关键词： 核心竞争力   持续创新   战略升级   研发投入   水切割   伺服驱动   激光加工   产品升级  

摘要： 维宏股份在2021年整体业绩得到了大幅增长,据2021年度业绩预告显示,净利润与2020年同比增长76.06%~115.8%。其中,维宏股份在激光加工、伺服驱动等行业领域的市场份额不断扩大,同时在金属铣削、水切割以及木工制造等行业的核心竞争力进一步增强。维宏股份业绩的稳步增长离不开产品技术的持续创新,品牌影响力的提升以及发展战略升级等方面的因素。首先,在产品技术创新方面,维宏股份加大研发投入,不断进行产品升级迭代以满足用户生产加工需求。

关键词： 特种加工  

ISBN: (纸本)9787111679868

摘要： 本书主要阐述电火花加工、电火花线切割加工、电化学加工、激光加工、电子束和离子束加工、超声加工、增材制造、快速成形技术、化学加工、磨料流加工以及特殊、复杂、典型难加工零件的特种加工、微细加工、精微加工和纳米加工等特种加工方法的基本原理、基本设备、基本工艺规律、主要特点和适用范围。

关键词： 微电子技术  

ISBN: (纸本)9787571010195

摘要： 本研究主要针对一种基于入射激光光子能量与被加工靶材电子跃迁能级差相等或相近时能够有效提高飞秒激光精密加工效率的共振吸收效应制造方法，进行了机理上的电子动力学仿真和烧蚀效率实验，以阐明共振吸收制造的微观机理，同时探究该方法在实际工程应用中的影响因素和加工规律。本书的出版对从事飞秒激光微纳制造研究具有指导意义。

关键词： 水导激光   带热障涂层高温合金   气膜孔   蚀除机理  

摘要： 气膜孔对涡轮叶片冷却起到了至关重要的作用。随着新型航空发动机的发展,涡前温度已达到2000 K,在已涂覆热障涂层的叶片上制取气膜孔能够有效改善冷却能力,但对孔的加工质量和效率的要求越来越高。常用的气膜孔加工方法一般为电火花加工、电液束加工和超短脉冲激光加工,电火花加工无法避免热缺陷的产生,存在严重的重铸和裂纹现象,且难以加工导电性差的陶瓷涂层,电液束加工设备和工艺复杂,无法精确控制孔的形状,超短脉冲激光加工效率很低,无法避免孔锥度的产生,且不同位置气膜孔工艺参数调整复杂。因此,本文提出了水导激光加工带热障涂层高温合金的方法,利用纳秒激光的高效率和水射流的强冷却和冲刷作用,进行带热障涂层高温合金的高质量、高效率加工。首先,研究了激光与水射流耦合的过程,研制了适用于狭小空间内水导激光加工的微型化水导激光耦合装置。分析了激光在水中的传输特性,提出了一种新的短距离聚焦耦合方法并进行Zemax仿真验证,设计腔体微流道并进行流道传输仿真分析及水射流稳定性分析,并完成满足光路传输和流道传输的微型耦合装置结构设计。然后,对带热障涂层高温合金的水导激光材料去除过程进行了研究,在热力学和热弹性力学的基础上,建立了水导激光加工有限元仿真模型,并研究了脉冲周期内不同层材料温度场、应力场的变化及形貌去除过程,获得水导激光与涂层合金作用规律,分析了水导激光作用材料机理和缺陷产生原因。进行水导激光制孔仿真,研究孔加工过程中形貌的演变过程,并通过实验验证了仿真模型的正确性。最后,对带热障涂层高温合金从微小孔和槽道加工两个方面进行了水导激光加工工艺研究。探究了水导激光制孔工艺参数,将水导激光加工结果与微秒激光和飞秒激光加工结果进行对比。并根据优化的参数进行了不同直径和有一定倾斜角度微小孔的制孔试验。并通过槽道加工试验探索水导激光不同加工参数对槽形貌和加工效率的影响规律,得到了较好的工艺参数,验证了水导加工加工的优越性和适用性。综上,本文研制了微型化水导耦合装置,结合仿真和实验研究了水导激光作用于带热障涂层高温合金的材料去除过程,实现了带热障涂层高温合金水导激光高质量、高效率加工,为航空领域涂层叶片的加工提供了理论基础与技术支撑。

