关键词： 特种加工  

摘要： 为了更好地满足特种加工领域广大科技人员学术交流的需要,促进我国特种加工学术研究和应用水平的进一步提高,《电加工与模具》根据办刊宗旨,从2018年第一期更改栏目设置。主要栏目设置如下:综述专稿电火花加工电化学加工激光加工及增材制造超声加工及其他特种加工模具制造信息动态热诚欢迎特种加工领域广大科技人员、院校师生、技术工人及管理干部踊跃投稿。投稿信箱:djgymj66@***

关键词： 激光加工   双脉冲电沉积   耦合结构   疏水   工艺  

摘要： 疏水表面一直以来以优异的疏水性受到研究人员广泛关注。近年来,研究发现自然界中许多植物表面具有较好的疏水性。本文受玫瑰花瓣表面展现优异疏水特性和高黏附特性启发,应用耦合仿生理论,在7075铝合金基体上,优化激光加工和双脉冲电沉积工艺方法,制备类玫瑰花瓣表面微观结构,研究表面仿生微观耦合结构疏水特性和疏水机理。通过试验优化方法对激光双脉冲电沉积耦合技术制备工艺进行优化,研究电沉积时间变化下耦合微观结构形貌梯度变化特征及表面成分变化,分析工艺变化过程耦合制备表面润湿性变化特征,揭示优化耦合制备工艺疏水特性疏水机理。结果表明:激光技术可在7075铝合金表面构筑不同间距的坑状结构,使得表面由亲水到超疏水转变,当激光加工间距为50μm时,静态接触角高达152.2°,水滴与表面的实际接触处于Cassie状态;电沉积技术在激光制备试样表面进行镍离子沉积,制备出类玫瑰花瓣微观结构,当反向脉冲参数固定,正向脉冲参数为:导通时间为0.1ms,关断时间为0.8ms,工作时间为150ms,且电沉积时间为400s时,制备表面的静态接触角高达153.0°,制备表面镍镀层结构与水滴的接触状态处于W2-C1和模型C2-W1模型过渡态。本文重点研究的激光电沉积复合制备仿生耦合疏水结构工艺方法为疏水表面制备研究提供了一定的技术参考,促进了多种技术耦合制备工艺试验研究发展。

关键词： 金属纤维烧结板   微反应器   固相烧结   激光加工   制氢性能  

摘要： 传统集中供氢方式,如加氢站、氢罐等存在安全性差,制造和运输成本高,且传统反应釜等制氢方式难以满足高效制氢等要求。以低碳醇为燃料的制氢微通道反应器,具有体积小、携带方便、安全性高等特点,可为燃料电池等中小型移动电源提供安全可靠的在线氢源,广泛应用于化工催化,航空航天,基于质子交换膜的燃料电池汽车等领域。针对催化剂载体板设计问题,本文以切削纤维为材料,利用固相烧结工艺技术、激光铣削加工技术制造了两种复合型多孔金属纤维烧结板(铜/铝纤维烧结板和表面微通道纤维烧结板),并作为新型催化剂载体板结构应用于制氢微反应器,对制氢反应性能进行了分析研究,主要研究内容如下:1、采用固相烧结工艺技术制造出铜/铝纤维烧结板。基于近代固相烧结理论,重点研究了烧结温度和烧结工艺曲线对铜/铝纤维烧结板烧结成形的影响规律。优选出在630℃并保温30min的条件下,铜/铝纤维烧结板具有较好的成形效果。2、采用固相烧结-激光铣削复合加工技术制造出表面微通道纤维烧结板应用于微反应器,重点研究了激光铣削加工后的表面微通道纤维烧结板表面结构的形貌特征,优选出激光加工功率为27W,扫描速度为700mm/s,加工次数为7次的成形效果较好。3、对不同材料的金属纤维烧结板的比表面积和导热系数进行了测试,实验结果表明铜/铝纤维烧结板的配比方式为Cu1.12g/A11.02g(孔隙率为80%)的比表面积最大。单一孔隙率下不同配比方式铜/铝纤维烧结板表现出了随着铜纤维质量的减少,铝纤维质量的增加,制氢性能越来越好。并在单一孔隙率80%配比方式为Cu1.12g/A11.02g的条件下,获得最佳综合制氢性能。4、对表面微通道(不同形状)纤维烧结板结构的多孔纤维烧结板的压降及催化剂负载强度进行了测试,获得表面矩形微通道的多孔纤维烧结板具有较好催化剂负载强度和较小压降。孔隙率为80%时,相比较于多孔铜纤维烧结板,具有表面微通道结构的多孔纤维烧结板具有较好的制氢性能,且表面矩形微通道的多孔纤维烧结板表现出了较佳的制氢性能。5、采用Fluent进行模拟仿真分析甲醇重整反应过程。重点研究了在不同入口速度下的微通道压降和出口速度对表面微通道纤维烧结板传输特性的影响规律,优选出微通道间距为1mm,微通道深度为1.5mm的条件下压降较小,流速较为稳定。并对氢气浓度分布规律进行了分析与讨论,最后得到优化后的设计结构参数。

