額的強力鋁合金4~5um的薄金屬片，用各向異性深沖壓金屬板在1%以下；電子鋁箔與強耐熱鋁合金已經被應用到航空、宇宙及深海領域中，等等；在原料加工加工領域中不同的時間段里，材料重要發(fā)展趨勢就這樣形成了： （1）在特殊的物理領域里制造原料加工機械，是為了能有特殊的質地結構和輔助性的加工功能。例如：運用熱能和機械能能夠突破科學技術的極限，將一些不常用的能量，例如：微波、化學能、生物能等等，一個接一個的被引入到材料加工中來，因此一些加工特殊能量原材料的加工設備就被制造出來了。 （2）突破傳統(tǒng)的物質限制，將溶化、凝固、造型一體化，然后加熱得到具有特殊功能的原料，這樣就可以降低加工費用。例如：材料加工整形技術，比如像快速翻滾，噴霧處理、塑膠成型、噴射造型法、高能量射束等等被應用。 （3）原料加工處理正在向高速、重載和高精度在線控制方向上邁進。例如：軋制速度達到130m/s，壓力變形已達到300MPa，尺寸精度達到了0.1um，成型精度已達到0.1i；濃度精度已達到0.1MPa。由于這些原因，原料加工機械設備設計理論將科學與技術相關聯(lián)的領域有機的結合起來設計生產一中新概念材料加工設備是可能的。 2．對于新概念材料加工設備的期望功能 （1）要有能力生產具有特殊物質的領域；能傳送那些對于新概念材料加工在特定的物質環(huán)境下是非常必要的特殊能流。例如：在高溫環(huán)境下能使那些高溫波或者脈沖以超過104~106K/s的速度冷卻下來；將外表面的凝固、變形合成一體，然后在將超強接觸面應力重新組合成新的分界面；融化的大金屬薄片的湍流；隨機的低頻率磁場用于金屬末加熱的微波、用于大量凝固的超聲波等等都已經被應用了。 （2）有能力在臨界狀態(tài)下工作，因此高穩(wěn)定性和理想性能的處理設備是在加強技術條件和室外操作的保證。例如：禁止在潤滑狀態(tài)下邊界上的搖晃；在特有的摩擦狀態(tài)下的抗震能力；有韌性的連接管的合力穩(wěn)定性和干擾穩(wěn)定性與軸相比更易驅動系統(tǒng)。 （3）有能力精確的控制原料加工而獲得低損耗、高功率、高性能的原料加工。例如：精確的在線監(jiān)測產品成型；在線監(jiān)測和在線調整產品品質和器具還有在線控制金屬、塑膠成型的程序。產品的精確度指數(shù)可以列舉如下：宏觀上精確度可達到0.1um，微觀上的晶狀體結構非常均勻，濃度誤差在0.1MPa 。簡而言之，擁有特別功能的新概念原料加工設備應該被設計和生產出來。這樣的話，那些特別性能的原料就能被處理加工了。 3．在特殊的物理領域和環(huán)境下金屬材料加工設備的問題和需要學習的內容 由于這些原因和以上提到的背景，如下的一些新的研究主題應該被改進： 3.1 連接傳熱裝置和溫度應力場的相界面 當融化金屬處于液體和固體的臨界狀態(tài)時通過連續(xù)的變形和快速凝固，一種全新的微觀結構可以被獲得。在這個非常時刻，高濃度的熱流和動態(tài)的熱阻力在材料加工處理中成了主要事項。關于設計這個設備的基本理論問題是要學習核心傳動系統(tǒng)合能量轉化和建立數(shù)學模型。 3.2 材料加工設備表面粘流摩擦力的抑制 操作裝置和工件的連接是相當復雜的因為粘流阻擋了加工表面界面態(tài)由周轉速度、熱力學處理工作量、操作裝置的彈性、工件的可塑性、滑性界面的動態(tài)行為、局部水力的潤滑油等等來決定。它們影響著材料加工設備抗摩擦裝置的成型。因為它們會會強制其產生很大的非線性，這種強制會在瞬間被損壞或者是失諧，最后會導致動態(tài)不穩(wěn)定性。因此提出了以下的問題：機械裝置的噪聲可能在晃動的界面引起滑動摩擦、不穩(wěn)定狀態(tài)；在高速、重載和邊界潤滑狀態(tài)下在光滑表面和旋轉式噴灌器之間的裝置抑制。潤滑油薄膜吸收裝置和不斷再生的表面的物理化學行為；流變學的特征和操作參數(shù)之間的關系。 3.3 在高壓場條件下非線性接觸式機械裝置 在大范圍內組建一個超強力壓力場是材料加工設備的一個基本功能。當然形成一個大結構的元素也是可能的（例如太空船、大陸洲際間的交通工具、汽車、飛機）。組建一個超強壓力場是最重要的特征之一，也是保衛(wèi)國家獨立最基本的裝備。在強壓力場環(huán)境下，接觸式和非線性摩擦將會產生；因此將會導致局部的永久的變形和不好的因素。在強壓力場下設計過程中，將會涉及到設備的設計新理論，例如：非接觸式、非線性摩擦機構。 3.4 負荷分配規(guī)律 關于超靜定結構，抑制點的負荷分配規(guī)律由相容性條件決定。雖然，關于那些大尺寸的、不定的、靜止的結構在真實空間中是自由變化的，但負荷分配規(guī)律是不能決定相容性條件。因此新的基礎理論由分析接觸行為和變形裝置獲得（例如：摩擦力、變形相容性條件，等等）。 3.5 耦合裝置和在材料加工系統(tǒng)中物理領域內的穩(wěn)定性 隨著系統(tǒng)的功能越來越多元化；許多限制材料加工進度的傳統(tǒng)技術正在不斷的被改善；系統(tǒng)結構也逐漸變得越來越復雜，系統(tǒng)性能變得越來越好。例如：鋼扎廠的快速瞬間反轉受彈性形變、粘流、散熱處理、水動力潤滑處理的，物理化學分子狀態(tài)的影響。另外，機電的耦合在處理系統(tǒng)中已經超出了傳統(tǒng)的概念；例如，一些奇特的現(xiàn)象（微小的變化可以引起很大的變化）已經出現(xiàn)；因此，滾筒操作的不穩(wěn)定性可能會導致混亂。所以，這個主題將會在機械裝置的物理領域中，在處理系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和加工助劑質量上被提及和充分關注； 3.6 技術綜合和合并精準的控制 在特定的物理條件下進行操作的材料加工設備是一個相當復雜系統(tǒng)，一些系統(tǒng)的參數(shù)在領域的邊界上也是可以改變的；因此在領域環(huán)境下精確的控制與調整，調和尺寸，能量轉換，信息傳遞，界面耦合等等是非常重要的。