关键词： 激光加工   单晶硅   损伤   断裂理论   分子动力学   冲击  

摘要： 激光加工中,不同温度下单晶硅可表现出脆性和塑性。单晶硅的断裂特性随温度改变,传统的断裂力学方法不能内在表达温度带来的变化。此外,单晶硅不但经受准静态力学作用,还有激光引致冲击。激光冲击造成的晶体损伤超出了断裂力学的研究范畴。变化的材料物性和复杂的载荷环境,造成激光加工单晶硅损伤机理的多样性。控制激光加工中的微尺度损伤,需要深入理解损伤产生的机理。目前存在的主要问题有:1)对于激光加工中微尺度断裂的起始,基于连续介质理论的断裂模型缺乏物理基础,主要表现为微尺度信息需要在断裂模型中表达;2)激光加工中温度变化范围大,材料内部的断裂现象难以用一种断裂理论来描述。此外,温度作用下断裂强度的改变在传统断裂模型中不能描述;3)在微尺度损伤中,Griffith断裂模型忽略了耗散作用。虽然在非线性断裂问题可以用J断裂理论描述,但其在微尺度体系中的应用中还存在问题;4)对于激光冲击作用下的材料损伤,超出了断裂问题的分析范畴。此外,激光与损伤区域相互作用,需要考虑动态演变过程。微尺度断裂损伤与冲击损伤在激光加工中广泛存在,对它们的分析有助于理解加工损伤产生的机理,进而了解损伤产生的条件,从而为低损伤的实现指明方向。针对上述问题,本文使用断裂力学理论、分子动力学方法、冲击动力学知识以及实验手段进行单晶硅损伤机理的研究。针对激光加工中单晶硅损伤的形式,本文将微尺度损伤分为微尺度断裂损伤和冲击损伤两大部分。进行的工作如下:1)结合单晶硅的晶体信息对断裂模型进行修饰,构建单晶硅微尺度断裂损伤的半经验模型;2)使用热物理信息对前述半经验模型进行修饰,表达微尺度断裂损伤中温度作用与断裂强度变化的关系;3)讨论微尺度非线性断裂中等效J断裂模型的局限性,改进等效J断裂模型;4)对于高温区激光冲击造成的损伤,结合分子动力学与冲击动力学原理,研究损伤演化的动态过程和物理机制;5)对于激光冲击与缺陷的相互作用,使用分子动力学和冲击动力学知识,分析热-力作用下损伤区的演化过程;6)采用实验方法研究激光加工中单晶硅损伤的特点,结合损伤理论解释损伤产生的机理,在了解损伤产生机理的基础上调节加工参数实现对损伤的控制。通过上述研究表明,单晶硅的损伤过程存在动态、非线性与耦合效应,该过程中温度、晶体结构与力幅值均产生影响。通过将晶体结构信息引入断裂模型并通过等价变换,断裂分析可以不依赖传统的断裂相关参数,并且可以分析极小尺度的断裂损伤。通过将热物理信息引入断裂模型,温度作用对断裂强度的衰减作用得到了表达。结果表明,温度引起焓值增高、键能降低削弱了原子间的相互作用强度。对于非线性断裂,使用改进后的微尺度等效J断裂模型进行了分析。经过改进后的等效J断裂模型克服了传统模型的不足,并可以精确捕捉到非线性断裂过程键断裂的信息。此外,通过该模型可以得到动态断裂过程中耗散作用来源于原子结构畸变、局部的塑性变形以及材料的热耗散。冲击损伤过程中应力波的作用表现出力与热的强烈耦合。晶体结构的动态破坏过程中,松弛效应和晶体结构的演化影响能量的吸收。而在韧脆转变温度以上,低幅值应力波的作用可以使缺陷区快速的愈合。依据上述损伤产生与演化过程受控于热与力作用的特点,对于实验中较大功率下热损伤严重的问题,增大脉冲频率以降低单脉冲能量,同时提高单位时间脉冲间隔次数减少热累积与冲击作用,并观察损伤变化情况,实现加工区附近损伤程度的降低。

