关键词： 特种加工   机械制造工艺   技术变革  

摘要： 作为先进制造技术中的重要组成部分,特种加工受到人们越来越多的关注与重视,对于机械制造加工工艺的作用日益显著,可以说,特种加工技术的发展推动了机械制造工艺的巨大变革,不仅为我国的制造技术提供了更加广阔的发展空间,而且为现代制造工业的发展奠定了较为坚实的基础.本研究主要从特种加工的基本概况出发,探讨其内涵及优点的同时,分析特种加工的主要分类和应用方法,论述特种加工对机械制造的工艺技术的变革起到的重要影响.

关键词： 多轴联动电火花加工   运动学   编码器/播放器架构   单位弧长增量法   参数曲线插补  

摘要： 电火花加工具有无宏观切削力、能加工难切削材料、成形精度高等诸多优点,多轴联动电火花加工可以进一步实现复杂形状零件的高精度加工。以闭式整体叶盘类零件为代表的多轴联动电火花成形加工和以上下异形面零件为代表的多轴联动电火花线切割加工是其两大类主要应用场景。多轴联动数控电火花加工是闭式整体叶盘类零件的首选加工方法,然而这类零件的加工耗时严重,其加工效率问题曾经是制约航天发动机生产能力,甚至因此影响型号产品的交付周期的瓶颈。电火花线切割加工也在航空、航天模具制造行业有着至关重要的作用。加工精度的提升与加工效率的提升是衡量加工装备与加工技术能力的标准,本文研究工作的核心正是围绕如何提升多轴联动电火花加工精度与加工效率展开的。运动学作为数控系统的一部分,负责控制机床的加工工具和工件按照指令所给定的轨迹进行运动,并实现效率和精度的优化,对于一台机床能否实现复杂形状工件的高精度、高效率的加工起着至关重要的作用。为实现电火花加工数控系统从G代码加工向参数曲线直接加工过渡,考虑到电火花加工中特有的成形加工、抬刀运动、正反向插补等特点,针对进给速度规划算法、数控系统及其插补器中存在的问题,提出相应的解决方案。针对以往研究缺乏针对电火花成形加工多轴机床运动学分析的问题,从六轴联动电火花加工机床的结构出发,计算了六个运动轴的运动旋量与旋量的指数映射函数。根据旋量理论,分别推导了从工具坐标系到机床坐标系、从工件坐标系到机床坐标系的正向运动学方程,结合求逆运算得到从工具坐标系到工件坐标系的变换矩阵。根据闭式整体叶盘和闭式整体泵叶轮加工时的不同姿态,分别进行了运动学分析。利用运动学对多轴联动刚体运动的轨迹误差进行分析,提出了多轴联动刚体运动最大轨迹误差的评估方法。线速度和角速度的不同量纲造成了预设进给率与实际进给率之间的差别。针对多轴联动电火花加工进给率波动造成伺服控制不稳定的问题,本文从原理分析入手,结合电极、工件3D模型选取特征尺寸,提出了加权平均进给速度控制法来减少预设的进给率与实际进给率之间的偏差。并利用正向运动学对进给速度进行了后置处理匹配,提出了进给速度后置处理法对每一段进给路径进行进给速度的匹配,实现工件坐标系下均匀的进给速度控制,改善多轴联动电火花中的间隙伺服稳定性,提升加工效率。针对数据采样法插补非圆参数曲线带来弓高误差、速度波动、大量加工代码等问题。本文提出利用单位弧长增量插补法直接插补渐开线、阿基米德螺线、摆线、抛物线、B样条等曲线并做了插补精度的分析。针对电火花加工在范成加工领域的应用,分析了电火花加工工具半径的补偿方法并推导了统一范式。在面向电火花线切割的应用中,将方法拓展为广义单位弧长增量插补法,进行了上下异形面同步插补的研究,分析了带锥度工件的工具半径补偿方法,以及上下异形面导丝嘴坐标的计算方法。使广义单位弧长增量插补法在四轴联动线切割机床中得到应用。针对机床的坐标空间和工件坐标系中电极运动之间的非线性映射问题,本文提出了广义双NURBS曲线插补方法。工件坐标系下的电极运动采用NURBS参数曲线来表示并利用单位弧长增量插补法进行原子级插补。为了将插补结果映射到机床坐标空间,提出了采用广义双NURBS曲线映射关系来解决逆向运动学解析解不唯一问题。结合编码器/播放器架构,将单位弧长增量插补法应用于六轴联动电火花加工机床中,实验证实了该方法的有效性。

