生产工程 - 第二讲：制造工艺
目录
制造工艺概述
教授首先强调，现代制造需要：
- 合适的制造工艺和方法
- 各种工具和设备
- 能源来源
- 人力劳动（即使在自动化程度提高的情况下）
制造包括几个基本要素：
- 制造工艺
- 制造方法
- 机械和设备
- 工具
即使在中国、美国、德国和日本等国家的机器人和自动化技术有所进步的情况下，人力劳动在生产高质量技术产品方面仍然不可或缺。
传统制造工艺
教授提出了十一种不同制造工艺的分类，强调理解这些工艺是生产工程最重要的部分。
熔炼与铸造工艺
熔炼：
- 涉及大规模加热操作
- 用于从原材料（矿石、土壤）中提取金属
- 示例：处理含有多种元素的原铁（铁、镁、钛、碳等）
铸造：
- 将熔融金属倒入模具成型
- 过程包括：
- 在坩埚（深碗）中加热
- 形成熔融金属池
- 倒入模具
- 这通常是一个重复循环，一个循环往往不足够
- 循环次数取决于原材料质量
- 应用：创造机器零件和工业部件
金属塑性成形工艺
- 在压力下将金属成形为所需形状的过程
- 常见方法包括：
- 轧制：金属通过轧辊（通常加热）
- 锻造：施加压缩力
- 冲压：金属在模具之间被压制
- 示例：汽车车身面板通常通过冲压形成
- 金属在此过程中常常被加热
- 该工艺通过施加压力将块状材料转化为所需形状
粉末冶金工艺
- 使用金属粉末（铁、钛等）：
- 在模具中高压压实
- 烧结（加热但不熔化）
- 可以创造复杂形状，具有高精度
- 可以使用不同颜色的粉末用于不同的部分/特性
- 应用：
- 复杂工业零件
- 需要高精度的组件
- 在不同区域具有不同材料特性的零件
机械加工工艺
- 通过去除材料成形零件
- 主要通过：
- 切削
- 钻孔
- 铣削
- 创造各种各样的形状，包括复杂几何形状
- 关键组成部分：
- 工件：被加工的材料
- 工具：切削工具
- 机床：执行操作的设备
- 示例：CNC（计算机数控）加工用于创造复杂零件
- 其他机械加工工艺包括：
- 刨削
- 开槽
- 铣削
- 减速
- 锉削
连接工艺
- 连接材料的技术
- 方法包括：
- 焊接（各种类型）：
- 金属电弧焊
- 气体金属电弧焊
- 摩擦连接（无需额外材料）
- 冷焊（使用力而非热）
- 钎焊
- 焊接（各种类型）：
- 每种技术都有特定的优缺点
- 选择取决于工业应用
- 广泛用于建筑、机械生产和航空航天工业
表面处理工艺
- 改变材料表面以实现：
- 增强耐久性
- 改善外观
- 防腐蚀
- 方法包括：
- 在表面涂抹化学化合物
- 涂层
- 电镀
- 陶瓷涂层
- 应用：
- 保护汽车零部件防止腐蚀
- 创造闪亮、美观的表面
- 增强材料耐久性
热处理工艺
- 加热和冷却方法以改善材料特性
- 增强强度和结构特性
- 步骤包括：
- 加热材料
- 保温（维持温度）
- 冷却
- 时效
- 应用：
- 改善韧性
- 降低脆性
- 寻找材料特性之间的最佳平衡
- 常在机械加工或连接后应用于工业产品
- 工业热处理通常使用输送系统将零件移动通过加热和冷却区域
装配工艺
- 将组件组合在一起创造最终产品
- 现代装配通常使用：
- 输送系统
- 机器人手臂（尤其在汽车工业）
- 示例：汽车制造，零部件在输送带上移动，同时工人或机器人添加零件
- 不同的工人通常专门负责装配特定组件
- 宝马和奔驰等大型制造商使用广泛的机器人系统
- 一些先进工厂几乎不需要人工接触
增材制造技术
- 逐层构建物体（与减材制造相对比）
- 常见术语：3D打印
- 每一层依次添加以构建物体
- 使用的技术如：
- 激光烧结
- 各种3D打印方法
- 应用：
- 原型制作
- 航空航天工业零件生产
- 设计测试
- 教授强调这与传统制造工艺不同，应单独考虑
现代制造工艺
- 集成信息、数据分析和精密技术的先进工艺
- 示例：激光切割
- 高精度工艺
- 用于复杂形状
- 可以切割小至1mm的材料
- 对创造传统方法无法实现的小型、精密组件至关重要
- 举例：用无法通过传统方法实现的精度切割钛
- 通过丰田因1mm制造误差而召回车辆的轶事说明了精度的重要性
制造规划
教授强调，良好的规划对工业成功至关重要，将工程师与技术人员区分开来。
