关键词： 微细电火花加工   高温合金4169   工具电极损耗  

摘要： 高温合金具有在高温下仍保持较好的热稳定性、抗拉强度以及较优异的热疲劳性等优越性能,在航空发动机、燃气轮机的关键技术部位等领域已被大量投入使用。但是在该材料机械切削加工过程中极易出现加工硬化、刀具磨损等难题,因此传统的成形方法对其加工质量和效率难以保证。电解加工、飞秒激光等特种加工方法被应用于高温合金的加工,然而这些方法对高温合金的深小孔的加工均存在一定的局限性。微细电火花加工一种是通过工具电极与工件间的间歇性的脉冲放电,从而将电能转化为热能等进行工件材料蚀除的微细特种加工方法。电火花加工方法具有不受工件材料的塑性、硬度等影响的特点,因此适用于高温合金微细孔的加工。然而有关于高温合金微细孔的微细电火花加工工艺特性研究还存在不足。为此,本文研究高温合金4169的微细电火花加工工艺规律。首先结合三维精密运动平台研制了微细电火花加工实验装置。该装置以FPGA主控芯片为核心,控制装置各个操作的运行,利用触摸屏设计了人机交互界面,设计采用平均电压检测法作为加工过程的伺服控制方法,设计并搭建了晶体管型微细脉冲电源并实现了微细可调的脉冲输出。经验证该装置控制简便,精度较高,实用性较好满足了微细电火花加工的实验需求。其次,利用所搭建的微细电火花加工实验装置,开展了微细钨电极加工高温合金4169微细孔的工艺实验,分别探究了深径比、最大伺服速度、开路电压、峰值电流、脉冲宽度等因素对加工性能(以加工时间、电极损耗、孔径尺寸为评价指标)的影响规律,并从微细电火花放电加工的工件材料蚀除过程分析了工艺规律的原因。在上述基础上,通过选择合适的工艺参数,成功地实现了深径比达10的高温合金微细孔的加工。最后,通过微细电火花加工实验研究了高温合金4169和常见的304不锈钢的微细电火花加工性能差异并对其加工现象进行了对比分析。使用高速摄像装备对两种材料的单脉冲放电过程的放电通道情况进行了高速观测,对比分析其影响机制。此外,通过对比单脉冲放电凹坑的尺寸以及连续脉冲放电条件下的有效放电率的统计结果,分析了此两种金属材料的微细电火花加工性能差异的原因。

