金属微粉体脉冲输送的微特性实验

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了金属微粉体(作为流体)脉冲输送微特性的实验,以解决激光金属粉体融覆沉积工艺中微粉体的精确稳定输送问题.建立了金属微粉体脉冲输送系统;以角形铬粉为实验材料,实验研究了驱动电压U、频率f、微喷嘴内径d、输送角度θ等4种系统参量对铬粉脉冲输送微特性(粉...     

高强镀锌钢激光填粉焊接的粉末输送研究

激光填粉焊接是一种高柔性化焊接加工技术,能有效降低激光焊接装配精度。使用自行开发的侧向送粉装置,基于粉末分布密度与图像灰度的相关性,测量分析粉束截面的粉末分布密度和粉末输送的有效性,并开展高强镀锌钢光纤激光填粉焊接的焊接工艺性及接头性能的研究。结果表明,粉末落点是决定粉末利用率的关键因素。以45°侧向送粉时,有效输送率最高的粉末落点为–1.75 mm。粉末落点过于靠近或远离激光束时均不利于金属粉末有效熔入熔池。粉末落点为–4 mm时,粉末利用率最高。焊缝中心铜的质量分数随着送粉速度的降低而线性减小。填充粉末能明显提高焊缝表面质量,细化热影响区晶粒,提高焊缝组织性能,同时提高了激光焊接间隙裕度,降低工件对激光焊接装配精度的要求。     

微米级球形金属粉体的稳定脉冲微输送

针对激光熔覆或3D微打印等金属零件先进制造技术对稳定微量输送金属粉体的要求,分析了微米尺度金属粉体脉冲输送机理。为提高金属粉体脉冲输送分辨率和输送稳定性,设计了余弦修圆波形、正弦修圆波形和正弦余弦组合修圆波形作为压电致动器的驱动电压波形。对平均粒径为100μm的均匀球形TC4钛合金粉体进行了脉冲微输送实验。实验结果表明:余弦修圆波形使粉体做"前进"运动,正弦修圆波形使粉体做"后退"运动;分散态粉体单颗稳定输送达粉体总量的90%,密集态粉体脉冲微输送过程中密实度可控,粉体微输送过程稳定,无结拱现象发生。本文的研究结果也可为其它微米尺度材料或其他形状粉体的脉冲微输送提供参考。     

数字微阵列点样喷头试验研究

利用压电陶瓷驱动器产生的低频微振动，实现了连续微流体的均匀离散和喷射。在试验所用的低频范围内(1～10Hz)，点样系统能够对每个驱动脉冲作出响应，具有数字可控性。通过疏水化处理技术消除微喷嘴的“流挂”现象，实现了微喷射量可控。微振动可以有效地消除微小颗粒可能对微喷嘴造成的堵塞，提高了点样喷头工作的可靠性。驱动频率对液滴直径有显著的影响。可以通过改变频率高低和微喷嘴内径大小实现皮升(pL)级点样喷射。     

微流体离散点样技术

提出一种制作高密度DNA微阵列的非接触式点样新方法。压电陶瓷低频微振动使得微流体产生均匀的离散和喷射；对微喷嘴内壁进行疏水化处理，从而消除微流体由于湿润作用在微喷嘴内部的自发性流动，使得微喷射具有数字化量可控的特征。通过微流体粘度控制、微喷射速度和微喷射距离的控制消除样点缺陷，获得了均匀的点样样点。通过微喷嘴几何尺寸控制和驱动频率控制获得从飞升到皮升级样点体积，可以用于制作高密度的微阵列。惯性力在微米尺度下仍然起主导作用，可以驱动微流体中微粒的移动，消除微喷嘴堵塞现象。     

ZCAST直接金属铸造技术在弯管上的应用

针对美国Z Corp公司生产的快速原型ZCAST粉末价格昂贵的问题,采用自配制的质量百分比为4∶6的400目石膏粉ZP102和200目氧化铝粉的混合粉末,以弯管为研究对象,使用快速成型机成功打印出其模具零件,烘干、固化处理后,按照ZCAST技术的工艺流程,浇注700℃左右的铝合金溶液,成功铸造出弯管。结果表明:采用自配制的质量百分比4∶6的400目石膏粉ZP102和200目氧化铝粉的混合粉末,按照ZCAST直接金属铸造技术工艺流程能够成型快速原型件,还可实现浇注金属液成型出金属件的目的,同时打印原材料成本降低了50%。     

