关键词： 超疏水   金属基体   激光加工   纳秒激光  

摘要： 超疏水表面广泛存在于自然界中,如荷叶表面、水稻叶子表面、蜘蛛表面、水黾腿等。这些超疏水表面往往给生物带来了一些奇特功能,如自清洁、防水等,此外研究人员还发现超疏水表面具有抗结冰结霜、耐腐蚀、减阻、油水分离、液体无泵运输等功能,应用前景较大。目前,加工超疏水表面需要满足两个条件,即构建微纳米表面微结构和降低表面的表面能。其中,构建微纳米结构的方法较多,主要包括化学沉积法、化学刻蚀法、电化学刻蚀法、喷涂法、光刻法等。本文采用激光加工的方法制备超疏水表面,相较于其他方法,激光加工方法具有操作简单、加工速度快、加工参数易于控制、可重复性高等优点。本文采用光纤激光打标机对金属表面进行加工,其采用波长为1064nm的纳秒激光,相比于目前常用于制备超疏水表面的皮秒激光和飞秒激光,纳秒激光的单脉冲时间更长,其成本相对更低但加工效率更高。研究了激光器的扫描速度、激光频率和激光功率对加工金属表面形貌的影响。纳秒激光加工后的金属表面呈现突起与凹坑的有序规则排列,增大扫描速率会减小表面的PV值;而增大激光频率会使得表面有突起凹坑排列转变成波浪结构;增大激光功率会明显增大材料表面PV值。研究了多种金属在激光器不同参数加工下的超疏水性能。不同金属由于其热力学参数以及对激光的吸收系数不同,使用激光加工的难易程度也不同。本文以正交实验的分组方式,对纯铝,不锈钢,钛合金和纯铜四种金属材料的激光加工优化参数设计并进行了实验。通过对实验数据分析,总结了四种实验金属的激光加工优化参数,并分析了每种金属经激光加工后的表面形态。此外,还研究了激光加工法制得的超疏水表面的自清洁、耐腐蚀、耐摩擦和防结冰等性能。发现相较于普通表面,经激光加工的超疏水表面能够借助滚动的液滴带走表面灰尘,具有良好的自清洁性能;超疏水表面拥有良好的耐腐蚀性能,表面缓蚀率高达99.8%;超疏水表面经过长距离砂纸划擦后仍能保持优秀的疏水性,拥有良好的耐摩擦性能;超疏水表面能有效的防止低温下雨水冲击而结冰,表面具有很高的抗结冰性能;在经硅油润湿处理后,表面呈现超滑特性,体现出良好的减阻性能。

关键词： 双级带冠整体涡轮叶盘   多轴数控电火花加工   仿真与验证   FABS误差分析方法   压缩体素模型  

摘要： 涡轮叶盘是航空航天发动机核心部件,其性能的优劣将直接决定航空航天发动机性能。涡轮叶盘结构越来越趋向于整体式、闭式(带冠)和多级结构,极大提高了涡轮叶盘的综合性能。由于带冠整体涡轮叶盘通常具有叶片弯扭程度大、叶片通道狭窄等难加工特点,多轴数控电火花加工成为主流趋势,数控电火花加工中由于成型电极、加工轨迹复杂,使得成型电极加工轨迹仿真与验证具有重要意义。本文基于压缩体素模型方法,进行双级带冠整体涡轮叶盘的电火花加工轨迹仿真与验证研究。为了提高仿真的效率,引入压缩体素模型方法,通过分析其内部数据结构,得到了压缩体素模型布尔运算准则;并对传统Marching Cube算法进行了优化,得到一种新的压缩体素模型表面提取算法。基于压缩体素模型方法,生成了双级带冠整体涡轮叶盘局部双通道毛坯和成型电极压缩体素模型,减少了模型的存贮容量;根据电火花加工轨迹构造成型电极扫描体压缩体素模型,通过与局部双通道毛坯压缩体素模型进行体素布尔减运算完成多轴数控电火花加工轨迹仿真;采用优化后的Marching Cube算法对仿真加工后模型表面进行提取,得到局部双通道仿真加工表面模型;提出一种FABS误差分析方法,应用该方法进行了局部双通道仿真加工主要型面的误差分析。本文通过开发《双级带冠整体涡轮叶盘五坐标数控电火花加工仿真与验证》系统,完成了西安航天某公司的双级带冠整体涡轮叶盘的加工轨迹仿真与验证,保障了成型电极设计与路径规划的正确性。

