关键词： 液体辅助   激光加工   表面织构   摩擦磨损   切削性能  

摘要： 钛合金材料因其强度和热强度高、抗腐蚀性能和低温性能好等诸多优点被广泛应用于船舶工程、航空航天、生物医疗和石油化工等各个领域。然而,钛合金在加工过程中存在变形系数小、导热率低和化学活性高等特殊性质,容易造成刀具磨损快、刀具使用寿命短等问题,此外,对工件表面质量和表面完整性也具有一定的负面影响,是一种典型的难加工材料。大量学者研究发现,采用传统的工艺加工钛合金存在诸多问题,目前仍然面临较多挑战。因此,本文将传统激光加工技术与液体辅助激光加工技术相结合,通过干式和液体辅助方式,在硬质合金刀具的表面加工出微米级表面织构,分析不同类型织构刀具的摩擦磨损性能和刀具加工钛合金时的切削力、切削温度以及刀-工-切屑之间的摩擦特性。论文主要研究内容如下:(1)织构化刀具的设计与制备。设计确定不同形状织构,分别采用纳秒激光系统和飞秒激光系统探究激光功率、扫描速度和扫描次数等激光参数对织构尺寸和形貌的影响,确定最优激光参数。在此基础上探究去离子水、HNO-HF混合溶液(1:1)和Na OH溶液等不同性质的辅助液体对织构尺寸和形貌的影响,比较确定最优功能的辅助液体。并分别采用干式及液体辅助激光加工方法在硬质合金刀具表面加工不同形状织构以及分别具有相同深度、相同宽度和相同激光参数的表面织构。(2)不同类型织构刀具的减摩机理分析。分别对干式及液体辅助条件下纳秒激光加工的直线型织构刀具、鳞状型织构刀具、波纹型织构刀具和飞秒激光加工的相同深度织构刀具、相同宽度织构刀具、相同激光参数织构刀具进行摩擦磨损实验,重点研究不同类型织构刀具与钛合金球的摩擦系数和表面磨损形貌,探究织构形状和加工工艺对刀具摩擦学性能的影响。(3)润滑添加剂与表面织构双重作用对刀具减摩性能研究。建立YG6硬质合金刀具和Ti-6Al-4V钛合金球工件模型,进行润滑条件下的摩擦磨损仿真模拟,通过分析润滑油膜的压力变化,探究织构的存在对流体动压润滑效应的影响。同时分析不同润滑添加剂的特性和作用机理,选择三乙醇胺硼酸酯和氧化铜纳米粒子作为润滑添加剂进行摩擦磨损实验,进一步分析润滑添加剂与表面织构对刀具的双重减摩特性及作用机制。(4)不同工艺加工织构刀具切削性能研究。通过仿真模拟和实验研究相结合的方法,建立YG6硬质合金刀具和Ti-6Al-4V钛合金工件的三维切削仿真模型,参考激光参数相同时干式及液体辅助激光加工织构形态,设计了两种不同织构并置入刀具前刀面,对不同工艺加工所得织构刀具切削钛合金进行了仿真模拟。为进一步研究对比织构存在的功能,分别在激光干式和液体辅助条件下加工出具有相同深度、相同宽度的织构刀具,并进行切削实验,进一步研究和分析表面织构对提升刀具性能和延长刀具使用寿命的内在作用机理。本文通过对比不同类型织构刀具的摩擦磨损性能,分析不同润滑添加剂的作用机理,并进行润滑添加剂与表面织构的双重减摩性能实验研究,通过切削仿真分析与切削实验研究,探究激光干式和液体辅助加工对织构刀具切削性能的影响。项目研究对提高钛合金材料的加工效率,减缓刀具磨损、提升刀具服役寿命具有重要意义。

