关键词： 不锈钢   仿生   激光加工   化学刻蚀   电沉积   化学气相沉积   润湿性能  

摘要： 不锈钢作为一种常见的金属材料,由于其卓越的力学性能、耐低温、耐蚀性、耐磨性和工艺性能等优点,已广泛应用在各个行业,包括汽车、建筑、船舶、航空工业和医疗器械等。然而,随着工业现代化的发展,人们对于材料的使用性能和工艺性能要求的不断提高,传统的不锈钢材料已经不能满足要求,对不锈钢进行表面改性处理渐渐成为研究热点。受到具有特殊润湿性能生物表面结构(如荷叶、玫瑰花瓣)的启发,我们运用化学刻蚀技术、电沉积技术和激光加工技术,在304不锈钢基体上成功制备出具有一定粗糙结构的表面,特别是将石墨烯薄膜应用于仿生不锈钢材料表面,进行不锈钢表面疏水方面的改性处理,是一种新的尝试,拓展了具有仿生结构的不锈钢材料和石墨烯在疏水方面的应用范围。通过一种简单、快速和低成本的化学刻蚀过程,在不锈钢基底上成功制备出仿生结构,然后经过低表面能物质DTS(CH3(CH2)11Si(OCH3)3)浸泡处理后,不锈钢表面获得超疏水特性。当刻蚀剂浓度三氯化铁(Fe Cl3,2mol/L),盐酸(HCl,37%)和双氧水(H2O2,30%),体积比(Fe Cl3+HCl+H2O2(15:1:1 vol%))时,不锈钢表面获得水的静态接触角达到158°。化学刻蚀剂的浓度对不锈钢表面的微纳米级结构的形成和表面润湿性有着重要作用,刻蚀时间对不锈钢表面的润湿性能影响相对较小。在冷表面上对普通不锈钢和超疏水不锈钢表面结霜过程进行显微观察,包括液滴凝结时间、霜晶生长位置等。结果表明具有超疏水性的不锈钢表面能够明显延长水滴凝结所需要的时间。受到玫瑰花瓣表面结构的启发,在不锈钢上用激光加工法成功制备出仿玫瑰花瓣的周期性微柱结构,并以此为基体成功转移上单层石墨烯薄膜,实现不锈钢表面由超亲水状态到疏水状态的转变,获得表面接触角为128°。通过多次试验分析,对比试验参数如扫描形状、激光功率、扫描间隔、激光线宽和热影响区域对表面形貌的影响。在不锈钢表面上,当激光扫描出的微柱直径为80μm,微柱的中心间距为100μm;激光器参数为:频率20k Hz,扫描速度500mm/s,功率50%的情况下,采用激光加工技术在不锈钢表面制备出仿玫瑰花瓣的周期性微柱结构,并对制备表面进行润湿性、微观结构、化学组成等方面进行分析。通过电沉积镀镍法成功在不锈钢表面生长出三维石墨烯结构,获得疏水性表面,表面接触角高达152°。先以不锈钢作为基体材料,通过电沉积法形成一层薄薄的镍膜作为中间镀层,再以其为催化剂,采用化学气相沉积法制备出具有超疏水特性的仿生石墨烯薄膜,并分别对镀镍不锈钢表面和仿生石墨烯薄膜的微观形貌和润湿性能进行分析。综合考虑在不锈钢镀镍过程中,电解质浓度、沉积时间和电流密度对不锈钢表面形貌和结构的影响。当电解质溶液由氯化镍(浓度250g/L)、硼酸(浓度60 g/L)和十二烷基磺酸钠(浓度0.15g/L)组成,电流密度为5A/dm2,在45℃下电镀5min,最终在不锈钢表面上成功沉积出具有雪花状微纳米结构的镍层。利用电沉积法在不锈钢表面电镀一层镍膜作为生长石墨烯的催化剂,并通过CVD技术在不锈钢表面成功生长出石墨烯。采用扫描电镜对不锈钢基体上的镍膜和其表面生长的石墨烯形貌进行观察分析,通过拉曼光谱对化学气相沉积法生长的石墨烯质量、层数进行表征,并测量其疏水性能。

