关键词： 激光加工   阶梯状微织构   硬质合金刀具   6061型铝合金   切削性能   磨损机理  

摘要： 近年来,刀具表面微织构技术的发展与快速应用,在提升刀具切削性能、延长刀具使用寿命、提高刀具耐用度方面提供了重要的技术支撑。型号6061铝合金作为一种重要的航空航天和轨道交通应用材料,一直是金属切削的热点课题之一。本文以表面微织构刀具的研究成果为指导,在切削液润滑条件下对6061型铝合金进行切削实验,探索表面阶梯状微织构的存在对刀具切削性能和抗磨损性能的影响。激光加工阶梯状微织构工艺参数的确定以及工艺方法优化。以激光加工微织构的基本原理为依托,探究激光加工刀具微织构的工艺参数和方法,优化激光加工工艺,改善微织构表面形貌,以达到减少微裂纹条数和尺寸,降低不必要凹坑数目。以频率:20Hz,脉冲数:20个,功率:90W,光斑直径:50μm的激光加工参数,硬质合金片300℃预热处理,空冷至室温,辅助于四挡超声振动手段在刀具表面加工微坑织构。硬质合金刀具(W-Co,YG8)主要磨损区域的确定以及微织构的加工。以传统无织构刀具切削铝合金,通过显微镜下观察各刀面磨损情况,在现有的加工条件下,以优化后的激光加工工艺参数和方法,在刀具前刀面、主后刀面以及副后刀面等刀具主要磨损区域加工面积占有率c=15%,织构与切削刃尺寸间距l=150μm,直径d=65μm、深度h=15μm和直径d=30μm、深度h=7μm组合的阶梯状微凹坑织构。阶梯状微织构硬质合金刀具(W-Co,YG8)切削实验探究。选取制备后的多尺寸阶梯状微织构刀具和传统无织构刀具,进行干/湿两种切削实验,对比阶梯状微织构刀具和传统无织构刀具切削力F降低幅度达到11.2%,工件表面粗糙度Ra的算术平均偏差提升35.2%,锯齿状切屑控制良好,齿高降幅52.5%,剪切角降幅31.6%,锯齿角降幅9.5%的实验数据,比较优化微织构尺寸。阶梯状微织构硬质合金盘(W-Co,YG8)摩擦磨损实验探究。选取制备后的多尺寸阶梯状微织构硬质合金盘和传统无织构的硬质合金盘,进行干/湿两种摩擦磨损实验,对比阶梯状微织构刀具和传统无织构刀具摩擦系数μ降低43.1%,铝合金销磨损面积s降低40.2%的实验数据,比较优化微织构尺寸,验证切削实验中的推理。阶梯状微织构刀具(W-Co,YG8)强度与刀-屑之间摩擦应力仿真实验。以Workbench为平台,进行阶梯状微织构刀具静力学仿真实验,比较阶梯状微织构刀具与传统无织构刀具之间的应力、应变和变形状况,得到刀具表面阶梯状微织构的存在,对于刀具强度的影响可以忽略的结论。同时,进行接触问题的仿真实验,模拟刀—屑之间接触,对比阶梯状微织构刀具与传统无织构刀具之间的摩擦应力变化,刀—屑之间最大摩擦应力下降达到21.8%。以实验和仿真为基础,综合考虑实验得出的数据和结果,选取最终的微织构尺寸数值,优化刀具切削性能,改善刀—屑接触面积,提高刀具的使用寿命。本文完善刀具表面微织构的实践和实验研究,对铝合金材料的加工提供新的研究方向,为改善YG8硬质合金刀具切削性能提供新线索,在实际的实验和探究中具有重要的参考意义。

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： VR   特种加工   教学设计  

摘要： VR技术是现今计算机技术领域中一项包含多种学科的综合科学技术,该技术已经被运用于诸多领域。本文简单阐述了VR技术,并在分析《特种加工》课程的基础上,初步探讨了基于VR技术的《特种加工》课程建设、教学设计的方法。

