关键词： 氮化硅   激光加工   表面织构   点接触   摩擦   磨损  

摘要： 氮化硅作为综合性能最优异的工程陶瓷材料,具有高耐磨、自润滑、高刚度、低热膨胀等特点,被越来越广泛地应用于高性能摩擦副的制造。表面织构因其优异的抗磨减摩特性,已在轴承、密封等部件成功应用。在面接触条件下,表面织构能够有效降低摩擦副的摩擦和磨损;但是,在初始点接触条件下,金属配副的实验结果发现表面织构引起的应力集中会增大磨损,而对于陶瓷材料的研究有待深入。本文针对氮化硅陶瓷材料,开展氮化硅表面织构激光加工机理及其初始点接触下摩擦学特性研究。具体研究内容如下:基于陶瓷材料激光烧蚀阈值理论,构建了激光加工参数与织构形貌尺寸之间的映射关系。通过对激光加工的陶瓷表面凹坑织构进行数据分析,探明了激光加工参数(激光功率和加工次数)对不同陶瓷表面织构的影响规律,进而基于材料激光烧蚀阈值计算方法建立了陶瓷表面织构参数解析模型,实现了陶瓷表面凹坑织构的精确定量加工,为陶瓷激光织构工艺优化提供理论依据。针对水润滑机床主轴中自配副氮化硅轴承的高承载能力需求,研究了氮化硅球/织构化氮化硅盘摩擦副的摩擦学特性。结果表明,表面织构能够显著降低磨损、提高承载能力,特别是双尺寸复合织构在特定工况下使氮化硅球磨损降低93%、承载能力提升244%;同时发现表面织构使磨合后摩擦系数升高,但仍处于超滑状态(摩擦系数低于0.01)。针对油润滑航空液压泵中高温轴承钢/氮化硅摩擦副的抗磨减摩需求,研究了高温轴承钢球/织构化氮化硅盘摩擦副的摩擦学特性。结果表明,特定的表面织构参数能够使摩擦系数降低25%、使轴承钢球磨损降低65%,但如果织构参数不合适反而会增大摩擦和磨损。以上研究可为陶瓷摩擦副的激光表面织构化提供理论支撑,对提升水润滑机床主轴及油润滑航空泵陶瓷轴承性能也具有重要参考价值。

关键词： 飞秒激光   微织构   YW2硬质合金   接触角   Wenzel润湿模型  

摘要： 硬质合金刀具的快速磨损限制了高速切削的加工成本和加工质量,表面微织构能调控硬质合金刀具表面润湿性,改善润滑效果,提高刀具寿命。本文针对激光加工工艺参数对硬质合金YW2刀具表面微织构的影响规律,以及表面微织构形貌参数对硬质合金刀具表面润湿性能的影响这两大核心内容开展了研究。具体研究内容及结论如下:（1）使用不同激光参数加工硬质合金YW2表面,研究激光加工参数对表面微织构形貌的影响规律,选用ISO25178体系中的高度参数建立三维粗糙度与微织构表面形貌之间的定量关系,根据试验结果优化工艺参数,加工出所需的表面微织构。结果表明:随着平均功率和扫描次数的增大,方形微凹坑织构实际边长略有增大后趋于稳定,深度则显著增大后增势减缓直至不再增大;三维粗糙度参数受平均功率和扫描次数影响明显;随着激光加工扫描速度的增大,微凹槽织构的宽度和深度不断减小,当扫描速度大于光斑直径与单脉宽的比值时,微凹槽槽型不连续。当平均功率在2W以内,连续扫描35次左右时,凹坑表面加工质量良好,表面无尖锐凸起物;当扫描速度在50mm/s到150mm/s之间时,凹槽槽形连续,底部平整。（2）利用飞秒激光在硬质合金YW2表面加工方形微凹坑织构,研究了微织构表面形貌参数对表面接触角的影响规律,基于Wenzel润湿模型计算理论接触角,分析方形微凹坑织构表面润湿机理。试验结果表明:对于方形微凹坑织构,不同边长和间距下,实际接触角和计算接触角基本一致,微织构表面形貌参数对表面接触角的影响曲线符合Wenzel润湿模型;当边长为300μm,控制分布密度在13%4%之间可以获得亲水性微织构表面。（3）利用飞秒激光在硬质合金YW2表面加工微凹槽织构,研究了微凹槽织构的宽度和间距对表面接触角的影响规律。试验结果表明:当微凹槽中心距一定时,微凹槽宽度和间距对表面接触角影响不明显;当激光平均功率在2W以内,扫描次数在35左右,控制微凹槽宽度为250μm,微凹槽间距为50μm时,可以得到亲水性表面且加工时间适中。

