关键词： 微结构   激光加工   皮秒激光   激光诱导等离子体微加工   磁场辅助  

摘要： 微细加工技术具有加工精度高、能耗低的优点,可以有效地降低工业成本,因此微细加工技术被广泛应用于微细工件和微细系统加工领域。微加工技术方法主要包括:(1)激光加工、化学刻蚀和微电火花加工等分离加工方式;(2)化学镀膜、电镀膜和表面改性这一类结合加工方式;(3)通过外部高频电流、外部高温等改变材料形状类变形加工方式。其中,激光加工技术凭借着无接触、加工方式灵活、加工效率高和加工质量可靠优势,已经成为了微结构加工的先进加工方式。相比较于纳秒激光加工过程中会产生较明显的热效应,皮秒激光加工时产生的热影响较小、再铸层较薄同时不容易产生微裂纹,而皮秒激光相对飞秒激光,还有着性价比高、更加稳定和更高效的加工效率等特点。因此,皮秒激光加工技术也越来越受到各方的广泛关注。然而皮秒激光加工也有一定的局限性,使用皮秒激光加工一些透明材料等特定材料时,因为材料本身对于皮秒激光的吸收率较低,阻碍了加工效率的提升。因而,研究者们提出了激光诱导液体等离子体微加工技术(Laser Induced Plasma Micromachining,LIPMM)。这项技术能够增强激光吸收效率,是一种可以适应多种材料上加工的极具潜力的新型加工手段。外磁场辅助技术已经被证明可以改善微电火花加工时的加工效果,而LIPMM技术和微电火花加工具有相似的加工方式,都是通过等离子体来进行加工,因此推测磁场会对等离子体产生影响。于是研究人员进行了相关的研究,发现磁场辅助LIPMM加工可以有效地提高加工效率。为了进一步了解磁场辅助对于LIPMM加工效果的影响。本文首先在LIPMM的基础上添加了不同的磁场布置,通过单因素试验探究磁场布置和磁场强度对LIPMM加工效果的影响。然后使用高速相机对有无磁场辅助激光诱导等离子体空泡脉动变化进行了比较从而验证磁场对于等离子体的影响。最后,设计了可以控制激光焦点处磁场强度的磁场辅助装置,并进行了磁场辅助激光诱导等离子体微加工(MC-LIPMM)在不锈钢上加工微通道的研究与工艺优化。本文主要研究内容如下:(1)进行了单因素试验,探索了磁场强度、磁场布置和脉冲能量这些参数对于LIPMM加工微通道加工效果的影响。使用COMSOL有限元软件模拟仿真出不同磁场布置的磁场强度分布,为接下来的加工试验提供基础。比较了MC-LIPMM和LIPMM加工效果,验证了MC-LIPMM可以加工出深径比更大,材料去除率更高的微通道,同时随着磁场强度的提高,深径比和材料去除率提升愈高,为后续的MC-LIPMM提供了试验基础。(2)试验观测对比了有无磁场下激光诱导等离子体时产生空泡变化规律,比较了有无磁场对于产生空泡的影响。分别观察在不同条件下LIPMM加工时,激光诱导等离子体后产生的空泡的脉动变化及空泡直径的变化。相比较于无磁场时诱导等离子体产生的空泡,发现在磁场辅助下皮秒激光诱导出的等离子体空泡的直径更大且空泡的脉动周期更长。磁场辅助激光诱导等离子体空泡试验间接验证了磁场可以增强等离子体能量,为MC-LIPMM的试验研究提供理论基础。(3)利用响应曲面法研究工艺参数对加工结果的影响及相互作用。设计了可以控制激光磁场强度的磁场辅助装置,并应用响应曲面法(Response Surface Methodology,RSM)中的中心复合设计(Central Composite Design,CCD)来探索激光脉冲频率、脉冲能量、扫描速度和磁场强度对微通道各工艺参数的影响以及它们之间彼此作用下的规律。构建了关于微通道深度、宽度以及材料去除率的回归模型,使用方差分析法(Analysis of Variance ANOVA)检验了模型的合理性。最后,通过分析模型得出深度最大、宽度最小、MMR最大的最优工艺参数。使用优化过的参数在不锈钢表面加工出了微网状结构,证明了MC-LIPMM能够成功加工出微结构。

