人間巧藝奪天工

內(nèi)容概要

《人間巧藝奪天工(當代先進制造技術(shù))》是一本普及先進科學知識的圖書，書中扼要地講述當代先進制造技術(shù)的最具特色的幾個方面，介紹它的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，并講述它的意義和影響。

書籍目錄

一個古老而又充滿活力的行業(yè)——制造業(yè) 一、源遠流長的制造業(yè) 二、蓬勃興起的先進制造技術(shù)     1．什么是先進制造技術(shù)     2．一個超級大國所經(jīng)歷的波折及其教訓     3．一次具有重大影響的“事件” 三、各國發(fā)展先進制造技術(shù)的戰(zhàn)略計劃與行動     1．美國     2．日本    3．歐共體    4．韓國    5．中國日新月異——制造工藝及制造設備一、成形工藝    1．鑄造及特種鑄造    2．塑性成形與塑性精確成形    3．金屬超塑性成形    4．焊接及焊接新技術(shù)二、切削與磨削加工工藝及設備      1．切削加工與刀具    2．磨削加工與磨具    3．金屬切削機床    4．新一代機床和工藝技術(shù)三、塑料成形工藝及設備    1．塑料的廣泛應用    2．注塑成形      3．注塑機    4．注塑模與擠出模四、特種工藝及設備    1．電火花加工    2．激光加工      3．超聲加工      4．液體噴射加工    5．化學加工  五、生長成形工藝     1．立體印刷術(shù)      2．分層實體制造    3．選擇性激光燒結(jié)    4．熔化沉積建模    5．三維印刷  ……

