关键词： 超声振动辅助激光加工   热-流耦合   烧蚀凹坑   材料蚀除  

摘要： 作为一种非接触加工方法,超声振动辅助激光加工(UVALP)利用透镜聚焦能量产生瞬时高温同时配合超声高频振动进行材料蚀除。UVALP过程中,被加工材料受热会发生熔化或汽化。然而,激光烧蚀材料发生在极小的空间和极短的时间里,通过实验手段直接进行材料蚀除过程的研究难度大,以至于目前对UVALP材料蚀除过程中的热、流问题仍没有统一认识。近年来,快速发展的计算机仿真技术为该问题的突破提供了一个很好的思路和途径。基于以上分析,本文利用COMSOL有限元软件的多物理场耦合方法对UVALP材料蚀除过程及相关理论进行了研究。在综合考虑材料传热、相变、流体流动、界面运动等物理问题的基础上,建立了超声激光烧蚀过程中材料蚀除热-流耦合模型。从热-流耦合的角度探索UVALP过程中材料蚀除机制及其相关物理现象,实现了UVALP过程中烧蚀凹坑形貌演变的可视化。通过单脉冲以及连续脉冲实验对仿真结果进行了验证。激光烧蚀实验结果显示,仿真得到的凹坑与实验产生的凹坑在形貌和尺寸方面具有较好的一致性,验证了所提岀模型的正确性以及热-流耦合机制在解释UVALP中材料蚀除过程方面的可行性。建立了超声振动辅助连续脉冲激光烧蚀计算模型,采用仿真与实验相结合的方法,对凹坑叠加以及加工表面形貌特点和变化规律进行了分析,同时对连续脉冲激光烧蚀过程中温度场分布进行了详细研究。实验结果表明,所建立的超声振动辅助连续脉冲激光烧蚀模型对加工零件表面形貌起到较好的预测效果。本文研究工作对优化UVALP过程起到了一定的理论支持,同时对丰富UVALP基础理论也具有积极的意义。

