关键词： 金属薄板   热应力   电火花加工   变形规律   复杂形状成形  

摘要： 金属薄板类零件作为机械设备的重要组成部分,在航空航天、汽车工程、仪器仪表等领域都有广泛的应用。薄板类零件目前多采用冲压成形方法获得,但该方法难以避免金属回弹变形问题,成形精度较低,同时模具的生产制造周期长、成本高,因此难以满足现代化生产对高精度和低成本的需求。旨在降低时间和资金成本的无模成形技术由此应运而生。热应力诱导成形属于无模成形技术的一类,它既节约了模具设计制造的周期和成本,又解决了回弹变形问题,在机械零部件的精密成型方面具有重要研究价值。本文就主要研究一种以电火花加工中的热应力诱导C194铜合金薄板发生弯曲变形的方法。首先,采用热-结构顺序耦合方法,分别针对电火花单脉冲及连续随机放电过程进行热弯曲变形的有限元建模,分析电火花加工过程中工件的温度场及位移场演变过程。仿真结果说明放电受热区域的不均匀温度梯度是弯曲成形的成因,在某一区域内的大量随机放电能够产生均匀变形。以上工作为后续实验提供了理论基础。其次,对电火花热应力诱导工件产生“V”形弯曲变形规律进行详细实验研究。分析了将成形电极和棒状电极用于热变形的可行性,结果表明薄片成形电极固定式加工方法和棒状电极往复扫描式加工方法都具有较好的可行性。针对薄片电极固定式加工法,研究了加工极性、放电电流、占空比、脉冲频率四个因素对弯曲角度的影响规律;针对棒状电极扫描式加工法,增加了对电极扫描速度、表面碳黑膜、电极直径三个影响因素的规律研究。最后,对电火花热变形方法用于复杂形状成形进行了实验研究。采用薄片成形电极固定式和棒状电极扫描式两种加工方法,通过合理规划加工位置实现了对工件的锯齿形、圆柱形和“S”形面等形状成形,并通过可逆热变形实验和引线框架简化加工实验研究了成形电极加工方法的实用前景。

关键词： 电火花加工   镍基合金   熔化凝固层   热影响层   仿真  

摘要： 在电火花加工过程中,工具电极与工件之间等离子体通道的高温会对工件表面材料进行熔化去除和部分汽化去除。在电火花加工过程中高温的作用下,工件表面会形成由两层不同性质金属组成的变质层,处于外层的变质层金属被称为熔化凝固层(也被称为重铸层),熔化凝固层是加工过程中被高温熔化的材料重新凝固在工件表面的一层较为疏松的材料。处于里层的变质层金属被称为热影响层,热影响层是工件表面没有熔化或汽化但在高温影响下发生了材料特性变化的金属。变质层的存在会对工件的使用性能产生影响,因此有必要对变质层的厚度进行探究,以便在后续工作中进行去除。在前期的工作中已经进行了不同电极材料、不同电参数条件下的电火花加工镍基合金的实验,而本文的主要内容是对包括熔化凝固层和热影响层在内的变质层厚度进行探究,同时对电火花加工后工件的表面特征与电参数的关系进行研究。本文首先对电火花加工后工件表面的熔化凝固层厚度进行了测量,测量结果表明,利用黄铜对镍基合金GH4169进行电火花加工,粗加工条件下工件表面熔化凝固层厚度的最大值为31.17μm,精加工条件下工件表面熔化凝固层厚度的最大值小于5μm。另外,由于熔化凝固层的表面特征代表了电火花加工后工件的表面特征,本文也研究了不同电参数对熔化凝固层的表面粗糙度、表面形貌等表面特征的影响规律。为了探究电火花加工后工件表面热影响层的厚度,本文对经过电火花加工的镍基合金的亚表面进行了金相观察,观察结果表明,只有在长期非正常放电条件下的电火花加工后,镍基合金工件表面才会出现明显的晶粒细化现象。在正常放电条件下的电火花加工后,即使是在本文最大加工能量条件下,镍基合金工件亚表面晶粒尺寸与基体金属晶粒尺寸也没有明显区别。为了对电火花加工后镍基合金热影响层的厚度进行估算,本文根据热传导理论,建立了电火花加工镍基合金GH4169亚表面温度分布仿真模型,分别获得了电火花加工镍基合金GH4169在粗、精加工条件下可能发生高温性能变化的表层金属厚度的上限值:粗加工条件下可能发生高温性能变化的表层金属厚度值小于8μm,精加工条件下可能发生高温性能变化的表层金属厚度值小于2.5μm。