章節(jié)摘錄

書摘     傳統(tǒng)機床在各個自由度上的運動均有與之相應的機構(gòu)，如直線導軌及其驅(qū)動裝置，回轉(zhuǎn)機構(gòu)及其驅(qū)動裝置等。而且，為了使它們所產(chǎn)生的運動能夠疊加，一個運動機構(gòu)必須設置在另一個機構(gòu)的運動部件之上，如Y方向的平移導軌需要建立在沿Z方向運動的升降臺上，而X方向的導軌又必須建立在沿y方向運動的工作臺上，如此“疊床架屋”。形成一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是便于操縱，其缺點也是顯而易見的：剛性差。而虛擬軸機床的重量輕、剛性好，且工藝性靈活，體現(xiàn)一個種全新的機床設計思路，有廣闊的應用前景?？墒沁@種六桿虛擬軸機構(gòu)的控制卻非常復雜，在沒有計算機的情況下，就是請神仙來也操縱不了!    虛擬軸機床，作為一種設計思路全新的機床，還處于發(fā)展與完善過程中，所碰到的主要問題，除了控制困難以外，還有各個方向上的運動范圍不能滿足加工要求及制造工藝不過關(guān)、機床設計剛度不能實現(xiàn)和相對占地較大等問題。    (3)超高速切削技術(shù)    在20世紀，隨著刀具材料的改進，切削速度已經(jīng)有了相當大的提高。目前以硬質(zhì)合金刀具加工鋼件的切削速度一般為50～300m／min，加工鑄鐵時，切削速度一般為100～500m／min，加工鋁合金時切削速度一般為150～800rrdmin。以陶瓷刀具或超硬刀具加工時，切削速度還會更高一些。大家都知道，切削速度高，生產(chǎn)效率也就高。讀者可能會問，為什么不采用更高的切削速度呢?或者說，是什么因素限制我們采用更高的切削速度呢?最主要的因素就是刀具的磨損問題：過高的切削速度產(chǎn)生過高切削溫度，引起刀具急劇磨損、鈍化，喪失切削能力，因而刀具的耐用度很短，需要頻繁地停機換刀、對刀。前面也說過，這將使得機床的利用率下降，對生產(chǎn)率、成本和加工精度均不利。這是人們不敢進一步增加切削速度的最基本的原因。    其實，事情并非如此簡單。早在20世紀20年代，就已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)當切削速度上升到越過某一極限以后，再提高切削速度，溫度不會再繼續(xù)上升，或者不再會顯著上升，甚至反而會有所下降。其原因在于工件上正在被切削部分的材料因高溫而軟化，強度下降，抗力也就下降，從而阻止了切削功率消耗與切削溫度的繼續(xù)升高。由此，人們意識到在比現(xiàn)行切削速高許多倍的區(qū)域可能存在一個十分理想的切削條件：生產(chǎn)效率又高，刀具耐用度又長，而且，切削力也比較??；而只要敢于突破常規(guī)、超越極限，就可達到這個理想境界。關(guān)于超高速切削的思想正是發(fā)端于此。此后，人們從事了大量的基礎研究和技術(shù)開發(fā)，發(fā)展至今，終于形成了今天的超高速切削的實用技術(shù)。    今天的超高速切削，加工鋼件的基本切削速度已達到2000m／min，加工鑄鐵達到3000 m／min，加工鋁合金則達到7000 m／min，比常用切削速度高了許多倍。注意，切削鋁的速度可折合成每小時420公里，已經(jīng)是火車的速度的四倍，切削鋼材的速度也已經(jīng)超過火車的速度!這種速度已進入切削溫度不再隨切削速度上升而顯著上升的區(qū)域，并且能為切削刀具和機床所承受。    除了超高速切削以外，超高速磨削技術(shù)也已進入實用階段。常規(guī)的磨削速度(即砂輪旋轉(zhuǎn)的線速度)是30～40re／s(米／秒)，而超高速磨削的速度已達到150m／s以上(也就是每小時540kin，已接近小型飛機的速度)。    超高速切削和磨削除了能大幅度地提高生產(chǎn)效率以外，還有利于提高加工質(zhì)量，改善加工的表面質(zhì)量。        為適應超高速切削的需要，機床設計必須作一系列的改進。今天的超高速切削機床有以下特點。    機床主軸超高速切削機床的主軸轉(zhuǎn)速極高，一般為每分鐘幾萬轉(zhuǎn)到十余萬轉(zhuǎn)，某些小孔鉆床或內(nèi)圓磨頭主軸的轉(zhuǎn)速甚至可達每分鐘數(shù)十萬轉(zhuǎn)。