关键词： 电火花加工   形貌重构   润湿性   超疏水表面   功能润湿性图案   组合加工  

摘要： 表面物理化学性能强化是加工技术发展的必然趋势之一,研究功能表面的高效加工与制备技术对于提升产品性能具有重大意义。目前超疏水表面优良的抗润湿能力使其在流体减阻和液滴操控中发挥重要价值,在产品改良和升级中有广阔应用前景。电火花加工过程中放电凹坑叠加形成了凹凸不平的表面,这种表面独特的微观形貌特征影响了润湿性,若加以利用便可以用于超疏水表面的制备,并在实际应用中发挥作用。本文以电火花加工形成的表面为研究对象,对表面微观形貌进行拟合重构和润湿性分析,并以此为基础提出了制备高性能超疏水表面的工艺方法,进一步探索了其在功能超疏水表面和润湿性图案制备中的实际应用。本文对电火花加工表面的三维形貌进行了分析和重构,以求建立起形貌特征与工艺参数之间的函数关系。首先对单脉冲放电凹坑的形态和尺寸进行理论和实验分析,建立起凹坑尺寸与加工电流和脉宽之间的响应曲面。对形貌采集得到的数据矩阵进行统计运算和功率谱密度分析,归纳出Z方向和X-Y方向的形貌特征,并建立起表面高度分布、空间频率分布与单脉冲放电凹坑尺寸之间的数值联系。依据分形理论,使用小波分解法分离信号层,并提取空间特征频率和幅值两个特征参数,在大量实验测量基础上获取了特征参数与加工电流和脉宽的函数关系。使用提取的5组特征参数重构轮廓,并得到曲面方程,实现了对表面形貌的预测。在重构的电火花加工表面基础上进行了表面润湿性的研究。基于力平衡原理建立起理想阵列微结构表面的水滴接触角理论模型,并将其引入到重构表面的接触角预测中。根据Wenzel和Cassie-Baxter理论,从曲面方程和三相接触线的力学分析推算固体分数和接触线密度,求解接触角。对具有分形特征和不可分形两类双频率波纹曲面分别进行润湿性理论分析,并结合复合模型方法,探究不同特征参数下复合润湿模型的转变条件和临界状态,实现疏水处理表面上水滴接触角的预测。最后通过工艺实验对预测模型进行验证和修正,从而建立起电火花加工参数与表面润湿性之间的数学关系。以电火花加工表面上水滴接触角模型为理论依据,进行超疏水表面制备工艺的探索。提出了电火花/电化学组合工艺方法,实现了分层微纳米结构超疏水表面的制备,并利用电化学刻蚀和沉积技术形成的纳米或亚微米结构进一步增强表面超疏水能力。对组合方法得到的可分形表面采用复合润湿性模型进行理论分析,研究电火花、电化学工艺和低表面能处理在超疏水表面制备过程中各自发挥的作用,并通过调节工艺参数,制备出高性能超疏水表面。使用电火花/电化学刻蚀法在铜材料上得到的超疏水表面接触角可达167.1±2.6°,通过形貌表征和电化学腐蚀性测试展示了其优异的抗润湿和抗腐蚀能力。运用电火花/电化学沉积法在铝表面实现水和煤油的超双疏性,水滴接触角最高可达169.8±3.0°。耐磨性测试和减阻性能测试展示出电火花工艺对于提升超疏水表面耐磨性和稳定性的重要作用。在电火花/电化学组合工艺理论和实验研究的基础上,开展功能润湿性图案的设计和制作。在电化学沉积基底上使用电火花加工出直径500μm的圆形点阵,制作液滴存贮样件,通过图案上水滴接触角和接触角滞后的理论计算和液滴实验验证了此方法的可行性。基于掩模电化学沉积技术,针对不同的图案尺度,在电火花加工表面基底上开展功能图案的制作和测试。使用铜箔掩模制备大尺寸非均匀润湿性图案,并用于水雾收集研究和楔形图案液滴自驱动定向传输研究。使用光刻显影掩模技术实现高精度功能润湿性纹理的制备,并加工出鱼鳞状和箭头状各向异性液滴减阻功能的图案,实验验证了制作的液滴单向减阻功能试件的有效性。本文结合理论研究和工艺实验探究,对电火花加工表面形貌、润湿性进行了较为详细的研究分析,通过工艺方案探索和表征测试实现了超疏水表面和功能润湿性图案的可控制备,将表面缺陷转变为工艺优势,展示出电火花工艺新的应用价值,也为超疏水表面制备和流体操控技术提供了一种工艺方案。

