关键词： 碳纤维增强复合材料   皮秒激光   变质层   工艺参数优化  

摘要： 碳纤维增强复合材料由于具有密度小、比强度高、韧性高以及化学稳定性好等优越的性能,在航空航天、汽车和民用消费品等领域应用越来越广泛.本文结合试验研究分析皮秒激光加工碳纤维增强复合材料过程中的熔渣、切缝锥度、变质层等一系列缺陷及其产生的机理,并在此基础上提出工艺参数优化的具体措施,提高材料的加工质量.

关键词： 热障涂层   微小孔加工   磨料冲蚀加工   电火花加工   涡轮叶片气膜孔  

摘要： EB-PVD热障涂层因其具有高隔热性、低热导率、高熔点和耐磨损等优异性能被广泛应用在航空发动机的涡轮叶片上,并且与气膜孔协同作用,在提高热端零部件的承温能力方面起着非常重要的作用。但是,由此带来的难题是如何在热障涂层涡轮叶片上进行微小尺度的气膜孔加工。本文开展了EB-PVD涂层零件的磨料冲蚀和电火花组合加工试验研究,先在热障涂层上进行磨料冲蚀加工,再在冲蚀孔的位置上进行电火花穿孔加工,探索先涂层后制孔的气膜孔加工方法,论文主要工作包括如下内容:首先,开展了EB-PVD热障涂层磨料冲蚀机理的仿真研究。通过数值模拟并结合现有的研究成果,初步分析得出EB-PVD热障涂层的磨粒冲蚀加工去除机理。结果表明,在单磨粒冲击时,热障涂层表面会先产生压痕,同时涂层受冲击后产生的内应力会在柱状晶内进行传播,继而会在产生的拐弯带处萌生裂纹。随着磨粒的不断冲击和能量的不断传播和累积,裂纹会逐步向拐弯带的弯折方向扩展,最终导致成片的剥落,并且较大的磨粒粒径和较高的冲击速度都会提高对热障涂层的破坏能力。其次,分别开展了30°斜孔和90°直孔的磨料冲蚀正交试验,分析了磨料浓度、射流靶距和冲孔时间对孔型特征的影响规律。结果表明,射流靶距是影响孔径的主要因素,冲孔时间是影响孔深的主要因素。在这基础之上,基于BP神经网络对期望孔型进行了射流靶距和冲孔时间的预测,验证试验表明试验结果与预测结果的最大误差百分比不超过6%,并且设计了GUI界面以实现人机操作性,为后续电火花加工做好准备。最后,在单脉冲电火花放电温度场仿真的基础上,进行了电火花加工参数的选择和冲蚀孔位电火花加工的试验研究,探究了电火花加工参数对热障涂层冲蚀斜孔和冲蚀直孔的影响情况。过大的峰值电流和脉宽都会对涂层产生较大的破坏作用,也会增大电蚀产物不能及时抛出导致堆积的可能性。

关键词： 超疏油   微观悬臂结构   激光加工   电化学沉积  

摘要： 超疏液表面指液体在其上接触角大于150°的表面,包括超疏水表面和超疏油表面。其中,超疏水表面仅对水的接触角大于150°,而超疏油表面对水和油的接触角均大于150°。超疏水表面在自清洁、防结冰、耐腐蚀等方面有着广泛的应用前景,但超疏水表面易被油类液体污染而失去使用价值,因此超疏油表面相较超疏水表面更具研究意义。研究表明构建具有上宽下窄特征的微观悬臂结构是获得超疏油表面的有效方法。但现有制备方法普遍存在工艺流程复杂、成本较高等缺点,且无法应用于常用的工程金属材料上。因此本文提出将微观悬臂结构分为底部微柱结构和顶端悬臂结构两部分,通过激光加工和电化学沉积的组合工艺进行制备。采用纳秒激光在紫铜片上制备出微柱阵列,经低表面能处理后,通过液-气界面可调控的电化学沉积制备出顶端悬臂结构。同时探究了激光加工参数对微柱结构尺寸的影响,微柱结构阵列的润湿性、电化学沉积过程中两电极间的电场分布、液-气界面形状对微观悬臂结构生长方向的影响,电化学沉积参数对悬臂结构尺寸的影响以及微观悬臂结构尺寸参数对其润湿性的影响。通过纳秒激光加工获得的紫铜微柱结构阵列经过降低表面能处理后对水的接触角为161°,微柱高度随激光功率P增大而增大、随扫描速率v、频率f以及线间距d增大而逐渐降低,微柱结构的锥度基本保持一致。采用仿真软件COMSOL对电化学沉积过程中两电极间电场进行分析,仿真结果表明电化学沉积过程中电场线在微柱结构顶部边缘处分布更为集中,边缘处电流密度较大。在沉积初始阶段,悬臂结构沉积速度较快,随着沉积进行,顶端悬臂结构直径增长速度降低。通过调控液-气界面形状获得了5°-59°不同局部几何角度的微观悬臂结构,通过控制沉积参数可以获得不同顶端直径的悬臂结构。经过降低表面能处理的微观悬臂结构阵列对水接触角达到160°,对花生油接触角达到158°。即使当顶端悬臂结构直径为70μm,中心距为240μm的极端条件下该结构依然具有超疏油性。进一步减小顶端悬臂结构直径和增大阵列中心距不利于其超疏油性。