為了使機床主軸在如此高速的轉(zhuǎn)速下仍能平穩(wěn)地工作，首先，主軸本身需要極高的制造精度，需要經(jīng)過嚴格的動平衡。其次，其軸承需要專門設計。普通鋼制的滾動軸承在極高的轉(zhuǎn)逮下，其滾動體(滾珠或滾柱)作用在外圈滾道上的離心力太大，無法承受。因此，以陶瓷滾動體取代鋼制滾動體，前者的質(zhì)量較輕，離心力因此減小。同時，減小滾動體的直徑，以降低其離心力。對于超高速切削機床來說，比較理想的主軸承是空氣軸承和磁力軸承。空氣軸承是以高壓氣體將軸頸懸浮在軸承圈當中，完全消除了固體之間的摩擦及由此引起的發(fā)熱。目前已有十分成熟的關(guān)于空氣軸承的技術(shù)，可資利用。磁力軸承則是以電磁力將主軸懸浮起來，從而消除固體摩擦。同時，還可采用“測量一反饋”技術(shù)，適時調(diào)整各個方向的電磁力的大小，以糾正由于負荷或制造誤差所造成的主軸軸心偏移，提高回轉(zhuǎn)精度。磁力軸承技術(shù)正在研究、開發(fā)與試使用中。    主軸部件采用直接驅(qū)動的辦法，即將電動機的轉(zhuǎn)子直接做在主軸上，不經(jīng)過任何中間傳動環(huán)節(jié)，直接驅(qū)動主軸。這種方式又稱為“零傳動?！庇捎跊]有中間傳動環(huán)節(jié)，減小了功率損耗，而且運動平穩(wěn)。    移動部件刀架、工作臺等是機床的移動部件。與普通機床相比，超高速切削機床的移動部件的運動速度要快得多，可達到100m／min。為了減小移動部件在啟動、制動或反向時的慣性力，多以合金鋁制造這些部件，以減小其質(zhì)量。移動部件的運動導軌則采用滾動導軌，以減小摩擦，使運動靈活。    移動部件的驅(qū)動采用多頭絲桿和螺母機構(gòu)，以加大其運動量。比較先進的方案是采用“直線電機”直接驅(qū)動移動部件，以減小中間傳動環(huán)節(jié)。    冷卻系統(tǒng)超高速切削機床的主軸轉(zhuǎn)速與工作臺移動速度比普通機床要高得多，加之采用直接驅(qū)動技術(shù)，直接裝在主軸上及工作臺上的主軸電機和直線電機的發(fā)熱會對機床的運動和精度造成直接的影響。因此，必須采取高效的冷卻措施和冷卻系統(tǒng)，以克服電機發(fā)熱所造成的不利影響。    床身采用大理石、花崗巖等石材或高質(zhì)量水泥制造，以提高其力學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。       安全防護由于超高速切削機床的主軸轉(zhuǎn)速極高，刀具或砂輪與主軸的聯(lián)接要求絕對可靠。以高速回轉(zhuǎn)的砂輪如因慣性離心力或磨削負荷而發(fā)生破裂，其破壞力不下于一枚炸彈，是十分危險的。因此，需要完善、可靠的防護裝置。此外，從切削區(qū)域高速沖出的切屑和飛濺四射的切削液都可能對操作者造成傷害或?qū)ιa(chǎn)設備造成損害，也必須有完善的防護措施。    CNC控制系統(tǒng)超高速切削是一種快速的工藝過程，用于控制這一過程的CNC系統(tǒng)，也不同一般，必須有足夠高的運算速度。而且，由于超高速切削區(qū)域充滿切屑、切削液和水霧，“能見度”很差，加之切削過程進展極快，一個微小的隱患，可能在操作者根本無法察覺的頃刻之間釀成嚴重的災禍。因此超高切削的控制系統(tǒng)還必須具有必要工況監(jiān)視、報警與快速作出適當反映的能力，以防患于未然。    總之，現(xiàn)代超高速切削(磨削)技術(shù)是一項先進的綜合技術(shù)，決不僅僅是一個工藝方法問題。三、  塑料成形工藝及設備    1．塑料的廣泛應用    今天，塑料的應用已經(jīng)非常廣泛，在生產(chǎn)車間、辦公室和我們?nèi)粘Ｆ鹁訄鏊芰现破芬咽请S處可見。從生產(chǎn)工具到運載與通訊設備，從計算機到辦公自動化設備，從家用電器到各種日用品，從涂料、粘接劑直至建材、包裝材料，幾乎全都可以由塑料制成，或者包含有塑料零件。我們的工作與生活已經(jīng)無法離開塑料。有人甚至說，繼鋼鐵時代之后，一個塑料的時代正在到來。    塑料是一種高分子有機化合物。本來，這類有機化合物，如蛋白質(zhì)、纖維質(zhì)等，是構(gòu)成生物軀體的基本成分。進入20世紀后，人類就已經(jīng)能夠用適當?shù)幕瘜W反應來生產(chǎn)這樣的高分子物質(zhì)了。    ……