关键词： 往复走丝   电极丝   振动   仿真  

摘要： 与低速走丝电火花线切割机床相比,我国自主研发的往复走丝电火花线切割机床具有结构简单、操作方便等优点,并且在模具加工、航空航天等领域有着较为广泛的应用。近年来,由于低走丝机床具有运动平稳、动态性能优良等特点,使其逐渐占领国内市场,然而由于高速高精度的加工需求,对机床的整体性能提出了更高的要求。因此,本文以优化电极丝的振动特性为研究出发点,对DK7740型线切割机床上电极丝的关联装置(即丝架)以及电极丝本身进行研究,主要研究内容及成果如下:(1)深入分析了引发机床电极丝振动的主要影响因素,并且对电极丝的振动特性进行研究,建立了电极丝振动的相关方程,随后对不同的振动控制方法进行了比较,最后介绍了有限单元分析法、机械结构优化设计的理论方法以及随机振动理论。以此为优化电极丝的振动特性奠定理论基础;(2)在Creo 6.0中建立了安装电极丝的三维丝架模型后,对模型及各零部件进行ANSYS仿真,同时在试验机上对其进行模态试验,通过将跨距值分别设置为200mm、280mm和300mm,得出与之对应的FRF曲线图和模态参数,随后将试验数据与仿真结果进行对比,证明了三维丝架模型的正确性。接着从形状优化和结构优化两方面对丝架模型进行了优化:在对丝架整体及各部件静力学分析的基础上,对模型进行拓扑优化,优化后的丝架模型质量为76.3kg,与原质量83.475kg相比,优化了9%。再对拓扑优化后的上臂进行多目标优化,丝架原本的质量为83.475kg,优化后丝架的质量为76.3kg,较之前优化了11.79%;丝架优化前的最大应力为2.082Mpa,优化后的最大应力为0.8639Mpa,较之前减少了1.41倍;优化前丝架的最大位移为0.169mm,优化后的最大位移为0.02mm,减少了7.45倍。最后对优化前后的两组模型做了模态分析和谐响应分析:通过模态分析,得出优化后丝架的固有频率数值整体升高,模态振型相比优化前趋于平缓;通过谐响应分析,主振型峰值由10.6672mm降为了6.8616mm。并且设计了振动测试试验,试验表明:优化后丝架振动的加速度峰值均稳定在10mm/s以下,振动幅度明显减缓。(3)针对传统双级联动装置由于采用两级传动而带来的效率低下、精度损失等问题,通过对比四种电极丝在不同温度下的形变状态,选用钼丝作为本课题使用的电极丝,并对电极丝和工件进行温度场仿真分析,随后采用铝盐体系技术对电极丝进行预处理,进而得出优化齿轮减速器中双级联动装置振动特性的有效措施。基于此,设计了一种新的三级传动装置,即在原来的二级齿轮的基础上增加两个限幅器作为第三级,通过与电极丝之间相对运动产生的摩擦来消耗电极丝振动的能量,以此来降低电极丝的振动和噪声,进而达到提高加工效率、改善产品精度等目的。另外,建立了使用新型三级联动装置前后的电极丝模型,并对两种环境下的电极丝模型进行有限元仿真分析,结果表明:采用新型三级联动装置后的固有频率整体偏高,模态振型整体趋于平缓;也对两种环境下的电极丝模型做了随机振动分析,结果表明:采用新型装置的电极丝模型在X方向最大的振动响应变形由0.0036mm减少到了7.86×10mm,在Y方向上的最大响应变形由0.0254mm减少到了5.12×10mm;最后设计了两部分实验:第一部分实验在未加装三级联动装置的机床上进行,第二部分在加装三级联动装置后的机床上进行。对8组工件加工完成后,分别测量它们的表面粗糙度和直角度,并用实验组和对照组作为统计。结果表明:加装三级联动装置之后工件的表面粗糙度平均降低了12.83%,直角度误差平均降低了9.21%。

关键词： 电火花加工   超疏水   耐磨性   碳纤维  

摘要： 在仿生功能界面材料领域,超疏水材料因其广泛的应用潜力备受科学家们的关注,未来将在家用产品、交通工具、服装、电子设备、航空工业等领域发挥重要作用。由于超疏水表面的纳米结构十分脆弱,如何开发一种耐磨损、抗紫外线、耐高温、化学稳定性优秀的超疏水涂层成为了目前研究的主要方向。迄今为止,超疏水涂层的制造方法包括浸泡法、化学气相沉积法、电化学沉积法、溶胶-凝胶法、激光法和电火花加工法等。电火花加工法对材料硬度没有限制,热影响区小,制备的表面具有天然粗糙结构,是非常适合的超疏水表面基材,然而传统的电火花法很难一步制备出超疏水表面,而且不适用于形状复杂的零件。本文选用柔性碳纤维刷作为电极,在形状复杂的沟槽表面采用电火花加工法一步制备了耐磨性优良的微纳多级结构超疏水涂层。碳纤维刷拥有特殊的性能,例如柔韧性、导电性和耐高温性,特别重要的是碳纤维刷具有适应复杂的内壁凹槽的能力。碳纤维电火花加工所制备的高适应性超疏水涂层有助于实现复杂耐磨损超疏水表面的制备,为制备抗磨损、耐腐蚀、抗紫外线、耐热、化学稳定性强的超疏水表面提出了一种切实可行、灵活且低成本的方法。本文的主要研究内容包括:(1)阐述碳纤维放电加工制备超疏水涂层机理,建立碳纤维多通道放电等效电路模型,将铜刷电极与新型碳纤维刷电极进行对比实验研究,对两种电极的放电波形、加工表面形貌、加工后疏水性进行对比,分析碳纤维刷电极相对于传统铜电极的优势。对该方法的加工材料适应性以及复杂结构表面适应性进行探索。(2)对超疏水表面进行微观形貌和元素构成分析,确定涂层与基材结合方式。讨论加工时间、峰值电压以及脉宽对涂层的疏水性、厚度的影响。对涂层的功能进行了表征分析,研究了包括自清洁、耐腐蚀、化学稳定性、抗UV性、耐热性、耐磨性以及超疏水表面对不同液体的疏液性能,以评估超疏水涂层的应用潜力。(3)以制备耐磨超疏水表面为目标,结合润湿理论设计了三种微沟槽结构并通过电火花线切割方法制造出基体,进而对碳纤维加工微沟槽的可行性进行表征和分析。对平面样件以及三种形貌的微沟槽进行磨损试验,对试验结果的机理进行了系统性分析。最后测量了微沟槽不同方向上的润湿性,讨论了微沟槽的各向异性和潜在的应用。

