关键词： 领域驱动设计   计算机辅助制造   激光加工   基础件   数控加工  

摘要： 由于激光加工具有变形小、速度快、无污染和低损耗等优点,使其在工业制造领域倍受青睐,各机构对激光加工的应用与研发也都一直进行的如火如荼。然而,当前各种激光加工应用场景的控制软件,基本都是针对于某一特定硬件场景及某一种激光加工应用而开发的专门工艺软件,软件与工艺数据的兼容性与可移植性都比较差,对激光加工的发展与应用造成了很大的阻碍。针对这种情况,本论文以激光加工控制软件基础件为研究对象,基于领域驱动设计(DDD)的软件设计思想,开发了一款通用型激光加工控制CAD/CAM软件。整个软件不仅具有良好的可移植性、可扩展性与可维护性,同时还在软件中设计了各种激光加工应用场合的接口与激光通用语言集,使得该软件可以与当前绝大多数激光加工应用场景配套应用,工艺数据也达到了“一机设定,多机使用”的效果。论文首先从课题来源与国内外研究现状入手,阐述了激光加工控制CAD/CAM软件的开发目的与意义。然后通过分析一个预设全功能型激光加工系统主要业务逻辑关系,结合DDD中的四层软件基础架构,确定了软件的整体架构。论文接着通过对激光加工控制CAD/CAM软件的需求分析,从中概括出了相关的领域知识,并通过实体、值对象、服务、聚合、工厂和仓储这六类划分方法建立了激光加工的领域模型,并对领域模型的虚拟接口设计进行具体的阐述。软件整体采用软件基础件的设计方法,对包括三维图形拾取、平面闭合轮廓区域填充等激光加工关键CAD/CAM算法进行开发,并设计了基于容器思想的交互界面。为了方便工艺数据的移植与复用,本论文结合传统数控代码与激光加工的特性,初步设计了一款激光加工专用的Lxx代码,该代码分为指示型代码与操作型代码两部分。同时,论文还对Lxx代码进行了XML封装,方便工艺数据进行web传输。最后,总结了整个论文的研究内容及成果,同时提出了不足之处与需要进一步解决的问题。

关键词： 闭式整体叶盘   电火花加工   最大自由行程轨迹规划方法   数控代码稀疏化   摄动进给   电子束熔融成形  

摘要： 叶盘类零件是航空航天发动机和燃气轮机等涡轮机械的核心关键部件。采用先进的带叶冠的闭式整体结构可从根本上提升涡轮机械的工作性能和可靠性。五轴以上联动数控电火花加工技术目前已成为国内外普遍采用的闭式整体叶盘类零件加工方法。在解决了闭式整体叶盘的可加工性问题后,该技术尚存在一系列问题,如:成形工具电极加工轨迹规划方法的结构适应性不强、加工效率低下等。本文即是针对上述问题展开的研究。闭式整体叶盘电火花加工采用成形电极加工,其关键在于成形电极的设计和成形电极进给轨迹规划。本文从提高轨迹规划方法结构适应性的角度出发,提出了最大自由行程轨迹规划方法。该方法以求取电极最大的向流道外运动的趋势为目标,优先为电极选择一个最容易运动出流道的方向,获取电极的最优位置和姿态,使得电极沿着参考方向上能够继续移动的距离最大。最大自由行程轨迹规划方法可适用于具有分流小叶片的泵业轮(流道一进二出)等复杂叶盘类零件。电火花加工过程中,数控代码的密集程度会对加工效率带来影响。本文从抬刀运动的角度解释了数控节点密集时加工耗时的原理,在此基础上,本文提出了稀疏化处理数控代码的方法。该方法能够显著减少数控代码量并提升加工效率,还会电极损耗带来一定改善作用。实验证实疏化的代码可以减少23.7%的加工时间。针对实心叶盘毛坯的加工,本文提出了电极摄动进给的模式。摄动进给是在电极已有进给轨迹上增加垂直于进给方向的运动,拓宽蚀除产物排出的通道,以改善加工过程中蚀除产物的排出状况,从而使得即便是在电极已经进给到比较深的情况下,极间依然能够维持在比较好的放电状态,提高加工效率。摄动由偏离已有轨迹的直线运动和绕着电极前端的转动构成。研究表明,摄动增加的间隔为2.5mm和摄动系数为30%时加工效率最高。在数控代码稀疏化处理的基础上,采用摄动进给后闭式整体叶盘的加工时间还可以减少20.8%。摄动进给对电火花加工的影响呈现在三个方面,减小侧面间隙内工作液和气泡的流动阻力是改善提高电火花加工效率的主因。针对采用传统锻造毛坯加工闭式整体叶盘时材料去除量大、加工效率低的问题,本文探索了直接成形与精密成形高效组合制造技术方法。该方法采用电子束熔融成形闭式整体叶盘的毛坯,再通过多轴联动电火花加工精密成形叶片。对于基准的过渡,本文提出了采用视觉识别技术来提取叶盘周向基准的方式。与单一的电火花加工相比,闭式整体叶盘类零件直接成形与精密成形高效组合制造技术方法的加工时间可以大幅减少(涡轮泵组件分别减少了57.8%和65.9%)。

