立项报告-喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究

基于项目学习的毕业设计项目立项报告题目喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究院（系）机电工程学院专业飞行器制造工程学生学号班号指导教师填报日期2013年12月28日哈尔滨工业大学机电工程学院2014年1月说明一、立项报告应包括下列主要内容1立项依据（研究意义、国内外研究现状并附主要参考文献）；2研究内容、研究目标及拟解决的关键问题；3拟采取的研究方案及可行性分析；4项目的特色与创新；5进度安排及预期成果；6研究基础与工作条件；7项目组成员简介；8项目经费预算。二、报告的电子版请通过机电学院本科毕业设计管理系统上传，由指导教师在线评阅。三、报告需用A4纸双面打印，左侧装订，统一交所在院（系）保存，以备检查。四、此说明页不得删除。目录一、立项依据111课程研究的目的及意义112国内外研究现状1121激光加工后续光整处理技术1122复合激光加工技术1123激光辅助喷射电解加工2124水导激光加工2125飞秒激光加工2126电解射流加工技术3参考文献4二、研究内容、研究目标及拟解决的关键问题521研究内容522研究目标523拟解决的关键问题5三、拟采取的研究方案及可行性分析631喷射电解射流装置设计6311喷嘴设计6312滤芯体设计6313绝缘、密封设计632试验与脉冲电源设计733液压系统设计7四、项目特色与创新7五、进度安排与预期成果751进度安排752预期成果7六、研究基础与工作条件861研究基础862工作条件8七、项目组成员简介8八、项目经费预算9一、立项依据11课题研究的目的及意义激光加工技术作为一种新型加工技术已在工程技术领域广泛应用。由于常规激光加工利用的是热效应，因此不可避免的在加工表面形成热影响区和微裂纹，目前许多精密部件如发动机热端部件的冷却结构，一般采用叶片气膜孔，其孔径一般为0208MM，空间角度复杂，要求具有较高的表面质量和较小的表面重铸层，每片叶片有数十至数百个这样的气膜孔。本课题针对金属材料激光加工后表面的热影响区和微裂纹，提出了采用喷射电解射流再加工的新方法，力求通过实验的方法消除激光加工后表面存在的热影响区和微裂纹，为精密部件激光加工表面的处理提供技术支持。12国内外研究现状121激光加工后续光整处理技术该技术是目前去除再铸层较为常用的方法。它是在用激光进行加工后，将表面已经产生的再铸层通过特殊的光整加工的方法，主要有磨粒流式的机械研磨、自腐蚀式的化学研磨等。这些方法已经在部分场合得到了广泛的应用，但是也存在一些不足之处。例如磨粒流去除再铸层时存在两个问题一是斜孔两端存在去除不掉的死角；二是磨粒流容易沿着阻力较小的大气膜冷却孔挤出，造成直径较大的孔被磨大，直径较小的孔再铸层去除不。化学研磨去除再铸层时需掌握不同材料的再铸层在电解液中的腐蚀规律，控制适当掉1的化学研磨时间，否则有可能在再铸层被完全去除后，继续腐蚀基材晶界，并且化学研磨中一种电解液通常只适用于某几种材料，即不同的材料可能需要配制不同成分的电解液，延长了工期。122复合激光加工技术英国的曼切斯特理工大学激光加工研究中心发明了化学辅助激光加工技术CHEMICALASSISTEDLASERMACHINING，将某种盐溶液传送到激光束与加工材料的接触面上，使加工中既有水下激光加工的冷却、带走熔滴作用，又有溶液的热化学作用，基于激光及激光的热化学复合作用机理，不仅可以在加工过程中直接去除再铸层，而且可以提高材料去除。率2美国的辛辛提拿大学研究并开发了复合熔融模式的激光微细加工技术ANOVELLASERMICROMACHININGTECHNIQUEUSINGAMIXEDMODEABLATIONAPPROACH。利用该项技术已经成功的在单晶硅片上加工出微米数量级的微结构，加工后表面质量良好，无明显的微裂纹和热影响。香港理工大学研究了超声辅助激光加工技术THEULTRASONICAIDEDLASERUAL区3MACHINING，对铝基复合材料进行了加工研究。结果表明，通过施加超声振动，可以有效去除金属熔化物，所加工孔的深径比得到了提高，孔的质量得到了明显的改善，热影响区、再铸层以及盲孔的锥度都明显的减。但是超声辅助激光加工由于对工件施加高频振动，少4易使零件、特别是硬脆材料零件造成疲劳损伤。123激光辅助喷射电解加工格拉斯哥苏格兰大学（GLASGOWCALEDONIANUNIVERSITY）的PTPAJAK教授进行了激光辅助喷射电解加工的技术。