关键词： 电火花加工   碳纤维增强复合材料   石墨烯水溶液   工艺规律   参数优化  

摘要： 碳纤维增强复合材料(CFRP)因其具有较高的比强度、抗疲劳及耐腐蚀性能优异,整体性能好等一系列优点而被广泛应用于航空航天、机械等多个领域。然而,由于其层状结构,力学特点表现为各向异性,导致机械加工CFRP时常出现毛刺、出口劈裂等缺陷,同时,对刀具造成严重的损害,使得刀具寿命减少。 电火花加工(EDM)早已成为现代制造业中必不可少的加工方法。电火花加工主要利用微放电能量蚀除材料,可以有效避免机械加工CFRP产生的毛刺等缺陷,但仍存在加工效率低、表面质量差。因此,本文提出了一种基于石墨烯水溶液的CFRP电火花加工方式,石墨烯纳米颗粒可以在电极和工件之间形成比普通电火花加工中更大的电容,增加了放电能量,有效提高CFRP的加工质量和效率,主要研究内容如下: (1)基于石墨烯水溶液的CFRP电火花加工机理研究。阐述了石墨烯水溶液的CFRP电火花加工机理,石墨烯纳米颗粒的存在改变了工作液的介电特性,增大放电电容和放电间隙,使放电过程更加稳定并提高加工效率;通过不同放电介质的CFRP电火花加工对比实验,发现石墨烯水溶液电火花加工CFRP的材料去除率较煤油和去离子水分别提高76%和18%,热影响区减小8%和4%,证明石墨烯水溶液作为放电介质,在提高电火花加工CFRP的效率和减小热影响区方面是有效的。 (2)探索基于石墨烯水溶液的CFRP圆形孔的电火花加工特性。通过单因素实验,研究放电参数对材料去除率、电极损耗率和热影响区的影响规律,结合正交试验的方差分析研究工艺参数对电火花加工圆形孔加工效果影响主次顺序,并建立线性回归模型,对正交试验结果进行拟合,分析各因素之间的交互作用。以最大材料去除率、最小电极损耗和最小热影响区为目标,采用灰色关联法进行多目标优化,得出一组最优加工参数。 (3)探索基于石墨烯水溶液的CFRP方形孔的电火花加工特性。设计了以石墨烯水溶液浓度、放电极性、峰值电流、脉冲宽度等作为加工工艺参数,材料去除率、电极损耗率和热影响区为工艺指标,研究加工参数对工艺指标的影响规律。采用信噪比和灰色关联分析相结合的方法对正交试验结果进行单目标和多目标优化分析,优选出满足各个工艺目标要求的最优加工工艺参数组合方案。多目标优化后灰色关联度值提高7%,对改善CFRP的加工质量、提高加工精度以及加工效率有着重要的意义。

