喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究

毕业设计（论文）题目喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究专业飞行器制造工程学号学生指导教师答辩日期2014年6月22日摘要激光加工技术作为一种新型加工技术，目前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。本文针对金属材料激光加工后表面的热影响区和微裂纹，采用喷射电解射流再加工的新方法。该方法是根据制造技术集成创新理念而提出的一个全新方法，它将脉冲电解射流加工作为激光加工的后续处理，从而达到更好的加工效果。在使用现有喷射电解射流装置和电解脉冲电源的基础上，通过试验获得电解加工对激光加工后表面存在的热影响区和微裂纹的去除规律，并且根据试验结果反馈设计并改进现有喷射装置和脉冲电源，进而为精密部件激光加工表面的处理提供技术支持。关键词激光加工，热影响区，微裂纹，喷射电解射流加工，试验ABSTRACTNOWADAYS,LASERPROCESSINGTECHNOLOGYISWIDELYUSEDINTHEFIELDOFENGINEERINGASITISANEWTYPEOFPROCESSINGTECHNOLOGYCONVENTIONALLASERPROCESSINGTECHNOLOGYUTILIZESHEATEFFECTASARESULT,THEREUNAVOIDABLELYEXISTSHEATAFFECTEDZONEANDMICROCRACKONTHESURFACEOFMETALLICMATERIALTHISPROJECTISAIMEDATHEATAFFECTEDZONEANDMICROCRACKONTHESURFACEOFMETALLICMATERIALAFTERITUNDERGOESLASERPROCESSINGTHISPROJECTTAKESTHENEWPROCESSINGMETHODOFELECTROLYTEJETPROCESSINGTHISISANEWPROCESSINGMETHODWHICHUTILIZEDPULSESELECTROCHEMICALJETMACHININGASTHEFOLLOWUPPROCESSINGOFLASEMACHINGANDTHISMETHODISONACCOUNTOFTHEIDEAOFMANUFACTURINGINNOVATIONBASEDONUSINGTHEEXISTINGELECTROLYTEJETEQUIPMENTANDIMPULSINGPOWERSOURCE,THISPROJECTMAINLYFOCUSESONTHEMEANSOFEXPERIMENTANDGAINSTHERULESOFSTOCKREMOVALOFHEATAFFECTEDZONEANDMICROCRACKONTHESURFACEOFMETALLICMATERIALAFTERITUNDERGOESLASERPROCESSINGINADDITION,IWILLDESIGNANDIMPROVETHEEXISTINGELECTROLYTEJETEQUIPMENTANDIMPULSINGPOWERSOURCEACCORDINGTOTHERESULTOFTHEEXPERIMENTSOTHATTECHNICALSUPPORTCANBEGIVENTOTHEHANDLINGOFTHELASERPROCESSINGSURFACEOFEXACTITUDEPARTSKEYWORDSLASERPROCESSING,HEATAFFECTEDZONE,MICROCRACK,ELECTROLYTEJETPROCESSING，EXPERIMENT目录摘要ABSTRACT第1章绪论11课题背景及研究的目的和意义112国内外研究现状1121复合激光加工技术1122激光辅助喷射电解加工技术1123水导激光加工技术2124电解射流加工技术213本文的主要研究内容3第2章喷射电解去除激光加工表面热影响区的试验21喷射电解射流加工原理422试验方案与条件423单因素试验5231试验参数设置5232单因素试验结果分析5233单因素试验工艺规律总结824正交试验8241试验参数设置8242正交试验结果分析8243正交试验工艺规律总结1225冲刷电解试验12251试验方案与条件12252试验参数设置12253冲刷电解试验结果分析13254冲刷电解试验工艺规律总结1426试验结果给后续设计提出的要求14261试验结果给喷射装置的设计提出的要求14262试验结果给电解脉冲电源设计提出的要求1527本章小结15第3章喷射电解射流装置的设计31装置的总体设计1632喷射装置的设计16321喷嘴的总体设计16322喷嘴射流流道的设计17323金属柱塞的设计18324绝缘端盖的设计1933工作台的设计19331夹具的设计20332支撑件的设计19333滚珠丝杠的选择2234本章小结23第4章喷射电解脉冲电源的整体设计41脉冲电源的总体设计2442脉冲电