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[硕士论文] 李玉影
材料科学与技术 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
[博士论文] 宋得宁
机械电子工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:具有变曲率曲线/曲面几何特征的零件在航空航天、能源动力等领域高端装备中应用广泛,该类零件往往服役于重要场合且需求量大。然而,由于该类零件加工中复杂变曲率加工轨迹的存在,导致其加工精度、表面质量及效率难以得到同时保证,提高变曲率零件的高质高效加工能力是工业生产领域面临的长久任务。
  三轴及五轴联动数控加工是变曲率零件的重要生产手段,然而,传统数控系统直线/圆弧插补方法在用于变曲率零件加工时,需将变曲率加工轨迹表示为微小直线/圆弧段,这导致小程序段过渡位置处具有一阶不连续点而产生频繁加减速现象,影响加工效率与表面质量;此外,由于数控进给驱动系统存在伺服滞后,且随进给速度提高而增大,因此在高进给速度多轴联动跟踪变曲率曲线加工轨迹时,极易导致实际运动位置与理想刀轨轮廓间产生较大轮廓误差,影响加工精度。上述问题致使传统数控加工技术难以直接实现变曲率零件的高质高效加工,往往需要附加多次精加工及反复修磨等工艺,不仅增加了制造成本,更严重制约着高端装备批产进程。由此可见,变曲率零件的高质高效加工对多轴联动数控技术提出了严峻挑战。
  因此,本文面向变曲率零件高质高效加工需求,围绕传统数控技术应用于该类零件加工时产生的不足,开展以下研究:针对传统直线/圆弧插补不适用于变曲率加工轨迹的问题,鉴于非均匀有理B样条(NURBS:Non-Uniform Rational B-Spline)在自由曲线/曲面造型领域的优势,研究三轴及五轴联动NURBS轨迹插补算法;进一步,针对进给伺服系统在变曲率加工轨迹高速跟踪任务中易形成轮廓误差的问题,研究基于NURBS轨迹的三轴及五轴联动轮廓误差抑制技术。具体研究内容如下:
  (1)三轴联动NURBS插补算法。为兼顾变曲率曲线进给运动稳定性与效率,提出速度敏感区间恒速NURBS轨迹速度规划方法,依据几何及驱动能力等约束条件,规划速度敏感区间和非敏感区间,在敏感区间内规划安全恒定低进给速度,在非敏感区间内部分区域规划恒定高进给速度、部分区域进行平滑过渡,实现进给运动平稳性与效率的平衡;研究具有恒-变速过渡点速度校正的参数补偿二阶Runge-Kutta插补点参数计算算法,实现根据理想进给速度的插补点坐标高精度计算。
  (2)三轴联动空间轮廓误差抑制技术。针对多轴联动高速轮廓跟踪任务中的轮廓误差问题,研究NURBS轨迹的轮廓误差抑制技术。虽然交叉耦合控制器可对轮廓误差进行有效抑制,但在两轴方面研究较多,在三轴轮廓控制方面研究较少。对此,研究三轴联动空间轮廓误差的在线等效平面交叉耦合控制策略,给出基于初值再生Newton法的实际运动位置到理想轮廓垂足点计算方法,进而建立包含轮廓误差矢量的等效平面,实现在等效平面内部利用研究较为成熟的两轴交叉耦合控制器对三轴联动加工轨迹空间轮廓误差的等效抑制。
  (3)五轴联动双NURBS插补算法。鉴于双NURBS曲线可以直观表达五轴联动机床刀具运动,将提出的三轴联动NURBS轨迹插补算法进行推广,通过建立五轴联动刀尖点与物理轴运动关联关系,实现物理轴驱动能力约束下的刀尖点进给速度规划;提出基于Jacobi广义逆矩阵的Adams预估-校正五轴轨迹生成方法,实现利用刀尖点及刀轴矢量增量的物理轴位置连续唯一解计算,最终形成物理轴驱动能力约束的进给速度敏感区间恒速五轴双NURBS轨迹计算方法。
  (4)五轴联动轮廓误差抑制技术。五轴联动轮廓误差除刀尖点误差外,还包含刀轴方向误差,且二者相互耦合。为实现五轴联动轮廓误差高精度估计,面向双NURBS轨迹,将初值再生Newton法推广应用于五轴联动实际刀尖点到其理想曲线轨迹垂足点计算,形成五轴联动刀尖点及刀轴方向轮廓误差高精度协同估计方法,并以此为基础,提出内环预测补偿与外环反馈补偿相结合的五轴联动轮廓误差双环补偿方法,通过在内环基于反馈校正对下一时刻轮廓误差的预估补偿以及外环对当前时刻轮廓误差的反馈补偿,实现五轴联动轮廓误差的快速稳定抑制。
  最后,通过搭建开放式五轴运动控制实验系统,对本文提出的NURBS轨迹插补算法及轮廓误差抑制技术进行综合试验验证,并进一步与数控系统厂商合作,进行实际试件加工效果测试,结果表明,提出的三轴及五轴联动NURBS轨迹插补算法可以在满足各类约束条件下得到运动平稳性与效率相平衡的进给速度轮廓以及高精度物理轴轨迹,加工效果与直线插补轨迹加工相比,在变曲率零件加工效率及加工质量上均有大幅提升,与自适应时变进给速度NURBS插补方法相比,虽加工效率有所降低,但在加工轮廓精度和表面质量上均有明显提升;此外,提出的轮廓误差估计方法对刀尖点误差具有微米级估计精度,对刀轴方向误差具有毫弧度级估计精度,且利用提出的三轴及五轴轮廓误差抑制方法,可将最大误差值降低60%以上,与传统轮廓误差估计及抑制方法相比,对变曲率加工轨迹具有更好的适应性。综上,本文研究成果对丰富数字化制造领域基础理论与技术具有重要科学意义,对变曲率零件高质高效加工及多轴联动高档数控系统研发具有重要实用价值。
[博士论文] 马浩然
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:电子产品微型化推动封装技术由二维(2D)向三维(3D)发展,而多次回流工艺是3D封装普遍应用的技术。现有研究大都将多次回流简单归结为一次回流焊处理,所获得的多次回流界面反应机制与实际偏差较大。本文应用同步辐射实时成像及高压吹扫技术,分离多次回流钎焊过程各个阶段,并结合相应模拟手段,深入研究钎料合金成分、回流工艺参数、气泡缺陷、焊点尺寸下钎焊液固反应过程界面金属间化合物(IMC)生长机理及动力学,清晰地揭示出各Sn/Cu体系钎焊界面反应过程,并建立多次回流界面IMC生长模型。论文获得主要结论如下:
  1.Sn/Cu焊点多次回流保温阶段,界面IMC生长控制机制逐渐从Cu晶界扩散转变为体扩散,动力学时间指数由1/3趋近1/2;冷却阶段,界面IMC受Cu沉积作用快速生长,动力学时间指数为1;再加热阶段,Cu溶解度改变使界面IMC发生部分溶解,动力学时间指数为1,与冷却阶段互逆;基于此,建立Sn/Cu体系多次回流界面IMC生长物理模型。Sn-xCu/Cu焊点中Cu浓度升高,界面IMC生长速率增大,晶界扩散对界面IMC生长贡献相对减小;Sn-xAg/Cu焊点中,Ag3Sn纳米颗粒吸附在界面IMC晶粒表面,提高晶界扩散对界面IMC生长的贡献,且Ag3Sn尺寸越小、分布越弥散,效果越明显;TiO2纳米粒子能够抑制多次回流过程中界面IMC的生长,且温度越低,Sn-xTiO2/Cu焊点中TiO2含量越高,抑制效果越强。
  2.温度升高,保温时间延长,界面IMC尺寸、保温动力学时间指数增大;回流次数增多,界面IMC尺寸增大但平均生长速率降低;冷却速率加快,界面IMC平均生长速率增大,最终界面IMC尺寸、动力学时间指数减小。
  3.多次回流过程中,界面气泡与IMC会产生交互生长作用:IMC的生长、溶解及热胀冷缩会改变气泡尺寸;气泡隔绝液态钎料与Cu基板间接触,阻碍Cu向液钎内扩散,反过来抑制IMC生长。
  4.Sn/Cu及Sn-0.7Cu/Cu焊点尺寸减小,液钎中Cu浓度增大,IMC层厚度增大。Sn-3.5Ag/Cu焊点受Cu浓度和Ag3Sn颗粒的双重作用,尺寸减小,IMC层厚度先增大后减小。
[博士论文] 牟义强
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:当前燃煤发电设备的主要发展方向是700℃超超临界发电机组(A-USC),其蒸汽温度和压力分别700℃和35MPa,这对材料要求极为苛刻。镍基高温合金具有良好的抗氧化、耐腐蚀能力,较高的持久强度、蠕变强度等,是现今700℃超超临界机组高温部件的主要候选材料。K325合金是由中国科学院金属研究所近期研发的铸造镍基高温合金,其目标是满足700℃超超临界机组对大型铸件材料的需求。本文系统研究了K325合金在长期时效过程中δ相的析出特性及影响因素,同时就δ相对K325合金力学性能的影响也进行了初步探讨,研究结果有利于K325合金的成分优化和性能改进。主要结果如下:
  系统研究了K325合金在700℃和750℃长期时效过程中δ相的析出行为。结果表明:经700℃和750℃长期时效处理后,δ相优先于晶界以及NbC碳化物附近析出,随后向枝晶间生长,并且偏聚于枝晶间,这与Nb元素的枝晶偏析密切相关;750℃时效3,000h和700℃时效7,500h后在NbC碳化物上均发现M23C6碳化物,时效析出大量δ相促进了NbC碳化物分解;K325合金经700℃和750℃时效析出的δ相是通过γ"相密排面上产生层错转变而来,对应γ"相变体,K325合金中也发现呈一定取向关系的δ相变体。
  研究了不同Nb、Cr、Mo含量K325合金在650℃、700℃和750℃下长期时效至17,000h后δ相的析出情况,详细探讨了时效时间、时效温度和合金成分对K325合金时效析出δ相的影响。结果表明:相比于700℃时效处理,经750℃时效处理的K325合金中δ相的析出量要明显增加,而650℃时效至10,000h,合金中没有明显析出δ相,温度的提升显著促进了δ相的析出;随着时效时间的延长,K325合金中δ相的析出量逐渐增加,其中δ相的析出量在750℃长期时效后可以达到稳态;Nb、Cr、Mo对δ相析出影响有所不同,其中Nb对δ相析出影响较为显著,随着Nb含量由3.15wt%增加至4.5wt%,时效处理后合金中δ相的析出量明显增多,而Mo和Cr一定程度上也促进了δ相的析出,但其对δ相析出影响不明显。
  初步研究了δ相析出对K325合金700℃力学性能的影响。首先,随着δ相含量的增加,K325合金的屈服强度和抗拉强度近似线性增长,而面缩率和延伸率有所降低,但当δ相含量为10%~40%,δ相含量变化对塑性影响较小,合金仍保持较好的塑形;其次,通过与γ"相强化作用比较,确定δ相在K325合金中起着重要的强化作用,并非脆性相。δ相通过阻碍位错运动,提高了合金强度;最后,初步研究了δ相对K325合金持久性能的影响。一方面,和固溶态K325合金相比,有δ相析出的时效态合金持久寿命增加;另一方面,δ相含量由18%增加至35%后,加载应力为400MPa时,持久寿命相当,而加载应力为375MPa时,持久寿命明显降低。
[博士论文] 杨晓龙
机械制造及其自动化 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:非均匀润湿性图案化表面可实现液滴存贮和运输等操控行为,在药物研发和干旱多雾地区水资源收集等领域具有重要应用价值。但现有非均匀润湿性图案化表面加工技术尚不能满足液滴多样化操控需求。本文采用化学/电化学加工和微铣削等微纳制造技术通过区域性调整材料表面微结构或化学成分加工出非均匀润湿性图案化表面,并研究了液滴在所加工表面上的粘附、运输、混合和分离等静动态行为和相关机制,为新型智能液滴操控平台的设计和制造提供了理论和技术基础。主要研究内容及结果如下:
  (1)分别采用电液束加工和掩模化学氧化并结合低表面能修饰技术在金属基底加工了疏水/超疏水图案化表面,基于所加工表面,进行液滴滚动试验,分析了疏水/超疏水图案化表面液滴的各向同性/异性滚动特性。结果显示,液滴的各向同性/异性滚动阻力受疏水区微结构、宏观形状和尺寸影响,且影响规律可由Furmidge界面液滴滚动阻力模型预测;通过控制液滴的各向同性/异性滚动可实现液滴存贮和无损转移等操控行为。
  (2)利用微铣削技术直接在金属超疏水表面加工出亲水微沟道图案,并分析了亲水微沟道上液滴的各向异性滚动机制及其在重力驱动液滴操控方面的应用。结果证明,亲水微沟道上液滴沿平行于和垂直于沟道方向的滚动阻力具有显著各向异性,且各向异性可由沟道宽度、数量、间距及沟道间夹角定量控制;在重力驱动下,各向异性滚动阻力可使液滴沿沟道滚动,实现开放式液滴混合功能,混合效率可达167μL/s;相比封闭式微流控芯片,此开放式液滴混合系统具有成本低、易观测、无气泡等优点。
  (3)采用掩模电化学刻蚀法在金属超疏水表面加工了超亲水图案,分析了该超亲水图案上拉普拉斯压力梯度驱动的液滴操控过程。结果表明,掩模电化学刻蚀能够以点蚀及点蚀扩展的形式定域去除超疏水表面氟硅烷层加工出超亲水图案;先用高电位均匀去除大部分氟硅烷层,为避免强电场破坏微结构,再转用低电位去除剩余部分是加工高质量超亲水图案的关键;所加工的楔形超亲水图案可实现拉普拉斯压力梯度驱动的液滴运输和混合,且液滴运输速度和混合体积可分别由楔形图案张角和相对位置控制。
  (4)采用掩模化学氧化法在铜箔上加工了水下亲油/超疏油图案化表面,并利用该表面提出一种拉普拉斯压差驱动的水下油滴运输方法,研究了油滴运输体积和速度的影响因素及其影响规律。结果表明,掩模化学氧化法可通过定域构建纳米结构来加工水下亲油/超疏油图案化表面;在该表面上,由亲油通道连接的亲油圆形图案(蓄油池)上的油滴在拉普拉斯压差驱动下会自发沿通道运输,且运输体积和运输速度可由蓄油池、连接通道尺寸和油液性质控制;利用多蓄油池间的油滴运输可实现自适应油滴分离和混合。
[博士论文] 王中原
材料加工工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:液-液相分离双相非晶合金是指通过液-液相变形成两种非晶相的复合材料。当均匀单一合金熔体快速冷却进入组元液态不混溶区域时将发生液-液相分离形成两个液相。如果这两个液相具有较好的非晶形成能力,则它们分别发生玻璃转变形成双非晶相。以往的液-液相分离双相非晶合金的设计是建立在某个非晶形成能力较好的合金系基础上通过添加其它合金元素来实现的。添加的合金元素通常满足两个条件:①与原合金系的主组元之间具有正混合焓,②与原合金系其它组元构成的合金系具有较好的非晶形成能力。迄今为止,人们对液相分离双相非晶合金的形成过程尚不清楚,尤其是液-液相分离过程中组织演变以及两分离液相化学成分随温度演化及其控制缺乏深入研究,不能有效调控液-液相分离形成的两液相的成分及非晶形成能力,很难获得双相块体(三维尺寸≥1mm)非晶合金。本文针对上述问题,基于组元原子相互作用、共晶点准则以及系统自由能最小化原则,优化设计了合金成分,研制液-液相分离双相块体非晶。双相非晶合金可以改善单相非晶合金材料的室温塑性。主要研究工作和取得的成果如下:
  设计了Zr-Ce-Co-Cu四元双相非晶合金薄带材料,探索了Al对此合金体系双非晶形成能力(形成双非晶相的能力)的影响。研究了Zr-Ce二元液相分离合金的凝固特征,Zr75Ce25二元合金在电弧熔炼的条件下会发生液相分离形成两相分层的组织。在Zr-Ce二元液相分离合金中添加Cu和Co时,发现Cu和Co分别选择性富集在富Ce液相和富Zr液相中。研究了(Zr0.89Ce0.11)100-x(Co。Cud)x四元液相分离合金的快速凝固特性;探索了制备方式和合金成分对凝固组织的影响。结果表明:在用铜模铸造制备直径为2mm的棒状样品时,液-液相分离形成的富Ce-Cu液滴发生Marangoni迁移,棒状样品的表面形成了贫Ce-Cu层;在用熔体旋甩法制备薄带样品时,薄带样品的贴辊侧冷却速率较高,富Ce-Cu粒子尺寸较小。当Co和Cu原子比和添加的总摩尔分数分别为4/1和38.5at.%时,液-液相分离形成的富Zr-Co和富Ce-Cu液相的化学成分随着温度的降低逐渐演变到各自共晶成分Zr65Co32和Ce72Cu28附近。在单辊熔体旋甩条件下,可获得富Ce-Cu非晶粒子(体积分数为9.4%)弥散分布在富Zr-Co非晶基体的双相非晶合金薄带样品。研究了添加元素Al对Zr-Ce-Co-Cu四元液相分离合金液-液相分离行为以及凝固组织的影响。结果表明,当Al含量较少(≤15at.%)时,Al溶质在富Zr-Co和富Ce-Cu两液相中的浓度比趋近1。当Al含量为15at.%时,两液相都具有较好的非晶形成能力,在铜模铸造快速冷却条件下,可获得直径为1.5mm的富Ce-Cu-Al非晶粒子(体积分数6.99%)/富Zr-Co-Al非晶基体的双相块体非晶合金材料。
  设计了富RE-Cu-Al非晶粒子/富Zr-Co-Al非晶基体的双相块体非晶合金材料。富Ce-Cu-Al液相的非晶形成能力比富Zr-Co-Al液相弱,其非晶形成能力制约了双相块体非晶合金的研制。为了提高富Ce-Cu-Al液相的非晶形成能力,探索了与Ce元素化学性质相似的稀土元素La、Pr和Nd对Zr-Ce-Co-Cu-Al五元液相分离合金液-液相分离行为和双非晶形成能力的影响。研究发现,当Zr-Ce-Co-Cu-Al合金中的Ce被La、Pr和Nd部分替代时,多元合金熔体冷却过程中仍然发生液-液相分离;La、Pr、Nd元素主要富集在富Ce-Cu-Al液相中,导致富Ce-Cu-Al液相的混合熵增大,非晶形成能力增强。相似稀土元素提高了Zr-Ce-Co-Cu-Al五元液相分离合金的双非晶形成能力。用铜模铸造法制备了直径为2mm的[(Zr68Co32)0.86(RE52Cu48)0.14]0.85Al0.15(RE:Ce1/4La1/4Pr1/4Nd1/4混合稀土)双相块体非晶合金样品,样品的基体为富Zr-Co-Al非晶相,弥散粒子为富RE-Cu-Al非晶相(体积分数约为7.95%)。