关键词： 机械调谐   各向异性微结构   飞秒激光微纳加工   液滴/水下气泡定向操纵   生物医疗应用  

摘要： 液滴/气泡定向操纵在雾水收集、化学微反应和生物医疗检测等领域有广泛应用。然而,仿生人造界面浸润材料和利用外场激励实现液滴定向操纵策略均受限于其本征限制。例如,基于化学润湿梯度和结构梯度的被动式液滴运输受限于速度和体积范围;而基于电、磁、光和热场驱动的主动式液滴操纵技术受限于其本征缺陷。本文提出基于飞秒激光制备各向异性微结构的机械调谐液滴操纵技术,即通过机械拉伸和机械振动调控液滴和水下气泡行为。主要研究内容有:1.利用飞秒激光直写技术和润滑液注入技术制备各向异性润滑微沟槽表面,通过机械拉伸实现液滴和水下气泡滑移/钉扎的原位可逆调谐。研究不同参数,如润滑油膜厚度、液滴/气泡体积和结构参数对液滴/气泡滑移行为的影响规律。调谐机制在于机械应变导致润滑油厚度减少,进而导致平坦和均匀润滑液弯月面变得不均匀,更进一步导致接触角滞后及对应阻力的增加。最后,演示微沟槽表面液滴和水下气泡运动的实时动态操纵,并验证其耐用性和鲁棒性。2.利用飞秒激光倾斜烧蚀制备各向异性超疏水倾斜微壁阵列,通过机械振动驱动实现多性能(多模式,大体积范围和高速)液滴操纵,其优异性能来源于超疏水倾斜微壁阵列上液滴的滚动运输模态。单向运输的力学机制在于液滴与倾斜微壁阵列的接触面积差导致的粘滞阻力差。在不同激励幅值与频率下,存在最佳沟槽宽度与最佳液滴运输能力对应。设计制备特定形状(环形,曲面和“L”形)倾斜微壁阵列,实现特定路径的液滴运动。通过结合多液滴序列运输与水基液滴混合实现大体积范围水基液滴的混合微反应,在液滴操纵领域显示应用潜力。3.利用飞秒激光倾斜加工与润滑液注入制备各向异性润滑棘齿阵列,在机械水平振动下,实现全液滴高性能定向操纵。其原理在于各向同性振动诱导的对称惯性驱动力与各向异性润滑棘齿结构诱导的不对称粘滞阻力的相互竞争。研究加工参数对结构参数的影响,和结构参数对运输能力的调控。研究机械振动(频率和幅值)对液滴运动的实时调控能力,实现液滴整流器的高性能液滴操纵,包括超大体积范围(0.05～2000 μL)、高速(0～60 mm/s)、管内液柱、可编程序列、双向、全基底材料适用和耐用性等。制备基于液滴整流器的手持式生物医疗检测枪与便携式检测箱,为生物医疗检测应用(ABO血型检测与抗癌药物筛查等)奠定基础。本学位论文将飞秒激光制备的各向异性微结构和机械调谐(机械拉伸和机械振动)策略相结合,实现液滴/水下气泡定向操纵,展示该方法在生物医疗检测、化学微反应、细胞工程、物质传输和信息加密/解密领域的应用潜力。

