摘要： 随着“中国制造2025”战略的发布,近几年来整个制造业正面临一场变革,从原始的粗放型工业生产向智能化高端制造业过渡。面对这一潮流,作为国际领先的精密机床制造企业,瑞士百超也将致力于为中国市场和中国用户带来先进的自动化解决方案。从最初的激光下料到最终折弯加工成型,面对不同用户、不同需求,百超可提供从低端到高端的解决方案。如今光纤激光大幅提升了使用自动化的需求,全自动的上下料加工工序拓展了机床的潜在性能。百超全新研发的高性能激光系统会将产能提速,但如何判断是否对于这类机床进行投资,则取决于下游生产步骤的需求。百超

关键词： 防砂筛管   割缝防砂   压力损失   缝内流速   电火花加工   电解加工  

摘要： 割缝衬管防砂完井广泛应用于出砂油藏的开发，目前主要采用矩形割缝，但现场应用中易出现“砂堵”、磨损严重、寿命短等问题。此外原油流经割缝时因粘滞作用产生流动阻力，对原油产量影响明显。因此选择合适的缝型结构和布缝状态可以有效的降低流阻，提高原油渗透率和采出率。　　本课题建立了割缝衬管流动阻力模型，考虑了缝型结构和布缝状态因素对地层压力损失的影响，利用Fluent软件进行了求解计算。在模拟研究基础上，采用电火花电解复合加工工艺，加工割缝衬管;利用微观驱替模拟试验装置，实际观测了割缝短节的入口压力、出口压力和流量，与模拟结果进行了对比。　　对比结果表明：含砂时矩形缝的压差模拟值7767Pa，由于实测时部分割缝堵塞引起压力升高，实测值为9510Pa。模拟结果显示，压力损失主要产生在割缝的入口和出口，布缝状态对地层压力损失几乎无影响。对于缝宽0.2mm，缝长80mm的矩形割缝，原油不含砂时粘度5mPa?s，入口速度0.05m/s，压差值为2522Pa。缝宽和缝长的增加，增大了有效过流面积，减小了割缝管内外压差;进出口压差与原油粘度呈线性关系;入口原油流速越大，压力损失越大;缝内流速呈抛物线分布，壁面边界处流速小，是其易“砂堵”的原因。割缝筛管防砂可简化为平面径向渗流，0.2mm精度割缝渗透率为97m/d，缝宽越大，渗透率越小。　　对梯形割缝，梯形两腰夹角1o时，压差值为1108Pa。增大两腰夹角，可有效减小压差。缝内流速在轴线附近形成高速射流区，中段之后流速沿流向方向减小，沿轴线成对称分布，梯形缝渐扩结构有利于砂砾排除。　　影响复合缝和台阶缝压差的因素主次顺序为入口宽度、第一流道（台阶）长度、出口宽度。复合割缝压力呈现逐级递减，随着第一流道长度的增大，压差逐渐增大，在第一流道内出现了明显的射流区域，复合缝渐扩结构也有利于排砂。台阶割缝压力损失主要集中在第一台阶阶段，随着第一台阶长度的增大几乎呈线性增长，第一台阶内流速较大，台阶拐角出现“速度失效区”，此处会产生砂砾堆积。

关键词： 特种加工   碳纤维   电铸   强度  

摘要： 提高电铸层强度是国内外电铸制造技术领域的研究热点之一。在分析和总结国内外研究成果的基础上,首次提出在柔性受压的条件下将碳纤维束以单丝形式铺开,并有序缠绕于阴极芯模表面,然后电铸成形。围绕提出的新技术,重点介绍了碳纤维柔性受压缠绕的精确控制以及降低电铸层内部孔隙率的方法。

