关键词： 电火花加工   间隙流场   气泡   脉动过程   蚀除产物  

摘要： 在电火花加工过程中,加工间隙流场中气泡体积分数和蚀除产物的浓度对加工效率、加工稳定性和电极损耗具有着重要的影响。电火花加工过程中,蚀除产物在底部加工间隙中极易堆积,不能及时有效地排出将造成放电短路、二次放电和拉弧等现象,这些现象影响了电火花加工过程的加工效率。大量的研究表明,放电过程中气泡的脉动过程影响了间隙流场的运动状态和蚀除产物在极间间隙的分布情况,进而影响电火花加工过程的加工效率。从数值模拟和实验研究的角度,对单气泡在近工件面的脉动过程和连续放电气泡的运动过程进行数值模拟,研究气泡的脉动过程对极间间隙流场蚀除产物运动和分布的影响规律。对于改善电火花加工间隙流场中蚀除产物的分布情况和加工效率有着重要意义。首先,基于Rayleigh球形气泡理论,建立在近工件面电火花放电中单气泡脉动过程仿真模型,对在刚性壁面附近的单气泡脉动过程进行了数值模拟,分析单气泡膨胀、收缩、溃灭和回弹阶段的压力场和速度场变化规律,研究近工件面电火花放电中单气泡脉动过程的变化规律。其次,在近工件面电火花放电中单气泡脉动过程数值模拟的基础上,建立连续放电电火花加工过程间隙流场中气泡运动过程仿真模型,数值模拟气泡之间的相互作用和融合过程,分析流场中气泡的运动规律及其对蚀除产物分布状况的影响,研究连续放电电火花加工过程底面间隙流场中气泡的运动规律。最后,在电火花加工实验的基础上,对气泡的脉动过程仿真结果进行了验证;再进行电火花加工孔实验,佐证电火花放电过程中加工间隙中气泡的运动过程对蚀除产物分布的影响。

关键词： 磁悬浮驱动器   电火花加工   动态特性   PID控制  

摘要： 电火花加工适用于各种导电材料的加工,特别是对于硬脆性难加工材料、复杂曲面的加工具有独特优势。然而,由于电火花加工过程中的极间加工间隙很难快速调整,导致了电火花加工效率较低。本文对一种能够直接安装在电火花加工机床上进行加工的五自由度磁悬浮驱动器进行动态特性分析,并设计与其相适应的控制方法进行极间加工间隙的快速调节,增加电火花加工机床的有效放电的次数,从而提高电火花加工效率。首先,进行了五自由度磁悬浮驱动器电磁力的仿真分析及实验验证。运用三维设计软件建立磁悬浮驱动的三维模型。并对五自由度磁悬浮驱动器的工作原理进行分析。根据三维模型简化出电磁力仿真模型,运用有限元分析软件电磁力特性仿真分析,并进行实验验证。实验结果可知五自由度磁悬浮驱动器电磁力有着良好的线性度。根据电磁力仿真建立磁悬浮驱动器的动力学模型。其次,对五自由度磁悬浮驱动器进行了模态分析及谐响应分析。对其各个阶次的固有频率和模态振型进行了分析,结果表明:五自由度磁悬浮驱动器的第七阶模态振幅最大,确定了磁悬浮驱动器会产生共振进而影响加工精度和使用寿命的频率区间。然后,采用PID控制方法设计了五自由度磁悬浮驱动器的控制系统,并根据其动力学模型进行了仿真分析和实验验证。设计并搭建五自由度磁悬浮驱动器的控制系统后,并对其进行沿X轴、Z轴及绕X轴偏转方向的阶跃仿真及控制实验、正弦跟踪仿真及控制实验。实验结果表明:五自由度磁悬浮驱动器有着响应速度快,调节时间短,跟随性能好的良好动态特性。最后,设计并搭建了基于五自由度磁悬浮驱动器的电火花加工实验系统,进行了五自由度磁悬浮驱动器辅助电火花加工实验,并与传统电火花加工实验进行了对比。通过实验结果对比可知安装磁悬浮驱动器的电火花加工的有效放电次数明显增加,对比传统电火花加工其效率提高了16%。并且随着驱动器辅助抬刀频率和幅度的提高电火花机床的加工效率也随着提高。在磁悬浮驱动器辅助抬刀频率为5rad/s,幅值为20μm时加工效率提高的最大,对比传统电火花抬刀加工提高了32.4%。

