第四单元--数控机床.doc

第四单元
在马氏体转变区，零件的快速冷却可能导致零件产生变形与淬火裂纹。这是不言自明的，加速冷却归因于高热力和结构应力。许多年来，热处理工作者在马氏体相变区努力的研发淬火方法和淬火剂来减缓冷却速度。例如，聚合物，油，热油，等温淬火的盐，甚至是间歇淬火。
这些反直觉的安全淬火实践是强化的或表面的淬火技术。强化淬火可以定义为在高速搅拌的水浴或聚合物浴中快速均匀的冷却。在非常高的蒸发冷却速度下，高压喷射或水雾淬火也可以称为强化淬火，并且水雾均匀的覆盖在零件的表面。
强化淬火工艺减少裂纹和变形的原因可以用下面的简化模型来解释。假设一个厚度变化的钢零件，在传统的淬火过程中，马氏体首先在零件比较薄的截面形成，因为与比较厚的截面相比，比较薄的断面冷却速度比较快，并且达到马氏体相变区比较早。因为马氏体比容比剩余的奥氏体比容大，导致产生残余应力。这些应力可能导致零件的变形和断裂。
现在假设同样的钢铁零件，非常迅速的冷却。在这种情况下，马氏体将会在零件的整个表面同时产生一个坚硬的外壳。这个均匀的坚硬的外壳有着非常高的耐压性，在转化过程中包含在奥氏体的核心，在零件表面结成很硬的网，比较深的硬度层，不容易产生变形和裂纹。当零件在最大压应力状态下，强化淬火工艺一个重要的过程是快速和均匀冷却。下面是强化淬火表现的一些优点：
1）消除裂纹
2）减小变形
3）高的表面压缩应力（类似于残生的锤击硬化）
4）提高机械性能（如屈服，极限强度，耐磨损，深度硬化等）
5）更长的零件寿命
6）减少合金的使用量（提高工程价值）
7）用环保的水或聚合物/水溶液消除有害的油或盐淬火剂
强化淬火工序的计算机模型已经被开发并应用，这种模型和它的应用已经在强化方面证实了强化淬火的成功性。例如钢零件：
1）汽车零件（半轴，球铰，弹簧）
2）轴承圈
3）紧固件（螺栓，螺母，垫片等）
4）采矿工具（磨具，冲头等）
5) 矿山设备零件
6) 建筑和电力工业中大的钢铁零件
强化淬火工艺两种常见的钢铁硬化方法，将会被商业化：单件和批量或复合淬火，这种技术的商业化包含以下步骤
1） 对于一些特定的钢件，必须通过计算机模拟确定最佳的淬火时间/温度条件
2） 在实验淬火系统或工业规模的淬火系统中，通过实验来证实这些情况
3） 强化淬火工艺随着时间的推移更多的统计的证明和在不同载荷与配置下各种淬火的证明
同时在材料工业中，一个共同的目标就是降低成本，实现产品性能优化，减小钢件的变形量。强化淬火技术的证明为部分设计师带来了许多机遇。该技术为补充广泛的合金钢和微合金钢提供了低成本的选择
强化淬火较小的变形有可能不必进行后硬化，矫直和压淬操作。用更多环保的水或聚合物淬火剂，来代替有害的淬火剂，将促进强化淬火技术更广泛的应用
第六单元：制造工艺
计算机辅助制造
金属加工和自动化技术的研究是20世纪的成果。这些技术的两个开拓者是泰勒和福特。在20世纪早期，美国生活水平的提高，带来了个人财富的一个新高度。主要的结果是增加了耐用商品的需求。这种增长需求意味着，制造不能再认为是铁匠的行业，同时科学研究的应用被用于制造分析。泰勒开创了科学管理方面的研究，同时使用人和机床来制造的方法被研究出来。他同时也在Midvale钢铁公司进行了长达26年的金属加工实验，产生了400吨的金属屑。泰勒金属加工的实验促成了工具寿命方程公式的发展，这个公式一直沿用到当今的工业中。工具寿命方程一直是确定金属加工经济性的基本原则，同时也被应用在适用可控的制造中。
福特的贡献不同于泰勒。福特为他的汽车的主要零件制造提炼并研发了装配线的应用。他认为每个美国家庭都应该拥有一辆汽车，如果汽车能够被相当廉价的制造出来，那么每个家庭都将会买一辆。在福特，一些机构被开发来提供装配线。福特研发的自动化技术已经被生产为硬件，同时他认为对于补偿这些系统的原始开发和制造成本，大量的需求是必须的。
尽管制造工业在不断发展，但直到20世纪50年代才出现又一个重大进展。有一段时期，在制造方面大步伐的减少人类的干预被考虑在内。专用机床应用凸轮和其他机械的逻辑控制器已经被研发。美国空军认为生产专用机床所用的时间要比只对一些小的工序进行改变所需要的时间多的多。为此，他们任命麻省理工学院演示可编程或数控机床（也就是“软件机床”）。1952年的第一次演示开始了制造的新纪元。从那以后，数字计算机以直接的方式对许多数控机床发出指令，称为直接数控，或者对计算机数控发出专门的指令。今天机床控制语言，例如自动编程工具已经成为数控机床控制刀具的基准。
