关键词： 微细电火花加工   磁场辅助   微小孔   异形电极   表面质量  

摘要： 微细电火花加工主要靠极间放电产生的瞬时高温来蚀除工件材料,对于一些难切削材料诸如钛合金、复合材料等表现出良好的加工能力,在微小孔加工方面发挥着极大的作用,但是,传统微细电火花存在加工效率低、加工质量差等问题,限制了其在相关领域的应用。为了改善微细电火花加工中存在的问题,提高微细电火花的加工性能,本文将磁场与微细电火花加工方法相结合,并进行磁场辅助微细电火花微小孔加工试验,分析外加磁场对微小孔加工效率、加工质量等影响规律,其主要研究内容如下:首先,分析磁场辅助微细电火花加工原理,基于磁场对放电通道的作用,分析放电通道中带电粒子的受力形式,推导出带电粒子的运动轨迹方程,得出磁场对带电粒子运动状态的影响规律,同时分析磁场对电流密度、放电通道震荡和介电溶液的影响,为磁场辅助微细电火花加工试验奠定理论基础。其次,进行磁场辅助微细电火花微小孔加工试验,首先对磁场辅助微细电火花加工装置进行搭建,利用三相电磁线圈的磁场发生原理来设计磁场辅助装置,对线圈夹具、工件夹具等零部件进行设计与选用,完成磁场辅助装置的搭建,然后以峰值电压、峰值电流、脉冲宽度为试验参数进行微小孔加工,对比施加磁场前后的试验结果,分析外加磁场对微小孔加工的材料去除率、电极磨损率、表面粗糙度和表面形貌的影响,试验结果发现:与常规微细电火花加工相比,磁场辅助微细电火花加工增大了材料去除率和电极磨损率,减小了微小孔表面粗糙度,提高了微小孔表面质量。最后,进行磁场异形电极复合微细电火花微小孔加工试验,将磁场分别与管电极、沟槽电极和螺旋电极复合,分析三种异形电极对电蚀碎屑和加工过程的影响,然后以电极转速为试验参数进行微小孔加工,研究磁场异形电极复合加工方法对微细电火花加工性能和加工质量的影响,试验结果发现:在磁场和异形电极的共同作用下,微小孔加工的材料去除率和电极磨损率进一步增大,微小孔表面粗糙度进一步减小,表面质量进一步提高。

关键词： 超疏水锥柱阵列   激光加工   金属基底   液-固接触时间  

摘要： 近二十年来,受自然界启发的超疏水表面因其在自清洁、定向运输、雾气收集、耐腐蚀、流体减阻、液体无泵运输、抗结冰等领域展现出良好的应用前景,故获得了研究学者们的广泛关注。其中由于超疏水锥柱阵列具有增强表面疏液效果、提高油水分离效率、降低液-固接触时间和控制液滴弹跳形态等特点,因而受到广泛关注。虽然已有多种方法可加工超疏水锥柱阵列,但低效率、高成本以及难以在多种金属材料上大面积加工的缺点限制了这些方法的实际应用。鉴于此,本文提出了一种高效率、低成本并可在多种金属基底上大面积加工超疏水锥柱阵列的纳秒加工方法。首先,利用纳秒脉冲激光单次加工金属基底表面以预构建超疏水微柱阵列顶部的微/纳米结构;其次,纳秒激光按照设定的扫描轨迹多次扫描直接加工出亚毫米级锥柱阵列;最后,再经低表面能材料修饰后即得到超疏水锥柱阵列。研究了在不同激光加工参数条件下,铝、钛合金、铜、不锈钢等金属基底上加工出的锥柱阵列的尺寸形貌的变化规律,同时探究了超疏水锥柱阵列的尺寸参数对液-固接触特性的影响规律,并进一步研究了超疏水微柱阵列的抗物理摩擦及抗化学侵蚀性能。主要工作如下:系统的激光加工试验结果发现金属阵列的高度H随着激光功率P、扫描次数T的增加及扫描速度V的降低而逐渐增加,侧壁锥度则没有明显变化。经过氟硅烷（FAS）进行低表面能修饰后,不同金属基底的锥柱阵列均获得接触角为164°左右、滚动角为5°左右的超疏水性。运用高速相机探究金属锥柱阵列的液-固接触特性,研究了超疏水锥柱阵列的尺寸参数对水滴的液-固接触时间tcontact的影响规律。结果表明在韦伯数We=16.7时,水滴的最短液-固接触时间tcontact可达3.3 ms,没有明显的收缩现象就实现了完全弹起,阵列间隙S=200μm～400μm、阵列高度H>400μm、顶端直径D<800μm的尺寸参数下都具有良好的液-固接触特性。此外,试验发现加工出的斜锥阵列可以实现液滴水平方向的弹跳,其中30°～45°的斜锥阵列效果最好,15μL水滴在韦伯数We=16.7时水平移动距离可以达到1.7 mm左右。此外,通过耐腐蚀试验、抗结冰试验、摩擦试验,验证了该加工方法得到的金属阵列具有优良的物理强度、抗化学侵蚀性能和抗结冰性能,因此有望在恶劣环境中也得到实际运用。