源主振模块的设计25421主振模块电路的框架设计25422单片机系统的框架设计26423CPLD脉冲发生单元的框架设计29424主振模块抗干扰设计3143驱动放大模块的整体设计3244功率转换模块的整体设计3245本章小结33结论34参考文献36原创性声明37致谢38第1章绪论11课题背景及研究的目的和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，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的研发团队发明了化学辅助激光加工技术，该技术将某种盐溶液传送到激光束与加工材料的接触表面上，这样的话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。不仅可以提高材料去除率，而且可以在加工过程中直接去除再铸层1。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。通过利用该项技术，该研究团队已经成功的在单晶硅片上加工出微米数量级的结构，加工后表面质量良好，无明显的热影响区和微裂纹2。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，孔的质量得到了明显的改善，热影响区、再铸层都有明显的减少3。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。122激光辅助喷射电解加工技术格拉斯哥苏格兰大学的PTPAJAK教授和他的学生进行了激光辅助喷射电解加工的技术研究4。该项技术利用激光照射的辅助作用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效率和精度有显著提高，并且表面加工质量得到改善，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，提高了加工的柔性，便于实行加工过程的自动化。123水导激光加工技术瑞士联邦技术研究应用光电研究所在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料5。该技术能够对硅、陶瓷、硬质合金以及金属箔片进行高效快速的加工。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，并系统分析了对激光与射流束耦合条件及射流稳定原理，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比以空气作为介质进行激光加工的质量好很多，并且基本消除了热影响区与微裂纹6。124电解射流加工技术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7。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8，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，如图11所示图11喷射电解射流工艺处理室FIG11PHOTOOFJETECMPROCESSCHAMBER但是正如文献中所说，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。13本文的主要研究内容喷射电解射流加工是利用金属作为喷头的制作材料、利用红宝石作为喷嘴的制作材料，易于加工，其工艺技术具有可达性好、表面无金相缺陷、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、和微裂纹等缺陷变得更薄乃至彻底去除。本文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（1）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；（2）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；（3）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。第2章喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究本章主要阐述了在不锈钢片上利用中性盐进行电解射流去除激光加工表面热影响区的试验，重点分析了电解电压、射流压力、脉冲频率、脉冲占空比对加工结果的影响，为后两章喷射系统的设计以及脉冲电源的设计打下了坚实的基础。2,1喷射电解射流加工原理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。加工原理如图21所示,将工件接电源正极,喷嘴接电源负极,过滤后的电解液经SISTEM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。