关键词： 电火花加工   双线电极电火花磨削   气中放电   过渡金属电极   PCD超薄切割刃  

摘要： 聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond,PCD）超薄切割片广泛应用于贵重半导体材料、磁性材料、超导材料以及硬脆材料的精密微细切割与开槽。但国内对PCD超薄切割片加工的研究起步较晚,研究较少,只能生产部分品种,在中、低精度领域可以代替进口产品,在高精度领域仍依靠进口。PCD超薄切割片难加工部分为PCD层,电火花加工被认为是加工PCD的合适方法,但目前电火花加工PCD超薄切割片都为单线加工（单侧加工）,加工效率较低,为此提出了双线电极电火花加工PCD超薄切割片,可同时加工PCD层两侧,以提高加工效率。首先对双线电极电火花磨削PCD超薄切割片的加工方法进行介绍,并对PCD切削刃的成型过程进行了简析。其次使用仿真软件COMSOL对单线电极和双线电极加工过程进行了热结构耦合仿真。仿真研究表明双面加热不会使PCD超薄片边缘发生明显翘曲。基于超薄片加工需求分析,搭建了可实现双线电极电火花磨削超薄切削刃的卧式加工装置。并使用钨钢超薄片进行了可行性加工实验,实验结果表明双线电极电火花磨削加工方案可以实现超薄片切削刃的加工。在双线电极电火花磨削超薄片切削刃可行性验证实验的基础上,进行了PCD超薄切割片加工工艺规划。将电火花加工PCD超薄切割片工艺划分为粗加工和精加工:粗加工采用大放电能量慢走丝机床蚀除PCD超薄切割片金属基体,以缩短加工时间。精加工采用双线电极磨削PCD切削刃。在PCD超薄切割片粗加工实验中发现使用黄铜电极丝对PCD材料的加工效率低。为提高PCD材料的加工效率,使用含有与碳具有高反应活性的过渡金属作为工具电极;为了避免电火花加工PCD石墨化使用气中电火花加工方法;综合以上两点,提出了PCD的干式接触式放电加工（Dry Contact Electrical Discharge Maching,DC-EDM）方法。通过实验研究得出结论:1)低放电能量下,在气体介质中电火花线电极可持续稳定的加工PCD（金刚石平均粒径5μm）。2)在一定条件下接触式放电加工PCD的加工效率比非接触式放电加工的加工效率要高。对提高PCD加工效率机理进行了分析。最后使用含有过渡金属的白铜电极丝在空气介质中采用接触式加工方法加工PCD超薄切割片,加工出边缘厚小于50μm的PCD切削刃。表明提出的双线电极电火花磨削加工可实现PCD超薄片切削刃的加工。为进一步提高电火花加工PCD材料的加工效率,提出了使用高低压复合脉冲电源加工PCD。使用DSP（Digital Signal Processing）+FPGA（Field Programmable Gate Arrary）对加工过程中极间信号转换并控制高低压复合脉冲电源。绘制了电源功放板原理图并制作了PCB板。最后通过实验验证了高低压脉冲电源可提高电火花加工PCD效率。本文为提高PCD超薄切割片的加工效率,提出了双线电极电火花磨削PCD超薄切割片的加工方案,并进行了初步研究。为实现PCD超薄切割刀片的高效、高精和高质加工奠定了基础,对掌握高性能PCD超薄切割片制造技术具有重大意义。

