关键词： 不可展曲面   结构功能材料   激光加工   跨尺度加工  

摘要： 结构功能材料是具有周期性微细结构,可通过改变表面结构的尺寸和排列组合方式,使材料表现出特殊功能特性的材料。不仅应用于电磁领域、超疏水功能以及微流控等小型结构上,还适用于飞机的大型整体壁板、风机的叶片、船舶的侧板以及雷达整流罩等大型不可展曲面。但目前利用激光在不可展曲面上跨尺度自动化加工微细功能结构单元的研究内容较少,且在不同金属表面制备微细结构功能的研究还不够系统。本文通过对不可展曲面跨尺度自动加工特点进行分析,首先搭建五轴数控激光加工系统并开发结构功能材料加工系统软件;然后提出不可展曲面分区算法、区域内单元排布设计算法、区域内加工路径和区域间衔接算法;接着通过理论和实验分析影响平面和不可展曲面加工单元畸变和拼接精度的因素;最后为提高功能结构制备精度,开展不同激光加工参数在不同材料对加工微细线槽的影响规律实验,实现高精度跨尺度加工结构功能材料的目的,主要研究内容如下:(1)通过对五轴激光加工系统的设计、搭建和结构功能材料加工系统软件的开发,完成了不可展曲面加工的基础实验设施的建立工作。结果表明,本课题组搭建的平台各轴重复定位精度高且扩大了加工空间范围,可以完成图形设计、加工及参数优化等工作,可基本实现大幅面平面和不可展曲面的激光加工工作。(2)通过运用激光焦深原则和三维曲面转化为二维平面加工方法,设计了球面角分区算法、矩形分区和直角梯形分区单元排布算法、区域内自动化加工路径算法以及区域间衔接运动算法。结果表明,球面角分区算法可以满足分区平面处于焦深范围内的条件,使加工时激光光斑变形更小;分区单元排布设计算法通过将区域内图形按照均布原则设计和误差量化计算,改善了区域间拼接处拼接误差大的问题;通过对区域内加工路径的设计和计算,实现了区域内按弓形路径自动化加工;区域间衔接运动方案提高了跨尺度加工不可展曲面的效率,进一步实现跨尺度自动化加工不可展曲面的加工工作。(3)通过对加工产生的图形畸变和拼接误差进行原因分析并进行校正,进行单元拼接实验和不可展曲面覆铜盖板自动化加工实验。结果表明,引起图形加工畸变的主要因素有振镜原理误差、激光光路误差、加工参数和离焦量;在经过校正后,影响拼接精度的主要原因为模型曲率变化、加工表面的定位精度以及运动精度,优化不可展曲面的跨尺度加工精度工作。(4)通过在黄铜、硬质合金、1060铝和银等四种金属表面制备微细槽结构,探究不同紫外激光加工参数对线宽和槽深的影响。研究发现,在一定范围内脉冲宽度、重复频率的减小和单位长度脉冲数目的增大会使线宽和槽深增大,在不同金属上加工的线宽和槽深随金属电阻率的增大而增大。通过以上四方面的工作,最终实现了高精度、跨尺度自动化加工不可展曲面功能结构的目标。