该项技术以激光辅助电解加工，利用激光照射的辅助作用研究5提高电解加工的定域性并及时去除电解过程中产生的钝化膜，以达到提高电解加工精度和效率的目标。试验结果表明电解加工的精度和效率大大提高，并且改善表面加工质量，加工表面无再铸层、残余应力和微裂纹；同时阴极化的电解液充当了电解加工工具的作用，省去了阴极的设计制造，提高了加工的柔性，便于实行加工过程的自动化。124水导激光加工瑞士联邦技术研究应用光电研究所（THEINSTITUTEOFAPPLIEDOPTICSOFTHESWISSFEDERALINSTITUTEOFTECHNOLOGY）于1993年发明了水射流引导激光加工技术，该技术将聚焦激光束导入具有传输引导激光作用的高速流动射流中，激光在水与空气界面发生多次全反射后形成高能束流，利用激光和水射流的综合作用去除材。该技术能够对硅、陶瓷、硬质合料6金以及金属箔片进行高效快速的加工，在半导体和微电子工业，特别是对热敏感材料切割方面取的了显著的成果。在国内我校王扬教授杨立军副教授等对聚焦激光与水束射流的耦合技术进行了深入研究，对激光与射流束耦合条件及射流稳定原理进行了系统理论分析，研制了相应耦合装置及光学对准检测系统，并对硅基晶片进行了水射流引导激光切槽研究，结果表明，水射流引导激光加工质量优于空气中激光加工，基本消除了热影响区与微裂。纹7125飞秒激光加工目前提高加工小孔、细槽、微缝等精细结构微观质量的主要技术措施之一就是采用更窄脉宽、更高峰值功率的激光器，如飞秒（FS，1015S）脉冲激光加工，可以明显的减薄甚至消除再铸层，减少热应力、微裂纹，飞秒激光的超快速时间和超高峰值特性将其全部能量迅速集中在限定的加工区域，实现对材料的非热熔性冷处理，获得传统激光无法比拟的高精度、低损伤等独特。激光在超短的时间内和极小的空间内与物质相互作用，作优势8用区域内的温度在瞬间内急剧上升，并将远远的超过材料的熔化和汽化温度，使得物质发生高度电离，并在激光脉冲的冲击作用下，材料以等离子体向外喷发的形式得到了去除，并几乎带走了原有的全部能量。这一过程中避免了热熔化的存在，实现了真正意义上的“冷”加工。但研究表明，即使采用飞秒激光加工也会在一定程度上存在再铸层，对所加工的零件表面产生质量影响。例如，采用飞秒激光加工时，可以达到02M的表面粗糙度，加工表面仍然有7M的再铸层存在，并且在再铸层下面仍然有70M厚的热影响。但是，飞秒激光器能量小，而且存在着快速“老化”问题，其频率稳定性、重复精区9度随使用时间的增加而降低很快，即其使用寿命短，成本高。目前，飞秒脉冲激光加工还只是处在试验室研究阶段，其应用前景首先还是在微电子学领域、光子器件和激光通讯领域、激光医疗和生物工程等领域的超精密微细加工。126电解射流加工技术电解射流加工用金属作为喷嘴的制作材料，省去了金属丝或金属管的阴极，不会由于喷嘴的破碎而影响加工过程的稳定性,且其不深入工件内部，可以进行三维微结构加工。内布拉斯加州立大学（UNIVERSITYOFNEBRASKA）超精密加工实验室的KOZAK学者通过建立简化状态下的数学模型，对电解射流加工的成形过程进行了理论分析及计算，为后续电解射流加工奠定了。香港理工大学（THEHONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY）机械工程系对基础10电解射流打孔进行了一些。德国开姆尼茨工业大学（CHEMNITZUNIVERSITYOF研究11TECHNOLOGY）机械工程系微细加工实验室的一些学者对喷射电解射流的原理、点加工、孔加工及表面处理技术进行了一系列深入，明确的分析并解释了喷射电解射流的机理，研究12并研制出较为成熟的喷射电解射流装置，如图11所示图11喷射电解射流工艺处理室FIG11PHOTOOFJETECMPROCESSCHAMBER目前，国内关于电解射流的研究刚刚起步，南京航空航天大学机械工程系的四名硕士生在KOZAK学者提出的原理的基础上设计出了较为简单的激光电解射流复合加工耦合，实物图如图12所示装置13图12激光电解射流复合加工耦合装置实物图FIG12ACTUALPICTUREOFCOUPLINGDEVICEOFLASERELECTROLYSISJETMACHINING综上所述，以上各类激光加工方法都存在着或多或少的缺点,而且针对近年来刚出现的问题缺少合理的解决方案，这也导致了目前一些关键部件的加工后续光整处理上存在比较明显的技术问题。本次设计针对叶片气膜孔经飞秒激光加工后存在的表面微裂纹和热影响区，提出了采用喷射电解射流再加工的技术方法来去除叶片气膜孔激光加工表面微裂纹和热影响区，希望通过这种方法来提高叶片气膜孔的加工质量。