图21加工原理图FIG21PRINCIPLEOFPROCESSING22试验方案与条件试验中激光打孔的参数为能量125J，脉宽12MS，频率30HZ。电解液为10NACL和10NANO3混合溶液。压力系统采用现有的SISTEM喷雾系统，电源采用现有的可调式脉冲电源，喷射装置采用现有水导激光耦合装置，喷嘴采用直径015MM的红宝石喷嘴，加工工件为0MM20MM05MM大小不锈钢工件。试验内容包括（1）单因素试验预先设置部分参数，通过试验获得合理的参数设置范围和加工工艺流程；（2）正交试验根据单因素试验结果设计合理的参数和工艺流程，获得电解电压、射流压力、脉冲频率、脉冲占空比对小孔壁上的热影响区和微裂纹的去除规律；（3）冲刷电解试验作为上述试验的补充试验，采用冲刷电解的方式探究脉冲频率对工件边缘热影响区和微裂纹的去除规律。23单因素试验231试验参数设置在查阅相关资料后9，设计单因素试验如表21所示表21单因素试验表TAB21CHARTOFSINGLEFACTOR水平电解电压/V射流压力/MPA占空比/频率/KHZ加工间隙/MM112512520101521501503015203175175402025420020502530其中各参数相对不变量为电解电压150V,射流压力15MPA,占空比30，频率10KHZ，加工间隙25MM。232单因素试验结果分析在进行单因素试验后发现了以下几个问题这次试验是在工件中心部分进行激光打孔，继而进行电解加工。由于加工模式转换过程时需要安装喷射装置，这就对喷嘴和孔的对正提出了较高要求。在将加工完的试验用扫描电镜进行观测后，却发现电解射流的中心和激光所打的孔存在未对正现象，极个别孔甚至发生了严重偏移如图22所示，AB（C）（D）图22不同孔电解加工结果FIG22PROCESSRESULTOFDIFFERENTHOLES初始试验的简易夹具如图23所示图23简易夹具FIG23SIMPLECLAMP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，这就严重影响了电解加工的质量。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。由于激光器的Z轴电机损坏，只能通过手动来控制激光器上下移动，这导致了Z轴位置的不精确，继而对试验因素加工距离的准确度产生了很大影响。选取每组数据中对正较好的孔剖开用扫面电镜进行观察，发现有些试验因素显然很不合理，例如当频率和射流压力太大时，扩孔现象特别明显，当占空比过大或电解电压过小时几乎没有发生电解，部分加工的孔如图24和25所示图24频率过大图25电压过小FIG24THEFREQUENCYISTOOHIGHFIG25THEVOLTAGEISTOOLOW经过分析之后，提出以下解决方案（1）针对问题一，在正交试验中决定采用在工件边缘先打磨再打孔继而电解的方式进行试验。这种情况下，方便从工件侧面观察电解液束的情况，倘若孔和液束没有对正，那么先不接通电源，通过软件调整工件位置，对正之后再接通电源进行电解加工。每组试验打四个孔，可以排除因操作不当造成的错误结果。（2）针对问题二，改进了装夹方式，用透明胶布将工件固定在有机玻璃底板上，连接电源的铜片压在工件下面，铜片也被胶布固定在有机玻璃底板上。这样的话，工件在电解射流的冲击下就不会发生位移，如图26所示。用透明胶布的原因为黏合能力强，即便在电解液的段时间浸泡下也不会出现松动，并且透明胶布本身绝缘，可以防止工件与工作台导通。（A）（B）图26改进装夹示意图FIG26IMPROVEDWAYOFCLAMPING（3）针对问题三和四，决定放弃加工间隙这个因素，统一采用较为合理的20MM。233单因素试验工艺规律总结（1）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。（2）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。24正交试验241试验参数设置根据单因素试验的结果分析，设计四因素三水平正交试验，如图27所示图27四因素三水平正交试验表FIG27TABLEOFFOURFACTORSANDTHREELEVELSOFORTHOGONALTEST242正交试验结果分析经过扫描电镜观测，部分孔的观测结果如图28和29所示图28激光打孔FIG28HOLEDRILLEDBYLASER（A）评分9（B）评分5（C）评分1（A）GRADED9（B）GRADED5（C）GRADED1图29电解加工后的孔FIG29HOLEPROCESSEDBYELECTROLYTE通过对27个电解加工后的孔和激光孔的质量进行对比，将电解加工后的孔消除热影响区的效果划分为9个层次，代号19，其中9代表去除效果最佳，1代表去除效果最差。