关键词： 电火花加工   热-流耦合   放电凹坑   材料蚀除动力   热致相变层   随机放电模型  

摘要： 作为一种非接触加工方法,电火花加工利用电极与工件间火花放电产生的瞬时高温进行材料蚀除。由于宏观加工力小且不受加工材料硬度、强度等方面的限制,电火花加工已成为一种不可或缺的材料加工技术。电火花加工放电过程中,被加工材料受热会发生熔化或汽化,而熔化或汽化后的材料不可避免地涉及到流体动力学问题。然而,电火花加工中火花放电发生在极小的空间和极短的时间里,通过实验手段直接进行材料蚀除过程的研究难度很大,因此目前对电火花加工材料蚀除过程中的热、流问题仍没有统一认识。近年来,快速发展的计算机仿真技术为该问题的突破提供了一个很好的思路和途径。基于以上分析,本文利用有限元多物理场耦合方法对电火花加工材料蚀除过程及相关理论进行研究,从热-流耦合的角度探索电火花放电过程中材料蚀除机制及其相关物理现象,同时通过单脉冲以及连续脉冲实验对仿真结果进行了验证。本文研究工作对优化电火花加工过程能够起到一定的理论支持,同时对丰富电火花加工基础理论也具有积极的意义。首先对放电过程中能量转换与传输、熔融材料表面跳变现象进行了系统分析。在综合考虑材料传热、相变、流体流动、界面运动等物理问题的基础上,创新性地建立了电火花放电过程中材料蚀除热-流耦合模型。采用水平集方法对固体材料/流体材料与气体材料之间的自由界面进行追踪,实现了电火花放电过程中放电凹坑形貌演变和放电屑运动的可视化。研究了单脉冲放电过程中材料蚀除方式和蚀除特点。结果表明,在放电初始阶段材料以汽化形式蚀除,之后主要是通过熔融飞溅的方式进行蚀除,而且熔融飞溅蚀除强度远大于汽化蚀除强度。受热区域温度分布显示,凹坑形成过程中大部分熔融材料在凹坑表面重新凝固形成熔融再凝固层。在本文研究条件下,熔融材料的蚀除率仅为7.63%左右。放电结束时刻,放电凹坑直径和深度达到最大值,放电结束后熔融材料的回流会使放电凹坑尺寸略有减少。单脉冲放电实验结果显示,仿真得到的凹坑与实验产生的凹坑在形貌和尺寸方面具有较好的一致性,验证了所提出模型的正确性以及热-流耦合机制在解释电火花加工中材料蚀除过程方面的可行性。通过分析熔融材料和汽化材料的压强分布及速度场分布,从流体动力学角度揭示了熔融材料飞溅蚀除的内在动力和凹坑形貌的影响因素。研究发现,随着材料热相变的发生,熔融区内部压强发生变化,在深度方向和径向方向形成压强梯度,而熔融材料飞溅蚀除的驱动力主要来自于其内部与表面存在的巨大压强差。放电过程中受熔融材料剪切流动的影响,放电凹坑轮廓发生变化且其周围翻边凸起由尖锐逐渐趋于平滑。双极仿真结果表明,放电过程中电极与工件产生的放电屑在极间发生碰撞,同时,高速运动的放电屑能够对对方熔融材料的蚀除起到抑制或促进作用。将残余应力方程和金相相变方程与电火花加工热-流耦合模型相融合,对单脉冲放电过程中放电凹坑表面产生的热致相变层进行了研究,分析了热致相变层的厚度、金相组织、残余应力分布以及峰值电流和脉冲宽度对它们的影响。对于单个放电凹坑,熔融再凝固层和热影响层厚度在放电凹坑中心最小,随着靠近凹坑的边缘两者均逐渐增加。同时,熔融再凝固层经历了完全马氏体转变,是导致表面硬度提高的一个重要原因。从放电凹坑表面,Von Mises应力沿深度方向先增大后减小,在熔融再凝固层和热影响层界面附近达到峰值。相对于放电时间,峰值电流对熔融再凝固层厚度影响更为显著,而放电时间对最大残余应力及其深度位置影响更大。建立了包括放电位置随机和放电持续时间随机的连续脉冲放电计算模型,实现了材料的时变、动态蚀除过程模拟。采用仿真与实验相结合的方法,对凹坑叠加以及加工表面形貌特点和变化规律进行了分析,同时对连续脉冲放电过程中温度场分布、熔融再凝固层厚度分布等进行了详细研究。实验结果表明,所建连续脉冲放电模型对电火花加工表面粗糙度及熔融再凝固层厚度能够起到一定的预测效果。