关键词： 钙钛矿量子点玻璃   飞秒激光加工   偏振结构   偏振发光   光学防伪加密  

摘要： 凭借着优异的光吸收系数、荧光量子效率、可调谐发光波长以及较长的载流子扩散距离,金属卤化物钙钛矿材料在发光二极管、光电探测、太阳能电池、光催化剂、激光等前沿领域引起了广泛的关注。最近,在钙钛矿量子点众多的优异性质中,钙钛矿量子点的偏振性能逐渐被研究人员发掘和研究,应用在了偏振光源、偏振光探测以及偏振防伪等领域。但是,由于本征离子晶体结构的限制,钙钛矿量子点很容易受到环境如高温、高湿度以及强光等影响,引起晶体结构的损坏和分解,从而导致性能的下降。而在众多的能够提高钙钛矿量子点稳定性的方法中,钙钛矿量子点玻璃利用了紧密的玻璃网络结构隔绝了量子点与外界的接触,从而大幅度提高了钙钛矿量子点的稳定性。然而,零维的量子点不具备极化特性,为了实现钙钛矿量子点的偏振性能,需要采用定向排列的方法。本论文针对这个问题,提出利用飞秒激光诱导和低温热处理的方法,在玻璃内部构建钙钛矿量子点偏振光学结构,实现了钙钛矿量子点玻璃的偏振特性。这种方法不仅能够提高钙钛矿量子点的稳定性,还可以在偏振显示、光学偏振防伪和信息加密等领域拓展其应用。通过本论文的研究,为钙钛矿量子点玻璃的偏振研究提供了一种新的思路和方法,具有重要的研究价值和实际应用前景。具体内容如下:（1）利用熔融冷却法和热处理制备了不同卤素掺杂的Cs Pb X（X=Cl,Br,I）量子点玻璃,提高了钙钛矿量子点的化学稳定性和热稳定性,同时研究了飞秒激光的加工参数、如脉冲能量、曝光时间以及加工速度对Cs Pb X（X=Cl,Br,I）量子点玻璃析晶情况的影响,为后续进行玻璃内部光学偏振结构的构建打下先决基础。（2）通过加工程序的设计,利用飞秒激光在玻璃内部构造了线阵列,然后通过低温热处理诱导晶核长大,实现了Cs Pb X（X=Cl,Br,I）量子点线阵列结构在玻璃三维空间内的可控形成。得益于线阵列光学线偏振结构,本研究实现了Cs Pb X（X=Cl,Br,I）量子点玻璃线偏振特性。本研究还探究了不同的线阵列结构参数（如线宽和间距）对Cs Pb X（X=Cl,Br,I）量子点玻璃的线偏振性能的影响。最终,我们获得了在目前加工条件下,Cs Pb X（X=Cl,Br,I）量子点玻璃的最优线阵列结构参数。这些结果对于进一步提高钙钛矿量子点玻璃的线偏振特性,并在防伪、偏振探测等领域中实现更广泛的应用具有重要意义。（3）通过加工程序的优化和设计,利用了飞秒激光辐射和低温热处理在Cs Pb Br量子点玻璃内部构造了二维和三维的螺旋结构,从而实现了Cs Pb Br量子点玻璃的左旋和右旋圆偏振发射。在探究了2D螺旋结构的参数（如圈数和间距）对Cs Pb Br量子点玻璃圆偏振性能的影响,我们获得了在目前加工条件下Cs Pb Br量子点玻璃的二维螺旋结构的最优结构参数。为了进一步提高Cs Pb Br量子点玻璃的圆偏振性能,我们优化了加工工艺,并操控飞秒激光在Cs Pb Br量子点玻璃中刻写三维螺旋结构,进一步实现且增强了Cs Pb Br量子点玻璃的圆偏振特性。此外,我们也探究了三维螺旋结构的参数（如直径和圈数）,对Cs Pb Br量子点玻璃的圆偏振性能的影响,得到了在目前加工条件下Cs Pb Br量子点玻璃的最优三维螺旋结构参数。（4）通过设计和加工,我们在Cs Pb X（X=Cl,Br,I）量子点玻璃中引入不同的光学偏振结构,成功实现了线偏振光或者圆偏振光的输出,并利用这些结构设计和加工成不同图案,实现了光学防伪和加密的演示。具体地,我们对不同卤素掺杂的钙钛矿量子点玻璃进行了不同方向的线阵列结构刻写,利用这些结构在不同的发射偏振角度的亮度差异,实现了光学防伪的功能。此外,对Cs Pb Br量子点玻璃进行二维码图案的设计和加工,实现了信息的加密演示。最后,我们设计并加工了二维螺旋结构,利用左旋圆偏振光和右旋偏振光在同一个检测角度的亮度差异实现了光学防伪应用。