  设计了富Zr-Co-Al非晶粒子/富RE-Cu-Al非晶基体的双相块体非晶合金材料。研究了Al元素含量对[(Zr0.56Co0.44)0.2(RE0.74Cu0.26)0.8](100-Alx(X=7.7-16.7at.%)合金中富Zr-Co-Al非晶相和富RE-Cu-Al非晶相热稳定性的影响,开展了富Zr-Co-Al非晶粒子/富RE-Cu-Al非晶基体的双相块体非晶合金硬度分析和轴向压缩实验研究。结果表明,Al含量为10.7at.%时,两个非晶相都具有较好的热稳定性;富Zr-Co-Al非晶相比富RE-Cu-Al非晶相具有更高的硬度和强度;富Zr-Co-Al非晶粒子/富RE-Cu-Al非晶基体的双相块体非晶合金材料发生塑性变形时,富Zr-Co-Al非晶粒子可阻碍富RE-Cu-Al非晶基体中剪切带的快速扩展,促进多重剪切带的萌生,提高材料的室温塑性和断裂强度。
[博士论文] 李超
机械电子工程 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:在日益增加的高速、高加速、高精度运动需求下,冗余直驱龙门平台成为高档数控装备的关键功能部件,其冗余驱动及高刚性物理连接的结构特点具有获得更优运动性能的潜力。然而,高速、高加速运动下,强机械耦合效应及导轨副部件柔性变形容易造成过度的耦合约束内力,其成为影响系统平稳运行(可靠性保证的基本需求)和使用寿命的主要因素,并进一步限制运动控制性能的提升。受限于该冗余执行器间的协同问题,传统仅考虑轴间运动协调的轮廓运动控制方法,显然无法满足此类平台高性能轮廓跟踪的最终需求。据此,本文创新提出冗余协同与轴间运动协调并重的轮廓运动控制新理念,并以此为指导展开细化研究。
  现阶段,限制冗余直驱龙门平台控制发展的主要因素是缺乏有效的模型指导,从而导致对平台特性认知不全。为此,本论文首先探索此类具有高刚性物理连接和相对柔性导轨副部件的多轴机械平台刚柔耦合建模及辨识验证的系统方法:所提建模分析方法给出了平台完整运动及多自由度复杂耦合特性的准确描述,亦对耦合效应的产生根源和作用机制给出了详细的分析;所提频域辨识方法本质上解决了机械系统受非线性摩擦力影响而导致频率响应失真的普遍问题,从而通过该方法有效验证了建模的正确性并获得了准确的模型信息,用以指导控制器设计。随后,为首要保证系统的平稳运行,提出了兼顾内力调节与运动跟踪的多变量精密协同控制方法:所提方法针对系统的不同负载情况,在对应多变量耦合模型的指导下,设计了相应的在线准确自适应和实时模型补偿机制以处理不确定性和耦合效应的影响,并通过主动控制横梁旋转动态以抑制约束内力,从而有效提高协同控制性能,同时保证约束内力与运动跟踪的高性能瞬态和稳态表现。最后,为满足此类平台的高性能轮廓跟踪需求,创新提出兼顾冗余协同及轴间运动协调的轮廓运动控制方法:基于对横梁旋转的有效认知,修正了轮廓误差的估计模型以提高实际计算精度;以此为基础提出的轮廓运动控制方法有机结合了本文所提动态负载情况下的冗余协同控制策略及基于全局任务坐标系(GTCF)的高效运动协调机制,克服了传统基于刚性假设的轮廓运动控制在实际应用中的性能不确定性,可切实保证此类平台在不同负载、不同曲线轮廓下的高性能轮廓跟踪并进一步提升;所提方法为冗余直驱龙门平台轮廓运动控制问题的本质解决方案。
  本论文共分为六章,分别对应如下内容:
  第一章,介绍了冗余直驱龙门平台的需求背景及发展趋势,归纳了此类系统为满足实际应用需求所涉及的主要科学问题。然后分别阐述了相应问题的研究现状与不足之处,总结出冗余执行器间的强协同性能是此类平台进一步追求高性能运动控制的前提条件,进而提出综合考虑冗余协同及轴间运动协调的轮廓控制新理念。最后概述了本课题的研究意义和主要研究内容。
  第二章,针对冗余直驱龙门平台,基于对各部件及连接相对刚柔性的分析,给出了包含横梁和梁上负载直线运动、以及常被忽略的横梁旋转运动的的完整运动学描述,建立了可准确体现其刚柔耦合特性的三自由度动力学模型,并推导出易于频域辨识验证的本质线性动力学传递函数模型。随后详细分析了直驱系统中非线性摩擦力对于本质线性动力学频率响应的影响机理,进而提出基于非线性摩擦力补偿的频域辨识新方法,有效改善频域辨识结果。最后,结合所提频域辨识方法及系统线性传递函数模型,通过频域辨识实验,充分验证了建模的有效性并获得准确模型信息,为进一步指导提出冗余协同控制及轮廓控制新方案提供基础。
  第三章,针对负载质量以及分布位置变化等静态影响情况下的冗余直驱子系统协同控制问题,首先依据现有考虑内力调节本质问题的推力分配协同控制策器,结合本文更为准确的离线辨识结果,指导优化其关键参数的设计,以有效提高并保证其协同性能;亦通过对比实验进一步分析其不足之处,指出横梁旋转角度与耦合约束内力的直接对应关系。据此,提出基于推力分配系数等参数在线准确自适应,并主动控制旋转动态以调节约束内力的两输入两输出精密协同控制方法,通过与参数优化后的推力分配协同控制的对比实验,充分验证了所提方案的更优性能及实用价值,亦为进一步研究动态负载情况下的协同控制提供思路。
  第四章,针对动态负载影响(两轴联动工况)下更为复杂的三自由度耦合情况,设计了有效的在线参数自适应及实时模型补偿机制以处理不确定性及耦合影响,并以此为基础提出兼顾两轴运动跟踪及横梁旋转动态主动控制(内力调节)的三输入三输出精密协同控制方案。对比实验结果充分说明了所提方案能同时保证两轴的高直线定位精度及强旋转动态抑制作用。此外,考虑到实际系统中常用增量式编码器无法提供绝对位置信息从而影响补偿效果、降低协同性能的情况,提出通过对初始零位偏差进行在线自适应以解决该问题的拓展方案,以避免实际应用中可能需要的离线位置标定措施,实现负载任意初始运动位置情况下的精密协同性能。通过对比实验,验证了所提方案的有效性和更优的实用性。
  第五章,进一步追求冗余直驱龙门平台的优越轮廓加工性能。首先分析了传统基于刚性动力学假设的轮廓误差估计问题,即其无法准确反映实际轮廓跟踪水平;从而提出相应的修正方案,通过在计算中引入横梁旋转信息以估计实际工作点的准确位置,进而计算得到轮廓误差准确值;随后,以实际轮廓误差为直接目标,在所提出动态负载情况下的多变量协同控制策略中引入基于GTCF的高效运动协调机制,提出综合考虑冗余协同及轴间运动协调的轮廓运动控制方法。最后,通过与传统基于刚性动力学假设的轮廓运动控制器的对比实验,指出旋转柔性模态对传统轮廓运动控制的性能限制,亦验证了所提轮廓控制方法在实际应用中切实保证系统平稳运行并进一步提高轮廓加工性能的优越性。
  第六章,归纳总结了本论文的主要研究工作及成果,阐述了研究结论及创新点,并对后续研究进行了展望。
[博士论文] 鲁月
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:铜及其合金作为面心立方结构材料,具有优异的导电导热性、耐腐蚀性以及延展性,是当今电气产业及电子元件制造业的热门原材料之一,但是由于较差的硬度和强度性能使得铜及其合金材料的应用与发展受到了限制;而镁及其合金为密排六方结构材料,具有更高比强度、更好的导热减震性能,但是由于变形过程中基面织构的存在导致镁及其合金在室温情况下难以进行形变,且目前镁合金的塑性变形理论还不够完善成熟,塑性加工技术发展的相对缓慢,限制了镁合金的发展。因此,有必要对铜合金及镁合金塑性变形方法进行深入系统的研究,从而探索出能够有效改善材料综合性能的工艺方法。
  金属材料的力学性能与其微观组织(晶粒分布和晶粒取向)密切相关,而不同的变形方式以及再结晶条件对组织特征的演变规律则有着重要的影响。基于此思路,本论文选用Cu-Ag合金、铸态纯Cu和铸态AZ31镁合金作为实验材料,利用金相显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)等微观组织表征与分析方法,系统的研究了在液氮温度下轧制变形对Cu-Ag合金微观组织、织构以及再结晶行为的影响;研究分析了退火过程中的外加载荷应力对室温冷轧后的Cu-Ag合金再结晶行为的影响作用;对纯Cu试样进行了室温多向压缩实验,系统的分析了试样变形后和再结晶后的织构特征;通过对AZ31镁合金进行室温多向压缩变形以及退火处理,研究多向压缩对AZ31镁合金的微观组织以及力学性能的影响作用。主要实验结果如下:
  1.Cu-Ag合金在液氮温度轧制过程中,由于低温轧制阻碍了位错的运动,试样内积累了更高的位错密度,因此相对室温轧制试样而言,材料的抗拉强度有所提高。试样经液氮温度轧制90%后的织构以S型和Brass型织构为主。另外,液氮温度轧制抑制了动态回复过程,因此使得试样中的储存能增加,提高了再结晶驱动力,从而降低了Cu-Ag合金的再结晶温度。
