关键词： 激光加工   浮法玻璃   微裂纹   声发射信号   在线监测  

摘要： 浮法玻璃具有高透光、耐腐蚀等优点,是光伏太阳能、汽车、3C等领域重要材料。短脉冲激光具有无接触、高脉冲能量等优势,广泛应用在浮法玻璃切割、钻孔和刻蚀中。然而,激光加工中热力分布不均极易引起微裂纹,影响加工过程稳定性。考虑其微裂纹形成过程多源耦合非平衡力冲击,形成明显的声波形态特征,是研究微裂纹形成机理的重要突破方向,国内外尚无相关报道。为此,本文采用声发射监测手段探究浮法玻璃短脉冲激光加工过程中微裂纹行为,开展微裂纹突变辨识、形成机理与分类研究,并研发在线监测原型系统,可以有效提升加工过程稳定性。本文的主要工作如下: 首先,搭建浮法玻璃短脉冲激光加工声发射监测实验平台,开展多工艺参数下激光加工过程监测实验,表征实验结果中激光烧蚀形貌及微裂纹尺寸,采集加工过程声信号,进行信号分段及特征提取预处理,为后续微裂纹研究提供数据基础。 其次,在微裂纹萌生状态辨识方面,提出基于余弦相似性的信号突变点提取方法,提取信号相邻波形相似性特征,简化信号小波动异常点难识别问题,设计变功率激光加工实验,验证方法的突变点提取能力;成功捕获浮法玻璃激光加工声信号突变点,精准辨识微裂纹萌生时刻,揭示高能量激光辐照区域内应力瞬时释放的微裂纹萌生机理。 接着,在微裂纹形成机理方面,提出基于短时傅里叶变换的微裂纹信号时频域分析方法,量化微裂纹尺寸与信号时域特征参数的关联规律,发现微裂纹是持续时间短、强度低的极弱现象;建立基于小波包分解的多分辨率分析方法,探究微裂纹信号小波包分解的能量分布特点,发现不同时域微裂纹信号的模式特征,阐明激光加工重叠热影响区内热力分布不均致使微裂纹生长规律。 然后,在微裂纹状态的分类方面,建立基于双向长短期记忆网络的浮法玻璃短脉冲激光加工微裂纹状态分类模型,标签化浮法玻璃激光加工典型结果(烧蚀坑、连续烧蚀无微裂纹、微裂纹生成和裂纹贯穿),构建多工艺参数下声发射信号数据集,完成模型的训练、优化,实现微裂纹状态的高准确度分类,验证模型在其他工艺参数下的适应性。 最后,在上述研究的基础上,研发多通道声发射监测原型系统,开展原型系统的实际应用测试,验证原型系统在浮法玻璃短脉冲激光加工过程监测及微裂纹状态分类性能,为工艺参数反馈调控提供技术支撑。

