1、材料加工先進(jìn)技術(shù)考試題一、 選擇題1 激光束的空間形狀是由激光器的諧振腔決定的，腔內(nèi)的橫向電磁場分布稱為腔內(nèi)橫模，用TEMmn表示，TEM01屬于_B_。A、基模 B、低階模 C、高階模2 CO2激光器是一種氣體激光器，其工作物質(zhì)為CO2，適用的激勵方式有很多，電激勵、電子束激勵、化學(xué)激勵、微波激勵等，其中以_A_使用最多。A、電激勵 B、電子束激勵 C、微波激勵3 激光與材料相互作用時(shí)，材料吸收激光能量導(dǎo)致溫度升高。在激光相變硬化過程中，材料的溫度_ B_。A、 達(dá)到熔點(diǎn)以上，汽化點(diǎn)以下；B、相變點(diǎn)以上，熔點(diǎn)以下；C、相變點(diǎn)以下。4 下列正確的表述是_C_。A、 非晶態(tài)是原子或分子在三維空間

2、有規(guī)則的排列；B、 納米材料是尺度為納米的原子；C、 準(zhǔn)晶是金屬。二、 填空題1、 進(jìn)制造技術(shù)的特點(diǎn)是等實(shí)用性、廣泛性、動態(tài)特征、集成性和系統(tǒng)性等。2、 納米材料是直徑為納米數(shù)量級的粒子 壓縮 而成，包括體積分?jǐn)?shù) 相等的兩部分。3、 激光器的聚焦光學(xué)系統(tǒng)主要有透鏡聚焦和反射聚焦兩種聚焦方式。4、 任何激光器都是由工作物質(zhì)、激勵系統(tǒng)和光學(xué)共振腔三個(gè)基本部分組成。5、 新型金屬結(jié)構(gòu)材料主要包括微合金化高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、新型不銹鋼、新型低溫鋼、新型高溫合金、新型輕合金。6、 激光的特點(diǎn)包括高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。7、 基模（TEM00）高斯光束，光束質(zhì)量好，激光束質(zhì)量因子M2=1。

3、三、 簡答題（8題中選5個(gè)，每題8分，共40分）1、試述快速原型制造技術(shù)的定義，并舉一例說明其原理。解：快速原型制造技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的技術(shù)總稱。它的特征是：1） 可以制造任意復(fù)雜的三維幾何實(shí)體;2） CAD模型直接驅(qū)動; 3） 成形設(shè)備無需專用夾具或工具;4） 成形過程中無人干預(yù)或較少干預(yù)。舉例：（略）2、簡述水射流切割的原理及應(yīng)用。解：原理：水射流切割（液體噴射加工）（LJM，Liquid Jet Machinig）是利用水或水中加添加劑的液體，經(jīng)水泵至增壓器增壓，其壓力可達(dá)70400MPa，再經(jīng)貯液蓄能器使高壓液體流動平穩(wěn)，最后由人造藍(lán)寶石噴嘴形成3

4、00900ms的高速液體束流，噴射到工件表面，從而達(dá)到去除材料的加工目的。高速液體束流的能量密度可達(dá)1010Wmm2，流量為75Lmin，此種液體的高速沖擊，具有固體的加工作用。應(yīng)用：液體噴射加工的液體流束直徑為0.050.38mm，可以加工很薄、很軟的金屬和非金屬材料，已廣泛用于鋁、鉛、銅、鈦合金板、復(fù)合材料、石棉、石墨、混凝土、巖石、軟木、地毯、膠合板、玻璃纖維板、橡膠、棉布、紙、塑料、皮革、不銹鋼等近80種材料的切割。3、簡述紅外激光與材料相互作用的過程。解：激光加工用激光多處于紅外波段（CO2激光106m， YAG激光1.06m）。根據(jù)材料吸收激光能量而產(chǎn)生的溫度升高，可以把激光與材料