关键词： 激光加工   模型分割   区域扩张   大型模型   分割优化  

摘要： 作为新型制造技术,激光加工制造技术目前取得了长足的发展,因具有高精度和特殊加工能力的特点,该技术在很多领域正逐渐取代传统的制造加工技术,其所涉及的核心关键技术的研究与发展也被世界各国所重视。我国的制造业体量全球领先,但限于各种因素,目前我国的激光加工制造技术并不先进,关键设备和软件技术的进口受到先进国家的严格限制。在中国制造2025和国家重点支持高端装备制造业的时代背景下,如何改变目前国内激光制造技术相对落后、核心技术和设备依靠引进的局面越来越成为一项急需解决的难题。本论文依托所参与的国家重点研发计划项目,对国内几乎是空白的大型模型激光制造处理软件中的三维对象区域分割技术进行研究。本论文对激光加工中三维模型的区域分割算法进行了研究,设计并实现了一个针对大尺寸三维复杂曲面的激光加工对象分割系统。该分割系统能够将大尺寸的三维网格模型分割成能满足激光加工参数约束的众多加工区域,使得后续的激光加工过程和加工精度能得以保证。论文完成的主要工作和所做贡献总结如下:1.与传统的基于模型物理意义的三维模型分割算法的应用场景进行了对比分析,总结了激光加工中区域分割算法的应用场景的特殊性,以及对区域分割算法的特定要求。2.对系统需求进行了总结,设计了一种满足激光加工要求的三维模型区域分割算法。分割算法包括基于区域扩张的模型的初步加工分割算法以及按照实际加工需求,对模型分割结果进行进一步优化的算法。3.对区域分割系统进行了详细的设计。根据系统的功能需求进行了功能模块设计,并对系统的各个功能模块进行了详细设计。4.对完成的系统进行了功能测试,对所设计的算法进行了分割效果和分割效率测试。给出了一种分割效果评价指标,对模型的分割结果进行了定量评价。对测试结果分析,得出了算法能有效、快速完成各类模型分割的结论。实验结果表明,本文所设计的系统能够有效且较为快速地完成三维模型的加工分割工作。对给定的不同格式、不同规模的模型文件,都能很好地完成模型分割处理工作。目前,所完成的系统已经应用到实际加工中,加工精度满足项目的指标要求,并且功能完备,系统运行稳定。

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： 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。

关键词： 超声振动   电火花加工   变幅杆   动力学仿真   深小孔加工  

摘要： 随着科技的不断发展,工业生产对零件的加工要求越来越精密化,精密加工已经成为一种趋势。目前,汽车喷油嘴、微流道、微流体等微细化零件的出现,标志着工业生产对微小深孔的加工精度正逐渐从微米级向亚微米级过渡。在这种趋势下,传统的加工方式很难满足市场对微小孔零件的需求。因此,本文结合电火花与超声辅助加工的特点,设计出新型的水平超声辅助电火花深小孔加工系统,并应用于实物加工。具体内容如下:1、初步探讨了工件水平超声振动与电火花加工之间的联系与区别,并对比电极竖直超声振动,了解到工件水平超声振动不仅可以保留竖直超声振动的优势,而且不会影响主轴的进给精度和进给速度。2、基于圆锥形变幅杆和阶梯形变幅杆的结构特点,设计出一种新型的变幅杆,并推导其解析公式。根据计算结果进行变幅杆的动力学分析和仿真优化,以保证新型变幅杆的结构参数符合水平超声辅助电火花加工的要求。3、装配水平超声振动系统,并测量其振动特性曲线和承载能力。同时,将超声振动系统与电火花小孔加工机床结合,进行工件水平超声振动辅助电火花加工实验。实验结果表明,工件水平超声振动可以促进电火花的加工效率和加工深度,对电极损耗和小孔内表面粗糙度也有一定的改善作用。而通过对比不同的材料的加工效果则发现,生铁的加工效率和加工深度均优于不锈钢。综合全文,本文所建立的水平超声振动系统,在一定程度上,不仅改善了常规电火花加工的加工效果,而且不会影响电火花加工机床的主轴进给与工作液的循环,在丰富了超声辅助电火花加工的研究方向的同时,具有广阔的市场前景。

关键词： 特种加工   分会秘书长   广东省机械工程学会   智能制造   五邑大学  

摘要： 2018年12月22日,广东省机械工程学会特种加工分会年会暨2018年度理事会议在肇庆召开。来自各高校和企业单位的理事长、理事代表共计50余人参加了本次会议。会议由特种加工分会秘书长谢小柱教授主持,特种加工分会理事长张永康教授致辞并作分会2017-2018年度工作汇报。在学术报告环节,五邑大学智能制造学部副部长王建生教授应邀作了"五邑大学智能制造学部特种加工领域的发展思考"的报告肇庆高新区