关键词： 水导激光   SiCf/SiC材料   气体约束   微孔结构  

摘要： SiC纤维增强陶瓷基复合材料（SiC_f/SiC）作为一种具有高强度、高韧性、高热导率以及低热膨胀系数、低密度的新型材料,被广泛应用在航空航天领域。针对航空发动机加力燃烧室隔热屏的应用,SiC_f/SiC材料划槽、切割、制孔的高质量加工成为亟待解决的问题。目前针对SiC_f/SiC材料隔热屏气膜冷却孔等特征的加工手段主要有机械加工、电火花加工、激光加工等,但是这些技术在加工精度、加工质量等方面都存在不同程度的不足。近年来,水导激光加工技术因其具有高加工质量、光洁整齐的切面、极低的热影响区和重凝层等优点而被研究者们广泛关注。相比较其它加工技术,水导激光有望解决目前SiC_f/SiC材料加工中精密、高效和低损伤之间矛盾。本文针对SiC_f/SiC材料的精密加工中存在的问题提出纳秒激光复合微细射流的加工方法,对材料微槽、切割以及制孔展开研究,并针对性地提出气体约束水导激光的加工方式,为高质高效的复合材料加工提供重要技术手段。 根据福克-普朗克方程建立激光诱导水电离的仿真模型,探究脉冲激光与水相互作用的电子浓度演变机制,进而为后续装备研发明确激光参数的选定。提出使用波束包络法研究耦合能束内部能量分布、衰减以及波形演变,并对其进行数值计算。通过试验对耦合能束中的能量分布及激光功率进行测量,并结合数值仿真结果对激光在微细射流中的传播模型进行分析和确认。此外,选取合适的靶材分析不同水导激光脉冲数对加工形貌演变的影响,明确了耦合能束的加工一致性,印证了耦合能束能量分布理论模型的正确性。 根据激光参数的选定研制气体约束纳秒激光复合微细水射流加工系统,在此基础上根据流体体积法（Volume of Fluid,VOF）分别对同轴螺旋气体氛围以及同轴环形气体氛围进行气液多相流建模,通过仿真计算研究气体组分、压力以及进气方式对微细射流稳定性/一致性以及加工能力的影响规律。采用氩气、氮气、压缩空气对同轴螺旋气体氛围约束水导激光进行试验验证,同时采用压缩空气对同轴环形气体氛围约束水导激光进行试验验证,并结合单道划槽切深实验分析比较不同气体约束方式对水导激光加工能力的增益效果。 根据热力学第一定律结合射流冲击冷却作用建立水导激光的光热作用模型,采用晶胞法和分层理论对SiC_f/SiC材料进行几何拓扑建模,选取具有代表性的单元建立SiC_f/SiC材料的水导激光相互作用物理模型。研究不同能量的激光脉冲与SiC_f/SiC材料作用时的材料表面温度场分布以及演变规律,并对复合材料层压板与水导激光的相互作用进行分析求解。探究不同激光脉冲数对材料蚀除的影响规律,并结合水导激光划槽试验验证了理论仿真结果的准确性。 针对SiC_f/SiC材料的水导激光加工工艺基础展开研究。首先,采用不同脉宽以及波长的激光制备SiC_f/SiC材料微槽道,通过沟槽形貌结合EDS分析探究不同加工方式的优劣。针对SiC_f/SiC材料开展一系列单道/多道水导激光刻划实验,探究腔体压力、单脉冲能量、刻划速度等加工参数对沟槽形貌的影响规律。采用单点冲击式以及同心圆逐圈扫描法水导激光钻孔在SiC_f/SiC材料表面进行微孔制备,探究不同激光、液压以及运动参数对微孔形貌的影响规律,获得适合不同尺度微孔的水导激光加工参数。采用不同的气体约束水导激光的方法制备SiC_f/SiC材料微孔,分析不同加工工况对微孔形貌的影响。对实验结果进行分析,总结适合不同气助方式的水导激光加工技术的应用场合,为SiC_f/SiC材料精密加工提供技术支撑以及工艺基础。此外,通过SiC_f/SiC材料拉伸样件微孔加工,探究不同加工方法对材料拉伸强度以及断裂性能的影响。

关键词： 激光加工   热障涂层   微结构   CMAS   润湿性  

摘要： 热障涂层(Thermal barrier coatings,TBCs)具有良好的抗高温、耐磨和耐腐蚀性能,已被广泛应用于航空发动机涡轮叶片等高温部件的热防护。GdZrO由于具有良好的高温相稳定性,是下一代热障涂层的热门候选。然而,在实际服役过程中,热障涂层会因为冲蚀、烧蚀、氧化以及熔融钙镁铝硅酸盐(Ca O-Mg O-AlO-Si O,CMAS)的腐蚀等多种因素导致涂层剥落失效。其中,CMAS腐蚀是最常见的失效形式之一。在材料表面构造微结构获得超疏水表面,可以有效地提高表面的耐腐蚀性。基于此,本文首先采用皮秒脉冲激光在GdZrO热障涂层表面构建微米结构,然后通过磁控溅射在表面沉积亚微米尺度的Pt,将微米、亚微米两级复合结构引入到热障涂层表面,以获得疏离熔融CMAS的功能结构表面。系统地探究了陶瓷涂层重构表面对熔融CMAS润湿性能的影响。主要研究成果如下:(1)研究了激光功率、扫描速度、重复频率、重复次数这四个激光参数对电子束-物理气相沉积法(EB-PVD)制备的GdZrO热障涂层表面微结构的影响趋势。引入了微结构实际表面积与投影面积的比值(粗糙系数r’)。结果表明,不破坏微结构阵列完整一致性的前提下,在一定的范围内提高激光功率、重复次数或降低扫描速度、重复频率,均能够提高微结构的深度和粗糙系数r’。(2)通过改变微凸柱宽深比和扫描间距,运用正交试验设计的方法优选出具有6组不同尺寸的微结构形貌的激光加工参数。结果表明,改变扫描间距和微结构深度,能够对微结构尺寸和涂层表面粗糙系数r’进行调整。微结构深度方向的增加(从18μm增加到35μm)和扫描间距的减小(从50μm减小到25μm)均能获得更大的粗糙系数r’。优选的6组微结构的粗糙系数r’范围为1.87～3.073。(3)研究了熔融CMAS在GdZrO涂层原始表面、超快激光微结构表面、超快激光微结构与磁控溅射镀Pt复合处理表面的润湿过程。结果表明,在CAMS高温润湿过程中,CMAS块体经历了熔融、铺展、渗透和相互作用的过程,在原始涂层表面的高温接触角达到16°。随着涂层表面微结构粗糙系数r’的增大,熔融CAMS的接触角越大,润湿性越差,最大接触角达到了68.6°。这是由于在高温反应润湿体系中,粗糙表面的微凸柱减缓了CMAS熔体的横向铺展,同时,涂层表面经过超快激光处理后,孔隙率降低,减小了CMAS的渗透深度。不过,单一激光法制备的微结构并不能阻止涂层被CMAS腐蚀。最后,通过磁控溅射引入了亚微米尺度的Pt颗粒,不仅重塑了激光微结构的表面,而且对其表面进行了物理改性,涂层表面的微米、亚微米两级复合结构使得熔融CAMS的高温接触角进一步增大,达到了111.6°,有效地疏离了熔融CMAS。

