材料加工先进技术考试题

材料加工先进技术考试题一、选择题1．激光束的空间形状是由激光器的谐振腔决定的，腔内的横向电磁场分布称为腔内横模，用TEM mn表示，TEM01属于___B___。

A、基模B、低阶模C、高阶模2．CO2激光器是一种气体激光器，其工作物质为CO2，适用的激励方式有很多，电激励、电子束激励、化学激励、微波激励等，其中以___A__使用最多。

A、电激励B、电子束激励C、微波激励3．激光与材料相互作用时，材料吸收激光能量导致温度升高。

在激光相变硬化过程中，材料的温度___ B___。

A、达到熔点以上，汽化点以下；B、相变点以上，熔点以下；C、相变点以下。

4．下列正确的表述是__C___。

A、非晶态是原子或分子在三维空间有规则的排列；B、纳米材料是尺度为纳米的原子；C、准晶是金属。

……二、填空题1、进制造技术的特点是等实用性、广泛性、动态特征、集成性和系统性等。

2、纳米材料是直径为纳米数量级的粒子压缩而成，包括体积分数相等的两部分。

3、激光器的聚焦光学系统主要有透镜聚焦和反射聚焦两种聚焦方式。

4、任何激光器都是由工作物质、激励系统和光学共振腔三个基本部分组成。

5、新型金属结构材料主要包括微合金化高强度钢、超高强度钢、新型不锈钢、新型低温钢、新型高温合金、新型轻合金。

6、激光的特点包括高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

7、基模（TEM00）高斯光束，光束质量好，激光束质量因子M2=1。

三、简答题（8题中选5个，每题8分，共40分）1、试述快速原型制造技术的定义，并举一例说明其原理。

解：快速原型制造技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。

它的特征是：1）可以制造任意复杂的三维几何实体;2） CAD模型直接驱动; 3）成形设备无需专用夹具或工具;4）成形过程中无人干预或较少干预。

举例：（略）2、简述水射流切割的原理及应用。

解：①原理：水射流切割（液体喷射加工）（LJM，Liquid Jet Machinig）是利用水或水中加添加剂的液体，经水泵至增压器增压，其压力可达70～400MPa，再经贮液蓄能器使高压液体流动平稳，最后由人造蓝宝石喷嘴形成300～900m／s的高速液体束流，喷射到工件表面，从而达到去除材料的加工目的。

高速液体束流的能量密度可达1010W／mm2，流量为7．5L／min，此种液体的高速冲击，具有固体的加工作用。

②应用：液体喷射加工的液体流束直径为0.05～0.38mm，可以加工很薄、很软的金属和非金属材料，已广泛用于铝、铅、铜、钛合金板、复合材料、石棉、石墨、混凝土、岩石、软木、地毯、胶合板、玻璃纤维板、橡胶、棉布、纸、塑料、皮革、不锈钢等近80种材料的切割。

3、简述红外激光与材料相互作用的过程。

解：激光加工用激光多处于红外波段（CO2激光10．6μm， YAG激光1.06μm）。

根据材料吸收激光能量而产生的温度升高，可以把激光与材料相互作用过程分为如下几个阶段：（1）无热或基本光学阶段。

从微观上来说，激光是高简并度的光子，当它的功率（能量）密度甚低时，绝大部分的入射光子被材料（金属）不能用于一般的热加工，主要研究内容属于基本光学范围。

（2）相变点以下加热（T＜Ts)。

当入射激光强度提高时，入射光子与金属中电子产生非弹性散射，电子通过“逆韧致辐射效应”，从光子获取能量。

处于受激态的电子与声子（晶格）相互作用，把能量传给声子，激发强烈的晶格振动，从而使材料加热。

当温度低于相变点（T＜Ts）时，材料不发生结构变化。

从宏观上看，这个阶段激光与材料相互作用的主要物理过程是传热。

（3）在相变点以上但低于熔点加热（Ts＜T＜Tm）。

这个阶段为材料固态相变，存在传热和质量传递物理过程。

主要工艺为激光相变硬化，主要研究激光工艺参数与材料特性对硬化的影响。

（4）在熔点以上，但低于汽化点加热（Tm＜T＜Tv）。

激光使材料熔化，形成熔池。

熔池外主要是传热，熔池内存在三种物理过程：传热、对流和传质。

主要工艺为激光熔凝处理、激光熔覆、激光合金化和激光传导焊接。

（5）汽化点以上加热——等离子体现象。

激光使材料汽化，形成等离子体，这在激光深熔焊接中是经常见到的现象。

利用等离子体反冲效应，还可以对材料进行冲击硬化。

4、简述激光深熔焊接时的“小孔效应”机理。

解：激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成。

在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。

这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光束能量，孔腔内平衡温度达25000℃左右。

热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。

小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸气，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。