关键词： 激光加工设备   数字孪生   可视化监控   快速物理仿真   Unity3D  

摘要： 随着物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术的快速发展,实现完全体的数字孪生已逐渐成为可能。数字孪生(Digital Twin)被认为是第四次工业革命通用目的技术和核心技术之一,是支撑万物互联的综合技术体系,是数字经济发展的基础,也是未来智能时代的信息基础设施。本文针对超净间内激光加工设备数字化水平低、可视化性能差、人员流动性大导致加工环境被污染等问题,设计实现了激光加工设备数字孪生虚拟监控系统,研究了激光加工设备工作过程中几何层面和物理层面的可视化监控和远程控制。本文主要研究内容如下:(1)设计了激光加工设备数字孪生虚拟监控系统的整体框架:制定系统设计的目标、原则和流程;对系统开发过程存在的关键问题进行分析,并对相应问题提出初步解决方案;为提升系统的稳定性和可靠性,对数字孪生系统进行模块化设计,保证部分功能出现故障后不影响其他模块运行;最后确定数字孪生系统的整体架构,进一步明确系统的设计逻辑。(2)实现了激光加工设备数据的可视化:介绍了多种激光加工设备,并对设备的数据源进行分析,提出使用PLC连接数据源的方法对设备数据进行采集;获取到的设备数据通过搭建MQTT通讯协议进行传输,对数据可视化的载体模型进行绘制,使用参数化简单曲面法对模型进行优化,降低系统运行时的性能开销;以导光板散射网点激光并行加工设备为例,对其进行数据采集、传输和虚拟模型的运动学分析,实现激光加工设备数字孪生虚拟监控系统几何层面的可视化。(3)使用深度学习技术实现了基于物理规则的激光加工工件表面温度监测:完整的数字孪生虚拟监控系统应包含几何层面和物理层面的仿真,而物理层面仿真通常需要大量模拟计算得出,此过程耗时较长,故提出使用深度学习技术对有限元仿真计算进行加速;通过使用有限元仿真软件对部分工况下工件表面瞬态温度场进行有限元求解,将求解数据和工况数据利用Open CV进行图像化处理,构建工况数据和结果数据的深度学习数据集;选用深度学习CGAN模型并利用数据集对其进行训练,训练过程调优模型;以纳秒激光加工系统为研究对象,使用训练好的CGAN模型对工件表面温度进行快速仿真。最后,对有限元仿真技术和深度学习模型在求解性能方面进行测试,结果显示深度学习模型相较于有限元仿真计算,在求解误差很小的情况下,极大的提高了温度云图生成速度。(4)完成了系统的搭建和测试:开发了部分数字孪生系统的重要功能,为实现激光减材制造的可视化,使用八叉树算法重构工件表面网格,实现低性能消耗下高精度材料去除可视化;使用UGUI组件搭建系统用户界面,集成(2)(3)中几何层面和物理层面的仿真;利用飞秒激光五轴加工平台对数字孪生虚拟监控系统进行实例测试,试验结果表明,本系统运行过程硬件资源占用较低、显示性能良好、实时监控性能优异,满足设计和使用要求。

关键词： 266nm纳秒激光   PDMS加工   烧蚀机理   微裂纹   工艺规律  

摘要： PDMS(硅基弹性体聚二甲基硅氧烷)具有机械柔性和稳定性,较高的生物相容性以及紫外到可见光范围的高透光性等特点,是应用最为广泛的技术聚合物之一,被大量应用于微机电系统。在进行微机电系统的制造时,需要在PDMS上加工微孔和微槽。激光加工技术与其他加工技术相比具有无接触、效率高等优势在PDMS加工中越来越多。266 nm纳秒激光具有低成本、高效率的加工优点,在材料的加工中是一种重要的光源类型。基于此,本课题采用266 nm纳秒激光加工PDMS,通过理论分析、模拟仿真以及工艺试验的方式,对266 nm纳秒激光加工PDMS的烧蚀机理和工艺进行研究。论述了紫外纳秒激光加工PDMS的光热和光化学烧蚀机理,探讨了紫外纳秒激光在PDMS上加工微孔和微槽时产生微裂纹的机理。结果表明:266 nm纳秒激光加工PDMS时,材料的烧蚀机理为光热和光化学的共同作用;微孔表面因热应力产生径向和环向微裂纹。微槽表面因热应力产生发散型微裂纹。建立了有限元仿真模型对纳秒激光作用PDMS的温度场和应力场进行模拟仿真,得出了纳秒脉冲激光作用PDMS时的温度场和应力场分布。在激光脉冲持续时间内,激光辐照区域与周围区域温差快速增大,从光斑中心起沿径向方向,玻璃化转变宽度要大于发生烧蚀的宽度;热应力出现在表面深度为微米范围内的浅层区域。搭建了266 nm纳秒激光试验加工系统,进行了PDMS表面打孔和划槽的工艺试验。通过单因素试验,得出了打孔时脉冲能量、脉冲数量等加工参数对微孔直径、深度等尺寸以及微孔表面微裂纹宽度、喷溅物宽度以及玻璃化宽度等热影响特征影响的工艺规律;得出了划槽时脉冲能量、扫描速度以及扫描次数等加工参数对微槽宽度、深度等尺寸以及微槽表面微裂纹宽度、喷溅物宽度以及玻璃化宽度等热影响特征影响的工艺规律。为266 nm纳秒激光加工PDMS提供参考依据。该论文有图42幅,表3个,参考文献81篇。