关键词： CAD/CAM集成   电火花加工   电极   加工特征识别   自动编程  

摘要： 模具的生产加工过程中存在传统机械加工工艺难以适用的情况,电火花放电加工工艺具有加工形状自由、非接触加工、加工精度高等特点,因而被大量应用到模具的生产加工过程中。一副普通的模具需要使用几十到上百个电极进行加工,大批量电极的设计、数控编程与加工成为制约模具生产效率提高的瓶颈。现有的商业CAD/CAM系统中,数控加工工艺规划过程自动化程度较低,CAD建模模块和CAM数控加工模块关联程度较低。零件的数控加工工艺规划和操作生成过程需要大量的人工参与,电极数控加工及放电加工过程中,相关图纸及放电代码也都采用人工方式生成。因此电极的编程、加工、放电等工艺过程对工程人员个人经验依赖比较高,手工操作繁琐生产效率低,而且容易导致人为错误。本文针对电极加工数控编程、程序清单及放电图档生成,以及电极CMM测量、误差分析与放电编程等过程中存在的问题,研究开发了模具电极加工与放电加工自动编程系统,主要包括三个方面的内容:(1)对电极结构的分析及典型加工工艺经验的总结,提出了以电极型面为线索的电极加工特征分析算法,在电极加工特征分析的基础上进行自动加工工艺规划,建立电极加工数控编程系统。(2)总结电极数控加工及放电加工过程中电极工程图纸的要求,提出了电极信息统一管理方法与关键尺寸自动标注算法,在此基础上设计了程序清单及放电图档批量生成系统。(3)总结电火花放电加工的典型放电工艺,针对电极加工误差检测、电极放电加工精度、加工方式等要求,建立统一的电极放电代码自动编程系统。排除电极加工精度检测不合格的电极;对合格电极选择合适的放电工艺参数并生成放电加工代码。本文基于NX平台,设计并开发了模具电极加工与放电加工自动编程系统,实现了电极CAD/CAM/CMM/EDM过程集成化与自动化,获得了生产实际应用,提高了模具生产加工的效率。

关键词： 传动轴   焊接工艺   多功能激光加工装备   功能测试  

摘要： 随着激光加工技术的发展，各领域复杂结构件不断由传统加工向激光加工转变，这就要求激光加工装备具有多功能性以及高柔性。为了解决某些特殊零件切焊熔一体化需要;小批量生产专用设备利用率低;不同复杂结构类零件加工以及推动我国激光加工技术科学研究的需要，本文开展了集激光切割、焊接、熔覆多功能于一体的激光加工装备的研制，并对搭建完成的装备进行了功能验证和传动轴焊接应用深入研究，其主要研究内容如下：　　首先，根据多功能加工装备的功能需求开展了设备选型及搭建方案设计。通过分析多功能加工装备总体结构需求，设计了五套集成方案进行对比分析，包括地面支撑架方案、航空支架直挂式方案、加工头随动式方案、固定夹具方案以及双工作台方案，结合实际要求选择合适方案。基于此，从功能需求出发，对激光加工头进行响应选型，并从主要设备选型出发，对机器人、激光器、送粉器等进行研究，确定最合适的设备。　　其次，完成了多功能激光加工装备的研制和控制系统的设计。研究了光纤激光器、机器人八轴联动机械单元、自动快换装置等关键设备的工作原理。完成了多功能加工平台的搭建，研制了一套多功能、低成本的激光加工装备。根据多功能加工装备的控制理念提出了加工系统总控方案，以PLC为主站，机器人和激光器作为从站，通过DeviceNet现场总线进行数据交换，实现了对整个加工站的集成控制。并结合功能需求对多功能加工装备各单元分别进行了控制设计,包括PLC逻辑控制设计，单元控制信号设计，硬线连接等。　　最后，开展了多功能加工装备的功能验证与传动轴焊接的应用研究。根据研制的多功能加工装备对切割、焊接、熔覆功能做了实验验证。基于该装备的实际应用研究，选用5mm厚的汽车传动轴，采取单因素控制法，通过对焊缝表面宏观形貌分析得到焊接功率为4KW、转速10r/min、离焦量为+2mm时，焊缝表面形貌较好,但焊缝起始点存在凹坑、裂纹等缺陷。为改善传动轴激光焊接起始点凹坑、裂纹等缺陷，提高其焊接质量，本文提出了激光焊接功率缓升缓降叠加工艺研究，分别对传动轴起弧点和收弧点进行了功率缓升、缓降以及缓升缓降叠加试验研究，分析了焊缝宏观形貌、显微硬度以及扭转强度。结果表明：当功率缓升缓降时间为0.3s时，焊缝起弧点和收弧点凹坑明显改善但存在未焊透段，缓升缓降叠加后焊缝成形质量较好，焊缝区显微硬度和扭转强度都明显高于母材，各个方面性能显著提高，更能满足恶劣环境下的服役要求。