关键词： 高钨合金   微小孔   深度预测   穿透检测  

摘要： 高钨合金凭借高强度、耐高温等性质被广泛应用于航空航天等领域中,其中许多零件中包含散热、通气等作用的微小孔,这些微小孔的加工若利用传统方式则存在着很多困难,而电火花加工借助自身的诸多优点提供了一种有效的加工方法。但是在电加工中也存在着电极损耗大、加工效率低、加工效果差等问题,为此针对钨含量高达90%的铜钨合金(CuW90)进行了加工工艺及穿透检测等方面的研究。采用单因素实验和正交试验相结合的方案,使用直径为0.5 mm的管电极对CuW90微小孔电火花加工进行了一系列的基础实验研究。首先对电源电容、电流、伺服参考电压、伺服速度、占空比等实验参数进行了单因素实验研究,分析了使用电火花油和去离子水作为工作液时电极损耗和加工时间不同的原因;之后选用L16(45)正交表对所研究的5个参数进行了正交试验,最终以电极损耗和加工时间为目标得到了微小孔加工的最优参数组合,综合优化幅度达73%。针对CuW90的特殊结构,对其物理模型进行了分析比较,并计算了密度、比热容、热导率和热膨胀系数等性能参数的理论值,从理论上分析了在电火花加工中电极损耗大的原因。对旋转内冲液加工间隙流场进行了仿真分析,利用不同工作液流场结构特点对不同加工阶段流速和压力的分布进行了分析比较,探讨了柱状残留的成因,从理论方面研究了不同深度时的加工特点,解释了使用不同工作液时电极形状发生变化的原因。为实现难加工材料的盲孔加工,利用神经网络法对不同参数下的加工速率进行预测,分析了微小孔加工时有效放电次数和工件材料蚀除量的对应关系,搭建了基于平均电压检测法的检测电路,利用STM32F103ZET6芯片对所采集电压进行了比较判断,通过对数码管的直接驱动实现了加工深度的实时显示,最终所加工盲孔的平均误差为3.9%。以管电极加工时穿透前后电压波形的独特变化趋势为依据,实现了最小出口距离为0.7 mm的通孔加工。对穿透前后柱状残留的影响进行了理论分析与验证,最终证实了穿透检测判据的可靠性。