关键词： 激光加工   声发射(AE)   特征参数   波形分析   在线检测  

摘要： 激光加工作为一种先进制造技术,因其强大的加工能力而被广泛应用于仪器仪表、航空航天、医疗卫生和汽车制造等众多行业。但在激光加工过程中仍存在诸如加工机制不明确、加工过程难以实时监测而不能及时反馈加工状态,以及欠缺对加工结构或缺陷的分类和表征等不足之处。研究表明将检测技术与激光加工相结合从而对加工过程进行调控成为一种合理的技术解决方案。在各种检测技术中,声发射技术作为一种动态无损检测技术已经被证明是一种高效灵活的检测方法。将声发射技术与激光加工相结合实现对激光加工过程的在线检测已经成为当前国内外的研究热点。本文综述了国内外学者将声发射技术引入激光加工过程中的研究现状,简述了声发射技术的特性,重点分析了激光加工的声发射技术原理、基于声发射分析方法的激光加工过程研究,以及声发射技术在激光加工领域的研究结果等,并基于当前的不足对其未来发展的方向做出了展望。

关键词： 激光加工机床   有限元分析   静动态特性  

摘要： 激光加工机床具有运动速度快、加减速时间短等特点,与普通机床相比,其主机设计的静动态特性要求较高。为验证所设计激光加工机床的静动态特性能否满足设计要求,文章采用三维CAD软件建立机床主机模型,作适当简化处理,将模型导入到有限元分析软件中,选择四面体单元划分网格,根据受力情况和约束条件对机床各零部件和整机进行静力学和模态分析。仿真结果表明,所设计的机床主机结构静动态特性良好,能够满足激光加工要求。

关键词： 激光技术   孔型特征   飞秒激光   SiC/SiC复合材料  

摘要： 为了探究飞秒激光加工SiC/SiC复合材料厚板的孔型特征,采用光束同心圆填充扫描方式对厚度为4mm的SiC/SiC复合材料进行制孔实验,分析了飞秒激光加工参数对入口直径、孔深、锥度等孔型特征的影响规律和影响机理。结果表明,脉冲能量、重复频率、线重合度以及扫描速率对小孔入口直径影响较小,但对孔深和锥度影响较大;上述实验参数与光束扫描面积内的能量密度密切相关,小孔锥度随能量密度增大而减小,小孔深度则反之;当采用最大脉冲能量130μJ、最大重复频率100kHz、最小扫描速率100mm/s、最大线重合度77%以及最小进给量0.1mm时,小孔锥度达到最小值12.38°;上层材料对光束的遮挡以及排屑困难导致深孔加工锥度不易控制。该研究可以为今后SiC/SiC超快激光制孔应用提供参考。

关键词： 电火花加工   预孔深窄槽   变姿态   间隙状态   放电产物  

摘要： 深窄槽结构通常用于涡轮叶片封严槽和轮胎模具钢片槽。电火花加工深窄槽时会因放电产物排出困难而存在耗时长的问题,故提出一种预孔深窄槽加工方法,通过将电火花打孔和电火花成形加工工艺相结合来改善排屑条件、提高深窄槽加工效率,并对预孔窄槽的变姿态加工进行了研究,先对预孔数量和间隙宽度控制策略进行优化,再在此基础上分别研究了竖直向下、水平和倒置三种加工姿态对预孔深窄槽加工效率的影响,并通过间隙状态分析和间隙流场观测对不同加工姿态的影响进行了解释。结果表明:加工姿态为竖直向下时,预孔深窄槽的加工效率最高,加工用时比无预孔时缩短了35.6%。

关键词： 超快电子衍射   晶格动力学   热传导   热致效应   非热致效应  

摘要： 为提高超短脉冲激光加工汽车铝制零部件的质量,通过超快电子衍射系统分析飞秒激光轰击下铝多晶薄膜的电子衍射时间分辨谱(小于40 ps):在亚毫埃米尺度及ps分辨率内,观测铝多晶声子系统热传导耦合过程,得到晶格温度、晶格结构参数的演化规律。研究原子运动和晶格结构沿各晶向的精细变化,并推断铝薄膜内部晶格结构改变为热致和非热致效应共同作用的结果。研究铝薄膜被飞秒激光加热后内部超快热传递和晶格改变过程,在原子尺度下精细描绘铝晶格动力学图像,可为飞秒激光加工汽车用铝材料技术提供理论依据和数据支持。

关键词： 激光加工   表面微织构   M35高速钢   润湿性  

摘要： 使用波长为1030 nm飞秒脉冲激光在M35高速钢表面加工微凹坑阵列,运用光学显微镜、白光干涉仪和接触角测量仪分别测量样品表面的三维形貌和接触角,探究不同参数对样品表面形貌和接触角的影响规律。结果表明,随能量密度和扫描次数增加,微凹坑的半径和深度均增大,M35高速钢表面接触角减小,样品表面亲水性增大,微凹坑间距减小可提高M35高速钢表面的亲液性。试验结果可为高速钢表面润湿性的研究提供参考。