关键词： 特种加工  

ISBN: (纸本)9787301346365

摘要： 本书介绍了机械加工中广义的微细加工技术,以及狭义的微细加工技术在集成电路及硅太阳能电池制造领域的应用，使读者能够准确地理解和掌握微细加工技术的基础知识和常用微细加工的方法、基本原理及应用。全书共6章，包括绪论、微细切削加工技术、微细特种加工技术、硅材料的制备及加工、集成电路制造技术和硅太阳能电池制造。本书采用双色印刷，各种微细加工方法均有对应视频展示其原理及实际应用，120余段视频配以对应的二维码，读者只需利用移动设备扫描对应知识点的二维码即可在线观看。为方便教师授课，本书配套附有主要视频内容的教学参考课件本书适合作为高等工科院校机械类专业研究生、本科生及高职院校相关专业学生的“微细加工技术”“半导体加工技术”“微细特种加工技术”等课程的教材或辅助教材，也可以作为相关领域工程技术人员了解微细加工技术的参考书。

关键词： 电极纵扭振动   电火花加工   微孔加工   数学模型   电极损耗  

摘要： 随着高端零部件制造业对微孔加工要求的不断提高,如何高效率制备高精度、高质量微孔已成为微孔加工行业的热点问题之一。在传统电火花微孔加工过程中,随着微孔深度的增加,排屑和工作液交换变得异常困难,且易产生拉弧、短路等非正常放电现象,进而导致材料去除率下降以及电极损耗增加,降低了制孔的加工效率和加工质量,甚至在一定程度上影响被加工微孔构件的服役性能。基于上述问题,本课题提出一种电极纵扭振动的超声振动辅助电火花（Ultrasonic Vibration Assisted Electrical Discharge,UVE）微孔加工方法,对纵扭复合超声振动辅助电火花微孔加工关键技术开展相关研究工作。 研制一款适用于电极纵扭超声振动（Longitudinal-torsional ultrasonic vibration,LTV）的超声振动换能器,采用PV90A阻抗分析仪对纵扭复合超声换能器进行阻抗测试,得到纵扭复合超声换能器的阻抗等相关参数。采用LV-FS01激光位移传感器对纵扭复合超声换能器进行振动特性测试,测量得到其纵向超声振幅最大为8.78μm,扭转超声振幅最大为0.92μm,纵扭超声振幅平均比值约为11.3。 讨论LTV电极微孔加工间隙流场分布情况,建立UVE微孔加工间隙流场数学模型,分析LTV电极和旋转电极条件下微孔间隙流场分布特性,确定LTV电极和旋转电极条件下下的微孔间隙流场流态。结合MATLAB软件分析不同超声振幅下的微孔间隙流场流速变化规律,讨论LTV电极条件下超声振幅对微孔间隙流场分布的影响。 利用COMSOL Multiphysics 6.0软件对微孔间隙流场进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）分析,总结不同超声振幅下LTV电极对微孔间隙流场的速度分布、压力分布以及碎屑分布的影响规律,分析微孔间隙流体流速和压力变化规律,以及不同超声振幅下LTV电极对排屑数量、排屑时间以及排屑高度的影响规律。随着超声振幅增加,间隙流体流速、压力以及排屑数量均得到明显增加,纵向超声振幅AL为6μm且纵向超声振幅AT为0.53μm时,间隙流体流速和流体压力分别达到了9.53 m/s和3.81×10～5Pa,排屑数量为11965个。 开展不同超声振幅下LTV电极的电火花微孔加工试验研究,总结超声振幅对电极形貌、微孔出入口形貌以及微孔加工性能的影响规律,以及超声振动参数和电加工参数对材料去除率、相对电极损耗率和微孔锥度的影响规律。分析LTV电极微孔加工各工艺参数对微孔加工性能指标的交互影响作用,分析各工艺参数对微孔加工性能指标的影响显著程度,并确定合理工艺参数范围。在最优工艺参数下,材料去除率提高了2.8倍,相对电极损耗率和微孔锥度分别降低了60%和80%。