关键词： CFRP   仿真模拟   烧蚀机理   不同工况   皮秒激光加工  

摘要： 随着能源和环境问题越发突出,人们对于轻量化材料有着越来越多的生产与运用,碳纤维增强复合材料（CFRP）作为轻量化材料的代表,凭借多种优势被广泛运用于航空航天、汽车轮船、大型建筑、化工防腐等多个领域,但是,碳纤维复合材料有着难加工特点。为了解决这一难题,本文使用波长为1064 nm的皮秒激光对CFRP进行数值模拟加工和烧蚀试验研究。皮秒激光脉宽小,可以很大减少热损伤区域。通过搭建的皮秒激光加工试验平台和观测系统,仿真模拟了激光热流模型加工CFRP时材料的吸收情况,并阐述了皮秒激光去除材料的作用机理,动态观测了在不同工况下激光加工材料的过程。在吹气（压缩空气）、空气（大气环境）、真空三种不同条件下研究和对比材料的温度特性、切割深度和表面形貌等,得到最合适的加工环境和工艺参数。主要研究内容如下:（1）阐述了皮秒激光加工技术的情况和应用场景,介绍了皮秒激光加工碳纤维复合材料出现的难点,总结了国内外相关的研究现状。针对CFRP的难加工特点,从硬件系统设计上分别搭建了皮秒激光加工试验平台和观测系统,可以实现吹气、空气和真空三种不同环境。（2）通过激光热传导理论建立了皮秒激光热流模型,利用有限元方法求解了皮秒激光热流模型,得到了激光加工温度场,研究了不同离焦量对激光温度场的影响规律,对比不同离焦量有关烧蚀宽度、烧蚀深度和HAZ的模拟仿真与实验结果,仿真模拟值小于实验值,结果一致。（3）研究并阐述了皮秒激光与碳纤维复合材料的相互作用机理,总结了皮秒激光加工碳纤维复合材料的常见缺陷;并利用皮秒激光加工观测系统记录了材料在吹气、空气、真空条件下的烧蚀过程,对比烧蚀过程中的发生的不同现象,解释现象背后的原因,为后续试验提供理论依据。（4）研究了在吹气、空气、真空等三种环境下,皮秒激光加工碳纤维复合材料时表现出来的不同性质,对比了材料的温度特性、切割深度和表面形貌等。通过利用比色高温计测量各工况下材料的温度变化,利用超景深显微镜拍摄各工况下材料的切割深度和表面形貌,来分析不同工况下材料产生的变化,得到较优的加工环境和工艺参数,很好的抑制材料表面缺陷。

关键词： Micro-EDM   Skin Effect   Tool Wear   Circular Combined Electrodes   FEA   EDM-Milling   Conical Wear  

摘要： 微细电火花加工技术具有广泛的应用,对制造业起着重要影响。在微细电火花加工中,电极磨损是一件不可避免的事情,尤其是在尖端或转角部位。其主要原因是微细电火花加工过程中会有高频电流通过导体,此时会产生集肤效应,干扰导体的电流密度分布。基于这一原理,本研究提出了一种内外两层的圆柱组合电极结构,想要控制电流的密度分布。并基于电磁理论,研究了电流密度分布对复合电极刀具磨损的影响。本研究设计了一种组合电极模型,并进行了一系列有限元模拟,研究了电流密度分布对加工参数的影响。结果表明,该方法可以减小集肤效应,使电流密度分布均匀。这样可以防止电极的边缘磨损。为了验证这些结果,基于田口分析设计了一种实验方法,为实验创建了所有可能的参数组合。制作了圆形组合电极,并进行了电火花铣削加工。经分析,该电极呈锥形磨损,而非直形磨损,证明外层圆通套筒电极的磨损比内层圆柱电极小。因此,研究结果表明,可以制备出磨损较小的复合电极,从而提高加工效率。