关键词： 双道激光熔覆   镍基合金涂层   稀释率   微观组织   工艺参数  

摘要： 为了提高小模数齿轮表面镍基合金涂层的质量效果,本文中提出一种使用双道激光依次加工齿轮齿顶和齿底部位镍基合金涂层的加工方法,并与传统单道齿面激光熔覆的效果进行对比分析。主要研究内容如下:（1）分析了激光工艺参数对熔覆层宏观形貌的影响以及齿面单道激光熔覆在不同激光功率密度下的熔覆层显微组织形貌以及元素成分,实验结果表明:随着激光功率密度的增加,熔覆层内部的柱状晶枝变多,晶间组织的含量越少,熔覆层与基材之间亮白色冶金结合带越发明显,熔覆层表面的均匀性和连续性都有较大提高并且截面形貌发生改变。当激光功率密度为31.8 KW·S·CM-2时可以看出熔覆层冶金结合带区域与基材之间的孔隙基本消失,熔覆层与基材之间的结合牢固,过渡更加自然,但熔覆层的稀释率较大、对基材的齿顶部位的烧蚀明显、基材熔深深度较大以及涂层组织晶粒过于粗大的问题并没有得到很好解决。（2）对小模数齿面单道激光制备镍基合金涂层容易产生熔覆缺陷的原因进行分析:一方面激光光源为高斯热源,光源中间能量较高,容易造成齿面中部基材熔深较大影响涂层组织性能;另一方面小模数齿轮齿形特殊,齿顶部位较薄,在加工过程中容易对齿顶部位产生过度烧蚀,增加后期齿形修复难度。因此提出了双道激光加工小模数齿面镍基合金涂层的加工思路,即在保证激光总输入能量不变的条件下,将原有单束激光的能量按一定的能量配比方案分配到两个小光斑上,依次加工齿轮的齿顶部位和齿底部位。（3）将单道与双道激光工艺下加工出的熔覆涂层进行综合对比判断,在双道1mm光斑下的激光熔覆工艺对原有高斯激光光源的能量分布状态起到了一定的优化作用,激光能量由在齿轮中间部分过于集中转变为按照功率密度配比4:6的方式分配到齿轮的齿顶和齿底部位,不仅基材齿顶部位的宽度相比单道激光熔覆由340.84μm增加到460.61μm,而且涂层稀释率由34.54%降低到27.28%,其次采用双道1mm光斑下的涂层组织相比单道激光熔覆更加均匀细腻,基本上都呈现出细条状分布的趋势,涂层与基材之间存在一条元素相互扩散形成的冶金结合带,组织内部主要都是晶枝和晶胞状的结构,对组织细化作用明显;最后对比了熔覆层显微硬度发现,双道1mm光斑下的激光熔覆涂层显微硬度比单道激光熔覆要高,主要是由于组织中含Fe、Ni的晶状奥氏体析出较少,富含Cr的粒状渗碳体析出较多,因此熔覆层组织整体的耐磨性和强度都要优于单道激光熔覆。综上所述,在1模数齿轮齿面加工1mm厚的镍基合金涂层的工艺参数为P=250W,u1=2.5mm/s,u2=1.67mm/s,光斑直径d=1mm,激光功率密度为31.8KW·S·CM-2。经过双道激光熔覆工艺加工后的齿轮齿面硬度较高,具有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力,满足齿面硬、芯部韧的工艺要求。