关键词： 微细电火花加工   超声平动电极   材料蚀除效率   电极损耗   加工质量  

摘要： 微细电火花加工通过极间放电产生的瞬时高温进行材料蚀除。加工过程中,由于电极与工件之间宏观作用力微弱,因此电极的微细程度可以大幅提升。同时由于不受材料硬度、强度和脆性等物理属性的限制,其对合金材料、复合材料和半导体材料等众多难加工材料仍表现出良好的加工性能。凭借这些技术优势,微细电火花加工技术在军用和民用制造领域发挥着重要的作用。然而,微细电火花加工中存在加工效率低、电极损耗大以及加工质量难以控制等问题,而这些问题与目前所采用的旋转电极加工方式有着一定的关系。通过查阅大量文献,本文提出一种超声平动电极微细电火花加工新方法,并进行了超声平动电极驱动装置的研制。在此基础上,通过仿真和试验相结合的方法,对超声平动电极微细电火花加工特性进行了深入的研究。本文研究工作对于提高微细电火花加工性能和拓展其应用领域具有重要的理论和实际意义。首先,本文基于压电陶瓷逆压电效应设计了双夹心换能器式超声平动电极驱动装置。针对工作模态频率一致性和抗干扰性两方面的设计要求,采用中心复合设计和响应面法建立了设计指标与关键尺寸变量之间的数学模型,并通过遗传算法实现了驱动装置结构尺寸的优化。采用有限元仿真方法对驱动装置进行了动力学特性分析,结果表明所设计驱动装置的对称模态和反对称模态固有频率非常接近,且能够有效避免干扰模态的影响。同时,驱动装置工作频带在500Hz以上,而且在电极夹持位置能够输出较好的圆周轨迹。通过阻抗分析仪和激光位移传感器对驱动装置进行了谐振频率和振幅特性测试,在此基础上完成了超声平动电极微细电火花加工试验平台的搭建。建立了含有放电屑颗粒的超声平动电极微孔加工间隙流场仿真模型,研究了工作液流场分布和放电屑颗粒运动情况。仿真结果表明:超声平动电极条件下底面和侧面间隙流场分布较旋转电极差异较大,工作液流速远大于旋转电极,而且放电屑颗粒从间隙排出孔外的数量和效率得到了很大的提高。通过有限-连续脉冲放电试验,分析了超声平动电极对极间放电稳定性的影响,发现在相同的优化参数组合下,超声平动电极较旋转电极在火花放电个数和放电凹坑分布均匀度方面分别提高了9.4%和18.4%。大深径比微孔加工实验结果表明超声平动电极能够降低短路回退频率和缩短加工时间,而且在减少放电屑粘附和孔壁烧蚀方面具有明显的作用。另外,在相同试验参数下,超声平动电极条件下微型腔铣削加工时间较旋转电极缩短了20%以上。通过建立的超声平动电极表面移动热源模型,研究了电极表面放电点附近温度场分布。解释了超声平动电极能够产生较低表面温度和较小熔融区、热影响区深度的原因,同时分析了加工参数对放电点温度场分布的影响规律。通过单脉冲放电试验分析了阴极表面放电凹坑的滑动情况,发现旋转电极条件下放电凹坑大致呈圆形,而超声平动电极条件下放电凹坑在某一方向上明显被拉长,其放电凹坑最大深度平均值较前者减小了24%。通过阵列微孔加工试验,发现超声平动电极轴向损耗长度和“锥化”区长度与加工微孔个数分别成二次函数和指数函数关系,与旋转电极损耗规律类似。另外,通过分层铣削加工试验发现超声平动电极损耗率受电极尺寸的影响较小,与仿真结果一致。从间隙放电特性的角度研究了电极超声平动对加工表面粗糙度和残余应力的影响机制。试验结果表明:在相同放电能量下,超声平动电极加工时表面粗糙度较小,这与该条件下较均匀单脉冲放电能量和较大的底面放电间隙有直接关系。而且由于极间冷却效果和放电位置均匀性的改善,超声平动电极加工表面残余应力小于旋转电极。建立了微槽铣削加工蚀除深度系数与放电能量、电极直径、扫描速度和铣削距离之间的数学模型,并通过方差分析研究了各因素对蚀除深度系数的影响规律。阵列微结构加工实验结果表明:超声平动电极加工的阵列微孔入口和出口形状精度较好,且直径一致性精度较旋转电极分别提高22.0%和2.8%。另外,超声振动作用能够减少粘性工作液中放电屑的堆积和由此引起的二次放电,有利于提高微表面织构的尺寸一致性。