关键词： 表面织构   激光加工   表面修饰   油膜厚度   限量供油  

摘要： 提高润滑效率、减少摩擦磨损是提高设备工作效率和服役寿命的有效措施。因具备环境污染少、资源利用率高等优点,少量且高效的有限量供油润滑方式成为近些年摩擦学研究的重点。提高润滑剂利用效率,保障接触副的润滑剂供给是限量润滑所要实现的目标。在接触副表面制备表面织构是改善接触副摩擦学性能和润滑状态的有效手段。此外,研究表明微纳织构阵列还能改变摩擦副表面润湿性,提高表面的自集油性能。本文研究了激光织构集油表面对点接触润滑性能的影响。结合低表面能涂层与微柱织构阵列制备了自集油表面,研究了限量润滑条件下其对润滑状态的改善作用和机理。主要内容包括:(1)充分供油条件下凹坑织构对点接触滑动润滑特性影响研究。使用皮秒激光器在钢球表面加工不同参数的微凹坑织构,研究其对点接触弹流润滑性能的影响,在光弹流油膜测量仪上测量了不同工况下的润滑油膜厚度和膜厚轮廓。结果显示接触区内的微凹坑织构明显改变了膜厚分布,凹坑到接触区出口位置形成了局部膜厚提升区域,凹坑到接触区入口位置和凹坑两侧形成了局部膜厚降低区域,这主要是由于凹坑的存在改变了局部压力分布。当凹坑位置靠近接触区入口时,两侧和前端的膜厚降低区域面积减小。此外滑动速度、载荷等参数也会影响膜厚变化区域面积和膜厚变化幅值。(2)限量供油条件下织构集油表面润滑性能研究。使用飞秒激光器在镀铬试件表面润滑轨道两侧制备以防指纹油涂层(AFC)修饰的微柱阵列,形成具有润湿性梯度的润滑增效束油表面。使用点接触光弹流润滑油膜测量仪测量了该表面在限量供油往复运动条件下的油膜厚度以及油池形态,探究了往复频率、束油轨道宽度和载荷对润滑性能的影响,同时与未经AFC修饰的微柱阵列束油表面、仅以AFC形成的束油表面和原始试件表面进行了对比。结果表明:制备的经AFC修饰的微柱阵列束油表面具有比其他两个束油表面更好的润滑特性,高频往复运动条件下明显改善了行程中点及两端点处的润滑状态,相对原始未处理表面行程中点处中心油膜厚度最高提升了51.4%。表面在束油轨道宽度接近Hertz接触区宽度时集油效果最强,随着轨道宽度增加集油效果减弱。载荷对微柱束油阵列表面的集油效果影响显著,随着载荷增大轨道机械分离作用变强、毛细回流作用减弱,造成集油能力和油膜厚度下降。(3)限量供油条件下织构集油表面减摩性能研究。使用飞秒激光在钢块表面制备了微柱阵列织构,进行了往复摩擦磨损实验,研究了限量润滑条件下集油表面的减摩降磨性能以及不同工况下织构表面对摩擦性能改善的影响。结果显示织构试件表面能够促进接触副润滑剂的回流,明显降低了摩擦系数。随着往复频率、载荷和亲油轨道宽度的增加,织构表面降低摩擦系数的效果减弱,这与第4章膜厚结果相对应。高的往复频率下织构表面即使未能有效降低摩擦系数,织构试件仍然能够有效降低磨痕深度和宽度。

