关键词： 激光加工   仿生结构   铝合金   超疏水   自清洁  

摘要： 由于“物竞天择,适者生存”的自然法则,亿万年来自然界中的生物体表不断进化发展出许多优异的功能特性。例如,荷叶表面与蝴蝶翅膀鳞片表面的自清洁特性;鲨鱼皮表面与蝼蛄头部的脱附减阻功能;竹叶表面与沙漠甲虫外壳的集水特性等等。本论文受自然界素饰蛱蝶翅膀鳞片表面与蜂巢结构启发,建立仿生结构模型,利用激光加工技术对7075铝合金表面进行刻蚀加工,制备具有低黏附自清洁性能的仿生疏水表面,并且分析仿生铝合金表面的结构特征与疏水自清洁等特性,研究仿生结构对表面润湿性的贡献机制。结果表明,采用激光加工方法在铝合金基体上构筑了具有类蝴蝶翅膀的网格状凹槽结构和类蜂巢状的六边形棱槽结构特征的疏水自清洁表面。通过分析发现,激光加工构筑的仿生微结构是铝合金表面获得疏水性能的关键因素,不同结构参数下的两种仿生结构表面均具有优异的疏水性能,其中类蜂巢状六边形结构表面性能最佳,接触角可以达到152.0°。同时,两种仿生结构表面还拥有良好的低黏附特性,类蜂巢状结构具有比类蝴蝶翅膀网格结构更优秀的疏水特性和滚动特性,进一步验证结构特征对仿生表面的润湿性有重要影响。两种仿生结构表面都表现出良好的自清洁性能,在粉尘、泥浆等污染环境中均可以保持较好的自清洁性。建立模型并分析表面结构与表面疏水特性之间的关系。研究过程和结果将会对铝合金材料在脱附、减阻、自清洁等领域的加工制造应用研究提供一定的参考价值。

关键词： CVD金刚石   激光加工   高斯脉冲   多晶材料   表面质量  

摘要： 金刚石材料具有极高的硬度和优良的导热性能,在耐磨损材料和导热材料方面具有广泛应用。但该材料的高硬度给其成形加工带来巨大挑战,尤其是在精密加工中,传统的加工方式如磨削等效率极低,而新型的加工方式如激光加工等在加工质量方面又无法满足精加工要求,目前采用较多的是复合加工方式,加工效率和加工质量都会得到改善。本文针对CVD金刚石的激光加工,采用理论分析和实验相结合的方式,探索其激光加工中的影响因素,实现CVD金刚石的可调控激光加工,旨在采用激光加工的方式实现CVD金刚石的高效粗加工并为后续的精加工提供良好的表面。主要研究内容及结论如下:（1）基于高斯脉冲激光束,分析激光参数对CVD金刚石的点刻蚀影响。在高斯脉冲的作用下,金刚石表面上会产生近似二维高斯轮廓的刻蚀坑,且该激光刻蚀坑随着激光功率和脉冲作用次数增大的而变深变宽。该刻蚀坑尺寸在数十微米范围,可用于构建微米级的表面结构。此外,还研究了不同激光功率和激光扫描速度下CVD金刚石表面激光刻蚀线条的宽度及深度。实验发现,功率增大、速度减小所得到的刻蚀线在扫入深度和宽度上都得到延伸,但刻蚀延伸主要集中在激光束传播方向即深度方向上。此外,线刻蚀的深度对激光参数的变化更敏感,且功率改变带来的刻蚀现象差异更明显。（2）基于高斯激光束和脉冲作用轨迹,建立加工面的能量模型。研究了激光参数变化时的CVD金刚石去除深度和表面粗糙度并根据所建模型计算出此时的能量模型面所对应的均值及其粗糙度值即能量分布的不均匀性,从能量角度阐释激光参数的变化引起CVD金刚石面加工效果不同的原因。针对激光功率、扫描速度、填充间距、离焦量和激光束偏移位置这五各参量的单因素实验表明,通过调节激光参数,材料去除深度可以实现在10μm～90μm的范围内调节,而表面粗糙度则在1.0μm～3.5μm的范围内变化。（3）从CVD金刚石的晶粒尺寸出发,研究多晶材料的热导率,通过修正多晶材料的晶界浓度定义,实现多晶材料热导率模型新建。分析不同晶粒尺寸的样品在激光加工中的差异,并利用所建多晶材料的热导率模型与晶粒尺寸的关系来解释不同现象产生的原因。研究结果表明,细晶粒CVD金刚石的热导率小,材料去除效率小,但表面质量较好,粗晶粒则相反。实验中的最大材料去除深度是样品3在激光功率为6.8 W、填充间距为2μm、扫描速度为20 mm/s时获得;最好表面是样品1在填充间距为8μm、激光功率为3.6 W、扫描速度为160 mm/s时获得。综上,在激光加工CVD金刚石中,可以在保证较高加工效率的条件下提高其表面加工质量。