关键词： 电火花加工   闭式叶盘   弯扭流道   运动轨迹设计   工艺试验  

摘要： 目前,越来越多的涡轮叶盘采用闭式整体结构设计,使得闭式弯扭流道加工受到广泛关注。电火花加工技术已被普遍用于闭式弯扭流道加工,但电极运动轨迹设计是一项研究难点。本文将电极运动轨迹作为研究对象,通过理论研究和试验验证相结合的方法,开展了电火花轨迹规划技术研究。主要研究内容如下:1.基于轨迹搜索理论,建立电极运动数学模型,对比分析各类目标评价函数的评价特点,研究电极运动约束条件,针对基于流道网格化的网格启发式精选策略和基于仿生优化算法的位姿点混合优化策略进行研究,并依靠VS/UG二次开发得到满足加工要求的运动轨迹。2.针对轨迹后处理问题,基于轨迹搜索,对初始设计电极进行实体尺寸增高增厚;基于非均匀有理B样条曲线,得到轨迹点的样条曲线表达式;针对多轴联动机床的数控代码生成问题,基于多轴运动位姿分解方法,进行复杂曲线的数控加工代码插值方案研究。3.针对闭式弯扭流道电火花加工效率及表面质量等问题,针对摇动加工的摇动轴选择,通过单因素对比实验,进行摇动工艺对比试验,以掌握摇动轴类型对加工质量及成形精度的影响规律。4.在电火花加工工艺方案及数字化技术研究上,进行初始方案和优化方案的加工对比实验,分析轨迹优化对加工效率及表面质量的影响;通过对闭式叶盘进行试制加工,对所提出的轨迹设计及优化方案进行验证。

关键词： 机械瓣膜   热解碳   超疏水   血液相容性   激光加工  

摘要： 置换人工心脏瓣膜是治疗心脏瓣膜疾病的常用方法,其中人工机械瓣膜以其卓越的耐久性成为临床上使用最多的人工瓣膜。热解碳作为目前机械瓣瓣叶的首选材料,植入人体后长期与血液接触,患者会出现凝血和血栓等并发症,因此如何提高热解碳的抗凝血性能、减少血栓发生率是当前研究的热点。本文采用纳秒激光在热解碳表面制备平行光栅和微柱阵列结构,通过优化激光参数并结合硅烷化处理制备超疏水热解碳表面,通过血小板粘附、动态凝血、溶血率实验探究表面微结构和超疏水性能对血液相容性的影响。主要研究工作及成果如下:（1）采用纳秒激光与HDTMS修饰相结合的方法在热解碳表面制备超疏水平行光栅结构,当X方向的激光功率为27.5 W,扫描次数为6次,扫描间距为90μm时,平行光栅结构热解碳表面接触角可达153.21°。保持X方向的激光功率和扫描次数不变,改变扫描间距时,热解碳表面的接触角随扫描间距增加先增大后降低,结果表明在不破坏微结构整体形貌的情况下减小扫描间距,可以让液滴在热解碳表面保持Cassie状态,提高样品的接触角,达到150°以上。（2）当X方向的激光功率为27.5 W,扫描次数为6次,扫描间距为90μm,Y方向激光的扫描间距保持不变时,制备的微柱阵列结构样品表面的接触角随着激光功率和扫描次数增大皆先增大后降低。当Y方向激光功率为15 W,扫描次数为4次,扫描间距为100μm时,微柱阵列结构热解碳表面的接触角可达152.26°。（3）通过对超疏水热解碳表面的疏水持久性进行研究,发现超疏水平行光栅结构和微柱阵列结构放置在空气中8个月后,接触角分别为152.27°和150.69°,仍具有较好的超疏水性能,便于制备后储存;通过摩擦磨损实验发现,相较于光滑热解碳表面的平均摩擦系数0.096,平行光栅结构和微住阵列结构热解碳表面的平均摩擦系数分别为0.042和0.040,表明微结构能提高热解碳表面的耐磨性。（4）血小板粘附、动态凝血和溶血率实验结果表明微纳米复合结构能有效地减少单个血小板的可用粘附面积,当样品表面达到超疏水性能时,血液和样品接触将处于Cassie状态,可以有效地减少血液和样品的实际接触面积,与此同时样品的接触角越高,血小板粘附的数量越少,抗凝血效果越好,溶血率越低,血液相容性也就越好。而当平行光栅结构和微柱阵列结构热解碳表面的接触角接近时,微柱阵列结构的抗凝血性能要优于平行光栅结构。

