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现代机械工程--第二章 制造过程的形态学模式


第二章

制造过程的形态学模式

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第二章

制造过程的形态学模式

1

主要内容

2.1 制造过程的基本结构


2.2 材料流系统

2.3 能量流系统 2.4 信息流系统
2.5 实例分析

2.6 小结

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2.1 制造过程的基本结构
1 工艺过程:加工对象性能的变化,包括几何形状、硬度、状态、信息量 (以数据的形式)等。工艺过程是一个材料变化,能量变化或信 息变化的过程。 2 性能变化三要素: (1)原材料 (2)能量 (3)信息 3 一般工艺过程模式:可用几个相互关联的“流变系统”来描述。

一般工艺过程模式
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制造过程的基本结构
一、材料流 三种主要类型: 1.直通流,是质量恒定过程。 特点:工件的初始质量等于(或接近等于)工件最终质量。当几何形状 变化时,仅仅是被加工材料产生形状的变化。又如只改变材料性能的过程。

2.分散流,是质量减少过程。 特点:工件最终几何形状被限制在工件初始几何形状之内,即要靠去 除材料来获得形状的改变。
3.汇合流,是装配或连接过程。 特点:最终几何形状是靠元件相装配或相连接而获得。因此具有最终 几何形状的工件质量接近于或等于各元件质量之总和。 材料的辅助流:如润滑、冷却液,以及填料。
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制造过程的基本结构
二、能量流 参与工艺过程的能量流其特征可看作是能量的供给,能量向工 件传递以及能量的转移或能量的丧失。 三、信息流 信息流包括涉及到形状和性能的信息。 1 形状信息 某一材料的某种几何形状可被描述为材料形状的信息。改变外 形的信息产生于刀具或模具的某种外形轮廓以及工件材料与刀具或 模具之间相对运动型式。几何形状变化过程可通过能量流使信息流 作用在材料流上以表现其特征。 2 性能信息 性能的信息流(如硬度、强度等)是原始材料性能和各种工艺过程 中产生的性能变化的总和。
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制造过程的基本结构

工艺过程的形态学结构
制造工艺过程可用一般的形态学模式来描述,这种模式以三种流系 统中的基本要素为基础,并加以要素组合获得的,由此可推导出全部制 造工艺。

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基本工艺过程
基本工艺过程
定义为使材料的几何形状和(或)性能发生变化的过程。基本工艺过 程贯穿了三大流。

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三大基本工艺过程

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2.2 材料流系统

材料流的形态学结构
1 材料的状态 提取材料的分析特征: ? 材料均匀性 ? 热性能 ? 化学性能 ? 机械性能 ? 制造性能 在研究制造过程时,对材料及其性能具有丰富的知识是非常重要的。

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材料流系统
2 流类型及其工艺过程

流型和工艺过程的选择取决于对材料的要求:
? 几何形状 ? 表面光洁度 ? 公差 ? 产量 ? 价格 ? 其它因素

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工艺过程的流类型

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材料流系统
3 制造过程的实例
forging

Powder metallurgy
Rolling

Casting 图 质量恒定过程 工件材料处于(a,b)固态(锻造,辊轧)(c)颗粒状态(粉末压制)(d)液态(铸造)
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材料流系统

EDM Turning

ECM milling
Electrolytic machining

drilling

Flame cutting

图 质量减少过程,当工件材料为固态: (a)车削 (b)钻削 (c)铣削 (d)电火花加工 (e)电解加工 (f)火焰切割
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2.3 能量流系统

1 基本过程为机械过程的能量流 2 基本过程为热过程的能量流 3 基本过程为化学过程的能量流

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能量流系统

1 基本过程为机械过程的能量流

图 机械基本过程中的能量供应 M:机械能 E:电能 C:化学能 T:热能
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能量流系统
电能通过磁场的直接利用
(a)直接 (b)间接

电磁成形工艺

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能量流系统
化学能的应用 (a)燃烧

高速高能成形

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化学能的应用 (b)爆炸

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能量流系统
热能的利用

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能量流系统
2 基本过程为热过程的能量流
一个基本热过程是需要热源的。

热源包括一个将电能、化学能或机械能转换为热能的过程
热量可借传导(热力的)、辐射、对流和质量传输而实现转换。 传导 可发生在刚体、颗粒体、液体或气体介质中。 辐射 是一种电磁波,没有介质也能传递。 对流 对流式的热转换通常发生在液体或气体中。 介质热量经热转换到工件。

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基于电能的热源: 1 电传导(电阻) 2 感应: 高频感应加热 3 电介质绝缘体的热损失 4 电弧(两电极间的放电) 5 电火花 6 电子束 7 激光

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能量流系统
热过程的热量产生可能性的形态关系

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能量流系统
3 基本过程为化学过程的能量流
通常化学反应受到热(加热或冷却)或电能的影响,它们应分别在 化学热力学和电化学中加以阐述。 举例: ? 金属的化学溶解(分离)可用于酸洗和抛光。 酸洗过程已引起人们越来越多的重视并在近几年发现了许多新 的应用领域。
? ? 导电材料的电溶解可用于电解加工 基本是一种电镀(沉淀)的逆应用。 电镀既是电过程又是化学过程,在表面保护方面应用很广。

