关键词： 烙画   激光技术   加工参数   加工质量   响应曲面法  

摘要： 木烙画是中国传统的民间艺术,做工精细,纹理自然,在明暗变化和线条起伏中寻求单色层次之美,但由于其加工工艺复杂,无法批量生产等原因限制了其传承与发展。近年来激光技术在国内外发展迅速,且由于木质材料的特性非常适合采用激光热源加工,也使得激光技术在木质材料加工应用中愈加广泛。本课题在研究激光加工木质材料的特点基础上,应用激光雕刻技术来仿作烙画艺术,为木烙画的创新和传承提供新的思路。本论文将研究分为四大部分:一是通过文献综述、实地调查对传统烙画艺术进行探究,分析其制作工具、题材与技法、工艺及具体应用,并提出其在现代传承与发展所面对的问题。二是综述近年来国内外激光加工木质材料的研究现状,并总结归纳今后激光加工木质材料研究的重点。三是利用控制变量法通过单因素实验探讨激光加工参数(速度、功率、焦距)对“线”和“面”加工的影响。四是运用响应曲面法,基于Box-Behnken模型分析出单因素及交互作用显著性,优化设计雕刻参数来模拟传统烙画艺术中的“线”和“面”。最后本论文通过以上研究,进行具体的设计实践,运用实证研究法探究激光加工木烙画的可行性。通过单因素试验研究,论文得出激光功率、速度和焦距对于雕刻结果有着不同程度的影响。结合各因素影响的特点,运用响应曲面法可以选择合理的加工参数实现传统烙画,并得出对于缝宽,焦距的影响作用最大,焦距和功率的交互作用最显著;对于缝深,功率的影响作用最大,焦距和功率的交互作用最显著:对于总色差△E*,速度的影响作用最大,速度和功率的交互作用最显著。实验证明了使用激光雕刻切割技术制作烙画的可行性,有利于推进烙画艺术的批量化生产,也利于烙画艺术的普及与推广,更促进烙画艺术在更多领域的应用,实现多元化发展。

关键词： 飞秒激光切割   叠层电极   混粉   微细电解加工   微细电火花加工  

摘要： 当今世界日益突出的能源危机、环境污染等问题,使得表面功能结构制造成为国际学术研究的热点之一。微细电加工(微细电解加工和电火花加工)是实现表面功能结构制造的主要技术手段之一;而该技术的必备工具——三维微电极,难以通过常规机械加工方法制备。因此,在当前,微细电加工过程通常是利用微柱状电极、以逐层扫描铣削放电的方式开展,并用于制备各种复杂三维微型腔。但是,逐层扫描放电加工效率较低,而且微柱状电极横截面积十分微小,导致其抗干扰能力较差、容易损坏。为此,针对三维微细电加工技术上述所述不足之处,本研究借助于增材制造原理,将铜箔等材料用于叠层制造三维微电极。所制电极质量可靠、抗干扰能力较强,可用于具有大深宽比和复杂结构特征三维微型腔的高效电加工。该技术是对微柱状电极工艺方法的有益补充。本文在总结国内外大量相关文献的基础上,对本课题所提方法的加工机理以及关键应用技术进行了深入研究。完成的主要工作内容如下:(1)提出具有微孔结构和倒锥度特征烧结式三维叠层微电极、以及捆绑式三维叠层微电极的制备方案。对振动辅助微细电解加工极间间隙电解液的运动规律进行模拟仿真,以验证所设计电极结构具备合理性。对电极箔层间的压力云分布进行仿真计算,以预测应力集中和形变最严重的位置。对电极箔片可承受的载荷极值进行计算,以便电极工作部位各箔层间保持紧密贴合,从而获得具有较高形状精度的叠层微电极。结合仿真和计算的结果,使用镀锡铜箔叠层坯料,运用飞秒激光切割与真空压力热扩散焊组合工艺,制备出含有微孔和倒锥度特征和的烧结式三维叠层微电极;并且,为提高电极制备效率,运用飞秒激光切割结合专用电极夹具,快速制备出捆绑式三维叠层微电极。(2)开展了烧结式三维叠层微电极微细电解加工的机理和应用研究。使用含有碳化硼(BC)磨粒的硝酸钠(NaNO)电解液,进行振动辅助单向进给微细电解加工,并且结合振动研磨抛光工艺,对加工至指定深度后的微结构表面进行研磨抛光处理,以制备高表面质量的微结构。以不同振幅、振动频率、研磨时间以及BC浓度等参数作为实验的主要影响因素,进行振动辅助微细电解加工实验研究。并以所得微结构底面粗糙度作为研究指标,对加工结果的成形机理进行对比分析。结果表明,BC磨粒的振动磨削作用,大大减少了电解产物在电极工作面的沉积,保持了电极工作面良好而均匀的导电性,从而提高了电解加工的定域性,降低了杂散腐蚀程度,进而实现了高效稳定的电解加工,并显著改善了具有较大深度和复杂孤岛特征微结构的表面质量。(3)在微细电解加工基础上,进一步提出运用捆绑式三维叠层微电极进行负极性微细混粉电火花加工,所用火花油电介质同时含有均匀悬浮的石墨粉(Gr粉)和铜粉(Cu粉)。分析并总结了混粉微细电火花加工过程中、加工结果底面出现接缝放电痕和微凹坑的主要成形机理。同时,采用优化的工艺参数,包括粉末浓度、电压脉宽和脉间、以及加工电压等,对于该技术在典型工业金属材料上的应用进行了全方位验证,制备多种三维微结构实例。结果表明,在负极性混粉电火花放电的作用下,极间等离子放电通道均匀分布,使得电极工作面箔层间可形成完整连续的自焊接;合适的粉末浓度促成可靠积碳层保护膜的有效形成,进一步改善了电极工作表面质量,并显著降低了电极损耗,且电容储能作用的减小大大降低了潜布电容加工和电弧放电的可能性,从而实现高效稳定、精密、大深度、底面无接缝放电痕微结构的制备。