制造规划过程：
产品设计规范：
- 材料选择
- 工艺选择
- 考虑可制造性和成本的设计
- 功能分析
设计审查与最终设计：
- 可能需要基于反馈进行多次迭代
- 反馈可能来自客户或技术工程师
制造计划：
- 材料属性规格
- 生产计划与调度
- 机床设置
- 质量控制安排
教授强调，虽然制造规划中有许多步骤，但关键点是在开始制造前了解适当规划的重要性。
详细材料分类
难熔金属
教授提供了有关难熔金属的详细信息，这些金属的特点是极高的熔点（通常高于2000°C）：
钨：
- 熔点为3400°C
- 优异的热导率和电导率
- 极高硬度
- 应用：
- 灯丝
- 电子显微镜
- 切削工具
- 熔炼其他金属的坩埚（因为其熔点高得多）
- 火箭发动机喷嘴
- 在一些国家也被称为"沃尔夫拉姆"
钽：
- 熔点为2600°C
- 优异的耐腐蚀性
- 生物相容性（人体可接受）
- 应用：
- 高温炉
- 医疗植入物
- 电子产品
- 高功率电阻
钼：
- 高熔点
- 良好的耐腐蚀性
- 高温强度
- 应用：
- 钢铁生产中的关键合金元素
- 不锈钢
- 超级合金
铌：
- 用于超导材料
- 应用：
- 核磁共振成像仪
- 需要极低温度才能实现超导性
铼：
- 世界上沸点最高的元素
- 应用：
- 喷气发动机
- 高温应用
铪：
- 高中子吸收能力
- 应用：
- 核反应堆的控制棒
稀土元素
- 全球90%以上的供应来自中国
- 对高科技应用至关重要
- 应用：
- 高磁场
- 电动汽车电池
- 特斯拉和其他电动车制造商依赖这些材料
复合材料与先进材料
纤维增强塑料：
- 玻璃纤维增强塑料（玻璃纤维）
- 用于汽车工业（尤其是赛车）
- 快艇
- 结合耐久性、强度和轻量性
金属基复合材料：
- 金属基体与其他材料作为增强体
陶瓷基复合材料：
- 耐热
- 碳化硅应用
- 用于高温环境
层压板：
- 不同材料的层
- 例如：
- 航空航天中的碳纤维层压板
- 用于建筑和运输
教授强调了复合材料中强度重量比的重要性，特别是对于空客A300/A350等航空航天应用。
纳米材料
- 在纳米尺度（十亿分之一米）上设计的材料
- 独特的电气和热特性
- 示例：
- 碳纳米管，强度惊人（比钢强100倍）
- 可按维度分类（0D、1D、2D、3D）
- 应用：
- 电子产品
- 医疗设备
- 能源存储
非晶合金：
- 缺乏晶体结构的金属材料
- 高强度
- 应用：
- 设备
- 电子产品
- 生物医学设备
金属泡沫：
- 多孔结构材料
- 应用：
- 轻量结构
- 冲击吸收
专业术语
| 术语 | 定义 |
|---|---|
| 熔炼 | 通过加热从矿石或土壤中提取金属的过程 |
| 铸造 | 将熔融金属倒入模具成型 |
| 坩埚 | 用于加热金属、玻璃或颜料的容器 |
| 金属塑性成形 | 在压力下将金属成形为所需形状的过程（与塑料材料无关） |
| 轧制 | 金属成形工艺，金属材料通过轧辊以减小厚度 |
| 锻造 | 使用局部压缩力成形金属 |
| 冲压 | 将平板金属置于冲压机中，用模具将金属成形为所需形状 |
| 粉末冶金 | 使用压实和烧结的金属粉末的金属成形技术 |
| 烧结 | 在不熔化的情况下加热粉末材料以创造固体质量 |
| 机械加工 | 从工件上去除材料的制造过程 |
| CNC | 计算机数控，机床工具的自动控制 |
| 工件 | 在制造过程中被加工的物品 |
| 连接 | 通过各种方法（如焊接或粘合）连接材料 |
| 表面处理 | 改变材料表面以改善性能的过程 |
| 热处理 | 加热和冷却材料以改变其物理和机械特性 |
| 增材制造 | 逐层构建物体（3D打印） |
| 激光切割 | 使用激光束的高精度切割技术 |
| 难熔金属 | 熔点极高的金属（高于2000°C） |
| 碳纳米管 | 具有独特性质（包括非凡强度）的圆柱形碳分子 |
| 金属基复合材料 (MMC) | 以金属为基体，其他材料为增强体的复合材料 |
| 非晶合金 | 缺乏金属中典型晶体结构的金属材料 |
| 纳米材料 | 具有纳米尺度结构特征的材料（10^-9米） |