关键词： 混合型微结构   流体仿真   激光加工   YG8刀具   钛合金   减摩  

摘要： 表面微结构作为一种有效、易实现的减摩方法,被应用于发动机缸套表面、轴承轴套表面、刀具表面等减小接触面间的磨损。钛合金作为一种难加工材料,其加工过程中的刀具磨损尤为严重,将混合型微结构引入刀具表面,将改善刀具切削过程中的刀-屑界面接触状态,减小刀具磨损。本文研究表面混合型微结构对YG8刀具切削TC4钛合金过程中减摩性能的影响,主要研究内容如下:(1)使用流体软件FLUENT仿真分析刀-屑接触面间润滑液的分布与承载情况。设置不同微结构面积率、深度及形状参数,以及不同的油膜参数,可以得到不同的润滑油膜承载情况,优选参数使微结构到达最佳的润滑效果。分析微结构的排布方式及形状组合对润滑液的压强分布情况、承载力、入口质量流速等因素的影响,优选并设计具有较好减摩效果的变密度混合型微结构、变形状混合型微结构、变形状变密度混合型微结构。(2)研究能量密度、扫描速度、离焦量等激光工艺参数对YG8刀具表面微结构尺寸及形貌的影响规律。通过选择合适的激光工艺参数,制备出参数及排布符合仿真设计结果的刀具表面单一型微结构、变密度混合型微结构、变形状混合型微结构、变形状变密度混合型微结构。(3)分别在干切削和微量润滑(MQL)条件下进行YG8刀具切削TC4钛合金试验。研究无微结构刀具、单一型微结构刀具、变密度混合型微结构刀具、变形状混合型微结构刀具、变形状变密度混合型微结构刀具对切削过程的影响,统计切削力及前刀面平均摩擦系数。同时,对比这5种类型微结构刀具的前刀面磨损形貌,优选出减摩效果最佳的微结构刀具,并分析阐述刀具表面混合型微结构的减摩机理。