5、相互作用過程分為如下幾個(gè)階段： （1）無熱或基本光學(xué)階段。從微觀上來說，激光是高簡并度的光子，當(dāng)它的功率（能量）密度甚低時(shí)，絕大部分的入射光子被材料（金屬）不能用于一般的熱加工，主要研究內(nèi)容屬于基本光學(xué)范圍。 （2）相變點(diǎn)以下加熱（TTs)。當(dāng) 入射激光強(qiáng)度提高時(shí)，入射光子與金屬中電子產(chǎn)生非彈性散射，電子通過“逆韌致輻射效應(yīng)”，從光子獲取能量。處于受激態(tài)的電子與聲子（晶格）相互作用，把能量傳給聲子，激發(fā)強(qiáng)烈的晶格振動，從而使材料加熱。當(dāng)溫度低于相變點(diǎn)（TTs）時(shí)，材料不發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。從宏觀上看，這個(gè)階段激光與材料相互作用的主要物理過程是傳熱。 （3）在相變點(diǎn)以上但低于熔點(diǎn)加熱（TsTTm）。這

6、個(gè)階段為材料固態(tài)相變，存在傳熱和質(zhì)量傳遞物理過程。主要工藝為激光相變硬化，主要研究激光工藝參數(shù)與材料特性對硬化的影響。 （4）在熔點(diǎn)以上，但低于汽化點(diǎn)加熱（TmTTv）。激光使材料熔化，形成熔池。熔池外主要是傳熱，熔池內(nèi)存在三種物理過程：傳熱、對流和傳質(zhì)。主要工藝為激光熔凝處理、激光熔覆、激光合金化和激光傳導(dǎo)焊接。 （5）汽化點(diǎn)以上加熱等離子體現(xiàn)象。激光使材料汽化，形成等離子體，這在激光深熔焊接中是經(jīng)常見到的現(xiàn)象。利用等離子體反沖效應(yīng)，還可以對材料進(jìn)行沖擊硬化。4、簡述激光深熔焊接時(shí)的“小孔效應(yīng)”機(jī)理。解：激光深熔焊冶金物理過程與電子束焊極為相似，即能量轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過“小孔”結(jié)構(gòu)來完成。在足夠

7、高的功率密度光束照射下，材料產(chǎn)生蒸發(fā)形成小孔。這個(gè)充滿蒸氣的小孔猶如一個(gè)黑體，幾乎全部吸收入射光束能量，孔腔內(nèi)平衡溫度達(dá)25000左右。熱量從這個(gè)高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個(gè)孔腔四周的金屬熔化。小孔內(nèi)充滿在光束照射下壁體材料連續(xù)蒸發(fā)產(chǎn)生的高溫蒸氣，小孔四壁包圍著熔融金屬，液態(tài)金屬四周即圍著固體材料。（而在大多數(shù)常規(guī)焊接過程和激光傳導(dǎo)焊中，能量首先沉積于工件表面，然后靠傳導(dǎo)輸送到內(nèi)部）?？妆谕庖后w流動和壁層表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸氣壓力相持并保持著動態(tài)平衡。光束不斷進(jìn)入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動，隨著光束移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定態(tài)。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬隨著前導(dǎo)光束前進(jìn)速

8、度向前移動，熔融金屬充填著小孔移開后留下的空隙并隨之冷凝，焊縫于是形成。上述過程的所有這一切發(fā)生得如此快，使焊接速度很容易達(dá)到每分鐘數(shù)公尺。5、簡述激光產(chǎn)生的機(jī)理及激光的特點(diǎn)。解：產(chǎn)生機(jī)理：基本原子、分子因受激發(fā)射放大，而產(chǎn)生的一種相干光輻射。激光特點(diǎn)：、高亮度；、高方向性：光束發(fā)散角小，在有效傳遞較長距離的同時(shí)，仍能保證聚焦得到極高的功率密度；、高單色性：保證光束能精確聚焦于焦點(diǎn)處，得到高的功率密度；、高相干性6、簡述先進(jìn)制造技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)。解：AMST（機(jī)械科學(xué)研究院）提出的多層次技術(shù)群構(gòu)成。 我國目前屬于先進(jìn)制造技術(shù)范疇的技術(shù)是一個(gè)三層次技術(shù)群。第一層次：優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔基礎(chǔ)制造技