关键词： IN718   常规电火花加工(EDM)   超声辅助电火花加工(USEDM)   材料去除率   工具电极相对损耗  

摘要： 目前航空发动机、燃气轮机和核反应堆等工业领域广泛使用IN718镍基合金作为其高温合金材料。但IN718镍基合金由于在切削加工的过程中,所需要的切削力较大、切削时需要的温度较高、加工时容易产生硬化、容易使刀具产生严重磨损,这些特点导致其成为公认的难加工材料之一。在传统的加工过程中,工件和刀具磨损导致温度升高,如果产生的热量不能及时的散失掉,就会损伤刀具。本文分别采用常规电火花(Electrical Discharge Machining简称EDM)加工和超声辅助电火花(Ultrasonic assisted Electrical Discharge Machining,简称USEDM)加工的形式对IN718镍基合金进行加工,从表面及断面微观形貌、表面粗糙度、材料去除率、工具电极相对损耗等角度进行分析。主要研究内容及结论如下:(1)在相同的电参数条件下,以普通电火花加工试验为对照组,给工件加入轴向超声辅助振动进行电火花加工,此外,为实现工件的有效振动,设计了具有微调功能的超声振动系统装夹装置以及能方便拆卸工件的具有绝缘功能的工件夹具,夹具被牢固的安装在变幅杆的端面上,连接方式为螺纹刚性连接。(2)系统研究了峰值电流、脉冲宽度等主要电影响参数对材料去除率、表面粗糙度和表面微观形貌的影响。实验结果表明,EDM与USEDM两种加工方式表现出大致相同的变化趋势,保持峰值电流不变,加大脉冲宽度,电蚀凹坑直径变大,表面微观裂纹缺陷增多;如果保持脉冲宽度不发生变化的前提下,加大峰值电流,加工表面形成的电蚀坑面积变大,裂纹会变的越来越多。电参数较小时,表面质量较好,微细裂纹变少;在脉宽较小,即使峰值电流偏大时也能够获得较好的表面质量。(3)在USEDM加工中,工件附加轴向超声振动使表面电蚀坑变得大而浅,表面粗糙度降低13%以上;表面微裂纹大幅减少,甚至消失;超声振动的引入,在很大程度上使电火花加工的速度变快,而且如果增加电参数的值,工件材料的去除率也会显著增加。同时在小放电参数时,超声振动有效降低了电极的损耗,电极损耗可降低10.8%。振动还有效减小了重铸层的厚度,能够限制深度方向上的微细裂纹,对提高工件表面质量有积极影响。

关键词： 割缝筛管   电火花加工   温度场   间隙流场   间隙电场  

摘要： 石油割缝筛管是石油开采中必不可少的机械装备,其加工质量的好坏直接决定石油开采率的高低。电火花加工时无机械作用力、加工质量高的特点在割缝筛管加工中具有很大的优势。其加工原理是利用火花之间的脉冲放电产生的高温从而实现蚀除金属的过程,是电磁力、热力和流场力共同作用的结果,因此为了更加准确的了解电火花加工割缝时间隙内的变化情况,对不同阶段间隙场的研究具有重要意义。本文首先对目前国内外加工割缝的方式、电火花加工温度场、流场和电场的研究现状进行了分析,并基于金属放电产生的高温蚀除过程建立了放电点处的温度场模型,得到了温度场在放电时刻小于脉冲宽度时的变化规律;通过设定不同数值大小的峰值电流和脉冲宽度,得到了不同时间段放电凹坑半径、深度、深径比和蚀除体积的大小,绘制出变化曲线,得到定性关系;为了得到定量关系,利用面心组合设计的方式建立了峰值电流和脉冲宽度与蚀除凹坑之间的回归方程,方便预测在给定峰值电流和脉冲宽度下的凹坑尺寸;并利用遗传算法对回归方程进行优化求解,得到满足电火花加工条件的最优电参数数值组合。电火花放电后蚀除掉的工件将作为电蚀产物被抛入到工作液中,而工作液能够顺利排出碎屑是电火花加工质量高的重要原因,为了更好的保障电蚀产物的排出,对加工中的间隙流场状态进行模型建立,研究在不同冲液方式、电极形状、放电间隙、加工深度和冲液压力下的工作液速度变化情况和电蚀产物颗粒分布情况;鉴于割缝加工时电极不存在旋转运动会影响正常排屑的问题,在电极上施加超声振动,得到了在不同振动幅值和频率下的间隙流场情况;为了研究放电间隙、加工深度、冲液压力、振幅和振动频率与电蚀产物浓度之间的影响关系,建立正交试验表得出仿真结果,对五种因素之间的影响程度进行排序,为今后电火花割缝加工提供参考依据。为了研究没有完全排出的电蚀产物对击穿介质时电场产生的影响,建立放电加工电场模型,以间隙内最大电场强度作为衡量标准,对电极形状、脉冲电压、加工间隙、颗粒直径、颗粒位置和颗粒堆积与电场分布之间的规律进行了研究,得出变化曲线,分析各种现象产生的原因以及改进措施;并根据粒子对电场的影响得到混粉加工的作用机理,为混粉加工提供最优浓度参考。