关键词： 光纤传感   微结构光纤   二氧化碳激光加工   长周期光栅   高非线性光子晶体光纤低损耗熔接  

摘要： 微结构光纤(Microstructure Optical Fiber,MOF)是指具有微米或者纳米尺度结构的光纤,一般包括光子晶体光纤(Photonics Crystal fiber,PCF)和其他一些具有特殊结构的光纤,例如柚子型光纤、布拉格光纤、多芯光纤等。随着各种具有新颖的光学特性的光子晶体光纤的面世。让人们对光纤有了全新的认识,自此多种新型的光纤理念被陆续提出、实现,这极大地丰富了特种光纤在通信、激光、传感等领域的应用。然而微结构光纤的特殊的结构以及材料特性导致的兼容性问题,使其不能很好的应用实际,因此针对微结构光纤的后加工技术日益重要。本文从传感器件和传感应用需求出发,设计并制作数种微结构光纤,研究了微结构光纤的低损耗熔接使其具有更好的兼容性,进一步探索了微结构光纤后加工技术,测试并分析了特定的微结构光纤器件的性能,其中着重介绍了几种微结构光纤及器件的传感应用。本文对微结构光纤的分类及理论进行了介绍,同时介绍了其他科研工作者在光纤的后加工技术上的贡献,着重对长周期光栅的理论,制作以及应用进行了阐述。从本课题组的实际需求出发,利用一种新型的二氧化碳激光熔接机,开发出了几种特种光纤的后加工方式,具体分为两个部分:1、特种光纤的熔接,包括不等径光纤的熔接,光纤端帽的熔接,光子晶体光纤熔接等。详细介绍了一种高非线性光子晶体光纤的熔接方法,该方法包括对光子晶体光纤的预塌缩技术,小芯径高数值孔径光纤的熔接,加工后的光子晶体光纤熔接三个部分。2、针对该设备,开发了一套长周期光栅的制作方法,并对该方法改进并得到另一种低损耗长周期光栅的制作方法,并对我们在长周期光栅的应用方面的研究进行介绍。在这一部分研究基础上,进一步的通过选用不同类型的光纤并改进加工方式,提出了两种新型长周期光栅并进行传感应用。从改变光纤内部结构的思路出发,提出了一种单模多芯光纤螺旋长周期光栅。设计并拉制了一种十九芯光纤,由于这十九个芯之间的距离较近,同时每个纤芯的NA较低,由于纤芯间强烈的耦合使得该光纤支持单模传输。采用二氧化碳激光以固定速度对该光纤进行加热扫描,同时以恒定的角速度扭转光纤,当光纤冷却以后,由于19芯的排布呈现非圆对称,使得这种螺旋结构被固化于十九芯光纤的纤芯区域中,形成一种螺旋长周期光栅。该光栅在光谱上表现出多个波段的耦合峰。由于在制作过程中,引入了螺旋结构,使该光纤应用于扭转测量中,表现出较好的性能。不仅具有较高的扭转灵敏度而且可以测量扭转方向。此外该光栅作为扭转传感器时,具有较低的温度串扰性。从改变光纤材料的思路出发,提出了一种元素周期性热扩散型长周期光栅,成功应用于高温传感。由于在高数值孔径光纤的纤芯中掺杂有大量的锗,高温下,锗的扩散能增大纤芯尺寸和模场。在该现象的基础上,使用二氧化碳激光对高掺锗光纤进行点对点加热,使光纤纤芯每间隔数百微米产生元素扩散,从而构成长周期光栅的调制。由于该光纤是在高温下制作而成,天生具备耐高温特性。由于纤芯中含有大量锗,而锗具有较高的热光系数,因此该光纤同时具备较高的温度灵敏度。仿照长周期光栅的传感原理,提出了一种采用双导光机制的微结构光纤,成功应用于折射率传感。。在该光纤两端直接熔接单模光纤,即可以实现基模和高阶模之间的干涉,得到标准的双光束干涉光谱形成马赫曾德干涉仪。通过化学腐蚀的方法剥离微结构光纤的部分包层,使高阶模更容易受环境折射率变化的影响。当环境折射率发生改变时高阶模的有效折射率亦随之改变,使得光谱上的干涉峰产生飘移。通过飘移量对环境折射率的变化进行标定,实现折射率传感。在常温下,由该方式制作的折射率传感器属于温度不敏感型。