因為在控制模型中多種交互作用的存在，根據(jù)退耦控制模型而建立綜合框架是必要的；精確的控制基于綜合技術。 3.7 優(yōu)化的和創(chuàng)新的設計基于創(chuàng)新的知識 材料加工技術能促進產品的設計質量的提高。最優(yōu)化的材料加工技術和材料加工設備意味著實現(xiàn)實質的仿真通過類似的設計和一致的設計是我們學習的主題。 3.8 在特殊的領域里機械裝置的特殊功能和應用 一些重要的元素和部分在材料加工設備中常常在強力場、溫度場、電磁場和流場中工作，有建造特別物理界面的功能；雖然對那些普通單一的物質象金屬、陶瓷等擁有單一的高指數(shù)和卓越的總質量是很困難的。因此我們需要在重要部位采用具有新功能的原料；例如：尺度功能有傾向的材料是想當可貴的。由于這些原因，學習基本法律和以上提到的具有這些功能的機械裝置；例如：強調分配功能、破壞機理和在特定領域中的設計標準，靜態(tài)（動態(tài)）的硬度和阻尼，模糊設計和明朗設計處理系統(tǒng)構成了有斜度的材料，等等。 今天，材料加工科學和技術正在快速的向前發(fā)展；把學習的目標瞄準材料加工設備的技術問題將會為21世紀的制造業(yè)提供技術支持。 組合機床行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展思考 摘要： 我國組合機床技術裝備的現(xiàn)狀和行業(yè)的發(fā)展，并提出了本人的一些觀點 關鍵詞：組合機床 發(fā)展思路 技術創(chuàng)新 我國加入WTO以后，制造業(yè)所面臨的機遇與挑戰(zhàn)并存。組合機床行業(yè)企業(yè)適時調整戰(zhàn)略，采取了積極的應對策略，出現(xiàn)了產、銷兩旺的良好勢頭，截至2002年9月份，組合機床行業(yè)企業(yè)僅組合機床產品一項，據(jù)不完全統(tǒng)計產量已達800余臺，產值達3個億以上，較2001年同比增長了10%以上，另外組合機床行業(yè)工業(yè)增加值、產品銷售率、全員工資總額、出口交貨值等經濟指標均有不同程度的增長，新產品、新技術較去年均有大幅度提高，可見行業(yè)企業(yè)運營狀況良好” 1 組合機床技術裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 組合機床及其自動線是集機電于一體的綜合自動化程度較高的制造技術和成套工藝裝備,它的特征是高效、高質、經濟實用，因而被廣泛應用于工程機械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè).我國傳統(tǒng)的組合機床及組合機床自動線主要采用機、電、氣、液壓控制，它的加工對象主要是生產批量比較大的大中型箱體類和軸類零件(近年研制的組合機床加工連桿、板件等也占一定份額)，完成鉆孔、擴孔、鉸孔，加工各種螺紋、鏜孔、車端面和凸臺，在孔內鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成形面等.組合機床的分類繁多，有大型組合機床和小型組合機床，有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復合式，還有多工位回轉臺式組合機床等;隨著技術的不斷進步，一種新型的組合機床，柔性組合機床越來越受到人們的青睞，它應用多位主軸箱!可換主軸箱!編碼隨行夾具和刀具的自動更換，配以可編程序控制器(PLC) 、數(shù)字控制(NC)等，隨著市場競爭的加劇和對產品需求的，高精度、高生產率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控機床及其自動線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機床行業(yè)，因此組合機床裝備的發(fā)展思路必須是以提高組床加工精度、組合機床柔性、組合機床工作可靠性合機床技術的成套性為主攻方向。一方面，加強技術的應用，提高組合機床產品數(shù)控化率;另一方面進一步發(fā)展新型部件，尤其是多坐標部件，使其模塊化、柔性化，適應可調可變、多品種加工的市場需求。超高速和超高精度加工技術裝備與復合、多功能、多軸化控制設備等深受歡迎。然而更關鍵的是現(xiàn)代通信技術在機床裝備中的應用，信息通信技術的引進使得現(xiàn)代機床的自動化程度進一步提高，在這些方面我國組合機床裝備還有相當大的差距，因此我國組合機床技術裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調可變、任意加工性以及通信技術的應用將是今后的發(fā)展方向” 2 組合機床行業(yè)的發(fā)展思考 近兩年雖然組合機床行業(yè)產銷呈現(xiàn)上升趨勢，但行業(yè)內一些企業(yè)同樣存在負債經營的情況，主要原因是傳統(tǒng)的組合機床產品不能滿足用戶柔性化、高精度、短周期的市場需求，同時組合機床行業(yè)一些企業(yè)存在現(xiàn)代化管理水平低、人才流失嚴重、科研成果不能迅速轉化為生產力等缺陷。為此提出如下建議： (1) 提高現(xiàn)代化管理水平，中國加入WTO后，迫切要求企業(yè)提高現(xiàn)代化管理水平，進一步深化企業(yè)內部改革，建立健全適應市場經濟的運行機制，建立企業(yè)的科學的管理體制，做到集權有道、分權有序、授權有章、用權有度的責權利內在統(tǒng)一的有機結合，是提高企業(yè)控制力所必須的“要徹底改變落后的體制，必須樹立全球化經營理念，提高國際市場競爭能力，建立市場快速反應機制，以適應日趨發(fā)展的市場需求” (2) 亟待提高企業(yè)創(chuàng)新能力“企業(yè)的生存，關鍵在于產品的生命力”已步入電子時代的今天，傳統(tǒng)的組合機床已經不能適應高速發(fā)展的國內外市場需要，這就要求企業(yè)必須適應科學技術的飛速發(fā)展，建立技術創(chuàng)新體系，推進企業(yè)的技術進步，加速向柔性化、數(shù)控化、高精度、短周期方向發(fā)展，提高組合機床適用范圍和市場覆蓋面;同時實施名牌戰(zhàn)略，爭創(chuàng)世界品牌，加速我國組合機床的發(fā)展進程，使我國組合機床行業(yè)企業(yè)在世界制造領域里立于不敗之地。 