关键词： 电火花线电极磨削   间隙约束   锥度微细轴   尺寸精度   位置波动  

摘要： 在航天航空、国防军工、精密仪器、生物医疗等领域,微细零件及微细结构的需求日益增加。锥度微细轴作为重要的微细零件及微细工具,其尺寸精度对产品的工作性能以及微结构的制造精度有着重要影响。微细电火花加工(Micro electrical discharge machining,Micro-EDM)技术是加工导电材料最有影响力的现代制造方法之一,其非接触特性使其能够加工各种强度和硬度的导电材料,其中,线电极电火花磨削(Wire electrical discharge grinding,WEDG)加工方法的加工精度较高,线电极与工件之间为点放电模式。为实现锥度微细轴的制备,并以提高其尺寸精度为目标,提出线电极双侧布置的间隙约束电火花磨削加工方法,即:以同一平面内两侧线电极形成的间隙宽度约束锥度微细轴直径,直径随间隙宽度线性变化,工件沿对称中心线和轴向方向同时进给。在间隙约束WEDG加工方法中,通过间隙宽度实现锥度微细轴直径的控制,通过切向与轴向进给距离之比与线电极夹角实现锥度微细轴锥度的控制,单位切向进给距离的材料去除量相等,使得锥度微细轴的尺寸精度得以保证。同时,两侧线电极均与锥度微细轴产生放电,有利于提高锥度微细轴加工效率。首先,建立了锥度微细轴直径及锥度控制模型,分析了影响锥度微细轴直径及锥度的控制因素,探究了加工区域内四种线电极非正常姿态对加工的影响,为间隙约束WEDG加工方法制备锥度微细轴提供了理论基础。其次,基于间隙约束WEDG加工方法,研发了锥度微细轴电火花加工系统,包括加工装置、电控系统和检测系统三大部分。加工装置实现锥度微细轴的制备,包括花岗岩床身、三轴运动平台、主轴模块、线电极磨削模块、加工模块及辅助结构;电控系统实现对加工装置的控制及加工过程的脉冲放电,包括强电控制模块、运动控制模块、脉冲电源模块、状态检测模块及开关控制模块;检测系统用于锥度微细轴尺寸、线电极间隙宽度及线电极张力的在线检测,包括张力检测系统与机器视觉检测系统。然后,为提高锥度微细轴的尺寸精度,对加工区域内线电极进行了动态与静态特性研究,探究了不同工艺参数对线电极张力、线电极直线度、线电极位置波动及间隙宽度位置波动的影响,建立田口实验,探究运丝过程中线电极位置波动与张力的关系,通过灰关联度分析,得出运丝系统动态与静态下的最优工艺参数。最后,进行间隙约束WEDG方法加工锥度微细轴的工艺实验研究,选定了线电极夹角,通过对刀策略确定了初始加工位置,选定了斜向循环进给的进给策略,提出了加工过程的伺服调节方案,初步确定了各加工阶段的加工参数,进而探究了各加工过程锥度微细轴的直径去除量和尺寸精度,最终制备出长度大于300μm,锥度±1°的锥度微细轴,其锥度偏差小于±0.07°,直径偏差小于±2.5μm。综上,提出了间隙约束WEDG加工方法,研制了锥度微细轴电火花加工系统,进行了加工区域内线电极动静态特性研究,实现了直径100μm以下、锥度±5°以内的锥度微细轴的制备,丰富了微细电火花加工微细零件及微细工具的方法,拓展了微细电火花加工技术在微细加工领域的应用。