关键词： 涡轮叶片   气膜冷却孔   自适应加工   电火花加工  

摘要： 涡轮叶片气膜冷却孔加工是航空发动机制造过程中的关键技术,其加工精度和表面完整性等对涡轮叶片的性能和使用寿命影响很大。由于铸造过程中受复杂内腔结构和热应力的影响,实际涡轮叶片与设计叶片模型之间存在一定的轮廓误差。实际加工中需要对每个叶片的每排气膜冷却孔位置和角度进行人工微调。这种半手工制作的气膜冷却孔加工工艺,严重制约着国产航空发动机叶片的制造质量和生产效率。本文提出一种涡轮叶片气膜冷却孔自适应加工方法,其核心原理是将涡轮叶片曲面轮廓上均匀分布的点云作为基准,通过将涡轮叶片工艺基准和设计基准对齐,修正气膜冷却孔的位置和角度。首先,从实际涡轮叶片中测量出涡轮叶片实测点云,并从涡轮叶片设计模型中提取出标准位姿点云。为了满足涡轮叶片在线测量对于测量精度和测量速度的要求,本文提出一种涡轮叶片外轮廓测量程序自动生成方法,通过均匀二维网格划分的方法提取待测点,通过拟合待测点附近的局部切平面计算法向测量方向,基于蚁群算法规划不同待测点之间的机床运行轨迹。然后,通过对实测点云和标准位姿点云配准,推导出涡轮叶片位姿偏差,并据此修正气膜冷却孔位置和角度。针对涡轮叶片曲面轮廓误差较大的问题,本文提出改进ICP算法,依据点云在基准平面上的重心对齐和主方向对齐,实现高精度和鲁棒性的点云配准。由于配准后仍然有部分点云误差完全重合,本文采用垂心映射法,将气膜冷却孔入口中心点坐标映射到实际涡轮叶片表面。最后,根据机床构型和几何偏差,推导出机床运动误差模型。依据修正后的气膜冷却孔位置和角度,自动生成气膜冷却孔自适应加工程序。经仿真验证,涡轮叶片气膜冷却孔加工误差从现有技术的±0.1mm降低至±0.03mm。

关键词： 弯曲孔加工技术   侧壁开孔管电极   电火花加工   流固耦合   工艺试验  

摘要： 弯曲孔加工技术是机械制造特种加工领域中最前沿的加工技术之一。目前,弯曲孔加工技术已普遍应用在航空、航天、汽车、模具等极其重要的特种加工制造行业领域。相对于深直孔与大直径弯曲孔的加工而言,小直径弯曲孔的课题研究尚处于起步阶段。随着弯曲孔加工技术逐渐向大深径比微小孔方向发展,开展对弯曲孔管电极自导向电火花加工技术这方面的摸索具有十分重要的研究价值。弯曲孔管电极自导向电火花加工是将电火花放电加工基本原理作为基础,采用侧壁开孔管电极作为工具电极在待加工工件材料上进行电火花放电加工弯曲孔的方法。本文所完成的主要工作如下:(1)提出采用侧壁开孔管电极进行弯曲孔管电极自导向电火花加工方法,并对采用此方法加工弯曲孔过程中将遇到的技术问题进行了详细的分析。系统介绍了开展弯曲孔管电极自导向加工试验所使用的试验设备及其使用范围、加工参数、操作步骤等。(2)利用ANSYS有限元仿真分析软件分别建立侧壁开孔管电极固体场模型与工作液间隙流场模型,分别进行间隙流场仿真与孔内工作液流场和端部侧壁开孔管电极固体场间的流固耦合仿真试验,分析加工过程中流场变化情况,端部侧壁开孔管电极冲液压力、初始深度、电极悬长、侧壁开孔直径、侧壁开孔数量等关键因素对管电极弯曲变形的影响规律。(3)为验证数值模拟仿真试验结果规律的正确性与合理性,采用侧壁开孔管电极分别在45#钢材料上进行不同参数的弯曲孔管电极自导向电火花加工试验。使用三维形貌仪对实验结果进行检测,得出单因素试验下各个参数对工具电极弯曲变形的影响规律,趋势性的验证了数值模拟仿真试验结果规律的正确性与合理性。根据仿真试验与加工试验所得出的结论,选用合理的加工参数,开展弯曲孔管电极自导向电火花加工工艺试验,加工出形貌较好的弯曲孔。