关键词： 表面织构   激光加工   液相辅助   摩擦特性   润湿性能  

摘要： 表面织构技术能明显改善零件表面的润湿及摩擦性能,被国内外学者关注并应用于机械工程领域。304不锈钢以其优异的力学及耐腐蚀性能在机械零部件中有着广泛应用,为提升304不锈钢的润湿性能、耐腐蚀性及摩擦学性能,本课题将液相辅助加工技术与激光表面织构制备相结合。利用激光高能光束与溶液-基体交互作用时产生的负压冲击效应、界面衰减效应及散射效应,降低了激光制备表面织构时的区域热效应、熔融物重铸及毛刺等问题,提高了加工质量及效率。此外,通过改变激光扫面轨迹,在试样表面制备出了三维离散面织构,增加了织构表面形貌的多样性,进而使304不锈钢表面的润湿性能、耐腐蚀性能及摩擦特性更优。本论文主要研究内容如下:首先对304不锈钢材料特性及雨水腐蚀影响进行阐述,开展了雨水腐蚀前后304不锈钢性能对比实验,获得了雨水腐蚀前后304不锈钢的表面形貌、润湿性和摩擦学性能。其次,将激光表面织构制备与液相辅助加工技术相结合,对液相辅助机理及激光加工参数进行探究,进而在304不锈钢试样表面制备出了表面形貌、润湿性及摩擦性能更优的三维离散面织构。然后,在空气和液体辅助条件下,以圆形和交叉两种激光扫描方式在304不锈钢表面上制备了四种不同类型的表面织构(KY、YY、KJ和YJ)。借助SEM及EDS测定了试样的表面形貌和元素含量,利用接触角测量仪表征了试样表面的润湿性,使用MWF-500往复式摩擦磨损试验机在干摩擦及油润滑条件下进行了摩擦学试验。结果表明:液相辅助下,试样表面生成了类波浪特性的微观形貌织构,增强了表面润湿性能。尤其交叉扫描制备的表面织构,其微坑分布更为均匀,更容易捕获磨损磨粒,进而减少了界面磨损颗粒数量,表现出更优的界面摩擦学性能。最后,进行了空气-液相复合激光织构制备研究,制备出两种扫描间隔分别为0.02 mm和0.05 mm的表面织构(CM2和CM5)。结果发现:空气-液相复合激光制备的表面织构整体呈现疏水特性,进而提升了304不锈钢表面的耐腐蚀特性,但与CM2试样相比CM5试样的激光扫描间距过大,激光加工不充分,导致CM5试样表面均匀性及疏水较差。CM2试样表面形貌分布均匀,无较大的微凸峰,导致摩擦实验时界面刮擦及磨粒较小,且较为均匀的微凹坑可以更好地捕捉磨粒,减小摩擦界面的刮擦行为。

关键词： 金刚石涂层微工具   脉冲激光加工   表面微结构   磨削性能  

摘要： CVD金刚石涂层微工具作为一种新型的微加工工具,利用涂层表面的磨粒实现磨削加工。CVD金刚石涂层微工具由于具有良好的加工性能和耐磨性,近年来逐渐得到相关学者的关注。但是由于不含结合剂,磨粒密度大,容屑空间小,易发生堵塞,这使得CVD金刚石涂层微工具的应用具有了局限性。 本课题开展了金刚石涂层微工具的水膜辅助脉冲激光加工工艺研究。首先搭建了脉冲激光加工系统,进行了激光功率的标定,运动轴的误差补偿。基于机器视觉对圆跳误差进行了补偿,将刀具的圆跳误差由原来的几十微米下降到了5μm以内。阐述了脉冲激光加工的机理,对于本文所加工的材料,亚纳秒激光加工为热平衡烧蚀机制,皮秒激光加工为混合烧蚀机制。分析了水膜对激光加工的作用影响,根据高斯光学理论和卷积原理,得到了激光在材料表面方向和横截面方向的能量分布模型。 其次,进行了水膜辅助激光加工工艺实验研究。进行对比实验,说明了水膜辅助的引入能良好地改善激光烧蚀的热效应,提高加工质量。分别对硬质合金基体和CVD金刚石涂层进行了激光加工实验。通过硬质合金基体的沟槽加工实验,得到了激光的束腰半径为6.10μm,完善了激光能量的分布模型,模型对于激光加工的定性描述具有良好的指导意义。分析了各加工参数对于烧蚀沟槽几何尺寸的影响规律,激光对CVD金刚石涂层的作用规律和基体材料一致,皮秒激光的加工质量优于亚纳秒激光。进行了平面加工实验,分析了各加工参数对于方形微结构加工质量、去除深度和速率的影响规律。利用合适的加工参数获得了质量较好的V型槽。 最后,进行了金刚石涂层微工具的加工应用研究。选择了CVD金刚石涂层微工具的刀具参数,在合适的激光参数完成了不同参数微结构化CVD金刚石涂层微工具和基体微工具的制备。通过单因素实验得到了磨削参数对加工表面质量的影响规律,得到了加工的良好参数,即主轴转速30000rpm,进给速度2mm/min,磨削深度4μm,磨削宽度50μm,在该参数下验证了结构化工具对于磨削的改善作用。