关键词： 拉锥光纤   微孔   液体折射率   飞秒激光  

摘要： 现有的拉锥光纤传感器因制作简单、实用性高、分辨率高等优点而得到广泛研究。但是为了提高拉锥光纤传感器的灵敏度,通常需要把光纤拉制的又细又长,常见的拉锥光纤传感装置光纤的锥区长度达到几厘米,等腰区直径达到纳米量级,因此在测量和应用过程中传感装置不易保存,并且不利于微小环境测量。而由于现有的微孔传感装置主要通过改变孔内折射率来实现传感,所以对于广泛应用有一定局限性。因此,本文提出一种飞秒激光器加工的微孔拉锥光纤传感装置,该传感装置锥区长度较短,锥区直径较大,传感头利于保存,并可用于微小环境的测量。本文提出微孔拉锥光纤液体折射率传感器,该传感器是基于拉锥光纤中的光功率受到外界环境影响的特性来实现对外界液体折射率的测量。拉锥光纤的锥区长度不超过800μm,锥区直径大于30μm,采用飞秒激光直写技术在拉锥光纤纤芯位置制作微孔,封孔以后孔内为空气。单模光纤通过拉锥作用减小了纤芯直径而导致纤芯中的部分光功率转移到了包层中,光纤包层中的光波功率随拉锥处外界液体折射率的变化而变化,因而,通过探测拉锥光纤的光功率就能实现对液体折射率的测量。纤芯处的微孔充当一负透镜,具有发散光的作用,使纤芯中沿轴向传输的光波功率更多的进入到包层,外界液体折射率发生变化时由于微孔的作用导致包层中更多光波的功率发生变化,因而不用将拉锥光纤拉制很细即可实现对液体折射率的高灵敏探测。本文讨论了拉锥光纤传感装置传感头的不同参数对液体折射率测量结果的影响。利用光线传输原理实际分析了孔在不同位置、不同拉锥直径时对于传感灵敏度的影响。定量分析了孔的存在对于芯包分界面入射角的影响,制作模拟曲线,模拟曲线表明:随着拉锥光纤直径的减小,传感装置测量外界液体折射率的灵敏度会增加;孔的位置距离等腰区越近,传感装置的灵敏度也会增加。实验结果与所提出理论相符合。本文中详细说明了拉锥传感头的制作过程,并分列出加工过程光学器件与传感头参数的关系。本实验通过配置甘油与水的混合溶液得到折射率范围为1.333-1.445之间的液体,折射率间隔为0.014,将传感探头依次置于上述溶液中,每次测量之前用乙醇清洗传感头。实验采用波长为1550nm的近红外激光通入传感装置,记录传感头周围液体折射率改变时,输出端传输损耗的改变。通过origin软件给出光传输损耗与折射率变化的关系,得到光纤传感器的灵敏度在1.417-1.445范围内最高可达到214.29d B/RIU。

关键词： 电火花加工   云制造   虚拟化   多层次匹配   智能决策  

摘要： 电加工作为特种加工技术的重要组成部分,在模具工业、军工领域、航空航天工业等相关制造领域发挥着重要作用。目前我国电加工技术发展非常迅速、企业众多,却处于一种多而不强的尴尬境遇。随着云制造概念的提出与发展以及“中国制造2025”战略的实施,“制造即服务”的理念在制造领域得到了关注与认可,这也为解决我国电加工行业发展难题提供了一个可行的思路。本文着眼于电火花加工技术,从行业实际困难以及用户角度出发,将云制造思想引入电火花加工,提出电火花加工智能云平台的构想。主要研究内容包括:搭建电火花加工云平台的体系架构,在此基础上对云平台各层次功能进行分析。对电火花加工云平台的角色关系、运行原理进行研究,并对面向不同对象所提供的云服务形式进行分析。对电火花加工云平台资源的虚拟化封装、资源的存储管理、资源数据的搜索匹配算法以及数据库的设计与访问等关键技术进行研究。根据电火花加工工艺设计内容确定包括电火花加工工艺方法决策、加工设备决策和工艺参数决策三大决策内容的电火花加工智能决策系统,对智能决策系统的层次划分及功能模块进行研究。总结电火花加工工艺方法选择规则,并对基于规则的工艺方法决策算法进行研究;以线切割加工为例对云平台的加工设备及工艺参数决策原型系统进行介绍,总结电火花线切割加工机床的型号与主要技术参数,并对基于这一总结的线切割加工设备决策算法进行研究;分析电火花线切割加工工艺指标及影响因素,在此基础上对基于模糊推理的线切割加工工艺参数决策过程进行研究。

