喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究

喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究,毕业答辩,6 喷射电解脉冲电源的整体设计,5 喷射装置的设计,4 喷射电解射流去除激光加工 表面热影响区的试验,3 本课题主要研究内容,1 项目研究目的和意义,7 结论,2 国内外研究现状,一、项目研究目的和意义,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，空间角度复杂，要求具有较高的表面质量，每片叶片有数十至数百个这样的气膜孔。,现阶段比较常用的加工方式是利用激光打孔，其速度快，效率高。但是激光打孔的孔壁一般存在0.01mm0.1mm 厚度的再铸层,其内部有微裂纹,这些缺陷的存在严重影响了零件使用的安全可靠性,因而限制了激光加工的发展和应用。,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，在现有试验装置的基础上，通过试验的方法消除激光加工后表面存在的热影响区和微裂纹，并根据试验结果的分析设计更为适用的的试验装置，为精密部件激光加工表面的处理提供技术支持。,返回,1.水导激光加工技术,二、国内外研究现状,瑞士联邦技术研究应用光电研究所于1993年发明了水导激光加工技术。美国的南卫理公会大学的机械工程系对此技术也进行了深入研究，建立了数学模型，通过对硅片开槽试验进行了验证，试验证实了其数学模型仿真的准确性。,在国内，本专业王扬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导激光切槽研究,结果表明,水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。,2. 超声辅助激光加工技术 香港理工大学研究了超声辅助激光加工技术，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少。但是超声辅助激光加工由于对工件施加高频振动，易使零件，特别是硬脆材料零件造成疲劳损伤。,3.激光加工后续光整技术,该技术是目前去除再铸层较为常用的方法。它是一种在激光加工后，通过特殊的光整加工处理表面产生的再铸层的方法。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无法去除。,4.电解射流加工技术,美国内布拉斯加州立大学超精密加工试验室的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基础。德国开姆尼茨工业大学机械工程系微细加工试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研究，明确的分析并解释了喷射电解射流的机理，并初步研制了一套喷射电解射流装置。,但是对于精密部件上的激光加工孔的电解处理试验仍在起步，目前仅仅做了针对1Cr18Ni9Ti和GH3030材料的电解处理试验，并且试验效果不是很理想，具体的研究有待下一步进行。,返回,本课题主要从设计和试验两大方面对喷射电解射流加工这一工艺进行研究，具体分为以下三个方面：,三、本课题主要研究内容,喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究：获得喷射电解射流压力、占空比、电解电压、频率等参数对热影响区和微裂纹的去除规律，完成时间3个月。,喷射电解射流装置的设计：设计涵盖工装夹具、机床主体、射流喷嘴系统在内的喷射电解射流装置，完成时间2个月。,喷射电解脉冲电源的整体设计：根据试验结果对电解射流加工需要的脉冲电源进行整体的结构设计，完成时间1个月。,返回,喷射电解射流加工是在高电压和大电流密度下特殊的电化学阳极溶解实现材料去除的。将工件接电源正极,喷嘴接电源负极,过滤后的电解液经喷雾系统抽取进入电解液束喷射装置, ,并使电解液充分极化而带负电,最后经过喷嘴形成一条具有稳定长度、一定直径及稳定流速的电解液射液束,并喷射向工件待加工部位,在孔壁上产生电化学阳极溶解，从而能够去除热影响区和微裂纹。,试验原理,四、喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验,试验组成,单因素试验,正交试验,冲刷电解试验,试验中激光打孔的参数为：能量1.25J，脉宽1.2ms，频率30Hz；电解液为10% NaCl和10%NaNO3混合溶液；喷嘴采用直径0.15mm的红宝石喷嘴；加工工件为20mm20mm0.5mm大小不锈钢工件。,试验基本参数,1.单因素试验, 参数设置,说明：各参数相对不变量为：电解电压 150V,射流压力1.5MPa,占空比 30%，频率 10KHz，加工间隙 2.5mm。,（1） 对正问题：即激光加工的孔无法与喷嘴中心准确同轴。