媒體關(guān)注與評論

序世界的變化，日新月異，目不暇接；中國的發(fā)展，滾滾向前，勢不可擋。在北京大學百年校慶盛典上，江澤民同志深刻指出：當今世界，科學技術(shù)突飛猛進，知識經(jīng)濟已見端倪，國力競爭日趨激烈。其中，科技的競爭，特別是高科技的競爭是關(guān)鍵，是要害；而人才的競爭，特別是人才素質(zhì)的競爭是基礎，是根本。求本之長，必固其根本，欲廈之高，必牢其基礎，這是常識。    “科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”這一深刻論斷，充分表明了大力發(fā)展科學技術(shù)的重要性與迫切性。沒有現(xiàn)代科學，一打就垮，永遠受制于人，受人宰割。歷史的教訓，我們能忘記嗎?“科學技術(shù)是精神文明建設的重要基礎”這一卓越見解，有力揭示了大力普及科學技術(shù)的重要性與迫切性。普及科學技術(shù)，就是要普及科技知識，傳播科學思想，推廣科學方法，堅持科學精神的求真求實的人文本質(zhì)，發(fā)掘科學中的豐富的人文內(nèi)涵。特別是弘揚科學與人文相融合的精神，發(fā)揮人作為萬物之靈的為真理而斗爭的能動性，總之，就是要提高國民素質(zhì)。沒有優(yōu)秀素質(zhì)，沒有民族精神，一個國家、一個民族，就會異化，就會走邪，就會不打自垮，寧愿受人宰割，自甘為人奴隸。    緣于此，在湖北省新聞出版局領(lǐng)導與組織下，我們參加了“提高國民索質(zhì)系列叢書”的組織、編寫與出版工作，承擔了科技素質(zhì)教育這一部分?？紤]到高科技的發(fā)展是當今世界關(guān)注的焦點，而西方的“經(jīng)濟合作發(fā)展組織”(OECD)將高科技劃為8個方面：信息、能源、材料、生命、環(huán)境、空間、海洋以及軟科技；同時考慮到基礎科學的重要，如同江澤民同志所講，“基礎研究是科學之本和技術(shù)之源”，因此，數(shù)學、物理、化學這些基礎科學應該涉及；還考慮到世界各主要國家都極為重視“先進制造技術(shù)”，沒有制造及其進步，也就沒有生產(chǎn)資料、消費資料、一切技術(shù)手段及其進步，因此，“先進制造技術(shù)”也應該涉及?；谶@些考慮，我們這套《科技素質(zhì)教育叢書》，就包含了以下8個內(nèi)容：基礎科學、信息、材料、能源、空間、海洋、生命與環(huán)境、先進制造。    目前，“科教興國”作為我國發(fā)展的重要戰(zhàn)略而提出、而實施、而不斷加強。1999年12月14日至15日，我國召開了“第二次全國科普工作會議。江澤民同志在賀信中作了重要指標，李嵐清同志在會議上作了重要講話?？破展ぷ魇恰翱平膛d國”的重要內(nèi)容，科學技術(shù)為億萬人民所掌握就能成為社會進步的巨大力量。在“科學的春天”陽光照耀下，科普系列書籍百花齊放，爭芳斗艷，各顯特色，各有千秋。我們這套《科技素質(zhì)教育叢書》主要考慮到：一要重視發(fā)掘科技的人文內(nèi)涵，力求科學與人文的交融；二要抓住重點，抓住范例，展開論述；三是主要面向高中文化程度以上的讀者。當然，這只是一個設想與努力，這一設想與努力的實現(xiàn)還有待于不斷地對編寫內(nèi)容進行增、刪、改，不斷地完善所編寫的內(nèi)容。在此，我們應感謝湖北省新聞出版局邱久欽局長和圖書處同志給予的關(guān)心與支持!感謝作者的共同努力與辛勤勞動!感謝華中理工大學出版社的大力支持。    我國社會主義建設事業(yè)高潮洶涌澎湃，已奔入新世紀、新千年，我們的社會主義祖國一定要在本世紀中葉達到鄧小平同志所指出的第三步戰(zhàn)略目標，我們要以大無畏的勇氣，面對困難，抓緊機遇，迎接挑戰(zhàn)，排除萬難，去爭取勝利。我們愿在這一偉大的時代中，為提高國民素質(zhì)而盡到我們綿薄之力。    人孰無過?思孰無誤?文孰無訛?書孰無錯?書中的錯誤與不妥之處必然存在，愿讀者及時告知，不吝指教?！皣缕澍Q矣，求其友聲?！边@是我們虔誠的心愿。    謹為之序，聊達心情于萬一。                                                   中國科學學院院士 楊叔子                                                   華中理工大學教授                                                                      2000年1月

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