关键词： 电火花加工   电极形状变化规律  

摘要： 随着特殊加工工艺需求的难加工材料工件日益增多,目前所研究的传统机械加工方法很难满足加工要求的加工精度和加工效率.电火花加工具备非接触加工,与加工材料机械性能无关、加工过程中无宏观切削力,不受材料性能影响等特点,因此广泛应用于精密加工中,但是加工过程中存在电极损耗和形状变化,因此分析电火花加工中电极损耗和形状变化规律发展现状,可为电火花微小曲面加工、精密加工研究状态提供一定的参考.

关键词： 激光加工  

ISBN: (纸本)9787030665102

摘要： 本书既综合叙述了国内外专家学者在激光微纳制造技术领域的研究进展，又概括论述了作者团队在该领域的研究成果，主要内容包括激光微纳制造技术概述、激光微纳制造原理、激光加工微孔技术、激光加工导光板微细散射网点技术、激光微纳连接技术、激光微纳增材制造技术、激光微纳并行制造技术、激光表面改性技术和激光复合微纳制造技术。

关键词： 仿生超疏水表面   亲水-疏水结构   浸润性   方向性减阻   高速减阻  

摘要： 随着科学技术的不断进步,仿生表面因其在医疗、体育、军事和交通运输上广阔的应用前景成为了很多学者研究的热门,如何制备和测试仿生表面的性能就成了大家关注的重点。本文针对于超疏水表面的减阻性能,利用激光刻蚀法在铝合金表面制备了超疏水表面并对其进行了减阻测试。本课题首先根据鱼鳞表面、荷叶表面和鲨鱼皮表面的形貌制作了对应的仿生表面,并探究了激光加工设备对表面形貌的影响,随后对仿生鱼鳞表面和仿生荷叶表面进行了浸润性测试得到了浸润性最优良时仿生荷叶尺寸为40um,接触角达到了157°,仿生鱼鳞表面尺寸为100um,接触角达到了158°进行了减阻测试得出了仿生鱼鳞表面方向性减阻效果,在顺鱼鳞和逆鱼鳞方向上减阻率之差可达到10%-15%。根据两种表面高流速下减阻率较低的现象提出了采用亲水-疏水结构的仿生荷叶表面提高高流速状态下的减阻效果,该结构可以将高速水流剪切走的气泡阻拦在亲水带一侧从而提高气-液接触面积。实际测试表明当亲水带为1mm间隔时能达到最好的减阻效果,在4.2m/s的流速下仍能保持35%左右的减阻率,而没有亲水-疏水结构的仿生荷叶表面在该流速下只有15%左右的减阻率。本课题还对仿生鱼鳞表面、仿生荷叶表面和亲水-疏水结构的仿生荷叶表面进行了COMSOL仿真,仿真结果也证明了实验测试的结果是正确的,并对仿真结果进行了解释。对于仿生鱼鳞表面,液体滚动时的状态更符合没有浸润的Cassie状态,气-液交互界面的面积较大,因此随着仿生鱼鳞尺寸的增大其减阻效果会更好,在尺寸为100um时减阻效果达到最佳,滑移长度最长。但当尺寸增大到120um左右时,逐渐转变到Wenzel状态,此时减阻效果会变差,滑移长度降低。此外,在逆鱼鳞方向不论何种尺寸的鱼鳞表面均没有发生滚动。对于仿生荷叶表面,其表面形貌类似于柱状微结构,定义其粗糙因子并带入Wenzel和Cassie模型进行计算可得出当元素尺寸越小时浸润性越好,但需和实际情况做折中。对于亲水-疏水结构的仿生表面,由于亲水沟道的存在,可以在局部形成较大的气-液接触面积从而提高在高流速下整体的减阻效果。

