第一篇：材料与材料加工技术

材料加工技术讲义

徐 刚，韩高荣

编制

浙江大学材料科学与工程学系

二0一二年六月

绪论

材料是人类文明的物质基础，是社会进步和高新技术发展的先导。自上世纪70年代开始，人们把信息、能源和材料看作是现代社会的三大支柱。新材料和新材料技术的研究、开发和应用反映了一个国家的科学技术与工业化水平。以大规模集成电路为代表的微电子技术，以光纤通信为代表的现代通信技术，以及及现代科技与技术于一体的载人航天技术等，几乎所有的高新技术的发展与进步，都以新材料和新材料技术的发展为突破和前提。

材料的制备与加工，和材料的成分与结构，材料的性能是决定材料使用性能的三大基本要素，构成材料科学与工程学四面体的底面，这充分反映了材料制备及加工技术的重要作用和地位。材料制备与加工技术的发展既对新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用，同时又可有效地改进和提高传统材料的使用性能，对传统材料产业的更新改造具有重要作用。因此，材料制备与加工技术的研究开发是目前材料科学与工程学最活跃的领域之一。

材料种类很多，按材料的键合特点和组成分类，大致分为四大类：金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料；按材料的用途分类，既可分为结构材料和功能材料两大类，也可细分为建筑材料、信息材料、能源材料、生物材料、航空航天材料等等。相应地，为了适应不同种类材料的键合特点，和使用特点及功能要求，材料制备和加工技术也多种多样。

本讲义是面向浙江大学材料科学与工程学专业学位硕士研究生培养而编写的“材料加工技术”。主要涉及金属材料加工和陶瓷粉体成型烧结先进制备技术，包括：金属材料快速凝固、定向凝固、半固态加工、连续铸轧、复合铸造技术，以及金属粉体、陶瓷粉体制备，和先进陶瓷成型、烧结等材料加工新技术新工艺。注重材料制备及加工技术案例分析，从技术个案的起源、开发、改进和完善的整个过程，对材料加工技术特点及其原理进行系统介绍，重点突出新技术创新的基本规律，培养学生自主创新和利用新技术开发新材料的能力。

第一章 材料与材料加工技术

1.1材料与新材料

材料是人类用以制作各种用于产品的物质，是人类赖以生存的物质基础，新材料主要是指最近发展起来的或正在发展中的具有特殊功能或效用的材料。现代社会，大规模集成电路、光纤通信、航空航天等几乎所有的影响现代社会发展的高新技术的出现和发展，都是以新材料和新材料制备加工技术的发展和突破为前提的。

材料是人类社会文明发展的基础，整个人类文明通常是用当时的一种重要的材料来断代的（图1-1）。人类的各个历史时期有各自的新材料，每一种新材料的出现，都促进了人类文明的发展。陶器是人工制备的第一种材料，也是人类文明发展出现的第一种新材料。陶器的出现，使得人类生产获得的物品得以存储。青铜器、铁器的出现，促进了农业生产的发展。现代硅材料和光纤材料的应用，使人类社会进入了信息时代。

图1-1人类历史按材料的断代

按材料的组成和结合键的特点分类是一种比较科学的分类方法，也是一种最传统和常用的分类方法。按照这种方法，材料常分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。金属材料是以金属键结合的材料。工业上常把金属材料分为两类，即黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、铬及其合金，其中以铁基合金应用最广。有色金属是指黑色金属以外的所有金属及其合金。无机非金属材料主要是由离子键或共价键结合的金属氧化物或金属非氧化物组成的，主要包括陶瓷、玻璃和水泥。高分子材料是主要由分子量特别大的高分子化合物构成的有机合成材料，它的主要成分是碳和氢。高分子材料主要有三类，塑料、橡胶和合成纤维。复合材料是由两种或两种以上不同种类的材料复合而成的，它不仅保留了组成材料的各自优点，而且具有单一材料所不具备的优异性能。这四类材料在人类文明发展的不同历史阶段所具有相对重要性是不断变化的。图1-2描述了这四类材料在不同历史年代的相对重要性。

图1-2各类材料在不同历史阶段的相对重要性

按材料的用途分类，一般分为结构材料和功能材料两类。结构材料一般具有良好的力学性能，可以承受一定的载荷、冲击或磨损等，主要用于建筑土木工程、机械及工业设计等。这一类材料主要包括：金属材料、结构陶瓷、水泥混凝土构件，工程塑料等。功能材料是具有某些特殊的物理性能，如声、光、电、热、磁等，或功能的材料称为功能材料。功能材料又可细分为生物材料、智能材料、生态环境材料、信息功能材料等。功能材料的开发应用正在大量的影响着现代社会的进步和发展。1.2 材料加工技术

1.2.1 材料科学与工程四面体

材料科学与工程学形成和提出于上世纪60年代。X射线衍射分析术和电子显微术的发明和应用，使得人们可以对材料的微观结构进行分析和研究。现代材料科学与工程由四个基本要素构成：即材料的组成与结构，材料的性质，材料的制备与加工，和材料的使用性能。这四个基本要素之间形成所谓的四面体关系（图1-3）。材料的组成与结构、材料的性质和材料的制备与加工等三要素构成四面体的基面，决定着材料的使用效能。同时构成基面的三要素之间，材料的性质决定于材料的组成、结构，而材料的组成与结构又受材料的制备和加工的影响，进而材料的制备和加工也影响着材料的性质。如金属材料塑性加工可以导致晶粒的细化，进而导致材料的塑性降低，强度、硬度提高。

图1-3材料科学与工程四面体

关于材料的制备、成型与加工技术的研究开发是目前材料科学与工程中最活跃的研究领域之一。材料先进制备、成型与加工技术的发展，既对新材料的研究开发、应用和产业化具有决定性的作用，同时可有效的改进和提高传统材料的使用性能，对传统材料产业的改造具有重要作用。材料加工技术的创新、应用已成为新材料研发的一条重要途径。

1.2.2材料加工技术的分类

材料加工技术分类主要有两种方法，一是按照传统的三级学科来进行分类，二是按照叫概念股过程中被加工材料所处的相态来进行分类。按照传统的三级学科进行分类，材料加工方法分为，机床加工（包括：车、削、刨、磨等）、铸造（凝固成形）、粉末冶金、塑性加工、焊接、热处理等。按照被加工材料在加工过程中的所处的相态，材料加工技术分为：气态加工、液态加工、半固态加工和固态加工。

图1-3列出了材料加工技术两种分类方法的分类框图。

(a)按传统学科分类

(b)按材料相态分类

图1-3 材料加工技术分类

1.2.3材料加工技术的发展现状、趋势及主要发展方向

材料先进制备预成型加工技术的研究开发是近三十年来材料科学与工程学领域最为活跃的方向之一。快速凝固、定向凝固、连续铸轧、复合铸造、精密铸造、半固态加工、粉末注射成形、陶瓷凝浇注模成形、热等静压成型等等，一大批先进技术和工艺不断发展和完善，并逐步获得实际应用，促进了传统材料的升级换代，加速了新材料的研发、生产和应用，解决了高技术领域发展对特种高性能材料的制备加工与组织性能精确控制的急需。

