立項報告-噴射電解射流去除激光加工表面熱影響區(qū)的試驗研究 (2)

基于項目學習的畢業(yè)設(shè)計項目立項報告題目噴射電解射流去除激光加工表面熱影響區(qū)的實驗研究院（系）機電工程學院專業(yè)飛行器制造工程學生學號班號1指導教師副教授填報日期2013年12月28日哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院2014年1月說明一、立項報告應(yīng)包括下列主要內(nèi)容1立項依據(jù)（研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并附主要參考文獻）；2研究內(nèi)容、研究目標及擬解決的關(guān)鍵問題；3擬采取的研究方案及可行性分析；4項目的特色與創(chuàng)新；5進度安排及預(yù)期成果；6研究基礎(chǔ)與工作條件；7項目組成員簡介；8項目經(jīng)費預(yù)算。二、報告的電子版請通過機電學院本科畢業(yè)設(shè)計管理系統(tǒng)上傳，由指導教師在線評閱。三、報告需用A4紙雙面打印，左側(cè)裝訂，統(tǒng)一交所在院（系）保存，以備檢查。四、此說明頁不得刪除。目錄一、立項依據(jù)111課程研究的目的及意義112國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1121激光加工后續(xù)光整處理技術(shù)1122復(fù)合激光加工技術(shù)1123激光輔助噴射電解加工2124水導激光加工2125飛秒激光加工2126電解射流加工技術(shù)3參考文獻4二、研究內(nèi)容、研究目標及擬解決的關(guān)鍵問題521研究內(nèi)容522研究目標523擬解決的關(guān)鍵問題5三、擬采取的研究方案及可行性分析631噴射電解射流裝置設(shè)計6311噴嘴設(shè)計6312濾芯體設(shè)計6313絕緣、密封設(shè)計632試驗與脈沖電源設(shè)計733液壓系統(tǒng)設(shè)計7四、項目特色與創(chuàng)新7五、進度安排與預(yù)期成果751進度安排752預(yù)期成果7六、研究基礎(chǔ)與工作條件861研究基礎(chǔ)862工作條件8七、項目組成員簡介8八、項目經(jīng)費預(yù)算9一、立項依據(jù)11課題研究的目的及意義激光加工技術(shù)作為一種新型加工技術(shù)已在工程技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于常規(guī)激光加工利用的是熱效應(yīng)，因此不可避免的在加工表面形成熱影響區(qū)和微裂紋，目前許多精密部件如發(fā)動機熱端部件的冷卻結(jié)構(gòu)，一般采用葉片氣膜孔，其孔徑一般為0208MM，空間角度復(fù)雜，要求具有較高的表面質(zhì)量和較小的表面重鑄層，每片葉片有數(shù)十至數(shù)百個這樣的氣膜孔。本課題針對金屬材料激光加工后表面的熱影響區(qū)和微裂紋，提出了采用噴射電解射流再加工的新方法，力求通過實驗的方法消除激光加工后表面存在的熱影響區(qū)和微裂紋，為精密部件激光加工表面的處理提供技術(shù)支持。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀121激光加工后續(xù)光整處理技術(shù)該技術(shù)是目前去除再鑄層較為常用的方法。它是在用激光進行加工后，將表面已經(jīng)產(chǎn)生的再鑄層通過特殊的光整加工的方法，主要有磨粒流式的機械研磨、自腐蝕式的化學研磨等。這些方法已經(jīng)在部分場合得到了廣泛的應(yīng)用，但是也存在一些不足之處。例如磨粒流去除再鑄層時存在兩個問題一是斜孔兩端存在去除不掉的死角；二是磨粒流容易沿著阻力較小的大氣膜冷卻孔擠出，造成直徑較大的孔被磨大，直徑較小的孔再鑄層去除不?；瘜W研磨去除再鑄層時需掌握不同材料的再鑄層在電解液中的腐蝕規(guī)律，控制適當?shù)?