关键词： 电火花加工   排屑   滑移长度   跳刀   电极  

摘要： 加工屑的堆积是限制电火花深孔加工效率和加工深度的主要因素之一。常用的跳刀手段也存在着有效性的极限。针对该问题,本论文提出了一种通过改变电极侧面滑移长度的方法,以增强跳刀过程的排屑能力,并据此展开了相关的流固理论、仿真及实验研究。论文针对电火花加工侧面间隙内的流场,首先建立了落刀过程的二维理论模型,并进行了滑移长度对流场影响的一般规律研究,及流场特征量对加工屑运动影响的探讨。为了评价二维模型的有效性,与所建立的三维理论模型计算结果进行了比较,结果显示二维模型的解具有足够的准确性。论文建立了基于Fluent的二维仿真模型,以落刀过程为特例,将仿真结果与理论计算结果相比较,以验证该仿真模型的准确性。网格无关性和时间步长无关性的验证也表明该仿真模型的有效性。论文应用已建立的有效二维仿真模型,对电火花整个跳刀过程进行仿真。提出了以底部工作液浓度为特征的工作液置换率表征方法,对放电间隙、加工深度、跳刀高度、跳刀速度四个参数进行了四因素四水平的正交仿真试验设计,找出了对表面滑移长度最敏感的主要影响因素。论文设计并搭建了实验平台,通过对所添加铁屑的视觉追踪,来比较具有不同滑移长度的亲、疏水电极在跳刀运动中的排屑效果。实验证明增大滑移长度可以增强排屑效果,且放电间隙大小是影响这种效果的主要因素。

关键词： 缸套缸体   微织构   光路   镜片   安装误差   焦距漂移  

摘要： 本文针对国际国内内燃机改善热效率和提升排放标准的双重需求,在前人相关研究的基础上,开展了面向内燃机缸套内表面微织构激光加工需求的专用机床的关键技术的研究开发工作。摩擦学理论研究及工程应用均表明,缸套内表面形貌对缸套-活塞环组成的滑动摩擦副的润滑状态起到决定性的作用,世界各主要工业强国均开展了缸套内表面微织构制造方法的研究,出现了激光加工、电解加工和化学加工等多种加工方法,其中激光加工已显示出良好的发展前景。此外随着车辆轻量标准的日益提高,内燃机设计出现了缸套缸体一体化的发展趋势,现有的缸套旋转,激光加工主轴固定的缸套微织构加工机床的设计方案已不能适应缸体缸套一体化的要求。针对上述现实需求和技术发展趋势,本文开展了以下主要研究开发工作。结合实际工程需要,提出了缸套缸体一体化状态下,缸套-活塞环摩擦副表面微织构激光加工机床的总体设计方案。控制系统采用PC+多轴运动控制器+伺服驱动器的体系加工,综合满足了机床控制和CAD/CAM等多方面的需求;对整机内、外光路系统进行了器件选型和详细设计;设计的专用激光回转主轴可以较好地满足高速旋转和焦点调整等加工需要。为了合理给出光路系统中各镜片的安装角度误差范围,建立了光路理论设计模型,提出像元能量集中度评价算法,仿真分析各反射镜安装误差对光斑能量分布的影响。考虑到激光加工过程中镜片的热影响问题,本文对光路系统中镜片受激光作用的热效应进行了仿真计算,分析了由于热变形造成的焦点漂移量和RMS半径值随激光功率变化趋势及对机床精度的影响。为了验证整机设计和仿真分析的正确性,本文设计搭建了试验台架,开展了相关试验研究。