当前，材料加工技术的总体发展趋势，可以概括为三个综合，即过程综合、技术综合和学科综合。过程综合主要包括两个方面的含义，一是指材料设计、制备、成形与加工的一体化，二是指多个过程的综合化。如喷射成形技术、半固态加工技术、铸轧一体化等。技术综合是指除了加工工程越来越发展成为一门多种技术相结合的应用技术科学，尤其体现为制备、成形、加工技术等与计算机模拟设计、控制技术的综合。学科综合体现为材料工程学科内铸造、塑性加工、热处理、连接之间的综合，以及材料工程学科与材料物理化学、材料科学的综合，与计算机科学、信息工程、环境工程等学科的跨学科综合。

由以上材料加工技术的总体发展趋势可以预见，在今后较长的一段时间内，材料制备、成形与加工技术的发展将具有以下两个主要特征：

（一）性能设计与工艺设计的一体化；

（二）在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制。

第一个特征是实现材料加工技术的第五次革命，进入新材料设计与植被加工工艺时代的重要标志。实现第二个特征则要求具有两个基本条件，一是计算机模拟与仿真技术的高度发展，二是材料数据库的高度完备化。

以上材料加工技术的发展趋势和特征主要表现在以下几个主要发展方向：（1）材料制备与成形加工的短流程化和高效化。缩短工艺流程，简化工艺环节，实现最终形、短流程地连续化生产，提高生产效率，同时达到节能降耗，减轻环境负担的目的，是材料制备与成形加工的主要发展方向之一，也是实现传统材料产业升级换代的主要关键之一。薄板坯连铸连轧是。半固态成形、连续铸轧、连续铸挤等是钢铁生产中比较典型的、成功的短流程化工艺，是通过将凝固玉成形来能够个过程合二为一，形成以节能降耗，提高生产效率为主要特征的新技术和新工艺。

（2）发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制。发展非平衡凝固技术、电磁铸轧技术、电磁连铸技术、等温成型技术等先进成形技术，通过控制冷却速度或附加外场的作用，改善材料的组织，实现对材料组织的精确控制，不仅可以提高传统材料的使用性能，而且有利于改善难加工材料与难成形材料的加工性能，提高产品的附加值。发展先进层状复合材料成形、先进超塑性成形等技术，有利于发展新材料，促进新材料的应用。

（3）材料设计、制备及成形加工一体化。发展材料设计、制备及成型加工一体化技术，可以实现先进材料与零部件的高效、近终形、短流程成形。典型的材料设计、制备及成型加工一体化技术有喷射成形、粉末注射成形、激光快速成形等技术，是用于不锈钢、高温合金、钛合金、南融合金、陶瓷材料、复合材料、梯度功能材料零部件制备预成型加工的研究热点。材料设计、制备及成形加工一体化是实现真正意义上的全过程组织性能精确控制的前提和基础。

（4）开发新型制备及成型加工技术。发展新材料和新产品。块体非晶合金制备与应用技术、连续定向凝固成型技术、电磁约束成型技术、双结晶器连铸及充芯连铸复合技术等是近年来开发的新型制备预成形加工技术。这些技术在特种材料、高性能材料的制备与成型加工方面具有各自的特色，受到国内外的广泛关注。

（5）发展计算机数值模拟与过程仿真技术，构筑完善的材料数据库。（6）材料智能化制备与成型加工技术。

第二篇：虚拟加工与装配技术

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目 录

摘要.......................................................................................................................Abstract.................................................................................................................第一章

绪论.....................................................................................................1.1虚拟装配技术...........................................................................................................1.2虚拟制造技术...........................................................................................................第二章 虚拟加工技术及其应用.........................................................................2.1 虚拟加工系统体系结构..........................................................................................2.2 虚拟加工设备建模

..............................................................................................2.3 系统实现................................................................................................................2.4 结语......................................................................................................................第三章 虚拟装配技术及其应用.......................................................................3.1 虚拟装配基本设计思想及内涵............................................................................3.2应用研究.................................................................................................................第四章 用快速原型技术加工活塞...................................................................4.1活塞模型的创建.....................................................................................................结束语.................................................................................................................参考文献.............................................................................................................2

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第一章 绪论

1.1虚拟装配技术

近年来，世界机械制造业市场的竞争日趋激烈，为了适应变化迅速的市场需求，产品研制周期、质量、成本、服务成为每一个现代企业必须面对的问题。近20年来的实践证明，将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是现代化企业生存、发展的必由之路。同时，先进的产品研制方法、手段以及实施途径，实际上是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。以波音公司为例，在数字化代表产品--波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们如何充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与集成产品开发团队IPT（Integrated Product Development Team）（238个Team）的有效实施，保证了飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成。研制周期从过去的8年时间缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。“虚拟装配”（Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。通常有2种定义：

(1)虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程。

(2)虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

1.2虚拟制造技术

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第二章 虚拟加工技术及其应用

2.1 虚拟加工系统体系结构

虚拟加工是现实加工过程在计算机上的映射，与真实制造过程相比，具有虚拟性、数字化集成性、依赖性。虚拟加工系统的建立必须基于现实的制造设备及其相关活动，并且可以随着制造设备的改变对虚拟加工系统进行变更。由此，以现实制造过程为基础，本课题组提出了一个开放的、可重组、可扩展的虚拟加工系统体系(图1)。

图1 虚拟加工系统体系结构

体系结构由界面层、功能层和数据层组成。界面层提供用户与系统交互的界面，用户通过该界面可以快速组装一个虚拟加工环境并进行虚拟加工，直观地观看加工过程，对加工过程进行干预，并获取分析结果。

虚拟加工设备建模

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图2 虚拟加工设备模型类结构

虚拟机床是虚拟加工过程的具体实施者。根据机床信息的不同，机床模型分为几何模型和仿真模型，其中几何模型将虚拟机床看成是一个层次式的装配体，包含多个部件和零件，且部件之间存在着相互装配关系和约束条件，组成零部件的三维数字模型根据其实际形状和大小分别建模;机床仿真模型是在NC代码的驱动下，采用一种类似于NC加工插补算法实现各运动部件的平动与转动，以此驱动虚拟机床的运动。本文将仿真模型作为机床的物理属性依附在机床的几何模型上，建立虚拟加工设备模型的类结构(图2）。类结构建立床身、工作台和导轨等基本类，在此基础上建立零部件几何模型类继承基本类；零部件几何模型类与零部件仿真模型类一起形成零件模型类，通过零件、部件之间的包含、聚合关系形成虚拟加工设备。

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特征类CGLFeatBlock记录Block特征特有的参数长宽高。UG/Open API中获取特征类型的函数为UF_MODL_ask_feat_type;获取特征名的函数为UF_MODL_ask_feat_name;

获取参考点坐标的函数，UF_MODL_ask_feat_location;获取特征参数的函数，UF_MODL_ask_*_parms,*代表具体的特征类型，如为Block，则函数表示获取Block特征的参数。

Step4:应用获取特征关系函数UF_MODL_ask_feat_relatives，获取特征之间的关系，并根据该关系step3创建的各特征对象链接到零部件几何模型对象的特征树的对应位置