关键词： 仿生鱼鳞沟槽   激光加工   数值模拟   漩涡   减阻  

摘要： 随着海上运输与水下航行技术的发展,流体减阻作为节约能源,减少环境污染的重要技术方法,不断成为国际的研究热点。许多学者以仿生学为基础对水生生物进行研究,结果表明许多生物的体表结构都具有独特的减阻性能,所以将生物体表的形貌特征复制成型于材料表面,是可行且具有重要意义的研究方向。如何大规模、低成本地优化和制造仿生表面是仿生减阻技术的研究重点。本课题提出了一种加工效率高、成本低、清洁环保的加工方法,以鱼类体表鳞片形态特征为生物原型,在铝合金表面进行激光刻蚀,制备仿生鱼鳞表面。主要研究内容和结论如下:1)观察鱼鳞鳞片的排列及形态特征,总结并提取仿生鱼鳞的生物原型,将鱼鳞的排列和形态特征抽象为斜沟槽结构,构建了具有凹坑结构的仿生鱼鳞三维模型。基于构建的三维模型设计激光的刻蚀路径,使用光纤激光器在光滑铝合金表面加工出不同形态的仿生鱼鳞结构。使用超景深电子显微镜、激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜对制备的仿生鱼鳞表面微观形貌及其元素组成进行表征。2)使用COMSOL软件研究仿生鱼鳞表面的流场特性,通过数值模拟的方法,对仿生鱼鳞夹角、沟槽深度、排列间距及水流速度四种因素的单因素试验和正交试验进行研究,获得了各因素的最优组合:鱼鳞夹角120°,凹坑深度130μm,排列间距2300μm,水流速度0.4m/s,该组合的理论减阻率为7.8460%。通过数值模拟分析和对比各表面的流场特性,发现所有仿生鱼鳞表面都分布着明显的“低阻力带”,相对于同水流速度下的光滑表面,仿生表面的平均粘性应力更小,表现出了明显的减阻效果,并且在仿生鱼鳞沟槽内产生了“二次流”漩涡。3)基于压差阻力测试原理,搭建流体减阻试验装置。整套试验装置包含了完整的进水驱动、流量控制及压强测试三个部分。根据设计的正交试验方案制备仿生鱼鳞样件,对所有样件进行表面减阻性能测试,分析样品表面的减阻率,结果表明,仿生鱼鳞表面具有减阻效果,实际测得的最大减阻率为8.2745%。基于数值模拟对流场特性的分析,结合目前的沟槽减阻技术,阐述仿生鱼鳞表面的减阻机理,在鱼鳞沟槽内产生的漩涡结构,起到了“流体滚动轴承”的作用,有效地降低了壁面粘性应力,并且与普通横向沟槽相比,仿生鱼鳞表面具有明显的减阻技术优势。

关键词： 纳秒激光   C/SiC复合材料   去除机理   温度场仿真   型孔加工  

摘要： 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC复合材料）具有强度大、模量高、耐腐蚀、质量小及高温力学性能等特点,广泛应用于新能源、航空航天、汽车制造等领域。而其高强度、高硬度及各向异性等材料特点,使得传统加工工艺难以实现C/SiC复合材料高效、精密、稳定地加工。针对这些问题本文提出应用纳秒激光加工技术加工C/SiC复合材料,探索纳秒激光加工C/SiC复合材料的去除机理,研究激光加工参数对C/SiC复合材料加工形貌的影响,提出优化加工形貌的加工策略,在此基础上探究特征型孔尺寸与激光参数的映射关系,实现2.5维C/SiC复合材料特征型孔的高效、精确、稳定加工。首先,采用点烧蚀实验探究纳秒激光加工C/SiC复合材料的烧蚀去除过程,揭示激光加工过程中C/SiC复合材料的烧蚀形貌渐变过程,根据实验结果建立纳秒激光加工C/SiC复合材料的烧蚀去除模型,计算出纳秒激光加工C/SiC复合材料的烧蚀阈值及纳秒激光的束腰半径,揭示了纳秒激光点烧蚀C/SiC复合材料的烧蚀去除机理。其次,通过正交实验,探究不同参数对纳秒激光加工C/SiC复合材料刻线加工烧蚀形貌的影响。研究激光功率、扫描次数、扫描速度对烧蚀刻线形貌的影响,优选出沟槽宽度一致性较好的加工参数。采用COMSOL软件进行激光加工C/SiC复合材料的温度场仿真,探究了刻线加工过程中的能量传递过程,实验与仿真结合最终揭示了激光加工C/SiC复合材料刻线的加工机理。最后,进行C/SiC复合材料型面加工的实验,探究不同参数对纳秒激光加工C/SiC复合材料型面加工效果的影响,揭示了纳秒激光加工C/SiC复合材料的型面去除机理,优选出效率较高的加工参数。在此基础上进一步优化工艺条件,改变激光焦点,探究深度与扫描次数的关系,最终实现C/SiC复合材料特征型孔（方孔,盲孔,沟槽等）的高效、精确、稳定地加工。