关键词： 飞秒激光   面齿轮   烧蚀能量模型   形貌特征   粗糙度  

摘要： 面齿轮在机械空间交错传动中起决定性作用,传输动力过程重合度大、可承受较大载荷、高速运转稳定等优点,广泛应用于大型装备机械、航天领域等。面齿轮的齿形复杂,技术要求高,制造困难,目前国外的面齿轮生产技术和设备都处于封闭状态,国内在面齿轮精密加工精度要比国外低二级左右。为克服这些技术问题,本文采用飞秒激光精修技术来实现面齿轮材料的微纳加工。飞秒激光切割工艺实现了微小零件的精确切割,灵活性极强,通过适当的工艺参数,可实现结构复杂零件的精确切削。本文将基本理论和模型仿真与加工实验相结合,展开了飞秒激光精修齿面烧蚀能量耦合模型与齿面形貌的研究,研究的核心内容如下:研究了单脉冲与多脉冲烧蚀面齿轮材料的区别。调节飞秒激光能量密度与功率的数值,获得了面齿轮材料18Cr2Ni4WA的烧蚀临界点;将单脉冲激光与多脉冲激光进行烧蚀齿面凹坑对比,得出了多脉冲能量累积效应会使得凹坑表面材料发生二次烧蚀从而在凹坑表面形成较小的凸起结构影响并阻碍后续材料的烧蚀效果。飞秒激光烧蚀面齿轮时材料间效应与建模仿真研究。本文考虑面齿轮材料动态效应中的成分互温感应效应以及多脉冲烧蚀材料的能量累积效应。材料成分互温感应效应是在飞秒激光烧蚀面齿轮材料时基于非傅里叶传热现象和双温方程的基础上,建立飞秒激光烧蚀面齿轮材料的能量传热模型。研究多脉冲能量累积效应得出了飞秒激光进行多脉冲烧蚀面齿轮时的临界能量密度值。将烧蚀面齿轮材料时的成分互温感应效应和多脉冲能量累积效应与双温方程进行耦合,得到了飞秒激光烧蚀面齿轮的能量耦合传热模型。用COMSOL软件对两个传热模型分别进行仿真,得出了飞秒激光不同能量密度对烧蚀面齿轮时的温度场变化规律,得出烧蚀齿面材料的参数范围。飞秒激光烧蚀面齿轮材料的齿面形貌实验研究。进行了飞秒激光烧蚀面齿轮材料的实验,结合仿真模拟的参数范围对面齿轮进行烧蚀实验研究。对烧蚀凹坑直径、深度检测;对烧蚀线深度、宽度、粗糙度检测;对烧蚀面深度、粗糙度检测。分析不同激光能量密度和脉冲数量对烧蚀凹坑尺寸大小、烧蚀面的深度粗糙度的影响规律。通过实验,分析了激光能量密度和功率对烧蚀线深度与粗糙度的关系。结果显示,随着激光能量密度和功率降低,飞秒激光加工质量明显上升,粗糙度明显得到了优化。且烧蚀凹坑、线、面内部没有明显的熔融物残留,烧蚀形貌平整基本无热影响区域。根据对齿面形貌的影响规律,得到了飞秒激光精修齿面的最优参数范围。

关键词： 电火花加工   脉冲电源   Buck TL   电流峰值预测控制  

摘要： 电火花加工(electrical discharge machining,EDM)有着耗能小、精度高等优点,可对高熔点、高硬度材料以及复杂结构进行高效精密加工,在航空航天、精密医疗等领域发挥着难以替代的作用。由于电火花加工脉冲电源及其放电电流控制策略直接影响了加工效率和加工质量,因此本文针对基于Buck三电平(Buck three-level,Buck TL)电路的新型单级式电火花加工脉冲电源及其高动态响应电流控制策略展开了研究。 首先,分析了成形电火花加工和线切割电火花加工的放电间隙,建立了不同加工状态时的等效电路模型,根据间隙特性提出了电火花加工对脉冲电源的需求。通过对脉冲电源架构的梳理,分析了应用于电火花加工的传统单级式脉冲电源与复合式脉冲电源的利弊。针对两者优势提出新型单级式电火花加工脉冲电源架构,给出基于Buck TL变换器的单级式电火花加工脉冲电源。通过开关管的开通时序控制:在击穿延时阶段采用两个开关管同步工作,将较高的输入电压施加在间隙上,实现间隙击穿;在放电加工阶段,两开关管交错导通。一方面使加在输出电感上的等效输入电压降为原来的一半,改善了传统单级式脉冲电源输入输出压差大引起的电流脉动问题,另一方面输出电流脉动频率变为开关频率的两倍,进一步实现了电感电流脉动的优化。 之后,针对电火花加工过程中间隙击穿时间短、放电脉宽窄的需求,提出了基于Buck TL变换器的高动态响应输出电流控制策略。分析了电流平均值预测控制、电流谷值预测控制和电流峰值预测控制应用于电火花加工时的优劣,最终选择基于前沿调制的电流峰值预测控制策略。并结合Buck TL变换器,对暂态的控制策略做出优化,实现了电流的快速上升,避免了击穿后的断弧问题。接着分析了各种暂态情况下系统重新回归稳态需要的时间。 最后,设计并搭建了原理样机,验证了新型单级式电火花加工脉冲电源的可行性和有效性,以及优化的前沿电流峰值预测控制的动态特性与稳态特性。