关键词： 气膜孔   超快激光   螺旋加工   时空演化  

摘要： 气膜冷却是一种通过在涡轮叶片表面设计大量线性排列的气膜孔,以形成薄层冷气膜隔离高温燃气的技术,可有效提高航空发动机热端部件的抗高温蠕变能力,其冷却效率与气膜孔的精度与质量息息相关。本文针对当前超快激光加工气膜孔存在的精度不高、质量不稳问题,修正了气膜孔的设计形位参数,建立了超快激光螺旋加工微小孔的工艺模型,分析了微小孔的时空演化过程。本论文的研究成果对提高气膜孔成形精度具有重要的理论意义与工程价值。本文主要研究内容包括:1.基于涡轮叶片定向凝固工艺,对叶片精铸过程进行了数值模拟,获得了叶片的铸件模型,结合叶片铸件的实测,建立了叶片精铸位移场模型。2.采用变形特征补偿法,建立了叶片的扭转、弯曲与收缩变形表征模型,提出了基于叶片截面中弧线的气膜孔形位参数的修正方法。3.基于五坐标超快激光叶片微孔加工机床,设计了飞秒激光在304不锈钢、5052铝合金以及DD6镍基合金试板上的微小孔螺旋加工实验,分析了激光重复频率、平均输出功率、激光旋转速度及重叠率对微小孔成形过程的影响;进行了激光能量参数正交实验,建立了能量参数与微小孔成形过程的映射模型。4.结合超快激光金属烧蚀双温方程,求解了激光烧蚀过程的电子与晶格的温度变化曲线,分析了激光螺旋加工的工艺过程,建立了微小孔加工时空演化过程模型。

关键词： AHSS板   冲击载荷   激光加工   湿热   动力响应  

摘要： 先进高强度钢,Advanced High Strength Steel(AHSS),是指通过相变对钢进行强化的钢种。AHSS的组织中通常会含有贝氏体、马氏体或残余奥氏体等。AHSS通常分为双相钢(DP)、相变诱导塑性钢(TRIP)、复相钢(CP)、马氏体钢(M)、孪晶诱导塑性钢(TWIP)和热成形钢(HF)等几类。近年来,AHSS在汽车行业上的应用越来越广泛。本论文以AHSS板为研究对象,结合各种不同的外部条件和材料的自身属性,对AHSS板的热力学行为进行了研究。首先,基于经典薄板理论、Von Karman方程、热弹性理论、Hamilton原理和修正的非线性赫兹接触理论,得到了 AHSS板的非线性控制方程。然后,利用有限差分法、Newmark法、Galerkin法、Newton-Cotes数值积分法及迭代法等数值方法,进行控制方程的求解。最后,通过具体的算例,讨论和分析了几何尺寸、机械载荷、温度、湿度和粘弹性效应等因素对AHSS板非线性动力响应的影响。通过使用以上方法,研究了冲击载荷下AHSS矩形板的热弹性行为、冲击载荷下AHSS加强筋矩形板的热弹性行为、激光加工下AHSS矩形板的热粘弹性行为和耦合湿热场下旋转AHSS圆板的力学行为。本论文的研究将丰富和发展新型材料和热力耦合理论,并将为进一步研究AHSS板结构的力学行为、优化设计和实验研究提供了一定的理论依据,具有一定的工程应用价值。