关键词： 飞秒激光   ITO薄膜   表面周期纳米结构   纳秒激光   涡轮叶片   气膜孔   倍频法布里珀罗腔   脉冲串  

摘要： 飞秒激光具有超快超强特性,加工的材料适用范围广、热效应小、精度高。纳秒激光输出功率高、运行稳定、加工效率高。随着激光技术的迅速发展,激光精密加工在信息通讯、航空航天、医疗等领域中被广泛应用。本文结合飞秒、纳秒激光加工的特点,针对氧化铟锡（Indium-tin oxide,ITO）薄膜上高质量周期纳米结构制备与航空发动机涡轮叶片的气膜孔精密加工,开展了系统性研究。主要研究内容如下:1.利用柱透镜汇聚中心波长1030 nm、脉宽190 fs的飞秒激光,在ITO薄膜表面直写加工了大面积规则的低空间频率表面周期纳米结构（low-spatial-frequency laser-induced periodic surface structures,LSFL）。实验探究了不同激光参数对ITO薄膜表面形貌的影响,发现在合适的能流密度与扫描速度下可以在ITO薄膜表面加工出非常规则的LSFL;建立了四探针测量系统分别对飞秒激光直写后的ITO薄膜沿垂直与平行于LSFL的面电阻进行了测量,发现不同形貌的表面结构能够使ITO薄膜具有各向异性的导电性;建立了双探针测量系统在185 nm厚的ITO薄膜表面实现了单根LSFL（纳米导线）的电学测量,通过对不同能流密度激光辐照后的ITO薄膜表面进行成分分析,结果证明了飞秒激光直写不会影响ITO材料本身的电导率;最后通过测量,发现飞秒激光直写能够提高ITO薄膜对红外波段的透过率。这对ITO薄膜在太阳能电池、显示器件、有机发光器件等的应用有重要意义。2.创新发展了倍频法布里珀罗腔高效率产生脉冲串的新方法。利用中心波长为1030 nm、脉宽190 fs的飞秒激光倍频产生了中心波长为515 nm脉冲串,相邻子脉冲之间的时间间隔（60–1000ps）和衰减比（0.9–0.5）可以很容易地调整,激光的能量利用率高达50%并且保持不变。通过柱透镜汇聚时间间隔为150ps、衰减比为0.9的脉冲串在ITO薄膜上高效地制造了高质量的LSFL。对比原始高斯脉冲,脉冲串将纳米结构的深度从74.21 nm提高到了150.60 nm,将边缘粗糙度从33.05 nm降低到了7.34 nm,将表面粗糙度从15.54 nm降低到了2.06 nm,将结构取向角从15.58°降低到3.69°。与普通的法布里-珀罗腔相比,脉冲串的激光能量利用率和制造效率分别提高了19与25倍,能够在60分钟内加工出面积为30×28mm2且具有明亮结构色的“莲花”图案,上面覆盖着由优化激光参数的脉冲串制造的高质量的LSFL。通过条纹相机与CCD对脉冲串辐照过程中等离子体的超快过程进行研究,发现脉冲串可以有效地增强和延长SPP的激发,抑制沉积颗粒,抑制烧蚀余热和热冲击波,消除LSFL上形成的高空间频率表面周期纳米结构,从而在ITO膜上产生高质量的LSFL。3.综合利用纳秒激光高效率和飞秒激光高精度的加工优势,基于摇篮式高精度五轴运动台,研发了四光楔加工模组、同轴监测模块、气膜孔在线检测模块、涡轮叶片与气膜孔姿态调整与定位模块等核心部件,研发了一台商用航空发动机涡轮叶片气膜孔的激光加工设备。完成了以下工作:（1）研究了纳秒–飞秒激光在金属平板上气膜孔的激光加工技术,实现了不锈钢平板上不同倾斜角的圆形、扇形气膜孔激光加工。（2）在带热障涂层与不带热障涂层的陶瓷复合基材料平板上实现了不同倾斜角的圆形、扇形气膜孔激光加工。（3）研究了涡轮叶片气膜孔加工过程中的夹装、定位、姿态变换、在线测量等关键问题,在3D打印的不锈钢涡轮叶片上实现了81个气膜孔的加工。（4）通过在线检测分析气膜孔表面轮廓、通过工业塞规检测气膜孔内部通道、通过剖切气膜孔分析孔型与内壁质量、通过工业CT无损检测分析孔整体形貌,结果表明,加工的气膜孔整体孔径误差小于30μm,重熔层与微裂纹厚度远低于工业误差标准,涡轮叶片气膜孔定位精度小于100μm,孔壁无交叉。

