关键词： 电火花加工   静电感应   多电极   加工效率  

摘要： 随着制造业的发展,新型高速加工方法不断涌现,对电火花加工方法提出诸多挑战。制约电火花加工方法发展的主要问题是加工速度慢。传统电火花加工一个脉冲周期内只发生一次放电,微观上为非连续的。依靠提高放电频率,增大单次放电能量及改善极间放电环境等方法缓解时间非连续性具有一定局限性。本课题基于静电感应给电方法,针对电火花加工方法脉冲周期内多点放电问题,就多电极加工进行研究。课题首先分析基于静电感应给电的多电极电火花加工原理,进行电路仿真实验,并采集实际加工过程中极间放电波形,将理论分析、仿真验证和实验结果对比分析,验证多点放电可行性。在此基础上,完成实验平台硬件部分与软件电路设计,编写不同驱动方式下控制程序,进行软硬件联合调试,完成多电极电火花实验平台搭建。通过加工实验,对比多电极电火花加工方法在电极不同驱动方式、给电方式及加工极性下,加工速度和电极相对损耗率方面的差异,给出理论分析。绘制电极不同驱动方式下电极运动变位图,分析两种驱动方式在加工过程方面的性能优劣。根据实验结果,给出多电极给电方式电路结构优化方案,并验证改良后的电路在加工速度方面的优势。在最优加工模式下,利用单因素实验,分析分割电容、电源幅值、脉冲频率等加工参数对加工速度和电极相对损耗率影响规律;利用响应曲面实验,研究在多个加工因素交互作用下加工速度变化,建立加工速度与各加工因素之间的数学模型,确定可选范围内最优加工参数组合。选定最佳加工模式和加工参数,完成阵列异形孔加工,验证该方法的实用价值。通过以上研究,分析基于静电感应给电的多电极电火花加工方法,相比于传统单电极电火花加工,在阵列异形孔、分割电极型腔加工等领域,加工速度和电极相对损耗率等方面的优劣。

关键词： 表面微结构刀具   飞秒激光加工   有限元分析   减摩机理   切削试验  

摘要： 刀具磨损是机械制造加工过程中的关键问题,影响刀具寿命、加工效率和表面质量,增加加工成本。刀具切削技术在不断的改进和发展,但仍不可避免由于刀具表面与工件之间的强烈挤压与相互摩擦所造成的刀具表面磨损的问题。仿生学与摩擦学大量研究表明,摩擦副表面并不是越光滑越耐磨,表面上一定的微结构能够改善摩擦副之间的摩擦性能以及减小表面粘接磨损等。本文以此为研究方向,在刀具表面利用飞秒激光加工了典型的表面微结构,分析表面微结构的减摩机理;进行了微结构刀具的切削仿真与试验研究,探究微结构的种类及尺寸参数对切削摩擦特性的影响规律。首先,选取典型的非光滑仿生微结构,即平行沟槽、垂直微沟槽和凹坑微结构,分析了刀具表面微结构可能存在的减摩机理。然后对微结构进行设计与尺寸规划。用飞秒激光的先进加工方式,通过对飞秒激光与硬质合金YT15刀具材料的相互作用机理分析和加工工艺测试,对飞秒激光加工YT15刀具表面微结构的工艺参数优化,实现对微结构的尺寸和形貌质量的控制,分别在刀具前刀面和后刀面上制备尺寸规整、形貌质量优良的微结构其次,采用ABAQUS有限元仿真软件建立微结构刀具的正交切削三维有限元模型,分别对无微结构刀具和不同类型的微结构刀具进行切削#45钢过程进行仿真,得到不同类型的微结构及不同形貌尺寸对刀具表面应力分布以及切削力的影响,分析切削过程中的切削力、刀具表面应力分布以及切削卷屑的变化。最后,选取#45钢为工件材料,对于不同类型、不同尺寸微结构的YT15刀具进行干切削和切削液润滑不同条件下的切削对比试验。结果表明微结构对切削的改善效果不仅与微结构的种类有关,也与切削用量以及切削润滑条件相关。在较高切削速度下,切削液存在情况下,平行沟槽效果最明显,可降低切削力17.74%;对不同尺寸的微结构进行切削对比试验,得到不同类型微结构的宽度、间距、深度以及面积占有率对刀具减摩效果的影响;并对前、后刀面微结构的对切的改善效果进行了探究;分析了微结构尺寸参数对切削卷屑的影响,最终分析和总结了微结构刀具的对切削性能的改善效果。研究为微结构刀具技术的发展、进一步探索微结构作用机理提供了基础。