綜上所述，組合機床行業(yè)要開展科技攻關攻克當前行業(yè)企業(yè)技術發(fā)展上的難題;二要加強與國外的合資合作，利用和學習國外的先進技術，提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平和技術水平;三要通過對引進技術的消化吸收進行再創(chuàng)新，發(fā)展自己的產品“通過我們的努力，使我國真 正由制造大國變成制造強國”。 3 科技譯文 Modular machine tool profession present situation and development ponder ABSTRACT Present state and development direction of modular machine tool technology and equipment at home and abroad are summarized. Some concepts of the author are set forth。 Keywords: Modular machine Development thinking Technological innovation Our country joins after WTO, the manufacturing industry faces opportunity and challenge coexisting. The Modular machine tool profession enterprise at the right moment adjusts the strategy, adopted positively should to the strategy, appeared has produced! Sells two prosperous good tendencies, up to September, 2002, an Modular machine tool profession enterprise only Modular machine tool product item, the output has reached 800 according to incomplete statistics, the output value reaches 3 above the hundreds million, in 2001 the same ratio grew above 10%, moreover Modular machine tool profession industry increase in value! Product sales rate! Whole staff total wages! The exportation delivery value and so on the economic indicator has the varying degree growth, new product! The new technology goes to the yearly average to have the large scale enhancement, the obvious profession enterprise operation condition is good” 1 Modular machine-tool technical equip present situation and trend of development The Modular machine tool and from the generation is the collection mechanical and electrical in a body synthesis automatic high technique of manufacture and the complete craft equipment, Its characteristic is highly effective! High-grade! The economy is practical, thus is widely applied in the project machinery! Transportation! Energy! War industry! Light industry! Professions and so on electrical appliances. Our country tradition Modular machine tool and the Modular machine tool mainly use from the generation machine! Electricity! Gas! The hydraulic control, its processing object mainly produces the Modular machine tool processing connecting rod which the batch quite big major and medium flask body class and the axis class components (the recent years developed! The board