关键词： 铝基复合材料   V形槽电极   高速主轴   流场仿真   电火花打孔  

摘要： 由于金属基复合材料特有的质量轻、强度高、热膨胀系数低等特点,随着工业的发展,金属基复合材料的使用越来越广泛。目前对于金属基复合材料的二次加工的需求日趋增长,常用的加工方法有传统机械加工方法和特种加工方法(主要包括磨料水射流加工、激光加工、激光辅助微切削加工、电火花加工、电化学放电加工、电解加工、超声振动加工等)。然而众多研究结果表明,无论采用机械加工还是特种加工方法加工金属基复合材料都存在着一定的困难,以打孔为例:采用机械加工的方法在该类材料上打孔,难以避免严重的刀具磨损甚至刀具断裂以及加工后表面有裂纹等现象;特种加工方法中以电火花加工打孔研究较多,其主要的瓶颈体现在陶瓷颗粒的不导电性和加工碎屑难以排出等问题上。本论文针对电火花加工金属基复合材料中碎屑难以排出的问题,提出了一种V形槽电极电火花加工金属基复合材料的方法。本研究方法的提出巧妙地将深孔钻中广泛应用到的V形槽结构应用于电加工领域来促进排屑,并结合高主轴转速来对加工区域的流场进行扰动,提高放电的稳定性。首先,本文对电火花加工金属基复合材料的蚀除机理和加工影响因素进行了阐述,并提出了V形槽电极电火花加工的基本原理;其次,设计制作了V形槽电极,并针对高主轴转速的实验条件对机床进行平台改装和搭建,主要对旋转主轴这块进行了设计、受力分析和更换,实现了高主轴转速的加工条件;接下来,本文对V形槽电极电火花加工金属基复合材料时的流场进行了建模与仿真,分析了V形槽电极的间隙流场分布和间隙蚀除微粒分布情况,初步确定了V形槽电极的排屑优势;最后,本文通过单因素实验考察主轴转速、冲液压力、峰值电流、脉宽、占空比等因素对V形槽电极电火花加工金属基复合材料的加工效率的影响,主要是研究了材料去除率和相对损耗率,并通过与圆形电极进行对比,发现在相同加工参数下,V形槽电极能极大地促进加工屑的排出从而提高电火花加工金属基复合材料的效率并降低工具的相对损耗,V形槽电极相比圆形电极的材料去除率平均提高了约30%,工具电极相对损耗率相比平均约降低了15%。

关键词： TC4钛合金   表面质量   电解加工   电火花加工  

摘要： 钛合金Ti-6Al-4V作为现代工业的重要材料,具有比强度高、耐蚀性好等特点,广泛应用于军事、船舶、化学工业等领域。但是钛合金由于其韧性低、导热性差以及易与大多数切削刀具材料产生化学反应,被归类为难切削材料。增材制造具有加工周期短,可加工复杂零件、材料利用率高等优点,成为解决复杂钛合金结构件制造问题的新技术手段。但是由于球化效应、阶梯效应和粉末粘结的存在,导致增材制造件表面粗糙度较大,在一定程度上限制了增材制造TC4的使用及推广。针对TC4的材料特性,本文使用电火花加工和电解加工两种方法对三种不同构建角度的3D打印钛合金板进行光整加工。首先使用电火花对试件进行加工,研究脉冲电流、脉冲宽度对试件表面质量的影响规律,结合微观形貌分析了加工参数影响的原因。在脉冲电流5 A、脉冲宽度100 μs、脉冲间隔200 μs、正极性加工条件下,表面粗糙度降低至3.5 μm左右。选用氨基磺酸-甲酰胺溶液,通过电解加工对电火花加工产生的再铸层进行去除,电解加工24 min后,再铸层去除完全,表面粗糙度降至1.6 μm以下。然后改用电解加工单独对试件进行抛光,避免电火花再铸层溶解速率慢、加工效率低的问题。研究了加工间隙、电流密度和加工时间对表面质量的影响规律,并对抛光前后试件的性能进行测试。在加工间隙14 mm、电流密度1 A/cm2条件下,电解加工25 min后,表面粗糙度改善效果更好,粗糙度降低至0.7 μm以下。

