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。

关键词： 涡轮叶片气膜孔   超短脉冲激光   双温度场模型   分子动力学   诱导等离子体  

摘要： 气膜孔的加工精度与质量成为保证涡轮叶片可靠性与稳定性的关键,以超短脉冲激光为基础的新型加工技术的出现为高品质气膜孔加工提供了解决方案,为进一步探究超短脉冲激光制备气膜孔的烧蚀机理及微加工工艺,本文主要进行了以下研究工作:(1)以DD6单晶高温合金为研究对象,通过定点冲击的实验手段,研究了飞秒激光作用下材料的阈值行为,基于烧蚀直径与脉冲能量的关系推算了不同脉冲个数下的能量阈值;并以双温度场模型为基础,描述了激光能量在材料内部的沉积及电子-晶格间的能量耦合过程,借助所得的温度场信息绘制了不同脉冲能量下的烧蚀形貌,对材料烧蚀阈值、蚀坑几何特征及重熔层厚度进行了预测。(2)基于分子动力学方法,并耦合双温度场模型,系统地模拟了纳米厚度的镍镀层在飞秒激光辐照下的热动力学行为,从原子尺度下描述了激光能量在模拟体系内的沉积及传导,并以此为基础分析了强烈激光作用下材料的升温、熔化、断裂及应力波的传播等物理现象;探究了不同脉冲能量密度下材料的熔化、气泡形核和机械断裂过程,构建了飞秒激光烧蚀纳米镍的原子级图像,并以此为基础揭示了各能量密度下纳米镍的烧蚀机制。模拟结果显示,应力波的存在会使材料内部产生气泡形核,进而引发光致机械断裂现象;本研究中,低能量密度(400J/m2)下以应力导致的下表面熔化为主,高能量密度(1000J/m2)下应力导致的材料内部熔化是主导过程,而中等能量密度(700J/m2)下,材料的熔化则由上表面吸收激光能量迅速升温引起熔化,由于应力波的传播和叠加导致的内部未熔化区发生局部熔化以及下表面应力波导致的熔化三种机制共同决定。(3)基于电子速率方程构建了以雪崩电离为主的等离子体激发模型,对不同脉宽下等离子体的激发形貌及其时空演化给出了详尽的描述,结果显示,等离子体激发的持续时间随脉宽的增大而不断延长,但其激发区域却不断减小,脉宽的改变使得激光能量在时间尺度及空间尺度的分布出现差异,从而影响了等离子体的激发。同时,以能量密度为判据,预测了不同脉冲能量下304不锈钢微加工的几何特征,随着脉冲能量的增加,微加工沟槽深度及宽度都随之增加,计算结果与实验结果保持了一致的定性规律,但模型中对于电子扩散及重组的忽略导致数值上计算结果偏大。

关键词： 电火花加工   电势分布   超声   磁场   盲孔  

摘要： 随着人们不断探索,放电加工逐渐以其丰富的加工形式得到了广泛应用,包括切割、仿形、冲孔等形式。这些不同加工形式既解决排屑问题,同时也满足了加工多样性的需求。对于较大尺寸的盲孔加工,内冲液式的电火花加工方式无法实现。电火花成型机床加工盲孔时无法及时有效的消除加工域内加工屑的影响和放电集中的问题,因此本文将超声和磁场同时引入盲孔加工过程来改善这两方面的消极影响。本文首先分析了由超声引起的加工域液体剧烈运动对消除加工不利因素的作用,包括对盲孔间隙内大气泡的破碎作用、往复式活塞运动产生的介质液循环作用。对同时附加磁场和超声后极间等离子体的状态进行了理论研究,并结合表面精度模型分析得到:偏转扩散的等离子体会产生更好的表面状况。然后对不同直径的工具电极加工面电场分布进行了仿真研究并进行了不同直径的盲孔加工试验,采用多个评价标准进行试验分析。仿真结果显示:放电能量主要集中在放电端的外表层,电势的变化状况与设定的脉冲时间、加工盲孔的尺寸相关。同时,对不同尺寸的盲孔试验结果分析发现其加工状况的差异是由不同放电面的电势变化引起,同一加工表面形貌产生的差异是由同一个放电面不同部位之间的电势分布差异和加工碎片的排出状态共同决定的。最后设计了纵向振动的试件和换能器试验装置,并根据得到的试件尺寸对磁路的类型和磁源材料进行了选择,并设计了磁场辅助装置。对超声的振幅因素进行了综合对比试验,优选了超声磁场复合辅助加工中超声振幅参数,进行了不同电流和不同电压下的四种不同加工方式的对比试验。试验表明:超声振幅的改变对加工效果的影响很弱,超声磁场复合辅助的加工方式在一定参数范围内得到的加工效率和表面精度优于单一的辅助方式,但是在盲孔的尺寸精度方面较超声辅助的方式差。超声辅助电火花加工方式在小电流情况下加工效率提高60%,在较大电流下加工效率降低,而磁场辅助电火花加工方式在较大电流下得到的加工效果较好。同时通过均值优化的方式对超声磁场复合电火花加工盲孔进行两目标优化分析。