关键词： 激光加工   技术   现状   发展  

摘要： 激光加工技术已在多个制造业领域得到应用，通过应用基础理论的研究，继续开发新的技术和新的应用领域。激光加工技术将适应高速高精度制造的需求，与智能化装备结合进行智能化制造；面向难加工材料和复杂结构，关注激光作用于材料的行为与影响，实现高质高效的加工。鉴于此，本文对激光加工技术的应用现状及未来的发展进行了分析探讨。

关键词： 超快激光   微纳制造   多尺度模型   密度泛函   流体动力学  

摘要： 超快激光微纳制造是一个前沿的研究领域。不同于传统激光加工,超快激光加工是一个从飞秒到纳秒、从纳米到微米的多尺度过程,引发出多种全新的物理现象,如多光子电离、隧道电离等多种电离机制,库仑爆炸、相爆炸等多种相变机制。为了描述和理解此过程发生的现象,需要多个尺度的模型来解释。飞秒激光的脉宽,大大短于电子-晶格弛豫时间,激光的能量吸收在晶格变化前已完成,电子与晶格处于非平衡状态,激光与材料相互作用过程(包括相变和加工结果),决定于激光与电子相互作用过程;也就是说,飞秒脉宽时间内的光子与电子的相互作用,已决定了后续毫秒甚至秒时间尺度的所有过程。因此,对飞秒激光加工的调控必须通过飞秒激光辐照过程中对电子动态的调控来实现。为了解释电子激发的非线性效应,引入了量子力学来求解电子激发过程;为了和实验值相对比,引入了等离子体模型计算加工深度;为了解释相变现象,引入流体动力学模型来求解离子的运动过程。首先使用了来源于薛定谔方程的密度泛函理论来计算原子、分子和各种周期性材料的电子激发和能量吸收过程,主要的研究工作和成果为:1)使用密度泛函理论计算铁原子-石墨烯系统的性质。首先计算了铁原子吸附在石墨烯单层上的位置,经过定量分析发现铁原子吸附在碳原子构成的六边形中心最稳定;其次用两种不同的方法计算了铁原子-石墨烯系统的态密度和磁矩,发现两种方法的结果吻合得非常好;而后计算了铁原子-石墨烯系统在激光辐照下离化电子的特性,发现随着激光电场角度的增加,激发的自旋电子数减小,而自旋极化率先减小后增加,随着脉冲通量增加,无论自旋下还是自旋上的离化电子数目都增加,但是自旋极化率下降。因此,选择特定的激光参数,可以控制铁原子-石墨烯系统的电子离化数或者自旋极化率,预测铁原子-石墨烯系统可以用作自旋极化源。2)使用密度泛函理论首次计算了alpha-石英的多光子电离吸收横截面。在超快激光作用介质材料时,多光子电离是电子激发的重要来源之一,其为后续的雪崩电离提供了种子电子。但是多光子吸收横截面的大小一直缺乏理论计算,也难以与实验结果直接对比。因此采用了含时密度泛函理论作为工具,计算了alpha-石英的多光子吸收横截面,这对材料光吸收的研究有重要意义。在计算多光子电离吸收横截面时,计算alpha-石英的禁带宽度是关键因素,决定着后面计算的准确性。因此,采用了MBJLDA交换势和LDA关联势,计算的alpha-石英的禁带宽度非常接近实验值,说明了计算的准确性。在此基础上,用含时密度泛函理论计算了alpha-石英在不同激光强度下的激发电子数。随后,在双对数坐标下用直线拟合了计算结果,发现直线的斜率为6,对应着波长800nm激光激发禁带宽度9.3eV的alpha-石英需要6个光子。而后,我们用电子激发数计算了alpha-石英的多光子电离吸收横截面。为了验证密度泛函计算的结果,采用等离子体模型计算了加工深度随激光强度的变化,和加工阈值随脉冲宽度的变化,发现和实验结果吻合得很好。这一方法开创了密度泛函理论和等离子体模型的一个结合点,为以后更深度的融合打下了基础。3)使用流体动力学模型,计算了金薄膜的吸收性质和加工阈值。首先,可以发现激光能量较高时,流体动力学模型计算的金的吸收率随激光能量的变化与实验值相吻合,但是激光能量较低时,两者相差较大。经过分析,我们认为电子-离子碰撞频率的基础模型并不适用于金的情况,因为此模型的基础是自由电子气,在计算与自由电子气态密度近似的金属铝时有很好的效果,但是金的态密度和自由电子气有加大差异,所以我们对原碰撞频率进行了改进。用改进后的模型计算了金的加工阈值随脉冲宽度的变化,与实验值相吻合。传统结论认为当脉冲宽度短于200ps时,金薄膜的加工阈值不随脉冲宽度变化,我们的结论修正了这一结果,首次发现了金薄膜的加工在短脉冲时的变化规律。上述模型很好地解决了一些问题,能够指导实验设计,推进人们对超快激光加工机理的认知深度。虽然上述模型取得了一些成功,但是依然存在一些问题,各个模型的耦合度较低,只能够把一些模型的结果用作另一些模型的参数,而不能够直接融合多种模型,发挥出整体的优势。本论文研究内容主要在科技部973计划项目(激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究,项目编号:2011CB013000)、国家自然科学基金项目(纳米尺度电子动态调控的超快激光微纳米加工新方法,项目编号:91323301)等科研项目支持下完成,发表SCI论文五篇(其中第一作者两篇)和国际特邀报告两篇。