关键词： 电火花加工   微细电火花加工   尺度效应   材料微观结构   加工机理  

摘要： 微细电火花加工是为了适应市场对产品微型化及精密化越来越高的要求而发展起来的一种新型微细加工方法,是公认的极具发展潜力的微细加工技术之一。由于其特殊的非接触、电热加工机理,微细电火花加工技术适用于任何导电材料的加工而不受材料强度、硬度等力学性能的影响,所以特别适合于难加工材料、低刚度和薄壁工件、以及微轴、微孔、复杂微型三维结构的加工。然而,由于尺度效应的影响,许多在宏观电火花加工中没有显著影响的因素在微细电火花加工中不能再被忽略。由于工具电极尺度微小、放电能极小以及放电频率极高,相对常规宏观电火花加工,微细电火花加工表现出许多异常特性。所以,揭示微细电火花加工中尺度效应的作用机理及影响规律有助于更好地控制微细电火花加工过程,从而提高加工效率和加工精度。以放电持续时间为切入点,通过分析微尺度放电条件下的的液体介质击穿及放电通道扩展过程,建立放电等离子体模型。考虑到表面张力、粘性力以及磁箍缩力的作用,建立放电通道扩展加速度与其内部压强的关系式。理论分析结果表明,放电通道的内部压强、温度、电子密度和扩展加速度随放电持续时间的增加而降低,而放电通道的半径和扩展速度随放电持续时间的增加而增大,放电通道不断扩展并最终达到形位平衡状态。借助单脉冲放电实验开展对微尺度放电条件下的放电波形和放电凹坑形貌、尺寸的研究。极间介质状态变化及电极微观表面不平整等因素导致微尺度放电条件下的放电状态非常不稳定,单个脉冲期间可能出现多次放电,且放电并不总是持续到脉冲结束,这是导致微尺度条件下的电火花加工特性异常的一个重要原因。开路电压和放电持续时间对放电维持电压和电流基本没有影响,单个脉冲的放电能量和放电凹坑体积与放电持续时间呈正相关线性关系,通过放电维持电压与放电电流的比值估算出放电通道的电阻值在38～45Ω的范围内波动。通过分析放电凹坑半径和热影响区半径随放电持续时间的变化趋势发现,随着放电持续时间增加,经由热传导消耗的能量比例增大,电火花放电的能量利用率降低。通过回归分析得到放电凹坑半径和体积随放电持续时间变化的经验公式,为微尺度电火花加工放电参数的选择提供了理论依据。基于单脉冲实验结果,结合理论分析对微尺度放电条件下的放电通道的振荡特性进行了研究,形成放电通道振荡扩展理论。分析了放电通道横振和纵振作用对材料蚀除过程的影响,并代入相关实验参数,估算了放电通道的振荡频率,其值约为132.8MHz。基于放电通道徙动理论,建立单个脉冲放电的材料蚀除模型,分析发现,除了放电持续时间、电流密度、放电通道的振荡频率,电极材料的微观结构特性也会对放电凹坑的体积产生影响。通过计算放电通道中带电粒子的运动特性对放电通道的极性效应进行了分析,结果表明,由于放电间隙非常小,放电通道中带电粒子的运动时间远小于放电持续时间。电子的加速度和速度非常高,即使正离子的质量远大于电子的质量,轰击电极表面时,正离子的动能依然小于电子的动能,而且,相同时间内电子轰击正极电极表面的次数是正离子轰击负极电极表面次数的600多倍,因而,正极的材料去除量远高于负极。开展材料微观结构尺度对微细电火花加工性能的影响研究。分析晶粒尺寸、晶向以及晶体缺陷对材料微观物理特性及微细电火花加工性能的影响,并分别采用不同晶粒尺寸的304不锈钢、单晶硅和不同规格的多孔钢为工件开展微细电火花加工实验。研究结果表明,多晶材料的晶界包含大量会降低其热导率和熔点的杂质,而晶粒尺寸的减小伴随着晶界体积分数的增大,使材料的有效热导率和局部有效熔点降低,从而使微细电火花加工过程中有更少的能量消耗于热传导和熔化潜热,即能量利用率增大,进而引起材料去除率的增大;放电持续时间较短时,静电力、热应力和焦耳热在脆性材料去除过程中起到重要作用,微细电火花加工单晶硅时不仅存在热蚀除,还存在应力蚀除;由于各向异性的影响,微细电火花加工单晶硅时的表面粗糙度和材料去除率随着晶向的变化而变化;孔隙度和孔径尺寸的增大会引起材料有效热导率的降低,并有助于储存碎屑颗粒,减少异常放电次数,从而使加工状态更稳定,材料去除率增大,相对工具损耗率减小。开展了工具电极尺度和工件表面层对微细电火花加工性能影响的理论分析和实验研究。结果表明,在特定工具直径范围(100～500μm)内,由于面积效应的影响,工具电极直径的增大会引起实际放电能和放电频率的升高,材料去除率随之增大;工具电极直径的增大使集肤效应和面积效应的作用增强,从而导致工具电极的端面、棱角和侧面剧烈损耗,且侧面放电次数增加,相对工具损耗率和微孔锥形度随之增大;建立微细电火花加工中的表面层模型,分析发现,随着工件尺度的减小,表面晶粒层的影响增大;表面自由能越高,工件表面润湿性越好,越容易诱导放电,同时,好的润湿性还可以加速电极的冷却和极间消电离,进而改善放电状态,使材料去除率增大;由于未经表面处理的工件表面自由