关键词： 复合织构   激光加工   富油润滑   乏油润滑  

摘要： 圆凹坑表面织构在摩擦领域应用广泛,如何进一步提升其减摩耐磨性能,是目前摩擦学领域面临的难题。球凸织构具有优异的动压效应,若利用球凸在圆凹坑内产生二次动压,则可进一步提升圆凹坑表面织构的摩擦学性能。因此,本文创新提出一种圆凹坑-球凸复合的表面织构,构建流体动压润滑模型,研究激光铣削加工工艺,开展富油和乏油润滑下的摩擦学性能测试和机理分析,具体如下:对复合织构的几何尺寸和分布进行设计,为与圆凹坑织构对比,定义球凸高度、底部直径、位置和凹坑深度为关键研究变量。在此基础上,基于Reynolds方程建立复合织构的流体动压润滑模型,采用有限差分法和超松弛迭代法求解模型,编写数值求解程序并优化求解参数。采用激光铣削方法加工复合织构,针对纳秒激光烧蚀时材料去除不均匀导致最终形貌不可预测的问题,分析了激光不同扫描路径、单脉冲能量、光斑间距和加工次数对织构深度和底部形貌影响机理,获得了实现材料均匀去除的工艺参数。该参数适用于不同球凸参数的复合织构加工,获得的实际轮廓与设计基本一致。在富油润滑下,从理论方面着重研究了球凸对圆凹坑动压效应的影响规律,并通过销-盘试验验证。理论结果表明,球凸可以增强圆凹坑的入口吸入效应和产生二次动压,从而产生更大的承载力;在最佳凹坑深度下,增大球凸高度、底部直径或将球凸向发散区移动可以进一步提高承载力,但是球凸高度过大会导致承载力下降。试验结果表明,球凸形状影响规律与理论一致,但是球凸靠近发散区会导致承载力小于圆凹坑,与理论存在差异,原因可能与忽略惯性效应有关。在最优织构参数下,复合织构的平均摩擦系数较圆凹坑织构减小29.1%。在乏油润滑下,试验研究润滑膜厚度较小且存在固体接触导致发生磨损时球凸的影响,结果发现,在最优凹坑深度下,球凸高度、底部直径和位置对乏油润滑性能的影响规律与富油润滑下基本一致,动压效应仍占主导,其减摩效果提升最高可达41%;球凸高度过低或远离收敛区都会导致摩擦磨损加剧,原因可能是金属磨粒易被润滑流体带回接触界面。在油和脂润滑下,复合织构的摩擦系数开始上升对应的转速最高,原因是对油脂的粘附性能更好,减摩效果更好。