在不同时代，许多制造业的发展都来自于数控机床的特别的改变，说到这些是很有趣的。例如，19世纪科技的发展带来了对高精密加工的需求（这归因于许多新机床工具的制造，一个更细致的机械设计和新的生产工艺）。20世纪早期成为一个繁荣兴旺的时代，为大规模生产技术创造了需求。据估计，在20世纪50年代，随着一架飞机速度的增加，制造飞机的成本（因为几何的复杂性）随着速度成比例的增加。结果是数控技术的发展。
历史上一些显著的特征包含以下几个方面。随着零件的生产批量增加，零件的生产成本降低。（这通常被成为规模经济）。生产成本的一些改变是由于固定成本对可变成本的变化。例如，只生产一个零件（例如一个航天飞机），所有的关于计划和设计的固定成本（包括成本和工艺）必须被这个单一的项目所承担，然而，如果生产几个部件，固定的成本可以由这些部件均分。生产成本的变化并不反映在固定成本——单一成本这一简单的关系，儿而通常是由于制造工艺不同的结果，自动生产线用于大批量生产，加工车间用于小批量生产。
自动化制造系统
自动化制造系统由通过一个内部的物料处理系统连接的自动或半自动机床组成。福特在他的移动装配线上开始制造他的T模型之前，这种系统就已经出现了。这些自动化系统已经被用于生产机械零件，配件，电器零件，食物产品，化学产品等。在一个单一的系统中，产品的生产总量随着生产方法的不同而不同。然而，设计生产系统的原理同生产产品是相互独立的。一个生产系统的工位可以使手工的，半自动的或完全自动的，自动化工业是可编程或固定不变的。
任何生产系统的目标都是以最经济的方式生产一个或一类产品。自动化生产系统与其他方式的制造系统没有区别，应用任何形式的自动化，都要以经济合理的方式实现。自动化对于高价值的产品来说一直是最适合的。然而柔性自动化装备已经为自动化带来了一些相对低价值的产品。
第十单元
水力的历史由来已久，始于人类为利用它周围的能源而做出的努力。仅有的易得到的资源就是风和水——两种免费的可流动液体。
水车，第一个液压马达，是一个很早的发明。追溯到15世纪早期，在拜占庭的皇宫里有一幅马赛克的水车的图片。这个水车是由罗马人制造的。但是，第一个水车的记录要追溯到更早以前，大约是公元前100年左右并且它的起源可能比这还要早。谷物的种植大约始于5000年前，并且一些有进取心的农夫必然会对手工捣或磨谷物感到厌烦。或许，实际上，发明者是一些农夫的妻子，因为她经常从事繁重的工作。
很多水车到19世纪依然在使用，但是，在之前的150年的进程中，水车渐渐的被作为能量源的蒸汽机所代替。能量的传递是通过轴和简易的齿轮或滑轮完成。蒸汽机第一次使用了在压力作用下封闭的移动的液体流体。这个原理随后被应用到水力的传动——即将能量远远不断的从产生端传送到所需地。
然而，静态水力的远距离传递始于更早以前。像亚历山大海伦，在公元一世纪为寺庙祭坛制造了一个设备，在一个密闭的容器内，利用火将空气加热膨胀。空气压力推动水沿着寺庙门的管道流进一个容器内，通过绳子和滑轮为门的魔法般的打开提供动力。
海伦也生产了一个所谓的蒸汽机。它的动力依赖于空气流的反作用力，就像现在的汽轮机，但是它没有被过多的理解，仅仅是一个令人感兴趣的新奇物件。
早期发明的液压泵的形式都有一个相似的起源。第一个液压泵没有被用来产生水力而是用来运输水用于灌溉或者是把它从矿山上移除。
在公元前3世纪，阿基米德将螺旋的原理应用到液压机器中它的螺旋泵被用来为灌溉抽水或将水引到高架渠的平面。柱塞泵是历史上第一台能使液柱内产生压力的机械装置，它被认为来源于埃及且与此（螺旋泵）有着同样悠久的历史。像螺旋泵一样，它只是用来移动水的工具而不是产生压力的工具。
近年来，一些规模较大的生产土建设备的厂商在液压动力应用方面一直占着主导地位。涉及的总能量通常比需要的多，甚至是最大的航空系统也是如此。在一些非常大的能量的集中下，相对飞机里大量比较小的载荷，能够激励设计者寻找新的创新的方法来分配控制能源。在这方面他已经成功的以最小的能源消耗获得高精度控制和生产率。