关键词： 互补金属氧化物半导体   单壁碳纳米管膜   激光加工   浸润性   负温热膨胀特性  

摘要： 后摩尔时代能够代替硅基CMOS的材料和器件是纳米科学研究的前沿和热点课题。单壁碳纳米管(SWNT)具有极小尺寸（直径1～2纳米）、高迁移率、高导热的特性，且可以构建研究全碳器件，被认为是最有潜力替代硅的最佳材料之一。单根碳纳米管器件存在难以大规模集成的缺点，而SWNT膜性能均一、稳定，相关器件适于集成。因此，本文围绕SWNT膜用作电极材料和沟道材料的激光加工工艺进行了研究，从激光图案化SWNT膜的工艺、激光加工SWNT膜制备纳米器件的应用等方面进行了深入系统的研究。主要内容如下:　　1.二维材料/SWNT薄膜复合材料及氟化SWNT薄膜浸润性的研究:研究了石墨烯、六方氮化硼与SWNT复合材料的浸润特性和氟化碳纳米管薄膜的超疏水性质及其疏水性质的稳定性。发现其水接触角可以达到160°，在室温条件下保持30个月不变。　　2.激光加工SWNT薄膜的工艺及其与衬底作用特性的研究:研究了波长405nm的激光在大气环境下对SWNT膜的刻蚀作用，发现激光能量大小、扫描方向对碳管薄膜的刻蚀具有调节作用。提出碳管吸收激光能量导致的温度升高、氧化是碳管被刻蚀的主要原因。据此设计出镂空基底上SWNT薄膜的刻蚀器件，得到了由SWNT薄膜组成器件电极和离散、单根碳管束作为导电沟道的全碳器件。同时，制备出SWNT纳米悬臂梁，测试了其电学性质，提出了一种纳机电器件的设计方案。　　3.无定形碳/SWNT复合纳米线的负温热膨胀特性研究:实验上观察到SWNT和无定形碳的复合纳米线在一端固定而另一端是自由时，自由端在SEM和TEM的电子辐射时，会产生朝向电子束入射方向的反方向弯曲。通过对比试验，提出这些现象的机理为复合纳米线沿轴向的负热膨胀(negative thermal expansion，NTE)特性。　　4.纳米镍颗粒刻蚀SWNT时尺寸相关特性研究:实验观测到，在原始和激光图案化的SWNT膜上蒸发镍并退火后，可以在这两种SWNT膜上获得不同尺寸的镍纳米颗粒。实验结果还显示，相同的实验条件下，较大的镍纳米颗粒可以比小尺寸的镍纳米颗粒更容易地蚀刻直径较细的SWNT。