关键词： 接触式指尖密封   激光加工   表面织构   摩擦学特性   磨损仿真  

摘要： 随着先进航空发动机性能要求的不断提高,密封装置作为其重要功能性部件,不但其工作环境条件愈发苛刻,而且对其性能要求也不断提升。面对要求的不断提高,传统密封技术已日渐无法满足高性能发动机的研制需求。指尖密封作为一种新型密封技术,因其具有柔性、低泄漏率、制造成本低等优点得到了广泛关注。作为密封性能良好的接触式指尖密封,在替代传统篦齿密封时极具应用潜质,但其工作时与转子配副接触,磨损特性是影响其服役寿命和密封工作稳定特性的重要因素。同时,大量研究也表明在摩擦配副表面加工表面织构能够有效降低磨损,改善高速摩擦配副的摩擦学特性。研究正是基于这一背景,创新性的将表面织构应用于接触式指尖密封摩擦配副中,通过表面的织构的减磨机理研究、表面织构减磨特性仿真分析和指尖密封性能试验研究,全面评价表面织构对接触式指尖密封摩擦学特性的影响和减磨效果。主要研究工作如下: 首先,通过指尖密封的工作原理确定织构形式,对配副织构激光加工工艺进行了研究。结合现有表面织构的形状和尺寸对配副摩擦学特性的影响研究成果,选择表面织构的形状为圆形,其直径、面密度分别取三个水平,采用纳秒激光设备加工表面织构,研究了激光参数对指尖密封跑道基材GH4169表面织构成型尺寸的影响,获得了激光功率、激光频率、扫描速度、加工次数对于加工表面织构直径和深度的影响规律,分析了激光加工后织构边缘区域显微硬度的变化情况,最后确定了指尖密封配副表面织构的激光加工工艺,达到了激光加工织构的“控形控性”工艺要求。 然后,采用销盘试验开展了表面织构对指尖密封摩擦学特性影响的机理研究,依据仿真分析将指尖密封工况采用PV值转化得到销盘试验工况,在该工况下对所有参数表面织构试验件及无织构光滑试验件进行了干摩擦试验。研究结果显示:加工织构后摩擦系数均得到降低,并且相同面密度时摩擦系数随织构直径增大而增大,相同直径时摩擦系数随织构的面密度增大而增大。同时磨损率研究结果显示:加工织构后表征指尖密封片的销的磨损率均降低,并且磨损率随织构直径、面积率增大而增大,其中织构直径对销磨损率的影响更为明显。SEM形貌和织构内部EDS结果显示,表面织构收集磨屑的作用显著,是表面织构起到减磨效应的关键因素,达到了加工表面织构的“收屑减磨”设计目标。 继而,依据摩擦机理试验结果,采用数值和仿真手段构建了量化磨损计算模型,研究了表面织构的减磨效果。将销盘摩擦试验的结果代入Archard公式中,建立了无织构、有织构的磨损模型,基于有限元软件ABAQUS的ALE自适应网格技术使每个增量步结束重新划分网格保证网格质量,通过在UMESHMOTION子程序中定义边角区域的磨损方向保证磨损方向与试验一致,开展了磨损仿真分析。仿真结果显示,销摩擦面接触压力分布不均且随时间呈现出一定的变化规律,磨损量的变化与接触压力相关,销的磨损量基本呈线性增加;无织构和有织构接触压力和磨损量的变化规律基本一致,但有织构配副接触压力由于织构接触面积减少,导致接触压力增大且波动幅值变大,当织构面密度为10%,织构尺寸为Φ200μm时具有较好的减磨效果;与试验结果的对比分析表明,无织构模型和有织构模型的误差均在3%以内,验证了仿真计算方法的可行性,采用该方法可以解释无织构和有织构时磨损的演变过程,也为以后表面织构磨损分析提供了一个新的方法。 最后,基于销盘摩擦机理试验及仿真分析结果,在指尖密封配副跑道外圆周面加工表面织构并开展了指尖密封性能台架试验研究。静态泄漏试验结果显示无织构和有织构时泄漏均随密封上下游压差增大而增大,并且表面织构的扰流效应使得其相较于无织构指尖密封泄漏得以减小;指尖密封动态泄漏特性结果显示随转速的升高有无织构时泄漏均呈现出减小趋势,加入织构后泄漏相较于无织构时显著减小。对密封件进行称重发现加入织构后密封件的磨损降低,验证了表面织构对指尖密封性能具有较好的改善作用,为长寿命指尖密封技术研究奠定了基础。