关键词： 飞秒激光加工   温度场模型   材料去除机理   微纳米结构阵列   单晶碳化硅  

摘要： 单晶碳化硅具有光学性能优异、热稳定性好、化学惰性大、高硬度等优点,广泛应用于集成电路、太阳能电池、光电检测等领域。但单晶碳化硅属于典型的难加工材料,采用传统加工技术在其表面加工微纳米结构难度较大,限制了其进一步应用。具有三维高精度及无损伤加工优势的飞秒激光加工技术为单晶碳化硅材料的微纳米结构制备提供了技术手段,但其加工工艺和加工机理还有待研究。本论文致力于单晶碳化硅的飞秒激光加工研究。实验研究了单晶碳化硅表面的飞秒激光刻槽工艺。研究了能量密度、重复频率、扫描速度、扫描次数和数值孔径等参数对微槽性能(槽深、槽宽、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角)的影响和显著性。结果表明,能量密度和数值孔径对槽深、槽宽、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角的影响都非常显著;扫描速度对槽深、槽宽、热影响区宽度和侧壁倾斜角的影响非常显著,对材料去除率的影响不显著;重复频率和扫描次数对槽深、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角的影响非常显著,对槽宽的影响中等显著。研究了单一工艺参数对微槽性能的影响规律。结果表明,槽深、槽宽、热影响区宽度、材料去除率和侧壁倾斜角均随着能量密度和扫描次数的增加而增大,随着扫描速度的增加而减小;槽深随着数值孔径的增加而增大,槽宽、热影响区宽度和材料去除率均随着数值孔径的增加而减小。建立了槽深、槽宽、热影响区宽度和材料去除率的回归模型,优化了工艺参数。研究了工艺参数间的交互作用对微槽性能的影响。结果表明,工艺参数间的交互作用与单一因素的影响结果一致。研究了提高深宽比和减小热影响区宽度的实验方法,并进行了显著性分析。能量密度、扫描次数和z层进给对槽深、槽宽、深宽比、热影响区宽度和材料去除率影响非常显著;偏振角度对槽深、槽宽、深宽比和材料去除率影响均不显著。利用单束飞秒激光在单晶碳化硅上加工了多种周期性结构阵列。结果表明,随着激光能量密度、扫描速度和扫描次数的增加,波纹结构向V形槽的变化是渐进的;激光诱导的表面不稳定性、孵化效应、库仑爆炸、熔化和蒸发是微纳米结构形成的主要机理;随着能量密度的增加,团聚纳米颗粒密度增多,使得激光诱导的周期性表面结构之间的边界消失;随着激光能量密度的增加,纳米颗粒表面氧元素(O)含量增加;当激光能量密度超过烧蚀阈值能量密度时,细波纹结构转化为粗波纹结构,而细波纹和粗波纹的空间周期与能量密度无关;辐照表面由近无损伤区转变为有重铸层和热致微裂纹区;热裂纹的形成与能量密度和扫描速度有关;在接近烧蚀阈值的能量密度下,利用多道扫描技术在微槽侧壁上制备了不同取向的近无热损伤波纹结构;自组织模型表明激光偏振导致能量分布不对称,结构阵列沿能量主流方向排列,实验结果与基于激光诱导表面不稳定性的自组织模型分析结果相一致。制备了较大尺寸(800 μm × 800 μm)的细波纹和粗波纹结构阵列、纳米颗粒结构和V形槽,并对其进行了原子键的X射线光电子谱分析(XPS)、残余应力的X射线衍射分析(XRD)和晶格无序度的拉曼光谱分析(Raman)。XPS分析结果表明,随着激光能量密度的增加,C=O键的含量增多,O-C=O键含量减少,C-C(sp2)键被破坏,不稳定的C-C(sp3)键增多;Si-Si键和Si-C键的含量减少,Si-O键的含量增多,生成的氧化层提高了周期性阵列的断裂韧度。XRD分析结果表明,改性区域和原始区域的XRD图谱显示仅两个衍射峰,分别为单晶碳化硅的(0004)晶面和(0008)晶面;XRD对激光引起的碳化硅结构缺陷和烧蚀带来的表面污染物不敏感,因此未辐照和辐照的XRD图谱中没有出现新的峰;在(0008)晶面,随着能量密度的增加,晶格间距、应变和残余应力先增加后几乎保持不变,激光改性区域对应的是拉应力区,最大拉应力是179.464 MPa;在(0004)晶面,随能量密度的增加,晶格间距、应变和残余应力呈不同程度的增大,细波纹和微槽底面的残余拉应力分别为0和14.623 MPa,粗波纹和纳米颗粒结构的残余拉应力均为277.847 MPa;残余拉应力随着扫描间距的增加而增大。Raman分析结果表明,总无序度随着激光能量密度的增加而增大,最大无序度为0.548;加工后的表面非结晶性质变化不显著。建立了飞秒激光加工单晶碳化硅的温度场模型,包括激光强度、载流子密度、双温方程和傅里叶热传导方程。在模型中根据单晶碳化硅的分解特性计算了碳化硅的物理参数,并对比了与温度有关的光学参数和根据介电函数计算的光学参数对非热熔化的影响。结果表明,两种光学参数计算得到的非热烧蚀尺寸基本一致;由于未考虑热烧蚀过程,非热烧蚀深度和非热烧蚀半径均小于实验值。对比分析结果表明,文献数据和实验结果与模型计算结果吻合较好,该模型能有效地描述飞秒激光与宽带隙半导体之间的热传导过程。利用所建立的温度场模型对飞秒激光加工过程进行了仿真研究,研究了飞秒激