and so on also occupies certain share), completes the drill hole! Broaching! Reams, processes each kind of thread! Bore! Surfacing and lug boss, in hole boring each kind of shape trough, as well as milling plane and formed surface and so on. he Modular machine tool classification is many, has the large-scale Modular machine tool and the small Modular machine tool, has one-sided! Two-sided! Three! Horizontal type! Vertical! Inclined type! Compound expression, but also has the multi-location rotation table model Modular machine tool and so on; Along with the technical unceasing progress, one kind of new Modular machine tool, the flexibility Modular machine tool more and more receives peoples favor, it applies the multi-position headstock! May trade the headstock! The code retinue jig and the cutting tool automatic replacement, matches by programmable controller (PLC)!Numerical control (NC) and so on, Along with market competition aggravating and to product demand, high accuracy! High productivity! Flexibility! Multi-varieties! Short period! The numerical control engine bed and is attacking the traditional Modular machine tool profession from the generation, therefore the Modular machine tool equips the development mentality must be by increases the group bed processing precision! Modular machine tool flexibility! The Modular machine tool operational reliability gathers the engine bed technology the complete set for the main attack direction. At the same time, the enhancement technology application, enhances the Modular machine tool product numerical control rate; On the other hand further develops the new part, the multi-coordinates part, causes its modulation in particular! Flexibility, adaptation adjustable invariable! Multi-variety processing market demand. Super velocity and super elevation precision processing technical equip and compound! Multi-purpose! The multiple spindle control device and so on is welcome deeply. However more essential is the Modern Communication Technology in the engine bed equipment application, the information communication introduction causes the modern engine bed the automatic further to enhance, also has the quite big disparity in these aspect our country Modular machine tool equipment, therefore our country Modular machine tool technical equip high velocity! High accuracy! Flexibility! Modulation! Adjustable invariable! Random workable as well as the communication application will be the next development direction” 2 Modular machine tool profession development