关键词： 注塑模具   电火花加工   工具电极   工时预估   二次开发   模具计算机辅助设计  

摘要： 注塑模具作为现代工业生产中不可或缺的重要工艺装备,有着广泛的应用与快速发展的前景。在追求不断创新的今天,新产品更新换代日趋频繁,对模具设计制造效率提出了更高的要求,缩短模具的设计制造周期、提高生产效率对提高企业竞争力至关重要。电火花加工作为注塑模具加工过程中的必备工序,占据了整个模具设计制造周期的一半左右,因此,改善目前注塑模具电火花加工过程中的不便之处,对提高模具制造效率、缩短模具的设计与制造周期意义非凡。课题主要研究注塑模具电火花加工中的两个重要方面:工具电极设计与电火花放电加工时间预估。工具电极设计过程复杂且数量众多,传统的手工设计方法耗时耗力,严重影响模具设计制造效率,延长设计周期;准确预估电火花加工时间对合理安排模具制作周期意义重大,然而,现在缺少科学的估时工具,严重影响了生产制造节拍。针对上述问题,本文具体开展了如下两个方面的研究:⑴研究注塑模工具电极的通用设计方法、设计流程以及电火花加工过程中的相关工艺,总结放电型面的构造规律,进行合理的归纳分类,并根据各类型面的手工设计经验,研究相应可行的自动化设计方案与流程,编写电极自动设计算法,开发工具电极自动设计模块。实现工具电极的快速自动设计,提高设计效率。⑵开展电火花加工工艺试验,理解电火花加工结果与加工时间之间的关系,确定企业实际生产中加工时间的影响因素,制定合理的、科学的工时预估算法,根据企业的产品特点开发企业专用的电火花放电工时预估模块,为企业提供科学的工时预估工具。以上两个模块均是在UG 4.0及UG 8.5软件平台的基础上,使用NX Open二次开发工具和Visual Studio 2010集成开发平台开发完成的,共同构成了注塑模具CAD/CAM系统。注塑模具CAD/CAM系统使用,显著缩短了注塑模具设计制造周期,提高了效率,为企业带来长期效益。