关键词： 激光加工   激光烧蚀   LIPSS   吸收率   烧蚀效能  

摘要： 激光加工是实现高精度加工的一项重要技术手段。随着经济社会的发展,现代精密加工业对于激光加工的速率、精度以及效率等同时提出了更高的技术要求。然而传统体制的激光无法同时满足这一实际工程需要,因此设计一种具有高烧蚀效能的新体制脉冲串激光就显得尤为迫切。本论文通过在典型金属材料表面产生激光诱导表面周期性结构(LIPSS)的方式实现了材料能量绝对吸收率的大幅提升,并基于这一技术手段设计了一种能够高效能烧蚀典型金属材料的纳秒脉冲串激光。脉冲串分为提升材料绝对吸收率的前序脉冲和热力烧蚀脉冲两部分。论文首先以激光与材料相互作用的各过程时间尺度为基础,综述了不同体制激光对靶材的烧蚀过程和烧蚀效应。接下来对影响激光烧蚀效果的一项重要指标——材料的能量绝对吸收率展开了重点探究,总结出了升高温度和改变材料表面形貌两种实际可行的提升绝对吸收率的方法。根据实际工程的需要,选定了通过在材料表面制备规则微形貌的方式来提升材料吸收率的技术路线。LIPSS是一种由激光诱导产生的具有高精度、高空间频率的固体材料表面微结构。通过LIPSS来改变金属靶材的表面形貌具有很强的可操作性。论文首先根据材料表面附近的入射波与广义散射波干涉模型(Sipe模型)论述了 LIPSS形成的能量条件和表面形貌条件。接着根据Sipe模型对典型金属材料表面LIPSS的形成过程进行了模拟。使用波长为1.064μm,重复频率为1Hz,脉冲宽度为10ns的脉冲串激光在45#不锈钢样品表面诱导产生了高质量的LIPSS,样品绝对吸收率由0.31最大提升至0.58。当LIPSS开始被破坏,质量下降时,样品绝对吸收率也随之降低直到损伤条纹产生时样品绝对吸收率下降至0.32。LIPSS质量与LIPSS光栅的高度和表面平滑程度以及绝对吸收率具有相对应的正相关关系。接下来,针对激光对靶材烧蚀的第二阶段,即热力效应主导阶段,探究了不同体制激光对典型金属材料的热力烧蚀效应。基于COMSOL软件搭建了传统体制激光烧蚀铜、铁、铝三种典型金属材料的仿真模型,分析了其对典型金属材料烧蚀的特点。基于纳秒脉冲激光的加工质量较高以及典型金属材料绝对吸收率与温度的正相关关系,探究了纳秒脉冲激光对典型金属材料的烧蚀效应。与总能量和激光总作用时间相同的纳秒单脉冲激光相比,纳秒脉冲串激光的烧蚀效果更为显著,因而其烧蚀效能更高。基于LIPSS对材料绝对吸收率的提升作用以及脉冲串激光高效能比的优势,设计了一种新体制的纳秒脉冲串激光。在前序脉冲作用下在样品表面诱导产生了较高质量的LIPSS,45#钢样品绝对吸收率提升至0.51。热力烧蚀脉冲串激光仅有LIPSS存在时对材料有烧蚀作用。通过与脉冲总能量、脉冲数目、单脉冲功率密度以及激光光束的空间分布均相同的重频纳秒脉冲串激光对45#钢样品的烧蚀效果进行对比,验证了新体制纳秒脉冲串激光具有的更高的烧蚀效能。