关键词： 微沟槽织构   激光加工   PCBN刀具   TC4钛合金   切削性能  

摘要： 现阶段随着工业生产要求的不断提高,对于材料本身性能要求也越来越严格,钛合金以其较大的比强度、较高的耐腐蚀性、较小的导热系数等优越的性能,广泛的在航天工程、化学医药等领域中得到应用。正因为这些特性使钛合金的加工比较困难,所以现阶段钛合金的加工是个重要研究方向。表面微织构技术的诞生为提高钛合金加工性能提供了一种可行性,众多的研究得出刀具表面微织构的置入能够减小刀-屑之间的接触面积,缓解它们之间的摩擦状况,降低表刀具面磨损,使它的切削性能得到提升。本文进行了微沟槽PCBN刀具切削TC4钛合金的试验,研究微沟槽的尺寸参数对刀具切削能的影响:（1）通过对微沟槽的宽度、间距、与切削刃边缘距离、深度这几个参数的选择进行刀具表面微沟槽设计。试验过程中采用激光打标机来制备刀具表面微沟槽,对加工过程中激光各个参数进行研究,选取合适参数加工出符合切削试验要求的微沟槽刀具。（2）进行微沟槽PCBN刀具切削TC4钛合金有限元仿真试验,在仿真过程中对刀具的切削力和切削温度进行处理分析,研究微沟槽的参数对刀具切削性能的影响。通过将微沟槽刀具试验结果与无织构刀具进行对比,得出合适的刀具表面微沟槽能够降低刀具的切削力和切削温度。（3）进行普通无织构PCBN刀具干切TC4钛合金试验,得出刀具的切削用量三要素中对刀具切削力影响最小的是切削速度,最大的是切削深度,并且它的影响程度远大于其余两个要素。对已加工TC4钛合金表面质量影响最小的是切削深度,最大的是进给量。合理的微沟槽参数能够减小切削力提高刀具切削性能,对切削力影响从大到小依次为微沟槽间距、微沟槽深度、微沟槽宽度、微沟槽与切削刃边距;微沟槽的刃边距对表面粗糙度影响最大,较为适中的刃边距既能减小对刀具强度影响,又能改善刀屑接触面积减小摩擦,从而降低工件表面粗糙度。本文主要研究PCBN刀具前刀面微沟槽织构的置入在加工TC4钛合金时对刀具切削性能的影响,通过有限元仿真和切削加工试验表明,合理的刀具表面微沟槽织构能够减小刀具和切屑的接触面积,缓解它们之间的摩擦状况,降低刀具的磨损,提高它的切削性能。本文的完成为研究微织构参数对切削性能影响提供了试验依据。

关键词： 表层图案   激光加工   预测模型   工艺规划  

摘要： 精密表层图案是实现远程通讯、电路集成和信号采集等重要功能的基础结构。随着相关零件趋向面形复杂、刚度弱化、布线紧凑和材料广泛等特点,具有非接触、灵活性强、材料适用广等优点的激光加工成为表层图案主流加工方法。然而面对日益严苛的高精高效要求,亟需解决高斯能量分布引发斜坡状刻蚀边缘、跨尺度图案限制下面域蚀除效率低、单一扫描策略难以兼顾轮廓质量与进给速度等问题。鉴于此,本文开展了覆层图案激光加工边缘锥角抑制与面域高效去除研究,内容如下:首先,利用ANSYS及其APDL语言与生死单元技术,研究了激光热源准确加载方法并模拟了金属的移动脉冲激光烧蚀截面。仿真表明激光垂直刻蚀截面轮廓与激光能量分布高度相似,而倾斜刻蚀截面为明显非对称轮廓。鉴于有限元法求解耗时且灵活性差,发展了激光烧蚀截面轮廓解析计算模型并分析了典型刻蚀截面形状及成因,实验验证计算模型对微槽深宽度预测误差分别为3.3%和11.2%,而槽宽对扫描速度敏感性较差。其次,针对斜坡状刻蚀边缘问题,提出了“刻蚀+侧壁修整”激光铣削侧壁锥角抑制工艺。将激光烧蚀截面计算模型发展至倾斜入射工况,入射角＜40°时微槽深宽度及侧壁锥角预测误差分别为3.8%、3.8%和6.7%。基于垂直侧壁目标和蚀深控制前提,建立了侧壁修整的光束-工件相对位姿、能量密度和扫描速度参数有序规划方法。加工的两类微槽在深宽度基本不变的同时侧壁锥角由34°和49°降至2°和3°,抑制度＞90%。然后,为利用激光特性提升加工效率,提出了蚀深约束下“离焦+能量补偿”激光参数调控方法。建立了激光离焦烧蚀截面计算模型与溅射物轮廓参数化表征方法。综合考虑离焦和溅射物因素建立蚀深约束下的能量密度补偿方法。加工的微槽在保证深度同时宽度增大64.5%,且修正的烧蚀截面计算模型保留原有精度的同时对溅射物高度平均预测误差为8.6%,另外经过能量补偿后面域加工由几乎无深度变为深度符合要求。最后,鉴于单一扫描策略局限性,提出外区环扫+内区行扫的激光双扫描策略加工方法,考虑机床驱动能力建立了以图案轮廓等距偏置线为界的分区准则,并研究了面域激光加工行距估算方法。对于图案轮廓曲线为非一阶连续情况,开发了曲线去自交及曲线对去相交方法。实验表明加工图案轮廓平滑且中心区过烧由23μm降至1μm,结合离焦+能量补偿激光参数调控方法,加工时间较单一环扫策略减少28.6%。研究内容集成为表层图案激光精密加工软件,制备了多种薄壁曲面件内外壁表层图案。研究结果为制造基于表层功能图案的高新产品和激光加工技术创新提供借鉴。