得出效应曲线图如图210所示图210效应曲线图FIG210PHOTOEFFECTCURVE直观分析表如图211所示表211直观分析表FIG211CHARTOFVISUALANALYSIS交互作用表如图212所示图212交互作用表FIG212CHARTOFINTERACTION1（2）3（4）5（6）根据上述图片和表格中的曲线和参数，分析各参数对电解加工质量的影响规律如下（1）射流压力对电解加工质量的影响对试验结果的观察发现，当射流压力在10MPA和20MPA附近时，电解加工效率低，加工质量欠佳。当射流压力稳定在15MPA附近时，电解效果较好，效率较高。这样的原因是，一定范围内随着射流压力增加，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；当流速过高时，电解液会堆积在工件表面来不及排出，并且会使电解液束在Z轴方向上发生偏移，影响了电解加工过程，从而影响电解效率。（2）电解电压对电解加工质量的影响由效应曲线图可以看出，当电解电压在150V附近时，电解效果较好，超过150V后小孔内壁的结构有明显变形，这样的原因是在一定范围内，随着电压的增大，电流密度增大，材料的蚀除量增加，但是当电压过大时，热影响区和微裂纹的去除速率虽然有所提高，但是加工精度显著降低，试验中表现为扩孔现象严重。如图213所示，此图为试验7参数下加工的一个孔，尽管实际电解效果很好，但是扩孔现象很严重。图213试验7加工孔FIG213HOLEPROCESSEDINEXPERIMENT7（3）占空比对电解加工质量的影响由效应曲线图可以看出，占空比越小，电解加工质量越好，这样的原因是占空比越小，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、析气可以在脉冲间歇时间内得以充分排出,间隙内的流场和温度场得到更好的改善,减小加工区域因流场恶劣，温度过高而造成的空穴和沸腾导致的局部钝化。（4）频率对电解加工质量的影响随着频率的增加，电解效果越来越好，在试验结果中表现为材料蚀除率高，扩孔现象不明显。这样的原因是随着频率增加，电解射流加工定域性上升。由加工后的扫描电镜图也可以看出，频率较大时，周围的杂散腐蚀很少，几乎没有扩孔现象,加工精度好。243正交试验工艺规律总结（1）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15MPA；电解电压150V；占空比20；频率10KHZ。（2）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压和压力参数。25冲刷电解试验251试验方案与条件之前的单因素试验和正交试验都是在工件上打孔然后进行喷射电解加工，分析试验结果之后提出了一种全新的试验方法，即用激光在工件上切一个凹槽，然后用电解液来回冲刷同时去除热影响区和微裂纹，加工工件如图214所示图214加工工件FIG214MANUFACTURINGWORKPIECE252试验参数设置1激光参数由于是切凹槽，所以激光参数有所调整，具体参数如下能量135J；脉宽09MS；频率40HZ；激光切割速度02MM/S。2喷射电解试验参数补充试验一共设计了8组参数，每组参数加工两条棱边，具体参数如表25所示表25试验参数TAB24PARAMETERSOFEXPERIMENT试验代号射流压力/MPA电解电压/V占空比/频率/KHZ115200201021520020303152002050415200207051520020100615200203007152002050081520020700253冲刷电解试验结果分析选取部分效果扫描电镜图作为分析依据，如图215所示（A）BC（D）图215不同试验结果图FIG215PHOTOSOFRESULTSOFDIFFERENTEXPERIMENTS给出的四张试验结果图中，A、B两图为第8组试验的试验结果，D图为第3组试验的试验结果。之所以这么选择，是因为这两组试验数据是小频率加工和大频率加工的代表。由扫描电镜图可以看出，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。经过分析，造成这样试验结果的原因是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，因此对于存在于工件表面的微裂纹，电解射流能够有效去除，而对于深层裂纹和较厚的热影响区，电解射流则无法去去除；。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。254冲刷电解试验工艺规律总结脉冲频率越大，激光加工棱边上的微裂纹去除效果越好。但是，没有有效的减薄热影响区的厚度。但是这并不意味着这种试验方法不可行。以后如果试验条件允许，可以增大电解电压和射流压力，适当延长加工时间，应当可以通过冲刷电解的方式去除激光加工棱边的热影响区和微裂纹。26试验结果给后续设计提出的要求261试验结果给喷射装置的设计提出的要求（1）试验过程中发现，喷嘴部分容易在射流压力过大时和人为碰撞下发生微量位移，这对电解加工的精度有一定影响。因此设计时需要保证喷嘴部分的刚度，以减小加工过程中的震动。（2）试验中所用夹具仅仅是针对小工件设计的简易夹具，无法满足大平板工件在一定角度上进行加工的设计要求。