, 发现的问题,（2） 装夹方式欠佳：在试验过程中发现，在电解射流的冲击下，试件会发生较为明显的位移和振动，并且，由于是靠铜片压紧工件，在电解试验的过程中铜片也会发生电解，极大的降低了电解效率。,（3） 参数设置不合理：试验中，某些参数的过大过着过小对加工效果的影响很大。由于是单因素试验，所以这一现象能够理解。可以根据试验结果分析修正数据，为下一步正交试验做准备。,分析扫描电镜结果可知，电解电压过小、射流压力过小、占空比过高、频率过低会导致加工效果很差，热影响区和微裂纹的去除率很低。此外，加工间隙过大或者过小也不利于提高加工效果。为此，下一步试验需要设置合理的加工间隙。, 单因素试验工艺规律总结,激光加工孔和喷嘴的对正问题以及工件的固定和与工作台的绝缘问题是试验中需要解决的关键性问题。在后续的试验中，需要重新设计合理的工艺方案来解决，否则将会直接影响最终的试验结果的准确性。,返回,2.正交试验, 参数设置,试验过程视频,在54个加工孔中，对比之后选择每组参数中对正效果好并且加工质量好的孔，利用扫描电镜分析其热影响区和微裂纹的去除率。将加工效果效果划分为9个层次，代号1-9，其中9代表去除效果最佳，1代表去除效果最差。,试验结果分析,分析之后，可以得到效应曲线图：,5,9,1,直观分析表,交互作用表,电压太低，去除效率低。随着电压增高，电流密度增大，材料的蚀除量增加，去除效率越高。但是电压高于150V后，扩孔现象逐渐明显，加工质量变低。, 试验结论,射流压力太低，去除效率低。随着射流压力增大，电液束的流速增加，电解液能顺畅的通过孔，电解产物能更迅速的排出，从而保证了电解的连续性，此时去除效率逐渐变高。但是当射流压力大于1.5MPa时，随着压力增大，由于加工间隙太小，电解液不能及时排出，影响了加工过程，去除效率逐渐降低。,占空比越小，脉冲停歇时间越长，从而在相同的脉宽加工时间内,间隙通道中的电解产物、析热、析气可以充分排出,间隙内的流场和温度场得到更好的改善,减小加工区域的局部钝化状况。因此去除效率越高。,随着频率增加，电解射流加工定域性上升，周围的杂散腐蚀很少，几乎没有扩孔现象,加工精度好，从而去除效率效率也得到提高。,分析了四个试验参数对试验结果影响规律，具体为：电解电压射流压力频率占空比。在本次试验中，在控制加工间隙为2mm的情况下，获得的最佳试验参数为：射流压力：1.5MPa；电解电压：150V；占空比：20%；频率：10KHz。, 正交试验工艺规律总结,增大电解电压和射流压力虽然能提高热影响区的去除率，但是相应的加工精度降低。因此在针对不同工件的加工时需要选择合适的电解电压和射流压力参数。,返回,3.冲刷电解试验, 参数设置,激 能量：1.35J； 光 脉宽：0.9ms； 参 频率：40Hz； 数 激光切割速度：0.2mm/s。,冲刷试验过程,根据SEM图可知，频率低于100KHz时，加工效果不是很明显。频率大于100KHz后，随着频率的增大，工件表面的微裂纹越来越少。当频率达到700KHz时，工件表面的微裂纹基本全部去除。从整体加工效果上看，工件上半部分加工效果较好，下半部分光整度明显次于上半部分。在去除热影响区时，随着频率的增加，哪怕频率达到700KHz时，去除效果仍不是很好，具体表现为热影响区的厚度基本上没有减薄。, 试验结果分析,原因有两点： 其一，本次试验的试验方法是冲刷电解，故相对单孔持续电解，在单位面积上电解的时间变短。虽然电解射流起到了带走熔渣和电解的作用，但是作用时间不够长，因此对于深层裂纹和较厚的热影响区，电解射流则无法去去除。其二， 根据正交试验结果分析可知，频率对加工效果的影响相对于电解电压和射流压力来说不够大，因此去除热影响区的效果不好,返回,700KHz,70KHz,实现在300mm300mm0.5mm大平板工件上进行电解射流加工，并且能够工件在倾斜一定角度下进行加工，设计合理的夹具,五、喷射装置的设计,1.技术要求,工作台能够在X轴、Y轴、Z轴方向上移动。工作台需保证电解液能顺利排出，保证和工作台的绝缘；,喷射装置能够使电解液以一定流速喷出，保证密封性和液体流畅性，并且要保证喷嘴部分的刚度，防止震动影响加工精度。,喷嘴部分结构由喷嘴、金属柱塞、端盖、堵头、壳体、进液转接件等组成。其装配方式是先把金属柱塞装入壳体，将堵头旋入金属柱塞，使得金属柱塞上端面被封闭住。在由6只螺钉把金属柱塞与壳体紧固，形成一个腔体，然后喷嘴与金属柱塞下端装配，确定喷嘴与金属柱塞装配无间隙后，上端盖拧紧后，3者便固定一起形成一体。最后进液装接件由壳体的右侧向内拧紧。这样除了进液口和喷口处，装置便形成了一个拆装都相当方便的密闭腔体。,2.喷嘴部分的设计,爆炸示意图,考虑到工件大小为300mm300mm2mm，并且要求工件能够倾斜一定角度进行加工，决定采用改进型钩型压板进行装夹。,3.工装夹具设计,爆炸示意图,4.支撑件设计,设计时考虑的关键因素有三个：其一是如何配合钩型压板进行工件的装夹，其二是如何使电解液能够顺利排入电解液槽，其三是如何保证和T型槽绝缘的问题。