关键词： 偏振   矢量光场   矢量光场调控   激光加工  

摘要： 从1960年人类发明第一台激光器开始,人类便开始了调控激光以获得更好的激光加工效果。本文首先介绍了矢量光场的概念、理论基础及在聚焦方面的主要应用,对激光加工的理论基础和物理机制进行了分析,给出了矢量光场在激光加工中的特点和优势。其次,介绍了矢量光场的产生与调控方法,对广泛应用的主动和被动生成法分别进行了分析,包括利用空间光调制器、萨格纳克干涉仪和超表面等调控方法。本论文在以上研究基础之上,对矢量光场的调控及其在表面加工中的应用进行了研究,主要研究内容和结果如下:1、在第三章中,根据矢量光场在激光加工中的应用需求,对较低数值孔径下(NA=0.6)超长三维平顶聚焦光场的产生与调控进行了研究。基于矢量场衍射聚焦理论和偶极子场的反演方法,获得了超过10λ的长焦深三维平顶光场及相应光瞳面上的光场分布,光瞳面光场的结构可以为三环带式复振幅光瞳滤波器的提供设计参数。超长的三维平顶聚焦场可以提高加工效率与质量,对于激光材料加工和处理有一定的指导意义。2、在第四章中,搭建了矢量光场生成和调控系统,研究了调控的矢量激光在钛合金、硅片上进行烧蚀加工的具体过程。实验通过单因子变量法分别研究了脉冲能量、脉冲次数、光束的偏振态和拓扑荷对小孔质量的影响规律,通过对实验样品进行扫描电镜(SEM)的显微分析,得出了相应的结论。实验结果表明,激光脉冲次数和脉冲能量对孔深和孔径的影响较大;径向偏振光和角向偏振光的加工效果比线偏振光要好,其中径向偏振光加工的小孔底部要比角向偏振光更平滑;光束拓扑荷数越大,加工出的小孔底部越光滑,孔周的碎片越少。实验研究结果对矢量光场在表面加工中的应用有一定参考价值。

关键词： 激光打孔   微群孔加工   水平集   板材变形   变形控制策略  

摘要： 激光打孔技术的广泛应用,推动了诸多行业的研究进展,它高效、快速、低成本的打孔特点,奠定了其在群孔加工中无可替代的地位。但是对毫秒激光打孔来说,往往会存在工艺参数复杂、孔表面存在熔渣、内壁有重铸层、微裂纹等问题,严重影响了激光打孔技术在超精密微孔加工中的应用。当孔数量较多时,还会产生材料热变形问题。本文基于水平集方法,在耦合传热和流体流动物理场后,考虑反冲压力、表面张力、马兰戈尼力、重力等对流体的作用,利用热焓-孔隙方法和改进的水平集方法追踪固液界面和气液界面变化,建立激光打孔的二维仿真模型,分析激光打孔温度场分布、孔的成型规律及孔内熔池的流动状态,探讨激光打孔重铸层产生的机理和重铸层的分布状态。选取1mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢进行实验研究,采用正交实验和单因素实验法,研究激光能量、脉冲宽度、脉冲个数、脉冲频率、离焦量、辅助气体压力等工艺参数对孔尺寸和形貌的影响规律,对比实验和仿真结果,验证仿真分析的正确性。为提高激光打孔表面质量,探讨了激光参数对孔表面熔渣、重铸层的影响,提出减少表面熔渣和重铸层的最佳工艺方式。激光群孔加工所产生的板材变形问题,会严重影响孔的一致性和工件的加工质量。本文利用有限元分析方法,建立激光群孔加工过程中板材变形的三维仿真模型,分析板材在激光作用下的热应力状态,探讨微孔上的应力累积对整体板材变形的作用,从理论上提出抑制板材变形的方法。在理论分析的基础上,通过实验研究,探讨工件夹持方式、激光参数和打孔路径等因素对激光打孔中板材变形的影响,验证理论分析的准确性,获得最小变形量的打孔策略。