因此需要设计一套独立夹具，既能满足设计要求，又能保证工件与机床本地绝缘。262试验结果给电解脉冲电源设计提出的要求根据试验结果分析，合理的电源参数为电解电压150V；占空比20；频率10KHZ。但是在实际应用中，电源各项参数是可以在一个合理范围内可调的，因此在电解脉冲电源的性能指标上需要进行合理的参数设置。此外，在试验过程中发现，现有脉冲电源的输出波形不是很稳定，会出现波形振荡现象，这也是在电源整体设计时需要考虑的问题。27本章小结本章在利用现有喷射装置、压力系统和脉冲电源的基础上，在不锈钢工件上首先进行了单因素试验，获得了合理的参数设置范围以及工艺试验流程，其次根据单因素的试验结果分析设计了正交试验，获得了电解电压、射流压力、脉冲占空比和脉冲频率对去除激光加工表面热影响区和微裂纹的去除规律。之后进行了冲刷电解试验，采用了全新的试验方法，虽然试验结果不是很理想，但是也为日后的试验提供了合理的思路和方法。试验的过程与结果也为后续两章的设计提出了的合理设计要求。第3章喷射电解射流装置的设计为了以后在飞秒激光器平台上进行喷射电解射流加工试验，需要设计一套全新的试验装置。本章基于喷射电解射流的加工原理，并结合第2章提出的设计要求，设计了一套符合喷射电解射流加工工艺技术要求的装置。31装置的总体设计根据设计喷射电解射流加工的特点，结合第二章的试验过程，提出了喷射电解射流装置的技术要求实现在300MM300MM05MM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；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。根据以上要求，初步的结构为X轴滚珠丝杠位于最下方，与机床基座相连。Y轴滚珠丝杠通过一个平台与X轴相固连。工作台通过一个平台与Y轴滚珠丝杠相固连两个连接平台均通过导轨来保证移动精度。设计特定夹具，是大平板工件能够倾斜加工。夹具支撑件通过T型槽螺栓与工作台上的T型槽连接。设置特定导液槽使得电解液能顺利排出并保证工件与工作台绝缘。Z轴滚珠丝杠独立布置，并设置滑轨使得其能够独立移动。在喷嘴部分设置配重，减轻震动。32喷嘴的设计321喷嘴的总体设计如图31所示，设计的喷嘴主要是由6个模块构成，分别是喷嘴、堵头、壳体、金属柱塞、端盖和进液转接件。其装配方式如下整体装配方式为自上而下装配，具体是先将金属柱塞装入壳体，将堵头旋入金属柱塞，使得金属柱塞上端面被封闭住。再用6个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，3者便固定一起形成一体。最后进液装接件由壳体的一侧向内拧紧。这样整体的喷嘴部分装就是一个方便拆卸和装配的的密闭腔体。图31喷射装置CAD图FIG31CADOFEJECTORDEVICE壳体螺钉垫圈金属柱塞堵头过滤网进液连接件端盖喷嘴在接通电源准备进行加工时，电解液先从进液转接件进入金属柱塞与壳体之间的间隙，为了不影响喷嘴工作的稳定性，在金属柱塞与壳体之间加装了一层过滤网，这样可以防止电解液直接进入金属柱塞，而会以很稳定的渐进渗透的方式进入金属柱塞进行工作。当电解液通过过滤网后，电解液可以在回形槽内循环流动，有效的控制了电解液的流动，并能进一步的缓冲、稳定压力，控制流量。由于电解液具有一定的压力并加上经过设计的喷嘴结构，电解液就会形成理想的射流。连接处靠O型密封圈密封。设计三维图如图32所示图32喷射装置三维图FIG32THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFEJECTORDEVICE322喷嘴射流流道的设计喷嘴是射流设备的重要元件,能够形成理想的喷射液束。对喷嘴设计基本要求是出口处的液体流分布均匀且稳定。从加工工艺方面考虑，喷嘴不宜做的过长。喷嘴的进出口的面积比称为收缩比，必须选择合适的收缩比。一般而言，收缩比越大，则收缩流体的出口速度分布就越均匀，流体的湍流度也越小，但收缩比过大，则会导致洞身也会变长。设计的内流道如图33所示图33喷嘴内流道示意图FIG33THEDIAGRAMOFINNERRUNNEROFSPRAYNOZZLE喷嘴出口孔径的大小是由工件需要加工多少孔径决定的，然后以这为依据进行喷嘴出口孔径大小的设计。现设计R004MMR1/R0525L5MM得到R121MM喷嘴设计图如图34、图35所示图34喷嘴CAD图图35喷嘴三维图FIG34CADOFSPRAYNOZZLEFIG35THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFSPRAYNOZZLE323金属柱塞的设计金属柱塞腔体设计直径为30MM，表面分布许多直径为510MM的圆孔，这样设计的目的就是当外界的液体进入金属柱塞腔体的时候，保证有个很好的缓冲的过程，确保了液体很稳定的流入喷嘴，也使得电解液处于稳定喷射状态，另外金属柱塞腔体结构是一个圆柱型的回型结构，液体可以在里面回转，在加上壳体和金属柱塞之间有一层缓冲过滤网。保证了电解液很稳定的进入喷嘴。