关键词： SiCp/Al   混粉电火花加工   碳纳米管(CNT)   蚀除机理   温度场   加工特性  

摘要： 金属基复合材料SiCp/Al具有高导热率、轻质、价格低廉等优势,被广泛应用于航空、电子封装等领域,但SiCp/Al是典型的难加工材料。电火花加工方法被认为是SiCp/Al最有效的加工方法之一,其与传统机械加工相比具有无宏观加工作用力、能加工复杂形状、加工成本低等优势,与激光加工相比具有热影响区小的优势。但采用电火花加工时,熔融Al合金会附着在脱落的SiC颗粒上飞溅至极间,易引起频繁短路拉弧、表面质量差、电极损耗严重及材料去除率低等问题。针对上述问题,为改善极间放电状态,本文在对SiCp/Al放电蚀除机理进行研究的基础上,提出SiCp/Al混碳纳米管(CNT)电火花加工方法,对其加工特性进行了深入的研究。首先,为了揭示SiCp/Al电火花加工蚀除机理和过程,基于搭建的单脉冲放电实验平台,进行了单脉冲放电条件下的高速摄像观测实验和连续放电加工特性实验。通过与金属材料的对比,研究了SiCp/Al放电蚀除机理和过程,结果表明SiCp/Al单次蚀除量与放电率较低导致其加工速度较低,且放电过程中放电屑的飞溅及熔池的剧烈翻腾使得短路拉弧现象频繁发生,导致加工表面质量差。为此,提出通过混粉的方法增加放电间隙,以改善极间放电状态,并通过实验验证了混粉方法对改善SiCp/Al电火花加工特性的有效性。其次,为了研究混粉方法对SiCp/Al加工特性的影响,建立了一种SiCp/Al单脉冲混粉电火花加工温度场仿真模型,提出了粉末特性常数K以表示粉末对能量分配比的影响,分析了混粉浓度、放电时间及放电电流对于温度场的影响规律。最后,进行了SiCp/Al混粉电火花加工特性实验研究,分析了混粉类型及浓度、开路电压幅值、脉冲宽度、伺服参考电压对SiCp/Al加工材料去除率、电极损耗、表面形貌、表面粗糙度、放电率、短路拉弧率的影响,并优选出加工参数,改善了SiCp/Al的电火花加工特性。

关键词： 模具加工   教学模式   构建主义   实施策略  

摘要： 《模具特种加工》作为职业教学中的重点课程,教学实施的重点是基于市场需求和学生就业实际,提出《模具特种加工》教学的新思路和新方法,基于构建主义思维实现学生学习实操中主体能动性的发挥。构建主义以知识的自主构建,经验发掘为基础带来《模具特种加工》教学实效性的提升。本文主要就构建主义教学思想指导下《模具特种加工》技术的教学创新策略进行探讨。

关键词： 工程机械制造   激光加工技术   运用  

摘要： 激光技术属于先进科学技术的一种,是现代科学进步发展当中出现的一种新兴产物,其应用领域比较广泛,诸如研究开发新型武器、对机械进行精密加工以及服务于医疗卫生行业等.目前,已有大量的工程机械被广泛用于建设以及发展,因为当今人们对于施工质量的高要求,这就使得人们在选择工程机械时更加注重质量.在工程机械制造当中运用激光加工技术可以大大提升所产机械产品的制造质量以及精度.