关键词： 中国制造2025   特种加工   技术应用   项目化改造  

摘要： 为实施《中国制造2025》,高职《特种加工技术应用》项目设计是以机械设计与制造专业的典型工作内容为线索来进行课程教学项目化改造.以任务驱动编写特种加工教学内容,有利于以任务驱动、工学结合开展高职高专电火花加工、激光加工、水刀切割及应用理论教学和实训教学.采用了《特种加工技术应用》多项新技术、新工艺,更新和丰富了高职高专机械、数控专业教学内容,突显高端精密制造的先进性.

关键词： 电火花加工   蚀除物   气泡   电极损耗   加工速度  

摘要： 在电火花加工过程中,蚀除物及气泡在加工间隙中的运动及分布情况对电火花加工的加工效率、电极损耗以及表面质量等具有非常重要的影响。若加工间隙内的蚀除物不能及时有效地排出,间隙内蚀除物和气泡浓度增加,容易产生二次放电、拉弧、短路、放电集中等现象,不仅会增大电极损耗,影响成形精度,降低加工速度,严重时还会使加工无法继续进行。因此在电火花加工过程中应该采取有效的措施来促进蚀除物排出极间间隙内流场,抬刀运动作为一种有效的方式得到了广泛地应用。首先,本文基于电火花加工的机理,探索蚀除物和气泡的产生和运动规律,建立电火花加工过程中间隙流场的三维的固-液-气三相流模型。通过实验对放电参数进行选择,据此对放电间隙进行估算,建立加工间隙流场的几何模型;在对脉冲放电产生气泡进行实验观测的基础上,建立了脉冲放电气泡的产生和运动模型;通过对电火花加工的加工速度的测量对脉冲放电产生的蚀除产物大小进行计算并建立蚀除物的产生模型;确定了电火花单脉冲放电过程的仿真模型。其次,本文在建立单脉冲放电仿真模型基础上,根据脉冲频率建立无抬刀连续放电过程仿真模型,分析无抬刀连续放电过程蚀除物和气泡在间隙中的分布状态,探究电火花连续放电过程中容易产生尖角损耗的原因。在无抬刀连续放电过程仿真模型基础上,建立有抬刀连续放电过程仿真模型,研究抬刀运动对电极损耗和加工速度的影响。最后,进行不同抬刀高度、抬刀频率、抬刀速度、加工深度和电极直径的加工实验,通过实验和仿真结果对比,验证单脉冲放电仿真模型、无抬刀连续放电过程仿真模型和抬刀连续放电过程仿真模型。

摘要： CO2激光切割机诞生于20世纪70年代,历经多年发展,其在厚板切割过程中的优势尤为明显。之后随着光纤激光切割机的诞生,切割速度、效率的提升得到众多业内人士的青睐,光纤激光切割机的功率也从500 W、1000 W、3000 W、6000 W、8000 W、10 000 W发展到现在的12 000 W。因此,不断提升激光切割机的能