关键词： 超声振动辅助   电解电火花加工   振动幅度   玻璃微结构   表面粗糙度  

摘要： 随着微机电设备技术的不断发展,玻璃微结构(非导电硬脆难加工材料)在生物医学、化学、航空航天和微型实验装置等领域应用广泛。本文选取玻璃作为加工对象,微细电解电火花加工添加超声振动辅助,探讨了超声振动辅助对微细电解电火花加工原理、加工过程以及加工结果的影响,并进行了一系列试验研究,主要研究内容包括以下几个方面:(1)理论分析电解电火花加工的气膜成形机理、超声振动辅助对气膜的影响以及材料去除机理;建立微细电解电火花钻削、铣削加工的放电能量和工件材料蚀除速度控制模型;对超声振动辅助在气膜成形过程中的作用进行仿真分析;搭建超声振动辅助微细电解电火花加工试验平台。(2)进行超声振动辅助电解电火花钻削加工试验。建立钻削加工模型;探究超声振幅对微孔加工质量的影响,得到最佳超声振幅参数(7.5μm);分析主要加工参数对加工过程和加工精度的影响。研究结果表明,添加超声振动辅助显著降低了最低可加工电压(电压从35V降至27V,降幅22.86%),提升了加工精度(微孔直径从163.2μm减小至135.6μm,提升幅度16.9%),提高了加工过程的稳定性。最后,加工得到入口热裂纹面积较小且出口不出现破损的3×3微孔阵列。(3)进行超声振动辅助电解电火花铣削加工试验。建立铣削加工模型;探究超声振幅对微槽道加工质量的影响,得到最佳超声振幅参数(7.5μm);分析主要加工参数对加工过程和加工精度的影响。研究结果表明,添加超声振动辅助显著降低了最低可加工电压(电压从35V降至27V,降幅22.86%),提升了加工精度(微槽道宽度从138.7μm减小至119.2μm,提升幅度14.1%),降低了被加工工件的表面粗糙度(微槽道底面的Ra值从0.53μm下降至0.26μm,降幅50.94%)。最后,加工得到微槽道阵列,微三维五角星阶梯结构及直径为3mm的简化山东大学校徽图案的微复杂结构。

关键词： 飞秒激光   双光子聚合   空间光调制器   计算全息   时空调制   微纳制造  

摘要： 飞秒激光凭借其超短脉冲宽度、超高峰值功率等优点,在微纳制造领域具有广泛的应用。传统的双光子聚合加工技术是通过单点扫描实现,它具有加工精度高、加工过程便于控制等优势,但受限于其加工效率低这一缺点,在大面积、大尺度的相关应用中难以得到推广。计算全息技术通过对激光波前相位调制,可以实现任意光场分布,并用于二维图形化结构的加工。这种加工技术可以有效提高加工效率,但一般只适用于二维平面加工。为了解决传统加工技术效率低下和全息加工的二维局限性问题,本文提出时空调制技术,引入数字微透镜阵列与光栅,在保证加工精度的同时,也提高了加工效率。本文首先介绍了传统的飞秒激光单点扫描加工技术,利用飞秒激光对玻璃改性,提高氢氟酸对其腐蚀效率。基于此方法,制造出了可调谐的微透镜器件,并且分析了相关的调制参数与调制效果。基于计算傅里叶全息算法,提出一种基于硅基液晶空间光调制器动态加载计算全息图同时控制焦点位置和能量的新型加工方法。利用这一加工方法,成功实现各种可控环状结构的加工,并在光学显微镜下测试达到相应效果,证明这种加工方法在飞秒激光微纳加工领域具有可行性。最后,本文详细介绍了飞秒激光时空调制技术。利用数字微透镜阵列,可以实现任意二维图形化的调制;利用光栅的色散作用,可以将光谱在空间中分开,实现脉冲的展宽;将准直后的激光通过物镜聚焦,在后焦面上光谱重合,脉冲宽度重新被压缩。物镜聚焦使得激光的空间能量密度在物镜后焦面达到最大;后焦面上光谱的重合使得在此位置脉冲宽度达到最小,使得激光能量密度在时域上达到最大,从而使得在物镜后焦面的双光子激发效率达到最高,而离焦后迅速降低。利用此技术可以实现图形加工,并且探究了该技术在单点、单层加工的分辨率的优越性。