关键词： 飞秒激光   激光加工   布拉格光栅   定量相位成像   石英材料   光学改性  

摘要： 近年来,激光技术在各个研究领域的应用愈发广泛,其中以飞秒激光为代表的超短脉冲激光技术为研究实验反应和变化过程中的超快现象提供了一种新思路。相较于连续激光加工,飞秒激光加工的过程主要集中于激光的焦点附近,其与材料作用时间极短,可以很好的改善甚至消除加工过程中由于激光作用所产生的热效应,实现一种“冷加工”的效果。同时,飞秒激光加工材料适用性很广,加工过程是真三维加工,具有高度的控制性和可设计性。本文基于飞秒激光器在石英类材料内部加工,探究了飞秒激光加工对石英材料本身性质的影响,研究了聚焦深度、数值孔径、单脉冲能量和重复频率等参数对于加工效果的影响,并在研究结果的指导下制备了不同波段的布拉格光栅结构。本文主要创新点和研究内容如下:(1)分析了飞秒激光在石英材料内部加工时的作用机制,介绍了飞秒激光器加工的流程。利用优选参数在石英材料内部进行三维微结构的加工,并使用明场显微镜对加工的结构进行表征,验证了飞秒激光在石英材料内部加工微结构的可行性。(2)使用飞秒激光在玻璃材料内部加工空腔结构,结合定量相位成像技术,对加工区域进行定量相位成像检测,通过该方法,研究了玻璃内部有无掺杂对加工结果的影响,并分析总结了在玻璃内部加工的三维模型。(3)对飞秒激光加工系统进行升级,更换了浸油镜头,加入了光纤夹具、信号发生器和干涉滤光片,使得系统可以更精准更灵活的在光纤中加工。开展一系列实验来探究光栅写制过程中加工平面与成像平面距离、平台位移速度、单脉冲能量和光栅长度对布拉格光栅响应程度的影响规律。并使用优选参数在光纤中逐点写入布拉格光栅,其中在2048.5nm波段加工的布拉格光栅的反射率可以达到95.31%,在1562nm波段加工的布拉格光栅的反射率可以达到99.05%,在1153nm加工的布拉格光栅有着1d B的超低插损,以及64.52%的反射率,可以用于制作激光器的部件。使用逐点法在单模光纤中写入高瑞利散射点,用于制作高瑞利散射光纤,并将其应用于掺铒光纤激光器,所搭建的系统极大的缩减了激光输出线宽。(4)介绍了逐线法的加工流程,使用逐线法加工了高阶布拉格光栅、高阶相移光栅,并对高阶相移光栅的相移特性进行了研究,总结了高阶布拉格光栅出现相移现象的规律,分析了相移光栅中的周期性变化特性和加工长度对透射效果的影响。使用此方法制作的相移光栅有望应用于光纤传感和激光器的搭建。

关键词： 液晶空间光调制器   光场调控   多光束   矢量光束   激光加工  

摘要： 超快激光一般指单脉冲宽度低于数十皮秒的激光光束,具有脉冲宽度低、峰值功率密度高、热影响范围小、加工精度高等优势,可实现对材料的冷加工。超快激光加工技术已经广泛应用在3D打印、激光直写、材料表面改性、全息光镊、双光子聚合、超颖表面加工、医疗等领域中。超快激光加工技术还存在加工效率低、激光能量利用率不高、光场结构单一的缺陷,这限制了其对于各种不同加工需求的适应能力。针对上述问题,本文结合光场调控技术、计算全息技术与图像处理技术,基于液晶空间光调制器(Liquid crystal spatial light modulator,LCSLM)设计了对皮秒激光进行整形的几种方案。本论文的主要内容如下:(1)介绍了基于标量衍射理论的光束整形方法、计算全息的基本原理、相位图和计算全息图的计算方法与制作方式、反射式液晶空间光调制器对光场的调控原理与方法。(2)为了提高皮秒激光器的加工效率与激光能量的利用率,基于反射式液晶空间光调制器搭建了一套对皮秒激光器出射光束整形的光学系统。本文介绍了影响光束整形质量的因素,对比了几种不同的零级光束消除方式,基于当前常见的激光分束整形算法如:迭代傅里叶算法(Iterative Fourier Transform Algorithm,IFTA)、全局算法、混合算法等,设计了一种基于实时反馈的混合算法,提高了皮秒激光分束的均匀度,并通过激光加工实验验证了本文提出方法的实际效果。(3)介绍了矢量光束在激光加工中的应用,分析了激光的偏振态对加工效果的影响,基于液晶空间光调制器实现了对激光聚焦光斑的偏振状态的动态调控,并通过激光加工验证了矢量光束相较于线偏振光束、圆偏振光束对于304不锈钢打孔的优越性。