显示几何模型只包含三维显示需要的一些数据(如点集、三角面片集、颜色、法矢等)。我们采用VRML文件作为中性文件获得零件的显示几何模型，即在CAD软件中通过对一些规则形状的物体进行几何运算，并导出形成STL、VRML格式的中性文件，记录零部件几何模型的三角面片数据。2.2.2 零件几何模型的建立

获取的显示几何模型实质是一系列离散的面集，而获取的特征数据只有外形尺寸等特征信息，都不足以表示零部件几何模型。需要根据特征数据来识别并重新组织面集以构造零部件几何模型。

本文采用面向对象的思想分析零件几何模型，为特征造型中常见的几何表面类型及其约束方程分别设计类，利用类和对象间的继承、聚合特性实现零件的可重构和重用性。图4为本文建立的零件几何模型对象结构，描述零件几何模型与工程语义、形状特征之间的对象关系以及该零部件与其它零部件之间的几何约束关系。

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void Init();//零件的初始化，包括零件的空间位置、特征树等相关信息

void PiekMesh();II进行特征匹配与模型重构

void glDraw();

private:

typedef struct FeatureNode

{

CGLFeature * m…pFeat;

CString m_featName;

CString m_featType;

} FEATNODE;//记录特征信息的节点类型

typedef vector < FEATNODE > VECTGLFeature;//零(部)件特征数组

typedef list < CVGeoPart* > CVGeoPartList;//零(部)件指针链表类型

CSceneGraph m_SceneGraph;//零(部)件场景对象

VECTGLFeature m_VectorFeature;//零(部)件特征数组

CString m_PartName;//零(部)件名称

CGLReferPoint m_ReferPoint;//零(部)件的参考点

float m_comparaCoord[4][4];//相对主零(部)件的坐标

float m_AbsoluteCoord[4][4];//在装配环境中的绝对坐标

BOOL m_CorP;//零件或部件

针对构成机床的零部件的树状层次结构，我们应用多叉树来描述。在每一部件类中，有成员变量m_lPartPointList是一个指针链表，记录所有该子装配体中的零部件指针。如图5所示。

Class CComponent;

{

PartList m_lPartPointList;//零部件指针链表定义

CPart* m_ParentPart;//父零(部)件指针

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即表面上调用的都是CGLFeature类的绘制函数glDraw()，实际上在执行过程中会根据不同的指针类型调用相应的子类的、改写过的绘制函数glDraw()，进而圆满完成各特征的绘制任务。

图6 虚拟设备几何模型显示流程

对于设备的属性仿真模型而言，运动模型是最基本的。环境中物体运动时，通过运动关系模型计算相关运动物体的空间位姿，调用显示方法不断地刷新屏幕产生连续的动画仿真。

2.3 系统实现

本文应用UG三维造型软件对一套加工设备进行了几何建模，通过文件输

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图8 虚拟加工环境

2.4 结语

虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。本文通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。该研究成果已经在某研究所应用，应用表明:本课题组建立的虚拟加工系统可根据实际加工情况快速构建虚拟加工环境，能够有效提升该研究所产品设计制造效率，缩短产品研制时间。

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产品研制是多部门的协同工作过程，各部门间的合作往往受到各个企业的生产条件等方面的限制，结合各个企业的生产能力和生产特性，改进产品设计模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型，减少材料种类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的。以不同阶段的Master Model为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各个部门协同工作，实现CAD/CAM/CAE系统的高度集成，有效提高产品的可制造性和可装配性。

3.1.2以过程控制为中心的虚拟装配

以过程控制为中心的虚拟装配（Process-Centered Virtual Assembly）主要包含以下两方面内容。

（1）实现对产品总体设计进程的控制

在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，人为地将虚拟装配技术应用于产品设计过程，该过程可以划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段和详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的控制，以及虚拟装配设计流程。

1）总体设计阶段。总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行产品初步的总体布局，主要包括：建立主模型（Master Model）空间；进行产品初步的结构、系统总体布局。

2）装配设计阶段。装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品三维实体模型设计已经基本完成，主要包括：产品模型空间分配（装配区域、装配层次的划分）；具体模型定义（建立几何约束关系、三维实体模型等）以及应力控制。

3）详细设计阶段。详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成产品三维实体模型的最终设计，主要包括 ：完成产品三维实体模型的最终设计，进行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。

（2）过程控制管理

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进行管理和传递，保证在正确的时间把正确的信息以正确的方式传递给正确使用的人。因此，采用统一的信息编码系统是一项重要的应用基础环节。

（3）机械通用基础标准。虚拟装配技术如果要实现行业CAD/CAE/CAPP/CAM技术的有效集成和厂所之间的数据交换，必须采用机械通用基础标准。

3.2.2 焊接小车部件级产品实施方法及途径 1。软硬件环境

硬件：COMPAQ服务器一台；P4，2.7G，1M内存的微机8台。

软件：Pro/ENGINEER 202_及其支持环境。2.焊接小车的传动装置虚拟装配技术应用研究

我们选择传动装置的虚拟装配技术应用研究作为工程实例，对虚拟装配技术的工程应用思想、方法、具体实施途径作进一步研究，为下一阶段整个小车的应用提供一种基本的理论支持。

（1）总体设计阶段。IPT根据小车总体设计要求以及基本的总体设计参数，建立蜗轮蜗杆和齿轮的主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶段的模型如图2所示。在此阶段，主要包括以下基本步骤：根据已有工程图样建立粗糙模型；布置部分初始模型（蜗轮、蜗杆、齿轮等）；对系统构件进行初步布置、建立初始模型。

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图11 详细设计阶段模型

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第三步

第四步

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第七步

第八步

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结束语

虚拟加工系统是虚拟制造研究的主要内容之一，而环境建模是虚拟加工系统仿真、分析的基础。本文通过三维实体建模构造出一套虚拟设备，使设计人员可以借助于一定的软、硬件设备，在虚拟制造环境下对零件加工过程进行仿真，并对设备布局、加工过程等作出分析，以便对整个生产进程进行优化，从而提高生产效率和加工质量。该研究成果已经在某研究所应用，应用表明:本课题组建立的虚拟加工系统可根据实际加工情况快速构建虚拟加工环境，能够有效提升该研究所产品设计制造效率，缩短产品研制时间。

虚拟装配的应用研究在国内研究所才刚刚起步，无论是在船舶、飞机、机械等领域的产品研制与开发中，还是在其他的轻工艺产品的开发中，人们已经逐渐地认识到虚拟装配所能发挥的巨大作用和发展潜力。在焊接小车的设计过程中采用的装配思想改变了产品研制人员的研制习惯和观念，采用合理的虚拟装配应用方法、建立一定的组织机构是实现虚拟装配的核心，产品数据在研制中的合理管理和流动是实现虚拟装配的基础。

第三篇：材料成型与加工技术(DOC)

第一章 绪 论

制造业是提高国家工业生产率、经济增长、国家安全及生活质量的基础，是国家综合实力的重要标志。现如今我国制造业面临巨大挑战，因而加强材料成形加工技术与科学基础研究，大力采用先进制造技术，对国民经济的发展具有重要意义。