关键词： 激光加工   磁流变抛光   耦合机制   结构设计   工艺实验  

摘要： 随着科技的发展,以脆硬材料为主的光学零件在航空航天、光电通信等领域的需求越来越广泛,相应的对工件的加工要求也越来越高。而传统的抛光方法无法达到预期的效果,因此本文针对小型异型光学零件抛光要求,在原有抛光方法的基础上研究激光辅助磁流变抛光方法。由于该方法与传统磁流变抛光不同,故需要对其在激光附加温度场、流场、磁场下的耦合作用机制,抛光装置,工艺实验等方面展开研究,分析激光辅助磁流变抛光对光学零件表面质量和效率的影响,以提高光学零件的质量和抛光效率。主要研究内容如下:(1)在充分了解磁流变抛光液特性的基础上,分析激光辅助磁流变抛光过程中激光附加温度场、抛光头产生的磁场、喷嘴流量对磁流变抛光液特性的影响,并采用宾汉本构方程作为磁流变抛光液本构方程,建立激光辅助磁流变抛光过程中流场、温度场和磁场与磁流变抛光液剪切应力之间的关系式。(2)设计激光辅助磁流变抛光装置。对装置的运动单元、激光发生装置、抛光头与磁流变抛光液循环装置进行详细设计。针对加工需求,选用合适的运动单元、激光发生装置。对比分析电磁铁与永磁铁的优缺点,选用永磁铁作为抛光头,并使用有限元仿真分析抛光头内部的磁场分布,实验验证抛光头表面的磁场大小和黏附能力。设计循环装置,保证磁流变抛光液在加工过程中能够定量供给。(3)在前人的基础上,自行配制磁流变抛光液,并从平面加工方面进行单因素定点抛光实验研究,分析加入激光前后加工工艺参数对熔石英玻璃材料除深度和表面粗糙度的影响作用。在加入激光后,熔石英玻璃去除深度有所下降,但表面质量有所提升。相同时间下,加入激光后能够先行达到想要的效果,即抛光效率有所提升。