关键词： 颅内血管支架   压握性   柔顺性   植入性   光纤激光   NiTi合金   CoCr合金  

摘要： 颅内血管的生理特征,要求支架具有极高的压握性与柔顺性。通过结构优化的方法提高支架的植入性和柔顺性,是球囊扩张式支架优化设计工作所面临的挑战。本文主要通过数值模拟方法研究颅内血管支架扩张、压握、弯曲、植入等变形的仿真模型,并在此基础上开展柔顺性和压握性的优化工作。具体包括:①对7种支架扩张模拟方法进行对比研究,分析并提出了各种扩张方法的优、缺点。②以简支梁和悬臂梁的弯曲变形为力学模型,建立了四种支架弯曲的数值仿真模型,并进行对比研究。结果表明,四种模型的计算结果一致;位移载荷法优于弯矩载荷法。通过耦合方式,建立了集支架压握变形、扩张变形和弯曲变形为一体的仿真模型,仿真结果表明:压握和扩张变形增加支架刚度。最后研究了连接筋的结构、连接筋的数量、连接筋的布置方式对支架柔顺性的影响机理;提出的优化方案,可有效提高支架的柔顺性以及不同方向上柔顺性的一致性。③建立压握模型,对支架进行压握与回弹仿真,分析了支撑环结构与连接筋结构对支架压握性能的影响机理;提出了支撑环结构的优化方案,其压握性能得以显著提升。④建立集支架压握变形、植入过程、扩张变形和回弹变形于一体的支架植入仿真模型,系统的模拟支架的植入变形。该模型可评价支架的植入性能、贴壁性能以及支架对血管的拉直效应。激光切割作为支架制备的主要方法,是一个多输入、多输出问题,工艺参数对切割质量的影响机理复杂。调整工艺参数、优化切割质量是一项复杂的工作。本文通过光纤激光切割实验,开展了镍钛合金(Nickel titanium,NiTi)支架和钴铬合金(Cobalt chromium,CoCr)支架的切割工艺研究;并通过研究切割表面形貌与切割质量的耦合关系,探索了支架切割质量的快速优化方法。具体包括:①在湿切环境下,采用氩气作为辅助气体进行NiTi合金切割实验,对获得的混合形貌的形成原因进行机理分析,总结了切割表面形貌与切割质量的耦合关系。在此基础上研究工艺参数对切割质量的影响,并提出NiTi合金支架激光切割质量的快速优化方法。②分别采用氩气和氧气两种辅助气体进行CoCr合金切割实验,并从试样的切割表面形貌、切割表面化学成分和切缝形状三个方面研究辅助气体类型对切割质量的影响。对氧气切割试样表面的三种形貌的形成原因进行机理分析,归纳了表面形貌与切割质量的耦合关系。在此基础上研究氧气作为辅助气体时,工艺参数对切割质量的影响,并提出了 CoCr合金支架激光切割质量的快速优化方法。本文的研究工作,为支架的扩张、压握、弯曲、植入等变形提供了有效的数值模拟仿真模型;并通过结构优化设计,提高了支架的压握性和柔顺性。本文还研究获得了 NiTi合金支架、CoCr合金支架的激光切割质量与表面形貌的耦合关系;所提出的激光工艺参数优化方法,可快速优化血管支架的切割质量。

关键词： 电火花加工   工件超声振动   低温冷却   电极损耗   表面粗糙度   表面重铸层  

摘要： 用液氮对工具电极进行冷却来降低电火花加工(ElectricDischargeMachining)过程中的电极损耗是当前电火花加工研究中的一大热点，对实现低损耗加工并保证良好的加工精度具有重要的理论意义和应用价值。　　现有的液氮冷却工具电极电火花加工，降低了工具电极损耗，但工件材料去除率、加工效率也大幅降低;加工后的表面会出现大量的微观裂纹，而且缺少对不同冷却温度梯度影响的研究。本文针对以上不足，提出了用液氮与空气混合气对工具电极进行冷却的同时引入工件水平超声振动的加工方案，降低了工具电极损耗且加工效率和表面质量较好。本文对该加工方案进行了理论分析和试验验证，主要研究内容及结论如下：　　1、通过正交试验法选择电参数，研究电参数和工件水平超声振动对电火花加工Inconel718的影响。通过与传统电火花加工结果对比分析得出结论：间隙电压和峰值电流对表面粗糙度影响最大;峰值电流、脉冲宽度和脉冲间隔对材料去除率影响较大;峰值电流及脉冲宽度对表面微观形貌影响较大。工件水平超声振动使表面电蚀坑变大变浅，表面微裂纹大幅减少;表面粗糙度较传统电火花降低了10%以上;材料去除率提高了13%以上;而且随着电参数的增大，工件水平超声振动对以上工艺参数的改善效果更明显。　　2、对低温冷却工具电极电火花加工(CryogenicallyCooledEDM)中冷却气体的温度对电火花加工过程中的影响进行了探究。在选用的冷却温度中，表面粗糙度随冷却温度的降低先降低再升高，冷却温度在0℃时表面粗糙度最低;表面微裂纹数量随冷却温度的降低而增多;材料去除率随冷却温度的降低而大幅降低;工具电极的相对损耗也随冷却温度降低而大幅降低，在-60℃时的电极相对损耗只有0℃的一半左右。　　3、对低温冷却与超声振动电火花加工(UltrasonicAssistedCryogenicallyCooledEDM)进行了研究。新的加工方法，能获得更低的表面粗糙度，在冷却温度为-60℃时表面粗糙度最低;表面微裂纹虽然仍存在但裂纹密度、尺寸都明显降低;与低温冷却电火花相比，新的加工方案在温度和电参数相同时，材料去除率提高;但随着冷却温度的降低，材料去除率的提高效果有限;工具电极损耗在冷却温度越低时也越小。　　4、对四种不同加工方法加工后的工件截面进行了观察分析。结果表明：工件水平超声振动能降低表面重铸层厚度;低温冷却会产生贯穿整个表面变质层的裂纹;低温冷却与超声振动共同作用的表面重铸层厚度分布更均匀且无贯穿整个重铸层的裂纹产生。