关键词： 叶片前后缘   几何仿真   六轴数控加工   包络   电火花加工  

摘要： 压气机是航空发动机的核心零部件,其叶片质量,尤其是叶片进排气边缘的加工质量,影响着整个压气机的性能与稳定性,对发动机的推力、效率、振动等性能起着重要作用。压气机叶片因其叶形扭曲、气动性要求高等特点,一直是国内外加工制造领域中的难点,而压气机叶片的进排气边缘又是压气机叶片上最薄、曲率变化最剧烈的区域,其加工难度毋庸赘述。为了提高加工效率、减小手工打磨量,解决压气机叶片前后缘加工过程中存在的铣削易变形、电火花拷贝加工在某些情况下无法脱模、电解加工精度不达标等问题,课题组针对整体电极提出了一种六轴电火花单参数包络加工方法,其基本原理为:根据共轭曲面啮合原理,用复杂曲面整体电极线接触包络加工叶片边缘曲面,此方法在每一时刻需要用电极的六个自由度才能描述电极相对叶片的姿态。本文主要对此工艺进行几何仿真,对此工艺中的电极模型、刀位轨迹的生成过程等具体原理不做过多阐述。为降低试验成本,从几何原理上验证此新工艺的可行性、分析影响此工艺加工精度的各项因素,本文在不考虑电极损耗与放电间隙的情况下,以叶片前缘加工为例,对现有软件进行二次开发完成了此工艺的刀轨几何仿真。主要分为以下三方面内容:定性地验证此加工原理的正确性。根据电极、叶片以及毛坯模型、刀位点数据,对此工艺的加工过程进行了几何运动仿真。根据电极运动的刀位点轨迹,在工件坐标系中生成一系列正交标架,逐点移动电极到正交标架,并在每个刀位点处与毛坯模型进行布尔相减运算、与叶片非加工区域进行干涉判断,最后得到加工仿真后的毛坯模型与发生干涉的位置,与叶片理论模型形成了直观对比。基于包络点求解方法定量地分析此工艺的仿真模型精度。根据共轭曲面啮合原理,求出了电极工作曲面运动的包络面点云,与叶片前缘理论曲面对比,求出了此工艺的加工仿真误差。在此基础上,分析了刀位点个数、刀位点数据精度、电极工作曲面形状误差、电极的安装制造误差对仿真模型精度的影响规律。根据共轭曲面数字仿真原理,利用标杆法再次对此工艺的仿真模型精度进行定量分析,与求包络点分析方法进行相互验证。对比发现:相同条件下,在叶片相同位置处,标杆法所得的结论与求包络点方法所得结论一致,所求得的误差分布规律重合度较好。最后将上述功能集成到了软件主菜单中,可方便地进行各项仿真操作。为试验过程中各项参数的设定提供了参考,降低了试验成本,为此工艺的正式应用奠定了理论基础。