材料成形加工技术与科学既是制造业的重要组成部分，又是材料科学与工程的四要素之一，对国民经济的发展及国防力量的增强均有重要作用。“新一代材料精确成形加工技术”与“多学科多尺度模拟仿真”是现代两个重要学科研究前沿领域。高新技术材料的出现，将加速发展以“精确成形”及“短流程”为代表的材料加工工艺，包括：全新的成形加工方法与工艺，及传统成形加工方法的改进与工序综合。“模拟仿真”是产品计算机集成制造、敏捷制造的主要内容，是实现制造业信息化的先进方法。并行工程已成为产品及相关制造过程集成设计的系统方法，以计算机模拟仿真与虚拟现实技术为手段的虚拟制造设计将是先进制造技术的重要支撑环境。网络化、智能化是现代产品与工艺过程设计的趋势，绿色制造是现代材料加工技术的进一步发展方向。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用先进的材料加工技术，才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业以高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用，可扩大材料及制造范围、提高生产率、降低产品成本、增强企业国际竞争能力。

制造业在过去的几年中发生了巨大变化，而现代高科技及新材料的出现将导致材料成形加工技术的进一步发展与变革，出现全新的成形加工方法与工艺，传统加工方法不断改进并走向工艺综合，材料成形加工技术则逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

第二章 现代材料成形加工技术与科学

2.1现代材料成形加工技术的作用与地位

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四位。材料成形加工行业则是制造业的重要组成部分，材料成形加工技术也是先进制造技术的重要内容。铸造、锻造及焊接等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。目前，在汽车行业中汽车重量的65%以上仍由钢铁、铝及镁合金等材料通过铸造、锻压、焊接等加工方法而成形。材料成形加工技术与科学又是材料科学与工程的四要素之一，它不仅赋予零部件以形状，而且给予零部件以最终性能及使用特性。

制造业在过去的几年中发生了巨大的变化，这种变化还会延续。高速发展的工业技术要求材料加工产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少；另外材料成形本身制造好、成品率高。为了生产高精度、高质量的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料加工技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用新近的材料加工技术才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业已高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用。

2.2材料成形加工技术的发展趋势

美国在“新一代制造计划”中指出，未来的制造模式将是批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好；未来的制造企业要掌握十大关键技术，其中包括快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备及模拟与仿真三项关键技术。其中新一代工艺包括精确成形加工制造或称净终成形加工工艺。净终成形加工工艺要求材料成形加工制造向更轻、更薄、更强、更韧及成本低、周期短、质量高的方向发展。

轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。近年来，随着汽车工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低能源消耗 和减少污染（包括汽车尾气和废旧塑料）提出了更迫切的要求，轻质、高质量的绿色环保材料将成为人们的首选。镁合金就是被世界各国材料界看好的最具有开发和应用发展前途的金属材料。

镁合金压铸件广泛应用于交通工业（汽车、摩托车及飞机零件等）、IT行业（手机、笔记本等）、小型家电行业（摄像机、照相机及其它电子产品外壳等）。汽车离合器和变速箱壳体采用镁合金压铸件比铝合金重量分别减轻2.6kg和2.5kg。同时，压铸镁铝合金产品在体育运动（自行车架与踏板、滑雪板等）、手工工具（链锯、岩钻等）、国防建设（轻型武器、步兵装备）等领域亦有十分广阔的应用前景。

2.3材料成形加工过程的建模与仿真

随着计算机技术的发展，技术材料科学已成为一门新兴的交叉学科，成为材料研究的重要手段，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第三个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于知识的材料成形工艺模拟仿真是材料科学与工程的前沿领域及研究热点，而高性能、高保真和高效率则是模拟仿真的努力目标。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5～15倍，增加材料出品率25%，降低工程技术成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，增加投入设备的利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30%～60%，增加分析问题广度和深度的能力3～3.5倍等。

2.4材料的快速成形与虚拟制造

我国制造业的主要问题之一是缺乏创新产品的开发能力，因而缺乏国际市场竞争能力。随着全球化市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户要求，必须有较强的灵活性，以最快的速度提供高质量产品。

虚拟制造是CAD、CAM和CAPP等软件的集成技术，其关键是建立制造过程的计算模型，虚拟仿真制造过程。虚拟制造以并行方式进行产品设计、加工和装配，对各单元采用分布管理，而且不受时间、空间限制。虚拟制造的基础是虚拟现实技术。所谓“虚拟现实”技术是利用计算机和外观设备，生成与真实环境一致的三维虚拟环境，使用户通过辅助设备从不同的“角度”和“视点”与环境中的“现实”交互。与智能制造、虚拟工厂、网络化制造集成，材料加工过程建模与仿真将成为制造业新产品过程设计的非常有效的工具。

第三章 新一代材料成形加工

3.1材料成形加工技术发展特征

材料成形加工技术在现代发展的过程中，形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”、“信息化”的特征。

1.材料成形加工技术的“精密”特征：成形精度向净成形的方向发展 材料成形加工技术的重要特征是精密化，以制造技术而论，从尺度上看，精密制造技术已经跨越了微米级技术，进入了亚微米和纳米技术领域。材料成形加工技术也在朝着精密化的方向发展，表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形向净成形，即近无余量成形方向发展。“毛坯”与“零件”的界限越来越小。

2.材料成形加工技术的“优质”特征：成形质量向近无缺陷、“零”缺陷的方向发展

如果说净成形技术主要反映的是成形加工技术的尺寸与形状精密的特征，反映了成形加工保证尺寸及形状的精密程度，那么，反映成形加工优质特征的则是近无缺陷、“零”缺陷成形加工技术。这个“缺陷”是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。

3.材料成形加工技术的“快速”特征：成形过程向快速方向发展

为满足现代消费观念的变革以及市场的剧烈竞争化，“客户化、小批量、快速交货”的要求不断增加，需要材料成形加工技术的快速化。

成形加工技术的快速特征表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，星星铸造、锻造、焊接方法都从不同角度提高生产效率。

3.2新一代材料成形加工技术

制造技术可分为加工制造和成形制造（以液态铸造成形、固态塑性成形及连接成形等为代表）技术，其中成形制造不仅赋予零件以形状，而且决定了零件的组成。

3.2.1精确成形加工技术

近年来出现了很多新的精确成形加工制造技术。在轿车工业中还有很多材料精确成形新工艺，如用精确锻造成形技术生产凸轮轴等零件，液压胀形技术，半固态成形及三维挤压发等。摩擦压力焊接技术近来也备受人们关注。

以挤压铸造及半固态铸造为代表的精确成形技术由于熔体在压力下充型、凝固，从而使零件具有好的表面及内部质量。半固态铸造是一种生产结构复杂、近净成形、高品质铸件的材料半固态加工技术。半固态铸造铝合金零件在汽车上的应用其区别于压力铸造和锻压的主要特征是：材料处于半固态时在较高压力（约200MPa）下充型和凝固。材料在压力作用下凝固可形成细小的球状晶粒组织。

3.2.2快速原型制造技术

随着全球化及市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求，制造技术必须具有较强的灵活性，能够以小批量甚至单批量生产迎合市场。快速原型制造技术以离散和堆积原理为基础和特征，将零件的电子模型按一定方式离散成为可加工离散面、离散线和离散点，然后采用多种手段将这些离散的面、线和点堆积形成零件的整体形状。有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成形制造”。近年来快速原型制造已发展为快速模具制造及快速制造，这些技术能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件或小批零件的制造问题。

