伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校工程学院引领制造创新解决方案

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC；伊利诺伊州厄巴纳）在机械与应用工程科学领域拥有悠久卓越历史和传统，即将迎来其机械科学与工程学院（MechSE）大楼长期规划的数百万美元扩建启用。

UIUC孕育了众多杰出校友，他们作为企业家创立了Netscape、AMD、PayPal、Oracle、Lotus Software、YouTube、Tesla Motors等知名企业。

作为改造一部分，UIUC的Transform MEB（机械工程大楼）项目包含校友Sidney Lu（1981年机械工程学士）1200万美元捐赠，他是计算机和智能手机制造商富士康互连（台湾）董事长兼CEO，代工苹果iPad和iPhone。

东翼扩建将命名为Lu学习与创新中心。项目包括MEB东侧五层扩建、北侧单层扩建，以及66,000平方英尺（20,117平方米）现有空间重新构想、重新设计、优化，用于教育、创新和社区。

除扩建外，2017年10月UIUC MechSE宣布获国家科学基金会材料研究科学与工程中心（MRSEC）资助，为期六年、1560万美元，聚焦新型纳米材料。此前NSF授予UIUC 1850万美元建立新工程研究中心，由MechSE教授Andrew Alleyne领导。该中心名为电热系统功率优化（POETS），聚焦移动电子和车辆设计作为单一系统的热和电挑战。

Alleyne，MechSE Ralph & Catherine Fisher教授表示：“我们要将车辆总功率密度提高10到100倍。这将转化为数十亿升燃料节省，电动汽车续航近乎翻倍。当前电气技术已达热极限。系统方法是突破现有技术状态的唯一途径。”

在与《制造工程》的最近讨论中，UIUC的Placid Matthew Ferreira（Tungchao Julia Lu教授、前MechSE系主任）和Shiv Gopal Kapoor（Grayce Wicall Gauthier讲席教授、机械科学与工程教授）描述了该系研究的广泛范围。

Ferreira说：“我们叫MechSE，即机械科学与工程，因为机械工程系和理论与应用力学系很久以前合并了。系所跨度涵盖机械科学和机械工程，从基础理论——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——到应用领域，如内燃机、机电一体化、空调制冷、机器人、制造工艺、制造系统、生物力学、材料行为。”

Ferreira继续说：“这是一个非常广泛的群体，在这个机械科学与工程生态系统中，制造扮演重要角色，既包括制造工艺方面，也包括制造系统方面。我们利用系内理论专长，如固体力学、凝固工艺的动力学与控制。将这些带入制造工艺建模、机床设计、制造工艺控制。甚至延伸到云制造。利用计算科学方面进行制造工艺仿真。”

这种广泛方法利用系内专长，涵盖各制造学科，如用于工艺建模仿真的计算流体动力学。Ferreira补充道：“这帮助我们理解加工过程中的材料行为，以及我们在制造系统云（称作网络物理系统）上的发展方向。”

云与网络物理制造进展

凭借UIUC的计算机研究和仿真资源历史，该系可利用校内及全美其他地点的超算算力。大学主办国家超级计算应用中心（NCSA），创造了首个图形化网页浏览器Mosaic。

Kapoor说：“来到伊利诺伊，你会意识到凭借其历史，研究者对制造有长期贡献，他们做了加工热学方面的首批分析。”他指出此类实验对刀具和加工热科学的重要性。Kapoor担任《制造工艺期刊》主编，Ferreira及西北大学（伊利诺伊州埃文斯顿）其他教授与数字制造与设计创新研究所（DMDII；芝加哥）在UI Labs有三个进行中项目。

Ferreira说：“一个项目开发所谓的网络物理制造操作系统。另一个与卡特彼勒和密苏里科技大学合作减少加工工艺变异性。第三个开发压铸工艺不确定性量化和减少框架。”

对于网络物理操作系统项目，Ferreira称研究约一年，负责人已开始邀请其他方带入机床配合操作系统工作。

产学合作极大推进研究并将新技术推向市场。“我们在许多层面与卡特彼勒等工业伙伴合作，”Ferreira说，引用UIUC早期研究者B.T. Chao、Kenneth Trigger、Klaus J. Weinmann、Subbiah Ramalingam及近期Shiv Kapoor的重大贡献。“他们创造了工业广泛使用的切实加工工艺模型，工业可实际应用、尝试，通过工艺力学弄清加工中预期力、不同误差如何通过工艺力学暴露到表面光洁度。”

大学研究多始于解决汽车供应商和OEM遇到的问题。“我们从福特、通用及其供应商开始工作，”他说。“也有卡特彼勒、约翰迪尔，及机床制造商，很早与英格索尔（铣床公司）、DMG Mori等合作。”