关键词： 增材制造   镍铝青铜   腐蚀   电化学   激光加工   超疏水  

摘要： 镍铝青铜(NAB)由于具有优异的机械性能和耐腐蚀性能被广泛用于深海远洋装备。传统的镍铝青铜制造工艺在制造复杂的零部件时常常出现微观组织不均匀,这将导致机械性能和耐腐蚀性能的降低。金属增材制造作为一种新的制造工艺,可以解决微观组织分布不均匀的问题。本文重点研究了三种不同初始粒径(小粒径45-63μm、中粒径63-75μm、大粒径75-105μm)的增材制造镍铝青铜微观组织演变以及腐蚀形貌,通过电化学实验对比了其与常规铸造镍铝青铜在海水环境下的静态腐蚀特性。此外,为了进一步提高增材制造镍铝青铜耐蚀性能,采用激光加工方法在增材制造镍铝青铜表面构筑微观超疏水结构,并分析其表面形貌、润湿性和耐静态腐蚀性。主要研究成果如下:(1)增材制造镍铝青铜是由α基体、B2型的NiAl和DO3型的FeAl沉淀相组成,与传统铸造镍铝青铜(As-cast-NAB)相比,增材制造镍铝青铜(EBSM-NAB)第二相分布均匀性得到很大改善,在200μm尺度内分布均匀。(2)与As-cast-NAB相比,EBSM-NAB选相腐蚀得到明显改善。电化学实验结果表明,腐蚀7 d后,中粒径NAB的极化电阻为29925Ω·cm,而As-cast-NAB合金的极化电阻为22114Ω·cm,中粒径的极化电阻增加了约1.35倍。这主要归因于EBSM-NAB第二相分布的均匀性获得很大程度的改善。(3)为进一步提高EBSM-NAB表面耐腐蚀特性,采用激光处理获得表面微结构,当激光功率为50 W时,加工后的EBSM-NAB表现为超疏水特性,静态接触角为153°,滚动角为5°。激光加工后镍铝青铜虽然耐腐蚀性随着浸泡时间的增长而降低,但腐蚀7 d后其极化电阻仍可以达到176753Ω·cm,远远大于极化电阻处于增长状态的中粒径NAB合金(极化电阻为29925Ω·cm)。

关键词： 镍钛合金   温度场   应力场   光斑半径   激光功率   切割速度  

摘要： 镍钛合金因具有质量轻、植入人体磁性低、稳定性强等优点在心血管支架制备中被广泛应用。非接触式激光切割作为镍钛合金心血管支架主要的制备方式之一,具有加工效率高和损伤小等优点,同时不可避免会产生熔渣、重铸层等缺陷。因此,本文在国内外激光工艺研究现状的基础上,对激光切割镍钛管成形支架的过程进行有限元模拟。研究不同激光工艺参数对支架切缝附近温度场应力场的影响规律,并通过激光切割成形支架试验验证了仿真分析的正确性。具体内容如下:首先建立激光切割仿真模型和热平衡方程。选用JMat Pro模拟软件计算得出镍钛合金在不同温度下的热物性参数和熔点温度（1200℃）,为建立仿真模型提供理论依据。用ANSYS仿真软件建立激光切割支架有限元模型,其中支架的切缝区域网格划分为0.02mm,过渡区域为0.05mm,远离切割区域为0.2mm。光纤热源的形式选用高斯移动热源,并建立热源传热方程和移动轨迹方程。探究切割过程中节点温度的变化规律与应力集中的具体位置,通过施加生死单元技术模拟切缝的形成过程,以达到切割成形支架的全过程仿真。其次设计单因素试验探究节点温度随不同工艺参数的变化规律。通过ANSYS中APDL语言控制工艺参数的变化,仿真结果显示:切割速度过快、激光功率过小、以及光斑半径过大均使得切缝温度低于熔点温度,不利于切割加工。切割速度过慢以及激光功率过大导致大量近切割区域的节点超过熔点温度,切割效果不理想。通过试验验证仿真分析结果。探究切缝侧面粗糙度、热影响区、重铸层和下部熔渣高度随工艺参数的变化规律。结果显示各性能指标随不同激光工艺参数的变化规律存在差异:随光斑半径的逐渐加大,侧面形貌逐渐变差,当R=8μm时,侧面形貌较好,尖角烧蚀现象不明显;当P=110W时,侧面形貌呈现竖状规律性波纹,背部熔渣量明显减少;切割速度对于背部熔渣高度影响较大,当v=6mm/s时,达到最小热影响区4.674μm。通过检测切缝侧面形貌发现尖角处的烧蚀效果更明显,与仿真模拟时转角处温度应力集中相对应,验证了仿真分析结果的正确性。最后通过电解抛光工艺改善激光切割成形支架的表面性能。探究极间距、抛光液温度、抛光时间和电流密度对表面质量的影响规律。当其它工艺参数一定的情况下,镍钛合金表面质量受电流密度、极间距、抛光时间的影响较大,受抛光液温度的影响最小。经电解抛光,支架的表面形貌得到提升,下部熔渣去除彻底,表面粗糙度明显降低,综合性能优良。