9、術(shù)（鑄、鍛、焊、熱處理、表面保護(hù)、機(jī)械加工等大量應(yīng)用的技術(shù)，經(jīng)優(yōu)化而形成）是先進(jìn)制造技術(shù)的核心組成。主要包括的基礎(chǔ)技術(shù)：精密下料、精密塑性成形、精密鑄造、精密加工、精密測量、毛坯強(qiáng)韌化、精密熱處理、優(yōu)質(zhì)高效連接、功能性防護(hù)涂層及各種與設(shè)計(jì)有關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)，各種現(xiàn)代化管理技術(shù)。第二層次：新型制造單元技術(shù)，如制造業(yè)自動化單元技術(shù)、極限加工技術(shù)、質(zhì)量與可靠性技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù)、CAD/CAM、清潔生產(chǎn)技術(shù)、新材料成形加工技術(shù)、激光與高密度能源加工技術(shù)、工藝模擬及工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)等。第三層次：先進(jìn)制造集成技術(shù)：應(yīng)用信息技術(shù)和交流管理技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫對前兩層次的技術(shù)集成而形成。以上三個(gè)層次都是先進(jìn)制

10、造技術(shù)的組成部分，但每一層次都不等于先進(jìn)制造技術(shù)的全部。7、簡述先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。解：未來先進(jìn)制造發(fā)展總趨勢是精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化的方向發(fā)展。.信息技術(shù)對先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展起著越來越重要的作用。促進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)代化，加工制造的精密化、快速化，自動化技術(shù)的柔性化、智能化，整個(gè)制造過程的網(wǎng)絡(luò)化、全球化。各種先進(jìn)生產(chǎn)模式的發(fā)展，CIMS, 并行工程、精益生產(chǎn)、靈捷制造、虛擬企業(yè)與虛擬制造，都以信息技術(shù)為支撐。.設(shè)計(jì)技術(shù)不斷現(xiàn)代化，包括設(shè)計(jì)手段計(jì)算機(jī)化、新的設(shè)計(jì)思想方法（并行設(shè)計(jì)等）不斷出現(xiàn)，全壽命周期設(shè)計(jì)、綜合考慮技術(shù)等。.成形及改性制造技術(shù)向精密、精確

11、、少耗能、無污染方向發(fā)展，成形制造技術(shù)（鑄、塑性加工、連接、粉末冶金等單元技術(shù)）從制造毛坯、接近零件形狀（Near Net Shape Process）向直接制成工件即精密成形（凈成形，Net Shape Process）方向發(fā)展。改性技術(shù)（熱處理及表面工程各項(xiàng)技術(shù)）向精密熱處理和復(fù)合處理發(fā)展，達(dá)到組織性能精確，形狀尺寸精密以及獲得各種特殊性要求得表面涂層，并減少能耗及消除對環(huán)境的污染。加工制造技術(shù)向超精密、超高速及發(fā)展新一代制造裝備的方向發(fā)展，如加工精度達(dá)0.025m，切削速度1600m/min（鋁合金），1500（鑄鐵）等。.工藝由發(fā)展為工程科學(xué)，工藝模擬技術(shù)得到迅速發(fā)展，工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判

12、斷走向定量分析，加工工藝由技藝發(fā)展為工程學(xué)科。.專業(yè)、學(xué)科間的界限逐漸淡化、消失，專業(yè)車間概念逐漸淡化，將多種不同專業(yè)技術(shù)集成在一合設(shè)備、一條生產(chǎn)線、一個(gè)工段或車間的生產(chǎn)方式逐漸增多。.綠色制造將成為21世紀(jì)制造業(yè)的重要特征，主要包括：1）綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)（符合環(huán)保、人類健康、能耗低、資源利用率高）2）綠色制造技術(shù)（對環(huán)境負(fù)面影響最小、廢棄、存害物最小，資源利用高）3）產(chǎn)品回收和循環(huán)再造.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)中獲得愈來愈多的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）包括虛擬制造技術(shù)和虛擬企業(yè)兩部分。虛擬制造是在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原形（Soft Prototype

