铁基合金功能表面耦合仿生激光制造工艺规律与关键技术研究

发布时间：2018-02-15 02:39

本文关键词： 仿生制造激光成型耦合体工艺参数回归模型数据库　出处：《吉林大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：仿生制造作为融合传统制造与生命（物）、信息、材料科学的交叉学科，是机械领域备受关注并亟待发展的制造理论方法和技术。其未来发展方向之一，是实现仿生产品在生产制造中的流程化、自动化和智能化。迄今为止，一些仿生产品，如仿生制动毂（盘）、仿生机床导轨、仿生模具、仿生齿轮等，其增效、耐用技术研究已取得较大突破，急需与现代先进制造技术融合，从而加快仿生制造的产业化进程。激光加工作为仿生制造手段之一，能很好地实现机械零部件表面仿生功能单元成型和成性制造的目标。通过激光与材料的相互作用，使材料产生局部相变、熔凝、气化等等，进而在金属表面制备具有一定形貌、结构、力学等多因素耦合特征的单元体（简称耦合体）。由于激光工艺参数及其组合的多样性，使得仿生耦合体成型与成性结果也呈现多样性特征，从而使仿生制造的控制面临较大难题。针对耦合体的几何形态、物理结构、力学性能等仿生要素进行选择性制造，可形成一套面向典型机械零部件构建仿生耦合功能表面的自动化技术，从而拓宽激光仿生制造的方法，拓展激光技术的应用范围，为提升仿生制造水平和制造效率提供新的支撑。实现仿生产品激光制造的技术关键是对工艺参数的选择。在利用激光进行仿生制造的过程中，往往需频繁进行基础、优化和评价试验，不仅增加了制造成本，而且延缓了新产品开发的进程。针对若干仿生产品基础材料，建立激光工艺参数与仿生耦合体多因素特征制造的回归模型，开展仿生功能表面激光成型和成性的控制研究，进一步开发集工艺参数查询、成型与成性结果预测、多目标优化功能的数据库系统，具有重要的研究意义和经济、社会综合效益。本论文基于模具、制动毂（盘）、机床导轨等仿生产品常用的45钢、H13钢和灰铸铁母体材料，对激光制造仿生功能表面的形态特征、结构特征及力学特征进行了数字化描述，并结合激光加工工艺过程，归纳提取了影响这些因素特征的显著工艺参数。利用试验设计和统计分析方法，系统地建立了桩钉型、堤坝型仿生耦合体形态、结构、硬度以及仿生整体表面拉伸强度与脉冲能量、平均峰值功率、脉宽、离焦量、扫描速度等激光工艺参数和耦合体分布参数的回归模型；通过统计检验和试验检验方法，验证了上述模型的可靠性。基于建立的模型及其数据分析，揭示了各工艺参数及其交互作用对仿生耦合体/功能表面特征的影响规律。研究表明，对仿生耦合体结构特征有显著影响的激光参数为：平均峰值功率、脉宽和离焦量。增大平均峰值功率和（或）降低离焦量可加速等温面的传播速度，而增大脉宽可延长等温面向母体传播的时间，从而有利于大结构深度仿生耦合体的制取。桩钉型仿生耦合体形貌特征是工艺参数、熔池表面张力、金属相变以及气化压力协同作用的结果。母体材料内活性元素S含量超过一定值后，在一定温度范围内，可改变表面张力温度系数的正负，从而使耦合体呈现多样性的形貌特征。当功率密度较小时，成型耦合体可获得中间凸起而周围下凹的表面形貌，而增大功率密度或脉宽，可使耦合体形貌呈现为中间下凹而两侧凸起。平均峰值功率、脉宽和扫描速度对耦合体平均硬度均有显著影响，且随着工艺参数取值范围不同，耦合体平均硬度的变化趋势有所不同。对于桩钉型耦合体而言，功率密度越大，耦合体平均硬度越大；而对于堤坝型耦合体，扫描速度越小，平均峰值功率和脉宽越大，耦合体的平均硬度则越小。由于搭接的存在，堤坝型耦合体在激光制备过程中产生重熔和回火，从而使平均硬度低于桩钉型耦合体。工艺参数对仿生表面拉伸性能的影响与耦合体成型质量密切相关。在一定参数范围内，能量、脉宽的增大以及间距的减小可提高仿生表面的抗拉强度，而当参数超过一定范围后，由于加工缺陷的累积作用，使仿生表面的强度降低。以局部参数的精确选择与成型质量控制为例，提出了仿生耦合功能表面成型的局部参数协同控制策略。通过引入形貌搭接系数和中间函数，在既定平均峰值功率、脉宽和离焦量下，既可根据任意搭接率进行局部工艺参数的匹配，也可实现仿生表面形态特征的精确控制。针对仿生耦合功能表面/耦合体脉冲激光制造工艺，进行数据库建模。运用E-R模型对工艺数据库进行概念设计，避免了因直接设计易于产生的遗漏问题；根据工艺参数和材料因素对仿生耦合体/功能表面特征的影响规律，确定数据模型的约束问题，从而保证了模型的合理性和规范性。基于建立的数据库，并结合仿生耦合体制备中工艺参数选取的实际问题，开发了基于精度要求的工艺参数检索应用程序，避免了工艺参数精确查询出现的查不到数据的现象，保证了数据库中数据的有效利用；利用建立的仿生耦合体/功能表面特征参量与工艺参数回归模型，开发了工艺参数成型与成性结果预测及多目标优化的应用程序，可有效节约仿生产品研发的试验成本，缩短研发周期，为流程化、智能化仿生制造的实现奠定基础。全文共分八章。第一章阐述了激光仿生功能表面制备的研究背景、现状，以及常用的试验设计与建模方法；第二章针对激光制造仿生耦合功能表面特征进行数字化描述，，介绍了仿生耦合体/功能表面特征参量的评价方法；第三章针对桩钉型仿生耦合体进行形貌、结构特征的建模研究，并讨论工艺参数对耦合体特征参量的影响规律；第四章针对堤坝型耦合体进行形貌、结构特征建模研究，分析工艺参数对耦合体特征参量的影响；第五章针对仿生耦合体平均硬度以及仿生表面拉伸强度进行建模研究和特征指标影响规律分析；第六章以局部参数的精确选择与成型质量控制为例，提出了仿生耦合功能表面激光成型工艺参数匹配策略；第七章针对仿生耦合功能表面激光制造工艺参数数据库进行设计，提出了数据库系统工艺参数查询功能、成型与成性结果预测功能以及多特征指标优化功能的设计原则；第八章为全文的总结。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB17;TG665

【参考文献】