关键词： 电火花加工   放电状态检测   神经网络   伺服控制策略   模糊PID  

摘要： 随着人民对美好生活的追求与传统机械加工水平之间的矛盾日益加深,制造业开始向着精密化的方向倾斜。在航天飞机、医疗器械中小孔结构非常常见,使用传统机械加工很困难,由于电火花加工具有无宏观的机械切削力和加工精度高等特点而被广泛应用在小孔加工中。在其加工中放电状态和伺服装置是保障电火花能够完成高质量高效率加工的关键。所以本文针对电火花加工过程中的随机性强的特点,改善了放电状态检测装置和伺服控制策略的方案,对保障加工质量和加工效率具有重要的意义。本文首先简述了国内外有关放电状态检测和伺服控制策略的研究现状,分析了不同放电状态检测和伺服控制的优点和缺点,针对电火花加工中放电随机性强、控制系统难以用数学手段建模和整个加工系统参数随着加工时间的推移而变化的特点,提出了基于神经网络的放电状态检测装置和基于模糊PID来自动调整系统参数的伺服控制策略。为了分析不同放电状态下的电压和电流信号的特点,首先基于实验采集了五种典型放电状态下的电压和电流波形,人为的标记五种不同的放电状态,并寻找其规律。然后提出了下位机采集间隙放电信号和上位机识别放电状态的总体方案。设计了基于ARM的可高速采集放电间隙的电信号的下位机系统,并对其中的关键元器件进行选择,分析整个下位机系统的实时性,保障下位机系统在采集信号时无迟滞问题。通过串口配合DMA将放电间隙的电信号实时发送到计算能力强的上位机,在上位机中,以放电间隙的电压和电流值作为神经网络的输入、以五种不同的放电状态作为神经网络的输出,采用三层神经网络结构用于放电状态检测,并且通过比较不同的隐层节点数量的神经网络结构进而确定了神经网络结构,可快速实时判断每个控制周期内的放电状态。在伺服控制策略方面,针对电火花加工随着加工深度的增加火花放电电压并非恒定的问题,提出了以开路率和短路率之差作为输入的控制系统。而由于电火花伺服系统难以用数学建模和时变性的特点,所以采用智能控制理论,并对智能控制中的三种常见的控制方法进行了对比最终确定采用模糊控制并配合工程中常用的PID控制理论用于电火花伺服控制装置。经验证,基于模糊控制的伺服系统不仅可以根据不同的放电状态自动进行PID参数整定,还可以达到自动调节进给速度的目的,提高了加工效率和加工的质量。最后搭建了放电状态检测系统和开发了对应的上位机系统,并针对不同的电源,分别对比了阈值检测法和神经网络检测法识别的准确率。然后对控制系统分析建模,通过仿真,对比改进传统PID为模糊PID控制的效果,从而证明了使用模糊PID可以提高整个电火花加工的效率和质量。由于整个放电状态检测系统和伺服控制系统大都采用软件算法实现,减少了复杂、冗余的硬件电路,减少了成本和重量,使得整个电火花数控机床在便携上也有了实质性的提高。

关键词： 高频气中电火花加工   数控系统软件设计   有效放电脉冲检测   模糊控制  

摘要： 随着制造业不断向绿色化发展,气体介质电火花加工相较于煤油介质电火花加工以其绿色无污染、电极损耗低、放电凹坑大而浅的优点,被认为是一种新型的电火花加工技术。有研究者发现气体介质放电通道扩展迅速,能量多集中于放电通道形成初期,且低能量的放电反而使能量高效率进入火花,因此有必要对高频窄脉宽下的气体介质电火花加工进一步研究,然而高频气中电火花放电稳定性差,短路率高成为限制其进一步提高加工效率的关键因素。因此本文将在前人研究的基础上,对高频气中电火花的加工特性进行分析研究,制定适用于高频气中电火花加工的检测和控制策略,从而提高其加工效率。首先,了解高频气中电火花放电特点和加工特性是进行检测和控制策略制定的重要依据。通过对比气体介质与煤油介质电火花加工在高频脉冲电源下的加工特性,发现高频气中电火花加工具有短路率高,放电脉冲不连续,对间隙变换敏感的特点。同时,通过气中电火花加工实验采集放电波形,对不同脉冲频率下的放电脉冲与电弧脉冲进行分析比较,确定检测特征,指导后续有效脉冲检测电路设计;由于高频气中电火花对放电间隙变化较为敏感,本文通过实验研究了与放电间隙有关的伺服控制参数对放电状态的影响,确定了以伺服参考电压和伺服进给速度作为控制系统的输出量。其次,对气中电火花加工机床结构组成及功能分析,设计了适用于气中电火花加工机床的数控系统软件,为后期引入模糊控制算法,进行在线调整提供了良好的软件平台。参考前文中对高频气中电火花放电波形的分析,设计了基于CPLD的有效放电脉冲检测电路,CPLD依据比较器输出信号的上升沿和高电平持续时间对击穿延时时间进行检测来判断波形种类,并进行计数统计、传输至上位机中。最后,在Matlab模糊控制工具箱中完成了以放电率和短路率为输入、以伺服参考电压和伺服进给速度为输出的模糊控制算法设计与仿真,基于第二章中伺服控制参数对高频气中电火花影响的实验分析,设计了以短路率为区分的针对不同加工阶段的模糊控制规则表。通过Matlab与Visual Studio的联合编程,在数控系统中完成了模糊控制算法的实现,并通过对比仿真结果和实验结果,验证了该系统的有效性。