关键词： 激光加工   打孔   柱面打孔   扫描聚焦  

摘要： 激光打孔与传统的打孔方式相比存在极大的优势,它在工业中的应用非常广泛。随着激光打孔技术应用范围的逐渐增加,被加工的材料已经可以从薄板扩充到烟支、缓释药片等,此类材料厚度不大但表面呈曲面,且一般加工数量较多,对速度要求较高,这对激光打孔设备和工艺提出较高的要求,传统的激光打孔设备由于只能在平面上打孔极大限制了其应用范围。鉴于烟支表面打孔这种应用需求,本文研究了一种在柱面这类曲面上的扫描聚焦方式来实现激光打孔。为了实现在曲面上激光打孔的目的,提升激光打孔的质量,本文提出了一种扫描弧形柱面聚焦激光打孔系统。首先分析了激光的特点和激光与物质作用的规律,对传统的激光打孔聚焦方式的特点和光束整形原理以及光束传输特性进行了研究,并基于上述几点设计扫描柱面聚焦激光打孔的总体方案。总体方案中首先选择了最大输出功率为250W,波长为10.6μm的CO激光器,针对此类大功率激光器采用了水冷的方案,控制系统应用的是成熟的基于ARM和CPLD的联合控制,而机械系统则是设计了一套基于负压吸风鼓轮带烟装置,这类装置将会结合光学聚焦系统实现在柱面上打孔的目的。接下来在光学系统中使用光学软件建模并仿真了用于激光柱面聚焦的两种透镜,这两种透镜前一种是将光斑压缩为线性光斑,后一种则是将前面压缩的线性光斑通过旋转棱镜扫描的方式在曲面上聚焦为点光斑,优化后这两类透镜均实现了对光斑聚焦为0.15mm线宽的要求。紧接着分析了用于制作光学系统材料,得知ZnSe晶体的光学性能和机械性能较为适合CO激光聚焦镜的加工,然后对其加工工艺进行了简要说明。因诸如烟支此类激光打孔为提高效率一般采用双激光打双排孔,最后利用光学软件模拟了光学系统的打孔光斑,分析了双聚焦光斑效果和曲面光斑能量,得到直径0.15mm大小的光斑且光强分布均匀,聚焦效果良好,满足烟支激光打孔的要求。最后对脉冲宽度、激光功率、脉冲数量等激光打孔工艺参数对烟支激光打孔的影响进行了研究。本文的研究将会给激光打孔在柱面此类曲面的应用尤其是烟支嘴棒激光打孔的工业应用提供技术支撑。