关键词： 激光加工   微电路   赝电容   布线   平面超级电容器  

摘要： 随着集成电路的快速发展,人们对电子产品的需求持续增长,使得制备微电路成为研究者们竞相追逐的热点。玻璃材料因其具有高透射率、耐腐蚀性、高稳定性、高硬度以及较强的绝缘性等优异的物理和化学特性成为诸多研究领域的关键材料之一。针对当前的玻璃基板表面微电路制备工艺技术存在加工精度低、生产成本高、加工工艺复杂以及需要额外添加电极材料等缺点,本文对激光诱导反向沉积工艺机理进行研究,利用该工艺在玻璃基板表面制备平面微电路,其加工过程简单、成本低廉、适用于大规模生产。主要研究了两种平面微电路的制备,详细内容如下:首先,从分析激光与材料相互作用入手,归纳总结了当前激光诱导材料沉积工艺技术的研究现状,在现有工艺基础上进行改进与创新,集激光加工和集成电路制造为一体,提出了一种基于激光诱导反向沉积技术制备微电路的设计方法。然后,采用激光诱导反向沉积技术和连续电镀工艺在玻璃基板表面布线,探究了激光加工参数对电镀前后玻璃基板表面微通道的微观形貌和表面质量的影响,利用循环超声清洗法和扯带法对电镀后样品表面的粘附性能进行测试分析,玻璃基板表面制备的铜线的最低电阻率可达22.97 uΩ·cm。最后,通过激光诱导反向沉积工艺在ITO导电玻璃表面一步选择性沉积赝电容。观察激光加工后样品表面的微观形貌,分析样品表面叉指电极的结构特征并测试样品的电化学性能。实验结果表明制备的玻璃基平面超级电容器表现出赝电容的特性,平面电容器的最大面积电容值为238.57μFcm。激光诱导反向沉积技术在玻璃基板表面制备微电路和平面电容器的成功应用将对电化学储能领域中赝电容和平面微电路的商业化发展具有重要意义。