关键词： 电火花加工   伺服位置参数   状态检测   模糊决策   参数调节  

摘要： 叶盘类零件在航空航天发动机上具有重要作用,决定了航空航天发动机整机性能。随着技术的发展,虽然整体叶盘自身流道结构复杂、使用材料难加工,但是,由于整体叶盘(尤其是扭曲叶型涡轮盘)具有重量轻、性能优异的优点,使得整体叶盘越来越多地应用在航空航天发动机上。针对复杂流道电火花加工时因通道狭长、非直线,高速抬刀容易引起工件和电极的干涉,导致加工效率低的难题,本文提出大时间尺度电火花加工模糊控制技术研究课题,通过对大时间尺度特征参数的检测和统计分析,判别加工状态,推理加工决策,实时调节电火花加工伺服控制参数,提高加工速度。 首先,对有抬刀的电火花加工过程进行全面分析,发现抬刀复位位置、抬刀开始位置、第一次放电位置、第一次回退位置和加工深度与蚀除物的产生与排除有着紧密联系,对电火花加工过程稳定有着较大影响。为此,理论分析这些位置与间隙中蚀除物量之间的关系,以确定其对稳定性的影响,进而构建单次抬刀加工间隙状态评价指标,用于加工过程稳定程度评价。 其次,对多次抬刀加工进行统计分析,探究间隙状态评价的均值和方差与稳定性之间的关系,建立以间隙状态评价的均值和方差为输入,以过程稳定度为输出的间隙状态模糊推理器。由于电火花加工存在稳定效率的情况,因此,建立以间隙状态评价、单次抬刀加工量为输入的单次抬刀状态模糊检测器,以过程稳定度、加工量均值为输入,以时段状态为输出的时段状态模糊检测器。通过试验验证加工过程状态检测的准确性。 再次,建立以时段状态和当前单次抬刀状态为输入,以参数调节量为输出的基于专家经验的模糊决策器。分析加工参数对加工过程影响选取抬刀时间、加工时间和伺服速度为控制参数,确定控制参数对加工稳定程度及速度的影响规律;针对控制参数设计各自的调节方案,根据当前加工状态和调节量选择最终的控制参数值。 最后,开发基于伺服位置参数的大时间尺度的复杂流道电火花加工模糊控制模块,并将其集成到现有的电火花数控系统中,进行实验测试和分析。设计加工效果随深度变化试验和较大能量对比试验,并对比分析全过程中加工间隙状态评价指标、过程稳定度、加工速度等数据,验证所开发的复杂流道电火花加工模糊控制模块的有效性。

关键词： 航空发动机   叶片边缘修整   电火花加工   共轭曲面   啮合包络   电极损耗  

摘要： 叶片作为航空发动机的核心部件，其加工质量和精度直接影响着发动机的安全性能和使用寿命。叶片长期工作在高温、高压等十分恶劣的环境中，需要选用高温镍基合金、钛合金等高强度、高硬度材料制造，导致采用传统加工方式很难加工。电解加工可以加工任何导电性的材料而不考虑材料的物理、机械特性，因此，国内外常采用电解技术加工叶片，然而由于电解液的分布不均导致叶片边缘处的电场和流场难以控制，致使加工出的叶片边缘存在较大的尺寸误差。为解决这一问题，本文提出采用电火花加工技术对叶片边缘进行修整。为此，本文进行了以下研究：　　叶片边缘修整专用电火花加工平台的搭建。叶片边缘曲率变化很大，厚度极薄，三轴机床无法实现对叶片边缘的修整。本实验团队搭建了六轴电火花机床，完成了夹具的设计、安装找正工作，通过VERICUT对机床进行了运动干涉检验，确定了机床各轴的安全移动范围。　　叶缘曲面包络修整方法的研究。考虑到叶片边缘的形状特点以及电火花加工技术的优势，本文提出采用成形电极曲面，以“线—线”接触方式，电火花包络加工的方法对叶片边缘进行修整，即通过共轭曲面的基本原理设计出与理论叶缘曲面互相啮合的电极曲面，当电极与叶片按照刀位轨迹进行共轭运动时，电极曲面与叶缘曲面在每一个刀位点处始终保持有且仅有一条线接触，利用该特征曲线（刀刃线）对叶缘毛胚余量进行蚀除。为此，本文利用等高法从理论叶片模型叶根至叶顶等距截取若干截面，获得一系列叶片边缘型线点云数据，通过非均匀有理B样条拟合出叶缘曲面，建立曲面方程，根据空间啮合的基本原理对包络加工啮合线进行设计，利用矩阵变换获得电极曲面离散点数据，同样通过样条拟合获得设计的电极曲面。　　电火花修整叶缘实验及电极损耗分析。由于电解加工后的叶片边缘存在余量较大的飞边，而且叶片模型和理论模型基准面存在较大差距，本文基于叶片截面的等距弦长特征参数通过ICP算法完成了毛胚匹配，确定了叶片的边缘余量。对叶片边缘修整方案进行设计，通过电火花切断实验去除较大的叶片边缘余量，然后再利用成形电极曲面完成对叶片边缘的包络修整实验。实验结果显示，经本文修整后的叶缘整体尺寸误差在-16.4~88.5μm范围内;电极相对体积损耗率为0.87;同时对电极曲面不同部位的损耗情况进行分析，确定了电极曲面损耗严重区域的位置以及相应的材料去除量与电极损耗的关系，为后续的电极补偿、提高叶缘修整精度提供了依据。