关键词： ZTA陶瓷   激光加工   表面织构   摩擦学性能  

摘要： 当今社会人口老龄化问题严重,车祸等意外事故频发,导致越来越多的人饱受关节性病痛的折磨。由于普通药物难以完全治愈,人工关节置换成为治疗关节性疾病最有效的途径。陶瓷材料例如ZrO2和Al2O3由于其强度高、化学稳定性和耐腐蚀性能优异被作为一种广泛使用的人工关节材料,但陶瓷材料是一种脆性材料且导致其摩擦学性能受到一定的影响。本论文通过在陶瓷材料表面进行表面织构构筑,来改善陶瓷材料的摩擦学性能,扩大其在人工关节领域的应用。本文利用热压烧结法制备了具有优异力学性能的25 wt.%ZrO2（3 mol.%Y2O3）增韧Al2O3陶瓷（ZTA）,同时对ZTA陶瓷组织结构、力学性能进行了表征,还研究了其摩擦学性能。利用光纤激光器在ZTA陶瓷表面进行圆孔型织构构筑,并探索激光功率,激光调Q频率、雕刻速度及脉冲宽度对圆孔型织构尺寸以及热影响区厚度、圆度和锥度的影响。依据织构质量的分析,当激光功率为12 W,激光调Q频率为50 kHz,雕刻速度为1000 mm/s,脉冲宽度为45 ns时,可以获得直径约为95μm和深度约为20μm的圆孔型织构,此时圆孔的热影响区厚度为13.5μm,圆度为0.88,锥度为0.6。并利用上述激光加工工艺参数在ZTA陶瓷表面加工了织构面积百分比分别为6%、12%、32%和45%的圆孔型织构阵列。在干摩擦条件下,研究了不同织构面积百分比（0%、6%、12%和32%）对ZTA陶瓷与Al2O3销对磨时摩擦学性能的影响的ZTA陶瓷进行摩擦学测试。当载荷为40 N时,随着织构面积百分比的增加,ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率相应增加,摩擦系数从0.48升高到0.62,磨损率从7.8×10-9mm3/Nm增加到1.2×10-8mm3/Nm,织构并没有起到减磨的作用。当载荷为70 N时,随着织构面积百分比的增加,ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率先减小后增大,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.73,磨损率为9.2×10-44 mm3/Nm,织构面积百分比为12%时ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率都降低到最小值分别为0.49和4.9×10-5mm3/Nm。当载荷继续增大到100 N时,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.50,磨损率为3.8×10-7mm3/Nm,织构面积百分比为6%时,ZTA陶瓷的摩擦系数和磨损率都降低到最小分别为0.47和8.5×10-8mm3/Nm。载荷为70 N和100 N时,ZTA陶瓷表面的圆孔型织构通过收集磨屑,减少摩擦过程中磨屑产生的犁削作用,有效的抑制了陶瓷表面的脆性断裂,改善ZTA陶瓷的摩擦学性能。在模拟关节滑液条件下,对织构面积百分比分别为0%、6%、12%、32%和45%的ZTA陶瓷与Al2O3对磨时的行为。当载荷为40 N时,ZTA陶瓷的摩擦系数随织构百分比的增加而减小,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.202,织构面积百分比为45%时ZTA陶瓷的摩擦系数达到最小值为0.166。当载荷增大到70 N时,随着织构面积百分比的增加摩擦系数出现先增加后降低的现象,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.186,织构面积为45%时ZTA陶瓷的摩擦系数达到最小值为0.175。当载荷继续增加到100 N时,随着织构面积百分比的增加摩擦系数同样出现先增加后降低的现象,无表面织构的ZTA陶瓷摩擦系数为0.192,织构面积为45%时ZTA陶瓷的摩擦系数达到最小值大约为0.178。在模拟关节滑液润滑条件下,表面织构可以储存润滑液,同时提供一定的承载力,从而改善ZTA陶瓷的摩擦学性能。