关键词： 高温合金   激光加工   缺陷控制   微孔加工   数值模拟  

摘要： 激光微孔加工是在工业生产中应用最早、技术比较成熟的激光加工技术之一，具有材料自由度高、打孔速度快、精度高、无工具损耗、经济效益好等特点。高温合金作为航空发动机的关键制造材料，是国防装备、航空航天等工业制造领域重要的生产材料。　　本文以激光微孔加工理论为基础，采用毫秒脉冲激光对高温合金GH4033分别进行冲击式和环切式打孔，系统地从理论研究、有限元模拟分析、实验研究与工艺分析、模拟与实验结果比较分析、微孔缺陷形成与控制等五个方面对激光微孔加工进行了深入研究。本文主要的研究工作以及研究成果如下：　　（1）激光微孔加工基础理论分析。从材料与激光相互作用物理现象引入激光与材料相互作用的一般规律，概述了金属材料对激光的吸收与反射规律，分析了光致等离子体的产生以及与激光相互作用的机制，讨论了激光加工微孔的物理过程，简述了激光加工微孔的方法及特点。通过微孔加工理论分析，为高温合金毫秒脉冲激光加工微孔的有限元分析模拟提供了理论指导。　　（2）激光冲击式和环切式打孔有限元模拟分析。简述了有限元模拟分析的基本思想和激光微孔加工热传导基础理论，概述了有限元模拟方法在激光微孔加工中的应用，归纳了激光微孔加工数值仿真过程，通过使用ANSYS软件建立了非线性瞬态有限元模型，模拟了高温合金激光微孔加工过程中的温度场分布、孔轮廓、孔深、孔径和锥度，重点研究了激光环切式打孔激光束热源模型和有限元数值模拟，比较分析了激光冲击式打孔和环切式打孔在上述模拟数值结果上的联系与区别，讨论分析了激光微孔加工数值分析模拟过程中出现的关键科学问题及处理方法。模拟结果表明：激光微孔加工的温度场分布关于激光束中心轴呈中心对称，与高斯光束能量密度分布基本吻合;脉冲个数阈值直接影响孔深度大小;激光冲击式打孔与环切式打孔模拟比较：温度场分布方面，冲击式打孔过程的温度较低，且增加范围较小;孔轮廓方面，环切式打孔的孔形孔廓优于冲击式打孔;孔深方面，在相同的加工参数下，冲击式打孔的脉冲个数阈值总体少于环切式打孔;孔径和锥度方面，在相同的加工参数下，环切式打孔的孔径较大，但是锥度较小，且重复稳定性优于冲击式打孔。有限元数值模拟结果与实际激光微孔加工的效果吻合，为高温合金激光微孔加工实验工艺参数的选择与制定提供可靠参考。　　（3）激光冲击式和环切式打孔实验研究与工艺分析。选取高温合金GH4033作为实验材料，将脉冲能量、脉冲宽度、环切圈数、环切速度等工艺参数作为研究对象，采用单因素阈值改进型实验法系统研究激光参数对微孔加工质量的影响，并采用六因素五水平的正交实验法分析多因素之间的相互作用影响，得出激光微孔加工的最优参数组合。通过对实验结果分析可知：脉冲能量、扩束比和离焦量对于微孔加工质量的影响最为明显，激光冲击式打孔最优参数组合为：脉冲能量为3.8J，脉冲宽度为1.0ms，重复频率为30Hz，辅助气体压力为0.35MPa，离焦量为0mm，扩束比为4;激光环切式打孔最优参数组合为：脉冲能量为3.6J，脉冲宽度为2.0ms，重复频率为20Hz，扩束比为4，环切圈数为5，环切速度为90mm/min。同时，在激光冲击式和环切式两种打孔方式下的各25组实验条件中， 7号和17号实验条件下加工出的微孔分别是激光冲击式和环切式打孔方式下质量最好的。　　（4）有限元模拟与实验结果比较分析，建立微孔形成模型，揭示激光加工微孔的形成机制。将有限元模拟与实验结果比较分析结果表明：在微孔轮廓、孔径和锥度等微孔质量指标方面，有限元数值模拟结果与实验数据在数值变化趋势和规律上基本一致，但在微孔轮廓的对称性和孔径数值大小方面存在差异。因为在有限元分析模拟中建立的模型是在理想条件下建立的，难以包含一些实验环境和条件，这也是有限元数值模拟过程当前存在的主要难点，今后的研究应进一步优化有限元模型，计算出的模拟结果进一步接近实验结果，从而缩小两者之间的差异。通过将微孔加工的有限元模拟与实验结果进行比较与分析，总结归纳出激光冲击式打孔和环切式打孔过程的特点，基于两种激光加工方式的实验结果和有限元模拟分析，建立微孔形成模型，揭示激光加工微孔的形成机制。　　（5）重铸层、热影响区等微孔缺陷形成分析及控制方法研究。通过扫描电镜、激光扫描显微镜、EDS能谱仪等显微测量设备清晰精确地观测微孔缺陷的微观结构、形貌尺寸、元素分布、金相组织等，分析微孔缺陷的微观结构和产生缺陷的影响因素，揭示重铸层和热影响区等微孔缺陷的形成机理。脉冲能量、脉冲宽度、辅助气体种类及压力、离焦量等因素，对于重铸层、熔融飞溅物、热影响区等微孔缺陷的影响较为明显。根据激光打孔过程中辅助气体的工作原理、激光与材料相互作用规律和激光打孔激光束的加工路径等机制分析和实验研究，基于前述的微孔缺陷形成机理，提出并采用惰性气体保护法、有机涂层防护法、激光光路优化法等三种方法对重铸层、微裂