  2.95%冷轧变形的Cu-Ag合金经外加载荷退火的实验结果表明,加载较小应力(10MPa)退火虽然抑制了材料的再结晶行为,但却促进了再结晶Cube织构的形成。另外,加载较大应力(50MPa)虽然对再结晶过程中新晶粒形核的抑制效果更加明显,但加快了晶粒长大,主要原因是由于较大的外加应力已经大于位错滑移运动所需的临界分切应力,因此加载退火过程中产生了新的缺陷,从而提高晶粒长大的驱动力。
  3.在铸态纯Cu室温多向压缩后的金相测试结果中看到了“项链型”结构,说明压缩过程中发生了动态再结晶。多向压缩试样的织构在{111}极图中呈对称分布关系,主要由为Goss{011}<100>、CubeTD{011}<011>以及CubeND{001}<110>三种组分组成,而完全再结晶后并没有出现Cube织构,这是由于试样的三种形变织构使得其他取向晶粒优先形核与长大,并限制了Cube取向晶粒的形核与长大。
  4.铸态AZ31镁合金在室温多向压缩过程中出现了退孪晶现象。随着多向压缩道次的增加,{0002}面衍射峰值先上升后下降,说明多向压缩可以弱化AZ31镁合金的{0002}基面织构。AZ31镁合金室温多向压缩10道次的试样退火30min时已经完全再结晶,4道次的试样退火40min完成了再结晶,而单向压缩试样退火120min后依然是原始粗大晶粒与细小新晶粒共存的混晶状态。另外,多向压缩10道次的试样再结晶后的晶粒尺寸最小且更均匀。
  5.由于室温多向压缩使得AZ31镁合金晶粒内部产生大量高密度的孪晶界,阻碍了位错滑移,因此试样出现了明显加工硬化现象。此外,多向压缩的晶粒细化作用使得AZ31镁合金的室温最大累积变形量达40%。完全再结晶后的压缩测试结果表明,多向压缩10道次试样的力学性能明显优于单向压缩试样,抗拉强度和压缩率分别提高了26%和69%,而由于基面织构的弱化导致试样的屈服强度并没有明显的提高。
[博士论文] 钟毅
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着电子器件集成度的不断提高,电子封装互连焊点尺寸持续减小。一方面,使得钎焊液-固界面反应受钎焊条件及原子扩散的影响更加显著,焊点在一定温度梯度下发生的金属原子定向热迁移行为及其对钎焊液-固界面反应的影响亟需阐明;另一方面,导致Sn基无铅微焊点在经历钎焊回流工艺后的晶粒个数迅速减少,仅形成几个甚至一个晶粒,由有限个数晶粒引起的各向异性问题使得微焊点的服役性能及可靠性面临严峻挑战,如何制备出晶粒形貌及取向可控的微焊点阵列成为先进封装制造中的关键问题。因此,在电子封装微型化发展趋势下,深入研究微焊点的钎焊液-固界面反应行为、晶粒取向控制技术及相关机理,具有广泛的理论研究和实际应用价值。
  本论文通过实验设计在焊点中形成一定温度梯度,采用同步辐射原位观察技术和电子背散射衍射技术等手段,系统研究了钎焊回流过程中焊点在温度梯度作用下的热迁移行为,深入分析了温度梯度对焊点钎焊界面反应及晶粒取向的影响规律和作用机制,提出了利用温度梯度快速制备全金属间化合物(IMC)焊点及调控焊点晶粒取向的方法。主要研究结果总结如下:
  1.Cu/Sn/Cu焊点在温度梯度作用下,Cu原子持续从热端向冷端热迁移,导致焊点冷、热两端界面IMC呈现非对称性演变,即冷端界面Cu6Sn5生长受到促进而持续快速生长,热端界面Cu6Sn5生长受到抑制而溶解受到促进,达到临界厚度后IMC生长与溶解处于动态平衡,厚度基本不变。同时,冷端Cu基体消耗较少,而热端Cu基体消耗严重。基于Cu原子迁移通量提出了温度梯度下界面IMC生长模型,较好地解释了Cu6Sn5的生长和溶解规律,并可预测热端界面Cu6Sn5的临界厚度。
  2.由于温度梯度驱动Cu原子持续向冷端热迁移及Cu6Sn5晶粒生长的各向异性,导致多晶Cu/Sn/Cu焊点冷端快速形成的界面Cu6Sn5晶粒具有较强的织构特征,其<0001>晶向趋于与温度梯度平行的方向择优;并且当单晶(111)Cu作为冷端金属基体时,冷端规则棱晶状Cu6Sn5持续外延生长且具有强烈的织构特征,其<1120>晶向趋于与温度梯度平行的方向择优。同时,发现由于β-Sn晶粒的生长也具有各向异性,导致焊点在一定温度梯度下凝固时形成择优取向的β-Sn晶粒。
  3.钎料中添加Zn元素可显著抑制热迁移引起的热端金属基体消耗及冷端IMC快速生长,而Ag元素对焊点热迁移行为无明显影响;揭示了添加Zn元素提高焊点液-固热迁移抗力的机理及界面Sn-Zn IMC层的脱落机制。
  4.温度梯度下制备全IMC焊点时,热端金属基体原子大量热迁移到冷端,加速界面反应的进程,全IMC焊点制备时间远短于传统等温工艺;并且对于Cu/Sn/Ni制备全IMC焊点时,在热迁移与Cu-Ni交互耦合作用下,可通过改变外加温度梯度的大小和方向,以调控反应形成的IMC类型、成分和制备时间。另外,当单晶(111)Cu作为Cu/Sn/Cu焊点冷端金属基体时,在热迁移作用下冷端Cu6Sn5持续外延生长,可形成规则形貌且具有强烈织构特征的全IMC焊点。
[硕士论文] 王惠宇
机械制造及其自动化 燕山大学 2018(学位年度)
[博士论文] 周彦彬
材料连接技术 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着船舶制造、海洋工程、重型机械等行业产品大型化及重型化,中厚板对接焊的应用越来越普遍,其打底焊接效率对整个生产制造周期起着至关重要作用。对于中厚板打底焊接,单面焊双面成形是一种高效焊接工艺,该工艺可省去中厚板传统焊接时翻转、清根或施加背面强制成形等辅助工序,具有改善焊工劳动条件,提高制造效率等优点。当前实际应用的单面焊双面成形工艺多是通过单电弧摆动焊接实现,其焊缝质量不稳定,焊缝成形可靠性差,焊接速度较慢,制造效率受到很大限制。本研究将脉冲MAG电弧与直流TIG电弧并列,利用两电弧间电磁场耦合效应形成MAG-TIG双电弧热源,显著提高了中厚板打底焊接背面熔透及其成形控制能力。本文主要研究内容及结论如下:
  (1)MAG-TIG双电弧热源可在焊接线能量较低的(为单MAG电弧焊接的89%)条件下实现根部熔合良好,背面熔透均匀、连续、稳定,余高尺寸适中的单面焊背面自由成形打底焊缝。中厚板打底焊接接头的各项力学性能良好,其拉伸试样的断裂发生在远离焊接接头及其热影响区的母材(Q235-B)上,试样断后伸长率为21.8%,抗拉强度为463MPa。焊接接头硬度分布呈平缓过渡状态,未出现硬度过高区域。同时打底焊接接头具有良好的抗弯曲性能和冲击韧性。在本试验条件下,对于厚度为24mm的钢板,焊接热输入为798J/mm时,其单道熔敷填充金属高度达7.0mm。因此,MAG-TIG双电弧热源中厚板打底单面焊双面成形工艺省去了传统制造中的翻转、清根或背面施加强制成形措施等辅助工序,可显著提高中厚板打底焊接接头质量稳定性及生产制造效率。
  (2)MAG-TIG双电弧焊接时,由于后端TIG电弧的并列加入,合理利用两电弧间电磁场耦合效应,形成了前端MAG电弧偏移振动及后端TIG电弧前后振动的双电弧振动形态,提高了MAG电弧等离子体放电稳定性。同时通过分析MAG电弧与TIG电弧间电磁场耦合效应,即计算不同MAG焊接电流、TIG焊接电流、MAG电弧电压及电弧间距条件下双电弧焊接时前端MAG电弧的偏移振动幅度。结合对应参数条件下MAG-TIG双电弧等离子体放电形态及其稳定性,确定在本试验条件下MAG-TIG双电弧热源稳定参数范围为MAG焊接电流270-330A,TIG焊接电流50-150A,电弧间距20-25mm,MAG电弧电压30.0-31.6V。
  (3)MAG-TIG双电弧打底焊接时通过调节熔池前端偏移程度来实现中厚板打底单面焊双面成形焊缝背面成形尺寸的精确控制。由于TIG电弧对前端MAG电弧的电磁排斥效应,使得前端MAG电弧在焊接熔池前端产生偏移振动,由此使得熔池前沿距焊丝轴线距离(等效为熔池前端偏移)增加。当使得双电弧焊接熔池前端偏移区域面积S1与前端MAG电弧加热圆形面积S的比例k值为24.2%-33.4%时,打底焊缝背面成形的余高尺寸在2.0±0.5mm范围内。在热源能量密度状态不变条件下,打底焊接单面焊双面成形焊缝背面余高尺寸与熔池前端偏移程度呈正比关系。即当熔池前端偏移比率k值较小(k<24.2%)时,打底焊缝成形背面余高偏小(<1.5mm);当熔池前端偏移比率k值较大(k>36.9%)时,打底焊缝成形背面余高偏大(>3.0mm)。由此实现中厚板打底焊接单面焊双面成形焊缝背面尺寸调节。
