UNCC 的制造研究实践方法

从本月开始，TechFront 采用了一种新格式，重点介绍重点大学的制造研究项目，随后在 SME 的制造系统杂志中总结了最近的研究 , 制造工艺杂志 和制造信件 , 全部由 Elsevier Ltd. 出版。

本月的大学重点是北卡罗来纳大学夏洛特分校 (UNCC)。制造工程采访了 UNCC 教授 Tony L. Schmitz 和 Chris Evans，了解了 UNCC 本科和研究生制造教育和研究项目的范围。

在 UNCC，重点是学生在本科和研究生制造业中获得实际的车间经验。位于夏洛特市，在 NASCAR 国家的心脏地带，城市大学的 William States Lee 工程学院包括精密计量中心、自由曲面光学中心和西门子能源生产大型制造解决方案实验室的研究和基础设施中心 (EPIC)。

“精密计量中心是校园内最古老的研究中心，”机械工程教授兼精密计量中心主任 Chris Evans 说（见 https://cpm.uncc.edu/）。 “我们支持研究生和本科教育，尤其是研究生教育，在两年的周期内，我们在计量、制造和精密机械设计方面开设了大约 15 个课程。它们都是由机械工程或光学科学工程的教师教授的，因为这些中心是多学科的。”

精密计量中心拥有最先进的尺寸计量实验室，配备来自 Hexagon Metrology 等供应商的设备，支持教师在计量和制造方面的研究。 “我认为我们拥有美国所有大学中最好的计量设施，”埃文斯说。除了跨学科方法外，UNCC 还与行业合作，并拥有一个行业附属计划，包括 Caterpillar、Cummins 和 Intel 等公司。

埃文斯补充说：“[附属] 成员来到校园观看学生的演讲，这些学生正在执行由附属机构自己选择的具有竞争力的、工业驱动的研究开发项目，因此基本上他们支付成为会员的费用资助了学生。这是一个很好的外展计划，可以让潜在雇主看到我们的学生。”

车间，协作焦点

实践培训是 UNCC 的重点。 “我自豪地是一个‘脏指甲’类型的人，”埃文斯说。 “我们大二的每个机械工程本科生都必须参加制造系统课程，这涉及他们的第一次设计接触和进入车间。”

这一经验向 UNCC 本科生展示了如何操作手动机床，并且要求他们构建一组完全符合 GD&T 公差的印刷品，用于没有必须运行的无密封件的单缸空气发动机才能通过课程，Evans说。 “他们在职业生涯的早期就知道，他们必须亲自动手，做真实的事情，而不仅仅是模拟，”他补充道。 “他们学习了公差的含义。”

Evans 说，拥有 29,000 名学生的 UNCC 校园有 1000 多名机械工程专业的学生，​​并且每年增长约 8%。

在由 John Ziegert 教授领导的 UNCC 西门子能源大型制造解决方案实验室，对从西门子能源公司以 200 万美元赠款购买的计量设备进行研究。位于 EPIC 单元中的实验室核心是 Leitz PMM-F 30-20-16 三坐标测量机，它可以接受具有非常复杂几何形状的大型重型部件，并以几微米的精度快速测量每个尺寸、角度和半径。 CMM 由西门子实验室的积极合作伙伴 Hexagon 捐赠，安装在定制设计的环境室中，温度控制在 20 ±0.5°C。此外，该实验室还拥有三个激光跟踪仪和一个关节臂坐标测量机。

提供实践经验以及与主要行业领导者的接触，为参加 UNCC 制造项目的学生带来了回报。 “他们通常有不止一个offer，尤其是我们的国内学生，”FSME、UNCC 研究生课程副主任、机械工程和工程科学教授 Tony Schmitz 说。

其他优势在于该大学与其他制造研究机构的广泛合作。自由曲面光学中心 (https://centerfreeformoptics.org/) 是 UNCC 与罗切斯特大学的合作项目。 UNCC 还与 NC 州立大学 (Raleigh) 开展州内合作推进金属增材制造科学，并与 UNC Greensboro 开展粉末冶金合作。