关键词： 牙轮钻头   滑动轴承   凹坑织构   纳秒激光  

摘要： 牙轮钻头是形成井眼的重要工具之一，但由于近年来开采工况不断向高温高压等复杂工况迈进，滑动轴承作为牙轮钻头的重要部件，常因摩擦产生的大量热量在复杂工况下难以散热进而引起磨损失效，因此，如何降低牙轮钻头滑动轴承摩擦，提高轴承寿命是目前亟待解决的难题之一。大量学者的研究表明，仿生表面织构有较好的减摩抗磨效果，表面织构可以采用激光加工技术、化学刻蚀技术、机械加工技术等进行加工，激光加工有效率高、质量稳定可靠、污染少等特点，而纳秒脉冲激光相比皮秒和飞秒激光，加工效率更高、经济性好。因此，本文将开展纳秒激光加工凹坑的实验与仿真研究，得到加工直径为300μm、深度为40μm,且加工质量较好的微凹坑的激光加工关键参数组合，并使用该参数组合将圆形凹坑织构合理地布置于牙轮钻头滑动轴承轴颈表面，以提高其耐磨性能，具体研究工作如下:　　(1)采用纳秒激光微加工技术，结合白光干涉仪对加工的圆形凹坑参数和形貌进行表征。开展纳秒激光加工路径、激光功率、扫描速度和扫描次数等关键激光参数对圆形凹坑织构影响规律的实验研究，实验结果表明:采用三遍双向优化填充的加工路径方式能加工出内壁较为光滑、底部更为平整的圆形凹坑;随着激光功率的增大，凹坑直径和深度均增大;随着扫描次数的增加，凹坑直径基本保持不变，而凹坑深度增加;凹坑直径和深度随扫描速度的增加而减小，但凹坑直径变化趋势较小;根据影响规律初步确定了加工直径为300μm、深度为40μm的凹坑的激光工艺参数范围:三遍优化填充，激光功率14～16W,扫描速度250～350mm/s、加工次数5～7次。　　(2)采用COMSOLMultiphysics仿真软件，建立激光烧蚀模型。根据能量守恒和傅里叶定律研究脉冲激光对材料的烧蚀机理，将激光等效为热源，且脉冲激光在空间和时间上均呈高斯分布，考虑热传导、热辐射和热对流设置边界条件。通过将之前的加工实验采用过的工艺参数组合带入模型进行计算，对比仿真与实验结果对模型的正确性进行验证。结果表明，在误差允许的范围内仿真模型正确、可靠。然后进行下一步研究，将前期实验确定的激光功率和加工次数能形成的9种组合方式均带入模型进行计算，分析仿真结果，结合加工实验的影响规律研究和表征方法，最终确定了激光关键参数组合为激光功率15W,扫描速度300mm/s,加工次数6次。　　(3)使用实验与仿真最终确定的激光加工参数，将圆形凹坑织构布置于牙轮钻头滑动轴承轴颈表面，完成了3组织构化钻头轴承，用白光干涉仪表征得出每组钻头轴承表面凹坑织构最大误差为10％,加工参数和质量均能满足加工要求。　　(4)采用MNZ-180Ⅱ钻头轴承试验机，将三组织构化钻头轴承进行室内全尺寸台架实验，对比分析有无织构化轴承的实验扭矩、实验温度和表面磨损情况。实验结果表明:织构化实验组相比无织构组，试件扭矩下降约10N·m，温度下降约16℃,工作时间为100h时，无织构组轴承的涂层表面磨损明显，出现剥落现象，而织构组轴承工作时间超过150h时，轴承表面无明显磨损，涂层也未出现剥落迹象。织构化钻头轴承能有效降低工作时的扭矩和温度，有良好的减摩抗磨效果，寿命提升约75％。　　综上所述:本文开展了轴颈材料为15CrNiMo+敷焊B4合金的8-1/2"牙轮钻头滑动轴承表面凹坑织构的纳秒激光加工关键参数的实验与仿真研究，得出了加工直径为300μm、深度为40μm较好的纳秒激光加工参数，开展织构化的钻头轴承室内全尺寸台架试验，表明织构化钻头轴承有较好的减摩抗磨效果。本文的研究成果提供了纳秒激光加工关键参数的研究思路和方法，有利于推动仿生表面织构在钻头滑动轴承领域的纳秒激光加工研究及工业化应用。