13、）并進(jìn)行試驗(yàn)，對其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)，從而縮短設(shè)計(jì)與制造周期，降低開發(fā)成本。虛擬企業(yè)是通過信息高速公路，將產(chǎn)品涉及到的不同企業(yè)臨時(shí)組建成一個(gè)沒有圍墻，超越空間約束、靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)聯(lián)系、統(tǒng)一指揮的合作經(jīng)濟(jì)實(shí)體，其特點(diǎn)是企業(yè)功能不完整、地域分散性、組織結(jié)構(gòu)非永久性，即功能虛擬化，組織虛擬化，地域的虛擬化。.信息技術(shù)、管理技術(shù)與工藝技術(shù)緊密結(jié)合、先進(jìn)制造生產(chǎn)模式獲得不斷發(fā)展制造業(yè)在經(jīng)歷了少品種小批量少品種大批量多品種小批量過渡后，采用了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）進(jìn)行柔性生產(chǎn)，并向智能制造技術(shù)（IMT）和智能制造系統(tǒng)（IMS）方向發(fā)展。精益生產(chǎn)（LP），靈捷制造（AM）等先進(jìn)制造模式相

14、繼出現(xiàn)并不斷發(fā)展。上述生產(chǎn)模式的進(jìn)展，體現(xiàn)了以下幾個(gè)轉(zhuǎn)變：1）以技術(shù)為中心向以人為中心轉(zhuǎn)變2）以金字塔式的多層次生產(chǎn)結(jié)構(gòu)向扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變3）傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉(zhuǎn)變4）按功能劃分部門的固定組織形式向動態(tài)的、自主管理小組工作組織形式轉(zhuǎn)變5）從質(zhì)量第一的競爭策略向快速響應(yīng)市場的競爭策略轉(zhuǎn)變。7簡述先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。答：未來先進(jìn)制造朝精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化、全球化的方向發(fā)展：、信息技術(shù)為支撐；、設(shè)計(jì)技術(shù)不斷現(xiàn)代化；、成形及改性制造技術(shù)向精密、精確、少耗能、無污染方向發(fā)展；、加工制造技術(shù)向超精密、超高速及發(fā)展新一代制造裝備的方向發(fā)展；、工藝由發(fā)展為

15、工程科學(xué)；、專業(yè)、學(xué)科間的界限逐漸淡化、消失；、綠色制造將成為21世紀(jì)制造業(yè)的重要特征；、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)中獲得愈來愈多的應(yīng)用；、信息技術(shù)、管理技術(shù)與工藝技術(shù)緊密結(jié)合、先進(jìn)制造生產(chǎn)模式獲得不斷發(fā)展。 8、簡述電子束加工原理及特點(diǎn)。解：原理：電子束加工是在真空條件下，利用電流加熱陰極發(fā)射電子束，帶負(fù)電荷的電子束高速飛向陽極，途中經(jīng)加速極加速，并通過電磁透鏡聚焦，使能量密度高度集中，可以把lkW或更高的能量集中到直徑為510m的斑點(diǎn)內(nèi)，獲得高達(dá) 109Wcm2 的能量密度。如此高的能量密度，可使任何材料被沖擊部分的溫度，在百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)升高到幾千攝氏度以上，熱量還來不及向周圍擴(kuò)散時(shí)，就把局

16、部材料瞬時(shí)熔化、汽化直到蒸發(fā)去除。特點(diǎn)：1）能量密度高，焦點(diǎn)范圍小，速度快，效率高，適于精微深孔、窄縫等加工。2）電子束加工是一種熱加工，主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，工件很少產(chǎn)生應(yīng)力和變形，而且不存在工具損耗等。所以對脆性、韌性、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、非導(dǎo)體材料都可以加工，尤其適于加工熱敏材料。3）加工點(diǎn)上化學(xué)純度高，由于整個(gè)電子束加工是在真空度不低于10- 4mm水銀柱的真空室內(nèi)進(jìn)行，所以熔化時(shí)可以防止由于空氣的氧化作用所產(chǎn)生的雜質(zhì)缺陷。適合于加工易氧化的金屬及合金材料，特別是要求純度極高的半導(dǎo)體材料。4可通過電場或磁場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等直接控制，便于整個(gè)加工過程實(shí)現(xiàn)自動化，給加工帶來很大方便。 5）需