关键词： 氧化铝陶瓷   电火花加工   温度场仿真   参数优化  

摘要： 目前先进陶瓷(如AlO)广泛应用于航空航天、汽车工业、工具领域等多个领域。这些材料具有很好的机械、化学和热力学性质。由于它们具有高硬度、脆性和良好的耐磨性,因此很难通过传统的切削方法对其进行加工。在许多情况下,陶瓷产品具有非常复杂的几何形状,甚至它们的特征达到微米级,因此只能使用非常规的加工方法。这些方法之一就是电火花加工(EDM)。本文在分析了先进陶瓷以及电火花加工技术的国内外研究现状的基础上,从电火花单脉冲放电温度场仿真分析、工艺试验研究以及工艺参数优化等方面对氧化铝陶瓷材料电火花加工技术进行了研究。在研究了氧化铝陶瓷的电火花加工单脉冲放电的热源模型、热边界条件和放电通道半径的前提下,使用有限元分析软件ANSYS对氧化铝陶瓷材料的电火花加工单脉冲放电温度场模拟,并分析了极间电压、峰值电流和脉冲宽度对温度分布及蚀除结果的影响。进行了实际的氧化铝陶瓷材料电火花加工试验。采用正交试验方法,展开加工极性、极间电压、峰值电流、脉冲宽度、增益、脉冲频率和极间间隙对材料去除率和工具电极损耗(包括长度损耗及轮廓损耗)的影响规律的研究。最后采取主效应图分析方法对工艺参数进行了优化分析,获得了保证较高材料去除率和较小的电极损耗的工艺参数组合。

关键词： 电火花加工   内齿轮   旋转电极   分度装置  

摘要： 在内齿轮的加工过程中其关键工序是齿面淬硬后的齿形加工,由于中小模数内齿轮结构所限难以进行传统磨齿加工,且传统砂轮磨损较快而立方氮化硼砂轮耐磨性好但修型困难。电火花加工不受材料的硬度影响能加工任何导电材料且加工时无宏观切削力。但由于中小模数齿轮齿槽深宽比较大,传统电火花成型加工法在加工齿形槽时,加工中产生的放电屑不易排出容易形成二次放电导致加工效率低下并影响工件表面质量。高速抬刀可以缓解这一问题,但高速抬刀控制复杂,且在抬刀的过程中会浪费一定的脉冲能量。电火花线切割也可以进行齿槽的加工,但其难以完成高精度高表面质量的齿槽加工。旋转电极可使电腐蚀产物能更好的从极间排出并促进极间冷却,从而可减少放电集中和异常拉弧放电现象产生改善极间放电这状态,且由于放电位置时刻发生变化电极损耗均匀分布于圆盘齿形电极上,成型精度受电极损耗影响较小,紫铜电极修型较为容易。综上本文提出了一种电火花成型铣削的加工工艺并进行了电火花铣削成型加工内齿轮工艺方面的研究,研究内容如下:（1）首先根据加工原理与方法设计了加工装置,通过单因素实验分析内齿轮成型铣削加工工艺的基本规律。实验研究了加工极性、脉冲宽度、峰值电流、脉间宽度、加工效率和表面粗糙度的影响,确定各因素合理可行的参数范围。在电极不旋转的状态下进行对比试验。根据单因素试验结果选取有代表性的水平设计正交实验,以正交实验的结果为参考,以工件表面质量与加工效率综合选出最优加工参数。（2）由于单个齿槽的加工量较小,电极放电体积较大,电极损耗的测量较为困难,因此提出一种利用视觉测量的电极损耗测量方法。通过视觉测量工件尺寸变化及加工前后加工样板的尺寸变化计算加工量以及电极体积变化以计算电极损耗。设计实验测量正交实验中选出的最优加工参数的电极损耗,校核该电极损耗对齿轮精度的影响。将测得的电极损耗参数与机床工艺手册给出相关电极损耗进行对比,结果表明该测量方法具有较高精度。（3）由于采用成型法加内工齿轮,加工完一个齿后需要分度机构而传统的蜗轮蜗杆分度机构需要搭配高精度角度编码器才能达到较高的分度精度。针对电火花加工无宏观切削力的特点设计分齿机构,在蜗轮蜗杆分度机构上使用机械结构将圆周运动转化为直线运动,使用经济性较好的高精度直线光栅代替圆光栅。通过Matlab进行误差分析,结果表明可达到较高分度精度。