关键词： 激光加工   柔性可拉伸   压电超声换能器   超声阵列   成像定位  

摘要： 超声因其方向性好、穿透性强、灵敏度高、对物体无损伤等特点,逐渐发展成为当今主流的一种检测与诊断手段。随着柔性电子和可穿戴设备的迅速发展对超声技术的带动,传统的压电超声换能器有向着小型化、柔性化、可穿戴化发展的趋势。柔性压电微超声换能器结构轻薄,机械灵活性好,能够适应不同的工作表面,满足多种场景对于器件的要求,成为了新型压电超声换能器的研究热点。众多高校及研究所对柔性压电微超声换能器进行了研究与探索,但仍面临器件结构复杂、加工制备过程繁琐、任意弯曲下阵元位置未知的难题。本论文以精简结构、提升可靠度为目标,提出了柔性以及柔性可拉伸的两种压电微超声换能器;通过对激光加工柔性材料做了细致的分析与表征,得到激光参数对材料烧蚀深度和表面形貌的影响规律,并基于此直接对多种柔性材料进行激光加工处理,方便快捷的完成了器件制备过程;搭建振动、机械、声学测试平台,研究两种压电微超声换能器在柔性状态下的性能稳定性;基于三维快速扫描技术提出用于获取弯曲状态下阵元位置的新方法,并探索平整以及弯曲状态下柔性可拉伸微超声换能器的成像定位应用。本论文的主要研究内容和成果如下: 1.根据传统刚性压电换能器的发展状态与趋势,分析换能器向小型化、柔性化发展的可行性,讨论现有柔性压电微超声换能器的结构与制备方式,提出将激光精密加工技术直接应用于柔性以及柔性可拉伸压电微超声换能器制备的新方法。 2.基于激光与材料相互作用时产生独特的烧蚀机理,研究加工过程中激光功率、重复频率、扫描速度、扫描次数对材料烧蚀去除效率以及最终加工质量的影响,得到激光参数对材料烧蚀深度和表面形貌的影响规律,实现对压电薄膜、柔性聚合物薄膜以及多层复合薄膜高质量的激光精密加工处理。 3.提出一种弯曲振动模式的柔性压电薄膜微超声换能器,通过设计空腔结构大范围调节压电薄膜的工作频率,基于薄板弯曲振动理论,对多层复合薄膜的共振频率进行理论和仿真计算。通过有限元仿真对器件结构进行优化,获得薄膜大幅度的弯曲振动以及阵元之间的低串扰水平。基于激光精密加工系统,提出“粘贴键合”技术方便快捷的完成器件制备。器件共振频率161.03k Hz,在46%的上凸弯曲程度下保持良好的性能稳定性,并通过搭建超声发射-接收测试系统,实现器件在空气中不同弯曲状态的超声发射以及不同距离的超声接收功能。 4.提出一种基于“岛-桥”结构的柔性可拉伸超声阵列,采用柔性铰链矩阵“桥”连接压电阵元“岛”,实现超声换能器阵列的柔性和可拉伸性。基于“岛-桥”结构,提出行-列寻址式电极配置,实现对阵元的多种方式激励,大幅减少引线数量,简化结构,降低失效风险。采用激光精密加工系统快速制备柔性铰链矩阵,通过“嵌入”工艺制备出10阵元柔性可拉伸线阵、3×3以及6×6柔性可拉伸面阵,成品率可达100%。柔性可拉伸阵列频率约为2 MHz,最大变形能力可达60%,在万次拉伸疲劳试验中能够保持性能稳定和机械结构完整。 5.通过搭建超声成像系统,实现平整状态下柔性可拉伸超声线阵对多根钢柱的成像定位,并通过改进线阵的扫描方式,抑制定位结果中的伪像,提升图像质量。研究使用非侵入式三维快速扫描技术直接获取柔性可拉伸超声阵列的阵元位置,探索一种快速、无创、低成本的曲面状态下阵元定位方法。通过阵元空间坐标转换,完成扫描模型与超声成像系统的耦合,最终实现柔性可拉伸二维面阵在曲面状态下对多根钢丝的超声成像定位。