关键词： 超声喷雾   电火花加工   超声空化   材料去除率   电极损耗率  

摘要： 现代工业加工中,产品尺寸越来越小,要求精度越来越高,促使现代加工方式向精细,稳定,环保的方向不断发展。本文对传统电火花加工做出改进,提出了一种以超声喷雾辅助加工的新型加工方式。该方式改善了其它喷雾加工中雾化颗粒不均匀,雾化效果不完全的缺点,同时由超声雾化的雾滴直接作用于加工区域不仅可以冲刷加工区域帮助排出加工碎屑,而且在雾化过程中产生的超声空化效应还有助于提高加工质量与效率。本文在总结国内外电火花加工发展现状以及发展趋势的前提下,结合传统电火加工原理,对超声喷雾加工过程中放电各过程进行了分析。设计了一套由超声电源与换能器组成的超声喷雾装置,超声电源以DSP2812为控制核心,主要包含BUCK电路、全桥变换、电火花放电间隙电压检测、超声换能器电压电流检测等模块。超声换能器采用一维振动理论设计,结合有限元软件进行验证与改进。完成了从方案设计、硬件电路实验、到软件功能调试的过程。在加工装置实现的基础上,对超声喷雾电火花加工进行了相应的实验研究。设置了两类加工实验,第一类为超声喷雾加工与传统浸泡(冲液)加工和空气中加工的对比实验,对比分析了三者在材料去除率(MRR),相对电极损耗率(EWR),加工稳定性等方面的区别。第二类为超声喷雾加工参数对比实验,研究了包括喷雾流量、加工过程中换能器驱动电压大小、驱动电压频率等参数对于加工结果的影响。实验结果表明,超声喷雾加工相比于冲液加工,有着更低的电极损耗率和相似的材料去除率,且材料去除率远高于空气中加工。喷雾加工结果随流量变化改变明显。在一定范围内,材料去除率随着流量的增大而增大,当超出该范围后,材料去除率上升不明显,而电极损耗率显著增加。超声电压与频率对于喷雾加工结果的影响是多重的,一般规律是,低频率与高电压对于加工材料去除率有提升,而高频率与低电压则有助于降低电极损耗率。同时本文进一步进行了孔加工的探索性实验,并在实验的基础上总结了超声喷雾加工的规律与适用范围,对于实际生产加工具有理论指导作用。

关键词： 飞秒激光   光栅结构   热处理   金纳米粒子   表面增强拉曼  

摘要： 自然界在亿万年进化演变中形成了很多奇趣现象,壁虎能飞檐走壁、色彩斑斓的蝴蝶翅膀和荷花出淤泥而不染等现象引发了科研人员的深入研究。分析发现这些特殊现象与生物组织表面结构相关,由规则且有序的微纳米结构组成,正是这些微纳结构改变了材料的力学、光学和疏水性等性能。因此,寻求高效实用的微纳复合型功能性表面结构的制备技术将具有重大意义。近年来随着超快激光技术的快速发展,飞秒激光在功能性表面微纳结构制造方向崭露头角。飞秒激光加工具备精度高、裂纹少、热影响区小的特点,使制备规则有序的微纳结构表面成为可能。因为飞秒激光的脉宽要小于电子-晶格的弛豫时间,在先前于晶格变化时材料已完成对激光能量的吸收过程,此时电子与晶格处于非平衡态,正是这种非平衡、非线性效应,为实现微纳加工奠定基础。本论文在前人飞秒激光加工理论和实验研究的基础上,进一步研究优化激光偏振等参数对加工形貌连续性的影响,提出氮气辅助加工改进方法,获得大面积规整无碎屑沉积的类光栅结构表面,也是目前为止飞秒激光直写技术在硅上直接获得的最优质量大表面光栅结构。并结合镀膜和热处理结合的创新方法,在其结构上获得沉积的金纳米颗粒阵列微纳复合结构,实现了表面增强拉曼(SERS)基底的制备。本论文主要的研究工作和创新点可概括如下:(1)使用飞秒脉冲激光在单晶硅材料表面制备大面积、超规整的微纳级的类光栅结构。实验分析发现:烧蚀深度,连续性和形貌质量等与激光偏振方向、脉冲总能量、扫描速度、扫描间隔及加工环境等参数息息相关。本文研究发现,采用10×物镜,以低速、小间隔竖扫方式使扫描方向垂直于偏振方向等系列措施,并辅助以高压N2吹屑装置,使光栅结构的加工精度和连续性得到巨大提高。(2)创新性的采用飞秒激光加工、溅射镀膜和热处理的复合方法,有效地制备SERS活性基底。在上述制备的规整光栅结构上溅射一层纳米级金膜,通过热处理在形成金纳米粒子自组装有序阵列,实现高效、均匀且稳定的SERS基底制备。研究表明在膜厚为5nm时,经过马沸炉1000℃保温1h后,所得SERS活性基底的拉曼增强因子高达9.2×107,在空气中放置一个月后衰减仍不超过6%的高稳定性。