关键词： 飞秒激光微纳加工技术   抗反射微结构   机器学习算法   BP神经网络  

摘要： 通过在表面制备微结构来提高材料的抗反射性是目前国内外研究的热点。飞秒激光具有超短的脉冲宽度与超高的峰值功率,在复杂三维结构的选择性、高精度、高质量加工中独具优势,被广泛应用于材料的精密加工中。利用飞秒激光在材料表面制备微结构来提高其抗反射性是一项极具发展潜力的技术。然而飞秒激光加工过程复杂,涉及多个工艺参数,加工结果受多种因素影响,且呈非线性,需要进行大量的实验研究来确定最优参数组合。通过机器学习算法可建立激光加工工艺参数到加工结果之间的快速预测模型,对不同加工参数下的微结构形貌尺寸与加工质量进行预测,找到最优参数组合,从而优化加工质量、提升加工效率。本论文开展了基于机器学习的飞秒激光加工微坑阵列形貌尺寸、质量的快速预测方法及其抗反射性研究。主要研究内容和成果如下: （1）采用飞秒激光精密加工技术在PMMA材料表面制备了不同形貌尺寸的微坑结构,对微坑结构的直径、深度和表面粗糙度进行了测量,建立了激光加工参数-微坑形貌尺寸、加工质量数据库。采用随机森林算法（RFR）与BP神经网络两种算法对不同激光通量、脉冲次数以及脉冲重复频率下的微坑结构的直径、深度与表面粗糙度进行预测。通过均方根误差（RMSE）、确定系数（R2）以及平均绝对误差（MAE）对RFR与BP神经网络两种模型的预测能力进行了评估。研究显示,BP神经网络的整体预测准确率相比RFR略高一些,BP算法在微坑直径、深度和表面粗糙度预测上的拟合度R2分别为0.81、0.91和0.95,RMSE和MAE两项误差分别为2.32、5.70、0.66和1.71、3.87、0.50。 （2）基于多种机器学习算法,建立了激光加工参数与微坑表面质量之间的二分类优化模型。研究发现支持向量机算法（SVM）与BP神经网络算法相比于决策树（DT）、朴素贝叶斯、k近邻算法（KNN）等准确率更高。为进一步提高模型的准确率,利用遗传算法（GA）对BP算法进行了优化,并与蝗虫算法（GOA）优化之后的SVM算法进行了对比。研究表明,在数据量充足的情况下GOA-SVM算法的分类准确率达到了98.9%,高于GA-BP算法的96.9%。由此可见,本文提出的GOA-SVM算法可以有效的对不同激光加工参数下的微坑表面质量进行分类,具有极高的分类准确率。 （3）利用ZEMAX软件,对飞秒激光加工的微坑阵列结构的抗反射性进行了模拟,研究了表面微结构参数对反射率的影响。研究发现,随着微坑直径的增大,材料表面的反射率逐渐降低,抗反射性能得到增强;随着微坑深度的增加,材料表面的反射率略微降低,抗反射性能逐渐下降。研究并对比了不同基础反射率材料表面微坑阵列结构的抗反射性。当基础材料表面的反射率为95%,80%,65%时,平均降反率为31%,25%和22%。由此可见,微坑阵列结构具有良好的抗反射性。