基于Fluent的金属粉末气体输送喷嘴结构设计及优化

为设计一种适用于小型激光修复设备的金属粉末同轴输送喷嘴,构建了以中心锥形腔体激光通路和环绕腔体均布的四条流体通道组成的喷嘴基本结构。由于输送流体为气固混合物,为保证流体在喷嘴内流动的稳定性和流出喷嘴后流体的汇聚性,将喷嘴划分为流体引入段和流体汇聚段两部分。引入段可以防止流体在喷嘴内流动紊乱且对进入喷嘴内的流体起到稳流作用;汇聚段接收来自引入段的流体并实现流体汇聚功能。综合以上设计,使用Fluent模拟该种喷嘴结构下的流体流动状态。以流体的汇聚焦距和粉斑直径、汇聚点浓度为参考指标,考虑流动稳定性和汇聚性。对影响流体流动因素的引入段倾斜角度、汇聚段轴线倾角和流体通道壁面夹角几种因素进行分析,最终获得具有良好性能的喷嘴结构,本研究可为应用于不同场合的喷嘴设计提供参考。     

微流体数字化技术制备基因芯片微阵列

采用以脉冲为微流动基本形态、脉冲当地惯性力为主动力的微流体数字化技术进行了基因芯片微阵列制备实验.在搭建的基于微流体数字化技术的基因芯片微阵列制备系统上,实验验证了脉冲点样系统参量(收敛角2θ、微喷嘴内径d、电压幅值U和驱动频率f)对样点直径和脉冲点样稳定性的影响规律.以实验规律为依据,提出了制备样点直径约为100 μ...     

激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制

针对现有光外送粉宽带熔覆中金属粉末受热不均匀、光粉同轴耦合精度不高的问题,设计了一种光内送粉激光熔覆喷头。送粉装置位于激光熔覆喷头内部,四周被激光束包裹。为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀,粉末速度方向始终垂直于熔池,设计了一种分粉流道;应用FLUENT软件对粉束发散情况进行了数值分析,确定了出口粉管的间距尺寸;应用FLUENT软件对粉管内部流场进行分析,确定了装置内部分粉管路的尺寸,减少了出口处的紊流,达到了较佳的送粉效果。最后利用所研制的送粉装置进行了送粉实验,验证了其效果。     

一种新型高频低幅振动给料装置的研究

基于压电驱动的原理,本文对高频低幅的振动给料技术进行了探索,研制出一种具有长环形输送振子的行波型超声物料输送装置的模型样机。对超声物料输送装置的模型样机进行了输送能力的实验研究,测试结果表明超声物料输送装置的输送速率可达120 mm/s,并可在一定范围内通过变频或变压调整。该输送装置具有结构简单、控制精度高和无噪声等优点,能实现微小块体物料的短距离输送或给料。     

激光熔覆组合式送粉喷嘴的研制

针对生产实践中激光熔覆加工技术对送粉喷嘴的使用需求,设计研制了一种组合式重力送粉喷嘴。该喷嘴带有送粉缓冲槽,倾斜角度可调,利用循环水进行冷却,适于大容量送粉器使用。实践证明,该新型送粉喷嘴机加工工艺具有技术先进、冷却效果良好、输送粉末流均匀的特点,可以满足激光熔覆的工业应用需求,大大提高了生产效率。     

基于间隙特性的数控展成电解加工效率

为了提高数控展成电解加工的加工效率,以平面加工为例,研究了不同数控展成电解加工方式的间隙变化规律、电解速度分布和单位时间去除材料体积及其影响因素,并提出了通过离散化方法简化处理非平面问题,从而有助于在工艺设计阶段分析预测加工效率,选择最优的加工方式以提高数控展成电解加工的效率。
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Self-sustained Oscillation Pulsed Air Blowing System for Energy Saving

Currently, many studies have been made for years on dimensions of pneumatic nozzle, which influence the flow characteristic of blowing system. For the purpose of outputting the same blowing force, the supply pressure could be reduced by decreasing the ratio of length to diameter of nozzle. The friction between high speed air and pipe wall would be reduced if the nozzle is designed to be converging shape comparing with straight shape. But the volume flow and pressure, discussed in these studies, do not describe energy loss of the blowing system directly. Pneumatic power is an innovative principle to estimate pneumatic system's energy consumption directly. Based on the above principle, a pulse blowing method is put forward for saving energy. A flow experiment is carried out, in which the high speed air flows from the pulse blowing system and continuous blowing system respectively to a plate with grease on top. Supply pressure and the volume of air used for removing the grease are measured to calculate energy consumption. From the experiment result, the pulse blowing system performs to conserve energy comparing with the continuous blowing system. The frequency and duty ratio of pulse flow influence the blowing characteristic. The pulse blowing system performs to be the most efficient at the specified frequency and duty ratio. Then a pneumatic self-oscillated method based on air operated valve is put forward to generate pulse flow. A simulation is made about dynamic modeling the air operated valve and calculating the motion of the valve core and output pressure. The simulation result verifies the system to be able to generate pulse flow, and predicts the key parameters of the frequency and duty ratio measured by experiment well. Finally, on the basis of simplifying and solution of the pulse blowing system's mathematic model, the relationship between system's frequency duty ratio and the dimensions of components is simply described with four algebraic equations. The system could be designed with specified frequency and duty ratio according to the four equations. This study provides theoretical basis for designing energy-saving air blowing system.     