关键词： 微细电火花加工   微孔   深径比   摇动半径   摇动速度  

摘要： 微细电火花加工技术作为一种特种加工技术,具有非接触加工和加工任意导电材料等优点,在微孔和微型腔加工方面应用广泛,诸如发动机燃料喷油嘴、喷墨打印机喷孔板以及航空发动机叶片气膜孔等都是其成功应用的加工示范。然而在微细电火花微孔加工过程中,当微孔的深径比较大时,气泡无法克服工作液介质的粘性阻力和表面张力而排出,大量气泡便会聚集在微孔底部,从而导致频繁的非正常放电,此时微孔的加工速度变得缓慢并且电极的损耗严重,这使得微孔加工的深径比十分有限。电极摇动电火花微孔加工可以为其狭小的放电间隙提供一个非均匀的流场,且最大间隙处工作液介质的粘性阻力最小,从而使得气泡较容易从最大间隙处排出,显著增加微孔加工的深径比。从电极摇动微孔加工实验可知电极摇动半径的选择非常重要,摇动半径小了则达不到预定的深径比,摇动半径大了则导致电极的损耗增加。虽然已经有学者提出电极不摇动微孔深径比的理论模型,但目前尚缺少电极摇动微孔深径比的理论模型以及如何选择合适摇动半径的问题尚未明确。本文在已有的卧式微细电火花加工机床数控程序的基础上,采用LabVIEW编写了立式微细电火花加工机床电极摇动程序模块以及将摇动模块与微孔加工模块进行了良好集成,通过微孔加工实验证明该数控程序可以满足完成本论文的实验研究。针对目前存在的问题,本文首先通过微孔加工实验研究了电极摇动参数对微孔深径比的影响,研究发现微孔深径比随着摇动半径和电容的增加而增加,摇动速度对微孔深径比的影响则可以忽略不计。然后基于狭小放电间隙内流体的运动特性和表面张力理论,建立了电极摇动电火花常规放电阶段微孔深径比的理论模型,该模型给出了微孔深径比正比于电极偏心率的平方,且比例系数是1.5。为了验证模型的有效性,本文在卧式机床和去离子水条件下进行了45组微孔加工实验,在立式机床和油条件下进行了40组实验。实验结果得到实验值与理论值基本吻合,去离子水条件下45组实验得到深径比的平均相对误差为6.66%,油条件下40组实验得到深径比的平均相对误差为5.94%,这两个误差均小于10%。最后完成了模型的应用实验即在微孔孔径和深径比一定的条件下,根据模型反求出的最佳摇动半径来进行微孔加工,去离子水条件下的9组应用实验结果和油条件下的9组应用实验结果均表明:在最佳摇动半径下得到的微孔孔径和深径比的平均相对误差均小于3%,从而证明了理论模型的有效性。

关键词： 高速铣削   电火花加工   复合加工   模具设计加工  

摘要： 模具制造技术可分为五个发展阶段,我国目前主要以数字控制阶段为主.CAD/CAE及CAPP和KBE技术是模具设计技术的发展方向.软件方面今后将需要有多方面的发展.模具加工有许多方法,其中金属切削加工和电加工是最主要的方法.高速铣削、电火花加工、快速原型制造和快速制模、超精加工和微细加工、复合加工、表面处理、研磨抛光及模具CAM/DNC技术等都是模具加工技术的发展方向,它们各有其发展趋势.同时,包括管理在内的模具制造综合技术方面的一些发展方向也十分重要.