约12年，UIUC系还运营专注加工和机床系统的中心。Ferreira于2003-2010担任纳米化学-电-机制造系统-NSF纳米科学工程中心（Nano-CEMMS）主任，现为UIUC微纳技术实验室成员。

Ferreira说：“我们从那里过渡到微纳制造时代，伊利诺伊是领导者。我们有相当大中心专门定义纳米尺度所有制造，将许多工艺推向微加工、微成型、微EDM。”

——资深编辑Patrick Waurzyniak

SME期刊与制造快报技术论文

这些摘要、摘录和网页链接来自近期发表在SME《制造系统期刊》、《制造工艺期刊》和《制造快报》的论文，由Elsevier Ltd.（www.elsevier.com）印刷，经许可使用。

机器人铣削颤振抑制

George W. Woodruff机械工程学院、佐治亚理工学院（亚特兰大）的Lejun Cen和Shreyes N. Melkote在文章“基于CCT的模态耦合颤振抑制在机器人铣削中”探讨机器人铣削产生的颤振问题。论文发表于《制造工艺期刊》第29卷，链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035。

目前大型航空航天结构用大型多轴CNC加工中心加工。相比之下，多自由度（DOF）关节机械臂铣削因成本低、通用性强有诸多优势。但关节臂机器人低刚度导致加工中严重低频模态耦合颤振。

先前研究显示，通过最小化平均合力切削力方向与机器人最大主刚度方向夹角可抑制此类颤振。但这限制机器人允许运动范围，降低使用灵活性。本文提出基于保守合同变换（CCT）刚度模型的机器人铣削模态耦合颤振新抑制法，无需改变刀具进给方向或工件方向。机器人铣削实验显示，该法显著减少模态耦合颤振。

大型飞机零件铣削常用大型昂贵CNC加工中心，刚性高、精度高，但占用大量车间空间。相比之下，多关节机械臂机器人铣削系统为大型飞机零件加工提供高灵活性。先前工作显示，相比工业CNC加工中心，机器人铣削系统可减少40%生产空间需求，同时提供更大灵活性。机器人铣削也更适合危险环境。但关节臂机器人实际应用常限于物料搬运、装配、焊接、去毛刺等低力应用。

雾化切削液喷雾系统精车Ti-6Al-4V

新型雾化切削液喷雾系统有潜力改善钛合金粗车，论文“雾化切削液（ACF）喷雾系统精车Ti-6Al-4V”由UIUC机械科学与工程系Chandra Nath和Shiv G. Kapoor，及德克萨斯州立大学Rio Grande Valley分校（埃丁堡）Anil K. Srivastava撰写。发表于《制造工艺期刊》第28卷，链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020。

产品质量和生产率是制造业关键因素，尤其钛等难加工材料。相关金属加工液应用系统提供的冷却润滑效果在精加工中对这些因素起关键作用。近期ACF喷雾系统在宏观尺度钛合金粗车中显示出有前景的冷却润滑效果，但精加工（如切深和进给0.2mm或更低）尚未研究。

本文旨在研究ACF喷雾系统对Ti-6Al-4V精车加工性能的影响。第一组实验改变两个喷雾参数（气体速度和流量）和切削参数（切削速度、进给率、切深）以选出最适合ACF喷雾系统的条件。加工输出按刀尖磨损、切削温度、表面粗糙度、圆度误差、切屑形态、零件硬度评估。第二组实验对比ACF喷雾系统与压缩空气（干式）和大流量冷却液条件。结果发现，即使在较低流体流量1.5 mL/min（10%体积）和较低气体速度下，喷雾系统仍优于其他两种冷却条件，进一步提升环保制造工艺性能。

稀土永磁体回收建模

普渡大学（印第安纳州西拉法叶）工业工程Hongyue Jin和Yuehwern Yih，及环境生态工程John W. Sutherland在论文“供需不确定性下稀土永磁体回收运营与库存建模”讨论基于建模仿真的库存策略因素。

稀土永磁体（REPMs）在可再生能源生产、航空航天国防产品等应用中至关重要。钕、镝等稀土元素（REEs）用于REPMs，这些REEs供应经历波动。为降低风险，可从报废（EOL）产品如计算机硬盘驱动器（HDDs）回收REEs。

本文开发运营和库存管理策略，探索不确定市场供应和变动价值下的盈利能力，需求也面临重大不确定性。论文见《制造系统期刊》2018年1月第46卷，链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437。

TechFront由资深编辑Patrick Waurzyniak编辑。