  (4)MAG-TIG双电弧热源中厚板打底单面焊双面成形较单电弧焊接时液态熔池与背面成形更加稳定。其机制为:首先,由于两电弧间电磁场相互耦合效应,前端MAG电弧偏移振动,使得其部分电弧等离子热量直接加热熔池前方母材钝边处,熔池前端液态金属温度降低,表面张力升高,有利于熔池稳定。第二,后端TIG电弧再加热,改变了熔池温度分布状态,在电弧等离子体对液态金属剪切力和Marangoni对流效应共同作用下,使得前端液态金属向熔池后端流动,减少熔池前端液态金属重力作用。第三,前端MAG电弧偏移振动促进液态金属对流传热,使得熔池液态金属温度梯度减小,同时液态金属温度较低,其表面张力较大,有利于打底焊接单面焊双面成形熔池稳定与控制。
[硕士论文] 谭敏
冶金工程 湖南工业大学 2018(学位年度)
[博士论文] 李帅
材料连接技术 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:Al-Zn-Mg系合金为中等强度的时效强化型铝合金,具有较好的力学性能、抗腐蚀性能、热稳定性和焊接性能。目前关于Al-Zn-Mg系合金的研究主要集中于时效工艺规范优化和合金元素对其组织及性能的影响等方面,但关于焊接及热循环过程(热矫正和补焊)对Al-Zn-Mg系合金组织及性能影响的研究仍不够深入,尤其是Al-Zn-Mg系合金析出相在热循环作用下(焊接热循环、热矫正和补焊过程)的演变规律和作用机理,仍有待于深入研究。Al-Zn-Mg系合金结构中,熔化极惰性气体保护焊(Metal inter-gas welding,MIG)结构件比例高达90%。本文采用MIG焊方法将热处理状态为T5的Al4.5Zn1.5Mg合金和热处理状态为T4的Al4.8Zn1.2Mg合金进行焊接,系统研究了Al4.5Zn1.5Mg-T5/Al4.8Zn1.2Mg-T4铝合金MIG焊接头的断裂机制和腐蚀机理,深入探讨了热矫正和补焊过程对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金力学性能和腐蚀敏感性的影响规律,重点阐述了基体析出相、无沉淀析出带和晶界析出相转变对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金腐蚀敏感性的作用机制,为Al-Zn-Mg系合金的工程化应用提供了理论基础和科学依据。主要结论如下:
  (1)研究了Al4.5Zn1.5Mg-T5/Al4.8Zn1.2Mg-T4铝合金MIG焊接头的断裂机制和腐蚀机理。结果表明:由于气孔和夹杂物的存在,焊接接头断裂起源于Al4.8Zn1.2Mg-T4侧热影响区Ⅰ(Heat affected zoneⅠ,HAZⅠ)和焊缝交汇处,然后沿焊缝断裂,断裂机制为韧性断裂。焊接接头不同位置的腐蚀性能具有明显差异性,Al4.8Zn1.2Mg-T4侧的抗腐蚀性能最差,焊缝位置的抗腐蚀性能最好。焊接接头抗腐蚀性能不同,一方面是由于不同位置自身腐蚀性能的差异,即Al4.8Zn1.2Mg-T4侧扁长状晶粒更容易形成剥落腐蚀,而Al4.5Zn1.5Mg-T5侧和焊缝为等轴晶,不容易形成剥落腐蚀。另一方面在于接头不同位置间的电偶腐蚀效应:接头不同位置Zn、Mg和Cu元素含量和析出相体积分数的差异导致相应位置具有不同的腐蚀电位。Al4.8Zn1.2Mg-T4侧腐蚀电位较低,在电偶腐蚀中为阳极,优先腐蚀。
  (2)揭示了热矫正过程中淬火条件对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金力学性能和抗腐蚀性能的影响规律。结果表明:热矫正过程中,淬火条件对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金的抗拉强度影响很小,但是腐蚀性能降低。空冷条件下合金的抗腐蚀性能最差,而采用空冷5min然后水冷的方式,试样的抗腐蚀性能较好。
  (3)基于析出相转变规律,阐明了热矫正次数对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金性能的影响及腐蚀转变机理。结果表明:热矫正次数对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金抗拉强度的影响很小;随着热矫正次数增加,合金抗腐蚀性能逐渐降低。Al4.5Zn1.5Mg-T5合金腐蚀性能变化主要和晶界析出相转变以及溶质元素Zn和Mg从基体向晶界不断扩散有关。随着热矫正次数的增加,Zn和Mg元素以固溶体和GP区两种形式在晶界处聚集。GP区的电化学活性与晶界处的富Zn层相似,进而形成连续的腐蚀通道,使试样的抗腐蚀性能不断降低。
  (4)基于非平衡偏聚理论,揭示了不同热矫正次数下Al4.5Zn1.5Mg-T5合金腐蚀性能的转变机理。结果表明:热矫正过程中Zn和Mg分别与基体中空位形成复合体,向晶界处快速偏聚。由于三次热矫正过程Zn和Mg的等效恒温时间小于临界时间tc。因此,晶界处Zn和Mg元素含量随着热矫正次数的增加而增加,进而导致Al4.5Zn1.5Mg-T5合金的抗腐蚀性能逐渐降低。
  (5)探究了补焊对Al4.5Zn1.5Mg-T5/Al4.8Zn1.2Mg-T4铝合金MIG焊接头性能的影响。研究表明:补焊接头断裂于原始焊道和补焊焊道交汇处。补焊后焊接接头强度未发生明显变化,强度为280MPa。补焊导致接头不同位置的析出相发生变化,Zn和Mg元素向晶界处扩散,晶界与基体之间的腐蚀电位差进一步增加,导致焊缝两侧HAZI位置的抗腐蚀性能降低。
[博士论文] 张宇
材料物理与化学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:本文基于“团簇加连接原子”模型建立了镍基高温合金成分式,实施了对现有牌号合金的成分解析和性能分析,并进行了实验验证和性能预测。首先,通过分析现有成熟牌号合金成分,揭示了镍基高温合金的成分规律和发展趋势,提出了镍基单晶高温合金的理想模型和相应成分式。其次,借助镍基高温合金的成分式,确定了合金中键的种类和数量,并利用键焓表征键强,建立了承温能力与成分式之间的关联,并实现对承温能力的预测。最后,利用理想模型对第1代镍基单晶高温合金进行了实验验证,所设计合金的1000℃/219MPa持久寿命达到第1代单晶合金的平均水平,并且所设计合金的初熔温度在第1代单晶合金中处于较高水平。具体内容包括以下3方面:
  (1)基于“合金化元素与溶剂Ni”的混合焓,将合金化元素分为4类:1类Ni元素Ni(含Ni、Co、Fe、Re、Ru和Ir),与Ni呈弱混合焓,范围在-2~+2kJ/mol;2促进γ形成的类Cr元素(Cr)γ(含Cr、Mo和W),与Ni的混合焓在-7~-3kJ/mol;3促进γ'形成的类Cr元素(Cr)γ'(含Ti、V、Nb和Ta),与Ni的混合焓在-35~-18kJ/mol;4与Ni呈强负混合焓的主要合金化元素Al(-22kJ/mol)。基于元素分类,本文对272个广泛应用或具有代表性的典型镍基高温合金牌号进行成分分析,发现镍基高温合金落于狭窄的成分区间60~80at.%(Ni),对应连接原子个数为2~7。镍基高温合金的发展过程,就是在(Ni)-(Cr)γ二元体系基础上添加γ'形成元素(Al,(Cr)γ')的过程。定向凝固柱晶合金和单晶高温合金位于[(Al,(Cr)γ')1-(Ni)12](Al,(Cr)γ')1.5(C)rγx-1.5成分线。高代次单晶合金最终趋近于符合Friedel振荡和团簇共振模型的理想成分式[(Al,(Cr)γ')1-(Ni)12](Al,(Cr)γ')1.5(Cr)γ1.5=(Ni)75Al12.5(Cr)γ'9.375(Cr)γ3.125at.%。通过元素分类还可以获得γ'体积分数。
  (2)本文基于所获得的成分式,进而确定镍基高温合金中键的种类和数量。对于配位数为12的面心立方固溶体结构,属于每个原子的键为6个,因此含有x个连接原子的成分式有6×(13+x)个键,包括12个中心-壳层键、12x个连接-壳层键和(66-6x)个壳层-壳层键。利用键焓表征键强,本文发现,平均键焓可以反应承温能力的变化趋势,弱键键焓可以反映持久寿命的变化趋势。高承温能力和长持久寿命的高代次单晶合金同样指向理想成分式[Al-(Ni)12]Al1(Cr)γ'0.5(Cr)γ1.5。