关键词： SiCp/Al复合材料   电火花成型孔加工   超声振动   间隙流场仿真   工艺试验  

摘要： 碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料在比强度、比刚度、密度、可焊性、研磨性以及导热性等方面有着显著的竞争优势,在航空航天、汽车制造以及电子科技等行业得到了广泛的运用。由于此材料富含高硬度SiC陶瓷增强体,当使用传统机加工对其加工时,SiC颗粒强力刻划刀片具表面会使得刀具磨损严重,加工成本较高,成型精度较差。相对于传统的机械加工,电火花加工具有无宏观切削力、适用范围广、易获得微小材料去除量等优点,且不受材料的硬度和强度影响,因此采用电火花加工方法对SiCp/Al复合材料进行加工是一种有效途径。电火花加工SiCp/Al复合材料过程中,由于蚀除的基体铝和脱落的SiC增强颗粒滞留于两极放电区域,不利于稳定放电,影响加工效率和加工精度,制约着其在相关领域的广泛应用。本文基于电火花加工技术开展超声复合加工研究,以期解决电火花成型孔加工SiCp/Al复合材料中加工效率和加工精度低的问题。本文首先对常规电火花加工SiCp/Al复合材料的去除机理进行了理论分析,在此基础上分析工具电极附加超声振动后对电火花加工中放电通道、放电间隙、蚀除物排出和加工表面的影响。依托课题组现有的电火花成型加工机床,基于压电效应理论和有限元方法,结合WORKBENCH有限元仿真软件设计搭建了超声振动装置系统,并对搭建的装置系统进行阻抗和振幅的测试,实现了工具电极轴向稳定的超声振动。基于CFD理论对工具电极超声振动作用下的加工间隙流场进行了理论分析及仿真计算,探索了工具电极超声振动对加工间隙流场速度变化和蚀除物颗粒排出规律的影响。分析结果表明:工具电极超声振动能够加快加工间隙内工作液介质的流动,促进蚀除物颗粒排出两极间隙。在工具电极附加超声振动的试验平台上进行SiCp/Al复合材料的电火花成型孔加工单因素试验,探索了在此平台下峰值电流、基准电压、脉间和脉宽对工件材料去除率、表面粗糙度、宽度过切量和电极相对损耗率的影响规律。研究结果表明:随着峰值电流增大,基准电压和脉间减小时,工件材料去除率、表面粗糙度和宽度过切量增大;随着脉宽的增大,工件材料去除率先增大后减小,表面粗糙度和宽度过切量逐渐增大;电极相对损耗率随着峰值电流和基准电压的增大逐渐增大,随着脉宽的增大先减小后增大。在单因素试验基础上,进行电火花加工SiCp/Al复合材料成型孔的正交试验,结合灰关联法得到使加工指标综合性能达到最优的参数组合。研究成果为SiCp/Al复合材料电火花成型孔加工的实际工程应用提供了技术支撑。