关键词： 亲疏水相间   减阻   线切割加工   激光加工   数值模拟   压差  

摘要： 在当前能源紧缺的时代,如何减少海洋中航行器的航行阻力,降低能源消耗,已成为各国的研究重点。减阻技术作为实现节能减排的重要技术手段,是非常具有竞争力的一项科学研究。研究表明水下超疏水表面会在壁面封存一层气膜,产生流动滑移,是一种比较高效的减阻方法。然而在水流速度较高时会产生很大的水平剪切力使气膜破坏,气膜破坏后滑移效应消失造成减阻失效,甚至会增加流动阻力。本文针对该类减阻失效问题,基于激光和线切割加工相结合的方法,在铝合金表面构造亲疏水相间结构以维持水下气膜的稳定,具体研究内容如下:1)为了能高效率、大面积在铝合金表面制备润湿性不同的表面,使用线切割加工铝合金后直接在表面进行激光划线,通过激光调控铝合金表面微结构。激光加工后将样件分A、B组作两种后续处理,A组在激光加工后放空气中观察表面润湿性随时间的变化,B组在激光加工后进行低表面能处理。2)使用扫描电子显微镜、接触角测量仪等设备对样件表面性能进行表征,包括表面微观形貌,表面物质含量变化,表面润湿性随时间变化以及样件表面静态接触角变化。试验发现激光扫描后会在铝合金表面生成规则与不规则形貌相结合的微纳米结构,经低表面能处理后,水滴在各样件表面均能呈现出超疏水状态,最大静态接触角达162.3°,而未进行低表面能处理的样件,在空气中表面静态接触角也会随时间不断增大,最后趋于稳定,最大接触角达154.6°。3)基于Comsol中的流体计算模块,在二维模型条件下通过设置滑移壁的方式对亲疏水相间模型在不同雷诺数下的流场特性进行数值模拟。结果表明气泡的存在会明显提高近壁面流速,但气泡的凸起会在亲疏水交界处产生涡流,气泡越多产生的涡流数越多,同时气泡大小、厚度不同都会对流场域产生影响。4)基于压差法搭建减阻试验台,探究各样件在不同雷诺数下的减阻效果。试验发现样件减阻率随雷诺数的增加先增大后减小最后趋于稳定,在减阻率稳定时依然高于全超疏水铝合金板,表明亲疏水相间样件疏水段表面依然存在很薄的空气膜产生速度滑移,亲疏水相间样件在减阻槽道内的最高减阻率达45.45%。

关键词： 3D打印   激光加工   润湿性   数值模拟   内聚力模型   界面结合强度  

摘要： 3D打印技术在电子工程领域应用广泛,例如,以UV树脂作为封装材料,能够选择性地在电路板表面打印出具有保护特性的三维封装实体。由于树脂和基板间材料性能的差异,其间结合强度直接影响电子元件的使用寿命,因此,分析和提高UV树脂与基材之间的界面结合性能,具有重要的实际意义。本文以直写型3D打印（DIW）结合的铝合金基底树脂复合层状材料作为研究对象,对不同材料间界面结合强度进行了数值模拟与试验研究。（1）通过纳秒激光在铝合金表面进行微沟槽结构的制备,通过改变激光参数对微沟槽结构形貌和尺寸进行调整,使基底表面具有了一定的粗糙结构和良好的超亲水性,产生了机械结合界面,使树脂材料可以更好在金属基底表面铺展。得到了最优润湿性的激光参数为激光功率12W,扫描速度200mm/s,填充间隙为0.01mm。（2）通过数显拉开法和划格法对铝合金基底树脂复合层状材料界面间结合强度进行了定量与定性的测量与分析。在相同3D打印工艺参数下,铝合金表面沟槽结构零件比无织构零件表面界面结合强度平均增加近20%。成功的验证了具有良好的亲水性的微沟槽结构表面可以增加层间结合力。（3）为了进一步探究表面微结构对界面结合力的影响,通过ABAQUS有限元仿真软件建立剥离试验仿真模型,分别考虑树脂与基体的材料属性,并通过内聚力模型表征树脂与铝合金基底间的结合强度,分析不同表面微结构对界面间结合力的影响,为提升界面结合强度提供重要理论依据。