关键词： 特种加工  

ISBN: (纸本)9787030761583

摘要： 本书系统地介绍了现代加工技术，内容主要包括切削加工、磨粒加工、光整加工、电加工、高能束流加工、微细加工、纳米加工、绿色加工、难加工材料加工、难加工结构加工以及智能加工。《现代加工技术(第五版)》全面阐述了材料去除加工的理论与技术，内容系统、先进、实用，满足机械类本科专业宽口径、创新型人才的培养要求。

关键词： 微器件   微流体操控   激光加工   长距离运输  

摘要： 激光微纳加工技术因操作方便、成本低、效率高、对环境友好等优点被广泛应用。本文研究了微器件轨道的设计和对微流体进行精密操控的方法,轨道的结构主要通过激光与金属材料铝发生相互作用得到。对激光的加工参数和轨道参数做相应调节,可以改变微流体的操控和运输状态,在一定条件下,能实现微流体的长距离运输。而不同轨道结构的设计可以应对不同环境条件下的微流体运输,这为微器件对微流体的操控和运输提供了新的思路和方向。全文内容主要包括以下两个部分: (1)利用激光加工制备了一种复杂微器件,超疏气轨道阵列(SDRA)。对SDRA的参数进行调节可以改变微流体的运输状态。发现微流体(气泡)能实现单向进行输运,如SDRA的参数d为3 mm,α为45°时。并进行了微器件轨道对气泡运输的机理分析,其主要原因是气泡与轨道相邻倾斜超疏气屏障接触时的三相接触线不同,导致产生两个水平方向不同的力,从而驱动气泡单向运输。设计了不同轨道结构可以实现多样化的气泡运输,以及光控开关应用。 (2)为了继续探究微流体的运输性能,利用纳秒激光在铝片表面加工制备双圆微轨道,通过对其建立模型分析,表明双圆微轨道之间的运输是由于储层之间的内部存在拉普拉斯压差,从而驱动分布在润湿储层上的气泡自发运输。

