关键词： 特种加工   教学改革   项目驱动   模块化   强化实践  

摘要： 响应国家职业教育对高素质劳动者和技术技能人才的培养要求,结合《特种加工技术》的特点——多学科、信息量大、操作性强、与时俱进,提出一个项目驱动的教学方法,突出教、学、做一体化的职业教育特色.通过模块化教学,探索一种强化实践的、具有较高企业认可度的教学改革方法,并获得了较好的教学改革成效.

关键词： 溢胶处理   手机制造   图像处理   激光加工   自动识别加工  

摘要： 工业视觉技术正广泛应用于机械制造、纺织、食品制造、数码电子产品等各个行业,尤其在手机行业,各种先进的制造技术（如工业视觉技术和激光切割技术）在手机制造相关工序（如手机外壳切割、打标、焊接、主机板制造、雕刻、手机键盘芯片标记等）中得到应用。为了提高生产效率,实现自动化生产,各手机制造商正在研发各种自动化加工设备以代替传统的手工生产。其中在手机壳组装过程中,为保证手机壳及元器件的密封性能,需要填涂过量胶体,再对溢胶进行去除处理,目前采用的方式多为人工去除,效率低,难以保证外观质量;也有个别手机组装厂尝试使用带图像处理技术的加工平台实现溢胶的检测与加工,但是由于溢胶的厚度和形状具有随机性,识别加工效率低、准确率也不是很高,使得加工过程中容易损坏手机壳工件表面,难以满足实际生产要求。针对手机溢胶去除的实际工艺要求,本文利用激光加工和图像识别处理技术各自的优势,以保证手机壳溢胶自动识别的效率及去胶加工精度为设计目标,开发研究了一种基于MFC图像处理的光纤激光自动识别加工平台,给现有的激光加工平台装上“眼睛”,该平台使用了优化改进的定位精度检测算法,在保证较少检测时间前提下提高了检测精度;使用白光干涉原理检测溢胶形貌信息并拟合成激光加工路径,根据溢胶高度值信息自动选择合适的激光加工参数进行激光去胶加工;根据溢胶去除实际问题,利用MFC框架设计开发了一款与加工平台适配的人机交互软件,使用表明:该人机交互软件简洁、易懂,同时适配windows各操作系统。最后通过对实际的样品进行测试加工验证,对加工参数进行调整和优化,结果表明能保证自动识别的效率和加工的精度,满足去胶加工的实际生产自动化的技术要求。同时本文研究的自动识别加工系统对数控加工平台和自动机械手加工也具有一定的借鉴作用。

关键词： CVD金刚石砂轮   水膜辅助激光加工   砂轮表面形貌建模   结构阵列  

摘要： CVD金刚石砂轮作为一种新型磨削工具,具有无结合剂、粒密度高以及耐磨性好的优点。但因砂轮表面容屑空间狭小,磨削时易造成砂轮堵塞,常常采用激光结构化的方法来增大砂轮表面的容屑空间。而激光加工过程中产生的热效应会导致部分已去除的材料通过固化或者凝华后重凝在加工区周围,形成后期难以去除的重凝层,使得加工的微结构边缘不规则,阻挡后续的激光脉冲,降低了激光加工的效率和精度。为解决以上问题,本课题研究了CVD金刚石涂层的水膜辅助脉冲激光加工技术。在激光加工表面利用喷雾形成一层快速流动的超薄水膜,利用水膜的冲刷、冷却以及激光与水膜作用形成的微冲击去除重凝的颗粒,获得无重凝层、结构完整的结构化CVD金刚石砂轮。本文进行了以下几个方面的研究。首先,对喷雾撞壁形成的水膜进行了流体仿真,获得了水膜的分布特点、特征尺寸以及喷雾参数变化对水膜的影响;通过分析水膜的特点,找到了水膜辅助激光加工的适宜区域,进而搭建了水膜辅助激光加工实验平台。从烧蚀形貌、表面成分以及理论分析角度对比了水膜辅助激光加工与其它形式水辅助激光加工的不同,发现水膜辅助激光加工在有效去除激光加工产生的重凝层的同时能够保证加工的准确性和连续性。其次,进行了水膜辅助激光加工工艺研究,对加工涉及的六个影响因素进行了正交实验,得到了影响水膜辅助激光烧蚀特征的显著性因素,然后对各因素进行了单因素实验,得出了不同因素对水膜辅助激光烧蚀特征的影响规律;并且得到所搭建系统单次扫描加工的沟槽宽度范围在20-40μm,深度在30-300μm。同时,基于激光烧蚀阈值理论以及水膜对激光加工过程的影响规律,建立了水膜辅助激光烧蚀模型,建立的烧蚀模型与实验结果具有较好的一致性。最后,进行了结构化CVD金刚石砂轮表面的三维形貌建模,获得了有效磨粒数量以及特征尺寸的分布情况,研究了微结构表面的宽度、结构化率以及角度等参数对砂轮表面有效磨粒数、磨粒刃宽度以及磨粒间隔等参数的影响规律。然后,进行了方形结构烧蚀,并修正完善水膜辅助激光烧蚀模型。基于砂轮表面形貌模型以及水膜辅助激光烧蚀模型,选择待加工砂轮表面的微结构,确定所需要的工艺参数,并利用水膜辅助脉冲激光加工技术成功获得了无重凝层、结构完整的结构化CVD金刚石砂轮。