  (3)本文基于镍基高温合金的理想模型[Al-(Ni)12]Al1(Cr)γ'0.5(Cr)γ1.5,结合已经实际应用的的第1代镍基单晶高温合金DD407(AM3)的成分,设计出3组(A组、B组和C组)团簇高温合金:A组合金成分式为[Al-Ni11Co1](Al1TaxTi0.5-xCr1Mo0.25W0.25),x=0、0.25和0.5,因此以Ta和Ti的质量分数命名,“0Ta-2.65Ti”、“4.82Ta-1.28Ti”和“9.32Ta-0Ti”;B组合金成分式为[Al-Ni12-yCoy](Al1Ti0.25Ta0.25Cr1Mo0.25W0.25),y=1.5、1.75、2和2.5,因此以Co的质量分数命名,“9.43Co”、“11Co”、“12.57Co”和“15.71Co”。C组合金成分式为[Al-Ni12-zCoz](Al1Ta0.25Ti0.25Cr1Mo0.25W0.25),z=1.25、2、2.5和3,还有[Al-Ni11Co1](Al1Ti0.5Cr1Mo0.25W0.25),命名为“7.86Co”、“12.57Co”、“15.71Co”、“18.85Co”和“0Ta-2.65Ti”。其中,7.86Co合金和12.57Co合金的1000℃/219MPa持久寿命超过DD407的46h,达到了第1代单晶合金的平均水平。同时,所有团簇高温合金的初熔温度在第1代单晶合金中处于较高水平,均超过Nasair100的初熔温度(1330℃)。A组合金中,Ta元素的增加(Ti元素的降低),合金的负错配度δ从-0.262%减小到-0.247%,但在900℃长期时效的过程中,合金的负错配度δ能够保持稳定,从而抑制γ'的粗化。同样,Ta增加(Ti降低),A组合金的1050℃/120MPa持久寿命呈现升高趋势。对于B组合金,Co元素的加入并不增加合金在900℃长期时效过程中γ'的粗化速率。因此B组合金在900℃长期时效的过程中,粗化速率与第3代镍基单晶高温合金处于同一数量级(10-5μm3/h)。此外,Co元素的加入减弱了原子间交互作用(混合焓和键焓),同时也降低了合金的1050℃/120MPa持久寿命。在1050℃/120MPa持久过程中,A组合金和B组合金的γ'均呈现N型筏化。对于C组合金,持久寿命同样可以用键焓表征。此外,在1100℃/137MPa持久实验和1000℃/219MPa持久实验中,C组合金的γ'呈现N型筏化。但在760℃/780MPa持久实验中,C组合金的γ'没有出现筏化。同时,C组合金的7.86Co合金和12.57Co合金的1000℃/219MPa持久寿命优于DD407。承温能力与平均键焓存在明显的对应关系,TTC(K)=-4071.852×Iave-1867.180,其中Iave为平均键焓(eV/bond),可以利用平均键焓对承温能力进行预测。成分式设计方法的确能够有效指导高温合金的研发。
[博士论文] 李航
材料加工工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:高强耐磨黄铜具有优良的机械性能和耐磨性能,可适应高负荷、高冲击、低润滑等恶劣的工作环境,通常用于制造耐磨机械零件,特别是汽车领域中的同步器齿环。目前,国产高强耐磨黄铜材料的使用性能与国外先进水平存在较大差距,本质问题在于对高强耐磨黄铜中硬质相的形成机理、生长机制以及在摩擦磨损过程中的作用机理缺乏深刻的认识,从而导致对硬质相的调控缺乏明确的方向和有效的手段。Mn5Si3和(Mn,Fe)5Si3是高强耐磨黄铜中重要的硬质相,是决定复杂锰黄铜具有优良耐磨性能的核心所在。为此,本论文以不同的复杂锰黄铜为对象研究了Mn5Si3和(Mn,Fe)5Si3硬质相的生长机制以及三维形貌演变,系统分析了硬质相的体积分数、尺寸和形貌对复杂锰黄铜力学性能和耐磨性能的影响机理,在此基础上研究了微量Sr的添加对HMn64-8-5-1.5黄铜组织和性能的影响。此外,选择HMn62-3-3-1和HMn64-8-5-1.5黄铜为对象,对凝固过程中初生和共晶硬质相的形成机理以及等温热处理时纳米尺寸的Mn5Si3相在β相基体中的析出机理进行了研究,并且进一步分析了细小且弥散均匀分布的Mn5Si3析出相对复杂锰黄铜力学性能和耐磨性能的影响。主要取得了以下的研究结果:
  (1)通过萃取法和深腐蚀法系统观察了不同复杂锰黄铜凝固组织中硬质相的三维形貌,结合晶体结构分析揭示了硬质相的生长机制。复杂锰黄铜含有少量的Fe时会同时形成(Mn,Fe)5Si3和Mn5Si3硬质相,拥有相同的晶体结构,在本论文中统称为[Mn(Fe)]5Si3相。D88型复杂六方结构的[Mn(Fe)]5Si3硬质相择优生长方向为<0001>和<11(2)0>,且<0001>的生长速度大于<11(2)0>,晶体倾向以小平面方式生长为长六棱柱形貌。在生长过程中由于受到溶质扩散动力学和溶质在晶面吸附动力学的影响,在粗大的初生[Mn(Fe)]5Si3相颗粒上会形成棱柱内部孔洞以及侧面凹陷。
  (2)在复杂锰黄铜的凝固过程中初生[Mn(Fe)]5Si3相在熔体中形核,随着熔体温度的降低初生[Mn(Fe)]5Si3相发生长大。复杂锰黄铜在高温下等温热处理时β相基体中可以形成纳米尺寸的Mn5Si3析出相。Mn5Si3析出相和β相基体存在共格界面关系时具有如下晶体学位向关系:(110)β//(1(1)00)Mn5Si3和[(1)11]β//[11(22)]Mn5Si3。细小的Mn5Si3析出颗粒密集且弥散均匀地分布在基体中可以显著提高复杂锰黄铜的耐磨性能。
  (3)复杂锰黄铜的强化机理主要是基体向[Mn(Fe)]5Si3硬质相颗粒的载荷传递,其次是细晶强化。随着[Mn(Fe)]5Si3含量的升高,复杂锰黄铜的硬度和强度提高,断裂方式由韧性断裂转变为准解理和解理断裂。当[Mn(Fe)]5Si3含量较高时,粗大且高长径比的初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒上存在大尺寸的孔洞,具有严重的裂纹形成倾向,导致复杂锰黄铜的抗拉强度提升有限而塑性却严重下降。
  (4)在高载荷作用下复杂锰黄铜的耐磨性能受到[Mn(Fe)]5Si3硬质相尺寸和形貌的显著影响。粗大且高长径比的初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒包含明显的孔洞和凹陷,会促使磨损亚表层中形成严重的裂纹从而大幅降低复杂锰黄铜的耐磨性能。此外,发现细小的初生和共晶[Mn(Fe)]5Si3颗粒的适当结合可以有效抑制裂纹的形成,使得复杂锰黄铜具有优良的耐磨性能。
  (5)加入微量的Sr后HMn64-8-5-1.5黄铜的晶粒细化,初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒的数量增多,并且六棱柱颗粒的直径和长径比减小,棱柱内部孔洞和侧面凹陷的尺寸减小。含有适量的Sr时黄铜的硬度和强度提高,初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒的裂纹形成倾向降低,所以耐磨性能显著提高。Sr含量为0.15wt.%时HMn64-8-5-1.5黄铜的力学性能和耐磨性能均达到最佳。
[博士论文] 孙扬帆
机械制造及其自动化 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:复杂曲面零件在航空航天、军工、汽车、医疗等重要领域有着广泛的应用。复杂曲面的高速高精加工是各国高端制造能力的体现,是数字化加工的技术前沿。随着计算机技术的发展,各类CAM/CNC技术为多轴复杂曲面加工提供了技术支撑。然而当前主流的数控软件系统之间的运作模式仍然存在着不少缺陷,现有加工流程机制上并不合理,阻碍了加工质量和效率的提升。尤其在五轴曲面加工中,CAM系统和CNC系统之间运行相对独立,通常在CAM中以静态标准生成刀具路径文件,CNC系统只能接收既有刀路文件实现插补加工。事实上,在五轴机床曲面加工中,刀路的形貌和工件的安装位置的因素都会影响插补进给速度曲线,进而影响加工效率。然而现有曲面加工流程中,由于缺少CNC系统到CAM系统的信息反向互通机制,导致CNC下游的信息无法传递回上游,CAM无法修改或优化既有代码。本论文在积极借鉴已有研究成果的前提下,从当前曲面加工机制的不足出发,提出了从CNC系统到CAM系统的逆向反馈机制,通过传递下游插补速度规划评价的信息,辅助上游系统优化修改刀具路径,提升加工效率,充分发挥机床性能。
  论文的主要研究内容成果归纳如下:
  首先,针对当前CAM/CNC系统之间运行相对独立的问题,提出了衔接CAM/CNC系统的逆向反馈机制,拟打破传统CAM系统和CNC系统之间的单向信息流,建立从CNC系统到CAM系统的双向信息传递通道,将下游插补层的速度规划信息反馈给上游的CAM系统。CAM系统通过分析反馈信息,调整局部刀路或者更改刀路生成策略,最终通过逆向反馈机制的选择评价功能选择一组效率最优刀路生成。