关键词： 电火花加工   异质箔叠层电极   流场仿真   超声振动辅助   超声模压  

摘要： 表面微沟槽是一种典型的表面功能微结构,可以实现脱附、散热、疏水、降噪和减阻等功能,广泛应用于航天航空、模具制造、医疗器械等领域。典型的加工方法有切削加工、激光加工、电化学加工和电火花加工等,其中电火花加工具有非接触、宏观作用力小、热影响面积小、可控性强、不受加工材料的物理性能影响等优点。目前,电火花加工表面微沟槽通常采用微柱状电极逐层扫描放电铣削加工或采用薄片电极上下往复放电成形加工,但由于两种加工方法所用电极横截面积微小,电极抗干扰能力较弱,加工效率较低。针对上述问题,本文提出异质箔叠层电极超声电火花加工表面微沟槽结构,并对工件超声振动作用下加工间隙流场进行仿真分析,然后在钛合金工件表面加工出盲微沟槽阵列结构并以此作为模具,以聚合物为原材料,采用超声模压塑化成型的方法复刻出模具表面微结构。本文具体工作包括: (1)提出了电火花线切割、干式电火花线切割和电火花变损耗成形组合工艺、并利用电火花加工过程中不同材料的工具电极具有不同的损耗速率这一特性,制备出具有极强抗干扰能力和长使用寿命的叠层电极。研究了干式电火花加工电压、加工电流、脉冲宽度和切割量对电极侧壁重熔粘接层制备质量的影响,在确保重熔粘接层能使叠层电极各箔片间紧密连接的基础上,寻求重熔粘接层厚度最小以减小对后续电火花加工的不利影响,最终得到优化后的工艺参数。为进一步研究重熔粘接层的材料成分,对其进行XRD分析和EDS能谱分析。 (2)利用COMSOL仿真软件,建立了异质箔叠层电极超声电火花加工间隙流场二维仿真模型。基于SST k-ω数学模型,研究了在单个脉冲振动周期和多个脉冲振动周期内,工件的超声振动对加工间隙流场和碎屑排出的影响。针对超声振动辅助电火花加工微沟槽实验,研究了加工电压、脉冲宽度、脉冲间隙、超声振幅和超声频率对微沟槽质量的影响规律,为了高效地制备出轮廓形貌较好和形状精度较高的微沟槽结构,对工艺参数进行了优化。 (3)设计了典型的微沟槽阵列结构并制备了与之对应的异质箔叠层电极,采用混有Si C粉末的火花油作为工作液在钛合金表面进行电火花加工,以提升微沟槽阵列的表面性能,然后将其作为模具应用于超声模压塑化成型实验。研究了超声波发生器输出功率、超声振幅和熔接时间对微制件成型质量的影响规律,为了制备出具有良好轮廓形貌和较高复制率的微制件,对工艺参数进行了优化。

关键词： 激光加工   偏振成像   分焦平面法   偏振滤波器  

摘要： 偏振成像可以补偿光学强度探测中的信息缺失,扩展对目标的观察范围和深入程度。分焦平面法（Do FP）偏振成像是最流行的偏振成像方法之一,具有实时成像、光路简单、易于集成等优点。偏振滤波器是Do FP的重要组成部分。典型的偏振滤波器制备方法制造难度高,处理步骤对操作环境有严格要求,并且难以得到消光比大且均匀的偏振器。本研究克服了现有制备工艺的缺陷,提出了一种简单高效的多通道偏振滤波器制备方法。激光微纳加工是一种工艺简单,操作灵活,无需掩膜的微纳加工方法。本研究提出了一种利用激光加工来制备多向偏振滤波器的方法。该方法使用皮秒激光烧蚀单向亚波长金属线栅偏振片形成规则的偏振阵列,然后通过胶结获得多向偏振滤波器。该方法可以实现高消光比偏振线栅阵列的大面积制作。本文将仿真计算与实验研究相结合。对亚波长金属线栅偏振片的消光比和透光率随栅层高度的变化进行了仿真计算,分析了激光去除栅层时偏振片消光比和透光率的变化趋势,以此作为激光烧蚀研究的理论指导;通过激光实验研究了激光加工参数对亚波长金属线栅偏振片烧蚀形貌的影响规律和作用机理,并以此优化了激光加工参数;搭建了偏振测试系统,验证分析了激光烧蚀之后的偏振片的透光率和消光比以及偏振滤波器的偏振性能。本文主要研究工作和成果如下:（1）亚波长金属线栅偏振片透光率及消光比仿真计算。使用严格耦合波法对亚波长金属线栅偏振片的透光率和消光比随栅层高度的变化进行了仿真计算。结果显示:在铝栅层从120 nm减小至0 nm的过程中,随着铝栅层高度的降低,光栅的透射率逐渐增大,最终其透射率升至0.96～0.97之间;而在这个过程中光栅的消光比（550 nm）呈指数级降低,并且当铝层高度低于20 nm后,其消光比接近于1。因此,理论上经过激光烧蚀后的偏振片烧蚀区域,其透光率应提高至0.96并且最终栅层高度应低于20 nm,此时消光比接近于1。（2）激光加工制备偏振滤波器的实验研究。在激光烧蚀实验中,通过对比烧蚀形貌分析了激光重复频率、激光功率密度、激光脉冲重合率和激光扫描线间距四个主要加工参数的影响规律。四个参数共同影响激光投射至偏振片的能量总量和热传导,并决定了激光烧蚀区域的均匀性。优化后的激光加工参数确定为:激光功率密度为5.89×10～5 W/cm2,脉冲重合率为82.17%（激光频率1.0 MHz,扫描速率3333 mm/s）,扫描线间距0.008 mm。通过对比激光烧蚀前后偏振片的SEM图像、铝含量能谱数据和透光率变化曲线,验证了该激光参数烧蚀后偏振片的偏振性得到消除并且透光率提高至0.96的结论。最后通过三层对准粘贴工艺制备了三方向的偏振滤波器。（3）偏振滤波器性能测试及成像误差分析。搭建了偏振滤波器的测试系统,并测试了制得的偏振滤波器的角度偏差和成像计算误差。偏振滤波器样片的测试结果表明烧蚀区域的偏振性完全消除而保留区域的偏振性则留存完好,其角度原始误差在±0.3°之内。200μm偏振滤波器成像测试的结果显示,该滤波器能准确辨别偏振区与非偏振区,计算所得误差小于0.5°。两项测试证明了本文提出的偏振滤波器制备方法的有效性。