关键词： 3D打印   钛合金   激光加工   表面粗糙度   生物相容性  

摘要： 3D打印(也称为增材制造)正迅速发展成为生产复杂构件的新型技术。目前3D打印存在精度与效率间的矛盾,构件必须通过后续加工处理来保证精度。研究学者们尝试采用喷砂,机加工,酸蚀,电抛光或电化学抛光等后处理方法改善表面质量。然而这些后处理方法存在的灵活性差和加工效率低等缺陷限制了它们的工程应用。因此,探索3D打印构件的后续减材加工方法非常重要。纳秒激光加工在金属材料的加工效率、加工成本等方面表现出很大优势,有望成为3D打印钛合金后续减材加工的重要技术方法。然而3D打印构件后续激光加工方面的研究在国内外才刚刚起步,尚有深层次的理论问题和关键技术问题未解决。本文以改善3D打印钛合金表面粗糙度为目标,采用纳秒激光对3D打印钛合金表面进行抛光,系统地研究了光斑重叠率、激光功率和扫描次数对抛光效果的影响。本文不仅实现了对3D打印钛合金的表面形貌和粗糙度的改善,并对抛光后钛合金的组织性能以及生物相容性进行了研究。所得主要结论如下:(1)光斑重叠率是通过累积在样品表面的能量影响抛光效果。当光斑重叠率OP和OP为50%时,纳秒激光抛光可获得较好的抛光效果与表面质量,粗糙度为5.1μm。若重叠率小于50%会造成抛光不完整,重叠率大于50%会造成表面重新融化凝固形成突起,粗糙度反而增加。3D打印钛合金的抛光效果与激光功率呈正相关,在功率40W可以获得最佳的抛光效果,粗糙度为3.9μm。随着激光重复扫描次数的增加,工件表面粗糙度整体呈下降趋势。当扫描次数增加到10次,粗糙度为1.3μm。(2)3D打印钛合金抛光后在抛光区域形成α’马氏体,其表面显微硬度比空白样品表面提高了35%。CT结果证实了激光抛光可降低孔隙率和致密化表面层,抛光后表层在0-10μm内可达99.8%的致密度。采用LP-2抛光参数处理后的样品消除了外部的孔隙和裂纹,进而降低表面粗糙度、减少裂纹萌生,抗疲劳性能得到提高。(3)采用LP-2抛光参数处理后提高了3D打印钛合金的生物学性能,样品接触角从102.6°下降到68.5°,表面更亲水,为成骨细的黏附、增殖,分化提供了有利的微环境。

关键词： 传统陶瓷   脉冲CO2激光   工艺参数   多目标优化   预测模型  

摘要： 当今,传统陶瓷应用场合越来越多,对其加工提出了在尺寸精度方面的更高要求。而陶瓷作为高硬度、高脆性材料于外力敏感,采用机械加工方法表面应力较大,对陶瓷表面的破坏较大,废品率高,而烧结后的陶瓷成本又高,难以实现高效率加工。激光加工作为一种无接触、速度快、精度高的先进制造技术,为传统陶瓷的加工开辟了理想实用的加工途径。近年来,陶瓷材料的激光加工的研究主要集中在高纵深比的激光钻孔和激光铣削表面质量控制两方面。而所研究的陶瓷材料主要为工程陶瓷。在传统陶瓷领域的激光加工实验和理论的研究处于基础阶段。本文基于传统陶瓷材料,以脉冲CO激光器为加工平台,从基础理论的研究开始,通过实验及实验数据开展了如下工作:1、利用了光的传播理论对激光在陶瓷材料中的传播和吸收过程做了宏观描述,在只分析激光的光热作用的前提下,研究了陶瓷的升温和汽化过程,建立了陶瓷的单侧熔体喷射去除模型,并结合实验计算了所用陶瓷材料的二氧化碳脉冲激光的加工阈值为13.74J/cm。2、采用ANSYS的APDL语言实现了陶瓷激光加工过程温度场的动态仿真,试探究了温度场随三个工艺参数变化的变化关系,得出光斑中心最高温度随功率和扫描速度增大呈单趋势变化;但随重复频率变大则呈先减小后增大趋势,且变化幅度在几十度范围内。3、使用单因素控制变量法设计实验,通过实验数据得到了工艺参数对加工深度的影响关系,并建立单层单道陶瓷激光加工基于加工深度和加工宽度指标的评价标准。4、响应曲面法设计了双目标优化模型,并以加工深度和加工宽度的评价标准为优化目标,数据分析得出了陶瓷激光加工的最优工艺参数组合为激光功率23.5W,扫描速度2.5mm/s,重复频率2KHz,该工艺参数组合下得出陶瓷加工的深度为0.32mm、加工宽度0.85mm。5、基于所有实验数据,利用MATLAB建立了对传统陶瓷材料的脉冲二氧化碳激光加工的宽度和深度的BP神经网络预测模型,并实现了在0.025mm的平均绝对误差范围内对加工形貌的成功预测。