关键词： 机械制造   特种加工   新型加工技术  

摘要： 随着我国制造行业的稳步发展,特种加工技术作为传统加工技术的补充技术在机械制造加工中扮演着越来越重要的作用,并且也解决了很多加工行业中的难题.现如今,以微电子技术与电子信息技术为关键技术的特种加工技术促使机械制造工业产生较大变化,一些先进的技术应用层出不穷.基于此,我们对机械制造行业中的特种加工技术进行了细致讨论.

关键词： 高硅铝合金   旋转超声   电火花加工   温度场仿真  

摘要： 金属基复合材料是一种发展前景广阔的新型材料。高硅铝合金是一种典型的金属基复合材料,其硅含量大于17%,具有密度小、热膨胀系数低、热稳定性能好、比刚度和比强度高、耐腐蚀、无毒等优点,广泛应用于汽车制造和航天航空领域。但当高硅铝合金的硅含量不断升高时,其脆性特征就会随之增加,从而导致机械加工性能的大幅度降低,普通机械加工很难达到加工要求。电火花加工是非接触加工,加工中无明显的宏观作用力,适于加工高硅铝合金。旋转超声振动辅助电火花加工是一种复合加工技术,本文以高硅铝合金为加工对象,研究旋转超声-电火花复合加工技术的加工机理。深入研究传统电火花加工理论,分别从放电通道、极间间隙、蚀除物的抛出和极间介质的消电离四个方面进行展开。同时结合超声振动的特性,研究了旋转超声对电火花加工过程中放电通道、极间间隙、介质消电离和加工效率等方面的影响,发现旋转超声对电火花放电情况有明显的改善作用,提高加工效率。基于ANSYS仿真软件对单脉冲电火花加工过程中的温度场进行了仿真。主要研究高硅铝合金的电火花加工过程中,极间电压、放电电流和脉冲宽度对温度场分布的影响规律,结合改进的材料去除率公式分析极间电压、放电电流和脉冲宽度与电加工凹坑的深度、半径及体积的关系。通过仿真和分析得知,极间电压、放电电流和脉冲宽度均与温升存在正相关关系,其中,电流的影响作用比较突出。研制了旋转超声-电火花复合加工机床,集电极旋转、超声振动和电火花加工于一体。在复合加工机床上,进行高硅铝合金的有、无旋转超声条件辅助的对比实验及两种条件下的峰值电流、放电电压和脉冲宽度对凹坑蚀除体积影响的单因素实验。对比实验结果得出旋转超声的辅助作用,旋转超声提高加工效率和工件表面质量,改善放电间隙,促进材料蚀除物的排出。单因素实验的结果表明电蚀坑体积皆随着放电电流、极间电压和脉冲宽度的增大而增大,超声振动的辅助使这种增大趋势更加显著。这三个电参数的增大使单脉冲放电能量增大,故材料凹坑蚀除体积增大,这种变化趋势与仿真结论相一致,验证仿真结果的可靠性。