摘要： 在典型的翻转课堂中,以前的教师讲解以视频或动画形式由学生在课外时间自学,上课时间则主要是进行实验、小组讨论和答疑.近几年,翻转课堂受到各国教育界的广泛关注.'翻转课堂'最先是在美国中小学实行,随后美国大学也逐渐尝试翻转课堂改革,如迈阿密大学的Gerald C.等人将其用在软件和程序设计课程上,波多黎各大学亚圭斯校区(UPRM)的Christopher P.等人将其应用于静力学课程上.之后我国的高校也有人尝试实行翻转课堂.

关键词： 光纤光栅   光纤传感   飞秒激光   激光加工   多波长激光器   回音壁模式(WGM)   光纤表面纳米轴向光子(SNAP)结构  

摘要： 光纤作为现今最完美的光波导,具有重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优点,在通信、传感、照明等领域有着不可替代的地位。为了充分利用光纤的优势,不同类型的光纤器件相继被提出。光纤光栅作为一种全光纤器件,与现有光纤网络能够完美兼容,自提出之日起便在光通信领域受到广泛关注,被用于滤波、色散补偿等。伴随着光纤通信的发展,光纤光栅在传感领域的应用也逐渐被关注,尤其是近些年来随着人们对环境保护、食品安全的重视,以光纤传感为基础的“光纤实验室（Lab on fiber）”的概念吸引了很多研究者的注意。就“光纤实验室”的应用而言,进一步提升光纤光栅的折射率传感性能十分关键。除了光纤光栅,光纤表面纳米轴向光子（SNAP）作为一种新的加工平台,可以实现光纤表面微腔的低损耗、高精度加工,在下一代全光信号处理中具有巨大应用潜力。本论文以激光加工为手段（紫外激光、飞秒激光）,围绕光纤光栅及SNAP结构两个主题进行研究,主要工作内容包括:1)研究了局域化光纤布拉格光栅（FBG）的飞秒激光逐点刻写,并基于逐点刻写法的灵活性,提出了一种局域化多光栅结构。利用该结构,在室温条件下提出并实验验证了掺铒光纤激光器的双波长稳定输出。2)理论分析了长周期光栅（LPG）的传感特性,并首次实现了对色散拐点LPG的飞秒加工,且实验验证了LPG在色散拐点附近的高灵敏度。3)针对普通LPG在水折射率附近折射率灵敏度较低的问题,提出了基于飞秒加工的局域化偏芯LPG结构。提出的该光栅周期仅有15μm,可以将纤芯内传输的光耦合到高阶包层模式。为了增强高阶包层模式的耦合效率,在制备该光栅结构时采用了偏芯刻写方案。4)通过减小光栅周期,利用紫外激光制备了一种超窄带宽LPG。对LPG的带宽进行分析发现,其带宽大小与光栅周期数成反比,因此我们降低光栅周期大小,以便在特定长度内引入更多周期数。基于此方案,我们利用紫外激光成功刻写了带宽小于1 nm的LPG,这是目前所报道的最窄带宽的LPG。5)提出并实现了光纤SNAP结构的飞秒刻写方案。在此方案中,飞秒激光在光纤内部引入的调制对光纤外表面施加压力,从而引起光纤半径的纳米级变化。基于此方案,我们成功实现了光纤表面串联微腔的亚埃米精度加工。