参考文献1郭文渊，王茂才，张晓兵镍基超合金激光打孔再铸层及其控制研究进展J激光杂志，2003，24（4）132LLI,CACHARACHEMICALASSISTEDLASERMACHININGFORTHEMINIMIZATIONOFRECASTANDHEATAFFECTEDZONEJ,CIRPANNALSMANUFACTURINGTECHNOLOGY,2004,5311751783ZHUXIAOSHAN,CHOI,JINWOO,ETALANEWLASERMICROMACHININGTECHNIQUEUSINGAMIXEDMODEABLATIONAPPROACHJ,PROCEEDINGSOFTHEIEEEMICROMECHANICALSYSTEMSMEMS,20021521554WSLAU,TMYUE,MWANGULTRASONICAIDEDLASERDRILLINGOFALUMINIUMBASEDMETALMATRIXCOMPOSITESJ,CIRPANNALS,1994,4311771805PTPAJAK,AKMDESILVA,DKHARRISON，JAMCGEOUGHPRECISIONANDEFFICIENCYOFLASERASSISTEDJETELECTROCHEMICALMACHININGJPRECISIONENGINEERING,2006302882986OCHELIOSIBAILLY,JOHNMANLEY,BERNOLDRICHERZHAGENMIXINGLASERANDWATERJAPPLICATIONREPORT,2003,127YANGWANG,LINGLI,LIJUNYANG,ETALEXPERIMENTALRESEARCHONWATERJETGUIDEDLASERPROCESSINGJPROCEEDINGSOFTHESPIETHEINTERNATIONALSOCIETYFOROPTICALENGINEERING,2007,65952512568何飞，程亚飞秒激光微加工激光精密加工领域的新前沿J中国激光，2007,59HHUANG,HYZHENG,GCLIMFEMTOSECONDLASERMACHININGCHARACTERISTICSOFNITINOLJAPPLIEDSURFACESCIENCE,2004,2281420120610JKOZAK,KPRAJURKARSELECTEDPROBLEMSOFMICROELECTROCHEMICALMACHININGJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY2004,1442643111XIONGLU,YANGLENGELECTROCHEMICALMICROMACHININGOFTITANIUMSURFACESFORBIOMEDICALAPPLICATIONSJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY,2005,169217317812MIKEZINECKER,ANDREASSCHUBERTMICROMACHININGWITHCONTINUOUSELECTROLYTICFREEJETJPRECISIONENGINEERING,20123661261913李昞晖电解射流激光复合加工加工技术基础研究D南京南京航空航天大学2010二、研究内容、研究目标及拟解决的关键问题21研究内容电解射流加工是一种电解喷射加工方法，其用金属作为喷头、喷嘴的制作材料，易于加工，且不会在加工过程中由于喷嘴的破碎而影响加工过程的稳定性，其工艺技术具有可达性好、表面不产生金相缺陷、深径比大等特点，加工表面可达到无微裂纹、无变质层、无残余应力的“三无”效果。通过将喷射电解射流加工作为激光加工的后续处理工序，可将激光加工产生的再铸层、残余应力和微裂纹等缺陷去除或减薄；两种加工方法复合作用，既保持了电解射流加工的表面质量和稳定性，又充分利用了激光加工效率高的特点，还可以将两种加工方法各自的缺陷减轻或消除，真正使得两种加工方法相辅相成。22研究目标本课题一共有三大研究目标，现列举如下（1）喷射电解射流装置的研制研制涵盖射流发射压力系统、射流喷嘴系统在内的喷射电解射流装置。（2）喷射电解脉冲电源研制针对激光加工后表面喷射电解射流加工研制喷射电解电源。（3）喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究获得喷射电解射流压力、流速、电解电压、电解电流等参数对热影响区的去除规律。