关键词： 铍铜合金   减阻性能   电火花加工   超疏水表面   表面形貌  

摘要： 铍铜材料具有高强度高弹性、耐疲劳及热变形低等优异特性,被广泛应用在航空航天部门零部件尤其是微陀螺部件的制造,而其材料表面的摩擦阻力对整个系统的性能具有显著影响,故对其减阻性能的研究具有重要意义。现有的对超疏水表面的研究揭示了表面微结构对于减阻性能具有积极意义,然而这些微结构是预先设计的规则阵列微结构,关于从具体加工表面进行表面形貌与减阻性能研究的报道较少。电火花加工的表面具有随机分布的凹坑微结构,且这些微结构的尺寸可以通过改变加工参数进行控制。本文通过电火花成型加工方法及氟化剂处理方法制备具有超疏水性能的铍铜表面,测量得到其表面的形貌数据,通过一系列表征手段分析其表面的形貌特征,建立减阻性能理论模型,并据此开展减阻性能仿真研究,搭建减阻性能测试平台,开展减阻性能的试验研究。首先对电火花加工表面进行形貌统计特征分析,发现其为具有各向同性的高斯表面,据此将电火花加工表面简化为二维结构进一步研究。利用分形理论得到了不同加工参数表面的分形特征参数及观测表面形貌的频率范围,随后利用小波分解的方法对表面各频率成分及幅值进行分析,结合分形特征得到了表面简化与重构的各参数。利用表面能公式建立了微结构与减阻性能的理论模型。根据简化与重构后的表面建立了减阻性能仿真研究的模型。通过仿真结果从壁面附近的速度梯度和滑移长度两方面解释表面微结构的减阻机理,并尝试从微结构中气体的流速分布解释微结构尺寸对于减阻性能的意义;探究不同加工参数对重构后微结构及减阻性能的影响,继而归纳放电能量对加工表面减阻性能的影响规律;最后探究流场流速对减阻性能的影响。最后对铍铜材料表面的减阻性能开展试验研究。首先设计并搭建减阻性能测试平台并分析其输出特性;进行单因素试验,研究加工参数、流场流速及润湿性对减阻性能的影响规律;对减阻性能与加工参数的关系进行评定研究。

关键词： TC4钛合金   超声混粉电火花   正交试验   BP神经网络  

摘要： TC4钛合金由于具有密度小、耐腐蚀、高强度和良好的焊接性和韧性,在航天航空和医疗器材等对加工精度要求较高的领域获得了广泛应用,而电火花作为特种加工方式,通过连续的脉冲放电将电能转换为热能,达到了去除表面材料的目的。在传统的电火花加工中存在加工效率低,加工质量差,且在加工后需要进行抛光、研磨等工序的问题,混粉电火花的出现一定程度上提供了一种解决上述问题的方法。而本文为进一步改善TC4钛合金加工所遇到的困难,提出超声混粉电火花复合加工,通过将超声装置附加于工件上,探究超声在混粉电火花加工中所起到的积极作用。本文在EDM450/60NC型电火花数控机床的基础上,设计了一套可实现工件水平振动的超声混粉电火花加工装置。基于ANSYS模态分析,设计出一个可承载不同形状、尺寸工件振动的超声振动平台;利用FLUENT软件对不同离底高度、叶轮转速和叶轮形状的流场分布进行仿真计算,并进行相关安装调试和校验。其次进行了一系列工件超声混粉电火花复合加工试验。首先,保持电参数不变的情况下,分别针对TC4钛合金加工中的加工深度、铝粉浓度、加工面积的影响进行试验。接着在相同工艺条件下,分别对普通电火花与超声电火花、混粉电火花和超声混粉电火花进行9组加工对比试验。分析发现:添加混粉要比不混粉加工效果好,附加超声则更能提升加工效果,且混粉的作用要大于附加超声。然后设计四因素四水平正交试验,分别使用极差分析和信噪比分析两种方法,探究了电参数对加工效果的影响,并运用信噪比与灰色关联度相结合的分析方法,将多目标优化问题转换成单目标灰色关联度问题,且通过验证试验,得到最优参数组。最后借助所设计的超声混粉电火花正交试验为数据样本,利用MATLAB软件编制程序,对工件附加超声振动混粉电火花复合加工进行工艺预测BP网络模型的建立,并通过预测值与试验值的比较,验证所建立的模型经过训练后可准确预测相关试验参数下的表面粗糙度和加工速率,具有一定的学习和泛化能力。