关键词： 不锈钢   飞秒激光   微结构   双温方程   表面性能  

摘要： 不锈钢材料具有良好的机械性能被广泛应用于各个领域,作为供求量最大的金属材料之一,因材料表面呈现亲水性,在实际环境中难免造成腐蚀、污染或磨损等各种损伤,导致材料使用寿命缩减和性能受限,严重时还可能会导致工作事故。如果可以改善材料表面的疏水性能,就可极大程度减少这些情况发生的概率。因此,就如何实现不锈钢表面性能的改进,提高材料使用价值是目前研究的重点。以往实现材料疏水性改善多采用传统加工方式,但随着科技发展,各行业对精度、可控性及工艺便捷、环保等提出了更高要求,传统加工逐渐不能满足需求。飞秒激光有着独特的非接触式冷加工特点,加工过程中对材料产生的热损伤小,保证表面精度和质量,且其高度可控、绿色环保,可实现微米级精密加工,有效改善了传统加工工艺的短板。为此,本文利用飞秒激光技术实现304不锈钢性能改进,主要做了以下工作:(1)为保证实验成功展开,对实现不锈钢表面性能改善做了相关工艺安排。将实验主要分为飞秒激光加工表面微结构和硅烷化学改性两部分,结合理论阐明了实验设计和工艺流程的可行性及优势。(2)研究了飞秒激光与材料间的相互作用机理;搭建了基于光源项改进的双温方程,有针对性的对飞秒激光作用304不锈钢的过程及影响进行了数值仿真和求解分析;总结了材料电子、晶格系统温度随激光参数的变化规律,解释了激光热损伤小的原因;建立了三种润湿模型,从理论角度解释了影响材料润湿性的两个重要因素,证明了实验工艺设计的可行性。(3)开展了飞秒激光加工不锈钢的具体实验。通过设置不同工艺参数,研究单因素实验中不同变量对表面微结构各项指标的影响规律,并分析总结其形成机理;进一步设计正交实验,通过改变工艺参数获得形貌不同的矩阵阵列微结构,并对多因素下表面综合加工情况进行了研究,归纳各因素对微结构深度、宽度及粗糙度的影响规律;对结果进行极差分析,确定影响最大加工因素,得出设定参数内最优加工水平工艺。(4)进一步对具备微结构的材料进行降低表面能处理,改善不锈钢表面的润湿性,使材料表面接触角达到150°超疏水态;分析飞秒激光加工微结构粗糙度与接触角的相关性;利用扫描电镜观测结构形貌特征及化学修饰后整体情况,确定不同形貌对疏水性能的影响,分析归纳其中原因;最后对超疏水不锈钢进行耐久性、耐腐蚀性、自清洁性及耐磨性的相关性能测试,表明实验结果具有一定的应用价值。