关键词： 电火花加工   脉冲电源   智能化   STM32  

摘要： 随着社会发展的不断进步,制造业水平的不断提高,传统的加工方法已经很难满足人们的需求。电火花加工的提出主要针对加工一些难切削的和形状复杂的材料,现已被广泛应用于航天工业,汽车制造业,医疗器械等多种领域。电火花加工属于非接触加工,利用火花放电瞬间产生的热能来蚀除金属,在加工微孔和型腔复杂的金属材料时有独特优势。本文主要研究一款电火花加工新型智能脉冲电源。通过分析国内外的研究现状,发现了传统脉冲电源很少具备独立的智能化监测模块,并对此现象进行深入研究,提出了电火花加工智能监测策略,并最终提出电火花加工智能脉冲电源的总体设计方案。电火花加工智能脉冲电源的整体结构包括硬件部分和软件部分。硬件分为直流电源模块、主电路模块、主芯片模块、功率放大和驱动电路模块、显示模块、数据采集模块、通信模块、工作电源模块。软件部分包括脉宽调制模式PWM程序,显示及按键程序,串口通信程序,串行外设接口 SPI通信程序,电火花加工间隙状态监测策略。脉冲电源主电路模块用两个MOSFET管的导通和截至来控制主电路的充放电过程,MOSFET的驱动信号由主芯片STM32产生的两路相反的PWM脉冲经过功率放大和驱动电路模块得到;显示模块用OLED显示屏来显示PWM脉冲的占空比和频率,并通过四组按键调节占空比和频率参数;通信模块用USB转串口的方式将主芯片STM32得到的数据发送给上位机,控制加工过程;工作电源模块为整个系统提供12 V,5 V和3.3 V的电压;数据采集模块则采集间隙平均电压并进行模数转换对间隙进行监测,其中还用到模糊神经网络系统对采集到的数据进行处理,实现智能化。本文设计的电火花加工智能脉冲电源的电压在0-200 V可调,加工频率在0-10 KHz内可调,占空比可调。通过示波器测量,智能脉冲电源的波形测试达到预期效果,可用于电火花加工。通过对比电火花加工智能脉冲电源与传统脉冲电源的材料去除率,本文研制的新型电火花加工智能脉冲电源在材料去除率上有明显的提升。

关键词： 颗粒型复合材料   电火花加工   材料热蚀   材料抛出   蒸汽炬力  

摘要： 颗粒型复合材料因其在金属基体材料内加入硬质颗粒,使得其力学性质得到有效的强化。因此,具有良好机械性能的颗粒型复合材料被广泛应用于航空航天、加工制造等领域。由于颗粒型复合材料具有高强度、高硬度等特点,传统的机械加工方法进行加工比较困难,而且加工效率低。电火花加工技术避开了接触加工而产生的一些弊端,被认为是加工颗粒型复合材料的有效手段。但目前对于其材料蚀除机理的研究甚少,影响了其在各个领域的应用。因此,本文从材料的热蚀及抛出机理进行讨论与分析,并对不同电加工参数和电极材质等方面对颗粒型复合材料电火花加工材料热蚀及抛出、颗粒夹带的运动过程以及放电凹坑形成的影响进行了研究。(1)对电火花加工单脉冲放电能量、热源以及抛出作用机理进行分析,建立单脉冲电火花加工热源的数学模型。基于自由射流的原理、气体流动理论以及津格尔蔓的激波压力公式进行整理和推导,最终得出关于电火花加工金属蒸汽炬力的数学表达式,作为电火花加工材料抛出过程的仿真基础。考虑颗粒型复合材料的多相特性,建立颗粒型复合材料电火花加工材料蚀除过程的仿真模型。(2)对颗粒型复合材料单脉冲放电材料热蚀过程进行仿真,分析了随着脉冲时间的进行工件温度场分布以及熔池在半径和深度方向尺寸的变化情况,并研究峰值电压、脉冲宽度以及电极材质对工件材料表面产生熔池尺寸的影响。通过仿真结果的对比分析得出相应的规律。(3)基于材料热蚀仿真结果所产生的熔池,考虑熔池内颗粒和熔融金属基体材料的固流耦合环境,进行单脉冲放电材料抛出过程分析。得到当金属蒸汽炬冲击熔池时,其产生冲击波的速度场分布以及颗粒与金属基体的整个运动过程。并研究了峰值电压、脉冲宽度与电极材质产生的蒸汽炬力对材料去除的影响,得到随着峰值电压、脉冲宽度的增大以及电极材质不同,放电凹坑半径和深度的变化规律。对仿真结果进行试验验证,结果表明仿真模型在半径方向误差小于10%,模型能够相对较准确的预测放电凹坑尺寸及形貌。