关键词： 激光加工   激光打孔   五轴扫描系统   控制卡   ZYNQ  

摘要： 高精度制孔技术在工业领域已被广泛应用在高性能航空发动机气膜孔、内燃机喷油嘴、半导体探针卡、熔喷布喷丝板等高端器件制造中,并对孔壁表面粗糙度、孔口形貌和不同锥度孔型尺寸精度和质量以及效率的要求越来越高。常规的激光垂直入射钻孔方法,因光束的汇聚特性,在加工一定深径比的孔型时,孔边缘会阻挡部分聚焦光束,造成光束能量密度下降,从而导致材料去除量下降,形成一种正锥形孔壁,严重影响了制孔的尺寸精度和质量。目前解决这一难题的方法之一是采用多组光学镜片构建的多轴激光扫描加工系统,在加工时通过调控聚焦激光束倾斜角度和光斑扫描位置,不但能消除孔边缘阻挡光束,改善制孔尺寸精度和质量,提高制孔效率,而且还能制造各种形状的异型孔。然而,面对多轴激光扫描加工系统的控制方案面临两大问题:1、如何确保系统稳定可靠的同步协调联动性,达到高精度、高质量的制孔效果;2、系统在加工过程中会产生大数据量,如何选择合理通讯方式以及数据流量控制方案,实现系统的高效性。虽然,目前国外对这些问题已进行了深入的研究,并已出现相应的商用产品,但国内研究还处于初级阶段,尚未出现自主研发的产品。 针对以上问题,本课题基于团队自主研制的大幅面五轴激光扫描加工平台,展开了五轴激光扫描加工控制系统的单板同步方案设计与研制。基于XILINX公司的So C(System on Chip,片上系统)器件ZYNQ,设计并研制了五轴激光扫描加工平台的控制系统,主要研究内容包括:1、通过Qt框架对控制系统的上位机软件进行开发,实现了基本的UI(User Interface,用户接口)以及直线扫描、圆弧扫描、圆填充、激光器功率和频率调节等功能;2、通过XILINX逻辑设计软件VIVADO,实现了ZYNQ中PL(Programmable Logic,可编程逻辑)端对五轴同步协调控制逻辑功能与激光器功率和频率调控功能;3、通过集成开发软件VITIS,实现了ZYNQ中PS(Processing System,处理器系统)端的ARM处理器编程,在实时操作系统Free RTOS中,实现了ZYNQ与上位机的TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)网络通讯以及与PL端的交互;4、通过PCB设计软件Altium Design,进行了控制卡硬件电路设计,实现了4层PCB的控制卡专用板卡,完成了大幅面五轴扫描系统的控制系统研制,并用于控制大幅面五轴激光扫描加工平台,进行了基本激光扫描加工试验,以及在高温合金和玻璃纤维复合材料上进行激光制孔实验来验证控制系统可行性和可靠性。 通过控制系统中的上位机矫正文件对五轴激光扫描平台矫正后,在厚度为1 mm的高温合金材料上加工直径为200μm的圆柱通孔,可加工最大孔的深径比为5:1,入口与出口圆度较高,侧壁平直,无重铸层和极小的热影响区,钻孔加工精度在5μm以内;在厚度为3.6 mm的玻璃纤维复合材料上加工尺寸为7 mm×7 mm的直璧方形通孔以及异形通孔,入口、出口与侧壁均无碳化分层现象,孔口及侧壁误差均在5μm以内。实验结果表明,自主研制的控制系统控制五轴激光扫描加工平台的同步协调联动性能良好,能够长时间进行高精密孔的加工,也证明了矫正的合理性以及控制系统的精确性与可靠性。