3.3新一代产品制造设计的研究

未来智能制造公司需要一系列核心智能，以便在集成设计、制造和商业服务系统内进行智能商务运作。这一系列的智能核心即可预测性、可生产性和廉价性、污染防治、产品与工艺性能。

研究这些特点已使集成设计、制造和服务成为一个具有竞争力的系统学科。如果将这种集成工程系统理解成为一种科学，就可以将其归为已经成熟的分析方法，然后就可以确定基本参数及如何测量它们，从而可以预测期行为。下面是在材料加工和新一代产品制造设计中将建模与仿真用作智能核心的基本要点：

1.数字产品和工艺建模的可预测性

随着具有竞争力的缩减产品发展与实现周期的蓬勃发展，在产品与工艺合成中的所有决策需要精度的建模与仿真工艺，以使物理基础的或行为基础的设计属性生效。在动力学、热力学、理学、材料和行为系统中有效运用建模工具是未来数字制造的先决条件。这些模型和知识要在网络和协作环境下共享，最新的SGI（美国图形工作站生产厂商）工作站可以在数分钟至数小时内解决极为复杂的工程问题。制造商可以使用高度工程化的仿真模型来帮助供货商改变模型设计和运送近于零缺陷的铸件给消费者，这样会尽量减少返工和缺陷。2.材料的可生产性和廉价性

廉价的制造材料对制造业特别是航空业一直是一个挑战。随着对环境和性能的规范和限制越来越多，各公司正在寻找更好的超级合金高温材料和类似网状的工艺技术，以降低原材料和制造运作过程的成本。现在，研究机构中的多数研究工具和工艺模型对公司在制造过程中预测并验证材料属性是远远不够的。我们必须将着眼点从尺寸精确性扩展到材料性能，以便获得对工艺、机器和零件的品质的全面了解。这将引导我们开创集材料、制造、物理和计算学等交叉学科的研究工作，以推进我们对制造学的了解。

3.绿色生产和工艺的污染防治

我们需要新的规范使传感器和工艺控制这种技术更好的整合，以便更少的发展和安装成本提供更高的能源效率并降低污染。绿色制造系统应改进以使工厂监控工艺参数，并直接、精确和快速的获得真实的工艺信息。另外，需要可代替的化学基础的涂层技术来影响化学自由制造工艺，还需要新型的传感器通过化学手段监控和控制腐蚀环境。正在出现的技术，诸如微电子机械基础的工艺传感器和无线电通信，需要发展和工程化以满足这些挑战性的需求。

4.产品与工艺性能的先进维护技术

服务和维护对于保持产品和工艺的质量及客户的满意度是非常重要的。确定系统失效原因的难点归结为几种因素，包括系统复杂性、不确定性和缺乏足够的纠错工具。当前，许多组织工业正实行的服务和维护就是基于响应的方法。组织我们解决这些问题的基本原因是对制造机器和设备每天的情况了解不足。我们只是不知道如何定量预测零件和机器的性能退化。我们缺乏有效地预测模型和工具，它们可以告诉我们给定工艺参数的具体值时会有什么情况发生。我们要进行研究，以了解产品和机器故障生产的原因，开发智能和可重复配置这些目标，需要智能软件和网络设备来提供预先维护能力，诸如性能退化测量、故障修复、自维护和远程诊断。这些特点允许制造和加工工业能发展预先维护策略，以保证产品和工艺性能，并最终消除不必要的系统瘫痪。

第4章 绿色再制造与材料成形加工的可持

续发展

在当今全球经济发展的同时，对自然资源的任意开发利用带来了全球的生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。其中，机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染资源之一。通过研究再制造工程理论和技术，可以为废旧产品的科学利用提供依据，指导规范当前的再制造市场。

再制造工程是以产品全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、环保为目标，以先进技术和产业化市场为手段，来恢复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。通过再制造的研究，可形成闭环的产品物质及信息流系统，实现由产品的开环处理和材料资源的闭环回收，发展到产品闭环使用的高级阶段，实现高级资源物质流的最优化循环。

4.1再制造过程的设计基础

针对失效的产品进行再制造，首先要对其进行再制造设计，再制造的设计基础包括产品的失效机理及寿命预测、再制造性的评价等内容。

4.1.1产品失效机理及寿命预测

产品服役的环境行为及失效机理研究是实施再制造工程重要的基础理论依据。从宏观和微观上研究零部件在复杂的环境中失效的机理和损伤的规律。主要研究复杂环境中多因素非线性耦合作用下的零部件失效机理，包括腐蚀介质与力学因素联合作用下的零件损伤机理，温度场与应力场耦合作用下的零部件损伤行为，多轴载荷作用下零部件的疲劳破坏行为，以及汽液固多相流环境中零部件的腐蚀、冲蚀、穴蚀交互损伤规律。

产品寿命预测与剩余寿命评估方法建立在零部件失效分析的基础上，应用力学理论建立失效行为的数学模型，并与加速试验结果相结合，以建立产品寿命的预测评估系统，评估新品、再制造产品的寿命及产品的剩余寿命。

4.1.2产品再制造性的评价

废旧产品的再制造性是决定其能否进行再制造的前提，是再制造基础理论研究中的首要问题。再制造性是指将技术、经济和环境等因素综合分析后，废旧产品所具有的通过维修或改造后恢复或超过原产品性能的能力。

4.2再制造材料成形加工关键技术

废旧产品经过再制造论证后，要实施再制造必须依赖于先进的材料成形加工技术。

4.2.1复合表面工程技术

零件的失效多起源于表面，因此表面工程技术是再制造过程中的核心技术。表面过程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，已获得所需要表面性能的系统工程。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其他学科密切相关的表面工程基础理论。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。表面工程的基本特征是综合、交叉、复合、优化。复合表面工程是先进表面工程的重要基础内容。复合表面工程主要包括多种表面技术的复合和多种表面材料的复合两种形式。国外称之为第二代表面工程新技术。

1.多种表面技术的复合

多种表面技术的复合能够形成新的涂层体系，并建立表面工程新领域。单一的表面技术由于其固有的局限性，往往不能满足日益苛刻的工况条件的要求。综合运用多种表面技术的复合可以通过最佳协同效应获得了“1+1>2”的效果，解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。

多种表面技术的复合主要研究内容包括：

⑴ 研究可产生协同效应的多种技术之间的复合和设计；表面复合涂层在恶劣工况下表面或界面之间的协同效应机理。

⑵ 研究表征功能梯度材料（FGM）性能与组成的梯度变化，应用计算机逆向设计对FGM覆层的组成和结构进行优化；开发热喷涂、电刷镀、气相沉积等工艺制备FGM覆层的技术；研究金属、金属间化合物、陶瓷等FGM涂层性能。

⑶ 应用物理气相沉积、化学气相沉积和高能束辅助沉积在再制造毛坯上形成超硬膜。研究真空膜层成膜界面行为与膜层性能关系；形核及生长动力学；在晶格错配度较大条件基体强度与超硬膜结合强度的关系；复合膜组元之间的交互作用。