关键词： 栏目设置   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:

关键词： 模具   特种加工   技术教学  

摘要： 经过市场调研总结出市场需求与学生就业中存在的不足,进而探索模具特种加工技术新的教学方法,制定出了先解惑后授业的教学模式.解惑使学生知晓更多的新学科,增强学生的学习兴趣与学习的自主性;授业中使用项目教学模式,培育技能型人才.探索的教学方法是长期教学实践的积累,有普遍的推广意义.

关键词： 超声电机   微沟槽阵列   光刻电解加工   激光加工   干摩擦系数   磨损  

摘要： 超声电机因其独特的压电转换和摩擦驱动机制成为具有发展前景的精密驱动部件,由于依靠定转子之间摩擦力驱动,摩擦副的高摩擦系数和低磨损是提高其输出性能和使用寿命的关键因素。表面织构对干摩擦下提高接触面摩擦系数、改善磨损性能具有显著优势,为优化超声电机输出性能提供了可能性。微沟槽阵列是表面织构的一种常见形式,可以满足超声电机摩擦副增摩减磨的要求。光刻电解加工技术和激光加工技术是制备微沟槽阵列的两种有效方法,本文利用这两种方法分别在TRUSM60型超声电机的定转子表面制备了高精度的微沟槽阵列,并进行干摩擦磨损试验研究,为超声电机摩擦副摩擦性能的优化提供依据。已完成的主要内容如下:（1）利用光刻电解加工技术在超声电机定子材料即磷青铜表面进行微沟槽阵列的加工。研究电解液进液口压力、加工电压、脉冲电源占空比和脉冲频率等参数对微沟槽尺寸和形貌的影响,并提出利用电解产物均匀电场分布,抑制光刻电解加工中的边缘效应,提高加工精度;利用最佳工艺参数并设计专用夹具,成功在定子齿形结构面上制备了宽度295.2μm、深度40.5μm的“一齿单槽”型和宽度155.8μm、深度41.5μm的“一齿双槽”型微沟槽阵列。（2）针对超声电机转子摩擦层的高分子聚酰亚胺材料,采用激光加工技术在其表面制备微沟槽阵列。研究了加工次数、泵浦电流、脉冲频率和标刻速度等工艺参数对微沟槽尺寸及形貌的影响;选择最佳工艺参数组合,在转子环形摩擦层表面制备了平均宽度和深度分别为169.5和94.1μm的微沟槽阵列。（3）开展定转子摩擦层材料之间的干摩擦磨损试验研究。首先分析超声电机摩擦机理,讨论带有槽型织构的表面在行波运行过程中对摩擦性能影响。然后进行干摩擦试验,对比了定转子材料表面有无微沟槽织构时摩擦系数和磨损量的区别,研究微沟槽宽度、面积率以及双面织构化参数对摩擦副摩擦性能的影响。根据摩擦系数最高、磨损量最少的原则,最终得到最优组合参数为:磷青铜表面槽宽200μm、面积率10%,聚酰亚胺表面槽宽150μm、面积率40%,两表面微沟槽呈0°夹角分布,且与摩擦方向垂直,此时摩擦系数为0.368,增摩率50.2%,磨损量分别为0.8和1.0μg,试验为提高超声电机摩擦副性能提供了依据。