23拟解决的关键问题在喷射电解射流装置的研制中，应解决的关键问题为如何保证电解射流的稳定长度、如何保证电解液在喷射装置中充分极化、如何解决喷射装置与工件间的绝缘和密封问题。在喷射电解脉冲电源的研制中，应解决的关键问题为如何将试验获得数据例如喷射电解射流压力、流速、电解电压、电解电流等参数合理的应用到脉冲电源的参数设置中。三、拟采取的研究方案及可行性分析31喷射电解射流装置设计311喷嘴设计喷嘴是电解射流喷射装置形成电解液束的重要元件,喷嘴的好坏直接影响到电解液束的质量,进而影响到加工微结构的质量。由于电解液束在喷射过程中可能存在发散、不稳定等现象，因此，喷嘴设计必须有利于电解液形成集中、稳定的射流。本装置中的喷嘴采用组合式喷嘴结构,即喷孔部分采用耐磨的人造蓝宝石制成,而其他部分则用不锈钢加工而成,二者组合成一个完整的喷嘴,导电性能好,且不容易损坏,提高了加工稳定性。312滤芯体设计滤芯体在整个装置中是实现电解液在形成射流束前对电解液进行过滤、充分负极化的关键元件。滤芯体下端圆柱表面为均匀分布的圆孔,滤网包裹在滤芯体外圆柱面上,一起安装于喷射装置壳体的圆柱形腔体内,并将该喷射装置壳体的腔体分成两部分。电解液进入喷射装置后,滤芯体将喷射装置壳体的腔体分成了内腔体和外腔体。滤芯体采用黄铜材料,导电性好,加工中滤芯体直接与电源负极相连,电解液充满滤芯体的内腔体,在高压电源作用下使电解液被充分极化。313绝缘、密封设计喷射装置壳体采用有机玻璃制作,喷嘴外表面喷涂绝缘漆,保证了装置的整体绝缘,避免了工件表面的杂散腐蚀及短路放电等情况的发生。滤芯体、喷射装置壳体都与绝缘安装座相连,保证了与机床的绝缘。喷嘴安装在喷射装置壳体底部圆柱形凹槽内,并由滤芯体轴向固定。喷射电解喷射装置初步结构设计如图31所示31电解射流喷射装置FIG31ELECTROLYTEJETEQUIPMENTOFEJM32试验与脉冲电源设计喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的研究试验主要分为两大部分单因素试验和正交试验。单因素试验的主要内容是探究单个因素例如射流压力、流速、电解电压、电解电流的变化对热影响区及微裂纹的去除结果的影响。正交试验的主要内容是探究同时两种不同因素的同时改变对热影响区及微裂纹的去除结果的影响。试验获得数据的基础上与杨立军导师以及硕士研究生进行充分的交流，在综合分析的基础上获得最合理的试验参数，从而以参数为基础设计喷射电解脉冲电源。33液压系统设计初步结构设计构思为加工系统中的电解液循环过滤系统，包括两级过滤器、溢流调压阀、输液泵、球阀、进液连接件、工作箱、回液管和电解液槽。加工时电解液经一级过滤器由输液泵抽取并提供一定初始压力，通过溢流调压阀和球阀调节流量并稳定控制电解液压力，电解液压力变化情况通过液压表显示，电解液在压力下经二级过滤器，通过进液连接件进入电解射流喷射装置中，然后通过金属喷嘴高速射向工件的待处理表面，加工后的电解液汇入工作箱底部，经由回液管回流至电解液槽供循环利用。四、项目特色与创新本项目的创新在于首先提出用喷射电解射流去除激光表面热影响区这一问题。前人对于激光加工表面热影响区和微裂纹的处理方法未能形成体系，而对于高端精密部件热影响区和微裂纹的处理方法恰恰是很关键的一个问题。因此，根据863项目所给课题提出利用喷射电解射流来去除激光加工表面热影响区这一解决方案。特色在于在试验获得的数据的基础上，进行喷射电解射流装置以及脉冲电源的设计。试验在本设计中占据较大比重，根据试验获得的最佳喷射电解射流压力、流速、电解电压、电解电流等参数，合理的进行喷射电解射流装置以及脉冲电源的设计研制。五、进度安排与预期成果51进度安排201312201401查找资料，准备开题，进行喷射电解射流装置设计；201301201403进行喷射电解射流脉冲电源的研制；201404201405进行喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验；201405201406总结及补充试验，撰写论文准备答辩。52预期成果研制成果两个，包括喷射电解射流装置一套；射电解射流脉冲电源一个。试验总结一份，内容是利用喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究，获得喷射电解射流压力、流速、电解电压、电解电流等参数对热影响区的去除规律；项目总结报告一份。六、研究基础与工作条件61研究基础该项目成员在本科期间学习过机械原理、机械设计