  在衔接CAM/CNC系统时,刀路效率是重要的评价指标,而速度规划方法是效率评价的基础。针对当前多数速度规划方法没有考虑各轴动力学极限的问题,提出了满足机床动力学性能约束的进给速度规划方法,规划匹配伺服控制机电特性的进给速度曲线,提高进给系统的平稳性。该方法首先基于机床动力学模型,将刀路轨迹姿态分解到各轴上,获取各运动轴在进给过程中的位移曲线。考虑各轴的动力学特性(速度、加速度、加加速度等)极限值,结合位移曲线求解进给速度可行域。根据刀路弧长在进给速度可行域中对应的名义进给速度,通过样条曲线逼近可行域边界曲线,获得满足机床性能的效率最优进给曲线。该方法可确保进给速度曲线达到低阶连续的情况下,严格保证各轴速度曲线分量达到各轴动力学性能所要求的高阶连续,使速度指令不会超过伺服轴饱和极限,以提高伺服跟踪性能,确保加工过程平稳性。
  进而,针对三轴加工中刀路形貌对速度规划的影响问题,提出了基于低速敏感区域逆向反馈的三轴刀路规划方法。首先通过预插补获取待加工曲面上的低速敏感区域,CAM系统根据低速敏感区域局部调整刀路轨迹。最后,系统对不同的调整方案下的整体加工时间进行评估,选择效率最优的刀路生成方案。该方法首先根据加工残高要求,在曲面表面建立起满足加工精度的限残高网格。然后基于曲面几何属性,通过满足机床动力学性能约束的进给速度规划方法求出限残高网格节点上的名义进给速度,同时在参数域上搜寻到低速区域。最后用最小包络矩形将相邻的低速点包络起来,所得到的区域即低速敏感区域。加工刀路将根据速敏感区域进行规划调整。此过程反复迭代优化,直到刀路加工效率性能实现最优或者满足预设要求,然后将优化后的刀路发送给实时插补模块。
  将逆向反馈机制应用从三轴曲面加工拓展至五轴曲面加工,针对五轴曲面加工中等残高路径既定前提下刀具姿角对进给速度规划的限制问题,提出了基于C-Space空间映射反馈的五轴曲面路径刀具姿角优化方法。该方法首先在曲面上生成等残高加工路径。根据刀路轨迹和曲面几何属性获得刀具进给时的姿态变化,并将刀具姿态映射到C-Space空间中。通过对原始刀路进行速度规划,找到C-Space曲线上相应的低速区域,以此为反馈信息传递给CAM系统。CAM系统通过修改优化C-Space曲线优化刀具位姿。最后反算修改后的刀位点信息,重新规划速度曲线,提升加工效率。
  进而,针对五轴曲面加工中旋转轴在大曲率区域对进给速度曲线的干扰问题,提出了旋转位移敏感特征钳制下的五轴刀路反馈优化,生成符合机床运动特性的五轴加工刀路轨迹。该方法首先在曲面参数域建立等参数网格,将旋转轴在曲面上的位移与等参数网格建立起映射关系,从而将曲面参数域划分成若干子区域。子区域的轮廓将作为反馈信息传递给CAM系统。刀路规划阶段,在同一子区域内可以采用合适的策略进行刀路规划,以提升加工效率。
  最后,基于逆向反馈机制生成的曲面优化刀路,设计了机加工验证实验。首先通过实验比较工件安装位置对加工效率的影响,进而对比静态标准刀路文件与通过逆向反馈机制优化后的刀路文件在实际加工中的效率差异,验证了逆向反馈机制的合理性和有效性。
[博士论文] 郑月红
材料物理与化学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:铜及铜合金由于具备良好的导电、导热和加工性能等优点,在诸多领域广泛应用,但其在实际应用中还存在着稳定性差的问题,例如易与介质材料发生互扩散,易氧化,铜氮化合物易分解导致不能氮化等。解决这类问题常用的方法是进行合金化,但大多数能改善铜合金稳定性的元素在铜中的固溶度都极低,单独添加这类元素很难实现完全固溶或者弥散析出。为了克服这个问题,本论文引入稳定固溶体团簇模型,以团簇比例的方式添加合金化元素,再根据铜合金服役环境所要求的稳定性,合理控制合金化元素的添加总量,最终设计制备了系列高稳定性的铜合金。论文主要结论如下:
  1、基于稳定固溶体团簇模型设计合金成分,利用团簇原子之间的强相互作用,可将难溶元素带入到基体晶格中,实现难溶元素的完全固溶。本文针对互连结构中铜易与介质材料发生互扩散的问题,以该模型为指导,在充分考虑添加元素可形成的团簇种类、混合焓、原子尺寸、电子浓度等因素后,选择了与Cu能无限互溶的Ni作为第二组元,Fe、Cr、V、Mo、Ti、Nb、Ta、Sn和Zr等九种元素作为第三组元M,设计并制备了硅基无扩散阻挡层Cu-Ni-M薄膜,通过Ni与M之间的强相互作用,将这类难溶于铜或在铜中易扩散的阻挡元素带入到了铜晶格中。实验结果表明,Cu-Ni-M薄膜的稳定性与M的原子半径、价电子数以及扩散性能相关,除M为Fe的系统,其他系统都能以较少的合金元素添加量实现铜合金薄膜稳定性的提高,抑制了界面的Cu-Si互扩散,同时获得了较低的低电阻率。实验和热力学计算结果也表明,薄膜退火后的稳定性、电阻率与团簇比例有直接关系,在M/Ni比为理想团簇比例1/12附近时,体系的吉布斯自由能变化最低,能够获得最好的稳定性。
  2、采用稳定固溶体团簇模型为指导设计合金成分时,调整合金化元素的添加比例可有效控制其在合金中的固溶和析出,同时利用团簇原子间的强相互作用,可实现难溶元素在基体中的弥散分布。基于该模型设计制备的高稳定性抗氧化Cu-Ni-Cr(Cr+Fe)系列合金中,调整Cr(Cr+Fe)/Ni的比例,有效控制了抗氧化元素的固溶和析出,且通过Cr(Cr+Fe)与Ni之间的强相互作用,实现了抗氧化元素在基体中的弥散分布。抗高温氧化实验结果表明,析出相氧化物的生长形态会明显影响合金的抗氧化性能,其中Cu-Ni-Cr合金的抗氧化能力主要与外氧化层中是否形成连续的Cr氧化层有关,而合金中弥散析出的Cr有利于连续氧化层的形成;Cu-Ni-(Cr+Fe)合金中,Fe与Cr相比较,不能够起到优先氧化的作用,且析出相氧化物呈现垂直于基体生长的柱状结构,形成很多的氧气扩散通道,导致其抗氧化性能急剧下降。
  3、稳定固溶体团簇模型可实现多组元合金化元素的固溶和析出,将其进一步扩展到高稳定性可氮化铜合金的设计方面,利用元素间的相互作用,使亲氮元素优先于铜与氮反应生成稳定氮化物,有效回避了铜氮化合物易分解的问题,初步解决铜不能氮化的问题。首先通过含氮铜合金薄膜的制备和分析确认,弥散分布的Cr、Zr和Ti等亲氮元素与N之间的强相互作用,能够使N以Cr2N,Zr2N,TiN和Ti2N等化合物的形式稳定存在于铜合金薄膜中,进而提高了薄膜的硬度和稳定性;进一步在块体可氮化合金的设计中引入模型,选择Cr作为第三组元、能同时溶于Cu和Cr的Al元素作为第二组元,设计制备了可氮化Cu-Al-Cr合金,其中Al与Cr之间的强相互作用,能使亲氮元素Cr弥散分布于铜中,同时调整Cr/Al比例,也可以控制亲氮元素析出含量和尺寸。合金经等离子体渗氮后,由于N与析出元素的强相互作用,合金表面优先生成稳定的高硬度的氮化物,从而提高铜合金表面硬度和耐磨性。
[博士论文] 黄伟迪
机械制造及其自动化 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:论文依托国家自然科学基金项目:《数控机床高速电主轴的不确定非参数动力学建模与动态预测》(11172260),对高速电主轴的动力学建模和振动特性开展了分析研究。论文结合了典型故障与不确定性,建立了高速电主轴动力学模型,研究了一种面向旋转机械的不确定非参数建模方法;在通过理论与数值方面研究高速电主轴振动的动态演化规律的同时,利用和发展非线性时间序列分析和相空间重构方法,将一维时间序列信号重构到高维相空间,进一步分析杂乱振动信号在重构后的高维相空间中的不同拓扑流形结构,对杂乱振动信号进行识别和分类,并开展了相应实验验证。
  论文的主要研究工作以及章节安排包括:
  第一章:分析了高速电主轴动力学建模方法及特性分析的研究意义与作用。综述了电主轴动力学建模方法、不确定非参数建模方法以及振动信号特征提取方法的研究现状,归纳出现有研究尚存问题,进而提出了本文的研究内容。
  第二章:针对高速电主轴角接触球轴承高转速的特点,建立角接触球轴承的拟静力学模型,分析径向力与电主轴转速对轴承滚珠与轴承沟道的接触角、接触力的影响;根据轴承与滚珠的受力平衡条件,研究角接触球轴承刚度受电主轴转速与预紧力的影响;基于Timoshenko梁理论,建立轴承-主轴的有限元模型,分析角接触球轴承不同预紧力对电主轴临界转速的影响。
  第三章:分别建立了电主轴球轴承非光滑接触力、转子偏心导致的不平衡磁拉力和滚动轴承表面缺陷故障模型。基于电主轴有限元模型,通过计算不同转速、轴承游隙和初始偏心距下电主轴振动响应的分岔图和故障轴承的振动响应,详细分析了电主轴受球轴承Hertz接触力与不平衡磁拉力作用而产生的丰富动力学现象,并讨论了滚动轴承故障特征。
  第四章:建立了高速电主轴系统的随机不确定非参数模型,其中考虑了轴承接触力、不平衡磁拉力和外部有界噪声激励对电主轴振动特性的影响。基于蒙特·卡罗模拟方法,通过数值实例研究了模型不确定性和外部有界噪声激励对电主轴涡动频率和振动响应分岔等行为的影响。