关键词： 电火花加工   电极损耗   复合电极   凹形刀具端头  

摘要： 在生物医学、汽车、航空航天、半导体和电子器件领域,微系统都起到了重要作用。电火花加工(electric discharge machining,简称EDM)能够在任何导电材料上产生微观结构,而不用考虑它材料的特性。然而,工具电极的磨损却一直是阻碍着微细电火花加工在实际工业领域应用的一大壁垒。为了改善电极的损耗,本研究提出了一种由芯部和包层组成的复合电极。采用田口法设计了锌铜复合电极的实验基体。为了探讨电参数对组合刀具形状的影响,选择了四种不同的峰值电流和脉冲宽度。同时,对铜镀层厚度、锌芯板厚度、芯板与镀层之间的间隙等非电参数选择了两种不同的水平。根据参数的数量和相应的级别使用L16的正交数组。每次试验重复三次,以消除数据的不确定性。因此,共进行了48次试验,并仔细记录了每次实验的响应数据。数据分析采用田口分析、方差分析等统计工具。结果表明,除脉宽外,其它电参数对复合电极的侧磨损均有显著影响。而磨损长度之间的差异并不取决于堆芯包层板之间的间隙。因此,在铜作为芯材和包层材料的情况下,对芯包层板间距、包层板厚度和包层板厚度进行了多层次的单因素实验。在单因素实验中,利用方差分析模型只研究了一个因素,并比较了不同水平的响应均值。结果表明,减小板间间隙可显著降低侧面磨损,但对磨损长度的差异无影响。降低覆层板的厚度可以降低侧磨,但其最佳值取决于芯材的厚度和材质。此外,使用铜锌复合电极时,侧面的磨损将进一步降低。因此,使用这种类型的组合电极,并且使得极板之间的间隙尽可能地缩小,那么电极的侧面磨损在微观水平上会得到显著降低,能极大地降低成本。

关键词： 电火花   旋转超声   多体系统理论   BP神经网络   伺服控制  

摘要： 电火花加工是指在一定的介质中,通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀作用,对工件进行加工的方法。主轴旋转超声振动对提高电火花放电稳定性,增大放电间隙,提升材料去除率,促进电蚀产物排出有很大作用。由于旋转、超声振动、放电加工三者复合加工过程比较复杂,因此本文主要针对主轴旋转超声振动辅助电火花加工的伺服控制系统做出研究。首先,分别从放电通道的形成与扩张、材料的去除机理和极间介质的消电离三方面研究了电火花加工机理;然后,从放电间隙、粒子能量、抛出物及材料去除方面分析了主轴旋转超声振动对电火花加工的影响。此外,为了提高加工精度,在课题组目前已研发的电火花加工机床基础上,针对机床的结构特点,分析了机床各主要运动部件产生的误差,采用多体系统理论描述其结构关系,以齐次坐标变换法推导出了几何误差模型。在保证整体精度的要求下,建立了使几何误差-成本最小化和几何误差-可靠性最大化的优化函数。使用ISIGHT和MATLAB软件,采用NSGA-II算法的方法进行了优化分析,结果表明该模型能够在保证精度的前提下适当降低成本,提高可靠性。为了设计高效的伺服控制系统,建立了控制系统位置环、速度环、电流环、加工间隙等各环节的数学模型,并使用MATLAB中Simulink进行了仿真。经典的PID控制算法难以处理加工间隙复杂的变化情况,因此本文基于BP神经网络设计了PID自适应调节控制器,并使用MATLAB中Simulink进行了仿真分析。以C++为开发语言,对IMAC400运动控制卡进行了二次开发。设计了人机交互界面,主要开发了状态监测模块、运动控制模块、程序管理模块和在线指令模块四个模块。设计了BP-PID控制器对电火花加工间隙进行实时控制,将间隙电压检测电路检测到的间隙平均电压作为输入参数,通过建立的电火花加工间隙模型从而对放电间隙进行控制。仿真结果表明,设计的BP-PID控制器有着较好的快速性和稳定性能,伺服控制系统具有理想的自调整与自适应能力。