关键词： 静态溶液   Custom455不锈钢   温度场   凹槽刻蚀   表面抛光  

摘要： 激光加工因其具有高精、高效加工的特点被广泛应用于医疗、航空等领域;化学加工不会产生热应力,并且加工质量好,因此将两种方法结合充分发挥激光的热作用与化学液的冷却腐蚀作用,使得该化学液辅助激光加工的方法具有非常广泛的应用前景。然而,由于化学液辅助激光加工涉及到的工艺参数众多,对该复合加工的方法的研究尚在探索阶段。因此为进一步探究化学液辅助激光加工的复合作用,需要对加工技术的机理进行深入研究。首先本文分析了激光加工技术的研究现状,在此基础上研究分析了静态溶液辅助激光加工过程相互作用的机理,探讨了影响溶液辅助激光加工的主要因素。运用ABAQUS对液体环境中激光单线扫描不锈钢表面温度场分布进行模拟,分析不同时刻温度场的分布情况。其次,将仿真结果作为参考,进行了H2SO4溶液辅助激光凹槽刻蚀的实验。为研究化学液浓度和激光器参数对不锈钢表面刻蚀凹槽的影响规律,采用线扫描填充的方法进行加工。实验方案采用了目前研究较少的静态化学液辅助激光加工的方法,采用单因素实验法对影响加工质量的各因素进行研究,并对加工后的表征参数（深度、宽度和表面粗糙度）进行分析。结果表明:激光单线烧蚀过程中,H2SO4溶液浓度越大,加工区域宽度越小,边缘直线度越好,但H2SO4溶液浓度高于10%后变化不大,溶液浓度对材料去除的深度影响不大。而且,溶液浓度增加会提高线型加工边缘直线度;在填充扫描加工凹槽过程中发现,在一定参数范围内,通过增大功率或者降低扫描速度都能增加固定点受到辐射的激光能量,增加凹槽深度,但同时会影响凹槽底部的粗糙度,使底部形貌变差;同时,影响线重叠率的扫描间隔、扫描次数以及累进角度改变时都会影响刻蚀深度,并且深度越深凹槽底部粗糙度越差。因此对不锈钢表面凹槽刻蚀加工可采用快速、多次加工的方法实现。最后,将液体介质换成浓度为10%的H2SO4溶液,进行了H2SO4溶液辅助激光抛光不锈钢表面的正交实验研究。基于在H2SO4溶液中的刻蚀效应的研究规律,采用正交试验法分析激光加工工艺参数对抛光表面粗糙度的影响。结果表明:H2SO4溶液辅助激光抛光的不锈钢表面粗糙度可降低70%,扫描速度对抛光表面粗糙度影响最显著。此时最佳工艺参数为:扫描速度为11mm/s、扫描次数为6次、激光功率为14W、扫描间隔为0.04mm,抛光后可使表面粗糙度降到0.51μm,加工效果更好。本文的研究结果对化学液辅助激光刻蚀、抛光Custom455不锈钢质量具有一定的的参考价值,对后续实验改进加工工艺参数,提高加工效果具有重要意义。