关键词： 激光加工   胀断连杆   微裂纹   扩展有限元  

摘要： 连杆裂解技术是在连杆大头内孔切槽并施加载荷,使裂纹迅速扩展至断裂,从而实现连杆盖端与连杆本体快速分离的新技术。其包含了诸多优势,如加工工序较少,对设备的投资费用较低,能够节能节材,得到的连杆质量较好,目前裂解加工是连杆生产的最主要方式。裂解中最关键的就是预制裂解槽和胀断过程,而裂解槽主要通过拉刀拉削、电火花线切割加工和激光加工得到。由于激光切割出的裂解槽窄而尖,容易裂解,且切割效率高、精度高,设备与连杆没有直接接触即无刀具磨损,因而激光切槽技术成为国内外切槽的发展趋势。激光加工出的裂解槽底部有许多微小的裂纹,而连杆的胀断过程是利用槽底存在的微裂纹的应力集中而使其裂断,这样既节省了能量也提高了效率。而连杆胀断过程发生在一瞬间,不容易采集到裂纹的起裂和扩展的过程,因此需借助于有限元分析软件来模拟。本文对激光加工参数对微裂纹和裂解槽几何参数的影响以及裂纹扩展过程进行研究,主要研究内容和得出相应的结论如下所述:（1）阐述了断裂力学理论,确定了连杆断裂过程为I型断裂模式,将最大主应力准则定为连杆胀断的裂纹起裂和扩展的判据,为连杆模型的构建和模拟提供了依据。（2）设计了激光加工连杆裂解槽实验,探究激光加工参数对裂解槽几何参数的影响规律并得出以下结论:随着峰值功率、脉冲宽度和脉冲频率的增大,裂解槽的槽深、槽宽随之增大;随着峰值功率的增大,曲率半径和张角先增大后减小;随着脉冲宽度、脉冲频率的增大,曲率半径和张角逐渐减小;随着切割速度的增大,裂解槽的槽深、槽宽、张角逐渐减小,曲率半径先减小后增大。（3）研究了裂解槽壁面微裂纹对连杆裂解的影响,并就激光加工参数对微裂纹的长度密度、面积密度和平均宽度的影响规律设计了单因素试验并得出结论:随着峰值功率的逐渐增大,在一定范围内微裂纹的面积密度和长度密度先增大后减小,而微裂纹的平均宽度逐渐减小,说明峰值功率的增大会减小裂纹宽度方向上的扩展。随着脉冲宽度的逐渐增大,微裂纹的面积密度、长度密度大体上呈增加的趋势,而微裂纹的平均宽度则上下波动。随着脉冲频率的增大,微裂纹的面积密度、长度密度先增大后减小再逐渐增大,而微裂纹的平均宽度则上下波动。随着切割速度的增大,微裂纹的面积密度逐渐减小,长度密度先减小后增大,而平均宽度则大体上呈下降的趋势,说明切割速度越大,裂纹越小和越稀疏。而对各参数的裂纹统计个数可知,随着峰值功率的增加,裂纹先分布密集后稀疏;随着脉冲宽度和脉冲频率的增加,裂纹分布越密集;而随着切割速度的增加,裂纹分布越稀疏。（4）用XFEM（扩展有限元）对连杆模型的裂纹扩展过程进行模拟,分析了连杆模型起裂和扩展过程中的应力和应变分布规律。对于起裂时:连杆裂解槽区域应力集中明显,且应力分布呈蝶状;应力较大的部分位于裂解槽根部,且分布在预设裂纹两端;连杆的塑性变形发生在切口根部,最大值位于预设裂纹附近,其他部分没有发生塑性变形。得到了不同激光加工参数下的连杆裂解槽胀断所需的最小胀断力以及对胀断力和起裂时间的影响规律:随着峰值功率、脉冲宽度和脉冲频率的增加,连杆起裂时间减小,胀断所需胀断力随之减小。随着切割速度的增加,连杆起裂时间增加,胀断所需胀断力随之增加。然后分析了胀断实验胀断力结果和数值模拟胀断力结果之间的误差原因。