关键词： 复合材料   光纤激光   力学性能   数字图像相关   渐进损伤  

摘要： 碳纤维复合材料(CFRP)以其高比强度、高比模量和耐疲劳性等优良性能,越来越广泛的运用在航空航天与汽车工程等轻量化领域。CFRP层合板通常需要进行后加工以满足其使用过程中的连接和装配精度要求。光纤激光加工技术作为一种有别于传统切削加工的非接触式加工方式,具有与材料相互作用时间较短、效率高、无刀具磨损等优点。但是,光纤激光加工复合材料仍存在热损伤严重,孔周热损伤影响材料力学性能等问题。因此,本文以CFRP层合板为研究对象,研究光纤激光与CFRP层合板的相互作用过程,并对激光加工过程中产生的热损伤进行表征量化,基于激光制孔实验探讨了CFRP层合板机械性能、孔周应变分布规律以及失效模式。主要研究内容和成果如下所述:(1)开展光纤激光切割CFRP层合板工艺试验,通过光学电子显微镜以及超景深显微镜观测加工孔表面和孔壁表面形貌,并采用材料表面热影响区面积和分层因子分别对激光加工CFRP材料过程中产生的热损伤进行表征量化。采用多因素实验设计研究激光功率、切割速度以及脉冲占空比对CFRP层合板加工孔质量的影响规律。研究发现,激光功率和切割速度对孔质量影响显著,激光加工过程中容易产生基体衰退,纤维拔出及分层等热损伤缺陷。(2)开展激光制孔CFRP层合板准静态单轴拉伸试验;结合高速摄像方法分析加载过程、裂纹萌生和扩展过程,并研究试件最终断裂的失效模式;运用数字图像相关(DIC)技术分析试件拉伸加载过程中的应变场信息。结果表明,CFRP层合板孔周应变场信息能较好的表征复合材料拉伸载荷下的裂纹萌生和发展过程,其开孔CFRP层合板在拉伸加载过程中的裂纹扩展和最终破坏模式与孔周高应变分布密切相关。(3)利用ABAQUS软件平台建立CFRP层合板应力-应变本构模型。根据Hashin失效准则判断材料损伤的起始并运用基于能量演化的线性衰减模型对材料拉伸过程中的性能参数进行退化衰减,模拟开孔CFRP层合板单轴拉伸渐进损伤失效模式,预测CFRP层合板孔周应变分布。研究结果表明,DIC方法实验结果与有限元分析结果具有较好的一致性。综上所述,本文探讨了CFRP层合板光纤激光高速制孔的可行性,研究了激光加工工艺参数与加工孔质量的关系,探讨了激光加工热损伤与材料力学性能的关系。另外,利用DIC综合监测技术及有限元方法能较好地描述了开孔CFRP层合板的渐进损伤破坏过程,为CFRP层合板的安全评价提供了一定的理论指导。

关键词： 闭式整体叶盘   多轴联动电火花加工   加工时间预测   仿真  

摘要： 闭式整体叶盘是航空航天发动机的核心零部件,直接影响着发动机的性能。它半封闭且高度弯扭的流道几何结构特征给传统铣削带来很大难度,使得电火花成形加工成为加工该类型零件的首选工艺。出于工艺安排的需要,加工时间预测的重要性不言而喻。但由于电火花成形加工的影响因素众多,使得闭式整体叶盘加工时间难以预测,这制约了闭式整体叶盘电火花成形加工技术在自动化方面的发展。针对此问题,本文围绕闭式整体叶盘电火花加工时间预测技术,对电火花成形加工时间影响因素、闭式整体叶盘电火花加工时间算法以及加工时间预测仿真软件的开发开展研究。由于电火花加工影响因素众多,零件的加工时间不仅与其进给轨迹相关,还与加工中的放电状态相关,工件材料去除量与加工时间呈现非线性关系,对形状复杂的零件更是如此,因此电火花加工时间预测非常困难。针对此问题,本文提出了一种获得稳定加工参数以及利用梯度下降预测加工时间的方法。首先,通过设计电加工参数的DOE实验,并结合抬刀与冲液仿真,探究获取稳定的加工参数的方法。之后,使用稳定加工参数,以及直径5mm、15mm的棒状电极,进行深度为5mm的加工实验,记录相应加工时间,将其与预测时间比较,误差分别为3.3%和4.9%,证明了该预测方式的可行性。闭式整体叶盘电火花加工需要采用多轴联动加工的方式,由于各个加工伺服轴的加工效率不同,这使得单个伺服轴加工下的材料去除率随加工深度变化的规律将不再适用。针对这个问题,提出了一种基于加工轨迹的加权平均算法。这一算法根据各个伺服轴的进给量确定各个伺服轴所占权重。再依据各个伺服轴的加工效率计算在多轴联动电火花加工的条件下材料去除率随加工深度的变化规律,进而对加工时间进行预测。验证实验表明,预测进给时间的误差为0.5%、总加工时间误差为1.8%,能够有效预测闭式整体叶盘电火花加工的时间。为了能够将加工时间与电极损耗对应起来,以便在合适时刻更换电极,需要使用计算机进行加工仿真。针对以上问题,开发了加工时间预测软件模块。进行了棒状电极加工6mm、8mm的时间预测仿真,误差分别为2.4%和6.0%;并进行了叶盘电极加工时间的预测仿真,进给误差和总时间误差分别为5.1%和2.6%。通过该模型能根据不同加工时间预测电极形貌,为工具电极的修整和更换提供了指导。