关键词： 电火花加工   颗粒增强金属基复合材料   放电击穿   材料熔蚀   材料抛出  

摘要： 颗粒增强金属基复合材料兼备金属基体和非金属颗粒增强体材料的综合特性,在具有较高的强度、韧性的同时,还具有耐热、耐磨等特殊优势。相比纯金属材料,高强高硬的难熔陶瓷颗粒的引入使得颗粒增强金属基复合材料的切削加工难度显著增大,特别是加工过程中存在严重的温升和刀具磨损问题,导致加工效率低下,加工精度难以满足要求。电火花加工具有非接触加工,不受材料强度、硬度限制等特点,非常适合颗粒增强金属基复合材料等难加工材料的精密加工。但是,由于增强颗粒与基体之间存在较大的物理特性差异,导致电火花加工颗粒增强金属基复合材料时,其在微观放电及材料蚀除过程机理方面与传统均质材料相比具有显著的特殊性,目前考虑颗粒增强金属基复合材料非均质特性的电火花加工机理仍不十分清楚。本文针对放电及材料蚀除机理开展研究,仿真模拟了放电击穿及放电通道形成的微观过程,建立了颗粒增强金属基复合材料电火花加工材料熔化、抛出、凝固模型。开展了材料蚀除过程全周期仿真,分析了不同放电参数下材料表面温度分布及熔池形貌,揭示了熔融基体材料与固态颗粒增强体高速抛出微观过程及凹坑形貌形成过程,分析了凝固过程中残余应力分布规律以及对微观裂纹的影响。本论文主要从以下方面开展研究工作:(1)电火花加工放电磁流耦合过程研究。分析放电击穿后放电通道形成、振荡及消逝物理变化过程。基于等离子体运动理论,推导出带电粒子振荡数学模型。以此为基础通过叠加放电感应磁场,进一步得到了放电通道内带电粒子在磁场中的磁流体运动方程。借助Fluent流体动力学软件,引入磁流耦合模块,建立了放电区域等离子体运动微观模型,模拟了放电击穿过程及其箍缩效应。探究了放电区域瞬态速度场和压力场动态特性,并通过仿真和试验揭示了放电通道振荡对凹坑形貌的影响规律。(2)复合材料基体与增强体微观熔蚀过程研究。依据颗粒增强金属基复合材料物性特点,分析其在放电击穿后能量转化过程;在考虑界面热阻存在的情况下,计算复合材料导热系数,以傅里叶传热方程为基础推导出金属基体及颗粒增强体热传导本构数学模型。以紫铜为电极,以铝基碳化硅复合材料为工件,使用二次开发接口将热流密度表达式编译为程序,作为热源加载到两极表面。对两极表面加热及熔化过程进行仿真建模,获得了沿半径及深度方向温度场分布云图,得到了包含熔融基体材料与固态颗粒增强体的熔池形貌。(3)熔融材料流固耦合抛出过程研究。在考虑等离子体振荡基础上,以磁流体动力学和流体力学理论为依据,推导出复合材料抛出数学模型。建立了熔融液态金属基体与颗粒增强体的材料抛出流固耦合动力学模型,使用二次开发接口将材料抛出数学模型编译为程序,作为放电抛出速度条件。研究了高压作用下放电区域磁流体力对熔池内熔融金属及颗粒增强体运动影响,探究了熔融金属夹带颗粒增强体抛出的微观过程,同时,得到了电极和工件蚀除体积随时间变化规律。(4)残余材料重凝微观过程研究。结合材料相变理论,考虑复合材料物性及相变过程的特殊性,分析各相材料性态演化及凝固过程。以流场仿真结果作为结构场初始条件,在结构场中建立了各相材料凝固模型,实现了流固耦合单向仿真分析,得到了熔融材料随时间相变过程,获得了重凝层内裂纹尖端应力重分布状态以及残余材料固化后的放电凹坑微观表面形貌。使用扫描电镜对凹坑表面形貌和表面裂纹分布情况进行观测,试验结果验证了仿真的正确性。(5)颗粒增强金属基复合材料电火花加工材料蚀除过程全周期分析。基于已有的独立仿真模型,构建热力磁流耦合场的多场耦合模型,开展复合材料电火花加工材料蚀除过程全周期分析。以紫铜为电极,建立颗粒增强金属基复合材料放电击穿过程、熔蚀过程、抛出过程以及凝固过程完整仿真模型,考虑不同放电参数的影响,研究了电加工参数对放电区域材料蚀除体积、电极相对损耗率以及残余材料冷却过程中多相材料性态演化和微观表面形貌影响规律。结果显示,随着放电能量增加电极相对损耗率也在增加,试验结果验证了仿真结果的正确性。