在现在可移动的和工业化的应用中，系统设计者已能够充分运用液压良好的柔性和适应性。它可以轻易的绕过拐角并传递到连接处，事实上可以挑战机械传动了。它可以很容易的分离成多个载荷或汇聚成所要求的高的单一的载荷能量。电能和风能的分配油相似的柔韧性但是缺少紧密度和液压的某些其他的重要的特征。
水力的一个明显的特征就是它具有极高的能量密度。表10.1显示了一个由柴油机提供能量的400马力的液压泵和在相同功率下的电动机之间的对比。对比是明显的，它为水力的使用者提供了机会并且对液压部件的使用者产生挑战。
高能量密度的液压泵或液压马达产生了远远超过其他许多产品的设计挑战。在泵元件上（叶片，活塞，齿轮）表面快速移动的高载荷，极高的流体速度，高频的交变载荷，这些都需要精心的设计以保证比较长的寿命，完全的可靠性和高效运行的能力。使用者，另一方面，从一类装置中所获的好处是灵敏的反应性，高精度可控性和简便的操作。当设计者理解了使用者的需求并且使用者理解设备所有的性能水力的巨大的潜力将被发挥。

第八单元 数控机床
机床可以按照笛卡尔坐标系中数控运动机床的轴的数量来划分。也有其他不是数控的运动，一个两轴的机床在刨床上的工作台上可以沿纵向和横向移动，一个三轴的机床有一个附加的株洲的垂直运动。例如，四轴，五轴，六轴的机床可以有其他的直线或回转的运动。
所认识的数控有三种。其中的一种称为点到点或位置调节数控，在这类数控系统中，进行切削之前，切削刀具和工件彼此之间的位置就被规定了，数控钻床就是一个例子。点之间的路径是不关心的也不被特别的控制。另一类是纵向切削数控系统，涉及点之间的运动，就像点到点的数控。但是沿着直线或曲线的路径由机床的导轨或滑道决定。数控砖塔机床就是第二类。第三类是连续路径数控，或者是一种更加专业的连续工具路径控制。路径是轮廓线或纹线，曲线或表面，以及所有的形状。实现连续路径数控的一个方法是使工件或刀具沿直线或曲线作点到点的运动（在某些机床上，点之间采用抛物线路径），许多点间的间隔足够小，以便在要求的限度内使切削组合的路径接近一预想的曲线。另一种方法就是驱动机床部件，把一个滑座和工作台放在上边，在变化的速率下沿着坐标轴，以便复合下的运动沿着特定的直线或曲线。
一个数据机床可以由一个开口回路或闭口回路控制。正如8.1表所描述的，开口回路系统是最简单最便宜的，但是却不能保证精度。某种运动的一个指令（例如开启冷却，启动主轴或者移动工作台到某个位置）通过控制单元发出。一个工作台或其他及其构件的基本驱动装置是步进电机。它有，例如，在定子周围由50个级数，定子里面的转子由49个级数。两个级数总是对齐的。级数被激活去对齐下两个级数，并且每次一个脉冲被接收，转子转过绝对小的角度。电机驱动丝杠使工作台移动相应的距离。例如，一个脉冲代表移动0.001毫米，如果过要求移动0.05毫米，则控制单元要发出50个脉冲，电机移动50步并移动丝杠，并且工作台（或其它部件）被驱动0.05毫米。发出脉冲的频率确定（走刀量）进给的速率。步进电机的功率是有限制的，如果移动的阻力比较大，电机可能会停止或失步。对省略没有反馈报告，并且精度丢失。用步进电机直接驱动局限在小马力的轻载。对于大功率和重载来说，当工作台启动到7.5KW或更多时，通过伺服阀，使一个步进电机和一个液压马达是相匹配。
机床上的工作台（或其他部件）的移动脉冲指令信号转化为稳定的模拟信号，在闭口回路中是普遍的。这个指令打开驱动机构电源液压和交流电但主要的是直流电也用于数控机床。信号的密度决定于进给速度。对于一个高速的进给，脉冲以较快的速率发出/或者模拟信号比较大，可以打开电机更大的功率驱动工作台加快移动。电机的转速计送回一个信号与进给速率相比较以确保所需要的进给速率被传达，并且如果有错误做出纠正。通常，一个分解器被丝杠驱动并且返回一个信号显示工作台移动的距离。当反馈设备直接连接到工作台，更多的准确性将被长时间获得，但是这样的设备成本较高。反馈信号与指令相比，当反馈信号等于指令并且显示所需要的移动已经完成，则马达关闭，并且移动停止。由于它们由单独的通道控制，所有的移动可以同时操作。确实，它们做同时的曲线轮廓动作是必要的。
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