“我喜欢在夏洛特的一件事是空气中的合作。我们在内部没有竞争力，”埃文斯说。这很重要，施密茨补充道。 “该系的许多教员都曾在其他大学任教，并在国家实验室等有过其他经验，”施密茨说。 “在我所有的经验中，这是我所观察到的研究机构最合议的环境。我喜欢说，‘我们有大人在这里工作。’”

前沿研究

UNCC 学院的研究人员参与了正在进行的制造研究计划，包括在自由曲面光学中心研究基于单晶金刚石工具和超精密加工的这些光学器件的制造工艺。另一项工作由 UNCC 教授 Gert Goch 领导，他是齿轮制造和齿轮制造计量专家，他的小组最近开发了一种在计量研究中使用齿轮齿面描述的方法。

在南卡罗来纳州格林维尔举行的 SOUTH-TEC 2017 上，Schmitz 向与会者展示了制造潜力的未来视角。他重演了他的 SME NAMRC-45 演讲，该演讲基于他在蓝天竞赛中获奖的研究，该研究专注于在自然界中发现的生物过程中寻找未来的制造应用。 Schmitz 的演讲题为“仿生制造”，展示了生物系统如何为未来可能的制造创新提供线索。他的工作是首届 NAMRI/SME Dornfeld 制造远见奖的获得者，该奖项以已故的加州大学伯克利分校教授 David Dornfeld 的名字命名，他对未来的制造研究人员如果能够“考虑到令人发指的”与思想开放。

“我们需要采取新的挑战和方法，”施密茨谈到中小企业蓝天竞赛时说。 “有很大的风险/回报。” Schmitz 对仿生制造的解释概述了仔细观察树木、豆芽、白蚁、海狸牙齿甚至寨卡病毒如何为未来学家提供开发新制造方法的线索。

例如，在检查海狸的牙齿时，施密茨说，如果海狸停止不断的咀嚼，自动锐化的门牙最终会变得太大而无法容纳海狸的嘴。 Schmitz 的问题包括：“我们可以利用几何吗？是否可以设计一种能够适应而不是最小化磨损的切削工具？除了新的涂层材料技术，新设计能否以适当的速度“增长”？ ......在制造业和生物学之间的交叉点有很多研究可能性。”

—高级编辑 Patrick Waurzyniak

来自 SME 期刊和制造快报的技术论文

这些摘要、摘录和网络链接来自最近发表在 SME Journal of Manufacturing Systems 上的论文 , 制造工艺杂志 , 和 制造信件 , 由 Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) 印刷，经许可在此使用。

连接铝板铸造镁

材料科学与工程系的作者 Bert Liu、Anupam Vivek 和 Glenn S. Daehn 在他们的文章“通过汽化箔致动器焊接连接铝板 AA6061-T4 以铸造镁 AM60B：输入能量、界面和强度”中在俄亥俄州立大学（哥伦布），研究了成功将铝焊接到铸镁的技术，以帮助汽车制造商寻求更轻的汽车平台，从而实现更高的燃油效率。该论文发表在制造过程杂志上 ，卷。 2017 年 12 月 30 日，可在 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#! 获得。

通过汽化箔致动器焊接 (VFAW) 实现了铝板 AA6061-T4 与铸造镁 AM60B 的不同连接。使用了三种输入能量水平（6、8 和 10 kJ），并且作为一种趋势，更高的输入能量导致飞轮速度逐渐提高，界面波浪特征更明显，焊接区域更大，剥离强度更高，剥离能量更高。在所有情况下，焊缝横截面都显示出良好的结合界面，其特征是发达的波浪特征，没有空隙和连续的金属间化合物 (IMC) 层。在10 kJ输入能量下，飞片速度为820 m/s，剥离强度为22.4 N/mm，剥离能量为5.2 J。