关键词： 脉冲激光   COMSOL Multiphysics   金属材料  

摘要： 脉冲激光作用于金属表面,获得特定的表面形貌,在工业领域有广泛应用。特定表面形貌的形成,是光与靶材相互作用复杂物理过程的作用结果,该过程与激光脉冲宽度密切相关。当脉冲宽度大于材料的热弛豫时间(纳秒、微秒或者毫秒激光),热力效应在表面形貌形成过程中起关键作用;而当脉冲宽度小于材料热弛豫时间(皮秒或者飞秒激光),靶材中光致热力效应较小,表面形貌形成机制与长脉冲激光迥然不同。本文选择飞秒激光和百微秒激光为加工源,从实验和数值研究两方面,细致研究了长脉冲与超短脉冲激光与金属材料作用后,表面形貌的形成结果、形成机制和相关规律。主要工作内容如下:(1)基于COMSOL Multiphysics仿真软件,数值研究了超短脉冲激光作用金属表面后的能量分布以及长脉冲激光作用金属材料表面后温度场分布;研究了金属表面形貌以及不同金属材料对超短脉冲激光在金属表面能量分布的影响;长脉冲激光作用金属表面能量分布。数值研究结果表明:表面微结构越密集,激光能量会越往微结构尖峰移动;由于长脉冲激光热效应的存在,热影响区域大于光斑辐照区域。(2)进行超短脉冲激光金属表面微加工实验,研究了金属材料、靶材表面粗糙度以及单脉冲激光能量等对表面形貌变化的影响规律。实验结果发现:超短脉冲激光作用后,由于激光和表面波干涉,金属表面形成共振周期性结构;不同金属材料形成周期性表面结构的难易不同,对激光能量吸收更多的材料更易形成周期性表面结构;单脉冲能量大的超短脉冲激光加工形成的表面周期性结构的轮廓更加明显,但是由于高斯光束使得激光能量分布不均匀,光斑中心的热效应也更加明显。(3)进行长脉冲激光辐照裂纹金属表面实验,研究了输出功率和离焦量对不同金属材料表面裂纹弥合的影响。实验结果发现:硬度低的材料更易利用微熔凝的方法弥合金属表面裂纹;当输出功率选择合适时,可以通过适当调整离焦量,在获得裂纹修复结果的同时改善金属表面的质量。