（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传导输送到内部）。

孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸气压力相持并保持着动态平衡。

光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。

就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。

上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数公尺。

5、简述激光产生的机理及激光的特点。

解：产生机理：基本原子、分子因受激发射放大，而产生的一种相干光辐射。

激光特点：①、高亮度；②、高方向性：光束发散角小，在有效传递较长距离的同时，仍能保证聚焦得到极高的功率密度；③、高单色性：保证光束能精确聚焦于焦点处，得到高的功率密度；④、高相干性6、简述先进制造技术的体系结构。

解：AMST（机械科学研究院）提出的多层次技术群构成。

我国目前属于先进制造技术范畴的技术是一个三层次技术群。

第一层次：优质、高效、低耗、清洁基础制造技术（铸、锻、焊、热处理、表面保护、机械加工等大量应用的技术，经优化而形成）是先进制造技术的核心组成。

主要包括的基础技术：精密下料、精密塑性成形、精密铸造、精密加工、精密测量、毛坯强韧化、精密热处理、优质高效连接、功能性防护涂层及各种与设计有关的基础技术，各种现代化管理技术。

第二层次：新型制造单元技术，如制造业自动化单元技术、极限加工技术、质量与可靠性技术、系统管理技术、CAD/CAM、清洁生产技术、新材料成形加工技术、激光与高密度能源加工技术、工艺模拟及工艺设计优化技术等。

第三层次：先进制造集成技术：应用信息技术和交流管理技术，通过网络与数据库对前两层次的技术集成而形成。

以上三个层次都是先进制造技术的组成部分，但每一层次都不等于先进制造技术的全部。

7、简述先进制造技术的发展趋势。

解：未来先进制造发展总趋势是精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。

①.信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用。

促进设计技术现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。

各种先进生产模式的发展，CIMS, 并行工程、精益生产、灵捷制造、虚拟企业与虚拟制造，都以信息技术为支撑。

②.设计技术不断现代化，包括设计手段计算机化、新的设计思想方法（并行设计等）不断出现，全寿命周期设计、综合考虑技术等。

③.成形及改性制造技术向精密、精确、少耗能、无污染方向发展，成形制造技术（铸、塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术）从制造毛坯、接近零件形状（Near Net Shape Process）向直接制成工件即精密成形（净成形，Net Shape Process）方向发展。

改性技术（热处理及表面工程各项技术）向精密热处理和复合处理发展，达到组织性能精确，形状尺寸精密以及获得各种特殊性要求得表面涂层，并减少能耗及消除对环境的污染。

④加工制造技术向超精密、超高速及发展新一代制造装备的方向发展，如加工精度达0.025μm，切削速度1600m/min（铝合金），1500（铸铁）等。

⑤.工艺由发展为工程科学，工艺模拟技术得到迅速发展，工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程学科。

⑥.专业、学科间的界限逐渐淡化、消失，专业车间概念逐渐淡化，将多种不同专业技术集成在一合设备、一条生产线、一个工段或车间的生产方式逐渐增多。

⑦.绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征，主要包括：1）绿色产品设计（符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高）2）绿色制造技术（对环境负面影响最小、废弃、存害物最小，资源利用高）3）产品回收和循环再造⑧.虚拟现实技术在制造业中获得愈来愈多的应用虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）包括虚拟制造技术和虚拟企业两部分。

虚拟制造是在虚拟制造环境中生成软产品原形（Soft Prototype）并进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短设计与制造周期，降低开发成本。

虚拟企业是通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成一个没有围墙，超越空间约束、靠计算机网络系统联系、统一指挥的合作经济实体，其特点是企业功能不完整、地域分散性、组织结构非永久性，即功能虚拟化，组织虚拟化，地域的虚拟化。

⑨.信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合、先进制造生产模式获得不断发展制造业在经历了少品种小批量→少品种大批量→多品种小批量过渡后，采用了计算机集成制造系统（CIMS）进行柔性生产，并向智能制造技术（IMT）和智能制造系统（IMS）方向发展。

精益生产（LP），灵捷制造（AM）等先进制造模式相继出现并不断发展。

上述生产模式的进展，体现了以下几个转变：1）以技术为中心向以人为中心转变2）以金字塔式的多层次生产结构向扁平的网络结构转变3）传统的顺序工作方式向并行工作方式转变4）按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理小组工作组织形式转变5）从质量第一的竞争策略向快速响应市场的竞争策略转变。

7．简述先进制造技术的发展趋势。

答：未来先进制造朝精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展：①、信息技术为支撑；②、设计技术不断现代化；③、成形及改性制造技术向精密、精确、少耗能、无污染方向发展；④、加工制造技术向超精密、超高速及发展新一代制造装备的方向发展；⑤、工艺由发展为工程科学；⑥、专业、学科间的界限逐渐淡化、消失；⑦、绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征；⑧、虚拟现实技术在制造业中获得愈来愈多的应用；⑨、信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合、先进制造生产模式获得不断发展。

8、简述电子束加工原理及特点。

解：①原理：电子束加工是在真空条件下，利用电流加热阴极发射电子束，带负电荷的电子束高速飞向阳极，途中经加速极加速，并通过电磁透镜聚焦，使能量密度高度集中，可以把lkW或更高的能量集中到直径为5～10μm的斑点内，获得高达109W／cm2的能量密度。