关键词： 激光加工   三维对象分割   网格分割   多分辨率层次   网格简化   大数据量三维模型  

摘要： 在高端制造领域,高精度激光加工制造技术在我国越来越受到重视,然而受到各种因素的影响,我国在高精度激光加工关键设备和关键软件技术方面,与世界一流水平仍存在着一定的差距,因此近些年我国不断地在增大对该领域的研究支持力度,以期解决众多关键问题。如何将三维对象分割为合适的多个部分,以方便后续的加工过程,是激光加工软件中需要解决的重要问题之一。在不同的应用背景下,对分割结果的需求往往存在较大的差异,传统三维对象分割技术并不能完全适用于高精度激光加工领域。本文依托实验室所承担的国家重点研发计划项目,对激光刻蚀加工关键软件技术中的三维对象分割问题进行了研究。本文主要围绕激光刻蚀等工业加工背景下的三维对象分割方法展开,针对具有较大数据量、存在噪声干扰或者细节特征过于详细的三维对象模型,研究并实现一种分割方法,能够快速得到符合后续加工的分割结果。论文所完成的研究工作与贡献如下:1.在总结现有的多种三维对象分割算法的基础上,针对激光刻蚀加工场景中三维对象分割的特殊性,提出了一种基于交互的多分辨率层次分割过程,借助三维对象简化算法实现三维对象多分辨率层次表示,对分割结果产生枚举效果,同时结合交互选择和组合的过程,进一步排除自动分割产生的误差,有效地提升了分割质量。2.对三维对象简化技术进行了研究,根据激光加工场景中三维对象分割处理的具体需求对基于二次误差度量的简化算法进行了分析,并在此基础上提出了一种提升效率的二次误差度量简化方法,在简化质量没有明显差异的情况下较大程度的提升了简化效率,并借助该算法实现了三维对象的多分辨率层次表示。3.通过三维对象简化技术与三维对象分割过程的结合,有效的降低了大数据量三维对象模型的细节层次,在较好地保留了用于分割的主要凸性特征的同时模糊了噪声和不必要的细节,不仅使得三维对象的分割速度获得了明显的提升,也使得分割质量得到了一定的提高。4.对本文相关算法进行了实现,并对简化过程和分割过程分别进行了测试与评价,验证了本文算法在激光加工场景中的有效性。通过实验证明,论文所提出的算法能够有效的优化激光加工领域中大数据量三维对象的分割结果,满足具体的加工需求,分割质量和效率都达到了预期目标,同时本文所提出的方法对于各类模型也具有一定的普适性。

关键词： 柔性干式电极   仿生微针   力学性能   生物电测量   激光加工   多通道阵列可控  

摘要： 柔性干式电极能够解决Ag/AgCl湿式电极易使皮肤过敏、无法长期监测和传统干式电极无法与皮肤贴合紧密等诸多问题,从而具有广阔的应用前景。本文提出利用激光加工方法制备出具有仿生微针阵列的柔性干式电极,分别对其力学性能、电学性能进行研究,并对其结构进行优化。主要研究内容如下:1、设计了一种具有仿生微针阵列的柔性干式电极。在对比柔性基底材料的基础上,重点介绍了柔性基底的制备及导电性能研究。以金边龙舌兰植物钩刺为原型设计出仿生微针,并利用激光加工方法制得,最后对仿生微针阵列的激光加工原理及柔性干式电极制备流程进行探究。所研发的柔性干式电极具有较高的兼容性、良好的导电性能及稳定的皮肤贴附性能。2、基于理论分析基础,对三种形状微针的力学性能进行了对比研究。.重点研究了同一加工参数所得的三种微针的刺入性能、破坏强度及金属微针与PDMS柔性基底间的结合强度。实验结果表明本文所提出的仿生微针具有较小的刺入力、良好的抗破坏性能,且与PDMS柔性基底间的结合强度能够满足使用需求。3、在分析生物电信号采集原理的基础上,利用柔性干式电极对EMG、ECG信号进行了测量。结果表明:与Ag/AgCl湿式电极相比,柔性干式电极测量到的EMG信号具有峰值集中,振幅更大,噪声更低等优点。其次,利用柔性干式电极所采集到的ECG信号波形清晰,周期规律、且每个周期内的典型波显著。4、对柔性干式电极结构优化获得了多通道阵列可控柔性干式电极,并对其电学性能与实际应用进行研究。结果表明:导线1cm长时所采集到的EMG信号较优;肌肉内部产生的肌电信号会随手臂负重的增大而更强;不同部位肌肉在同样动作条件下产生的肌电信号不同;利用3通道阵列可控柔性干式电极所采集的3组手指动作相对应EMG信号可实现机械手相同动作运动。研发出低成本、可重复使用的柔性干式电极与皮肤接触界面贴合紧密,结构优化后一个电极即可实现生物电信号的多通道高效采集。且其具有优异的生物兼容性、力学性能及电学性能,在生物电信号测量与检测领域具有广阔应用前景。

关键词： SPOC   混合教学   模式构建   特种加工技术   课程  

摘要： 教育发展新背景、新形势下,催化与衍生出了诸多创新教学模式,基于SPOC的混合教学模式不失为诸多创新教学模式中的亮点,不失为当下高校教学改革重点方向,可较大程度提高课堂教学质量、育人水平,给广大教师带去了实质性的帮助,间接推动了高校长远、稳定发展。本文我们基于SPOC的混合教学模式构建进行深入探究,并以《特种加工技术》课程为例,让更多人了解与认知。