传奇的 UIUC 工程计划解决棘手的制造问题

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC；伊利诺伊州厄巴纳）在机械和应用工程科学领域拥有悠久而卓越的历史和传统，该大学将很快庆祝一项长期计划的耗资数百万美元的扩建项目的开幕到其机械科学与工程 (MechSE) 大楼。

UIUC 拥有许多杰出的企业家，他们创建了 Netscape、Advanced Micro Devices、PayPal、Oracle、Lotus Software、YouTube 和 Tesla Motors 等公司。

作为整容的一部分，UIUC 的改造 MEB（机械工程大楼）计划包括来自计算机和智能手机制造商富士康互联（台湾）的董事长兼首席执行官 Sidney Lu（BSME '81）的 1200 万美元捐款，该公司生产 Apple iPad和 iPhone。

东翼增建将被称为卢学习与创新中心。该项目包括 MEB 东面的五层楼、北面的单层楼以及 66,000 平方英尺（20,117 平方米）的现有空间，为教育、创新和社区，根据 UIUC。

除了扩建之外，2017 年 10 月 UIUC MechSE 宣布该大学被美国国家科学基金会授予材料研究科学与工程中心 (MRSEC)，该中心获得了为期六年、1560 万美元的资助，专注于新型纳米材料。在此公告之前，NSF 向 UIUC 授予了 1850 万美元用于由 MechSE 教授 Andrew Alleyne 领导的新 NSF 工程研究中心。该中心称为电热系统功率优化 (POETS)，专注于将移动电子设备和车辆设计作为一个单一系统来解决热和电气方面的挑战。

“我们希望将车辆的总功率密度提高 10 到 100 倍。这将转化为节省数十亿升的燃料，并使电动汽车的续航里程增加近一倍，”MechSE 的 Ralph &Catherine Fisher 教授 Alleyne 在一份声明中说。 “今天的电气技术正处于热极限。系统方法是我们超越当前技术水平的唯一途径。”

在最近与制造工程的讨论中，UIUC 的 Placid Matthew Ferreira、Tungchao Julia Lu 教授和前 MechSE 系主任，以及 Grayce Wicall Gauthier 主席兼机械科学与工程教授 Shiv Gopal Kapoor 描述了广泛的研究范围部门。

“我们被称为 MechSE，代表机械科学与工程，因为前段时间机械工程系和理论与应用力学系联合在一起，”费雷拉说。 “该系涵盖机械科学和机械工程，从更基础的机械工程的理论基础，如力学、传输现象、固体力学、流体力学、控制理论、运动学、动力学到更多应用领域，如内燃机、机电一体化、空调制冷、机器人技术、制造工艺、制造系统、生物力学和材料行为。

“这是一个非常广泛的群体，在这个机械科学和工程的生态系统中，制造业在制造过程方面和制造系统方面都扮演着相当重要的角色，”费雷拉继续说道。 “我们利用部门内的理论专业知识，例如固体力学、动力学和控制方面的凝固过程。我们将这些东西融入到建模或制造过程、机床设计和制造过程控制中。我们甚至进入云制造领域。我们从计算科学方面着手，进入制造过程的模拟。”

Ferreira 补充说，这种广泛的方法利用了该部门的专业知识，包括各种制造学科，例如用于过程建模和仿真的计算流体动力学。 “例如，[这有助于我们]了解加工过程时的材料行为，以及我们在制造系统云上这些领域的发展方向；我们称之为网络系统。”

云和网络物理制造进步

凭借 UIUC 的计算机研究和模拟资源历史，该系可以利用位于大学校园和美国其他地方的超级计算机能力。该大学拥有国家超级计算应用中心 (NCSA)，该中心创建了第一个图形 Web 浏览器 Mosaic。

“当您来到伊利诺伊州时，您会意识到，凭借其历史，研究人员首次对机械加工中的热方面进行了分析，对制造业做出了很长的贡献，”卡普尔说，并指出此类实验在切削工具和刀具上的重要性加工过程的热科学。 Kapoor，Journal of Manufacturing Processes 的主编 、Ferreira 和西北大学（伊利诺伊州埃文斯顿）的其他教授与 UI 实验室的数字制造和设计创新研究所（DMDII；芝加哥）正在进行三个项目。

“在一个项目中，我们正在开发所谓的网络物理制造操作系统，”费雷拉说。 “在另一个项目中，我们正在与 Caterpillar 和 Missouri Science and Technology 合作，以减少加工过程的可变性。然后在第三个项目中，我们正在开发一个用于在压铸过程中量化和减少不确定性的框架。”

就网络物理操作系统项目而言，Ferreira 表示该小组只进行了大约一年的研究，但其领导者已经开始要求其他人引入他们的机器工具来使用该操作系统。

与行业合作在推进研究和将新技术推向市场方面获得了巨大的回报。 “我们正在与卡特彼勒等工业合作伙伴在很多层面上进行合作，”费雷拉说，并引用了 UIUC 早期研究人员的主要贡献，如 B.T. Chao、Kenneth Trigger、Klaus J. Weinmann、Subbiah Ramalingam，以及最近的 Shiv Kapoor。 “他们创造了在工业中广泛使用的东西，工业可以实际应用和使用的加工过程的有形模型，并试图弄清楚加工过程中预期的力以及不同的错误如何通过工艺力学暴露于表面光洁度。 ”