关键词： 电火花加工   间隙放电特性   维持电压   节能脉冲电源   自适应控制  

摘要： 电火花加工作为目前应用最为广泛的零件加工方法之一,尤其是在模具加工和航空航天等领域具有广泛的应用。电火花加工是一个受多因素影响的复杂加工过程,具有随机性和不确定性,目前,其间隙放电特性、理论基础和加工机理研究的薄弱已经成为阻碍其进一步发展的瓶颈。脉冲电源作为电火花加工机床的关键部分,决定着电火花加工的能量利用率、加工速度、加工过程的稳定性以及自动化水平等,尤其随着制造业向绿色化、智能化方向发展,电火花加工自适应节能脉冲电源技术更是研究的重中之重。因此,开展对电火花加工间隙放电特性及自适应节能脉冲电源的研究具有重要的理论意义和应用价值。针对电火花加工间隙放电特性方面的问题,对火花放电维持电压形成及其振荡、不同模式脉冲电源的间隙放电特性进行了研究。分析了电火花加工火花放电维持电压形成的条件及振荡的原因,通过实验和对各模式脉冲电源放电主回路分析,得出晶体管电阻式脉冲电源、晶体管电感式脉冲电源和RC脉冲电源均存在火花放电维持电压,只是表现形式不同;基于快速傅立叶变换对火花放电维持电压进行了频谱分析,研究了晶体管电阻式脉冲电源中限流电阻和开路电压对火花放电维持电压振荡特性的影响;针对晶体管电感式脉冲电源,研究了击穿延时、电感、开路电压对火花放电维持电压和电流的影响;针对RC脉冲电源,研究了放电电容对火花放电维持电压的影响;针对TRC脉冲电源,研究了放电电容对单位时间内间隙放电能量的影响。通过以上研究,为合理选择加工参数和火花放电间隙等效电路模型的建立提供了指导。在对电火花加工间隙放电特性研究的基础上,对火花放电间隙等效电路模型进行了研究。提出了一种采用纯电容放电确定火花放电间隙等效电路模型的方法,采用仿真、实验和理论推导相结合的方法对火花放电间隙等效电路模型的合理性进行了验证;在此基础上,建立了以脉冲电压为输入,间隙电压为输出的间隙火花放电控制系统数学模型,分析了电源参数对火花放电稳定性和状态调整响应速度的影响,为脉冲电源的设计和电源加工参数的匹配优化提供了理论指导。为提高节能脉冲电源的能量利用率,对晶体管电感式节能脉冲电源放电主回路能量分布、功率开关管能量损耗抑制技术、能量快速回馈电路及高频导线能量损耗的抑制方法进行了研究。对IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的开关特性和能量损耗产生的原因进行了分析,在此基础上,设计了IGBT的推挽输出驱动电路和缓冲电路,研制了一种带有IGBT无源低损缓冲电路的电感式节能脉冲电源主回路,实现了IGBT的零电流开通和零电压关断;对晶体管电感式节能脉冲电源的能量快速回馈电路进行了设计,提出了采用多股镀银高频屏蔽线减小加工放电回路中高频导线能量损耗的方法,提高了节能脉冲电源的有效能量利用率。为提高电火花线切割加工放电状态检测精度、火花放电率、节能脉冲电源的能量利用率以及加工稳定性,对开路率、火花率和短路率的统计方法、长短路状态抑制以及放电状态自适应控制技术进行了研究。提出了一种采用高频脉冲调制对放电状态信号进行脉冲统计的方法,提高了开路率、火花率、短路率的检测精度,为放电状态自适应控制奠定了基础;提出了一种采用长短路小脉间调制和机床工作台回退相结合的方法,对长短路状态进行抑制;基于浮动阈值放电状态检测和高频脉冲调制的各放电状态脉冲统计方法,采用带遗忘因子的递推最小二乘参数辨识和最小方差自校正控制算法,建立了以机床进给频率为过程输入量,开路率与短路率之差为输出量的放电状态自适应控制系统。并通过电火花线切割加工实验,验证了提出的节能技术和自适应控制技术的有效性,实现了高火花放电率的稳定加工,提高了节能脉冲电源的有效能量利用率和加工速度。

摘要： The topic of the research that is presented in this thesis is the de- velopment of a laser-based method for the crystallization of amorphous silicon (a-Si) films, deposited on various planar substrates for the fabrication of pho- tonic structures. The emphasis is on lithium niobate which has many useful properties for photonic applications. This research stems from experimental evidence suggesting that it is possible to produce large Si crystallites by ir- radiating a-Si with continuous wave laser beams at visible wavelengths. This method has been particularly successful in semiconductor core optical fibres. Here this laser-crystallization method is being extended to planar geometries staring with glass substrates and extending to crystalline lithium niobate. The aim is to produce hybrid optoelectronic devices that will benefit from the prop- erties of the constituents (Si and lithium niobate). These devices will target photonic applications in the area of optical telecommunications and sensing.