关键词： 激光加工   表面活性剂   水热   光催化  

摘要： 多边形及表面特性丰富的纳米材料由于其优异的性能在光催化中应用广泛,基于激光加工制备纳米颗粒的优势和局限性,本文通过添加不同的表面活性剂改变激光液相烧蚀水溶液的溶剂环境,调控出不同形貌结构的Ag纳米粒子并与半导体材料二氧化钛(TiO2)和石墨烯基材料还原的氧化石墨烯(rGO)复合,从而制备出高光催化活性的纳米复合材料。其中在表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)的调控下,激光烧蚀Ag片制备的Ag纳米颗粒呈现月牙状,激光烧蚀Ti片可获得分散性更强的TiO2纳米颗粒。TiO2主要以金红石晶相为主,Ag纳米颗粒是典型的面心立方结构。除此之外,复合材料Ag/TiO2的结合扩宽了可见光区域光吸收,并且随着DTAB浓度增大,吸收峰出现红移,表示Ag和TiO2之间强烈的相互作用。在此基础上,本项研究进一步探究在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液中激光烧蚀制备rGO/Ag复合材料。在水溶液中混合GO和浓度可调节的PVP,通过脉冲激光烧蚀产生具有面心立方晶体结构的Ag纳米立方体,然后借助PVP将其负载在rGO纳米片层。PVP对Ag(100)晶面的优先吸附导致产生了暴露(100)面的Ag纳米立方体。结果表明,球形颗粒的形貌产率随PVP浓度的增加而降低。X射线衍射(XRD)和紫外可见光谱(UV-vis)分析证实了溶液中GO的部分还原。并将搭载Ag纳米立方体的rGO用于光催化还原CO2,该复合材料在6小时内的光催化转化率可达到133.1μmolg-1 h-1。除了添加表面活性剂,本项研究最后一部分工作通过激光烧蚀复合水热处理的加工方式获得了多尺度结构化的Ag/TiO2纳米复合材料。水热法具有较小的晶体热应力,较小的宏观缺陷以及较高的均匀性,在调节纳米粒子的形貌方面显示了极大的优势。通过优化混合工艺的顺序和水热反应时间,成功制备了 TiO2的类海胆结构和枝晶状结构,这些多尺度结构中的散射效应增强了紫外线的吸收。Ag纳米颗粒进一步负载在该结构TiO2上避免了纳米颗粒的大量团聚,并获得了具有优异光学性能的Ag/TiO2复合材料。

关键词： 少模光纤   长周期光纤光栅   飞秒激光   激光加工  

摘要： 长周期光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域具有广泛应用。飞秒激光以其精密的局部加工能力,在全光纤型器件制备极具应用潜力,陆续有谐振腔、微通道、光栅等器件被成功制备。本论文基于飞秒激光加工平台开展长周期少模光纤光栅制备技术研究,研究内容涉及理论分析、仿真优化、加工平台调试及实验制备,主要研究成果包括:(1)阐述光纤及长周期光纤光栅的模式耦合理论,利用COMSOL软件数值仿真两模光纤的性能参数,并数值分析了长周期光纤光栅各参数对少模光纤光栅透射谱的影响。对飞秒激光与透明物质相互作用机理与过程进行分析,重点介绍了飞秒激光导致两种不同折射率调制类型。(2)为了实现长周期少模光纤光栅制备,搭建飞秒激光加工平台。介绍加工平台工作原理和加工参数优化过程,开展加工平台空间光路的优化,完成光纤夹具平台和聚焦设计。(3)利用飞秒激光加工平台完成长周期光纤光栅制备,利用长周期单模光纤光栅制备结果优化飞秒激光加工参数。在此基础上,完成长周期两模光纤光栅制备实验,在8nm波长范围内实现了纤芯基模到包层模的耦合转换效率高达99%。