大部分大学研究都是从解决汽车供应商和原始设备制造商遇到的问题开始的。 “我们开始与福特、通用汽车及其供应商合作，”他说。 “我们还有 Caterpillar、John Deere，然后是机床制造商，他们很早就与 Ingersoll、铣床公司、DMG Mori 等公司合作。”

大约 12 年来，UIUC 部门还经营着一个专注于加工和机床系统的中心。 Ferreira 于 2003 年至 2010 年担任纳米化学-机电-机械制造系统-NSF 纳米科学与工程中心 (Nano-CEMMS) 主任，目前是 UIUC 微纳米技术实验室的附属机构。

“我们从那里过渡到了微米和纳米制造时代，伊利诺伊州一直处于领先地位，”费雷拉说。 “我们有一个相当大的中心，专门定义纳米级的所有制造，我们采用了很多工艺，包括微加工、微成型和微 EDM。”

—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。

机器人铣削中的颤振避免

乔治亚理工学院（亚特兰大）George W. Woodruff 机械工程学院的 Lejun Cen 和 Shreyes N. Melkote 在他们的文章“机器人铣削中基于 CCT 的模式耦合颤振避免”中研究了机器人产生的颤振问题铣削。他们的论文发表在 Journal of Manufacturing Processes 第 29 卷 ，可在 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035 获得。

目前，使用大型多轴数控加工中心加工大型航空航天结构。相比之下，使用多自由度 (DOF) 关节机械臂进行铣削具有多个优势，因为它成本较低且用途广泛。然而，关节臂机器人刚度低，在加工过程中会引起严重的低频模式耦合颤振。

先前的研究表明，可以通过最小化平均合成切削力方向与机器人最大主刚度方向之间的角度来抑制这种颤振。这种方法限制了允许的机器人运动范围，因此限制了其使用的灵活性。本文提出了一种使用保守同余变换 (CCT) 刚度模型来避免机器人铣削中模式耦合颤振的新方法，该方法不需要改变刀具进给方向或工件方向。机器人铣削实验表明，采用这种方法可以显着减少模态耦合颤振。

大型飞机零件的铣削通常使用大型且昂贵的 CNC 加工中心进行，这些加工中心非常刚性和精确。这些机床通常在工厂车间占据很大的工作空间。相比之下，基于多轴关节臂的机器人铣削系统为大型飞机零件的加工提供了高度的灵活性。先前的工作表明，与工业 CNC 加工中心相比，机器人铣削系统可以将生产工作空间要求降低 40%，同时提供更大的灵活性。机器人铣削也更适用于危险环境。然而，关节臂机器人的实际应用往往局限于材料搬运、装配、焊接和去毛刺等低力应用。

使用雾化切削液完成车削 Ti-6AL-4V

新型雾化切削液喷雾系统具有改善钛粗车削的潜力，作者 Chandra Nath 和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 (UIUC; Urbana, IL) 机械科学与工程系的 Shiv G. Kapoor 和德克萨斯州里奥格兰德河谷大学 (德克萨斯州爱丁堡) 的 Anil K. Srivastava。这篇文章发表在 Journal of Manufacturing Processes 第 28 卷 ，可在 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020 获得。

产品质量和生产力是制造业的重要因素，尤其是在处理钛等笨重材料时。相关金属加工液应用系统提供的冷却和润滑效果在确定这些因素方面起着至关重要的作用，尤其是在精加工过程中。最近，ACF 喷雾系统在钛的宏观粗车削过程中显示出良好的冷却和润滑效果，但在精切削过程中仍有待检验（例如，切削深度和进给率 0.2 毫米或更低）。

本文旨在研究ACF喷涂系统对Ti-6Al-4V精车加工性能的影响。在第一组实验中，改变两个喷雾参数（即气体速度和流速）和切削参数（即切削速度、进给速率和切削深度）以选择最适合应用的条件。 ACF 喷涂系统。加工输出根据刀尖磨损、切削温度、表面粗糙度、圆度误差、切屑形态和零件硬度进行评估。然后进行一组单独的实验，以比较 ACF 喷雾系统与压缩空气（干燥）和溢流冷却剂条件的性能。研究发现，即使在 1.5 mL/min（10% 体积）的较低流体流速和较低的气体速度下，喷雾系统的性能也优于其他两种冷却剂条件，从而进一步提高了环保制造工艺的性能.

模拟稀土磁铁的恢复

普渡大学（印第安纳州西拉斐特）工业工程的 Hongyue Jin 和 Yuehwern Yih 以及环境与Purdue 的生态工程，使用建模模拟讨论涉及库存策略的因素。

稀土永磁体 (REPM) 在各种应用中发挥着至关重要的作用，例如可再生能源生产以及航空航天和国防相关产品。 REPM 中使用了钕和镝等稀土元素 (REE)，这些稀土元素的供应经历了波动。为了降低这种风险，可以从计算机硬盘驱动器 (HDD) 等报废 (EOL) 产品中回收 REE。

本文制定了一种运营和库存管理策略，以探索在不确定的市场供应和不同价值下的盈利能力，其需求也面临着重大的不确定性。该论文发表在 2018 年 1 月号，Vol。 46，制造系统杂志 ，并在 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437 上可用。

TechFront 由高级编辑 Patrick Waurzyniak 编辑。