关键词： 先进高强度钢   曲板   低速冲击   有限差分法   Newmark法   激光加工   多层结构  

摘要： 先进高强度钢(英文名称:Advanced High Strength Steel,缩写:AHSS)因其强度高、抗变形能力强和焊接性能好等优点而越来越广泛地应用于汽车工业,其主要用来制造汽车白车身的结构件和安全件。在相关结构件和车身件上合理采用先进高强度钢,可以有效减轻汽车的总体重量,同时提高车身在碰撞过程中的被动安全性。本论文以先进高强度钢板为研究对象,结合不同的外部载荷条件和不同的内部结构与材料特点,对AHSS板的温度载荷下的温度场问题、冲击载荷下的机械性能、激光加工过程中的热弹性动力学响应和周期载荷作用下单涂层AHSS双曲板的热弹性动力学行为进行了研究,具体内容如下:(1)基于非傅立叶热传导规律,给出了涂层AHSS板的一维瞬态热传导问题的解析解,研究了热流滞后时间、温度边界条件和涂层的各项参数对于涂层AHSS板温度增量分布的影响。(2)基于经典的冯·卡门方程和薄壳理论,建立了一组低速冲击载荷作用下的AHSS双曲板的非线性控制方程,方程通过有限差分法和Newmark法来求解,研究了板的几何材料参数和冲击物的基本参数对其无量纲挠度、正应力和接触力的影响。(3)基于分离变量法,得到激光加工过程中多层AHSS双曲板的三维瞬态温度场,通过在空间域上应用有限差分法和在时间域上应用Newmark法求解板的三维瞬态热动力控制方程,研究了激光移动速度、激光能量、涂层热传导系数和板的几何参数对于多层AHSS双曲板的无量纲位移和正应力的影响。(4)利用分离变量法,可以得到局部热载荷作用下的单涂层AHSS双曲板的三维瞬态温度场。板的三维瞬态热动力控制方程可以通过在空间域上应用有限差分法和在时间域上应用Newmark法来求解,研究了机械载荷幅值、机械载荷周期、热载荷作用区域和板的几何参数对于单涂层AHSS双曲板的无量纲位移和正应力的影响。本论文的研究丰富和发展了AHSS结构的相关理论,为进一步理论或实验研究AHSS结构的热动力学行为提供了一定的依据,可以指导工程人员进行AHSS结构的应用和设计,具有一定的工程实践价值。

关键词： 二次加工   二次加工技术   激光切割   加工效率   激光加工   加工质量   碳纤维   刀具材料   切缝宽度  

摘要： CFRP因其优异的性能而广泛应用于现代民机结构。CFRP的整体设计与成型技术使其适合于制造大尺寸及复杂形状的结构,一般采用基于热压罐技术或液体成型技术的整体固化或共固化工艺,称为一次加工。然而,基于装配精度或连接孔对最终构形的需求,以及后期维修对修理几何构型与表面性能的需求,CFRP的二次加工必不可少。所谓二次加工,是指对已成型的CFRP构件(层合结构或蜂窝结构)进行切割与钻孔(制造阶段)、材料去除与表面处理(维修阶段)等工艺。针对CFRP的常用二次加工技术主要有传统机械加工、高压水流加工、超声波加工及激光加工。论文基于加工质量、加工效率、加工成本及对母体结构影响等角度对以上二次加工技术进行了比对评析。鉴于CFRP的非均质各向异性,以及碳纤维与树脂基体理化性能的巨大差异,CFRP激光二次加工技术更具有实现自动化、智能化、数字化、高效与清洁加工的潜力。在"中国制造2025"的制造强国战略目标牵引下,针对我国民航业对二次加工先进技术的迫切需求,激光二次加工技术必将获得更为广泛的工程应用。