关键词： AZO薄膜   线间距   倾斜角   加密结构   激光加工   超声振动  

摘要： 掺铝氧化锌(AZO)是透明导电氧化物(TCO)的一种,由于其制备成本低、无毒、具有良好的化学和热稳定性以及透明度高等优点,成为具有较好发展前景的透明导电薄膜。AZO透明导电薄膜已经获得了广泛的技术应用,包括压力传感器、太阳能电池、光电器件和液晶显示器等。由于在应用中对材料性能要求变得更加严格,当前薄膜的特性也在实验研究中不断被突破提高,拥有对可见光的高透过性和良好的导电性的薄膜一直是研究工作者追求的目标。目前关于提高薄膜性能的研究很多,有复合金属层、激光加工等方法。关于薄膜复合金属层有复合单层也有复合多层金属的研究,对于激光加工的研究很多都仅限对于激光参数和激光类型的研究,而在激光加工过程中施加辅助措施的研究却不多见。超声振动以其可以减少基底热损伤、使晶粒分布更加均匀的优势在金属制造制备方面广泛应用。基于此,本文在AZO薄膜表面复合金属层,并在AZO基透明导电薄膜表面进行激光刻蚀,研究了线间距、倾斜角和加密结构对薄膜性能的影响。最后又在激光刻蚀的过程中辅以超声振动,以此来使薄膜的性能得到进一步提高,也取得了有一定意义的研究结果:1、首先在商售的AZO玻璃表面采用射频磁控溅射法镀上了5 nm厚的Ag层。在Ag/AZO薄膜表面激光刻蚀光栅结构,研究了不同线间距和倾斜角对薄膜表面形貌、晶体结构、透光率、导电性和综合性能的影响。由最终结果可知,当线间距为200μm时,Ag/AZO薄膜的性能最佳,其平均透光率为78.45%(400～800nm),方块电阻为9.78Ω/sq,品质因子为0.90×10Ω。当倾斜角为90°时,薄膜的平均透光率为85.68%(400～800 nm),方块电阻为9.79Ω/sq,薄膜的品质因子为2.18×10Ω,此时薄膜的综合性能最好。2、在光栅的线间距为200μm和倾斜角为90°的基础之上,在Ag/AZO薄膜表面激光刻蚀加密结构。研究不同的加密结构对薄膜表面形貌、晶体结构、透光率、导电性和综合性能的影响。实验结果表明,当加密结构为圆形时Ag/AZO薄膜表现出较好的综合性能,此时薄膜的平均透光率为86.93%(400～800 nm),方块电阻为9.74Ω/sq,薄膜的品质因子为2.50×10Ω。3、在上述得到的最佳的线间距、倾斜角和加密结构的情况下,在Ag/AZO薄膜表面激光刻蚀加密结构的过程中施加超声振动,研究不同的振动功率对薄膜表面形貌、晶体结构、透光率、导电性和综合性能的影响,以确定当薄膜达到最佳的综合性能时振动功率的大小。当振动功率为300 W时,此时Ag/AZO薄膜的综合性能最佳,平均透光率为87.33%(400～800 nm),方块电阻为9.72Ω/sq,品质因子为2.65×10Ω。

关键词： 激光加工   碳纤维复合材料   CW激光   ms激光   ns激光   体烧蚀   激光打孔   机械剥蚀   激光表面处理  

摘要： 本文从理论分析、数值模拟及实验研究等方面对近红外波段的CW激光、ms激光和ns激光分别辐照碳纤维增强环氧树脂基复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）时的作用机理及在激光加工中的应用进行了研究。基于红外激光面吸收机制,推导并建立了CFRP的激光热烧蚀模型,模型同时包含了激光体烧蚀和面烧蚀过程。仿真计算结果表明,到靶激光功率密度在1000W/cm2以内的CW激光对CFRP的主要烧蚀机制为单一体烧蚀,引起CFRP的力学破坏效果有限。在相同激光辐照时间内,随激光功率密度的增加,CFRP的单位时间质量损失亦增加;但在激光长时间辐照下,随激光辐照时间的增加,CFRP的单位时间质量损失和单位能量质量损失又将减小。当到靶激光功率密度在1000W/cm2以上时,激光对CFRP的热烧蚀机制转为面烧蚀与体烧蚀的共同作用。在此激光作用条件下,研究了不同激光工作体制对CFRP打孔的影响。在激光到靶平均功率密度相同的前提下,激光的打孔速度、单位能量质量损失和材料移除机制等都直接受激光工作体制的影响。在高激光峰值功率密度、低重复频率的ms激光模式下,CFRP有较快的激光打孔速度,有利于减小材料的热影响区,降低激光打孔时的能量消耗。发明了一种利用近红外ns激光对粘接前的CFRP表面进行激光处理的方法:使用1064nm的ns激光热解CFRP表面树脂层与碳纤维层的交界面处的部分树脂基体并产生气体压强,利用该压强的机械剥蚀机制,得到低能效比的CFRP表面激光清洗结果。该方法在激光清洗CFRP表面树脂基体的同时,还引起碳纤维表面产生条纹结构,增加了粘接操作时CFRP表面的粘接面积和机械锁合强度。本文研究结果可为激光加工CFRP领域的进一步工艺优化提供理论和实验依据。