2.多种表面材料的复合

多种表面材料形成的复合涂层不但具有单一结构涂层所具有的性能，还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的性能涂层，复合涂层的研究和应用日益增多。由各种材料复合获得的复合涂层种类主要有：金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、梯度功能复合涂层等。

4.2.2纳米表面工程技术

纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。纳米涂层及纳米表面自修复材料和技术是以纳米材料为基础，通过特定的工艺手段，对固体的表面进行强化、改性，或者赋予表面新功能，或者对损伤的表面进行自修复。例如：

⑴ 纳米颗粒复合电镀刷技术 ⑵ 纳米颗粒复合原位动态自修复技术 ⑶ 纳米材料热喷涂技术 ⑷ 金属表面纳米晶化技术

纳米表面工程的主要技术基础包括：

① 纳米涂层的制备技术的基础研究，特别是研究纳米材料在介质中的分散和稳定等关键工艺；纳米涂层的高强度、高韧性及其他特殊优异性能；纳米涂层对热疲劳及高温磨损等苛刻条件下的微裂纹萌生、扩展和损伤抑制机理；纳米涂层抗氧化性和热稳定性的机理等。

② 研究非晶复合纳米晶涂层形成的机理与影响因素，包括材料表面纳米结构和非晶纳米晶复合涂层结构和体相的物理化学现象；涂层显微组织的形成与演化规律、缺陷与热应力的形成机理、界面结合情况等。研究非平衡条件下低维材料的结构与行为以及宏观与微观的一体化，包括“尺度问题”和“表面、界面问题”，为开发纳米电刷镀技术、纳米热喷涂技术、纳米气相沉积等及其复合技术提供技术基础。

③ 纳米原位动态减摩自修复技术的基础研究。在不停机、不解体的状况下，应用摩擦化学理论，利用纳米颗粒的特性在摩擦微损伤表面原位动态形成自修复膜层的方法及材料。研究内容包括：纳米结构的润滑膜、自修复薄膜等的生长机理和服役特性；纳米润滑添加剂对摩擦表面的强化和对初期磨损表面的原位动态自修复等机制；纳米添加剂的组成、形态、结构、反映活性等与损伤动态自修复功能的关系规律，开发与摩擦表面结合良好、具有优良抗磨损和承载能力的纳米磨损动态自修复技术及摩擦表面原位强化技术。

4.2.3特殊环境下的应急再制造技术

我国有大量的设备服役在苛刻的环境条件下，如在野外环境下石油、天然气设备；水电、公路铁路施工设备等；在严重快速磨损的高原沙漠地区，在高温、高湿、高烟雾海洋环境下的严重腐蚀或磨损等。特殊环境下的装备应急再制造关键技术以恢复服役性能为重点，对再制造的时间、空间、标准、技术条件等有特殊要求，具有现场性、应急性、易噪性等特点。研究内容主要包括：

1.应急快速维修技术

高科技条件下的局部战争及生产线协同运行等作业方式缩短了损伤装备修理的时间和空间，因此应急快速维修的地位和作用也变得更为重要。采用先进技术快速修复损伤的装备，使其迅速恢复战斗力和生产力，是高科技条件下的作战与生产对应急维修技术的要求，也是装备再制造的重要研究方向。主要技术基础：

⑴ 研究军用装备的战伤特点及装备突发故障规律，建立应急维修技术专家系统。

⑵ 开发适应于高低温、高负荷、强辐射等苛刻条件下使用的耐磨、防腐化学粘涂材料（复合型胶粘剂、纳米胶粘剂、特种功能胶粘剂）；研究粘结粘涂层的衰变性能；研究快速固化机理和技术，如紫外线固化、微波固化技术等；重点开发适用于战伤及突发损伤的粘接、冷焊、扣合、堵漏等应急快速抢修技术。

⑶ 研究提高部队作战和野外施工作业应急机动保障能力的关键技术，开发通用化、小型化、标准化、智能化、数字化的靠前抢修配套工具和仪器，开发多种现场抢修车及方舱等。

2.再制造毛坯快速成形技术

再制造毛坯快速成形技术，是利用原有废旧的零件作为再制造零件毛坯原料，根据离散和堆积成形原理，利用CAD零件模型所确定的几何信息，采用积分原理和先进熔覆技术进行金属的熔融堆积，快速成形。主要技术基础：

⑴ 建立产品结构、零部件及表面涂层体系的再制造计算机辅助工程系统（RCAE），研究零件受损检测和几何特征定位，开发再制造毛坯表面三维几何参量测试及再制造建模系统。

⑵ 研究适宜快速成形的高熔点材料，解决金属直接快速成形的致密性、成形材料与基体的结合强度、成形材料间的内聚强度等问题。

结 论

本文指出我国制造业的基础共性技术领域材料成形加工技术与科学的发展方向，以推动该领域的发展和进步。

新一代制造工艺及装备、建模与仿真及快速产品与工艺开发系统是面向现代的三项关键先进制造技术。轻量化、精确化、高效化将是新一代成形加工技术的重要发展方向，材料成形加工向更轻、更薄、更精、更强、更韧、质量高、周期短及成本低的方向发展。

在新一代成形加工技术与材料成形加工的发展中不断面临的环保、资源、市场竞争等问题上，绿色再制造又成为了成形加工技术的进一步发展趋势。绿色再制造材料成形加工关键技术基础的研究目标和内容涉及材料学科和机械学科的前沿，符合废品资源化和我国可持续发展战略的原则和内容，其中许多技术基础的研究内容优又是根据我国废旧产品再制造的需求提出的，具有较强的学科创新性、前瞻性以及广阔的应用与发展前景。

参考文献

朱高峰主编.全球化时代的中国制造.北京：社会科学文献出版社，202_

柳百成，李敏贤，吴俊郊等.国家自然科学资金优先资助领域战略研究报告—

—先进制造技术基础.北京：高等教育出版社，1998，3456789

石力开.新材料的发展趋势及其在我国的发展状况，1996，师昌绪.高技术新材料的现状与展望.机械工程材料，1994，柳百成，荆涛等.铸造工程的模拟仿真及质量控制.北京：机械工业出版社202_，中国机械工程学会.“九五”机械工业科学技术重大进展，202_

中国环境污染状况备忘录.世界环境，1998

徐滨士，马世宁，刘世参等.21世纪的再制造工程.中国机械工程，202_

周尧和.21世纪需要绿色集约化铸造，1998

成都理工大学

材料成型与加工技术

姓名：陈康

学号：2015050207 专业：机械工程及其自动化

院系：核技术与自动化学院

202_年1月5日

第四篇：食品加工技术

食品加工技术培训讲座

黄国柱

[培养目标]培养能从事食品生产加工、设备操作与维护、生产管理与品质控制、产品开发、工程设计等岗位高素质高级技能型专门人才。

[主要课程] 食品生产技术（焙烤、肉制品、乳制品、饮料、方便休闲、果蔬制品）、食品安全与品质控制、食品生物化学、食品微生物、食品加工原理、专业综合实训及毕业实践等。