的化學研磨時間，否則有可能在再鑄層被完全去除后，繼續(xù)腐蝕基材晶界，并且化學研磨中一種電解液通常只適用于某幾種材料，即不同的材料可能需要配制不同成分的電解液，延長了工期。122復(fù)合激光加工技術(shù)英國的曼切斯特理工大學激光加工研究中心發(fā)明了化學輔助激光加工技術(shù)CHEMICALASSISTEDLASERMACHINING，將某種鹽溶液傳送到激光束與加工材料的接觸面上，使加工中既有水下激光加工的冷卻、帶走熔滴作用，又有溶液的熱化學作用，基于激光及激光的熱化學復(fù)合作用機理，不僅可以在加工過程中直接去除再鑄層，而且可以提高材料去除。率2美國的辛辛提拿大學研究并開發(fā)了復(fù)合熔融模式的激光微細加工技術(shù)ANOVELLASERMICROMACHININGTECHNIQUEUSINGAMIXEDMODEABLATIONAPPROACH。利用該項技術(shù)已經(jīng)成功的在單晶硅片上加工出微米數(shù)量級的微結(jié)構(gòu)，加工后表面質(zhì)量良好，無明顯的微裂紋和熱影響。香港理工大學研究了超聲輔助激光加工技術(shù)THEULTRASONICAIDEDLASERUAL區(qū)3MACHINING，對鋁基復(fù)合材料進行了加工研究。結(jié)果表明，通過施加超聲振動，可以有效去除金屬熔化物，所加工孔的深徑比得到了提高，孔的質(zhì)量得到了明顯的改善，熱影響區(qū)、再鑄層以及盲孔的錐度都明顯的減。但是超聲輔助激光加工由于對工件施加高頻振動，少4易使零件、特別是硬脆材料零件造成疲勞損傷。123激光輔助噴射電解加工格拉斯哥蘇格蘭大學（GLASGOWCALEDONIANUNIVERSITY）的PTPAJAK教授進行了激光輔助噴射電解加工的技術(shù)。該項技術(shù)以激光輔助電解加工，利用激光照射的輔助作用研究5提高電解加工的定域性并及時去除電解過程中產(chǎn)生的鈍化膜，以達到提高電解加工精度和效率的目標。試驗結(jié)果表明電解加工的精度和效率大大提高，并且改善表面加工質(zhì)量，加工表面無再鑄層、殘余應(yīng)力和微裂紋；同時陰極化的電解液充當了電解加工工具的作用，省去了陰極的設(shè)計制造，提高了加工的柔性，便于實行加工過程的自動化。124水導激光加工瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究應(yīng)用光電研究所（THEINSTITUTEOFAPPLIEDOPTICSOFTHESWISSFEDERALINSTITUTEOFTECHNOLOGY）于1993年發(fā)明了水射流引導激光加工技術(shù)，該技術(shù)將聚焦激光束導入具有傳輸引導激光作用的高速流動射流中，激光在水與空氣界面發(fā)生多次全反射后形成高能束流，利用激光和水射流的綜合作用去除材。該技術(shù)能夠?qū)?、陶瓷、硬質(zhì)合料6金以及金屬箔片進行高效快速的加工，在半導體和微電子工業(yè)，特別是對熱敏感材料切割方面取的了顯著的成果。在國內(nèi)我校王揚教授楊立軍副教授等對聚焦激光與水束射流的耦合技術(shù)進行了深入研究，對激光與射流束耦合條件及射流穩(wěn)定原理進行了系統(tǒng)理論分析，研制了相應(yīng)耦合裝置及光學對準檢測系統(tǒng)，并對硅基晶片進行了水射流引導激光切槽研究，結(jié)果表明，水射流引導激光加工質(zhì)量優(yōu)于空氣中激光加工，基本消除了熱影響區(qū)與微裂。紋7125飛秒激光加工目前提高加工小孔、細槽、微縫等精細結(jié)構(gòu)微觀質(zhì)量的主要技術(shù)措施之一就是采用更窄脈寬、更高峰值功率的激光器，如飛秒（FS，1015S）脈沖激光加工，可以明顯的減薄甚至消除再鑄層，減少熱應(yīng)力、微裂紋，飛秒激光的超快速時間和超高峰值特性將其全部能量迅速集中在限定的加工區(qū)域，實現(xiàn)對材料的非熱熔性冷處理，獲得傳統(tǒng)激光無法比擬的高精度、低損傷等獨特。