关键词： 钙钛矿   光电性质   飞秒激光   旋涂法   光电探测器   晶粒尺寸  

摘要： 金属卤素钙钛矿材料具有优良的光学和电学性质,如强光吸收能力、高载流子迁移率和长载流子寿命,可以作为光吸收材料制备光电器件,因此吸引了越来越多人的关注。然而,钙钛矿自身的缺陷所引起的非辐射复合会限制载流子的传输,从而影响使用其作为光活性材料的光电器件的性能。因此,为了减少钙钛矿的非辐射复合,钝化钙钛矿表面和晶界处的缺陷是目前钙钛矿研究的重要课题之一。目前研究较多的是化学钝化法,其在提升钝化效果的同时会引入一些副作用,例如,复杂的流程、降低的钙钛矿导电性和潜在的环境污染等。针对上述研究现状,本论文提出了利用飞秒激光加工钙钛矿薄膜减少非辐射复合的新方法,从钙钛矿晶界的交联和表面形态的改变着手,研究其减少钙钛矿薄膜非辐射复合的作用机制,并将其应用于光电探测研究。本论文的主要内容分为以下三个部分:1.甲铵铅碘(MAPb I)钙钛矿薄膜制备与表征。首先,合成了甲铵碘(MAI)粉末材料。然后,以1:1摩尔比将MAI和Pb I混合溶解于DMF和DMSO混合溶剂中,制备得到透明的MAPb I钙钛矿前驱体溶液。之后,将玻璃基片用去离子水、乙醇、丙酮和异丙醇依次超声清洗,随后进行亲水处理,并采用一步溶液旋涂法制膜。然后,将样品转移至热台上进行退火处理,得到MAPb I钙钛矿多晶薄膜。最后,对得到MAPb I钙钛矿薄膜进行SEM、EDS、XRD、PL和吸收光谱等一系列表征,从而为下一步开展飞秒激光加工奠定了材料基础。2.飞秒激光加工MAPb I钙钛矿薄膜的研究。首先,使用飞秒激光作为光源,通过使用反射镜、光阑、λ/2波片、格兰棱镜、物镜和三维移动平台搭建了飞秒激光加工装置,并以此来进行对MAPb I钙钛矿的激光加工处理。之后,通过前后移动三维平台来调节不同的离焦距离,研究激光功率密度对加工效果的影响。从加工后钙钛矿薄膜的SEM图中可以发现:当离焦距离较小时会烧蚀破坏钙钛矿薄膜,而当离焦距离较大时则会发生严重的衍射现象。因此通过对比优化后,确定了离焦距离。接下来,通过调节三维移动平台的速率研究了飞秒激光的扫描速率对钙钛矿表面的影响,从共聚焦显微镜图片中可以看到:随着激光扫描速率的增加,衍射现象越严重且加工效果越差,因此这里我们选择了三维平台最小的移动速率。最后,使用上述最优的飞秒激光参数对MAPb I钙钛矿薄膜进行加工处理。3.飞秒激光加工MAPb I钙钛矿薄膜减少非辐射复合机制的研究。首先,对加工前后的MAPb I钙钛矿薄膜进行了SEM表征,通过分析钙钛矿晶粒尺寸和晶粒数目,发现飞秒激光加工后晶粒变小和晶界变窄。之后,对飞秒激光加工前后的MAPb I钙钛矿薄膜进行了横截面SEM和原子力显微镜(AFM)表征,从图中可以看到激光加工后钙钛矿薄膜的表面变得更加光滑且厚度变薄,说明激光能够抛光钙钛矿薄膜,有利于减少非辐射复合。对两者测得的XRD图也证明了晶粒尺寸变小,其晶面没有发生改变,说明激光加工并没有破坏晶体的晶格结构。之后,对加工前后MAPb I钙钛矿薄膜进行了荧光光谱表征,发现飞秒激光加工后样品有明显的荧光增强,这表明激光加工后钙钛矿的非辐射复合有所减少。时间分辨荧光光谱表征发现激光加工后钙钛矿薄膜的载流子寿命有所增加,空间电荷限制电流(SCLC)测试也发现激光加工后其缺陷密度减少,进一步证明了非辐射复合的衰减。最后,采用飞秒激光处理前后的钙钛矿材料制备了光探测器,并实现了响应度、探测度、外量子效率的提升。本研究证明:飞秒激光加工MAPb I钙钛矿薄膜能够通过微小晶粒交联相邻晶粒,实现抛光钙钛矿表面的效果,从而实现减少钙钛矿薄膜的非辐射复合。