关键词： 冲压模具   激光加工   微织构   摩擦系数   磨损形貌  

摘要： 在冲压过程中,模具直接与材料发生相互作用,使材料受压产生分离或变形,同时模具也受到大小相同的反作用力,使部分工况下模具需承受高速、重载等恶劣条件。因此,进行模具表面强化处理,对提高模具使用寿命和降低冲压成本具有重要意义。传统的模具表面强化处理技术已经可以有效提高模具使用次数,但大部分技术存在效率低、污染重等限制。表面微织构具有减小摩擦、降低磨损的作用,目前已广泛应用于刀具减摩、缸套活塞环减摩等领域。微织构的激光加工技术具有速度快、无污染等优势,适用于模具表面大面积快速加工。通过在模具表面加工微织构,有望减轻冲压过程中模具表面的摩擦磨损,提高模具使用寿命,改善模具和零件表面质量。本文开展了基于皮秒激光的SKD11模具钢表面微织构加工工艺研究,获得了激光工艺参数和微织构特征的对应关系,通过摩擦磨损实验研究了沟槽织构几何参数和分布特征对于SKD11模具钢摩擦磨损性能的影响,明确了最佳的减摩微织构特征,结合模具冲压过程的热力耦合有限元分析和模具冲压实验,研究了织构化模具的摩擦磨损性能。首先,开展了模具钢表面微织构的激光加工工艺研究及其材料学特性分析。采用数值计算法得出不同脉冲个数下SKD11模具钢的烧蚀阈值,发现脉冲个数由100增加到1000时,其烧蚀阈值不断降低。开展了孔加工和单线沟槽加工实验研究,获得了不同工艺参数对微孔和单线沟槽织构的尺寸和形貌的影响规律。开展了线阵沟槽加工实验研究,研究了激光加工参数和沟槽织构特征的对应关系,优选横向扫描、扫描间距10μm、激光功率30 W、加工次数15次、扫描速度200 mm/s、重复频率100 kHz作为加工参数。分析了不同表面的元素含量变化,发现织构化表面Fe、Cr元素含量下降,C元素含量上升,同时出现了 O元素,线阵沟槽织构的表面O元素含量最高。测试了织构化表面硬度,发现沟槽织构附近区域硬度有所提升,沟槽织构中心硬度最高提升12.04%。其次,开展了干摩擦条件下织构化模具钢表面的摩擦磨损实验研究。研究了法向载荷和旋转速度对摩擦磨损实验结果的影响,选用法向载荷35 N、旋转速度100 mm/s作为工况参数。研究了沟槽织构宽度、深度、面积密度等几何参数对模具钢摩擦磨损性能影响规律,发现随宽度增大,摩擦系数减小,磨损体积增大,宽度较大时沟槽织构边缘疲劳磨损加剧,磨损后表面质量下降;随深度增大,摩擦系数和磨损体积减小,磨损后表面粗糙度降低;沟槽织构面积密度为23.53%时摩擦系数和磨损体积最小,磨损后表面粗糙度最低,较大的面积密度会增加磨损量。研究了沟槽织构与运动方向所成角度对模具钢摩擦磨损性能影响,发现与运动方向成90度角的沟槽织构表面的摩擦系数和磨损体积最小,其表面磨损后的表面粗糙度Ra值相较于无织构表面降低了 66.03%。最后,开展了织构化冲孔模具和折弯模具的摩擦磨损性能研究,揭示了模具表面织构的减摩抗磨机理。通过模具冲压过程热力耦合仿真分析,研究了织构化模具冲压过程的应力场和温度场变化规律,发现与无织构模具相比,织构化模具应力分布发生改变,其中冲孔模具刃口处的应力降低,但模具整体的最大应力数值提高,在沟槽织构附近区域发生应力集中;织构化冲孔模具和折弯模具的最高温度分别降低了 16.87%和8.63%,沟槽织构可以增加模具表面散热面积。开展了模具冲压实验,发现冲孔模具侧面织构化区域的磨损体积比无织构区域降低了 12.16%,且磨损后表面粗糙度更小,磨损后织构化区域存在沟槽填充现象;对比冲压后冲孔模具刃口处磨损形貌,发现织构化区域的“塌边”情况明显改善;对比冲压后折弯模具V槽顶端磨损形貌,发现冲压后无织构区域V槽顶端边缘发现典型的犁沟状磨痕,而织构化区域未发生此现象。仿真和实验结果表明,在冲孔模具侧面和折弯模具V槽顶端加工沟槽织构可显著增强两者的减摩抗磨性能。综上所述,织构化冲压模具在干摩擦条件下的减摩抗磨机理主要包括储存磨粒磨屑进而减少三体磨粒磨损、减少接触面积、激光加工区域硬度增加、改变应力分布情况、抑制摩擦温升等。