关键词： 电火花加工   放电状态识别   高速采集系统   小波变换   放电状态特性  

摘要： 电火花加工因其适用于任何难切削导电材料且无明显宏观作用力的优势而被广泛应用。但是电火花加工频率高、随机性强的特点严重影响了放电状态的识别精度,而电火花加工过程的伺服控制系统是以放电状态识别结果为依据,所以准确高效的放电状态识别系统是实现电火花高精度、高效率加工的基础。因此,对高精度、高效率的电火花加工放电状态识别方法的研究有重要意义。本文以数据采集卡和计算机为基础建立了间隙状态信号的高速采集系统,通过Labview软件实现数据采集卡与计算机的交互,从而实现电压信号和电流信号的同步采集,为电火花加工放电状态的识别奠定基础。针对电火花加工信号不稳定的特点,提出了一种基于小波变换的电火花加工放电状态识别方法。首先通过实验的方法确定最优分解层数,然后通过对影响小波变换结果的因素进行分析,确定根据脉宽的大小设置阈值的方法,从而利用阈值对开路状态、火花放电状态、稳定电弧状态、短路状态进行区分。将此方法与高速采集系统结合,实现放电状态的实时检测。对电火花加工放电状态的特性进行研究,分析不同放电状态伏安特性和频率特性的区别。同时对维持电压的形成和维持进行分析,并对火花放电状态与电弧放电状态作对比,从而为放电状态识别提供依据。由于实验条件会对放电状态特性产生影响,因此对不同实验参数下的频率特性进行研究。通过改变开路电压、脉宽、工件材料、电极材料等实验参数进行单因素分析,确定影响放电状态特性的参数。通过设置间隙电压阈值、间隙电流阈值和频谱阈值的方法,实现开路状态、火花放电状态、稳定电弧状态、短路状态以及脉冲间隔的准确有效识别。最后与高速采集系统相结合,通过实验验证此放电状态识别方法的可行性。

关键词： 激光加工技术   应用   未来发展  

摘要： 激光加工技术是20世纪60年代初发展起来的一门学科,具有巨大的技术潜力.经过多年发展,已成为先进制造技术中不可缺少的组成部分.它因具有单色相、平行性和相干性三大特征而特别适用于材料加工.所以被应用于打孔、焊接、热处理等众多领域.

关键词： 激光加工设备   切管机   控制系统   棱角   切割头  

摘要： 管材切割技术是激光先进制造技术的重要内容之一,随着激光管材切割技术在工业领域中的广度和深度上的应用,亟待研发直接加工出坡口角的中厚板材激光管材切割工艺与装备。本文优化目前的“机械下料-坡口加工-焊接联结”的传统管材加工工艺方式,在基于激光加工技术的基础上提出“激光切割管材后直接焊接”的精益化管材加工思路,并开展基于坡口切割功能的管材激光加工装备的研发,其主要研究内容如下:1、在分析中厚管材加工技术现状的基础上,对比分析了传统加工技术与激光加工技术,基于激光加工技术提出管材精益化切割技术路线;在此基础上,开展直接切割管材坡口角的激光切割轨迹优化技术研究。从两个垂直相交的主管、支管坡口角的相贯线内径相切的形式出发,分别对其建立相应数学模型,通过三维切割编程软件对切割路径进行切割模拟,并对模拟后的切割路径以及切割头的运动轨迹进行优化,主要是对切割头的倾斜角以及轴约束的优化;最后得到优化后主、支管的切割路径轨迹程序,并利用优化后得到的切割路径的编程程序进行主、支管的坡口切割,从而实现主管内径与支管内径的相贯线相切连接以便更好地进行管件间的焊接。2、在建立管材切割路径轨迹的机床机构形式的基础上,开展直接切割坡口的管材激光切割装备总体方案设计与优化,并进行主要元器件的选型及关键零部件装备集成,主要选型的器件有:激光切割的选型、激光器的选型以及水温控制装置水冷机的选型,关键零部件装备集成的优化设计主要从地脚支撑方案优化设计、固定夹具方案优化设计以及自动上下料方案优化设计等考虑。从该激光切管机的整体结构构型出发,建立该激光切管机的机构运动原理和三种整体结构优化方案的设计;进一步开展对主要元器件选型、关键零部件优化设计以及装备的初步集成;最后,进行控制系统硬件、软件的系统设计并进行集成与调试。3、基于所研发的具有坡口切割功能的激光管材切割设备进行工艺验证。从切割方管中切割工艺中较重要一道切割工序的棱角切割工艺出发,对方管的棱角进行棱角切割工艺研究。针对规格为1000x100x100厚为4mm的方管,材质采用45#钢,主要从棱角切割速度(mm/min)、脉冲激光占空比这两个主要因素进行研究,并采用单因素控制法进行关键工艺研究,研究结果表明:在进行方管的棱角切割时,脉冲激光的占空比在20%～75%之间变化、激光切割头的切割速度在20%～80%之间变化时,此时方管棱角处切割后的棱角表面质量较好,切割后的棱角表面比较平整且切割表面边缘没有毛刺产生。对主支管贯穿连接时主管上的贯穿孔切割工艺进行研究,研究结果表明:采用椭圆式加工轨迹切割主管贯穿孔时,前期要对主管上贯穿孔的外径X1的值进行复杂预计算,从而使得总体的加工效率较低,且贯穿孔的外径X1的值不可能一直增大,当X值略小于圆管外径时,X1的值将会受到限制无法达到合适的理论值,从而影响圆孔的切割,但采用该方式的可加工范围相对较大;采用坡口式圆孔切割主管贯穿孔时,主要优点是无需复杂的前期计算,切割速度快、效率高,但存在激光切割头与工件碰撞的情况,通过大量的实验研究得知采用坡口式圆孔切割主管贯穿孔时,只有在切除部分的拱高与切割圆管的半径的比值小于0.3的情况下此方案才可以使用,即在A/B<0.3的情况下才可以进行贯穿孔的切割,因此它的加工范围有限。