关键词： 特种加工  

ISBN: (纸本)9787301327548

摘要： 全书分为七章，分别为绪论、电火化加工、电火化我切剧加工、电化字加工、高能束流加工、增材制造技术、微细及其他特种加工技术。本书涵盖了特种加工的主要工艺，并介绍了高效放电加工、精密电解加工、增材制造在航空航天，医工结合等领域的应用及水导激光切割、四维打印技术等新的特种加工方法。本书为彰显特种加工发展历程所体现的创新思维及机理分析的重要性，结合编者数十年特种加工工作实践及教学科研经历，增加了“主编点评”环节。

关键词： 电火花加工   5自由度磁悬浮驱动器   变论域模糊PID   伸缩因子  

摘要： 与传统机械加工不同的是电火花加工依靠火花放电,加工过程中电极不与工件接触,而是通过工具电极与工件之间产生的火花放电瞬间的高温来融蚀工件,具有不受限于工件材料硬度和强度要求的优点。由于其独特的加工优势,在精密机械加工领域得到了飞速发展。针对电火花加工效率低的问题,本文介绍了一种可以结合电火花机床进行电火花加工的5自由度磁悬浮驱动器。磁悬浮驱动器内部动子可以夹住电极进行完全悬浮状态下的5自由度移动,采用变论域模糊PID控制技术对磁悬浮驱动器进行位移控制,实现高速精密的定位,提高加工速度。首先,介绍了磁悬浮驱动器的总体结构,阐述了磁悬浮驱动器的工作原理。对磁悬浮驱动器的径向电磁力和轴向电磁力进行了仿真和实验对比分析,得到了磁悬浮驱动器的位移刚度系数和电流刚度系数,建立了磁悬浮驱动器的数学模型。其次,在MATLAB/Simulink搭建了PID控制系统,对磁悬浮驱动器的Z、X(Y)、θ(φ)方向进行了位移控制仿真实验,由于PID控制器对于非线性、时变性的对象的控制效果欠缺而引入了模糊控制,在模糊控制过程中动态调节PID参数,改善了控制效果。针对模糊PID控制比例因子和量化因子一旦预设,控制过程中无法改变的缺陷,提出了变论域模糊PID控制,利用伸缩因子对比例因子和量化因子进行实时调节,提高了系统控制精度和调节速度,有效降低了超调。搭建了位移控制实验平台,分别对磁悬浮驱动的5个自由度进行位移控制实验,实验和仿真结果验证了变论域模糊PID的优越性。最后,搭建了电火花加工控制实验平台,将磁悬浮驱动器结合到电火花机床上作为电火花加工过程的局部执行机构,对磁悬浮驱动器采取PID控制、模糊PID控制、变论域模糊PID控制三种控制策略进行了加工实验,由实验结果对比分析可知,相较于传统电火花机床加工,采用磁悬浮驱动器变论域模糊PID控制策略加工能够有效的加快系统响应速度,加工效率提高了41.1%。