  第五章:应用相空间重构技术将电主轴的一维振动信号重构到高维相空间中,通过比较重构后确定性系统和不确定性系统的相空间轨迹来识别振动信号中的不确定性的影响。针对滚动轴承故障,基于相空间重构技术提出了一种向量夹角的故障分类方法,通过数值模拟与实验验证,验证了该方法的有效性。
  第六章总结了本文研究的主要结论,并对今后的研究工作进行了展望。
[博士论文] 姜慧
材料加工工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:高熵合金打破了传统合金的设计理念,是以多种主要元素组成的一类新型合金。高熵合金多元素的协同作用使其具有许多优异的性能,如高的强度/硬度、良好的耐磨性、好的耐腐蚀性、高的低温韧性等,因而具有广阔的工业应用前景。然而以固溶体为主要结构的高熵合金,铸造流动性较差,难以补缩,大体积铸锭的宏观和微观偏析严重,不利于高熵合金的规模化工业应用。而共晶高熵合金可同时具有高熵合金和共晶合金的特性,因而具有重要的经济价值和理论研究意义。
  本文基于二元合金相图提出了设计共晶高熵合金成分的等比例混合方法,并设计了CoFeNi(Cr)-M(M=Nb、Ta、Zr、Hf、Al)系列共晶高熵合金。本文主要以上述合金为研究对象,通过各种测试分析方法,系统地研究了合金的成分、组织结构及力学性能。本文主要结论如下:
  (1)提出了共晶高熵合金成分设计方法:首先通过二元合金相图获得形成共晶合金的成分,再将二元共晶成分按照等比例混合得到不同组元共晶合金成分,这一方法在FeNiNb0.35三元共晶合金、CoFeNiNb0.5四元共晶合金以及(CoCrFeNi)Mx(M=Nb、Ta、Zr、Hf)五元共晶合金中都比较适用,该方法为多主元共晶高熵合金的成分设计提供了新途径。
  (2)将二元共晶等比例混合方法应用在(CoCrFeNi)Mx(M=Nb、Ta、Zr、Hf)合金系中,并成功设计出CoCrFeNiNb0.45、CoCrFeNiTa0.4、CoCrFeNiZr0.55、CoCrFeNiHf0.4共晶高熵合金成分,其组织由FCC+Laves两相细小层片共晶胞形貌构成。其中,CoCrFeNiNb0.45和CoCrFeNiTa0.4共晶高熵合金展现了最优的综合力学性能。CoCrFeNiTa0.4共晶高熵合金高的强度主要来源于四种强化机制中的Laves第二相强化和Hall-Petch强化。
  (3)设计并通过直接凝固法制备出了具有均匀超细组织(层片宽度约200nm)的大尺寸CoCrFeNiNb0.45共晶高熵合金。该合金展现了优异的抗高温软化性能:1100℃退火后合金硬度(479HV)相比于铸态(515HV)仅仅降低7%;700℃压缩条件下,合金的压缩强度、屈服强度和断裂应变分别为1082MPa、843MPa、28%。
  (4)选用高强度、高耐磨性的CoCrFeNiNbx(x=0.45、0.5、0.75、1.0)共晶及过共晶合金用激光熔覆制备成合金涂层,涂层微观组织由亚共晶(x=0.45、0.5)转变为过共晶(x=0.75、1.0)。其中,CoCrFeNiNb1.0合金涂层硬度值为590HV,相当于基体硬度的2.8倍。在相同磨损条件下,CoCrFeNiNb1.0高熵合金涂层具有最优的耐磨性能。
  (5)设计并制备了具有有序FCC与B2双相结构的CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金,该合金展现了良好的力学性能:室温拉伸屈服强度为559MPa,断裂强度为1005MPa,延伸率为6.2%;600℃高温拉伸断裂强度为706MPa,延伸率为26.4%。且大尺寸CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金展现了潜在的工业化应用前景。
  (6)通过透射电镜观察CoFeNi2Al0.9共晶高熵合金中不同变形阶段的亚结构形貌,结果发现:FCC相中亚结构的演变是由平直位错转变为弯曲位错、高密度位错堆积、位错网,再转变为位错墙、Taylor晶格;B2相中亚结构的演变是由少量短位错向大量平直位错形貌。
[博士论文] 付有志
机械制造及其自动化 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:高端装备制造的关键之一是其高性能零部件的制造,此类零部件多具有复杂曲面结构、难加工材料和极端服役工况等技术需求,其功能表面的表面质量对使役性能和服役寿命影响极其重大。某发动机叶片和大型挤压造粒机螺杆元件为此类零部件的典型代表,在经过数控铣削或精密铸造等近净成形加工后需要配以合适的光整加工技术提升表面质量以满足其使役性能要求,而手动抛光、振动光饰和数控砂带磨削等技术存在加工效率低,加工可达性较差或成本较高等不足,因此,高效高质且低成本的光整加工技术是缩短此类零部件的研制周期和延长服役寿命的重要保证。
  磨料流加工是一种将半固着磨料介质往复挤压滑擦复杂表面以提高表面质量的非传统光整加工技术,具有较高的加工可达性,在复杂零部件的光整加工中显露出广阔的应用前景。本论文围绕高性能零件复杂曲面的高效高质光整加工需求,针对磨料流加工边缘效应导致表面加工质量降低的难题,基于粘性磨料介质幂律本构表征,建立了约束流道内磨料介质挤压流场仿真力学模型,揭示了磨料流加工边缘效应的成因,提出了基于模具约束形面和引流段结构反求设计的全表面分区调控削减边缘效应的调控原理与策略,探索了磨料流加工实现精准磨抛的技术途径,通过对某发动机叶片和造粒机螺杆元件样件进行应用试验,验证了该技术的可行性,主要研究内容及结果如下:
  (1)采用频率扫描法测试了不同组分和使用时间的磨料介质储能模量和耗能模量,根据Cox-Merz定律获得介质稳态剪切粘度,并预测了磨料介质FC024045M的稳态剪切粘度值,建立了磨料介质幂律本构模型,表征了粘性磨料介质的流变特性,为粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型提供应力和剪切速率间的关联式;
  (2)基于连续介质力学假设,结合非牛顿流体基本理论和所建立的磨料介质幂律本构方程,构建了粘性磨料介质挤压流场仿真力学模型;搭建了磨料流加工表面近壁区压力测试平台,对比研究了矩形约束流道内仿真压力和实测压力的对应关系,结果表明所建立的挤压流场仿真力学模型的模拟结果与试验结果吻合较好,说明该模型能够较为准确地模拟磨料流加工约束流道内的流场分布;
  (3)建立了磨粒群在流场约束下的磨料流加工材料去除分布函数模型,结合流场仿真给出了加工表面近壁区流场p*v分布的计算流程,提出了磨料流加工全表面形貌预测的简化算式,以此为基础,揭示了磨料流加工边缘效应的成因,并阐明了磨料流加工工艺参数对边缘效应的影响规律;
  (4)根据磨料流加工边缘效应的分布特点,提出了基于模具约束形面和引流段结构分区调控削减边缘效应的策略,以整体叶盘模拟件为研究对象,提出了全表面磨料流均匀化加工的调控方法,通过试验验证,工件表面粗糙度由Ra0.51μm降至Ra0.14μm,且粗糙度均匀性由0.098提升至0.029,边缘和中心抛光纹理一致;此外,研究了表面纹理对磨料流加工特性的影响规律,提出了基于表面多尺度纹理特征的磨料粒度匹配选择方法,以缩短加工时间,进一步削减边缘效应对表面加工质量的影响;
  (5)利用等截面法测量了某发动机叶片磨料流加工前后的廓形,结合流场仿真和所建立的表面形貌预测计算式,反求设计了实现叶片表面流场均匀分布的模具约束形面和引流段结构,提出了基于颗粒增强环氧树脂混合物的磨料流加工模具复印反求制造新工艺,基于发动机叶片表面多尺度纹理特征分析,并结合试验优选出高效光整加工的工艺参数,试验结果表明:抛光后叶片表面粗糙度由Ra0.81μm降至Ra0.17μm,粗糙度均匀性由0.062提升至0.021;叶盆、叶背、前缘和后缘的最大材料去除量分别由流场调控前的0.068mm、0.098mm、0.12mm和0.29mm降至0.010mm、0.017mm、0.062mm和0.11mm,显著改善了叶片轮廓抛光的均匀性;
  (6)以大型挤压造粒机的输送螺杆元件为研究对象,结合流场仿真分析了螺杆棱边过抛和进出口欠抛的成因,设计了具有引流段和局部约束增强的螺杆元件磨料流加工专用模具,试验结果表明:抛光后输送螺杆螺槽面平均表面粗糙度由初始Ra10.5μm降至Ra0.45μm,粗糙度均匀性由1.057提升至0.014,螺杆最小直径一致性提高,且相对于企业砂带磨削,抛光效率显著提高。
  本论文探究工作取得的磨料流加工边缘效应调控理论及其实现方法等成果,不仅成功用于某发动机叶片和造粒机螺杆元件的复杂曲面高效高质光整加工,而且也为相关高性能复杂曲面零件的光整加工提供了一种新的技术途径。
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