关键词： 数控电火花   轨迹仿真   加工仿真   电极设计   整体叶轮   插补  

摘要： 目前三元闭式整体叶轮已经广泛应用于航空航天发动机中,但其加工制造技术比如加工周期长、精度难以保证等问题,一直是国内外研究的难点。而随着数字化制造技术的快速发展,将计算机和电火花加工技术结合起来,用以提高数控电火花加工效率的方法在国内外得到广泛研究。本课题具体研究内容如下:1)分析叶轮流道的几何结构特点、加工难点,制定出闭式整体叶轮电火花加工方案,并对其中的关键问题进行分析;对数控电火花加工过程几何仿真进行了思路分析,确定要开发的系统模块。2)在叶轮流道上数据处理方面,为了提高模拟仿真的精度和速度,对数控电火花成形机床进行研究,设计出电极运动轨迹的插补算法。3)在UG平台上基于动态装配技术开发出两套仿真系统:分别是数控电火花加工运动轨迹验证几何仿真系统和去除材料过程的几何仿真系统。4)基于三维数字模型的设计与仿真系统,对闭式整体叶轮电极进行设计研究。首先利用建模工具对流道进行合理地区域划分,在运动轨迹仿真系统上,使电极根据精插补数据在流道内实现整个过程的仿真,分析单个静态点的间隙情况、干涉和过切情况等;在加工过程仿真系统上,更换电极对工件进行加工模拟,分析仿真结果。

关键词： 特种加工   实验教程   规划教材  

摘要： 哈尔滨工业大学编著的《特种加工》教材是"十二五"普通高等教育本科国家级规划教材,曾获全国高等学校优秀教材一等奖,是我国优秀的特种加工教学用教材。《特种加工》(第6版)由中国机械工程学会特种加工分会副理事长、哈尔滨工业大学白基成教授担任第一编著人,书中推陈出新,补充了将近三分

关键词： 放电参数   辅助工艺参数   仿真   电极摇动   微孔和微槽  

摘要： 微细电火花加工采用非接触放电方式去除材料,其加工表面不受宏观力影响。针对加工高硬度和高强度金属材料,微细电火花加工被认为是最有前景的加工方式之一。对于微细电火花加工,深微孔和微槽加工仍然是微细加工领域的难点。由于微细电加工中放电能量较低,放电间隙在几微米到几十微米之间,导致加工中切屑排出不畅。这将引起加工过程不稳定以及电极损耗程度增高,并且加工精度降低。本论文中为了分析影响微细电火花微孔加工效率和电极损耗的主要因素,对放电参数极间电压、电流、脉宽、频率进行正交试验。结果表明放电频率对于材料去除率起主要作用,电压主要影响电极损耗比。针对辅助工艺参数抬刀时间间隔、抬刀高度和电极转速分别进行试验,三者在提升加工效率方面有明显作用,同时发现抬刀频率还影响微孔圆度。此外AlSiC和06Cr19Ni10对比试验中,发现材料熔点越低加工表面越粗糙,热导率越高微孔边缘越光滑。对微孔加工流场进行仿真,分析电极旋转和电极摇动对间隙流场运动的影响,并且进行深微孔加工试验验证。结果表明旋转电极底部存在横向和纵向速度梯度,电极摇动形成非对称流场,有助于切屑排出。同时,试验表明电极摇动具有大深径比微孔加工能力。最后对微孔和微槽电加工工艺进行探索,采用削边电极和合理层数的电极摇动可有效降低微孔锥度;综合利用定长补偿方式和优化加工路径,可以显著降低微槽侧边和底面残切高度。

关键词： 电火花加工   钛合金   小孔   材料蚀除   电蚀产物  

摘要： 钛合金材料因其质量轻、强度高及优异的耐热和耐腐蚀性能而广泛应用于航空航天、海洋开发和医疗器械等领域。但由于钛合金导热系数低、硬度大、熔点高,传统的加工方法很难满足钛合金高精度小孔的加工要求。电火花加工具有无切削力、不受材料强度、硬度限制等特点,非常适合钛合金深小孔的精密加工。但钛合金小孔电火花加工中存在材料蚀除率低、加工稳定性差、电蚀产物排出困难等实际问题,严重影响了加工效率和质量。本文采用仿真分析与试验研究相结合的方法,研究钛合金小孔电火花加工材料蚀除及排出过程,对改善钛合金小孔电火花加工效率和质量具有重要的意义。钛合金小孔放电加工材料微观蚀除过程的研究。针对电火花加工材料的蚀除过程,以ANSYS软件建立单脉冲火花放电材料蚀除热力学三维模型。通过模拟高斯分布的热流密度放电通道和热对流载荷,以相同的表面热源作用于不同能量分配系数、不同电极材料特性的两极上,分析紫铜、石墨电极正极性加工钛合金小孔工况下,工具及工件材料加工区域表面温度场,分别获得紫铜、石墨和钛合金电极沿半径和深度方向的温度分布规律。以生死单元法计算工具及工件电极材料蚀除体积,分析钛合金小孔加工的电极损耗。对仿真结果进行试验验证,结果表明仿真模型能够较准确的预测工具电极相对损耗以及电极材料的去除体积。间隙流场中电蚀产物运动及排出过程的研究。以FLUENT软件建立单侧冲液条件下间隙流场电蚀产物运动流体动力学三维模型。利用弹性光顺法和局部网格重构法建立电蚀产物极间运动几何模型,考虑加工时电极自适应运动对极间流场的扰动作用,模拟连续放电时电蚀产物不断生成,分析了不同加工条件下电蚀产物运动分布规律,并得到了加工区域流体压力场和速度矢量分布规律,电蚀产物在不同加工条件下分布情况。最后对仿真结果进行了试验验证,在单侧冲液下工作液出口一侧的小孔内壁损耗等试验现象与仿真分析所得结论电蚀产物聚集引起二次集中放电相一致,证明了模型的有效性。本文的工作对预测电火花加工材料蚀除体积以及理解电蚀产物运动规律具有重要意义。