关键词： 电火花加工   多通道放电特性   群电极   材料去除率   表面质量  

摘要： 传统电火花加工技术在单个脉冲期间有且仅有一个放电通道产生,同时放电能量集中于一点,导致了放电加工质量和加工效率之间有着无法避免的矛盾。本文借鉴半导体材料的体电阻特性,采用由多根分别串接了电阻的紫铜管组成的群电极进行电火花放电加工,由于电阻的存在使得群电极在产生放电后不再是等势体,从而可以同时分散形成多个放电通道,在有效提高加工效率的同时能够兼顾加工工件表面质量。本文主要研究内容如下:(1)实现了较完善的群电极制备工艺。群电极由30个单元电极构成,具有内部冲液功能,在单个脉冲周期内形成的放电通道数量最多可达18个。(2)构建了群电极多通道放电加工系统,建立群电极多通道放电模型,研究了多通道放电原理,实现了环形槽的简单型腔铣削加工。(3)研制了单脉冲放电试验装置,进行了群电极放电特性研究。对比研究了群电极与传统电火花单脉冲放电波形和放电凹坑的特点,得出群电极多通道放电模型具有分散放电能量的特性。研究了开路电压、脉冲宽度和限流电阻阻值在不同极间距离下对群电极各单元电极放电概率的影响规律。基于连续放电加工系统,研究了开路电压、脉冲宽度、极间距离和单元电极数目对群电极放电通道数量的影响规律。(4)进行了群电极与传统电火花放电加工对比试验。群电极放电加工的材料去除率是传统电火花的7.6倍,但是二者加工表面质量相差不大,在保证加工表面质量的前提下有效提高加工效率,对解决现有放电加工理论中加工效率与表面质量之间的矛盾具有重要意义。(5)研究了脉冲宽度、平均电流、内部冲液压力和单元电极数目等相关参数对群电极放电加工材料去除率的影响规律。

关键词： 激光加工   控制系统   温度控制   模拟量   FPGA   机械臂  

摘要： 激光加工技术是一种利用高能激光来完成熔覆、焊接以及淬火等加工工艺的新兴技术,具有绿色环保、无接触、热影响区小以及加工效率高等优点,目前该技术已经在工业生产的各个领域中取得了广泛的应用。随着激光加工技术工业应用的不断推广,市场对于激光加工控制系统也提出了越来越多的新需求。目前的激光熔覆等控制系统存在设备集成度低、与机械臂联动的响应时间长、不能进行远程控制以及温度控制等局限性。而随着工业控制自动化技术的不断发展以及FPGA控制技术的不断成熟,使得上述问题的解决有了新的途径,由此本文提出了一种基于FPGA的激光智能加工嵌入式控制系统的设计方案,并对系统的各个模块进行了设计和测试,来完成激光熔覆、淬火以及焊接三种加工工艺的集成以及加工过程中的温度控制。具体研究内容如下:（1）系统整体方案设计。在深入研究激光加工系统内各个控制模块（包括:激光器控制模块、送粉器控制模块、水冷控制模块、激光加工光头、温度控制模块以及蓝牙通讯模块等）工作方式的基础上,设计了系统内各个模块的控制方案,并在此基础上进行了基于FPGA的激光加工智能控制系统的整体方案设计,同时提出了关于系统工作性能的相应技术指标。（2）控制系统的硬件电路设计。根据模块化的设计原则,依据系统内各模块的控制方案分别设计了电源模块电路、激光器模块驱动电路、温度监测模块驱动电路、送粉器驱动电路、水冷机驱动电路等加工设备的硬件件驱动。同时,还进行了串口通讯模块电路以及蓝牙模块外围电路的设计。充分考虑工业应用现场复杂的环境条件,进行了各模块中元器件的选型和电路设计,以确保各模块的长期稳定运行;根据硬件电路的原理图完成了 PCB板的布局和设计。（3）控制系统软件部分设计。依据各硬件模块的工作方式,进行了软件部分的设计,包括硬件驱动程序、通讯程序以及手机APP人机交互程序的设计。根据PID算法的控制原理,进行了温度控制模块理论模型的建立和仿真,并根据程序仿真结果进行了 PID控制程序的设计,来实现激光加工温度的闭环控制。（4）控制系统的测试和分析。分别对所设计的激光加工控制系统的硬件和软件部分进行了测试和分析,包括电源模块、模拟量输出模块、与机器人的联调和上位机程序的测试。最后,利用所设计的软硬件系统进行了激光熔覆、激光淬火和激光焊接过程的测试,结果表明所设计的控制系统能够驱动各模块设备的稳定运行,温度控制误差可以控制在6%以内,激光器与机械臂联动响应时间为0.5s,满足激光加工的需要。研究结果表明所设计的基于FPGA激光加工控制系统能够实现对激光器等设备的实时监测和控制,且具有响应速度块、稳定性高、可进行无线通讯等优点。该系统与工业六轴机器人配合,可实现激光熔覆、激光淬火和激光焊接三种加工方式的集成化智能控制,作为一种专用的激光加工控制系统来使用,具有很好的市场应用前景。