ponders in the recent two years although the Modular machine tool profession production and marketing presents the trend of escalation, but in the profession some enterprise similar existence debt management situation, the primary cause is the traditional Modular machine tool product can satisfy the user flexibility! High accuracy! The short period market demand, simultaneously Modular machine tool profession some enterprises have the modern management level to be low! The brain drain is serious! The achievements in scientific research cannot transform rapidly as flaws and so on productive forces. For this proposed suggested as follows: (1) enhancement modern management level, after China joins WTO, the urgent need enterprise raises the modern management level, further deepens the enterprise interior reform, establishes the perfect adaptation market economy the operational mechanism,/The establishment enterprises science management system, achieves the centralization to be correct! Decentralization order! The authorization has the chapter! With the power having responsibility right intrinsic unification organic synthesis, is enhances the enterprise controlling force to have “must completely change the backward system, must set up the globalization management idea, sharpens the international market competitive ability, establishes the market rapid reaction mechanism, adapts the market demand which develops day by day” (2) urgently awaited to sharpen the enterprise innovation ability “enterprises survival, the key lies in the product the vitality” to march into Electronic Age today, the traditional Modular machine tool already cannot meet the high speed development domestic and foreign market requirement, this request enterprise had to adapt the science and technology rapid development, established the technological innovation system, the advancement enterprises technology advancement, accelerated to the flexibility! Numerical control! High accuracy! The short period direction develops, enhances the Modular machine tool applicable scope and the market coverage; Simultaneously implements the name brand strategy, the struggle creates the world brand, accelerates our country Modular machine tool development advancement, causes Our country Modular machine tool Profession Enterprise to be in an impregnable position in the world manufacture domain. In summary, the Modular machine tool profession must develop the technical attack attacking and capturing current profession enterprise technological