通常认为,化学基本过程是无需外加能量,电能或热能的。
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2.4 信息流系统

1 质量恒定过程的信息流 2 质量减少过程的信息流 3 装配、连接过程的信息流

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信息流系统
1 质量恒定过程的信息流 固体材料:其基本过程为塑性或弹性变形,信息通过转换介质而传递到工 件上,而转换介质具有轮廓及一定的运动模式。

图 固体材料,质量恒定过程中信息传递例子: (a) 整体成形 (b) 一维成形,c) 二维成形 d) 自由成形
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信息流系统
液体材料:将信息流作为一个单独的形状传送来考虑,它可发生在开口 式或闭合式模具中。

Sand casting

Die-casting

Rotational casting

continuous casting Slab continuous casting

板坯连铸

图 液体材料形状传递的示例:(a)成形和稳定过程分开的例子:(b)成形和稳定过程合并例子 (TF,整体成形;ODF,一维成形)
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宝钢分公司2号板坯连铸机组 2# slab CCM of Baosteel subcompany

柳钢4号板坯连铸机组 4# slab CCM of Liuzhou Iron&Steel Group Company

柳钢5号板坯连铸机 5# slab CCM of Liuzhou lronn&Steel Group Company

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信息流系统
2 质量减少过程的信息流
对于质量减少过程我们仅涉及固体材料,其信息传递基于机械的、热力的或化学的 基本过程。
基本去除方法1:切削过程,基本过程为断裂过程。 单刃刀具:车削 Straight turning, Taper turning, Profiling, Turning and external grooving Facing, Face grooving Form tool Boring and internal grooving Drilling Cutting off Threading 易确定多刃刀具:铣削,拉削 , 钻削 Drilling operations: Drilling,Core drilling, Step drilling, Counterboring (锪圆柱沉孔), Reaming Center drilling, Gun drilling, Tapping (producing internal threads) Milling Operations: Up-milling, down-milling slab milling ( horizontal milling machine) , side milling, Form milling, Face milling (vertical milling machine) Broaching 不确定多刃刀具:磨削 Grinding Operations: Surface grinding, cylindrical grinding, internal grinding, centerless grinding
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信息流系统
2 质量减少过程的信息流 (续)
基本去除方法2
1基本过程是机械的、热力的、或化学的, 2所必需的能量(以及信息的传递)系通过颗粒体、液体或气体介 质来转换。 3提供的能量覆盖在要成形的表面上。
工艺过程: ?磨料切削 ?液体喷射(liquid jet) 切削 ?激光切削 ?电火花加工 ?电解加工

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信息流系统
基本去除方法3 液体介质(带固体颗粒)置于坚硬刀具和工件之间。 液体介质通常都充满在工具与工件间的缝隙中。 制造过程有:超声波加工等。

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信息流系统
基本去除方法4 基本过程:机械式的(断裂) 转换介质:刚性 工具/模具
信息:几何形状的变化和运动 模式的变化

工艺过程:下料、冲压和剪切。

图 基本去除方法示例 (a)剪切 Shearing (b)冲压 stamping (D:模具,P,冲头,W,工件)
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信息流系统
3 装配、连接过程的信息流 装配和连接过程本身没有信息转换,其几何形状是以前加工出来的 元件在一起定位和固定而获得的。

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2.5 光刻加工的形态学模式分析
光刻加工:
利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术,在工件表面制取精密、微 细和复杂薄层图形的化学加工方法。

光刻工艺流程示意图
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1

材料流系统

光刻加工过程的硬烘干、显影、腐蚀和去胶的过程,是光刻胶溶解、 去除胶体,这是个去除材料的过程,属于分散流。 材料去除的基本工艺过程为热过程和化学过程。

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2 能量流系统
包括了热过程和化学 过程的能量流。 1)热过程的能量流 (1)软烘干过程:在 较高温度下烘培,将 溶剂从光刻胶中挥发 出。 (2) 硬烘干过程: 硅片经过高温处理, 去除光刻胶中剩余的 溶剂,提高光刻胶在 刻蚀和离子注入过程 中的抗蚀性和保护能 力。
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2)化学过程的能量流

(1)曝光和显影 光刻胶中的感光 剂发生光化学反应, 从而使正胶的感光 区、负胶的非感光 区能够溶解于显影 液中 。 (2)腐蚀过程 用适当的腐蚀液, 把特定工件层腐蚀 掉。 (3)去胶过程 用化学溶剂使光 刻胶脱落。
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3 信息流系统
形状信息:成型零件的外形信息是通过光掩膜层上的图形信息传递的。 通过光化学反应(远紫外曝光、X射线曝光、电子束扫描曝光等),将掩 膜层上的图形精确地复印到涂在硅片表面的光刻胶上面。 性能信息: 原始材料性能和各种工艺过程中产生的性能变化的总和。 为实现较好的信息流输出(体现在产品上就是零件的质量),必须严 格控制加工过程的各个工艺要素。

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2.6 小结
小结 本章根据一般制造工艺过程的形态学模式讨论了材料流、 能量流以及信息流系统特性,并讨论了实现的可能性。这 种探讨对各种制造工艺过程是广泛适用的。

作业: 试任选一制造过程,分析其形态学模式。

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The End

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