关键词： ZrB2-SiC-G陶瓷   微细电火花加工   微结构   表面质量   微喷管  

摘要： ZrB2-SiC-Graphite(ZrB2-SiC-G)陶瓷复合材料具有优异的耐高温性、抗氧化烧蚀性等特点,并具有良好的导电性,是应用于有高温需求的微机电和微流控系统零部件较为理想的新材料。然而,ZrB2-SiC-G陶瓷采用多种不同性能的材料烧结制备而成,材料熔点和硬度极高,从材料成分到物理性能都表现出极大的特殊性。采用传统的接触式机械加工方法,刀具磨损严重且加工效率低。微细电火花加工技术具有非接触加工、不受材料强度及硬度限制等特点。因此,探索ZrB2-SiC-G陶瓷材料的微细电火花加工技术,深入研究其加工机制和提高加工质量及效率的方法,对于拓展ZrB2-SiC-G陶瓷新材料的应用具有重要意义。本文以ZrB2-SiC-G陶瓷加工为研究对象,对该材料微细电火花加工特性、微结构加工方法以及加工技术在微喷管制备中的应用进行研究。基于微细电火花小孔加工技术,对ZrB2-SiC-G陶瓷的加工特性进行了研究。从材料去除率、电极相对损耗率和放电特性三个方面分析了该陶瓷材料的微细电火花加工性能。对表面形貌和电蚀产物进行了深入分析,发现电火花加工表面主要由熔滴、微孔以及大量微裂纹组成,电蚀产物主要由规则球形颗粒、不规则片状颗粒和不规则块状颗粒组成。基于上述分析,揭示了ZrB2-SiC-G陶瓷电火花加工材料去除机制,其主要为熔化/汽化,并伴有热剥落,而热剥落机制能够促进材料去除,但产生了大尺寸电蚀产物。针对大尺寸电蚀产物导致较多非正常放电的问题,提出了一种基于双削边-圆柱阶梯电极的微细电火花小孔加工方法,有效降低了孔径过切,提高了加工效率和表面质量。针对微三维结构加工,对ZrB2-SiC-G陶瓷微细电火花铣削加工技术进行了研究。为提高微三维结构加工精度,研究了电极损耗补偿策略和加工路径规划策略。提出了一种基于扫描体积的电极损耗补偿方法,根据该方法开发了专用的微细电火花铣削CAM系统,利用该系统能够快捷的生成具有补偿功能的数控代码,实现了加工过程中电极损耗的实时自动补偿,提高了竖直方向上的加工精度。分析了电参数和非电参数对加工效率、电极相对损耗率以及加工间隙的影响,获得了微细电火花铣削加工工艺规律。依据加工间隙误差,对微三维结构加工路径进行了规划,并采用基于扫描体积的补偿方法,实现了复杂微型腔结构的高精度加工,为ZrB2-SiC-G陶瓷微三维零部件的加工奠定了基础。为了提高ZrB2-SiC-G陶瓷微三维结构的表面质量,提出了一种微细电火花与超声铣削原位组合加工方法,并搭建了组合铣削加工装置。分析了工艺参数对重铸层去除效果和表面质量的影响,确定了合适的组合铣削加工参数。为了实现重铸层完全去除和高精度加工,对组合铣削加工中微细工具进给策略进行了研究。最终,采用该组合铣削加工方法对多种类型的微结构进行了加工,有效去除了电火花加工产生的包含大量微裂纹缺陷的重铸层,实现了高表面质量微三维结构的加工。基于ZrB2-SiC-G陶瓷微细电火花加工特性和加工方法的研究,对其在微喷管制备中的应用进行了探索。设计了一种ZrB2-SiC-G陶瓷型微喷管,并进行了加工制造和初步实验。通过理论计算确定了微喷管主要结构参数,仿真分析了结构形状对推力性能的影响,优选了微喷管结构尺寸。制定了微喷管加工工艺路线,首先,采用更换电极的方法,对微喷管三维结构进行了微细电火花铣削粗加工,获得了较高的加工精度和效率,为后续精加工奠定了基础。然后,基于微细电火花线切割加工的二维反拷模板,采用微细电火花磨削加工技术在线制备了微细成形工具。最后,采用该成形工具对微喷管进行了在位超声精加工,有效去除了微喷管内壁形成的重铸层,提高了表面质量。针对研制的微喷管,搭建了基于悬臂梁力传感器的推力测试平台,并进行了初步实验,验证了ZrB2-SiC-G陶瓷微喷管的可行性。