金属柱塞下端流道宽度与喷嘴的进口处直径一致。喷嘴液体进口处外圆的大径直径也正好为12MM，这样的设计使得喷嘴进口外圆可以装配到金属柱塞中，两者的设计是过渡配合。这样使得结构更紧密，能更好的防止出现漏水等不利因素。金属柱塞设计图如图36、图37所示图36金属柱塞CAD图图37金属柱塞三维图FIG36CADOFMETALTRUNKPISTONFIG37THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFMETALTRUNKPISTON324绝缘端盖设计当接上电源加工开始后，电解液通电。为了有效的做好喷射装置的绝缘，在金属柱塞下方添加一个绝缘盖板，材料是有机玻璃，有效的控制了绝缘问题。它也是一个端盖，能固定喷嘴与金属柱塞相对位置。端盖绝缘盖板设计图如图38、39所示图38绝缘盖板CAD图图39绝缘盖板三维图FIG38CADOFINSULATINGCOVERPLATEFIG39THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFINSULATINGCOVERPLATE33工作台的设计331夹具的设计考虑到工件大小为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。根据JB/T801211999可知，钩型压板A型如图310所示图310A型钩型压板FIG310AFORMHOOKCLAMPPLATE为了能够实现工件在一定角度上进行加工，现对其做一定改动，将压板前端改为半圆柱，改进之后三维图如图311所示（A）（B）图311改进钩型压板三维图FIG311THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFMODIFIEDVERSIONOFHOOKCLAMPPLATE332支撑件的设计设计支撑件时，需要考虑三方面因素，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流入电解液槽，其三是如何保证和T型槽绝缘的问题。设计三维图如图312所示图312支撑件三维图FIG312THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFSTRUTTINGPIECE支撑件由两部分组成，上半部分可上下移动，并在特定部位通过螺栓固定到下半部分上，下半部分通过T型槽螺栓固定到T型槽上。因素一的解决方案为在上半部分前端加上圆柱凸起，并且通过上下移动来实现工件在一定角度下进行电解加工；因素二的解决方案为将上半部分的右端改为倾斜，在两端分别设置阻拦槽，在中间设置两个导液槽，从而使得工件上的电解液能够顺利进入电解液槽。在工作台的下面设置两道导轨和一个连接件，用来和丝杠相连。整体的工作台三维图如图313所示AB图313工作台三维图FIG313THREEDIMENSIONALDIAGRAMOFOPERATINGPLATFORM333滚珠丝杠的选择1丝杠与电机型号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，确定X轴丝杠型号为LINTECH102430CP01S005M05C000L00E00B01_100，行程为760MM；Y轴丝杠型号为LINTECH102420CP01S005M04C000L00E00B01_100；行程605MM，Z轴丝杠型号为LINTECH102406CP01S001M03C000L00E00B00_100，行程300MM。该系列丝杠自带制动装置和电机型号。结构如图314所示图314100SERIES滚珠丝杠FIG314100SERIESOFBALLSCREW查阅该公司给出的100SERIES丝杠产品说明书，确定电机选用DANAHERMOTION公司AKM电机中240VAC，320VDC母线的电机系列，结构图如图315所示图315AKM系列电机FIG216ELECTRICMACHINERYOFAKM其中，X轴丝杠电机型号为AKM73P，具体参数如表31所示,Y轴丝杠电机型号为AKM72P，具体参数如表32所示。Z轴丝杠电机型号为AKM64P，具体参数如表33所示表31AKM73P电机参数TAB31PARAMETEROFELECTRICMACHINEOFAKM73P峰值失速794NM额定速度1300RPM伺服驱动器型号S62000最高速度1610RPM连续失速转矩416NM连续失速电流195ARMS连续额定转矩347NM峰值转矩时的电流40ARMS拐点速度1250RPM惯量921KGCM2表32AKM72P电机参数TAB32PARAMETEROFELECTRICMACHINEOFAKM72P峰值失速584NM额定速度1800RPM伺服驱动器型号S62000最高速度2170RPM连续失速转矩294NM连续失速电流187ARMS连续额定转矩238NM峰值转矩时的电流40ARMS拐点速度1590RPM惯量645KGCM2表33AKM64P电机参数TAB33PARAMETEROFELECTRICMACHINEOFAKM64P峰值失速412NM额定速度2500RPM伺服驱动器型号S62000最高速度3120RPM连续失速转矩204NM连续失速电流186ARMS连续额定转矩160NM峰值转矩时的电流40ARMS拐点速度2490RPM惯量316KGCM234本章小结这一章主要根据技术要求初步设计了喷射电解射流装置的结构，重点设计了喷射装置和工作台两大关键部分，并根据实际需要选取了合适的丝杠和电机。