,三维模型,5.滚珠丝杠和电机的选择,考虑到工件大小及工作台大小，决定选择LinTech公司的100series丝杠，在对行程余量进行分析后，X轴丝杠行程为760mm；Y轴丝杠行程605mm，Z轴丝杠行程300mm。电机选用Danaher Motion公司AKM电机中240VAC，320VDC母线的电机系列，其中，X轴丝杠电机型号为AKM73P,Y轴丝杠电机型号为AKM72P，Z轴丝杠电机型号为AKM64P。,工作台三维模型,整体喷射装置三维图,返回,根据喷射电解射流加工的试验结果分析，再结合本次设计针对的加工工件大小，对脉冲电源的设计提出的技术要求有：,六、喷射电解脉冲电源的整体设计,1.技术要求, 输出电压可调：调节范围为0-500V； 输出占空比可调：调节范围：0-80%； 输出频率可调：调节范围：0-1000KHz； 波形稳定，拖尾现象不明显。,2.总体设计,主振模块的总体设计,主振模块主要由单片机控制系统和CPLD脉冲发生单元组成。单片机控制系统的作用是负责与上位机的通讯，然后进行数据的处理和转换，再将上位机传输的数据写入CPLD。CPLD脉冲发生单元的作用是根据单片机产生的控制信号以及单片机写入的脉冲参数产生相应的脉冲波形，同时可以对放电状态检测电路所产生的信号进行及时的处理。,单片机系统的框架设计,单片机系统是主振模块的关键控制部分，它实现的功能主要有： 将数据写入CPLD； 对CPLD实施“在线”控制； 数据的处理和转换； 与上位机进行通讯。,CPLD脉冲发生单元的框架设计,CPLD是主振模块中的脉冲发生单元，它能够产生高频窄脉宽信号，CPLD具有的特点有：逻辑资源丰富，时序确定，延时可以预测；能够完成组合逻辑功能和时序逻辑功能；能够进行在线系统编程，方便升级系统；当器件损坏后，方便更换元器件；具有丰富的引脚数，功耗低。,外围电路,CPLD内部程序的总体设计,脉宽脉间可调模块：脉宽脉间可调模块的主要功能是根据上位机输入的数据产生相应的脉冲波形信号；延时互锁模块：将一路脉冲信号分为两路完全相反的脉冲信号；输出控制模块：控制脉冲信号的输出通道，根据不同的加工状态选择不同的输出通道；信号处理模块：对放电状态检测电路传来的非正常放电状态信号进行处理，一旦在放电间隙发生非正常放电时，切断脉冲信号输出通道，抑制非正常放电；复位使能模块：对输出信号使能或清零。,返回,放电过程中正离子、电子等的高速运动会产生高频振荡的电磁信号，通过两极的导线反馈回脉冲电源。高速开通、关断功率MOSFET管等高频器件时，会伴有尖峰振荡波产生，振荡波中高次谐波会通过功率MOSFET管等高频器件中的分布电容向空间辐射。导线传输的信号通过感应耦合，对邻近的导线产生干扰,主振模块抗干扰设计,干扰源,抗干扰措施,低频电路的地应尽量采用单点并联接地，高频电路宜采用多点串联接地；将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流；合理设置和选择去耦电容，电路板焊接过程中，IC器件尽量采用直接焊接方式，少用IC插座，以提高芯片和电路板的抗干扰性能。按照“先大后小，先难后易”的布置原则，优先布局重要的单元电路、核心元器件；参照原理图和主信号流向，合理布局主要元器件；减小关键相邻两线回路环面积。,返回,隔离电路：隔离电路的作用是防止主振回路受到后级电路的干扰。为了减小体积，方便电路板的设计，采用光耦隔离方式将前后级电路隔离。整形电路：由于隔离电路的光耦为开集输出，必须外接上拉电阻才能为后续电路提供高电平信号，但这样就减慢了光耦输出波形信号上升沿的速度，同时主振电路输出的波形信号因受到外界的干扰而畸变，因此必须对输出信号进行整形。驱动电路：驱动MOSFET工作。,驱动放大模块的总体设计,返回,用虚线所画的电阻R3是在实际加工中需添加的电阻，其作用是为了在脉间期间使间隙电压迅速降为零,从而有利于极间消电离,同时也是为了能测得空载波形。,功率转换模块的总体设计,传统的功率转换模块,改进的功率转换模块,进过调试发现传统的功率转换模块会使得电压波形的下降沿拖尾现象严重,这将影响单个脉冲放电能量的释放速度和能达到的最高脉冲频率。分析改进的等脉宽独立式脉冲电源原理图，经过考虑后，将Q1和Q2改成NMOSFET和PMOSFET，这样的话就可以用同一路脉冲来控制加工，并且防止了外接电源短路的情况，,返回,利用现有的喷射装置、压力系统和脉冲电源进行小不锈钢平板工件的去除激光加工小孔内壁热影响区和微裂纹的试验，首先进行单因素试验，获取了的合理的参数范围，继而设计并进行正交试验，利用扫描电镜获得了原始试验数据，分析得出了各参数对热影响区的去除规律以及最佳试验参数：电解电压：150V；占空比：20%；频率：10KHz；加工间隙：2mm。之后还进行了冲刷电解的试验，虽然因为试验参数设置和试验设备安全范围的影响，试验结果不是十分理想，但是，在以后飞秒激光器平台和新脉冲