制造工程学科前沿

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1、制造工程学科前沿学科发展的前沿和生长点往往存在于不同学科的交叉点上。科技发展的史实一再证明：不同学科之间的结合，往往导致科学技术的突飞猛进的发展。内容提要微制造学•制造科学的非线性理论•计算制造学•制造信息学•仿生制造•结语──制造科学的新领域1.微制造学加工精度及所加工对象的精细程度都已越过微米、亚微米级的区域，正在向纳米、亚纳米级逼近。现代超精密加工（包括微细加工）发展的前锋已经与原子物理学接壤。加工精度的进化制造工程技术人员需要进入物理的微观世界，直接与少量的、甚至单个的分子、原子打交道。微制造:加工对象的尺度在亚微米级以下、加工精度接近或高于纳米的制造，称为“微制

2、造”。微制造工艺在微电子器件和微型电子机械系统的加工中有重要的应用。以分子组装方法生成纳米结构碳原子组成的多面体。以上这些纳米结构具有奇特的物理性能，可以形成满足各种需要的微型装置。正在进行的一个国家自然科学基金项目——DNA造型：采用DNA作为材料，以生物酶进行定位剪切，按分子自组织原理，建构纳米级的图形。17由蛋白质组成的生物分子装置(离子泵、分子马达…)长度为14nm，直径约8nm，是迄今已知的最大的马达蛋白之一。无负载时蛋白质的旋转速度为17r/s。分子马达的旋转将1mm的微球连接到F1-ATP酶的g亚基上，用相差干涉仪测量微球运动，其速度为3-4r/s。巨人与普

3、通人——尺度效应假定巨人身长是普通人的12倍！举起臂膀一次所做的功是普通人的124=20736倍如果是按比例放大的话：“巨人”将虚弱不堪！•其活动能力只有普通人的1/12！•而且，“巨人”大到一定的程度，根本就举不起自己的臂膀！大动物决不是小动物的比例放大河马的骨骼比鼹鼠要粗壮得多！千万不要以为大事物是小事物的比例放大；千万不要以为小事物是大事物的比例缩小！当制造活动由宏观领域进入到物理的微观世界时——新现象新规律新困难在纳米尺度上,量子效应、物质的波动特性和微观涨落等已成为不可忽略的因素。“均匀连续”、“各向同性”以及“线性化”等假设,在纳米尺度上将不再成立。17一些宏

4、观的物理量,如弹性模量、摩擦系数、密度、温度等,已失去意义,或者需要重新定义。在这一尺度上，固体甚至不再具有确定的“表面”！l欧几米德几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学也不再能正确无误地描述纳米尺度上的工程现象和规律……l制造工程师们在纳米或亚纳米尺度上碰到的是一个十分陌生的世界和一堆十分棘手的问题与困难。l需要向物理学家、化学家学习，与物理学、化学实行学科交叉。2.非线性制造科学非线性？一个和尚挑水吃；两个和尚抬水吃；三个和尚没水吃！线性与非线性我们熟悉的理论绝大部分都是线性的，例如：Ø牛顿力学定律；Ø虎克固体变形定律；Ø马克斯威尔电磁场理论；Ø等等……Ø非线性动力学与

5、非线性科学近年来的突破性进展，极大地深化了、丰富了人们对于复杂系统和动态过程的认识。混沌：对于混沌现象的研究揭示出关于非线性系统的一系列鲜为人知而又耐人寻味的行为模式与特点，冲击着人们对于动态系统和动态过程的传统认识，引发了关于动态过程的确定性(determinism)和可预见性(predictability)方面的深入讨论和反省。17举例：非自由切削过程中的分叉与突变自由切削法和自由切削刀具设计——一项已经完成的国家自然科学基金资助项目（1997-1999）非自由切削的基本特征----排屑干涉Ø加剧切屑变形；Ø加速刀具磨损；Ø恶化加工表面光洁度；Ø增加切削功率消耗；Ø存

6、在排屑干涉的切削过程称为“非自由切削”。几乎所有的实际切削加工工序都属于非自由切削。在非自由切削过程中：切削的总能耗≥各单元刀具能耗之和体现了非自由切削过程的强烈的非线性特征。非线性因素引起“结构不稳定”，导致切削过程中的分叉和突变17由于分叉和突变现象的存在，切削加工过程的实际情况比人们想象的要复杂得多。在分叉点上金属切削过程的物理状态和工艺效果并不能完全由所施加的控制（工艺）参数所决定，而具有“内在随机性”，因而——控制的确定性不再成立；一个切削过程在某时刻的物理状态和工艺效果就不仅仅只与该时刻的控制参数有关，而且也依赖于它们的变化历史，具有“过程依赖性”，因而——控

7、制的即时性不再成立；由于存在分叉和突变，控制参数的微小变化，有时会招致状态参数和工艺效果的大幅度突变，即切削过程具有“状态突变性”，因而——控制的连续性不再成立；这些因素对于切削过程控制和刀具设计具有现实的影响，应予以充分地考虑。必须注意制造过程中的非线性因素，研究与应用非线性科学。虚心向系统科学家学习。3.计算制造学（数字制造）“计算制造”指的是利用计算机对制造过程和制造系统进行数字化建模、仿真、推理和运算。各种现代数学理论与数学方法在计算制造中获得广泛的、有效的应用。虚拟制造——计算机中开工厂17虚拟制造——以计算机仿真，