设计结果基本实现了提出的技术要求。为以后生产加工并在飞秒激光器平台上进行喷射电解射流试验提供了设计基础。第4章喷射电解脉冲电源的设计同样是为了以后在飞秒激光器平台上进行喷射电解射流加工试验，需要设计一套全新的电解脉冲电源。本章根据第2章的试验结果分析，再结合实际的加工需要，对电解脉冲电源进行了模块化的整体设计。41脉冲电源的总体设计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输出电压可调调节范围为0500V；输出占空比可调调节范围080；输出频率可调调节范围01000KHZ波形稳定，拖尾现象不明显。根据以上技术要求，设计的脉冲电源主要包括以下五个模块主振电路、驱动放大电路、功率转换电路、检测电路和主电源电路。总体结构框图如图41所示图41脉冲电源的总体结构框图FIG41THEOVERALLSTRUCTUREDFLOWCHARTOFINDEPENDENTPULSEGENERATOR各模块功能为主振电路主振电路的作用是根据加工的要求产生相应的脉冲信号来控制功率开关管的导通和关断，主振回路产生的波形质量的好坏对整个脉冲电源性能有着至关重要的作用；驱动放大电路主振回路产生的脉冲信号的驱动能力弱，不能够直接驱动功率元器件工作，因此需要驱动放大电路将脉冲信号放大；功率转换电路主振电路产生的脉冲信号控制功率开关器件的导通与关断，将直流电压转化成加工间隙两端的高频脉冲电压，功率开关器件的开关性能直接影响产生高频脉冲信号的质量；检测电路实时检测加工中各种放电状态并反馈给主振电路，控制脉冲信号的产生和变频进给，使加工处于稳定状态；主电源电路提供放电所需要的能量，同时还为其他电路提供电源。42脉冲电源主振模块的设计主振模块是喷射电解脉冲电源的核心部分，它的功能是产生脉宽与脉间可调的矩形脉冲，同时快速准确地进行间隙放电状态的识别和快速响应的脉冲控制。主振模块中脉冲发生信号质量、放电状态识别和放电脉冲控制处理性能直接决定了整个脉冲电源性能的好坏。针对电解射流加工的特点初步设计了基于CPLD的脉冲电源主振模块。设计的功能包括能够在线设置脉冲信号参数；脉宽脉间在一定范围内可以连续调节；能够对放电状态检测信号进行及时的处理。421主振模块电路的框架设计单片机的信息处理、逻辑分析能力强并且体积小、性价比高、功能灵活，但是单片机的速度慢和可靠性低；而CPLD信号传输效率高，适合高速采样场合，抗干扰能力强，功耗低，适用性强，开发工具先进，设计和开发周期短，成本低；但是CPLD一般只能实现数字逻辑，其信息处理、逻辑分析、决策判断等能力相对单片机弱很多11综合单片机和CPLD二者的优点，主振模块采用单片机与CPLD的联合设计，把两者的优势进行互补，由单片机处理复杂指令数据；CPLD负责传送高速实时信号；CLPD的I/O资料丰富，可以扩展单片机的接口；从而实现功能强大、线路简洁的主振模块电路设计。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。主振模块电路总体结构框图如图42所示图42主振模块电路总体结构框图FIG42THEOVERALLSTRUCTUREDFLOWCHARTOFMAINVIBRATIONMODULE422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。单片机系统原理框图如图43所示图43单片机系统原理框图FIG43THEFUNCTIONALBLOCKDIAGRAMOFSINGLECHIPSISTEM单片机系统由单片机、时钟电路、上电复位电路、串行接口电路和程序存储电路组成，各电路功能如下时钟电路单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为芯片引脚XTAL2，这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。上电复位电路单片机要开始运行，必须规定寄存器初始值PC要指向程序开头，这个工作就由复位来完成。单片机运行时，在复位引脚加上持续时间大于两个机器周期的高电平，就可以完成复位操作。串行接口电路实现上位机与单片机的电平匹配，从而使上位机与单片机直接相连。程序存储电路程序存储器用来保存单片机内部程序。之所以外扩程序存储器是为以后系统的升级使用，一般单片机内部闪速存储器容量只有4K字节，当程序很大时，内部程序存储器的容量就有可能不够，因此主振模块外扩了程序存储器。程序存储器选用存储容量为32K字节的存储器。