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： 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。

关键词： 微细电火花加工   工件蚀除率   电极磨损率   电火花加工工作液   表面粗糙度  

摘要： 各种精密小孔在工业生产以及精密制造中被广泛需求,但是利用传统的机加工方式加工微小孔存在很多缺陷,这主要是因为传统加工方式加工微小孔时存在热力学效应。利用电火花加工微小孔具有很多传统机加工不具备的优良特性。电火花加工过程中的电极与工件之间的加工力远远小于传统机加工的切削力,由于电火花加工微小孔所用的电极可以十分微小,所以得到很小的加工去除单元是相对容易的。因此电火花加工是微细加工技术中不可替代的加工手段,它被用于各种微小孔的加工,例如燃料喷射喷嘴以及合成纤维喷丝孔等。本文以304不锈钢和Inconel 706两种Fe-Cr系合金钢为研究对象进行微孔电火花加工工艺的研究。电火花加工中电极的制备十分关键,传统的微细电极制备是利用WEDG(线电极电火花磨削)的方法进行制备,该方法十分耗时并且制备过程复杂,在每次制备过程出现问题都得重新开始制备。所以本文提出利用FIB-CVD(聚焦离子束化学气相沉积)技术沉积制备微纳电极。该方法通过实验表明制备过程简单,相比WEDG方式十分的节省时间,成功率很高,加工精度十分高。首先利用该技术制备的电极以去离子水为工作液进行微孔电火花加工。利用该电极成功制备出孔径约为25μm的微小孔,其中放电间隙最小可达6.6μm。其次选择火花油作为加工工作液,304不锈钢作为工件,利用成形火花机在304不锈钢加工一定深度的方形孔。实验参数利用Minitab软件进行优化,相比于初始的加工条件,利用优化后的加工参数加工的产品的MRR(工件去除率)提高了64%,信噪比的主效应图表明输入参数脉宽是影响MRR的最显著的因素。通过比较截面形貌图和产品表面粗糙度发现较好的表面质量可以通过较小的输入脉宽,较小的峰值电流获得。其次,电火花加工之后的304不锈钢存在一些列使用性能的降低情况,基于工业生产的应用,本工作对电火花加工后的304不锈钢工件做了断裂性能的测试,拉伸实验表明电火花加工之后的工件材料的塑性变形降低,发生了很明显的脆性断裂,微观检测表明电火花加工之后断面晶粒发生滑移,少量晶粒伸长,结合拉伸曲线验证了其断裂属于准解理与韧性断裂的混合断裂形式,所以对于电火花加工之后的工件需要采取必要的材料后处理以消除电火花加工带来的材料使用性能的下降。最后添加粉末的工作液被用作第三种微孔加工的工作液。本文基于在Inconel706上加工微小孔进行电火花加工研究。实验通过比较不同浓度的混粉工作液下的微孔质量,发现添加一定量铝粉颗粒在火花油中可以显著提高产品的表面质量。通过对加工后的电极表面进行EDS分析,结果显示添加铝粉在火花油中,较少的工件材料黏着于电极表面,这主要是因为其更加稳定的加工。

关键词： 激光加工   激光增材制造   激光制孔   杂志社  

摘要： 选题计划激光加工技术具有高效率、高精度、无机械变形等优势,从航空电子元器件到大型结构件,激光加工都是不可或缺的手段。鉴于此本刊特设专题论坛,诚挚邀请该研究领域专家及科研团队对其研究成果进行论述,展示该领域最新的研究进展。征稿方向激光焊接、激光切割、激光增材制造、激光制孔、激光熔覆……截稿日期1、初稿截止日期为2019年8月30日,请将论文发送到gy@***。2、稿件釆用双盲审,审稿时间为收到稿件起1

关键词： 特种加工   模具制造  

摘要： 《电加工与模具》是我国特种加工和模具制造领域国内外公开发行的专业性技术刊物,主要报道内容为:特种加工(包括电火花加工、电化学加工、激光加工、增材制造/3D打印、超声加工等)和模具制造领域的设计研究成果、工艺应用技术、使用维修经验、产品开发信息和行业发展动态等。