关键词： 聚晶金刚石   电火花加工   Cu-Ni合金   石墨烯粉末   去除机理   织构  

摘要： 聚晶金刚石(Polycrystalline diamond,PCD)拥有超高的硬度、耐磨性和抗冲击韧性等机械性能,是目前应用最广泛的刀具材料之一。常作为机械加工的刀具、石油钻头和地质钻头的工具。但传统机械加工方法对PCD这种超高硬度的材料进行加工非常困难。电火花加工作为硬脆材料加工应用最广泛的加工方式之一,比较适合加工PCD。传统电火花加工使用铜(Cu)电极加工PCD,加工效率与加工质量一直不佳,石墨烯具有优良的导电性和导热性,可使火花放电更加稳定和均匀,并能增强排屑能力进而提高加工质量。此外镍可促进PCD的石墨化。本课题使用铜镍(Cu-Ni)电极和石墨烯混合电介质相结合的方式来提高PCD电火花加工效率和加工质量。主要研究内容及结论如下:(1)研究了Cu-Ni电极对电火花加工PCD的影响和加工机理。采用Cu-Ni电极和Cu电极进行电火花加工对比实验,分析加工参数和电极材料对PCD的表面形貌、材料去除率和表面粗糙度的影响规律。结果表明,高参数加工时两种电极均取得更高的效率但表面质量下降,Cu-Ni电极在高参数下的材料去除率为0.563mg/min,表面粗糙度为6.25μm;在低参数下分别为0.187mg/min和4.96μm。高参数下Cu-Ni电极加工的材料去除率比Cu电极加工提升了37%,表面粗糙度下降了2.4%;在低参数下,Cu-Ni电极的材料去除率则提升了65%,表面粗糙度下降了5.5%。这是由于不同放电能量加工时,材料的去除方式不同。高参数加工时材料去除方式主要依靠高能量产生的爆炸力去除,CuNi电极中的Ni原子对金刚石石墨化起辅助作用;低参数加工时Cu-Ni电极主要依靠Ni原子的催化作用使金刚石表面加速石墨化,再由放电能量去除掉硬度低的石墨层。(2)研究了石墨烯粉末对电火花加工PCD的影响和加工机理。采用Cu-Ni电极和石墨烯混粉电介质进行电火花加工实验,结果表明加工表面优于普通电介质加工,材料去除率相比普通电介质加工提升了87%,表面粗糙度降低了13%。XRD和Raman光谱分析结果表明使用石墨烯混合电介质加工时,PCD石墨化程度最高。(3)采用Cu-Ni电极和石墨烯混粉电介质在PCD表面电火花制备沟槽状微织构,并研究表面微织构对PCD摩擦磨损性能的影响。在干摩擦工况下,沟槽状微织构明显提高了PCD工件表面的摩擦磨损性能,降低了工件的摩擦系数;在润滑摩擦工况下,无织构PCD工件的摩擦系数更低,摩擦状态更好;织构化的PCD工件在摩擦测试前半段有较好的效果,但后半段的摩擦系数大于无织构PCD的摩擦系数。