激光在超短的時間內(nèi)和極小的空間內(nèi)與物質(zhì)相互作用，作優(yōu)勢8用區(qū)域內(nèi)的溫度在瞬間內(nèi)急劇上升，并將遠遠的超過材料的熔化和汽化溫度，使得物質(zhì)發(fā)生高度電離，并在激光脈沖的沖擊作用下，材料以等離子體向外噴發(fā)的形式得到了去除，并幾乎帶走了原有的全部能量。這一過程中避免了熱熔化的存在，實現(xiàn)了真正意義上的“冷”加工。但研究表明，即使采用飛秒激光加工也會在一定程度上存在再鑄層，對所加工的零件表面產(chǎn)生質(zhì)量影響。例如，采用飛秒激光加工時，可以達到02M的表面粗糙度，加工表面仍然有7M的再鑄層存在，并且在再鑄層下面仍然有70M厚的熱影響。但是，飛秒激光器能量小，而且存在著快速“老化”問題，其頻率穩(wěn)定性、重復(fù)精區(qū)9度隨使用時間的增加而降低很快，即其使用壽命短，成本高。目前，飛秒脈沖激光加工還只是處在試驗室研究階段，其應(yīng)用前景首先還是在微電子學領(lǐng)域、光子器件和激光通訊領(lǐng)域、激光醫(yī)療和生物工程等領(lǐng)域的超精密微細加工。126電解射流加工技術(shù)電解射流加工用金屬作為噴嘴的制作材料，省去了金屬絲或金屬管的陰極，不會由于噴嘴的破碎而影響加工過程的穩(wěn)定性,且其不深入工件內(nèi)部，可以進行三維微結(jié)構(gòu)加工。內(nèi)布拉斯加州立大學（UNIVERSITYOFNEBRASKA）超精密加工實驗室的KOZAK學者通過建立簡化狀態(tài)下的數(shù)學模型，對電解射流加工的成形過程進行了理論分析及計算，為后續(xù)電解射流加工奠定了。香港理工大學（THEHONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY）機械工程系對基礎(chǔ)10電解射流打孔進行了一些。德國開姆尼茨工業(yè)大學（CHEMNITZUNIVERSITYOF研究11TECHNOLOGY）機械工程系微細加工實驗室的一些學者對噴射電解射流的原理、點加工、孔加工及表面處理技術(shù)進行了一系列深入，明確的分析并解釋了噴射電解射流的機理，研究12并研制出較為成熟的噴射電解射流裝置，如圖11所示圖11噴射電解射流工藝處理室FIG11PHOTOOFJETECMPROCESSCHAMBER目前，國內(nèi)關(guān)于電解射流的研究剛剛起步，南京航空航天大學機械工程系的四名碩士生在KOZAK學者提出的原理的基礎(chǔ)上設(shè)計出了較為簡單的激光電解射流復(fù)合加工耦合，實物圖如圖12所示裝置13圖12激光電解射流復(fù)合加工耦合裝置實物圖FIG12ACTUALPICTUREOFCOUPLINGDEVICEOFLASERELECTROLYSISJETMACHINING綜上所述，以上各類激光加工方法都存在著或多或少的缺點,而且針對近年來剛出現(xiàn)的問題缺少合理的解決方案，這也導致了目前一些關(guān)鍵部件的加工后續(xù)光整處理上存在比較明顯的技術(shù)問題。本次設(shè)計針對葉片氣膜孔經(jīng)飛秒激光加工后存在的表面微裂紋和熱影響區(qū)，提出了采用噴射電解射流再加工的技術(shù)方法來去除葉片氣膜孔激光加工表面微裂紋和熱影響區(qū)，希望通過這種方法來提高葉片氣膜孔的加工質(zhì)量。參考文獻1郭文淵，王茂才，張曉兵鎳基超合金激光打孔再鑄層及其控制研究進展J激光雜志，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何飛，程亞飛秒激光微加工激光精密加工領(lǐng)域的新前沿J中國激光，2007,59HHUANG,HYZHENG,GCLIMFEMTOSECONDLASERMACHININGCHARACTERISTICSOFNITINOLJAPPLIEDSURFACESCIENCE,2004,2281420120610JKOZAK,KPRAJURKARSELECTEDPROBLEMSOFMICROELECTROCHEMICALMACHININGJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY2004,1442643111XIONGLU,YANGLENGELECTROCHEMICALMICROMACHININGOFTITANIUMSURFACESFORBIOMEDICALAPPLICATIONSJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY,2005,169217317812MIKEZINECKER,ANDREASSCHUBERTMICROMACHININGWITHCONTINUOUSELECTROLYTICFREEJETJPRECISIONENGINEERING,20123661261913李昞暉電解射流激光復(fù)合加工加工技術(shù)基礎(chǔ)研究D南京南京航空航天大學2010二、研究內(nèi)容、研究目標及擬解決的關(guān)鍵問題21研究內(nèi)容電解射流加工是一種電解噴射加工方法，其用金屬作為噴頭、噴嘴的制作材料，易于加工，且不會在加工過程中由于噴嘴的破碎而影響加工過程的穩(wěn)定性，其工藝技術(shù)具有可達性好、表面不產(chǎn)生金相缺陷、深徑比大等特點，加工表面可達到無微裂紋、無變質(zhì)層、無殘余應(yīng)力的“三無”效果。通過將噴射電解射流加工作為激光加工的后續(xù)處理工序，可將激光加工產(chǎn)生的再鑄層、殘余應(yīng)力和微裂紋等缺陷去除或減?。粌煞N加工方法復(fù)合作用，既保持了電解射流加工的表面質(zhì)量和穩(wěn)定性，又充分利用了激光加工效率高的特點，還可以將兩種加工方法各自的缺陷減輕或消除，真正使得兩種加工方法相輔相成。22研究目標本課題一共有三大研究目標，現(xiàn)列舉如下（1）噴射電解射流裝置的研制研制涵蓋射流發(fā)射壓力系統(tǒng)、射流噴嘴系統(tǒng)在內(nèi)的噴射電解射流裝置。（2）噴射電解脈沖電源研制針對激光加工后表面噴射電解射流加工研制噴射電解電源。（3）噴射電解射流去除激光加工表面熱影響區(qū)的實驗研究獲得噴射電解射流壓力、流速、電解電壓、電解電流等參數(shù)對熱影響區(qū)的去除規(guī)律。23擬解決的關(guān)鍵問題在噴射電解射流裝置的研制中，應(yīng)解決的關(guān)鍵問題為如何保證電解射流的穩(wěn)定長度、如何保證電解液在噴射裝置中充分極化、如何解決噴射裝置與工件間的絕緣和密封問題。在噴射電解脈沖電源的研制中，應(yīng)解決的關(guān)鍵問題為如何將試驗獲得數(shù)據(jù)例如噴射電解射流壓力、流速、電解電壓、電解電流等參數(shù)合理的應(yīng)用到脈沖電源的參數(shù)設(shè)置中。三、擬采取的研究方案及可行性分析31噴射電解射流裝置設(shè)計311噴嘴設(shè)計噴嘴是電解射流噴射裝置形成電解液束的重要元件,噴嘴的好壞直接影響到電解液束的質(zhì)量,進而影響到加工微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。由于電解液束在噴射過程中可能存在發(fā)散、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此，噴嘴設(shè)計必須有利于電解液形成集中、穩(wěn)定的射流。本裝置中的噴嘴采用組合式噴嘴結(jié)構(gòu),即噴孔部分采用耐磨的人造藍寶石制成,而其他部分則用不銹鋼加工而成,二者組合成一個完整的噴嘴,導電性能好,且不容易損壞,提高了加工穩(wěn)定性。312濾芯體設(shè)計濾芯體在整個裝置中是實現(xiàn)電解液在形成射流束前對電解液進行過濾、充分負極化的關(guān)鍵元件。濾芯體下端圓柱表面為均勻分布的圓孔,濾網(wǎng)包裹在濾芯體外圓柱面上,一起安裝于噴射裝置殼體的圓柱形腔體內(nèi),并將該噴射裝置殼體的腔體分成兩部分。電解液進入噴射裝置后,濾芯體將噴射裝置殼體的腔體分成了內(nèi)腔體和外腔體。濾芯體采用黃銅材料,導電性好,加工中濾芯體直接與電源負極相連,電解液充滿濾芯體的內(nèi)腔體,在高壓電源作用下使電解液被充分極化。