[就业趋向]可直接从事食品生产企业的工艺员、技术员、品控员、质检员、管理员及食品的生产、经营管理、质量监督、技术服务等工作。

食品药品监督管理

[培养目标]培养掌握食品感官、理化、微生物检验技术和质量管理等方面的高素质高级技能型专门人才。

[主要课程]食品理化检验技术、仪器分析、食品安全与品质控制、食品质量管理、食品微生物、食品感官评定、专业综合实训及毕业实践等。

[就业趋向] 适合于海关、商检、卫检、产品质量监督检验所、各类食品生产企事业单位等，从事食品分析与检验、质量和安全的监督与管理等工作。

食品营养与检测（食品营养与保健方向）

[培养目标]培养具备营养健康指导、保健食品生产，能从事营养

保健食品生产操作、技术管理、品质控制与营销，食品营养与健康服务的高素质高级技能型专门人才。

[主要课程] 基础营养学、公共营养、特殊人群营养、功能食品生产、食品质量管理、食品生物化学、专业综合实训及毕业实践等。

[就业趋向]从事营养健康指导、营养配餐、保健食品生产、食品质量安全与监督等工作。

食品贮运与营销

[培养目标]培养掌握农产品贮藏与保鲜、食品质量控制、食品市场营销、企业经营管理等高素质高级技能型专门人才。

[主要课程]食品贮藏与保鲜、农产品加工技术、食品商品学、市场营销、食品质量管理、食品包装学、食品市场调查、专业综合实训及毕业实践等。

[就业趋向]可到各类食品生产企事业单位和食品经营管理部门，从事食品贮藏保鲜、经营管理、产品销售等工作。

食品生物技术

[培养目标] 培养掌握发酵食品生产与管理、新产品开发与研制、安全检测、品质控制等方面的高素质高级技能型专门人才。

[主要课程] 食用菌生产技术、酶制剂生产与应用、发酵调味品生产技术、食品理化检验技术、食品微生物、专业综合实训及毕业实践等。

[就业趋向]可在食品、商检、轻化工、卫生防疫、环保等行业从事产品开发、检疫检验、生产与管理等工作。

饲料与动物营养

[培养目标]培养掌握动物营养、饲料生产、动物生产及动物保健的基本知识和基本技能的高素质高级技能型专门人才。

[主要课程] 动物营养学、配合饲料学、饲料企业管理、饲料营销学、饲料加工工艺与设备、饲料分析与质量检验、专业综合实训及毕业实践等。

[就业趋向]可在饲料生产企、事业单位从事生产与管理等工作。

第五篇：先进加工技术

工程训练报告

先进加工技术----3D打印

学院：机械与汽车工程学院

班级：机械13--4 姓名：姜晖

学号：201301011215

先进加工技术--------3D打印

众所周知，传统的打印技术及其所配套的打印设备只能进行简单或者稍微复杂的二维平面打印。然而，随着时代的发展，特别是对于加工效率，加工精度的要求日益增长的情况下，传统的二维打印越来越力不从心，在一次次高科技革命的推动下，3D打印应运而生。

3D打印，也称为3D立体打印技术，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印技术最早出现于20世纪90年代，是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。原理方面与传统的二维打印机相同，打印盒内装有粉末等打印材料与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物的一种快速成型技术。

相对于传统打印机，3D打印机所用原理基本相同，但是所用的原料并不相同，传统打印机所用的材料是墨粉和各种纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，当打印机与电脑连接后，在电脑进行控制下，按照设计人员设定的三维立体模型，将原材料一层一层叠加起来，将计算机的立体模型变为一个实实在在的立体产品。

3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。

介绍了3D打印技术，就不得不介绍3D打印的工作过程.3D打印最重要的一个过程就是设计过程，3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

其次便是相切面包一样，对模型进行切片处理：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

完成以上步骤后，便只剩下完成打印了：三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

现行的3D打印有多种成型方法，每项各有利弊：

电子束是3D金属打印成型最快方法电子束快速成型技术目前还有一些技术难点尚待进一步研究，比如成型过程中废热高，金属构件中金相结构控制较为困难，特别是成型时间长，先凝固的部分经受的高温时间长，对金属晶态成长控制困难，进而引起大尺度构件应力复杂等等。

电子束成型对复杂腔体，扭转体，薄壁腔体等成型效果不佳，他的成形点阵精度在毫米级，所以成型以后仍然需要传统的精密机械加工，也需要传统的热处理，甚至锻造等等。

但电子束快速成型速度快，是目前3D金属打印类打印速度最快的，可达15KG／小时，设备工业化成熟度高，基本可由货架产品组合，生产线构建成本低，具有很强的工业普及基础，同时，电子束快速成型设备同时还能具有一定的焊接能力和金属构件表面修复能力，应用前景广泛。在发动机领域，目前美国和中国在电子束控制单晶金属近净形成型技术方面正积极研究，一旦获得突破，传统的单晶涡轮叶片生产困难和生产成本高的问题将获得极大的改善，从而大大提高航空发动机的性能，并对发动机研制改进等提供了极大的助力。

由于电子束成形精度受到电子束聚焦和扫描控制能力的限制，激光作为更高精度的能量介质引起高度重视，激光成形技术几乎是和电子束成形技术同步起步发展，但是，由于稳定的10KW以上级的大功率激光器到202_年才开始逐步工业化，所以激光成形技术在最近才出现喷涌的盛况。

激光数字成型技术主要有两个类别，一是激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD），这个类别的技术和电子束快速成型类似，也是利用控制扫描区域形成控制的熔融区，用金属丝或金属粉同步扫描点添加，金属熔融沉积，这项技术算电子束快速成型的高精度的进化成果，激光的扫描点阵精度可以比电子束高一个数量级，可以得到更高精度的零件，从而进一步减少材料的耗量和机械加工的需求，同时它还能保留电子束快速成型的打印速度快的优势。

这类区域熔融的技术需要大尺度的腔体提供零件加工所需的真空环境，这限制了加工零件的尺寸，激光熔融区的大小和功率直接相关，越大形的构件加工能力要求越高，由于电子束对金属的热效应深度比较大，而激光热效应深度较小，激光成形时胚体受热和散热状况要好于电子束，因此它能形成很薄的熔化区和更细密均匀的沉积构造，凝固过程中的金相结构更容易控制，热应力复杂度要低很多，可以制造更精确的形状和更复杂零件，也能制造较薄壁的零件类型。美DRAPA，洛克希德先进制造技术中心，和飞利浦、宾州大学等于202_年演示的先进制造

DM概念，就是基于这类技术基础。

激光3D打印几乎可直接加工出工业零件

目前主流的激光打印机是利用硒鼓静电吸附墨粉，激光扫描熔融墨粉形成图像的，这种打印方式精度可达300PPI，利用激光打印和粉末冶金技术结合，新一代的最有希望的最精密成型的技术是以直接金属激光烧结（Direct metal laser sintering，DMLS）和选区激光（selective laser sintering，SLS）为代表的激光精密数字成形。这两者都是在基底铺设金属粉末，由激光扫瞄烧结，所不同的是，直接烧结是边铺粉边烧，而选区烧结是先铺整层粉末，然后激光扫描烧结，这种烧结每次沉积厚度约20－100微米，通过反复多次的沉积最终获得三维立体的零件。