关键词： 柔性电极   多孔石墨烯   激光加工   结构制造   平面微型超级电容  

摘要： 可穿戴和便携式电子设备朝“轻薄化”与“小型化”方向的快速发展,极大地刺激了现代社会对高能量/功率密度、轻量便携化和柔性化储能器件的强烈需求。近年来,伴随着激光加工聚酰亚胺(Polyimide,简称PI)薄膜诱导多孔石墨烯柔性电极技术的出现,在柔性基底上高效、低成本和大规模制造柔性微纳储能器件成为了可能。然而,传统工艺加工的多孔石墨烯电极面临纯度不高、润湿性差和电化学性能受限等瓶颈,探索高效、低成本加工多尺度微纳多孔结构石墨烯电极以及微纳复合结构赝电容材料沉积石墨烯电极的新型制造工艺成为了解决上述问题的关键所在。鉴于此,本文以多孔石墨烯基平面微型超级电容为研究对象,对其内部设计及电极加工机理、电极微纳多孔/复合结构制造、结构表征、电荷存储与柔性性能展开研究,主要研究工作如下:(1)平面微型超级电容结构设计及其电极加工机理结合可视化设计方法,提出了新型平面微型超级电容及其叉指状结构电极的设计思路。结合有限元仿真模拟,从激光静态和往复式动态辐射PI薄膜热分析揭示了辐射区域表面和内部的温度场及其随激光功率和扫描速度变化的演化规律。在此基础上,从产物诱导机理、产物微观形貌以及其在不同激光功率下演变规律三方面阐明了两种类型激光与PI薄膜的相互作用机理。(2)石墨烯柔性电极微纳多孔结构制造与表征基于传统KOH活化工艺,分析了多孔石墨烯与KOH在空气中的活化机理,并探究了多孔石墨烯表面微纳多孔结构的激光制造工艺。对石墨烯柔性电极微纳多孔结构制造前后表面微观结构、内部化学结构和关键物理性能进行了系统化表征,并重点研究了KOH活化浓度对该结构石墨烯电极表面微观形貌、石墨烯层数、缺陷结构与化学结构的综合影响规律。结果表明,中等浓度KOH在空气环境中活化能够改善多孔石墨烯的质量、杂原子(氮和氧)掺杂和润湿性,而高浓度KOH活化有助于碳原子缺陷和多尺度微纳多孔结构的制造。(3)微纳多孔结构石墨烯柔性平面微型超级电容应用研究在石墨烯微纳多孔结构制造工艺基础上,研究了微纳多孔结构石墨烯平面微型超级电容的整体性能表现。系统化表征了该平面微型超级电容的电荷储存与柔性性能,验证了它在实际用途的可行性,并重点探究了KOH活化浓度对它的循环伏安、恒电流充放电和电化学阻抗谱的影响机制。结果表明,不同浓度KOH活化的微纳多孔结构石墨烯微型超级电容在低扫描速率下具有良好的双电层电容特性和倍率性能,并随着KOH浓度的增加其面电容也随之增大。该微型超级电容也展示出优异的循环稳定性、电压和面电容串并联一致性和柔性性能。(4)FeO沉积石墨烯电极微纳复合结构高效制造及性能研究掌握了激光与氯化铁涂覆PI薄膜的相互作用机理,并探究了纳米颗粒高效沉积多孔石墨烯的激光制造工艺。对纳米颗粒沉积前后多孔石墨烯的表面和透射微观形貌、化学成分和关键物理性能进行了系统化表征。通过毛细上升测试分析,研究了不同样品宽度以及纳米颗粒沉积浓度对微纳复合结构电极毛细性能的影响及毛细性能强化机理。结果表明,该电极微纳复合结构的制造有利于介孔(2～50 nm)结构的生成、微观孔隙网络的改善和毛细性能的大幅提升,并且随着纳米颗粒沉积浓度的增加,作用效果愈加明显。(5)微纳复合结构石墨烯柔性平面混合型微超级电容应用研究在石墨烯微纳复合结构制造工艺基础上,研究了不同纳米颗粒沉积浓度对该结构电极及平面混合型微超级电容性能的影响规律。分析了该微纳复合结构石墨烯电极的插层式赝电容效应及揭示了不同沉积浓度和扫描速率对其电荷存储贡献率的影响机制。系统化表征了该平面混合型微超级电容的电荷储存与柔性性能,并重点研究了纳米颗粒沉积浓度对其循环伏安、恒电流充放电和串并联的影响规律及复合结构作用机理。结果表明,该复合结构电极主要以扩散控制的插层效应为主,并随扫描速率的增大贡献率逐步下降。该结构平面混合型微超级电容随着沉积浓度和扫描速率/电流密度的增大可逆性逐步变差,并随着沉积浓度的增加电荷储存行为逐渐从表面电容效应为主过渡成插层效应为主。该结构平面混合型微超级电容也展示出良好的循环稳定和柔性性能,最高面能量密度高达60.20μWh/cm,优于目前大部分报道的平面混合型微超级电容。