Experimental investigation of transverse waves generated in metal by a laser pulse

Experimental investigations of transverse-wave pulses generated in a metal by a short laser pulse are presented. The effects of the laser radiation intensity, dimensions of the laser spot, and the incidence angle on the amplitude, shape, and width of the acoustic pulse have been studied. The results are discussed in terms of the model of a thermal acoustic emitter in the form of a thin metal disk heated by a laser pulse, where a pulse of radial and axial mechanical stress is driven by the thermoelastic and hydrodynamic mechanisms.     

卸载式激光同轴送粉喷嘴的研制

为了在激光快速成形过程中获得较高的粉末利用率并有效改善同轴喷嘴工作性能,研制了一种新型的载气卸载后送粉的激光同轴送粉喷嘴。应用气固两相流理论对卸载后的粉末被喷射出喷嘴后的粉末流场进行了分析计算,研究不同结构参数对粉末流场浓度分布规律及粉末流的汇聚性能（汇聚焦距和聚焦半径）的影响规律,并进行了送粉试验研究。结果表明：同轴送粉喷嘴的汇聚性能主要受粉末流汇聚角、喷嘴半径和宽度的影响,且汇聚角影响较大;同轴送粉喷嘴采用环形直通道渐缩送粉结构和卸载载气的送粉形式,粉末流的汇聚性能明显提高,可以有效地提高粉末的利用率。建立了粉末流简化物理模型,所建模型对同轴送粉喷嘴的设计和性能优化具有一定参考价值。     

超声辅助MIG焊接中超声作用特性研究

超声辅助熔化极惰性气体保护(Ultrasonic assisted metal inert gas,U-MIG)焊是一种新型熔化极焊接方法,利用外加声场将相应声学效果引入焊接熔池达到改善接头性能的目的。通过试验系统化研究超声对电弧形态、熔滴过渡以及接头宏观形貌的作用规律,主要目标是更好地理解超声在不同焊接条件下的作用特点。对高速摄像采集的电弧数据进行处理,结果发现随电弧电压增加,超声对电弧的压缩效果也逐渐增大;而随送丝速度增加,焊接电流增大,电弧压缩效果减弱。针对熔滴受力特点分析,可以看出超声作用后熔滴会受到一个促进熔滴过渡的附加力作用。在焊接电流为200 A时,该附加力达到最大,约为2.8×10-3 N,继续增大焊接电流,该附加力逐渐降低。对比不同送丝速度时焊缝宏观形貌,结果显示为了获得更高的焊接效率不能无限提高送丝速度,存在一个最佳的参数匹配值。结合平面驻波理论分析,随温度增加,声辐射力逐渐减弱,这在一定程度上也会削弱附加力作用效果。利用熔池薄膜模型探讨电弧、熔滴过渡以及熔池振荡三者之间的关系,超声对电弧形态、熔滴过渡的影响均可改变熔池的振荡特性,这间接表现为接头形貌的改变。通过试验与理论分析,为U-MIG焊接方法进一步发展与应用打下坚实基础。     

激光熔覆工艺参数对横向搭接熔覆层结合界面组织的影响

为了提高搭接熔覆层的质量并控制搭接结合界面,研究了工艺参数对横向搭接结合区域组织形态的影响.结果显示,当扫描速度、送粉速率、激光功率分别在100-250 mm/min,6-7.5 g/min,1 500-2 500 W区间变化时,搭接结合区域呈现出不同的界面组织形态,没有出现白亮层.这些界面组织一类表现为具有组织与方向...     

超声纵-扭复合钻削系统的力负载影响研究

在超声辅助钻削钛合金加工中,针对声学系统受力负载作用后出现系统失谐、振幅衰减甚至停振等问题,开展声学系统受力负载的理论与试验研究。利用四端网络法将换能器、复合变幅杆和负载三者统一,建立超声钻削声学系统的整体理论模型,得出负载-输入阻抗、负载-输入电流-输出振幅等相关表达式。通过ANSYS软件对声学系统受静态模拟力和动态钻削力的情况进行仿真,并设计模拟力加载试验和钻削加工试验,探究力负载对系统特性的影响规律。研究表明:力负载的增加会使系统的输入阻抗增加、谐振频率偏移和放大系数减小;在钻削钛合金加工中,电流增幅超过60%,频率变化超过350Hz时,声学系统会出现明显的失谐现象,影响系统稳定性及超声辅助效果。     

基于PMAC的激光熔覆中离焦量不变控制的研究

介绍了基于PMAC运动控制器的激光熔覆过程中离焦量不变控制的软硬件设计,通过RS232协议实现上位机(工控机)与下位机(单片机)之间的通讯,有效地保证了数据传输速度和加工的实时性,通过高速激光位移传感器直接监测金属零件的熔覆高度,进而通过单片机来控制激光喷头的升降来保证制造过程中离焦量的不变。结果表明,对熔覆件高度的监测和激光头升降的调节可以提高制造过程中的稳定性和制造精度。