关键词： 大涵道比涡扇发动机风扇叶片   减阻微结构   连续激光加工工艺规划  

摘要： 在大涵道比涡扇发动机风扇叶片表面布置微结构以降低流动阻力,是节约能源并提升发动机效率的有效手段。激光加工具有精度高、灵活性强、非接触、材料适用广等优点,在钛合金叶片表面微结构制造领域显现极高潜力。然而,在叶片表面减阻微结构设计与激光控形加工中,仍存在微结构设计计算成本高且易超出工艺容限、激光加工单道微结构截面形状固定且多道微结构尺寸不一致、四轴机床加工叶片表面微结构精度不达标等问题。鉴于此,本文开展了钛合金叶片表面减阻微结构连续激光加工技术研究,内容如下:首先,利用Fluent软件,结合激光加工工艺能力,研究了叶片表面减阻微结构优化设计方法。在分析光滑叶片单流道流场特性的基础上,构建方程组求解具有减阻效果的微结构尺寸,在不同叶高处设计正交仿真试验,明晰微结构参数对减阻率的影响规律,进一步获得叶片展向范围内微结构设计的一般性结论,综合考虑激光光斑范围和能量分布形式对微结构加工尺寸和形状的限制,得到工艺窗口内具有较优减阻效果的微结构参数为宽度150μm～194.4μm和33μm～50μm,深度75μm～97.2μm和33μm～50μm。然后,针对激光加工单道微结构截面形状固定且多道微结构尺寸不一致问题,进行连续激光加工单道及多道微结构截面轮廓控制研究。在分析连续激光加工机理的基础上,依托热能平衡原理建立激光加工微结构轮廓预测模型,试验验证微结构宽度和深度的预测误差分别为4.57μm和7.04μm;将该模型推广至离焦工况,提出移动离焦激光加工方法实现变截面微结构成型;解算激光行进过程中靶材表面温度变化规律,结合上述模型,提出尺寸一致性导向的激光逐行变参加工方法,试验结果表明,较逐行统参加工,逐行变参加工的多道微结构宽度和深度一致性分别提升42%和34.5%。最后,开发多装夹位姿四轴联动激光铣床分类加工叶片表面微结构工艺。生成四轴激光加工刀轨,计算加工过程中各道扫描轨迹上的激光入射角和扫描方向角,定量评估二者对微结构加工结果的影响,以最大激光加工公差为约束条件,进行微结构分类,在各类微结构加工前调整叶片装夹位姿,构建叶片表面微结构四轴联动激光铣床分类加工策略,试验结果表明,分类加工的叶片表面微结构的深宽与设计尺寸的平均偏差分别降低28.2%和30.7%。最终集成研究内容进行钛合金叶片缩比件表面减阻微结构激光加工。本文研究成果对钛合金叶片表面减阻微结构的形/性可控制造提供了理论支撑和有益参考,对大涵道比涡扇发动机减阻增效具有实际应用意义。