关键词： CFRP   激光加工   喷雾辅助   热损伤   工艺优化  

摘要： 碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)具有轻质高强、抗疲劳性好、比刚度大等优异的性能,被广泛应用于航空航天、国防军工等领域。由于CFRP的各项异性,激光加工CFRP易造成严重的热损伤问题,影响产品的服役性能。而传统加工难以兼顾加工质量和效率的平衡,如何调控激光热效应与介质冷却效应达到相对冷热平衡状态是实现低损伤和高效率加工CFRP的关键问题。基于此,本文优化设计了喷雾冷却系统,通过优化喷雾参数来调控冷却效应;基于水平集法建立了激光加工CFRP的温度场模型,模拟了异质材料温度分布特性和材料去除过程,分析了材料加工机理;研究了工艺参数对加工质量的影响规律,并优化匹配了工艺参数以调控激光热效应,进而实现了冷热平衡,提高了加工质量;最后,基于智能算法建立了工艺参数和加工质量之间的内在联系及其预测模型。主要工作内容如下:建立了喷雾撞壁成膜的流场模型,结果表明水膜厚度分布不均将引起激光能量分布形态变化。偏置距离为0时,激光损失率高达14%;偏置距离增加,激光损失率将逐渐降低。喷嘴高度增加、气压减小时,光斑直径减小;喷嘴角度增加,光斑直径先减小后增加。喷嘴高度增加,激光损失率变化较小;而喷嘴角度增加和气压减小,激光损失率逐渐减小。当喷嘴角度为50°、气压为0.2MPa和喷嘴高度为30mm时可以实现较好的冷却控制,此时激光损失率为1.473%。建立了激光加工CFRP的温度场模型,结果表明沿着碳纤维轴向温度场分布范围更广,HAZ更大;缺少树脂束缚的碳纤维在应力冲蚀下将变得松散,降低力学性能。异质材料温升历程表明,树脂比碳纤维先去除,当碳纤维和树脂去除长度不一致时将导致热损伤。加工过程中凹槽底部温度保持在6000K以上,蒸汽羽流最低温度和最大速度分别约为2000K和33.24m/s,及时排出蒸汽羽流有利于降低热损伤。通过单因素法研究了工艺参数对加工质量的影响规律及其作用机理,确定了较优的工艺参数范围,通过正交实验分析了工艺参数对加工质量影响的显著性和主效应,综合平衡后的最优工艺参数为偏置距离16mm、激光功率2160W、离焦量0.0mm、光斑重叠率55%、激光脉宽0.1ms;可以使加工区域达到一种相对冷热平衡状态,实现激光低损伤加工CFRP,同时分析了喷雾辅助激光加工CFRP的加工机理;过强的烧蚀作用会削弱力学剥蚀效应,破坏加工区域的冷热平衡状态,造成较大的热损伤。最后,基于智能算法建立了工艺参数与加工质量之间的内在联系及其预测模型,表面HAZ、槽宽、截面HAZ、槽深和深宽比的平均相对误差分别为4.483%、2.728%、4.392%、1.305%和3.235%,预测模型精度高,可为预测切缝尺寸特征提供有效方法。