激光精密成形的优点是精度高，成形点阵可以小于0.01毫米，可以得到近似平滑的表面，能够处理空腔，薄壁等复杂空间扭转体，和相互交叉穿透的复杂空腔和管路，几乎可以加工出直接应用的工业零件。

激光3D打印零件强度略小于锻造机加件

高精度激光烧结对激光的功率要求中等，烧结点温度虽然高，但是点阵小，每点阵金属熔融凝固量很少，全过程热释放低，材料胚体温度接近常温区，较少形成复杂的热应力情况，金属凝固形成的金相较为均匀细密，大多为细小的晶格态，类似于经过锻造的金属构件，获得金属零件强度略小于锻造机加件。

美国德州大学奥斯汀分院最早于1986年提出SLS的专利，由DTM公司提供商用设备，美国麻省理工1988年提出DMLS的概念和专利，但目前商用化设备主要的供应商都来源于欧洲，德国EOS略占优势，MTT 公司和 Concept Laser 公司也具有很强的竞争力。中国于1998年以后开始开展SLS方面的研究，202_年以后，随着商品化光纤激光器的成熟，国内在SLS方面取得一定成果，202_年起，有至少3家公司和单位提出SLS技术应用化的专利，在航空领域因材料强度方面的问题，早期的应用主要在快速建立冶金应用模具方面。

作为一种主流的高新技术，3D打印有着非常广阔的应用领域：军工，航天，医学，甚至于建筑行业，均存在着3D打印技术的影子.3D打印技术目前在全球也是前沿技术和前沿应用，最尖端的航空工业对这种技术最为关注也最严谨，美国90年代中期就获得这类技术的工业尝试，但是他们一直称为近净成型加工技术，F－22,F－35都有应用，不过因为一些加工工艺等原因，美国也没有能大规模应用，但美国将这一技术一直作为先进制造技术而由美国国防高级研究计划局（DRAPA）牵头，组织美国30多家企业对这一技术长期研究。

美国如此重视，我国自然也不甘落后。最近几年，中国航空工业捷报频传，先进战斗机歼-20，歼-31，舰载机歼-15，运输机运-20一大批高新机不断诞生，接踵而出，最为引人关注的是，在202_年全球3D打印热潮中，以北航和西工大两个科研主体带动，沈飞、成飞、西飞等数家航空制造企业为主体，成为全球第二个能够在实际应用中利用3D打印技术制造飞机零件的国家。

与其他的高新技术一样，3D打印技术也有着自身的缺点和不足之处。

3D打印零件强度还难以作为飞机受力构件

3D打印概念的出现是一种制造工业领域革命性的新技术，目前的诸多成形手段和方法都有各自的具体优点和缺陷，在航空领域，选择烧结SLS技术看起来潜力最大，应用前景最广泛，它的材料适应范围最广，从铝合金、钛合金、高强度钢、高温合金到陶瓷都能处理，但是它属于微观粉末冶金的范畴，快速成形中，粉末冶金技术中因熔融——凝固过程过快，成形体中容易夹杂空穴，未完全熔融的粉末，胚体缺陷还有可能包括激光扫描线方向形成的熔融——凝固不均匀金相微观线状晶格排列，这些都会严重影响了成形件的强度。

目前激光选区成形的构件大多都只能达到同牌号金属铸造的强度水平，虽然这已经能让构件进入正常的应用领域，但显然要承担象飞机这样的主要结构受力构件还是有很大限制的。

3D金属打印零件表面还需进一步机械加工直接金属激光烧结DMLS技术因为直接用激光熔融金属丝沉积，金属本身是致密体重熔，不易产生粉末冶金那样的成形时的空穴，这个技术生产的构件致密度可达99％以上，接近锻造的材料胚体，目前国际国内都主要利用这种技术制造高受力构件，它能达到同牌号金属最 高强度的90～95％左右的水平，接近一般锻造构件。

目前的金属3D打印构件都不能直接形成符合要求的零件表面，它都必须经过表面的机械加工，去除表面多余的，不连续的，不光滑的金属，才能作为最终使用的零件，因此，尽管3D打印可以获得复杂的空间结构和一些复杂的管路和腔体，但是这些管路和腔体的机械加工很有可能无法进行，其零件的重量效率，管路流动效率等方面不一定能够满足实际需求，因此，尽管3D打印可能能一步直接完成很多复杂零件的成形，但其还不具备直接取代传统机械加工的能力。

3D打印对飞机大型构件制造还存在问题

直接成形的金属零件在生产过程中因为反复经受局部接近熔点温度受热，内部热应力状态复杂，在成形某些大型细长体，薄壁体金属构件时，应力处理和控制还不能满足要求，实际上到目前为止一直影响3D打印在航空业的应用也正是因为这个原因。

美国从1992年开始就不断利用这类技术希望能够直接生产飞机用的大型框架，粱绗，整体壁板等，正是因为应力复杂，大型构件成形过程中或成形后会产生严重变形，严重到无法使用。所以3D打印技术尽管很早就出现了，但国外航空工业界还持有相当的保守态度也是有原因的。激光3D打印工业化面临精细度难题目前激光成形技术面临工业化的两个方向相互间有矛盾，一是打印精细度，目前的打印精细度SLS最高，基本在1～0.1毫米左右，而其他技术加工生成的零件表面精度则在0.8～5毫米之间，目前市场销售的2D激光打印机点阵精度在1200DPI左右即0.02毫米，这个精度可以获得近似光滑的曲面，提高精度受到打印耗材粉末的粒径粗细和激光熔融金属液态滴状表面张力影响，要把精度提高到0.1毫米以下还有很大困难，不过铺粉预处理、激光超快速融化——凝固等技术的出现会为提高激光成形的精度有很大帮助。

激光3D打印工业化面临打印速度难题另一个发展方向则是提高打印速度，目前激光打印的速度还是较慢的，每小时印重量大多都在1公斤以下，最好水平也只有9公斤／小时左右，要实现工业化生产，特别是大规模化生产，这个速度是不够的，现在的激光成形基本还是单光头单层铺粉作业，未来为了提高打印速度和应对超大型构件打印，已经有多光头多层铺粉同步打印的设计出现。

激光成形目前尚属于单一技术应用，但是在工业界，激光冲击强化在冶金方面应用已经有10几年的历史了，激光打印成形实际上很有希望能够直接集成激光冲击强化，激光淬火等技术，它能让激光成形的构件更加致密，且具有高级别的强度，实际上激光3D打印机都能简单的通过软件控制来实现激光冲击强化的功能。

现在3D打印技术还只是露出第一缕曙光

新的制造方法需要新的一系列处理工艺配合，3D打印目前只能算一丝曙光，真正达到大规模应用产生效益，还需要很长的时间发展和积累。

3D打印技术的出现是信息革命在攻克传统工业的最后堡垒的终结的冲锋号，因而引发了一系列的科学技术领域研究的新课题，激光粉末冶金，微沉积金相学，微观淬火、锻造，激光冲击强化等一系列机械制造，冶金等领域的课题将会让已经暮气沉沉的传统冶金科学，和制造科学领域重新充满发展的动力，在未来的数十年间，谁在这些技术领域获得应用化的实际成果，可能会影响和颠覆现有的制造工业的基本面貌,未来可谓潜力无限。