313絕緣、密封設(shè)計噴射裝置殼體采用有機玻璃制作,噴嘴外表面噴涂絕緣漆,保證了裝置的整體絕緣,避免了工件表面的雜散腐蝕及短路放電等情況的發(fā)生。濾芯體、噴射裝置殼體都與絕緣安裝座相連,保證了與機床的絕緣。噴嘴安裝在噴射裝置殼體底部圓柱形凹槽內(nèi),并由濾芯體軸向固定。噴射電解噴射裝置初步結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖31所示31電解射流噴射裝置FIG31ELECTROLYTEJETEQUIPMENTOFEJM32試驗與脈沖電源設(shè)計噴射電解射流去除激光加工表面熱影響區(qū)的研究試驗主要分為兩大部分單因素試驗和正交試驗。單因素試驗的主要內(nèi)容是探究單個因素例如射流壓力、流速、電解電壓、電解電流的變化對熱影響區(qū)及微裂紋的去除結(jié)果的影響。正交試驗的主要內(nèi)容是探究同時兩種不同因素的同時改變對熱影響區(qū)及微裂紋的去除結(jié)果的影響。試驗獲得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上與楊立軍導師以及碩士研究生進行充分的交流，在綜合分析的基礎(chǔ)上獲得最合理的試驗參數(shù)，從而以參數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計噴射電解脈沖電源。33液壓系統(tǒng)設(shè)計初步結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)思為加工系統(tǒng)中的電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)，包括兩級過濾器、溢流調(diào)壓閥、輸液泵、球閥、進液連接件、工作箱、回液管和電解液槽。加工時電解液經(jīng)一級過濾器由輸液泵抽取并提供一定初始壓力，通過溢流調(diào)壓閥和球閥調(diào)節(jié)流量并穩(wěn)定控制電解液壓力，電解液壓力變化情況通過液壓表顯示，電解液在壓力下經(jīng)二級過濾器，通過進液連接件進入電解射流噴射裝置中，然后通過金屬噴嘴高速射向工件的待處理表面，加工后的電解液匯入工作箱底部，經(jīng)由回液管回流至電解液槽供循環(huán)利用。四、項目特色與創(chuàng)新本項目的創(chuàng)新在于首先提出用噴射電解射流去除激光表面熱影響區(qū)這一問題。前人對于激光加工表面熱影響區(qū)和微裂紋的處理方法未能形成體系，而對于高端精密部件熱影響區(qū)和微裂紋的處理方法恰恰是很關(guān)鍵的一個問題。因此，根據(jù)863項目所給課題提出利用噴射電解射流來去除激光加工表面熱影響區(qū)這一解決方案。特色在于在試驗獲得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行噴射電解射流裝置以及脈沖電源的設(shè)計。試驗在本設(shè)計中占據(jù)較大比重，根據(jù)試驗獲得的最佳噴射電解射流壓力、流速、電解電壓、電解電流等參數(shù)，合理的進行噴射電解射流裝置以及脈沖電源的設(shè)計研制。五、進度安排與預(yù)期成果51進度安排201312201401查找資料，準備開題，進行噴射電解射流裝置設(shè)計；201301201403進行噴射電解射流脈沖電源的研制；201404201405進行噴射電解射流去除激光加工表面熱影響區(qū)的試驗；201405201406總結(jié)及補充試驗，撰寫論文準備答辯。52預(yù)期成果研制成果兩個，包括噴射電解射流裝置一套；射電解射流脈沖電源一個。試驗總結(jié)一份，內(nèi)容是利用噴射電解射流去除激光加工表面熱影響區(qū)的實驗研究，獲得噴射電解射流壓力、流速、電解電壓、電解電流等參數(shù)對熱影響區(qū)的去除規(guī)律；項目總結(jié)報告一份。六、研究基礎(chǔ)與工作條件61研究基礎(chǔ)該項目成員在本科期間學習過機械原理、機械設(shè)計