单片机系统中，与CPLD通讯程序的设计尤为关键，该程序的功能是查询上位机是否有数据发送过来，继而将上位机发送过来的数据写入CPLD中相应的寄存器或是对CPLD进行控制。单片机与CPLD通讯程序工作流程为单片机采用查询的方式将数据发送到CPLD，当单片机查询到上位机有数据发送过来时，根据数据类型标志位判断数据类型，再进入相应发送数据程序，首先对数据类型标志位清“0”，表示已经对这个数据进行了处理，然后保护现场，关闭总的开关中断控制位EA，屏蔽所有的中断请求，保证单片机向CPLD发送数据的过程中不受外界的干扰，当数据发送完以后，则恢复现场、开启总的中断控制位EA，进入主程序去执行其他的程序，流程图如图44所示所示图44单片机与CPLD通讯程序流程图FIG44FLOWCHARTOFSINGLECHIPSYSTEMANDCPLD其次是单片机与上位机通讯程序的设计。该程序的功能为接收上位机传来的数据，并且将上位机传来的数据转换为CPLD可识别的信息，然后将接收的数据返回给上位机。单片机与上位机通讯程序的工作流程为当在上位机通过串口给单片机发送数据时，触发串行中断接收标志位RI，接着由单片机硬件自动生成一条长调用指令，进入串行通讯程序，为了保证执行中断程序的过程中不受外界的干扰，通过关闭总的开关中断控制位EA，屏蔽所用的中断请求来保证，然后读取接收缓存SBUF里的数据，并清中断接收标志位RI，单片机将数据转换成CPLD可以识别的信息，并将转换后的数据存储到相应的存储单元，置相应数据类型标志位为“1”，表示上位机向单片机发送了数据，等待单片机将数据发送到CPLD，最后将接收到的数据写入发送数据缓存SBUF，读取串口中断发送标志位TI，当TI的数值为“1”时，表示数据已经发送，清发送中断标志位TI，恢复现场，开中断，返回到主程序中执行其他的程序。流程图如图45所示图45单片机与上位机通讯程序流程图FIG45FLOWCHARTOFSINGLECHIPANDUPPERMONITOR423CPLD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。1CPLD外围电路的框架设计CPLD脉冲发生电路主要由CPLD控制元件、程序下载电路、输出缓冲电路、数据锁存电路、时钟电路和整形电路等组成。原理框图如图46所示图46CPLD脉冲发生电路原理框图FIG46THEFUNCTIONALBLOCKDIAGRAMOFPULSEGENERATINGCIRCUIT各部分功能如下程序下载电路由于CPLD具有在线系统编程的功能，将PC机和下载电路接口连接后，可以对CPLD进行现场编程，从而对整个系统进行升级。不需要重新设计下载电路或是把CPLD从电路板上拆卸下来，延长了CPLD的使用寿命。输出缓冲电路由于CPLD工作速度非常高，当内部触发器资源占用得比较多时，CPLD的功耗将会很大，为了减小CPLD的功耗，保证CPLD稳定运行，设计了输出缓冲电路，将CPLD的部分功耗转移到输出缓冲电路里面，这样能够保证CPLD能够更加稳定的运行。数据锁存电路单片机与CPLD通讯时，一般情况下采用P0口作为数据传输口，而单片机的P0口是地址数据分时复用口，因此，单片机在与CPLD通讯时，必须先把数据锁存起来从而保证传输数据的正确性。时钟电路有源晶振输出脉冲信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单，但为了使时钟信号波形更加规准，需要用施密特芯片对时钟信号整形。整形电路如果采用单片机输出信号的上升沿直接触发CPLD中的触发器，CPLD将不能识别，因此，必须对单片机输出信号进行整形。2CPLD内部程序的框架设计CPLD内部程序包括脉宽脉间可调模块、延时互锁模块、输出控制模块、信号处理模块、复位使能模块等组成。其各个模块的功能为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。CPLD内部程序原理框图如图47所示图47CPLD内部程序原理框图FIG47THEFUNCTIONALBLOCKDIAGRAMOFINTERNALPROCEDUREOFCPLD424主振模块抗干扰设计脉冲电源工作在高频环境下，不可避免地要受到来自各个方面的干扰，同时脉冲电源本身也是干扰源，因此在脉冲电源的设计中对电磁干扰来源的分析和防止也是至关重要的。（1）电磁干扰的来源放电过程中正离子、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12。（2）抗干扰的措施设计的抗干扰措施有一下四点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。43驱动放大模块的整体设计驱动放大电路主要由隔离电路、整形电路、驱动电路等组成，原理框图如图48所示图48驱动放大电路原理框图FIG48THEFUNCTIONALBLOCKDIAGRAMOFDRIVINGAMPLIFIER各部分电路的功能如下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MOSF