关键词： 碳纤维混合层压板   两步热压工艺   激光加工   堆叠顺序   机械性能  

摘要： 碳纤维增强树脂层压板以其高比强度和比模量的性能优势受到航空航天、汽车和清洁能源等领域的青睐。然而,传统的碳纤维增强环氧树脂层压板往往存在以下问题:断裂伸长率低,断裂方式呈现脆性。为了满足碳纤维层压板的实际使用需求,研究人员将目光逐渐转向设计柔性好、性能综合、兼具成本控制的混合型层压板。本文提出了一种全新的碳纤维增强树脂混合层压板(简称为混合层压板),以传统的碳纤维增强热固性层压板作为主要机械性能载体,以纤维含量较低、塑性较好的热塑性层压板作为其性能改善部分。混合层压板的机械性能主要由以下三个方面决定:各层压板的原始性能、粘接特性以及堆叠顺序。因此,本文以上述内容为研究对象,对混合层压板的优化成型技术展开研究。首先,提出了一种全新的热塑性层压板两步热压工艺,在降低成型参数的同时解决了展宽碳纤维布纤维朝向整齐和树脂良好浸润难以两全的问题。以拉伸、弯曲和冲击性能为测评指标,辅助以微观形貌观察方法,寻求最优的成型参数,并通过层数的变化来验证新工艺的可靠性。其次,采用激光加工技术,实现热固性层压板的表面激光改性处理以提高其粘接强度。根据碳纤维的编织特性,构建了数学模型来表征热固性层压板表层树脂的去除情况;通过对裸露的碳纤维布进行沟槽刻蚀,以进一步提高粘接面积并引入锚定效应作用力。结合单搭接剪切实验、加工形貌和失效形貌观察剖析粘接增强机理,得出最优的激光加工参数以保证混合层压板的可靠粘接。最后,基于上述优化结果进行混合层压板成型。通过改变厚度方向上的堆叠顺序,寻求不同力学载荷下混合层压板的最优搭配。结果发现:混合层压板结合稳定,拉伸性能满足复合材料混合定理;热固-热塑型堆叠方式契合应力分布需求,拥有良好的弯曲及冲击性能。热塑性层压板的加入大大平缓了热固性层压板的弯曲断裂过程,并进一步发挥了热固性层压板的冲击性能,实现了混合层压板的协同增效作用。

关键词： 微细电火花加工   微细电解加工   重铸层在线去除  

摘要： 微细电火花加工技术由于成本低廉、可加工各种金属材料、非接触式加工、没有宏观切削力等加工特性和独到的优势,被广泛的应用于微细加工领域。但是微细电火花高温熔融金属的加工机制使得加工后的工件表面有一层薄薄的由蚀坑、突起和气孔等结构构成的重铸层,严重影响加工的表面形貌和精度,在航空航天、医疗等领域的应用存在安全隐患。因此,微结构表面重铸层的在线、定量、定向去除成为亟待解决的问题。论文首先分析重铸层的成形机制,根据其工件材料和工具材料混凝形成的特点,提出一种根据重铸层不同深度元素组成来衡量厚度的方法,并以此作为重铸层电解去除厚度的标准。同时对重铸层电解去除机理进行了分析,明确了重铸层电解加工的基本条件,建立加工模型,并对重铸层的去除过程进行仿真分析。然后对重铸层电解去除工艺进行了研究,分析电解液成分、浓度、温度、加工电压和初始加工间隙等工艺参数对重铸层电解去除的影响规律。通过实验,研究了重铸层表面去除工艺方法。为了实现重铸层的定量去除,提出了通过轨迹加工间隔和进给速度来调整等效加工时间的方法,并对微平面、微孔和侧壁的重铸层进行了在线去除研究。接着对重铸层在线去除技术进行了研究。设计了微细电火花-电解组合加工平台,开发微细电火花-微细电解加工多功能脉冲电源,设计了符合两种工艺条件的工作液循环系统,开发了配套的控制系统软件,使之能够用于微细电火花加工和微细电解加工。最后,针对该组合加工平台,开发了微细电火花-电解组合加工工艺集成方法,并利用该平台进行了一个特定三维结构的微细电火花加工及表面重铸层在线去除实验,去除厚度为12.531μm,表面粗糙度从1.426μm降到了0.266μm,取得了较好的去除效果。