关键词： 飞秒激光   碳纳米管薄膜   材料阈值   微孔形貌   拉伸性能  

摘要： 碳纳米管(Carbon Nanotubes CNTs)薄膜为微纳米级厚度薄膜类碳材料,其具有良好的光学、力学、较高导电性可以应用在柔性设备、微型传感器和太阳能电池等方面。飞秒激光因其极高的峰值功率和极短的脉冲宽度几乎可以实现任何材料的精密微加工,是CNTs薄膜指定结构精密制造的一种有效手段。本文采用飞秒激光对CNTs薄膜进行了理论与试验研究。首先,本文对飞秒激光与CNTs薄膜在时间尺度上相互作用的物理过程进行了讨论,描述了飞秒激光与CNTs薄膜作用的双温模型,通过该模型利用COMSOL对飞秒激光与材料相互作用过程中电子与晶格温度随时间的变化进行了模拟与分析。同时采用飞秒激光对CNTs薄膜进行了烧蚀试验,讨论了脉冲宽度300fs、不同波长条件下材料的烧蚀阈值。其次,在理论研究的基础上研究飞秒激光烧蚀CNTs薄膜材料的影响规律,通过优选打孔的方式采用不同的飞秒激光参数(波长、脉冲能量、脉冲数量)对CNTs薄膜进行烧蚀研究。研究结果表明较短的激光波长可以烧蚀较小的材料烧蚀孔径,但产生相对较大的CNTs抛出物;激光的脉冲能量是影响CNTs薄膜烧蚀孔径的主要影响因素且烧蚀孔径随着脉冲能量的增加而增大;脉冲数量对材料烧蚀孔面积和深度影响不明显。同时在微孔研究的基础上结合拉曼光谱分析进行了飞秒激光切割CNTs薄膜试验。较高的激光能量将使CNTs薄膜切割边缘产生重凝且造成材料表面损伤,合理的激光参数选择可以实现材料的完全切割,且切割位置的物理组成和缺陷度与初始材料相比未发现明显变化。最终在优选的激光参数下加工获得了良好的CNTs薄膜切割。最后,为了将CNTs薄膜应用于柔性电子设备,本文对飞秒激光切割所得的CNTs薄膜拉伸性能进行了研究。分析了不同激光能量切割CNTs薄膜沿着管束轴向与径向拉伸,较高的激光能量破坏材料原有的组织结构致使拉伸强度、杨氏模量和拉断伸长率均产生不同程度降低。论文所得飞秒激光与CNTs薄膜相互作用的结果对CNTs薄膜材料应用具有重要意义。

关键词： 模糊PID控制   电火花加工   间隙检测   伺服系统  

摘要： 电火花加工是特种加工领域的一个重要方向,间隙状态检测和伺服控制技术是制约这项技术发展的重要因素,传统的检测方法跟不上现代加工的需求,达不到期望的精度,基于此,本文深入研究了电火花加工当中的开路、火花放电、电弧实时放电及短路、脉间五种不同状态的火花放电波形振动谐波,分析出电压、电流在振动谐波频率上的区别,制定了一个根据各种间隙状态特征不同的特点,对五种间隙状态辨识的原则,由于常规办法的最大缺点是不能很好的区别电弧与正常火花放电状态,因此着重提出了根据频率的不同区分二者的检测方法,以期提高加工效率。通过查阅已有检测方法确定了间隙的平均电压与峰值电压为检测的两个重要依据,基于此提出了一种双路信号采集电路,目的是能够更加准确的采集二者的数据进而交给计算机进行检测,对常规的检测方法进行改进。当判断出具体的状态后根据已有的加工经验制定出合理的模糊规则并建立模糊自适应PID控制器,为后续指导伺服系统运动提出了依据。本文的另一大部分是对电火花加工伺服系统进行了优化设计,对硬件的各个模块进行了阐述,并设计了脉冲电源,以及通过单片机统计各状态的概率模块,开发了上位机系统以及对相关软件进行了阐述。最后,依托SIMULINK仿真软件对电火花加工模型进行数学化的建模,建立仿真模型,通过实验验证了模糊PID控制策略的性能要优于常规的PID控制策略并且对伺服电机控制系统进行仿真,验证了此控制系统有良好的自调整与自适应能力。