关键词： 激光直写   SERS衬底   金纳米颗粒   随机密排阵列   周期性微腔阵列   SERS传感  

摘要： 表面增强拉曼散射（SERS）光谱学作为一种重要的传感技术,具有多方面的独特优势,例如灵敏度高、特异性强、测试速度快、适用物质范围广等。而高性能SERS衬底的制备既是此类传感技术实施的起点,更是其传感器功能实现的关键。简单、实用、高效的金属微纳结构制备技术对于SERS传感技术的发展具有重要的意义,而激光直写工艺是金属微纳加工技术的一个重要方面。本论文面向SERS传感技术,基于激光直写加工工艺,提出了两种SERS衬底的制备方法,进行了器件性能表征和传感实验研究。（1）将激光直写热处理与马弗炉热处理相结合,提出了一种高密度金纳米颗粒密排构成的SERS衬底的制备方法。首先将涂有金纳米颗粒胶体薄膜的玻璃衬底在马弗炉中加热,产生了平均粒径在100 nm以下,而间隙在100 nm以上的金纳米颗粒随机阵列。以此结构为模板,于其表面再旋涂金纳米颗粒胶体,采用激光热处理的加工方式,使新的金纳米颗粒涂层熔融、团聚在原有金纳米颗粒的间隙处。其原理在于,区别于马弗炉加热情况下样品整体加热而使得熔融金在衬底上长程团聚的情况,激光直写只加热金纳米颗粒而不加热衬底,只允许熔融金的短程团聚。重复上述激光加热处理过程,获得了金纳米颗粒的高密度随机排列,并使金纳米颗粒尺寸增至100 nm以上,同时将颗粒间距压缩至20 nm以下,从而获得了高密度SERS热点,显著提高了SERS检测灵敏度。对浓度为10-5mol/L的罗丹明6G的检测表明,制备的SERS衬底可实现1.8×10～4的增强因子。（2）研究了激光直写微尺度金属光栅结构的制备方法,利用栅槽提供的等离激元和光学反馈微腔效应,实现了一种新的SERS衬底的制备技术。采用激光加工的方式,在涂有金纳米颗粒胶体薄膜的PMMA衬底表面直写出了周期为250μm的光栅结构,光栅调制深度达10μm,其内表面随机分布有金纳米颗粒。提供SERS热点。而栅槽壁的光学反馈功能使得栅槽内部构成了微腔结构。利用此结构对浓度为10-5mol/L的罗丹明6G水溶液直接检测,获得了显著增强的检测灵敏度。相对于具有高反射率的平面金镜衬底。本工作中制备的SERS衬底将Raman光谱特征峰的检测灵敏度提高了50倍。