关键词： 液体金属电极   电场力   泰勒锥   电火花加工  

摘要： 随着社会的进步,工业加工向着微细化的方向发展,加工的尺寸越来越小,精度要求越来越高。微细电火花加工因其无切削应力,可以加工刚性、脆性材料,加工精度高的优点得到广泛的应用。要实现更微细化的加工,微细电火花加工需要更加微细的加工电极,但是,一方面微细电极加工困难导致加工成本高昂,限制了微细电火花的发展;另一方面,对于越微细的电极,电极的损耗影响就越大,而目前电极的损耗补偿方法复杂、精度难以保证,这也限制了微细电火花加工的精度。使用液态金属作为工具电极,一方面可以节省微细电极制备的工序和成本,另一方面可以利用液态金属的流动性来补偿电极的损耗,这是一个解决电极损耗的新方法。但是该方法存在液态金属电极末端形状不可控的问题,导致加工精度较低。针对这个问题,本文结合实验,研究提高液态金属电极加工精度的方法。液态金属电极末端形状主要受到液态金属电极的表面张力和加工电压带来的电场力的影响,针对液态金属电极末端受到的表面张力和电场力进行了理论分析,得到了液态金属电极末端所受到表面张力和电场力的公式,并分析了表面张力和电场力对液态金属电极末端形状的影响。发现液态金属电极末端在表面张力作用下会形成球面,而在电场力作用下会形成倒锥形。并使用COMSOL软件,对液态金属电极末端形状的变化进行了模拟计算,发现当入口压强和附加电压在一定范围内时,液态金属电极末端可以保持稳定的倒锥形。为了分析液态金属电极加工精度的影响因素,在实验室平台上,使用RC电源和不同针头进行对比试验,分析RC电源的电压、电阻和电容和针头内径等因素对液态金属电极加工精度的影响。经过实验发现,液态金属电极精度可以通过减小电压(最低60 V)、减小电容(最小3.3 nF)和增大电阻的方法提高。针对液态金属电极加工精度低的难题,提出附加直流高压的方法,进行对比实验研究,分析附加直流高压对液态金属电极加工精度的影响。通过附加直流高压的方法,使用低于60 V的加工电压加工,可以显著提高液态金属电极的加工精度。

关键词： 电火花加工   五轴联动   前向插补   回退插补  

摘要： 五轴联动电火花加工是航空航天、国防军事等领域制造关键零部件最主要的方法，特别是随着“中国制造2025”战略的提出，国家对于高精尖加工的发展越来越重视，提升五轴电火花机床的性能、设计高效高精度的五轴联动电火花加工插补算法成为数控加工领域研究的热点和重点。本文以此为背景对五轴联动电火花加工的前向插补和回退插补展开了相关分析和研究。　　为解决当前五轴联动电火花加工机床在面对复杂NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）曲线和曲面加工时存在的精度低、效率低的问题，提出了针对电火花加工的NUBRS曲线轨迹直接插补算法，将传统NURBS曲线插补算法的粗插补阶段和精插补阶段进行合并，以1个机床的脉冲当量为单位进行插补参数的计算，在相邻插补点之间进行轴插补，并对刀轴矢量插补的相关原理进行了介绍，结合轨迹插补形成完整的五轴联动插补算法。　　针对电火花加工放电短路时电极回退速度慢的问题，提出了基于S型速度规划的快速回退插补算法，首先将已加工的前向插补点拟合成以弧长为单位的分段曲线作为回退轨迹，然后通过S型加减速算法进行速度规划，在回退时直接按照规划的速度以固定弧长为单位结合分段曲线参数方程进行插补计算，在此基础上，又进一步提出了基于预估回退距离的算法优化改进策略，通过统计学的方法进行提前降速，减少回退时间。　　为系统性的验证算法的有效性，本文设计并搭建了一个五轴联动电火花加工数控仿真平台，对NURBS曲线开展模拟仿真加工，包括前向加工和短路回退，并通过MATLAB对仿真加工的效果进行了分析。实验结果表明本文提出的NUBRS曲线轨迹直接插补算法相比传统电火花加工插补算法所需的加工代码更少，并且极大程度上消除了插补计算带来的弓高误差，本文提出的基于S型速度规划的快速回退插补算法在插补误差控制范围内可以有效实现快速回退。