关键词： 飞秒激光   增透微结构   熔融石英   曲面仿真   时域有限差分法  

摘要： 随着红外技术在各个领域中的广泛应用,其所面对的工作环境更加复杂多变,使得承担保护红外系统内部光学元件这一重任的红外窗口在整套系统中的作用逐渐凸显。为了使红外窗口对光学信息传输的阻碍降到最低,针对其透射率提升的研究越发有必要性。传统的多层增透膜方法,较易发生层间分离,且强度较低,热稳定性不高。为了改善以上缺点,从蛾眼仿生研究中发展出的基于表面微结构的增透方法在红外窗口制造方面越来越受到重视。在各种微纳制造技术中,飞秒激光是制备表面增透微结构的有力工具。本文将围绕熔融石英表面增透微结构的设计和飞秒激光加工方法展开。本论文的主要研究内容如下:(1)首先,通过亚波长衍射理论分析了透射率提高的方法并计算出针对1μm波长的增透微结构的理论周期为0.45μm,理论深度为0.2μm。然后,使用时域有限差分法(FDTD)建立了光栅、抛物型孔、抛物型锥和凸台微结构的仿真模型,分析了这些微结构在不同高度、周期和占空比下的光场强度的局部增强现象和透射率。随后,提出了曲面离散化仿真计算方法,并基于此比较了不同加工方式所得到的微结构的增透效果。综合以上分析,得出的结论是,各种结构的透射率普遍随微结构高度的增加而增加,随周期的增大和入射光入射角度的增大而下降。其中,光栅和抛物型孔微结构的透射率随微结构宽度的增加而下降,抛物型锥和凸台微结构则相反。仿真结果还表明,抛物型锥和凸台微结构的增透效果对微结构形貌的小幅变化有较好的包容性,抛物型孔微结构的增透效果则对周期这一参数不敏感。这些优化的结构参数可以为后续加工提供方向指导。(2)为了加工出所设计的增透微结构,通过搭建双脉冲发生装置调整了激光的脉冲序列,通过缩束系统调整了激光的空间分布,通过倍频晶体调整了激光的频率,并探究了加工前后的表面处理方法。基于以上方法,探究了不同激光工艺参数(激光能量、离焦量以及加工速度)对微结构形貌尺寸的影响。最后,通过优化实验参数,成功使所得微结构的尺寸突破了衍射极限,加工出的孔洞微结构的直径降低到300 nm以下。(3)为了全面表征飞秒激光加工微结构后的熔融石英窗口的综合性能,对其进行了透射率测试、粗糙度表征、浸润性测试和红外成像测试。在透射率测试中,利用双脉冲缩束倍频光路加工的孔洞微结构实现了1μm波长处的透射率提升,达到了99%,且在经过多次磨损测试后仍可保持增透效果。在浸润性测试中发现,单脉冲光路和双脉冲光路加工的窗口的表面疏水性得到提高,而双脉冲缩束倍频光路加工出的窗口表面的亲水性得到提高。在红外成像测试中发现,使用双脉冲缩束倍频光路加工出的窗口在水雾环境下的成像效果略有降低,但在正常环境和覆盖黑色涂层的情况下的成像效果都较好。以上测试结果验证了所加工的微结构在近红外波段具有良好的增透效果,并且在一些异常环境中仍能保持较好的成像性能。图92幅,表11个,参考文献97篇。