关键词： 航空发动机叶片   电火花加工   镍基高温合金   正交试验  

摘要： 叶片作为航空发动机的核心部件之一,多采用高强度耐高温耐腐蚀特性的镍基高温合金等材料。针对此类难加工金属,常用加工办法有精密锻造、精密铸造、数控铣削以及电解加工(Electrochemical Machining,ECM)等。而在诸多已知的加工方法中,始终无法保证叶片进排气边缘最新精度的设计要求。如今,采用ECM加工叶片在国内外受到广泛关注和使用,但由于ECM中加工间隙的存在使得叶片进排气边缘形成阶段的流场与电场十分复杂,导致加工后的进排气边缘存在尺寸与形状误差。因此,必须精确修整,满足设计要求。电火花加工(Electrical Discharge Machining,EDM)是根据放电时产生的高温熔融材料实现材料去除的,与材料硬度、强度无关。针对此类误差,本研究采用EDM并辅以振动对叶片边缘进行修整以达到设计要求。本文参与改造了立式电火花加工机床,根据实验要求搭建了如压电陶瓷促动器装夹模块、电极夹具、工件夹具、介质流通模块等辅助设备,并基于所搭建实验平台制定了相关工艺流程。基于LabVIEW软件对控制程序进行了进一步改进。针对镍基高温合金这类难加工金属的电火花工艺参数选择,进行了初步的加工面积、加工极性选择,并将加工分为粗精加工两步。在粗加工中,采用正交试验对GH4169和GH3600两种材料工件的镍基高温合金进行加工参数的比较,通过材料去除率这一指标进行参数优化。研究发现,采用石墨电极加工镍基高温合金GH3600时,脉冲宽度对材料去除率和工具电极相对体积损耗率起显著性作用,最优参数的材料去除率可达到12.99 mm/min。对于石墨加工航空发动机上采用的镍基高温合金GH4169,峰值电流和脉冲宽度对材料去除率的影响是显著性因素,最优参数所达到的材料去除率为10.01 mm/min,针对GH4169的电加工性能要低于GH3600这一问题,采用黄铜电极时,将材料去除率提高了1-2 mm/min,取得了明显效果。在精加工中,着重考虑峰值电流、脉冲宽度和开路电压对表面粗糙度的影响,以及提出准确去除余量的方法。通过对三个加工前坐标和加工后坐标的对比,判断所去除余量的多少。借助粗加工实验方案,初步确定精加工进给15μm的策略。实验结果表明,随峰值电流减小,工件的表面粗糙度减小,而当减小到5 A时,加工失败;随着脉冲宽度减小,表面粗糙度也随之减小;采用120 V开路电压时,表面粗糙度较小。目前所能达到的表面粗糙度最小为1.1μm。

关键词： 工业机器人   激光加工技术   工业应用  

摘要： 随着社会的发展,以及科学技术的提高,使得我国工艺技术得到了很大程度上的进步和发展.工业机器人的制造技术也逐渐完善,在当前的工业机器人中,激光机器人占据了绝大多数的比例,并且随着工业机器人技术的逐渐完善和加强,使得其在工业生产的过程中存在着更高的使用价值和经济效益.在一般情况下来说,当前的工业机器人基本上都是由激光技术和机器人技术相组合而形成的.本文针对激光加工机器人的生产技术以及激光加强机器人在当前工业生产过程中的应用进行研究和分析.

关键词： 碳纤维增强树脂基复合材料   飞秒激光   加工缺陷   加工工艺  

摘要： 碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）作为最先进的复合材料之一,本身具有优越的物理性能,被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。这些领域中高端装备的发展对CFRP的加工质量提出了较高的要求。由于其高度不均匀的结构特点,传统的加工方式存在难以避免的缺陷,如较大的热影响区、分层、内部裂纹以及刀具和材料接触带来的高度磨损等,加工的质量达不到需求的同时,还会增加成本。激光加工区别于传统形式的接触式加工方式,避免了刀具的磨损,同时由于非接触的方式,一些因接触出现的缺陷不再产生。连续激光与长、短脉冲激光加工仍不可避免产生热影响区,而对于超短脉冲激光来说,由于其作用时间远远小于热扩散时间,而被称为“冷加工”。能够在一定程度上减小热影响区,提高加工质量。本文对超短脉冲激光与CFRP的作用过程进行了分析,研究了飞秒激光与CFRP作用的能量耦合机制,包括材料对激光能量的吸收以及材料内部的能量传递过程;通过数值仿真研究了单脉冲作用时材料的温度和形貌随时间演变;多脉冲作用于材料时脉冲间的相互作用;探究了扫描间距对材料去除率的影响规律。并通过实验验证了仿真模型的准确性。其次,通过理论研究结合实验结果分析了材料在加工过程中的缺陷成因,并且结合参数的影响规律对如何减少缺陷产生提出了解决措施。对热影响区成因进行了重点分析。分析了激光光束参数包括波长、脉宽等对热影响区宽度的影响规律。确定了加工质量的评价指标,对激光加工CFRP的加工质量以及效率进行表征。通过数值计算法,进行实验计算CFRP在飞秒激光不同脉冲作用下的烧蚀阈值。对单因素实验进行规划,研究了激光能量、平均功率、重复频率、扫描速度等参数对加工质量和效率的影响规律。通过工艺实验对扫描间距、加工线数、单道加工次数等参数对材料去除率的影响规律进行了分析。利用仿真结果对工艺参数进行优化,得到了较优的工艺参数以及工艺加工方案。