关键词： 微铣削   微细电火花铣削   组合加工   电火花加工   Ti-6Al-4V钛合金  

摘要： 随着科学技术的进步，发展具有多功能、低功耗、高精度、高可靠性的微型智能化器件成为了科技发展的新趋势。在空间技术、生物医疗等领域，钛合金因其优异的物理性质和生物相容性成为应用十分广泛的金属材料。高效地在钛合金材料上加工具有一定精度和表面质量的微小结构成为发展的关键。因此，为了拓展钛合金材料在微细加工领域的加工工艺，本文开展的针对钛合金材料的微细电火花铣削和微铣削组合加工工艺的研究。　　本文根据Ti-6Al-4V材料的物理特性，利用Ti-6Al-4V材料的JC本构模型描述材料在加工过程中的变形和失效行为;并利用有限元仿真软件建立了Ti-6Al-4V材料的三维铣削模型;利用降温法来模拟实际加工时电火花加工后表面形成的残余应力。通过对比实验，对比了不同切削深度条件下，电火花加工后的表面对微铣削过程的影响。实验发现，电火花加工产生的残余应力层会增大铣刀受到的切削力并抑制入口毛刺的形成。将仿真实验的结果与理论公式的计算结果和实际加工的毛刺平均高度进行对比，微铣削力和毛刺平均高度的仿真结果最大相对误差分别为6.14%和8.56%。　　为了探究电火花铣削加工的工艺规律，本文设计了考虑加工极性、峰值电流、充电电容、脉宽等因素的微细电火花铣削单因素实验。实验结果表明在负极性、长脉宽、大电流条件下能够获得较高的加工效率和较低的电极损耗;在采用低电容条件下，能够获得比较均匀的重铸层和较好的加工表面精度。电极损耗能够控制在3.59%，材料去除率能达到17.09×10-3mm3/min。　　在利用微细电火花铣削加工策略是实现低电极损耗、高去除率的基础上，利用微铣削的加工手段，提高工件表面的加工质量。设计了微铣削加工电火花加工表面的工艺实验，确定较高的主轴转速、合适的进给速度以及适当的切削深度是获得较好的加工表面质量的关键。当加工余量为30μm时，微铣削能够完全去除电火花加工形成的重铸层。为了验证组合加工在生产中的可行性，设计了T型槽的组合加工实验。微细电火花铣削加工后T型槽尺寸的相对误差为6.59%，表面粗糙度值Ra为1.36μm，经微铣削精加工后尺寸相对误差降至1.24%，表面粗糙度值Ra为0.37μm。在同一机床的同一工位上实现了T型槽的高效率、高精度的组合加工过程。

关键词： 激光加工技术   机械制造行业   产品生产  

摘要： 从当前激光加工应用的现状来看,主要分为两种形式:光化学反应加工与激光热加工。前一种加工形式主要采用高密度高能光子发生化学反应,以完成加工过程。后一种借助激光束热效应实现操作。近年来,激光加工技术的水平不断提升,当下,这项技术俨然已成为激光领域的一项主要技术,在机械制造领域中得到广泛应用,在产品生产加工中发挥重要作用。基于此,本文着重就机械制造领域中激光加工技术的应用进行分析和研究,旨在为相关人士提供参考。