关键词： 电火花成形加工   脉冲电源   单周期控制   次谐波振荡  

摘要： 成形电火花加工能够对特殊金属材料、复杂结构和零部件等进行精密加工,广泛应用于精密模具、航空航天、汽车制造等领域,发挥着难以替代的作用。电火花加工是通过控制电能蚀除材料,决定加工效率和加工质量的关键在于对放电能量和放电电流的良好控制。因此,本文重点研究电火花加工脉冲电源放电能量和放电电流的高动态响应、多波形参数灵活调控策略。首先,建立了成形电火花加工放电间隙在不同加工状态时的等效电路模型,由此确定脉冲电源采用高低压复合架构:高压击穿回路采用Boost变换器,在击穿延时阶段,输出可调的开路电压;低压放电回路采用Buck变换器,在放电加工阶段,输出可控的电流用于蚀除材料。由于电火花加工的放电间隙击穿时间短、放电脉宽窄,因此脉冲电源需要具有高动态响应和灵活的放电电流控制能力。为此,提出了基于Buck变换器的单周期电流控制策略;为方便数字化控制,采用泰勒展开法对占空比表达式进行拟合,得到简化的占空比算法;为了缩短电流调节时间以及解决次谐波振荡问题,提出一种基于放电电流初始值控制的暂态占空比优化策略;在小信号建模的基础上,分析了系统的稳态性能;并通过对变换器被控量的离散化,分析不同电流控制策略在不同暂态时所需的调节周期数,验证所提控制策略的高动态响应能力;最后,给出了脉冲状态在线实时检测方法以及有害脉冲处理方案。通过搭建脉冲电源实验样机,验证了所提单周期电流控制策略对平均电流的控制能力和对参考信号的跟随能力,以及优化后的控制策略在多种暂态响应过程中,控制放电电流不出现电流过冲需要的调节周期。之后,在实际成形电火花加工机床上验证了放电电流和放电能量控制、脉冲状态检测以及有害脉冲处理方案的可行性。

关键词： 碳纤维复合材料   激光加工   工艺参数优化   指向性建模   OPCUA   工艺参数  

摘要： 碳纤维复合材料（carbonfiberreinforcedpolymer，CFRP）具有轻质高强的优点，在轻量化制造业发展领域具有重要地位，广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而，其传统的机械加工方式存在加工成本高、加工效率低及加工质量差等问题，制约了碳纤维复合材料的发展与应用。作为先进制造技术的重要组成部分，激光加工主要通过激光与材料在作用过程中产生的光物理、光化学反应来实现对材料的加工，通过对不同工艺参数的适当控制，可以实现微型化、超精密的切割，为碳纤维复合材料的加工制备开辟了方向。但是，激光加工过程复杂，受多种因素影响。为使激光加工质量可控，使整个制造过程形成闭环制造系统，提高激光加工过程的智能化水平，本文从碳纤维复合材料激光加工过程需求出发，结合现有技术，设计了一套从加工工艺到过程监控的方案，拟实现激光加工过程的智能监控，具体研究内容如下:　　(1)通过单因素实验，研究得出表层纤维排布方向、激光功率、激光频率以及扫描速度与热影响区宽度之间的关系，通过响应曲面法建立工艺参数与热影响区宽度之间的二次响应曲面数学模型，并将该模型作为目标函数，通过遗传算法对激光工艺参数进行优化，得到使热影响区最小的优化工艺参数组合。通过灵敏度分析发现，热影响区宽度受激光功率影响最大，扫描速度和激光频率对热影响区宽度的影响程度相差甚微。　　(2)分析了激光加工的成本构成，建立了激光加工工艺参数与加工成本的数学模型。并将该模型与已建立的激光加工热影响区宽度预测模型相结合，作为目标函数，采用NSGA-Ⅱ(Non-DominatedSortedGeneticAlgorithm-Ⅱ，NSGA-Ⅱ)算法对激光加工工艺参数进行优化。获得了Pareto前沿面和Pareto最优解，可根据加工成本预算或所需要的热影响区宽度进行参数选择，完成对激光加工成本及加工质量的可控研究，对激光加工碳纤维复合材料的实际工程应用具有一定的参考价值。　　(3)对激光指向性的光路进行了分析，得到在激光束发生平移和转动时的偏角，并建立激光光路到工件的位置坐标之间的关系。　　(4)根据激光加工过程的关键工艺参数，对监控系统的功能实现进行需求分析，基于OPCUA数控系统通讯技术，以VisualStudio2013为平台，进行碳纤维复合材料激光加工监控软件界面的开发。