关键词： 激光加工   高温化学   复合加工   低压射流   碳化硅陶瓷  

摘要： 陶瓷材料凭借各项优异的理化性能,逐渐被应用到航空航天、精密机械、微电子器件等各个领域,而目前特种加工技术很难同时满足经济高效的加工需求。为了降低生产成本,提高加工质量,将多种技术集成复合从而达到优势互补这一新思路,吸引了国内外研究学者的关注。激光加工具有速度快、精度高且加工过程无机械接触等优点;化学加工不产生热应力,且质量好,将二者复合得到的新型加工技术能够在完成高效加工的同时去除热缺陷,具有非常广阔的应用前景。然而,复合加工涉及的工艺参数众多,目前对两种技术的复合方式也尚在探索阶段。为了更好的掌握加工工艺,发挥复合化的整体作用,仍需对加工技术的关联性及协同作用机理进行深入的研究。首先,本文分析了难加工材料精密加工技术的研究现状,在此基础上研究了激光烧蚀、高温化学加工碳化硅陶瓷的反应机理,探讨了腐蚀加工碳化硅陶瓷工艺参数对加工质量的影响,对腐蚀加工后的材料进行了相关的性能表征。结果表明:随着腐蚀液温度和浓度升高,材料被腐蚀速率加快,当腐蚀液加热至沸腾时,腐蚀效果明显提高;溶质质量分数30%,加工温度120℃的条件下,腐蚀样品粗糙度最小,轮廓支承长度率提高,表面质量最好;腐蚀温度过高或时间过长将造成晶粒脱落,导致表面质量大幅下降。此外,与机械加工试样相比,高温化学加工后的样品未出现裂纹,表面经简单清洗无反应物残留。其次,研究了激光烧蚀、激光加工化学后处理和激光高温化学复合加工等方法对碳化硅陶瓷的加工效果,对比了各加工方法对加工深度、表面质量的影响。结果表明:在激光加工过程中,静置化学液下加工容易出现空泡,导致液面不稳定,加工凹槽出现断点,加工质量差;采用低压射流的方法引入化学液,能够在避免空泡效应的同时,达到高温去除热缺陷的效果,加工后的凹槽表面无氧化层、内壁无重铸层,且加工时间短,加工过程简单,无二次装夹需求。再次,研究了激光工艺参数对碳化硅表面复合加工凹槽结构的影响。分析了激光功率、扫描速度和重复频率对复合加工槽体轮廓及槽体切口、内壁、底部等位置粗糙度的影响。结果表明,一定范围内增大功率,降低扫描速度都能有效增大单位时间激光能量,增加凹槽深度,减小截面锥度。激光能量过高,可能会破坏槽体结构,适当降低功率、提高扫描速度有利于提高凹槽轮廓平整度,降低槽体底部和内壁粗糙度。重复频率与搭接率和单脉冲峰值功率有关,脉宽一定情况下,凹槽各位置粗糙度随频率增加呈先低后高趋势。最后,研究了激光加工和化学加工在复合铣削碳化硅微平面时的交互作用。采用正交实验法分析激光加工工艺参数与化学加工工艺参数在复合铣削中对加工深度和加工面粗糙度的影响程度。结果表明:激光功率对加工深度影响最大,激光频率对加工面粗糙度影响最显著。方差分析显示,激光工艺参数对加工深度和加工面粗糙度均作用显著,溶液浓度对加工面粗糙度作用明显,化学加工过程对加工深度几乎没有影响。分析复合加工机理,激光高温化学复合加工以激光加工作为材料去除的主要手段,化学液通过在高温环境下蚀除加热过程中的熔融和氧化材料,达到改善加工面质量的目的。

关键词： 现代信息技术   数控电火花加工教学   运用  

摘要： 随着第三代数控电火花切割机的研发,现代信息技术在该行业中的发展越来越稳健、计算机技术是学生必须掌握的课程,同时CAD技术的快速发展,也为工业发展奠定了基石。我国工业的快速发展离不开计算机信息技术的应用与实践。