关键词： 磁粉电火花   单脉冲   微结构  

摘要： 表面微结构是指在材料表面制造出具有不同形貌、不同尺度、不同性能的结构。随着科技不断的发展以及研究不断的深入,具有表面微结构的非光滑表面与光滑表面相比,在表面润湿特性、润滑特性、热学特性、光学特性、摩擦特性与涂层结合强度等方面表现出了明显优势。所以表面微结构的制造在航空、航天、生物医疗及其他诸多领域具有极其广泛的应用前景。随着研究人员对表面微结构研究的不断深入以及其在多个领域中日益广泛的应用,随之而来的是加工方法的迅速发展。目前用于加工表面微结构的主要方法有微细电解技术、UVLIGA技术、压印法、激光毛化技术、离子束毛化技术、电火花毛化技术等。现有的制造表面微结构的方法大多工序复杂繁琐、设备昂贵、需要制作特定的工具电极头等,故本文提出了一种使用刺猬状磁粉工具电极头在微流道内部制作微结构的方法,旨在实现简单、高效、低成本的制造表面微结构。本文完成的研究内容主要包含以下几个部分:(1)依据磁铁周围的磁感线及磁场强度分布情况设计了刺猬状磁粉工具电极头。经过对比实验可知,与传统电火花在沟槽内部加工微结构相比,磁粉电火花具有明显优势,其加工的微结构可布满整个沟槽。(2)使用所设计的工具电极头对铜管内壁进行了微结构加工实验,实验结果表明该工具电极头可以实现铜管内表面微结构的加工。(3)通过对示波器采集的放电波形及工件表面的电蚀坑形貌进行分析,结果表明单脉冲作用下磁粉电火花放电过程中产生一次击穿并在工件表面形成多个电蚀坑;通过高速摄影仪观察磁粉电火花放电过程发现磁粉电火花放电过程中存在多个放电通道,并且各通道的结束时间各不相同。由以上的实验结果本文对磁粉电火花放电过程提出了合理的猜想。(4)研究了在单脉冲作用下磁粉电火花的峰值电流、脉冲宽度以及磁粉粒径对电蚀坑平均直径以及平均深度的影响。从电蚀坑的平均直径来看,随着峰值电流和脉冲宽度的增加,电蚀坑的平均直径呈现先增加而后稳定的变化趋势,而随着磁粉粒径的增加电蚀坑的平均直径呈现持续增加的趋势。从电蚀坑平均深度来看,随着峰值电流、脉冲宽度及磁粉粒径的增加,电蚀坑的平均深度也随之增加,但随着峰值电流和脉冲宽度的增加,电蚀坑的平均深度增速均逐渐减小。(5)研究了连续脉冲作用下峰值电流、脉冲宽度、占空比、磁粉粒径以及加工时间对试件表面粗糙度的影响。研究结果表明,试件表面Ra与Rz值随着峰值电流、脉冲宽度、磁粉粒径以及加工时间的增加而增加,但占空比的变化对试件表面粗糙度无明显影响。随后通过响应曲面法研究了各因素对加工后试件表面Ra与Rz值的影响程度,其从大到小排列顺序为:峰值电流,脉冲宽度,磁粉粒径,加工时间。(6)使用刺猬状磁粉工具电极头在液冷散热器底板上的阵列微流道底部加工微结构。验证了刺猬状磁粉工具电极头在阵列微沟槽底部加工微结构的能力,并发现流道底部被加工区域主要集中在流道的中间位置。通过对流道处理前后散热性能的检测试验发现处理后的液冷散热器降温速度峰值相较于处理前有明显提升,即验证了流道内的微结构对其散热性能的改善作用。