关键词： 微细电火花加工   宏微复合控制   磁悬浮主轴  

摘要： 微细电火花加工是微细制造的重要手段之一,磁悬浮主轴的快速响应能力能够根据放电状态快速调整放电间隙,提高微细电火花的加工质量和加工效率,但磁悬浮主轴由于结构和原理限制,仅能实现微小位移,无法满足局部结构微小但整体尺寸较大的工件的加工需求。通过宏微复合控制,将磁悬浮主轴作为微动部分,与作为宏动部分的伺服电机加滚珠丝杠机构进行配合,构建磁悬浮主轴微细电火花加工宏微复合控制装置,可实现范围广、精度高的微细电火花加工,具有重要意义。本文分析了微细电火花加工及其主轴驱动技术、宏微复合控制和磁悬浮主轴及其应用的国内外研究现状,进行了宏微复合控制方案的研究、装置硬件的研制、控制软件的设计与开发以及装置性能验证加工实验。根据微细电火花加工和宏微复合控制的要求,完成了磁悬浮主轴微细电火花加工宏微复合控制装置的控制系统硬件和机械结构的研制,为宏微复合控制的实现奠定了基础。通过微细电火花加工总体控制方案与宏微复合控制方案的合理设计,避免了微细电火花加工过程中因宏微切换而发生的工具电极与工件的碰撞,扩大了磁悬浮主轴的加工范围。同时,通过微动部分对宏动部分定位误差的补偿方案设计,提升了磁悬浮主轴微细电火花加工宏微复合控制装置的定位精度。根据控制方案的设计,进行下位机程序的编写与完善,完成对控制方案的实现。此外,开发与下位机程序相适配的带有人机交互界面的上位机软件,实现微细电火花加工所需的辅助功能控制。进行了磁悬浮主轴微细电火花加工宏微复合控制装置宏动部分和微动部分的定位实验研究,测试了宏微复合控制效果,结果表明,磁悬浮主轴能够较好地按照宏微复合控制方案进给与回退。之后,通过在3Cr2Mo模具钢上加工微方槽进行单因素实验与正交实验,探究微细电火花加工规律,选择合适的加工参数完成总长1270μm、总宽955μm、槽宽75μm、槽深30μm的微流控芯片典型结构组合图形模具的加工,测得加工结果的最大尺寸误差3.44μm,表明装置各项性能良好,能够完成对局部结构微小但整体尺寸较大的工件的加工。