在搭接剪切中，AA6061-T4 传单在基材峰值拉伸载荷的 97% 处发生故障。剥离样品沿焊缝界面失效，断裂面的 AM60B 侧显示出薄而均匀的 Al 残留线，这些残留物已以延展方式从 AA6061-T4 基体上撕下并转移到 AM60B 侧，表明这些区域的 AA6061-T4/AM60B 结合非常牢固。这项工作证明了 VFAW 在连接不同轻质金属（如 Al/Mg）方面的能力。

为发动机叶片维修建模磨损表面几何

在制造快报的第 15 卷中 2018 年 1 月，密苏里科技大学（密苏里州罗拉）机械与航空航天工程系的作者 Xinchang Zhang、Wei Li 和 Frank Liou 撰写了有关使用建模帮助通过直接金属沉积修复损坏的涡轮发动机叶片的文章。他们的论文“使用激光辅助直接金属沉积工艺对发动机叶片修复的磨损表面几何建模”可在 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X 上找到。

发动机叶片修复需要获取磨损区域并生成相应的刀具路径进行沉积。在本文中，提出了一种自动磨损表面建模方法来恢复受损叶片的缺失体积。逆向工程用于重建叶片模型。重建的损坏模型与标称模型最吻合。采用横截面积比较法检测损伤层。采用射线投射法与损伤层相交以提取缺失体积。生成刀具路径并使用激光辅助直接金属沉积进行修复实验以验证所提出的方法。

薄肋加工的两种方法

在“薄肋加工中固定自由梁动力学的分析解决方案”中，UNC 夏洛特机械工程与工程科学系的作者 Tony L. Schmitz 和 Andrew Honeycutt 提出了两种不同的分析方法来预测薄肋、固定自由梁具有不同几何形状的动力学。本制造工艺杂志 ，第 30 卷，2017 年 12 月的论文可在 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub 获得。

第一种方法使用瑞利方法确定阶梯厚度梁的基本弯曲模式的有效质量，并使用卡斯蒂利亚诺定理计算梁自由端和厚度变化处的刚度。第二种方法使用接收耦合子结构分析 (RCSA) 通过刚性连接描述各个阶梯梁截面的接收来预测相同两个位置的梁接收（或频率响应函数），其中接收来自 Timoshenko 梁模型。

完成与有限元计算的比较以验证这两种技术。据观察，RCSA 预测与有限元结果更接近。还进行了实验，其中阶梯梁厚度通过多个加工道次改变，并且在道次之间进行接收测量。 RCSA 预测与自然频率和刚度的实验结果进行了比较。据报道，固有频率的一致性在百分之几以内。

精益原则加快钚供应过程

田纳西大学工业与系统工程系的作者 Tomcy Thomas、Steven R. Sherman 和 Rapinder S. Sawhney 在他们的论文“应用精益制造原则改进概念钚 238 (Pu238) 供应过程”中诺克斯维尔）和橡树岭国家实验室（ORNL；田纳西州橡树岭）核安全和同位素技术部放射化学科学与工程组概述了精益流程如何加快 Pu238 供应流程。该论文发表在 Journal of Manufacturing Systems 的 2018 年 1 月第 46 卷中 ，并在 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413 上可用。

美国能源部的 Pu-238 供应项目旨在重建美国生产公斤级 Pu238 的能力。美国宇航局使用这种放射性同位素为深空探测器提供动力，但供应正在减少。它最后一次在美国生产是在 1988 年。使用 ORNL 放射化学工程开发中心的现有工艺和设施描述了 Pu238 供应工艺的概念设计。

使用离散事件系统模拟分析概念过程的速率限制部分，以确定预期的生产率、瓶颈和时间延迟对生产率的影响。基于精益制造原则生成工艺替代方案，并通过模拟与原始工艺进行检查和比较，以确定更好的运营策略。

TechFront 由高级编辑 Patrick Waurzyniak 编辑。