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1、第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 1 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 2 主要内容主要内容 2.1 制造过程的基本结构制造过程的基本结构 2.2 材料流系统材料流系统 2.3 能量流系统能量流系统 2.4 信息流系统信息流系统 2.5 实例分析实例分析
2、 2.6 小结小结 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 3 2.1 制造过程的基本结构制造过程的基本结构 1 工艺过程工艺过程：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 第二章第二章制造过程的形态学模式
3、制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 4 制造过程的基本结构制造过程的基本结构 一、材料流一、材料流 三种主要类型： 1直通流直通流，是质量恒定过程。 特点特点：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分散流分散流，是质量减少过程。 特点特点：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汇合流汇合流，是装配或连接过程。 特点特点：最终几何形状是靠元件相装配或相
4、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。 材料的辅助流材料的辅助流：如润滑、冷却液，以及填料。 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 5 制造过程的基本结构制造过程的基本结构 三、信息流三、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
5、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。 二、能量流二、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。 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 6 制造过程的基本结构制造过程的基本结构 工艺过程的形态学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制造工艺过程可用一般的形态学模式来
6、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。造工艺。 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 7 基本工艺过程基本工艺过程 基本工艺过程基本工艺过程 定义为使材料的几何形状和定义为使材料的几何形状和(或或)性能发生变化的过程。基本工艺过性能发生变化的过程。基本工艺过 程贯穿了三大流。程贯穿了三大流。 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的
7、形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 8 三大基本工艺过程三大基本工艺过程 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 9 2.2 材料流系统材料流系统 材料流的形态学结构材料流的形态学结构 1 材料的状态材料的状态 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。 第二章第二章
8、制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 10 材料流系统材料流系统 2 流类型及其工艺过程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 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 11 工艺过程的流类型工艺过程的流类型 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模
9、式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 12 材料流系统材料流系统 3 制造过程的实例制造过程的实例 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） forging Rolling Powder metallurgy Casting 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 13 材料流系统材料流系统 图 质量减少
10、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 Turning drilling milling EDM ECM Electrolytic machining Flame cutting 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 14 2.3 能量流系统能量流系统 1 基本过程为机械过程的能量流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基本过程为热过程的能量流 3 基本过程为化学过程
11、的能量流基本过程为化学过程的能量流 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 15 能量流系统能量流系统 1 基本过程为机械过程的能量流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 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 16 能量流系统能量流系统 电能通过磁场的直接
12、利用电能通过磁场的直接利用 （a）直接 （b）间接 电磁成形工艺电磁成形工艺 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 17 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 18 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao T
13、ong University 19 能量流系统能量流系统 化学能的应用化学能的应用 （a）燃烧 高速高能成形高速高能成形 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 20 化学能的应用化学能的应用 （b）爆炸 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 21 能量流系统能量流系统 热能的利用热能的利用 第二章第二章制造过程的形
14、态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 22 能量流系统能量流系统 2 基本过程为热过程的能量流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。 传导传导 可发生在刚体、颗粒体、液体或气体介质中。 辐射辐射 是一种电磁波，没有介质也能传递。 对流对流 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。 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模
15、式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 23 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 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 24 能量流系统能量流系统 热过程的热量产生可能性的形态关系热过程的热量产生可能性的形态关系 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过
16、程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 25 能量流系统能量流系统 3 基本过程为化学过程的能量流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。 第二章第二章制造过程的形态学模式制造过程的形态学模式 School of Mechanical Engineering Shanghai Jiao Tong University 26 2.4 信息流系统信息流系统 1 质量恒定过程的信息流质量恒定过程的信息流 2 质量减少过程的信息流质量减少过程的信息流