关键词： 气膜孔   飞秒激光   激光制孔   表面质量   单晶合金  

摘要： 航空发动机的性能在很大程度上取决于涡轮前端进口温度,气膜冷却是提高叶片冷却效率,保证航空发动机叶片在高温恶劣服役环境下平稳运行的重要技术。气膜孔表面质量会影响发动机叶片的使用寿命。随着航空发动机叶片参数指标的不断提升,目前常用的加工技术存在一定的局限性,难以获得更高质量的气膜孔。飞秒激光的脉冲宽度极小,可以瞬时产生极高的峰值功率。激光在与材料接触时,材料会迅速被去除。在这个过程中,热量来不及向材料内部扩散,加工过程接近冷加工。但由于激光器的参数种类较多,不同的激光参数会产生不同的加工结果。针对气膜孔加工问题,本文应用不同脉冲宽度的激光器进行气膜孔加工。设置多组实验,探究激光器参数与气膜孔表面质量的关联,最终建立激光器参数与气膜孔表面质量间的数学模型。主要结论如下:1)紫外飞秒激光可以降低材料的烧蚀阈值,获得更好的加工质量。但是由于紫外飞秒激光器功率较低,无法加工出高深径比的气膜孔。2)激光功率是影响气膜孔加工质量的主要因素。重复频率对孔径的影响较小,过高的重复频率会加剧孔壁的烧蚀。当功率和重复频率都处于较高的位置时,激光脉冲在材料表面会产生强烈的热量累积,孔周会产生热影响区。3)正离焦会同时提高上孔及下孔直径。过度的正离焦会对上孔造成过度加工,负离焦会减小孔径。过度的负离焦会造成上孔周围能量密度过低,产生孔周缺陷。4)皮秒激光与材料作用无法避免热影响区的产生,通过合理的参数选择,可以将重铸层厚度为控制在5μm秒激光与材料的作用主要是熔化排出,加工后具有严重的热影响区,重铸层厚度可达30～50μm。5)飞秒激光与材料作用时,电子-晶格耦合时间为1-4ps,在加工过程中,激光热量不会向周围扩散。6)响应曲面法（RSM）及BP神经网络可以建立激光器参数与气膜孔表面质量间的数学模型,BP的拟合准确度高,但是当学习的样本数量较少时,预测值与真实值有较大的的误差。响应曲面法可以实现误差在10%以内的气膜孔表面质量预测。

关键词： 慢波结构   激光加工   复合加工   激光加工仿真   微铣削  

摘要： 慢波结构是太赫兹辐射源的核心部件,是一种由S形槽和直槽相贯组成的微结构,由于尺寸微小、深宽比大,且在塑性好、刚性差的弥散无氧铜上制得,属于典型的难加工器件。目前慢波结构的加工以微铣削技术为主,然而微铣削加工全周期慢波结构的探索中存在刀具磨损严重、换刀频繁和加工效率低等问题,为解决这些问题,本文提出了紫外纳秒激光-微铣削复合加工的研究思路,通过理论分析、仿真模拟与工艺试验相结合的方式展开研究。 利用SEM表征分析激光加工表面形貌的生成特征,建立包含多种力效应(反冲压力、马兰戈尼力、表面张力等)、材料相变及熔融流动的紫外纳秒激光与弥散无氧铜相互作用的仿真模型,系统研究激光加工过程中的峰值温度场分布、烧蚀形貌动态生成过程以及激光加工参数对材料烧蚀深度和烧蚀形貌的影响规律,预测得到激光加工过程中的最大热影响区宽度。采用与仿真相同功率条件下的烧蚀实验对仿真模型进行验证。 设计面向慢波结构S形特征结构的多种扫描策略,优选确定变角度扫描为最优策略。基于激光加工参数对目标结构特征的影响展开研究,利用响应曲面实验建立激光加工参数与槽深、槽宽、加工表面粗糙度和显微硬度之间的数学模型,以槽深和显微硬度为主要优化目标,优化确定最优激光加工参数。利用优化参数开展实验,验证得到槽深和显微硬度模型的准确性分别可达95.83%和95.65%以上。为确定激光加工产生的热影响区阈值,通过金相组织分析和显微硬度测试得出最大功率、最低扫描速度和最高扫描次数时热影响区的单边宽度在10μm以内。 分析得到受力模式和材料硬度对激光-微铣削复合加工的影响,基于酸洗法对激光加工材料表层硬度进行弱化。为保证复合加工的效果,基于激光加工的全周期慢波结构,采用CCD辅助完成对刀,通过交替铣削和往复铣削规划铣削路径,利用尺寸补偿解决复合偏差问题。以刀具失效程度、铣削力、槽底表面质量和槽顶毛刺宽度为特征量对比分析纯微铣削与激光-微铣削复合加工的实际效果,验证复合加工的优势。通过增加每次走刀的背吃刀量和延长每把微铣刀的加工周期,采用分段加工的方法加工得到全周期(75周期)慢波结构,样件侧壁垂直度可达89.24°,尺寸精度<±2μm,槽底粗糙度<25.5nm。与纯微铣削相比,复合加工微铣刀消耗量从9把以上降低至3把,加工时长由24小时以上缩短至4小时左右。