development difficult problem; Two must strengthen and the overseas joint capital cooperation, the use and the study overseas vanguard technology, enhances the enterprise the modern management level and the technical level; Three must through to introduce technical the digestion absorption to carry on innovates again, develops own product “through ours endeavor, causes our country truly by to make the great nation to turn makes the powerful nation” 湖南工學院2011屆畢業(yè)設計（論文）課題任務書 系：機械工程 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師 陶衛(wèi)民 學生姓名 袁仁煉 課題名稱 用微機數(shù)控系統(tǒng)改造C6132型車床的設計 內容及任務 內容： 將C6132車床改造成用MCS—51系列單片機控制的經濟型數(shù)控車床。要求該車床有自動回轉刀架，具有切削螺紋的功能。在縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm橫向：0.005mm。 任務： ① 機床改造總圖； ② 進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖； ③ 單片機控制系統(tǒng)電路原理圖； ④ 設計計算說明書。 擬達到的要求或技術指標 (1) 統(tǒng)一要求： 按任務書要求完成規(guī)定的任務，撰寫設計說明書（論文），一律采用計算機編輯。內容包括設計的意義與作用、設計方案選擇和計算、主要零件的受力分析和強度校核、經濟技術分析等。 寫出不少于400字的中文摘要；至少翻譯一篇本專業(yè)外文文獻（10000個以上印刷符號），并附譯文。 需完成不少于3張零號圖紙的結構設計圖、裝配圖和零件圖，其中應包含一張以上用計算機繪制的具有中等難度的1號圖紙，同時至少有折合1號圖幅以上的圖紙用手工繪制，查閱到10篇以上與題目相關的文獻，按要求格式獨立撰寫不少于12000字的設計說明書。 (2) 主要技術參數(shù)： 最大加工直徑：在床面上：Φ320mm；在床鞍上：Φ175mm 最大加工長度： 1000mm 快進速度：縱向：2.4m/min；橫向：1.2m/min 最大進給速度：縱向： 0.8m/min；橫向： 0.4m/min 代碼制：ISO 脈沖分配方式：逐點比較法 輸入方式：增量值，絕對值通用。 控制坐標數(shù)：2 最小指令值： 縱向： 0.01mm/step；橫向： 0.005mm/step 刀具補償量：　0~99.99mm 進給傳動鏈間隙補償量：縱向：0.15mm；橫向：0.075mm 自動升降速性能：　有 進度安排 起止日期 工作內容 備注 2011年1月 2011年2月 2011年3月 2011年4月 2011年5月 選定課題，調研并收集相關資料，進行設計前的準備工作。 確定整體設計方案，并開始按照整體設計方安進行設計計算。主要是對橫向進給系統(tǒng)機械部分的計算和結構的設計。 對縱向進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算。包括絲桿螺母副和齒輪的計算，電機的選取以及機械部分的計算和結構分析設計。 進行微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計。包括對芯片的選取和個控制線路的連接，以完成設計任務的要求的技術要求。 檢查機械和控制部分的設計，并輸入電腦進行排版。交排版好的說明書叫老師審查，修改。繪制設計圖紙。 把繪制好的圖紙交有老師檢查并修改，完善設計說明書，進行后期工作，完成說明書。打印說明書及設計圖紙。 主要參考資料 [1] 周鵬翔,劉振魁.工程制圖[M].高等教育出版社,2000.5 [2] 唐增寶,劉元俊.機械設計課程設計[M]．華中理工大學出版社,1995.1 [3]《機械設計手冊》編寫組.機床設計手冊2[M].機械工業(yè)出版社,1980.8 [4]《機械設計手冊》編寫組.機床設計手冊3[M].機械工業(yè)出,1986.12 [5] 東北大學《機械零件設計手冊》編寫組.機床零件設計手冊第三版[M].冶金工業(yè)出版社,1994.5 [6] 華東紡織工學院,哈爾濱工業(yè)大學,天津大學.機床設計圖冊[M].上海科學技術出版社,1979.6 [7] 雷曉玲.綜合作業(yè)指導書[M].機械工業(yè)出版社,2000.11 [8] 石光源,周積義,彭福蔭.機械制圖[M].高等教育出版社,1988.4 [9] 張建鋼,胡大澤.數(shù)控技術[M].華中科技大學出版社, 2000.8 [10]顧維邦.金屬切削機床概論[M].機械工業(yè)出版社,1997.6 [11] 林俊主編, 《機床數(shù)控系統(tǒng)課程設計指導書》[M]. 中國科學技術出版社,1991, 9. 教研室 意見 年 月 日 系主管領導意見 年 月 日 3 2011 屆畢業(yè)設計 材 料 系 、 部： 機械工程系 學生姓名： 袁仁煉 指導教師： 陶衛(wèi)民 職 稱： 副教授 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 機本0704班 學 號： 214070420 2011 年 5 月