关键词： 微结构   陶瓷   陶瓷基复合材料   精密磨削   电火花加工   PCD  

摘要： 蓝宝石、聚晶金刚石（PCD）、单晶碳化硅陶瓷、陶瓷基复合材料等高性能硬脆材料具有硬度高、密度低、热膨胀系数小、化学稳定性好等特点,在其表面加工制造出规则的微结构可以附加出新的功能特性,被广泛应用于航空航天、汽车制造、生物工程等领域。然而,这些材料硬度或脆性较高,导致其微结构加工表面容易出现破损、崩边等问题,很难保证微结构的3D形状精度。论文提出采用高精度的微细磨削加工技术在蓝宝石、硬质合金、陶瓷及陶瓷基复合材料表面加工制造出高形状精度的微阵列结构,对比研究不同材料微结构加工的形状精度和表面质量;采用电火花磨削复合加工技术在PCD刀具表面加工制造出螺旋沟槽结构,并探索PCD刀具的钻削性能。论文主要研究内容和结果如下:（1）采用机械修整技术将金刚石砂轮修整成V形尖端,然后利用精密修整后的V尖端砂轮在单晶碳化硅陶瓷、蓝宝石玻璃、陶瓷基复合材料等材料表面加工出微阵列结构,并且对比研究不同材料表面微结构加工的形状精度和表面质量。单晶碳化硅、铝基碳化硅、反应烧结碳化硅、微晶玻璃陶瓷表面的微结构磨削形状精度PV值分别为12.6μm、13.7μm、11.3μm、17.9μm,蓝宝石玻璃微结构表面粗糙度R为0.942μm,微结构尖端圆弧半径为17.37μm。（2）采用干式接触放电（ECD）修整技术可以对金属基金刚石砂轮进行高效修锐修整,研究了脉冲放电参数对金属基砂轮尖端修整精度的影响,优化的脉冲放电参数为:开路电压25 V,脉冲频率4000 Hz,占空比50%;精密放电修整后的砂轮尖端圆弧半径最小可达15μm,尖端角度误差最小可达2.4°。采用修整后的V尖端金刚石砂轮在硬质合金表面加工微结构,获得的微结构深度误差最小为2.6μm,底部圆弧半径误差最小为3.2μm,沟槽侧面粗糙度R为0.31μm。（3）采用电火花磨削复合加工技术在PCD刀具表面可以高效加工出螺旋沟槽结构,研究了电火花磨削复合加工参数对PCD刀具刃磨质量的影响。在PCD刀具的电火花磨削复合加工过程中,脉冲放电参数对PCD刀具螺旋沟槽加工质量的影响从大到小依次为脉冲电流、脉冲电压、脉冲宽度、脉冲间隔,较优的脉冲电流、脉冲电压、脉冲宽度分别是1400 m A、95 V、400 ns。脉冲间隔对PCD刀具刃磨质量影响较小,当脉冲电压为95 V时,PCD刀具沟槽表面粗糙度R为0.156μm,PCD刀具钻削性能最好,铝基碳化硅钻孔质量最好。

关键词： CFRP   环切制孔   制孔缺陷   激光加工   机械扩孔  

摘要： 碳纤维复合材料(CFRP)作为一种高性能复合材料,应用领域越来越广,对其进行连接的过程中需要进行大量孔加工,其加工方式目前以机械制孔为主,机械制孔存在分层等缺陷,且刀具磨损快导致使用成本高,故逐渐被新型加工方式所取代。CFRP激光制孔作为一种新的方法,因为没有力的作用克服了机械制孔的分层缺陷,但激光制孔时又存在热影响区和锥度等缺陷。本文针对厚板CFRP制备大孔提出激光与机械法复合的加工工艺路径,先激光环切预制底孔,然后机械扩孔去除变质层并减小锥度。设计并搭建激光环切制孔与机械扩孔试验平台,探究了激光环切制孔时工艺参数与加工质量的关系,计算了T800烧蚀阈值并分析了各类损伤的形成机理,在得到激光环切厚板CFRP材料预制孔后,对其机械制孔过程进行了动力学仿真,最后通过试验探究了扩孔参数的较优值。本文试验的主要研究内容如下:(1)列举了激光加工CFRP孔的优点,验证了其可行性。揭示了脉宽为10ps的脉冲激光呈现冷加工效果的机制,对厚板CFRP环切制孔过程中的锥度形成原因从遮蔽效应、光斑分散两方面建立数学模型对二维振镜加工的底部碗状截面形成原因进行了解释。(2)通过热传递计算模型计算了CFRP-T800材料中的碳纤维烧蚀阈值,证实了激光加工纤维增强材料的高效性。对环切CFRP的盲孔时切断的内径阈值进行拟合并预测,得到了不同板厚不同孔径的环切内径值,提供了最优的激光预制孔扫描路径,探究了功率对盲孔加工时底面与侧壁粗糙度的关系并从理论上进行了分析。(3)对盲孔加工时激光工艺参数与HAZ(热影响区)、锥度的关系进行了正交试验探究,得到了较优的功率以及重复频率,同时对扫描速度与截面不同位置锥度变化进行探究得到了最优扫描速度,采用最优扫描路径与加工参数进行了预制孔试验得到3组不同板厚及直径的预制孔,并对其锥度进行了对比。(4)采用较优激光预制孔参数进行激光预制孔后,进行了扩孔动力学仿真,分析了扩孔阶段轴向力变化原因,对比了不同刀具扩孔的出口损伤,确定了最优扩孔刀具,采用不同转速与进给速度对预制孔进行单因素扩孔试验,对比不同参数的孔口形貌得到了最优的机械扩孔工艺参数,对刀具的磨损与扩孔前后表面粗糙度进行了定性分析。