关键词： 高频微能脉冲电源   微细电火花加工   块反烤   微小孔   FPGA  

摘要： 随着社会科技与纳米技术的不断发展,精密化和微型化是现代制造业加工的重要发展方向之一,微机电系统(MEMS)因其体积小、能耗低、集成度高等一系列优势被视为21世纪最重要的发展技术之一,在许多精密仪器行业有着广泛的应用需求。在微细加工领域中,微细电火花加工属于非接触性加工,它拥有低加工应力、加工效果无毛刺和易处理高硬度质料的长处,普遍地应用在航空航天、汽车、生物医疗仪器这些行业,是加工微细轴、孔、深小孔最重要的手段之一,其研究和发展一直是工业界与学术界的关注对象。本文的研究目的主要包括微细电火花加工微能脉冲电源的研究及其放电控制系统的研究。首先简要综述了微细电火花加工的研究背景及意义,介绍了微细电火花加工技术的产生、发展历程及国内外现状,研究分析了微细电火花的加工机理及放电特性。根据微细电火花加工电源的高频、微能特性,设计了以RC放电为主放电回路的可控RC脉冲电源拓扑电路,该电源主要包括了EMI滤波模块、PWM驱动模块、数据采集模块、短路保护模块、上下机通讯模块,电源以MOSFET晶体管作为高频开关控件,采用小电阻限流,得到高频窄脉宽电压,实现微细能量加工。本文设计的电源加工控制系统是以FPGA,即现场可编程门阵列和Nios软核系统处理器作为控制中枢,可以完成加工电压及电流的信号采集并且充当脉冲发生器,采用衰减电路及八位数据并联采集的方法采集加工间隙平均电压和加工电流设置上下阈值判断电火花加工状态,以RS232串口通讯实现上位机对电源加工参数的调节。微细电火花加工平台为多功能微机床三维加工平台,该平台以Lab VIEW程序设计块电极反拷、电火花打孔的进给回退伺服控制界面,具有伺服控制精度高、响应速度快的特点。本文所设计研究的微细电火花加工电源具有放电频率高,放电脉宽窄,放电能量小以及加工稳定性好的特点。通过进行块反拷加工微细轴和微细孔加工实验可以验证所设计的微能脉冲加工电源的性能可靠性及加工稳定性,通过改变电参数及加工条件,可对微细电火花加工进行加工效率及加工精度、电极损耗的研究。

关键词： 激光加工技术   工业制造   应用  

摘要： 在我国各大行业快速发展下，很多新型技术与新工艺应运而生，促进了各大行业的迅猛发展。激光技术作为一项新型技术，在我国工业领域中得到普遍使用。基于此，本文分析了激光器工作原理，重点讲解了调Q技术与锁模技术，对在工业制造行业中充分利用激光器的方法进行了浅谈，希望能够提高我国激光技术的利用水平，更大程度上促进我国工业的健康稳定发展。

关键词： 激光加工   制造   应用   进展  

摘要： 激光加工作为一种新技术，在机械制造中有着很重要的应用。本文简要阐述了激光加工的原理、特点，并介绍了它在现实中的应用情况，同时简要介绍了激光加工的最新研究进展。

关键词： 电解电火花加工   玻璃微结构   高速旋转   螺纹型工具电极   切割  

摘要： 非导电硬脆材料由于其优异的性能:高硬度、高强度、耐磨性好、绝缘和导热性能等,被越来越广泛的使用在各种工程领域,特别是随着微机电系统的蓬勃发展,各种非导电硬脆材料微结构被大量应用于航空航天、汽车电子、生物医疗、国防科技等领域。由于非导电硬脆材料本身的属性,导致其微结构的加工非常困难。电解电火花加工技术已经被报道是一种经济有效的非导电硬脆材料微结构加工方法,可以克服其硬脆及非导电特性。针对非导电硬脆材料微结构的巨大需求,本文选取玻璃作为研究对象,利用微细电解电火花加工技术进行了一系列的试验研究,主要研究内容包括以下几个方面:（1）对电解电火花加工机理进行了深入分析,对其"电介质"—气膜的形成机理和材料去除机理进行探讨,认为工具电极放电热去除和高温加速化学反应去除是其材料去除的主要方式。根据加工机理及试验要求,搭建了微细电解电火花加工试验平台。（2）建立了微细电解电火花钻铣削加工的间隙流场仿真模型,仿真结果表明,高速旋转的螺纹型工具电极对间隙流场中电解液的更新有非常重要的作用;建立了微细电解电火花钻铣削加工中能量和侧面加工间隙的数学模型,分别试验研究了主要工艺参数对加工定域性的影响,加工定域性由侧面加工间隙表征。研究结果表明,随着电压和占空比的增大,加工定域性变差;随着脉冲频率和进给速度的增大,加工定域性得到提高。利用优化的工艺参数在玻璃工件上钻削出微孔阵列、铣削出微槽阵列,加工出深小孔、复杂微流道、三维台阶等玻璃微结构。初步讨论了超声振动的电解液对钻孔加工效果的影响,发现超声振动电解液可以获得更好的入口加工质量。（3）提出一种旋转电极微细电解电火花切割加工方法,建立了该方法的间隙流场仿真模型,仿真结果表明,该方法可以有效提高切割加工间隙中的电解液更新。建立了使用该方法加工中能量和侧面加工间隙的数学模型,并试验研究了各工艺参数对加工定域性的影响。试验结果表明:随着电压、占空比和电解液浓度的增高,加工定域性变差;随着脉冲频率、主轴转速和进给速度的增加,加工定域性变好。对玻璃材料进行切割加工试验,选用优化的参数加工出微缝阵列,成功加工出多个典型玻璃微结构。研究结果证明,本文提出的旋转电极切割方法可以有效加工玻璃微结构。本文分别利用微细电解电火花钻铣削及切割加工方式研究了主要工艺参数对加工定域性的影响,加工出微孔、微槽、微缝阵列,钻削出玻璃深小孔,铣削加工出复杂微流道、三维台阶结构。利用本文提出的旋转电极切割方法加工出许多典型玻璃微结构,获得了良好的加工效果。