关键词： 激光加工技术   汽轮机叶片   应用  

摘要： 激光加工是目前最具竞争力的先进加工技术之一,其发展前景十分广阔。本文重点探讨了激光加工技术在汽轮机叶片制造中的应用。

关键词： 激光加工   黑硅   过饱和掺杂   红外吸收   光电探测  

摘要： 硅基光子技术因具有速度快、容量大、成本低、易集成等优点而受到广泛关注。在过去的二十年中,硅基光子产业蓬勃发展,越来越多的硅基光子器件被应用到光通讯及光互连领域中。硅基光子器件通常工作在通讯光波段,如1310 nm、1550 nm。目前,在各类硅基光子器件中,人们已经成功制备出低损耗光波导、高品质因数谐振腔、高速度调制器以及光泵浦激光器;而阻碍硅基光子技术发展的一个重要难题就是高效率硅基光电探测器件的制备。体结构硅基光电探测器发展已久、工艺成熟。然而,商用的探测器件的工作波长处于1100 nm以内。这是因为单晶硅的禁带宽度为1.12 eV,对波长大于1100 nm的光透明,因此无法在通讯光波段实现光电转换。脉冲激光黑硅材料的发现为这一困境带来了转折点。大约20年前,人们发现在六氟化硫气氛中利用飞秒激光辐照单晶硅表面,可以制备出表面微结构化的黑硅材料。这种材料在0.25μm.0μm波段范围内的吸收率均可达到90%以上。利用脉冲激光黑硅材料制备的体结构光电二极管对1310 nm光的响应度可以达到50 mA/W。虽然脉冲激光黑硅应用潜力巨大,但在过去的20年中却发展缓慢,这很大程度上是受限于脉冲激光黑硅层中复杂的物理化学结构。因此,为了制备出具有高响应度的硅基红外光电探测器件,对脉冲激光黑硅材料的光学、电学性质进行更深入的分析是十分必要的。本论文中,我们采用脉冲激光直写法制备了具有低带边吸收的黑硅材料。通过控制掺杂杂质类型、激光能量密度、脉冲宽度等参数实现对材料性质的调控。从吸收机理研究、光学特性优化、电学特性优化、器件制备几个方面出发,探索适合红外探测应用的黑硅制备条件。具体研究内容包含以下五个方面:(1)对脉冲激光黑硅的红外吸收机理进行探究。利用真空环境加工制备了非掺杂黑硅材料,分析除过饱和杂质外其他吸收机制对黑硅红外吸收的贡献。通过表面腐蚀的方法,测量了具有红外吸收能力的缺陷态在黑硅中的分布深度;并对黑硅表面再凝固层和压力诱导相变层的红外吸收能力进行研究。(2)对脉冲激光黑硅的吸收特性进行优化。利用磷元素掺杂制备出具有热稳定红外吸收的黑硅材料,解决了硫掺杂黑硅退火后吸收骤降的问题。采用固态磷源(磷纸)作为扩散源,实现绿色环保的加工工艺。对磷掺杂黑硅的吸收机制进行分析。通过比较吸收系数,得出自由载流子吸收、带尾态吸收与缺陷态吸收在磷掺杂黑硅红外吸收中占有的比例。(3)对脉冲激光黑硅的电学特性进行优化。利用氮气环境下直写单晶硅,制备出具有低自由载流子浓度的氮掺杂黑硅材料。通过第一性原理计算,分析了非晶网络中氮元素对黑硅红外吸收的作用机理。利用氮掺杂黑硅制备出可应用于1310 nm光探测的硅基红外光电二极管;并通过在硅衬底两侧制备双吸收层的方法,提升了器件的光吸收率和光响应度。(4)制备了具有新颖光电性质的纳秒激光黑硅材料。在氩气氛围中,利用纳秒激光辐照高阻单晶硅表面,可以显著降低样品表层的电阻率。研究了引起黑硅层电阻下降的影响因素。结果表明,电阻下降现象与激光辐照引入的缺陷态相关,与加工气氛及衬底的导电类型无关。利用纳秒激光黑硅制备出具有极高响应度的红外光电二极管。其在1310 nm处的响应度可以达到256 mA/W。纳秒激光黑硅具有优异的光学特性和电学特性,是一种十分有潜力的材料。(5)对离子注入法制备的超掺杂硅材料进行初步研究。过饱和注入后,利用激光辐照修复注入层中的晶格损伤,可以获得具有高晶体质量过超掺杂层。利用飞秒激光退火可以在一步中同时实现晶格修复、表面结构化,并提升衬底得低带边吸收。利用超掺杂黑硅制备出的光电二极管可以用于通讯光探测。综上所述,本论文以实现硅基红外光电探测为目标,从黑硅加工和器件制备两方面出发进行研究。利用脉冲激光直写作为黑硅材料的制备方法,通过选择合适的杂质类型和激光参数,实现光电特性的调控。本论文中对脉冲激光黑硅的探索对硅基红外光电探测器的发展起到促进作用。