关键词： 激光加工   辅热   激光烧蚀   吸收率   烧蚀效率  

摘要： 随着激光技术的发展,因其能量密度高、热影响区小、自动化程度高等优越性,激光加工技术逐步取代传统加工技术,出现如激光切割、金属焊接、激光熔覆、激光打孔等加工技术,在汽车制造领域、生物医学、金属加工领域、海洋工程领域以及航空航天领域等方面都有着重大的作用。在社会不断发展、市场竞争日趋激烈的情况下,对生产效率提出了更高的要求,因此如何提高激光加工效率成为首要任务。前期研究表明,对靶材进行合理的辅助加热,可以提高后续靶材对激光能量的利用率,提高激光对靶材的烧蚀效率,从而提高激光加工的效率。针对辅助加热下激光烧蚀效率的提高问题,论文选取铝合金2024为研究对象,分别从理论和实验两个方面,开展了辅热对纳秒脉冲激光烧蚀铝合金效率的影响研究。针对辅热下纳秒脉冲激光对铝合金烧蚀效率的影响问题,论文基于传热学、流体力学等基础理论建立了数值计算模型,计算分析了靶材温度特性随辅热温度的变化规律以及辅热对烧蚀效率的影响研究。结果表明,辅热温度将影响靶材对后续纳秒脉冲激光的吸收率,靶材的辅热温度越高,靶材对激光吸收率越大,因此对纳秒脉冲激光的能量利用率也就越高,从而导致加工效率的提高;同时在辅热条件下,即使低能量密度的纳秒脉冲激光也会使靶材快速温升达到气化点,产生强蒸发甚至发生相爆炸,使更多的熔融物质喷溅,提高烧蚀效率。在数值计算分析的基础上,论文建立了辅热下纳秒脉冲激光烧蚀铝合金效率研究的实验系统,并开展了室温条件下和不同辅热温度下,纳秒脉冲激光烧蚀铝合金的效率研究。根据铝合金损伤形貌、烧蚀坑直径和深度,分析其在辅热下烧蚀效率的变化规律。在光斑尺寸相同,功率密度为6.79×10W/cm、1.27×10W/cm、1.01×10W/cm以及1.18×10W/cm纳秒脉冲激光作用下,辅热温度为500K、600K、700K、800K、900K等条件下,研究了激光对铝合金靶材的烧蚀特性。研究结果表明:辅热对纳秒激光烧蚀铝合金效率的提升具有促进作用,并且随着辅热温度的增加,铝合金靶材的烧蚀效果明显增强,烧蚀坑深度呈现增长趋势,质量迁移率得到提升。当辅热温度达到900K时,烧蚀坑深度出现明显的阶跃,与室温情况下相比,烧蚀坑深度增加了10倍。这些结果与理论研究结果吻合较好。论文的研究工作可为激光加工技术的发展和激光加工工艺的改进提供一定的理论依据与实验支持。

关键词： 网状钛基复合材料   小孔加工   电火花加工   脉冲电源   自适应控制  

摘要： 网状钛基复合材料改善了传统钛基复合材料的室温脆性,提升了综合性能,在航空航天领域拥有广阔应用前景。在航空航天领域,常需要加工微小孔起到减轻重量和散热的作用。采用常规的机械加工方法时,由于材料硬度过大,容易出现刀具崩刃的现象。电火花加工是解决高硬度材料小孔加工的有效方法,其中脉冲电源控制技术和放电检测技术对电火花加工稳定性、加工效率影响巨大。为此,本文旨在基础实验基础上,搭建自适应脉冲电源,通过改进间隙放电检测方法和引入自适应控制系统提高网状钛基复合材料电火花小孔加工的效果。通过网状钛基复合材料电火花加工基础工艺实验,分析了电容值、电阻值、以及脉间值三种电参数对加工效率与电极相对损耗的影响;并进一步探究了间隙放电波形电压与电流特征,为放电检测系统提供依据;针对脉间对加工效果的影响和随着深度增加放电状态变差的问题,提出了所研制脉冲电源采用自适应调节脉间、高能清扫脉冲、消电离功能的设计要求和控制策略。基于FPGA与ARM搭建了脉冲电源的硬件系统,使用FPGA作为主芯片,利用并行处理能力提高电源的高速响应能力,使用ARM芯片作为辅助芯片完成自适应算法运算;提出了改进的电压阈值比较法用于间隙放电状态检测,通过判断比较器输出电平值与电平持续时间有效区分四种放电波形。完成了FPGA芯片各功能模块的软件编写,主要包括:串口通信模块、电容电阻选择与脉宽脉间设定模块、放电状态检测模块、高能清扫脉冲与消电离控制模块;提出了基于CARMA模型的电火花加工过程数学模型,根据递推最小二乘法对模型中参数进行在线识别,使用最小方差法推算出控制率方程,通过工艺实验确定期望放电率等参数,编写了自适应算法的ARM程序。通过实验验证了脉冲电源功能的可行性;使用原有机床电源和研制电源进行了网状钛基复合材料电火花小孔加工对比试验,从放电状态、加工效率、电极相对损耗和极限加工深度四个方面进行比较。对比结果表明所用本文研制的自适应脉冲电源相较于常规电源在电火花小孔加工中以上四个方面加工效果均有所改善,其中,火花放电率提升12.5%,加工效率提升了17.8%,电极相对损耗降低了33.9%,极限深径比提升了24.9%。