关键词： 低温气体   电火花   电极损耗   有限元  

摘要： 电火花加工中电极损耗是影响加工质量和加工精度的一个重要因素。为降低电极损耗,用液氮冷却方法来实现电火花工具电极低损耗是当前国际上电火花加工领域研究的一个热点方向。现有液氮冷却工具电极以降低工具电极损耗方法进行电火花加工时,工具电极损耗大幅降低,但由于冷却温度过低,工件材料移除速率也随之大幅降低,同时工件表面会出现大量细微裂纹。本文针对该方法的不足之处,提出了一种新的冷却方式,使用空气与液氮蒸发气混合后的低温气体来冷却工具电极,从而实现工具电极损耗的降低。为验证该方法有效性,本文从理论、有限元仿真和试验三方面分别对该方法进行理论、仿真分析和验证,主要研究内容和成果如下:1、分析工具电极和工件材料不同温度下热力学属性,以工具电极和工件材料低温下热导率和比热容为分析对象,对不同温度下进行电火花加工,工件和工具电极热力学属性变化导致加工结果产生的可能影响进行了理论分析。2、为进一步验证低温冷却实现电火花工具电极低损耗方法理论有效性,对低温气体冷却工具电极模型进行建模,并将模型导入ANSYS Mechanical和CFX有限元仿真软件,对其分别进行稳态流场和瞬态温度场仿真,获得了低温气体的稳态流场、工具电极受低温气体冷却的瞬态温度场,和在低温气体冷却下,工具电极放电加工瞬态温度场。仿真结果表明使用低温气体冷却工具电极以降低工具电极损耗的方法可切实可行。3、按仿真模型尺寸制造实际零件,对机床进行改造,并按照仿真中使用的电参数,进行低温冷却工具电极电火花加工试验,通过试验来验证该方法有效性。试验后,对工具电极和工件样件分别在扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)下进行了观察,最终根据观察分析结果,结合仿真结论得出:通过使用低温气体冷却工具电极,有效降低了工具电极相对损耗和绝对损耗,但通入混合气体温度不宜过低,在选定试验电参数下,最优通气气体温度为-60℃,工具电极温度为-41℃。