关键词： 激光加工   润湿性   真空环境   超疏水  

摘要： 润湿性作为材料表面的一个重要特征,不仅是在工业生产还是日常民用生活都存在着潜在的利用价值,所以对于存在自清洁、抗腐蚀、抗结冰等性能超疏水表面的探究,不管是在理论上还是实际应用都具有深刻的意义。本文中选用了纯度为99.99%的铝基材料作为实验基板,分别通过纳秒短脉冲与飞秒超短脉冲激光刻蚀的方法制备了具有疏水甚至超疏水的表面,观察不同脉冲激光能量与不同加工环境下制备出的具有微纳结构的表面,并分析表面化学成分的组成与变化,寻找试样加工区域由超亲水向疏水甚至超疏水转变的机理,具体研究概况如下:首先采用纳秒短脉冲激光,通过改变加工能量密度在空气环境下辐照铝基板,制备出具有微纳层次结构且不同粗糙度表面的试样,将加工后的样品立即储存到可加热的电子扫描显微镜真空热台里加热,在不同时间点观察试样表面微观形貌变化,并同时使用能谱分析测量加工区域化学成分的改变,使用接触角测量仪测量加热后样品表面接触角数据,从而寻找经过短脉冲激光加工后试样表面润湿性转变的原因;实验研究发现激光加工后的样品,在亲水转变为疏水的状态过程中,加工区域的微观结构没有发生明显变化,加工区域碳元素含量比例增加明显;然后基于纳秒短脉冲激光条件下,分别在真空与空气环境下加工样品,对比加工后的样品进行表面粗糙度、接触角与表面形貌,分析真空加工环境下对试样加工区域润湿性转变的影响;研发发现,同等实验条件下,真空环境下加工样品表面粗糙度低于空气环境加工下的,同时真空环境下加工表面的微结构上出现很多微米级别颗粒,这些微米级颗粒则是加工后的样品表面浸润性变化的原因;最后使用飞秒超短脉冲激光,改变加工脉冲个数来研究加工脉冲数与样品表面形貌结构和浸润性转变的关系,运用白光干涉仪、电子扫描显微镜对加工样品进行表面形貌与微观结构的观察,使用接触角测量仪测量试样接触角变化,实验结果发现飞秒超短脉冲激光条件下,改变加工脉冲个数,试样加工区域粗糙度变化很小,表面微观形貌发生了巨大变化,试样表面由超亲水向疏水、超疏水转变是加工区域形成的微观结构和化学组成改变的共同作用。