关键词： 微细电火花   多微细孔   旋转   振动   微能脉冲电源   间隙状态检测  

摘要： 微细电火花加工技术以其高精度、高表面质量以及无宏观力的特点在尖端工业技术领域有着广阔的应用前景,例如精密机械工程、微型机械、微电子技术、生物医学工程以及航空航天等技术领域。现阶段微细电火花加工机床普遍采用单电极放电加工,对于含有多个微细孔的零件只能逐孔加工,加工效率较低。针对电火花加工效率低这一技术难题,国内外相继提出群电极加工阵列微细孔的技术。该技术采用电火花反拷贝原理,首先用微细单电极加工出微阵列孔,然后用微阵列孔加工出群电极。群电极技术的提出虽然大幅提高了微细孔加工效率,但也存在着技术缺陷:单个电极不能进行独立放电控制,若某个电极短路时集中能量放电将造成该短路电极烧毁;电极无法旋转,不能利用旋转功能促进排屑,孔加工深度有限;群电极制作困难,工艺复杂。针对目前电火花微细加工的研究现状,本文提出一种多微细孔同步电火花复合旋转振动加工系统,致力于提高多微细孔加工质量和加工效率。基于多微细孔同步电火花加工系统的功能需求,自主研制了一台多微细孔同步电火花加工机床。该机床由两大部分组成:机械平台和控制系统,可实现多电极独立微能脉冲放电,各电极加工间隙状态实时检测以及伺服进给调节,同时各电极可同步旋转辅助振动加工,具有较高的加工效率、加工稳定性和加工精度,且自动化程度高。其中机械平台部分主要由伺服进给机构、振动机构和多电极同步旋转机构3大部分组成,结构设计合理、可靠性高。控制系统部分由电机控制模块、伺服运动控制模块和脉冲电源模块组成,由STM32F103RCT6单片机实时检测加工状态协调各模块工作,同时将加工数据上传给上位机。本文设计的多电极同步放电微能脉冲电源以STM32F103RCT6处理器为核心,通过调节处理器输出的两路PWM信号占空比驱动NMOS管动作从而实现多电极独立微能量放电,运用间隙状态检测技术有效地识别出各电极的异常放电加工状态,及时调节加工参数,维持稳定高效的电火花加工。该电源旨在实现多电极脉冲能量的微小精确控制,选用的STM32F103RCT6处理器采用72MHz时钟,可输出的最小脉冲为13.9ns,脉冲调节精度为13.9ns,符合加工微能量要求。基于机床结构和微能脉冲电源硬件设计,使用C语言和STM32库函数开发多微细孔同步电火花加工系统程序。该加工系统程序设计包括机床手动模式程序、基于Modbus的直流可调电源串口通讯程序、脉冲放电及多参数闭环控制程序以及基于LabVIEW的人机交互界面。软件可实现电火花加工机床手动加工与自动加工模式切换,多电极旋转振动复合微能脉冲放电、放电间隙状态识别与多加工参数实时可调,最后建立友好的人机交互界面实现参数在线设定和加工状态显示。最后经过加工实验证明,多微细孔同步电火花加工机床在不同的振动频率与旋转速度下进行三电极同步电火花加工,长时间工作未出现异常情况,机床稳定性和加工效果较好。实验探究了多微细孔电火花加工中电极转速、振幅、电容充电能量、限流电阻、加工厚度等参数对加工效率的影响以及电极旋转振动的引入对加工质量的影响,同时设计三因素三水平正交实验探究维持稳定、高效加工的最佳电参数条件。