关键词： 多微细孔   电火花加工   振动辅助装置  

摘要： 微细群孔是一种较为常见的结构,加工有微细孔的材料,刚度及散热性好,因此具有大量复杂位置关系的微细孔结构被设计出来,并广泛应用于航空航天和汽车零部件。目前电火花是加工微细孔的主要方式之一。总结前人的研究经验可知,在微细孔的电火花加工过程中,由于孔径过小引起的电极与工件之间切削液流动不畅,常常导致切屑难以排出、散热困难、孔径容易变形、放电环境较差等问题。不完全放电常常引起电极损耗过大、工件加工精度差、电能利用率低下。而且微细孔加工通常孔径偏深,数量偏多,因此多微细孔已成为微细结构加工的重点研究对象之一。本文在此背景下研制出一套多微细孔电火花振动复合加工设备。区别于传统电火花机床,该设备具有多电极同步旋转、各电极独立放电、振动装置促进排屑的功能。通过对电极振动与旋转在理论上提升加工效率的分析,设计了装置的整体结构,并论述各零部件之间结构特点、安装方式、相对运动及功能。按照由下到上,由繁到简的原则,通过ANSYS辅助设计与理论分析,基于结构轻量化与装配件互不干涉的原则,确定了上下圆盘、振动轴、振动电机支撑板和弹簧支撑板的尺寸,并进行了相应的校核,保证零部件尺寸满足加工要求。对装置进行了可靠性分析,其中结构分析包括过盈配合、疲劳寿命、电极偏心度、进给机构性能分析,验证了装置设计的稳定性;动力学分析为电极在最大激振力作用下的速度和位移随时间变化曲线,验证了电极微细振动的合理性。在结构设计的基础上对其配套的控制程序进行了开发,通过STM32单片机输出脉冲控制旋转电机和振动电机转速;使用驱动器控制步进电机的转角,进而控制滑台的微分进给量;采用USMART实现了通过串口控制电机的起停和实时调速。对装置进行结构安装调试、电路调试、程序调试与联合调试;调试无误后,设计实验验证了电极振动与旋转对加工效率的提升作用;最后基于振动电机控制脉冲占空比、旋转电机控制脉冲占空比、加工电压,材料厚度设计四因素三水平正交实验和响应面实验,得出在不同控制脉冲占空比、电压、厚度的条件下加工镀锌不锈钢所需时间,通过Design Expert软件进行多元回归拟合分析和相关性分析,制定了理想的工艺参数,验证了装置的实用性。

关键词： 微细电火花加工   非接触供电   IPC+Clipper   全闭环控制   HMI  

摘要： 随着微小结构的高硬度材料广泛应用于工业领域,传统加工方式在其加工制造中存在很多问题,微细电火花加工技术由于具有无切削力、能量可控、加工尺寸小、加工精度高等特点,是解决此类加工问题的重要特种加工技术之一。微细电火花加工存在效率偏低等缺点,采用电极旋转的方式可增强间隙内介质的流动性,故提出非接触供电方式实现电极的高转速加工,有效避免火花集中和异常电弧的产生,进而改善加工质量和效率。为实现非接触旋转电火花加工,需研制非接触旋转电火花数控机床,并进行数控系统的软件研发。选择IPC作为上位机处理非实时性任务,Clipper作为下位机处理实时性任务,采用IPC+Clipper开放式数控结构来实现双CPU的全闭环控制。根据微细电火花加工对装备的技术要求,设计出机床的总体方案和结构功能示意图,按照总体方案进行机床的机械硬件和电气系统设计。硬件搭建完成后,解决直线轴的限位和回零问题,使用下位机软件,通过在线指令设置相关参数,而后对PID/前馈算法进行参数调试,获得优良的动态响应特性和稳态特性,完成机床全闭环控制伺服系统的建立。在VC2010软件下使用MFC对话框功能,通过PcommServer函数库与Clipper建立通讯,采用模块化设计方式开发机床数控系统软件HMI(人机交互界面),主界面由指令区、显示区、功能模块区、程序区和信息显示框组成。以铣床加工功能为主要框架,采用多线程编程技术,复合电火花系统,从而实现电火花加工。检测机床相关性能参数,在HMI程序区编写数控程序,进行铣削工艺实验,检验机床的软硬件性能。在主界面的电火花模块中,通过电加工参数设置,检验电火花加工伺服控制效果,不断调试优化,满足要求后进行电火花加工。