关键词： 特种加工   中国机械工程学会特种加工分会  

摘要： 由中国机械工程学会特种加工分会编辑出版的《第16届全国特种加工学术会议论文集》,收录了第16届全国特种加工学术会议录用的论文223篇,全面展示了近年来我国特种加工领域学术理论研究和自主技术创新的成果,对从事特种加工技术研发、教学、生产制造及应用的科技人员、院校师生、技术工人及管理干部具有一定的参考价值。

关键词： SiC/SiC复合材料   超短脉冲激光   表面加工   微孔加工  

摘要： SiC/SiC复合材料具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化腐蚀等性能优势,且具有类似金属的断裂行为,不会发生灾难性损毁等特点,是一种重要的新型热结构材料,已在航空航天等领域逐步推广应用。由于SiC/SiC复合材料硬度高、不导电等特性,使得其用作航空发动机燃烧室火焰筒和涡轮叶片等部件时,面临微小冷却孔(直径30000微米)的加工难题。同时,SiC/SiC复合材料构件也面临高精度表面加工等难题。超短脉冲激光(皮秒激光和飞秒激光)脉冲宽度极短、峰值功率极高,可用于各种难加工材料的高精度加工,有望用于解决SiC/SiC复合材料的微小冷却孔和高精度表面加工等技术难题。本论文分别选用飞秒激光和皮秒激光对SiC/SiC复合材料进行加工,研究其加工工艺和加工特性,掌握其表面加工和微孔加工规律,为发展SiC/SiC复合材料的精密微加工技术奠定基础。主要研究内容和结果如下:1.研究了SiC/SiC复合材料的飞秒激光表面加工工艺,结果表明:(1)加工功率对SiC/SiC复合材料表面形貌和元素组成有重要影响,功率较低时,SiC/SiC复合材料的残留碎屑较少,且易清除,更适合对SiC/SiC复合材料进行表面加工。(2)由于在空气环境中进行加工,加工表面有氧化现象发生,功率20mW和50mW时,表面有Si-C、C-C和Si-O键;100mW时Si-C键消失,全部转化为Si-O键。功率高达4W时,氧化现象十分明显,主要存在有Si-O键,C含量趋于0。2.研究了SiC/SiC复合材料的飞秒激光微孔加工工艺,结果表明:(1)光斑重叠率和线重叠率越高,微孔深度越大,越容易加工出高质量通孔,而入口处直径则基本保持不变。(2)加工功率增加,作用区域及其边缘区域的加工碎屑明显增多,氧含量增大,氧化损伤情况加剧。加工孔深度呈非线性增加,且出入口处圆度和直径会随之上升。(3)较低加工步进(如1μm)利于获得良好通孔,而较高加工步进(10μm)条件下则仅能获得具有一定深度的盲孔。但是,步进的选择应该结合加工效率,在保证加工质量的同时,尽量选择较大步进,以满足加工效率的需求。3.研究了SiC/SiC复合材料的皮秒激光微孔加工工艺,结果表明:(1)螺旋线面扫的加工方式可以获得较高质量微孔,而单环线扫方式仅能获得圆环结构,无法加工出微孔。(2)加工功率小于1W时,由于碎屑作用,只能获得具有一定深度的盲孔,其深度随功率增大而非线性增大。当加工功率高于6W时,能够加工加工出较高质量通孔。但过高功率会导致孔边缘区域的严重氧化甚至烧蚀。(3)加工步进和微孔质量呈反比关系,较低步进能获得具有较高入口/出口圆度和直径的通孔。因此,为确保高质量微孔加工,加工过程中适宜采用较低步进。

关键词： 激光加工  

ISBN: (纸本)9787118106558

摘要： 本书介绍了再制造的重要意义及其产业发展现状, 阐述了激光再制造技术发展及其作用, 介绍了激光再制造技术原理及激光再制造形成理论等。重点从激光再制造零件组织性能和缺陷特征、激光再制造零件“控形”与“控性”、典型合金零件激光再制造、激光再制造在装备中的实际应用等多个方面, 介绍了激光再制造的最新研究成果。