关键词： 小孔机   数控系统   FPGA   放电状态检测   斜率比值   变脉冲统计周期  

摘要： 小孔机是专用于高速穿孔而设计的一种电火花加工机床,广泛用于航空航天、医疗器械等领域中。一方面,运动控制器是否稳定、精确是加工出高质量小孔的关键因素,另一方面,小孔机控制程序是否操作简便、功能是否齐全,都将影响加工效率。微细电火花加工时的放电状态能直接反映加工情况,放电状态的好坏直接影响到加工效率和表面粗糙度,因此对放电状态的准确检测非常有必要。在加工过程中,电极需要频繁移动,当孔位较多且大批量生产时,对路径的优化可以提高加工效率。本文旨在搭建小孔机数控系统,并通过提高放电状态检测精度与效率以及优化群孔加工路径来提高小孔加工的效率以及稳定性。首先,为了方便程序的移植以及提高运动控制器的稳定性和专用性,开发基于FPGA的运动控制器和基于C#上位机程序,两者组成小孔机数控系统。上位机分为人机交互界面和指令控制格式,下位机程序中包括通讯模块、命令解析模块、运动控制模块、伺服运动控制模块、脉冲电源控制模块、开关量控制模块、限位状态检测模块以及放电状态检测模块。为了验证FPGA程序模块的准确性,对其进行时序仿真,结果表明各模块满足预期控制要求。其次,为解决电压阈值法不能很好统计开路时长和改变放电电压时需要调节电压阈值等问题。提出一种基于斜率比值和变统计周期的脉冲识别方法,该方法使检测装置直接用于微细电火花粗磨、精磨两种不同开路电压的加工情形中,不需要调节电压阈值且能有效的统计开路时长,从而提高检测效率和精度。通过使用NI采集卡和Lab VIEW软件开发脉冲识别系统,该系统可对间隙电压进行显示、连续存储以及对文件进行拆分,接着对斜率比值法和变统计周期法进行理论分析并编写脉冲识别与统计程序,并进行放电状态检测的实验验证。结果表明:该方法能够识别不同脉冲且适用于不同放电电压情形,程序结果与实际结果较吻合,证明了该方法的有效性和实用性。然后,为缩短电极移动时间,对群孔加工路径进行优化研究。对最近邻法、贪心插入算法以及蚁群算法进行对比分析,结果表明最近邻算法时间复杂度最低但优化效果不如贪心插入算法,蚁群算法的优化效果好但优化时间远远大于最近邻算法和蚁群算法,因此最后在数控系统中选用贪心插入算法。最后,为了对小孔机数控系统进行验证与调试,首先对下位机程序进行了仿真验证,接着对上位机程序的命令格式进行检测,最后进行小孔加工实验,通过使用0.8mm空心铜棒对钢材进行打孔实验。结果表明,数控系统运行稳定,外围设备调试正常,小孔加工速率高、表面质量好。