关键词： 微细电火花加工   电磁驱动器   大行程   五自由度   空心线圈  

摘要： 微细电火花加工应用范围广,能够加工所有的导电性材料,并且加工时电极与工件之间不直接接触,工件不易变形。它被广泛应用于磨具制造、航空领域、机械加工等领域。然而加工效率低下制约着微细电火花加工的进一步发展。本文针对微细电火花加工效率低的问题,利用2个永磁环和8组空心线圈设计了用于微细电火花加工的五自由度电磁驱动器,并将其连接到微细电火花加工机床上。在轴向方向实现高速精密的定位,可以有效的减少异常加工,利于排屑,提高加工效率;在径向上实现大行程,即使使用简单的电极,也可以加工复杂的形状。首先确定了五自由度电磁驱动器的总体结构。其次介绍了电磁驱动器的工作原理及驱动原理,根据电磁驱动器有限元仿真分析得到了电磁驱动器的尺寸参数,制作了电磁驱动器样机。对电磁驱动器的磁场进行仿真分析,并对电磁驱动器的磁场特性进行仿真分析和实验研究,验证磁场仿真分析的准确性和可行性及有无衔铁对磁感应强度的影响。建立电磁驱动器的数学模型,对电磁驱动器的电磁力进行仿真与实验对比分析,验证了电磁驱动器样机对的可靠性。设计电磁驱动器的PID控制系统,并用MATLAB/Simulink对电磁驱动器的响应速度以及动态输出性能进行仿真分析。搭建电磁驱动器实验系统,并对仿真结果进行验证;实验结果表明,电磁驱动器响应速度快、超调量低、调节时间短;动态性能良好,跟随性能优越,完全能够满足微细电火花加工的要求;X、Y、Z方向的定位分辨率可以达到5μm,转动方向的定位分辨率可以达到50μrad。设计并搭建了基于电磁驱动器的微细电火花加工实验控制系统;分别从极间反馈电压、加工效率、加工表面质量三个方面进行传统微细电火花加工和基于电磁驱动器的微细电火花加工对比分析。实验研究表明,相比较于传统的微细电火花加工基于电磁驱动器的微细电火花加工具有如下优点:可以迅速的进行电极的定位控制,快速调节放电状态,减少异常放电发生,增加放电概率;缩短加工时间;平均加工速度提高了32.9%。

关键词： 激光加工  

ISBN: (纸本)9787502490942

摘要： 全书共分9章, 分别叙述了激光加工基本原理, 激光加工机的工作原理, 碳钢材料的切割, 不锈钢材料的切割, 铝合金材料的切割, 铜材料的切割, 高拉力钢/碳钢材料的切割, 金属材料共同的切割现象, 非金属材料的切割。

关键词： 电火花加工   模拟软件   加工方法  

摘要： 电火花加工理论研究和加工方法逐渐成熟,日益增多的用户需求与现有加工模拟软件功能不足以支撑学术研究需要,由此提出一种基于电火花加工工艺流程智能化管控软件设计方法,重点分析了软件的编写功能和使用方法,研究了软件能够初步模拟平台的搭建过程,为以后的电火花模拟加工领域提供了参考依据.