关键词： 激光选区熔化(SLM)   AlSi10Mg合金   SiC/AlSi10Mg复合材料   显微组织   热处理   疲劳性能  

摘要： 激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)在成形复杂结构件上有自由实体成形的优势,如今轻量化的提倡,使得铝合金结构件在SLM制造中有重大的应用前景,对于航天和汽车领域中承重的结构件来说,需要对其力学性能提出更高的要求。因此本文利用SLM成形的方法分别制备了AlSi10Mg合金和Si C/AlSi10Mg复合材料,分别其显微组织、物相分布、显微硬度、拉伸性能和疲劳性能进行了分析。研究表明,在最佳工艺参数下AlSi10Mg合金试样层间结合紧密,致密度可达98.2%,其显微组织由共晶Si相和过饱和α-Al固溶体组成。热处理(固溶510°/3h+65°水淬+人工时效180°/1h)后显微组织均匀化,Si相的形貌将由网状变为不规则块状和颗粒状,且强硬度降低,塑性提高。此外,不同取向AlSi10Mg合金试样的拉伸性能和疲劳性能表现出各向异性,水平取向试样拉伸性能和疲劳性能均优于垂直取向试样。热处理前试样的拉伸和疲劳断裂形式均为脆性断裂,而热处理后拉伸试样呈韧性断裂,疲劳试样为准解理断裂和韧性断裂的混合型断裂。为了进一步提高SLM成形AlSi10Mg合金的力学性能,添加了10wt%Si C成形Si C/AlSi10Mg复合材料。通过改变激光功率和扫描速度,探究SLM成形Si C/AlSi10Mg复合材料致密度的变化规律,对参数进行优化。研究表明:Si C/AlSi10Mg复合材料的致密化程度是随着激光体能量密度的增加而增加,当体能量密度为151.79J/mm时,致密度可达99.7%,为最佳参数,由于增强相Si C会与基体发生原位反应形成新的增强相AlSi C,因此显微组织主要由呈蜂窝状的织构α-Al,块状Si C相以及颗粒状AlSi C相组成。在高体能量密度下,Si C/AlSi10Mg复合材料产生的原位反应剧烈,导致形成的颗粒状AlSi C增强相的量增多,因增强相引起的混合型强化机制,使其在该条件下复合材料的强度和硬度达到最大值。与AlSi10Mg试样相比复合材料的强度、硬度和疲劳性能都得到明显提高,其中平均疲劳循环次数提高了近50%～64%左右,表明增强相Si C的加入可显著提高复合材料的抗疲劳性能,其中,复合材料的拉伸和疲劳断裂方式均为脆性断裂。最终对SLM不同成形条件下试样的疲劳断口形貌进行观察,发现裂纹源主要来自于表面的气孔和未熔合缺陷,且疲劳源缺陷尺寸的大小与材料的疲劳性能有关,当缺陷尺寸越小,越有利于材料的抗疲劳性能。疲劳扩展区可观察到河流花样、“鱼骨状”花样以及疲劳条带等形貌特征,不同的是,在复合材料的扩展区中出现类似于显微组织中的分层面,当裂纹到达重熔层时,形成的新增强相AlSi C会对裂纹的扩展起到阻碍作用,降低其扩展速率。瞬断区主要呈解理舌状花样。

关键词： 激光加工   光学玻璃   组合脉冲激光   表面损伤   声发射  

摘要： 在高能激光系统中,光学玻璃的抗激光损伤性能限制了整个设备的寿命,甚至制约了整个系统的发展。目前光学材料激光损伤研究中多使用短脉冲激光,本文从实验和数值模拟两方面研究了组合脉冲激光致K9玻璃损伤机理和特性,并对损伤过程中的声发射特性进行了分析。建立了组合脉冲激光（CPL,由相隔一定时间的毫秒激光和纳秒激光构成）实验平台,研究了激光能量密度、延迟时间对K9玻璃前、后表面损伤特性和声发射信号的影响。结果表明,前表面以熔融损伤为主,损伤形貌可分为烧蚀斑损伤、熔融损伤和锥形损伤三种;后表面主要为应力损伤,损伤形貌可分为百微米量级的小尺寸损伤和厘米量级的大尺寸损伤。前表面激光损伤过程中伴随有强烈的声发射,其频谱主要分布在0～10 k Hz频率范围。前后表面均存在最佳延时区域,对应的损伤概率和损伤尺寸最大,且在延时相同时,不同的激光能量密度作用的声信号衰减持续时间相近,说明激光作用过程相同。随能量密度增加,前表面损伤概率增大;后表面在较大能量密度下更容易产生大损伤。同时,前后表面损伤尺寸都随能量密度的增加而增大。与单束毫秒激光比较,组合脉冲激光明显提高了材料的损伤概率。此外,通过波形振荡衰减持续时间和声信号出现突变的时间,可分别判断激光与材料相互作用程度以及损伤产生时间。建立了二维轴对称热力学模型,数值计算了激光辐照结束后锥形坑周围材料的温度场和应力场。计算结果显示,环向应力和径向应力是导致K9玻璃产生应力损伤的主要原因,表面熔融堆积处的应力损伤主要由压应力产生,堆积外围区域则主要是拉应力。凹坑周围熔融堆积物厚度和锥形凹坑尺寸的增大均会导致应力增加,与实验结果吻合。本研究有助于掌握激光诱导元件损伤的损伤机制和物理规律,对单毫秒激光和CPL与光学玻璃相互作用的损伤机理和损伤过程的研究提供一定参考。