关键词： 激光加工技术   机械产业   应用  

摘要： 激光加工技术在当代是一项先进的科学技术,它被广泛应用于多种工程领域中.激光加工技术作为现代科技中的新型产物,它在工业机械、农业机械、武装设备和医疗卫生等很多领域都有重要的作用.随着社会经济建设的发展与科学技术的不断提高,对激光加工技术的施工质量也提出了更高层次的要求.将激光加工技术应用于工程机械产业中,是本文主要阐述的内容.

关键词： 复合电镀   脉冲电源   Ni-WC复合电镀层   电火花加工   抗电蚀性  

摘要： 电火花加工(Electronic Discharge Machining,EDM)是基于工具电极和工件电极之间脉冲性火花放电,产生的瞬时高温去除金属材料的特种加工工艺。EDM工具电极在加工过程中消耗部分能量,造成电极损耗,影响EDM的成型精度和重复精度,因此提高EDM工具电极的抗电蚀性能极其重要。为了提高EDM工具电极的抗电蚀性,本文利用复合电镀的原理,在紫铜电极上制备一层抗电蚀性能优良的Ni-WC复合电镀层,并对Ni-WC复合电镀层的制备工艺进行了探究,本论文的主要研究内容及结论如下:(1)Ni-WC复合电镀层制备工艺参数优化。以Ni-WC复合电镀层内WC的含量作为评价指标,通过改变Ni-WC复合电镀层制备的工艺参数,建立正交试验,并对对试验结果进行分析,确定镀层内WC颗粒含量的影响显著性序列为:WC添加量(ρ)>电流密度(J)>电镀溶液温度(t)>施镀时间(T)。在上述工艺基础上并通过微观形貌分析获得Ni-WC复合电镀层最佳制备工艺为:WC添加量ρ=35g/L,电流密度J=3A/dm2,脉冲频率为2000Hz,超声功率为40W,占空比为0.7,电镀溶液温度T=40℃,施镀时间t=4h。最佳工艺条件下制备的Ni-WC复合电镀层内WC含量最高且Ni-WC复合电镀层镀层组织致密,WC无明显团聚现象。(2)复合电镀层性能检测。通过对Ni-WC复合电镀层的维氏显微硬度、电化学腐蚀性能、盐雾腐蚀性能等性能的测试与分析,确定了当电镀溶液内WC添加量为35g/L时,显微硬度、电化学腐蚀性能、盐雾腐蚀性能最佳,在超声辅助脉冲制备Ni-WC复合电镀层的最佳工艺条件下,硬度最高为322.4HV。(3)抗EDM电蚀性能检测。在高电规准下进行EDM试验,试验结果表明,超声辅助脉冲制备Ni-WC复合电镀层的最佳工艺条件下制备的的Ni-WC复合电极抗电蚀性最佳,孔加工锥度最小。

关键词： Additive Manufacturing   Microwave Filters   NFMM   Fused Deposition Modeling   Square Open Loop Resonator  

摘要： 3D printable materials for RF devices need improvement in order to satisfy the demand for higher frequency and lower loss performance. Characterization of materials that have shown improvements of conductor conductivity have been performed. By using a laser machining technique the loss of a 3D printed 2.45 GHz microstrip Square Open Loop Resonator (SOLR) bandpass filter has been shown to improve by 2.1dB, along with an increase in bandwidth from 10% to 12.7% when compared to a SOLR filter that has not been laser machined. Both laser machined and microwaved silver inks have been mapped for conductivity using a Near Field Microwave Microscope (NFMM) and have shown improvement of conductivity compared to inks that have been cured using standard methods.