关键词： 微细电火花加工   加工面粗糙度   机器视觉   快速高斯滤波   神经模糊系统  

摘要： 在衡量被加工工件表面形貌的时候,加工面粗糙度是其重要指标之一,工件被加工之后的性能直接或间接的受加工面粗糙度的影响。为了保障微细电火花加工工艺技术在微型机械、微型系统领域的应用,针对微细电火花加工工件的加工面粗糙度评价方法的研究是十分必要的。针对微细电火花加工工件设计加工面粗糙度的评价方法、测量系统、估计模型,能够实现工件加工面粗糙度参数的在线、非接触、高精度以及高效评定,以达到高精度、复杂形状的微器件和微芯片的精细加工的目的。本文针对微细电火花加工这种加工工艺加工出的工件的加工面粗糙度评价问题进行了多方面的深入研究,重点解决加工面粗糙度评价涉及的基准线、基准面的确定的相关问题,在线、非接触测量系统的设计以及基于此系统下的加工面粗糙度的预测评价的问题,具体工作如下:针对工件加工面粗糙度二维基准线确定问题,采用基于完整矩阵运算的级联近似样条滤波算法,完成末端效应减轻、零相位特性和高计算效率数据滤波,同时确保高斯滤波器的滤波特性。针对三维基准面确定问题,通过高斯滤波快速算法,得到了工件加工面粗糙度的高斯滤波基准面,大大提高了滤波精度且计算量相对较小、计算速度快,显著改善了传统高斯滤波评定方法对微细电火花加工加工面粗糙度评定的不足之处。针对微细电火花加工工件在线测量的需求,研究了基于机器视觉的工件加工面粗糙度测量系统。设计了基于CCD相机的加工面粗糙度测量系统,完成了从图像获取、图像预处理、粗糙度评估的完整流程。考虑到基于激光散射的光纤传感器的优势,设计了基于多波长光纤传感器的加工面粗糙度测量系统,实现了工件加工面粗糙度的较高精度测量。针对微细电火花加工工件的粗糙度评价需求,考虑到基于机器视觉获取的工件表面图像及表面形貌数据,设计基于人工神经网络的加工面粗糙度评价算法:设计基于多项式网络的加工面粗糙度预测算法,结合以接触式测量方法获取的工件加工面粗糙度数据,对神经网络进行训练,建立粗糙度预测模型,实现工件表面纹理与加工面粗糙度之间的关系建立;考虑到神经模糊系统结合了神经网络和模糊系统的优势,设计了基于神经模糊系统的加工面粗糙度预测算法,建立实际加工面粗糙度与加工面图像纹理特征之间的关系,通过对加工面粗糙度的近似建模,可以有效地预测评价工件加工面粗糙度。

关键词： 热障涂层高温合金   电火花加工   流场   放电状态  

摘要： 热障涂层材料具有良好的隔热效果,可有效提高高温合金的工作温度,广泛应用于国内外航空发动机涡轮叶片上。然而,热障涂层高温合金是多层结构材料,由于顶层涂覆硬脆性的绝缘陶瓷涂层,热障涂层高温合金上进行电火花小孔一次加工成形存在质量问题。针对上述问题,本文从流场和电场对热障涂层高温合金电火花加工性能的影响、电火花加工间隙放电状态的检测及热障涂层高温合金的电火花加工实验等方面进行研究,该研究为热障涂层高温合金的高质量电火花加工提供有效的加工手段,对扩展电火花加工的应用范围具有重要的研究意义。本文针对电火花加工中放电过程迅速、放电间隙狭小、难以对间隙流场内电蚀产物分布状态进行直接观测的问题,利用Fluent软件建立了电火花加工流场仿真的几何模型并进行了仿真。结果表明,随着冲液压力的提高,加工间隙内电蚀产物的排出速度加快,有利于加工效率和加工质量的提高。电火花加工时电蚀产物颗粒会引起极间电场的变化,通过颗粒对放电间隙电场影响的仿真分析可知,颗粒直径越大极间电场畸变越严重,相同加工条件下极间场强最大值越大,越容易发生击穿放电。热障涂层高温合金中陶瓷涂层和高温合金基体材料的熔点和导电性的不同,热障涂层陶瓷材料具有高阻和低阻火花等放电状态的特点,设计了应用于热障涂层高温合金电火花加工间隙放电状态的检测电路,其中包括分压电路、阈值比较电路、光电隔离电路和高频分量检测电路等部分。应用旋转电极内冲液辅助电极电火花加工方法、放电状态检测电路及多模式脉冲电源对热障涂层高温合金材料进行了工艺实验,实验结果表明,随着冲液压力的增大,电火花加工时间、电极相对损耗呈现先减小后增大的趋势,孔壁再凝固层平均厚度随冲液压力的增大而减小,这是因为冲液压力过大时会造成机械系统振动加剧,导致集中放电、侧面放电现象增多。当进行斜孔加工时,随着斜孔角度增大,加工速度降低,电极相对损耗、孔壁再凝固层厚度变大。对放电状态检测电路输出波形进行分析,验证了其可以对放电状态有效识别。