关键词： 超声振动辅助激光加工   烧蚀阈值   数学建模   疏水性   粗糙度  

摘要： 表面形性包括材料的表面三维形貌和功能性质,随着材料科学和机械行业的不断发展,一些高端科技领域对材料的性能(物理属性、功能属性等)有了更高、更特殊的要求,传统的机械加工工艺很难或无法满足这些特殊材料功能性表面的加工需求。激光加工技术在这些需求的牵引下应运而生,并被大力发展。广大学者将超声振动与激光技术相结合,有效的解决了传统激光加工中存在的存在热影响区大,表面质量差等问题,并且能够在金属表面加工出具有特殊功能属性的微纳结构。 对于超声辅助激光加工金属表面形貌和功能性质的预测,关键的环节是要建立系统的激光加工形貌数学模型。但目前对于超声振动辅助激光加工技术的研究主要是基于实验开展的,将激光加工材料表面的三维形貌、功能属性与加工参数相结合的理论模型尚不明确,没有完善的理论体系。基于此问题,本文针对以下几方面内容展开研究。 (1)探究了纳秒激光在加工金属材料过程中激光能量与工件表面间相互作用规律。提出了一种基于传热学的激光加工金属表面烧蚀阈值的理论计算方法,优化了现有的脉冲激光烧蚀直径理论模型,并通过黄铜、铝、锌三种金属进行了烧蚀阈值的实验验证。理论值与实验值相比烧蚀阈值的误差范围为1.38%-10.45%,烧蚀直径的误差范围为0.79%-10.10%。 (2)基于传热学和几何数学,推导出了纳秒脉冲激光加工金属表面形貌的数学模型。分别给出了纳秒激光单一脉冲烧蚀和连续脉冲叠加烧蚀金属材料表面重铸层的数学模型,并通过实验验证了模型的可行性。单脉冲烧蚀凹坑直径和深度误差分别为2.56%-7.14%和6.82%-18.91%,连续脉冲叠加烧蚀深度误差约为3.47%-12.47%。 (3)建立了横向超声振动复合激光烧蚀金属表面形貌的数学模型,通过数值模拟分析了超声和激光频率对烧蚀轨迹形貌的影响,提出了特殊形貌制备的加工参数选取规律,并通过实验验证了数学模型的可行性。实验结果表面烧蚀轨迹宽度和轨迹循环长度的误差为2.18%-6.50%,烧蚀凹坑搭接率的误差为3.88%-19.62%。 (4)通过制备金属铝表面疏水性对本文建立的超声辅助激光烧蚀模型进行了验证,并得到了一种降低表面粗糙度提高表面接触角的新方法。本文结合Cassie方程分析了超声振动对激光加工金属表面疏水性能的影响,并采用扫描电子显微镜、白光干涉三维轮廓仪和接触角测量仪对工件表面的微观结构、表面粗糙度和表面润湿性进行了表征。研究发现,单一激光烧蚀和超声辅助激光烧蚀铝表面接触角最大值分别为134.29°和154.21°,引入超声振动后最大接触角提高了14.83%,而表面算术平均高度Sa降低了0.21-1.83μm。本文的研究成果将为超声激光加工金属材料表面形貌规划以及功能属性预测提供理论基础。

关键词： 水射流辅助激光   飞秒激光   无粘结剂立方氮化硼微铣刀   铣削试验  

摘要： 无粘结剂立方氮化硼(BL-c BN,Binderless Cubic Boron Nitride)作为新型超硬材料,硬度高、韧性好、热稳定性好、耐磨性好,可制备刀具应用在微车削、微铣削等精密加工领域。机械抛光、电火花、线切割等传统制备超硬材料刀具方法效率低、热影响区大、难以实现三维加工等问题,严重制约了制备超硬材料刀具方法的发展。本文开展了基于飞秒激光-水射流辅助激光的BL-c BN微铣刀加工技术研究。论文主要内容包括研究水射流辅助激光加工BL-c BN工艺以制备微铣刀初轮廓,飞秒激光加工BL-c BN工艺从而高效制备高精度微铣刀,并进行铣削试验测试微铣刀性能。针对水射流辅助激光,试验分析影响水射流长度的因素,得到氦气作为保护气最佳流量为2 Nl/min、最佳水射流压力为300 bar。得到加工距离为5-20 mm激光功率损失小。分析加工距离、扫描速度、激光功率三因素对槽深、槽宽、材料去除率的影响。设计正交试验,得到对材料去除率影响由大到小的是激光功率、扫描速度、加工距离,单次扫描最大材料去除率可达到3.157×10μm/s。试验多次重复迭代加工,槽侧壁几乎与上表面垂直,经测量两者夹角为87°。针对飞秒激光,采用直径回归法计算绿光:单脉冲阈值功率61.9 m W、单脉冲烧蚀阈值4.66 J/cm、多脉冲饱和阈值0.42 J/cm、束腰半径4.1μm;红外光:单脉冲阈值功率131.6 m W、单脉冲烧蚀阈值3.19 J/cm、多脉冲饱和阈值0.37 J/cm、束腰半径7.25μm。探究激光波长、平均功率、扫描速度对槽深宽和微观形貌的影响。平面加工试验中,红外光平行加工法可以得到最佳Sa167 nm的表面粗糙度。基于水射流辅激光与飞秒激光相关工艺参数优化,设计不同前后角微铣刀制备方案。采用水射流辅助激光加工形状精度高,材料去除率大等优势对微铣刀轮廓初加工;采用飞秒激光加工表面质量高,可精修切削刃等优势成功制备了表面粗糙度在Sa200 nm以内、切削刃在2.5μm左右的微铣刀。铣削试验可得前后角10°的微铣刀铣削紫铜性能更好。