关键词： 弯窄流道   叶轮   电火花   加工参数  

摘要： 目前采用机械加工和电火花结合的方式,在叶轮整体加工制造方面取得了一定的成绩,但随着BOG、CO2、低温氮等压缩机市场的发展,对高精度小直径窄流道叶轮的需求也逐步提升,例如出口宽度小于8mm的叶轮,受几何尺寸限制,该类叶轮无法进行铣削预加工,需全部利用电火花加工出流道形状.由于该类叶轮流道属于深窄型腔,有必要对该类叶轮的电火花加工工艺进行深入研究,解决该类叶轮加工效率低的问题.

关键词： 注塑成型   激光加工   翘曲   疏水表面   花瓣效应  

摘要： 自然界的疏水表面为仿生疏水表面的制备提供了模板。实际应用中,有时需要液体从固体表面快速滚落,而具备“荷叶效应”的疏水表面具备这类特征,如在自清洁、减阻、防雾等领;而有时又需要液滴粘附于固体表面,具备“花瓣效应”的疏水表面恰好适用此类场合,如在微液体无损运输、样本分析、液体收集等领域。根据实际需要,构建不同形貌的微结构阵列可实现制备不同特性的疏水表面。本文提出利用注塑工艺在塑件表面成型不同结构尺寸参数的疏水单元,以制备不同疏水能力疏水表面的方法。首先,利用激光加工在模具镶块表面加工了不同结构尺寸参数的微结构阵列。探究了不同扫描路径、激光功率、扫描次数对微结构加工效果的影响,结果发现:采用同心环路径及20%功率加工效果更为理想,而微结构轮廓随激光扫描次数的增加而更加均匀且过渡光滑。其次,探究了注塑工艺参数对PP薄壁件翘曲度的影响,并提出采用退火工艺来进一步降低翘曲,研究结果表明:翘曲量随注射压力、注射速度及模具温度的升高而增大,随冷却时间的增加而减小,而当熔体温度和保压压力增大时,翘曲量先减小后增大;退火工艺可使薄壁件翘曲量减小200%;再者,通过对塑件表面120个微结构单元进行接触角测量,探究了微结构间距、高度及底端直径对接触角大小的影响,研究发现:微结构阵列的存在一定程度上减小了固-液接触面积,使得表面原接触角55.01°增大到95.749.06°,对应最大接触角其尺寸参数分别为:间距160μm、高度94.35μm、底端直径150μm,可达到准超疏水水平;接触角在设定尺寸参数范围内随微结构阵列间距的增大而减小,随微结构高度的增大而增大,随其底端直径的增大而增大,相对高耸紧凑的结构利于增大接触角,不同微结构尺寸可实现对塑件表面不同疏水程度的调节。最后,通过将有静置液滴的薄壁件倾斜不同角度发现,具有微结构的塑件表面有明显接触角滞后现象,翻转180°液滴不会滴落,表现出很强的粘附性,具备显著的“花瓣效应”。未经低表面能修饰的粗糙表面,因为微结构的存在不仅增强了固-液界面作用力,而且微结构顶部的钉附作用均增大了液滴在表面移动时的能量势垒,增强了固体表面粘附作用。本文研究内容对微结构改善聚合物表面润湿性及实现对其疏水能力的可控调节具有重要研究意义,为制备不同疏水特性的聚合物表面提供了实践方法。

关键词： 激光技术  

ISBN: (纸本)9787118120936

摘要： 本书主要内容包括: 激光制孔的机理、特点、应用实例以及加工小孔的特征参量、影响因素、评估方法等基础性知识 ; 激光制孔建模分析及研究成果 ; 激光制孔技术的研究成果, 包括传统的毫秒、纳秒长脉冲激光以及超短脉冲激光制孔, 涉及激光制孔的后续处理技术、防护技术等 ; 激光制孔装备及其发展趋势。