激光间接冲击下钛箔的微成形特性

采用具有高应变率加载特征的激光驱动飞片间接冲击微成形技术对钛箔进行了微成形实验,以解决难成形材料的微塑性成形问题。从飞片完整性、工件贴模性以及厚度减薄率等方面探究了该工艺的成形性能。实验中采用微细电火花和曲面研磨技术制造微模具,材料为AISI 1090模具钢,飞片为20μm的钛箔,成形工件为35μm的钛箔。通过KEYENCE VHX-1000C超景深显微系统对飞片和工件进行了观测和分析,结果显示:飞片具有较好的完整性,能够提供均匀的冲击压力;成形后的工件具有良好的表面质量和贴模性。借助冷镶嵌工艺测量了工件的厚度分布,分析了工件厚度减薄率,其最大值为19.8%,最小值为2%,显示工件的厚度分布比较均匀。研究表明:激光间接冲击微成形技术对于难成形材料具有良好的成形效果并且能有效抑制厚度减薄。     

T2紫铜箔材的U型弯曲变形

设计了箔板U型弯曲试验方案,使用不同凹模槽宽尺寸和圆角半径的微型模具,在三思微型试验机上完成了试验,分析了模具几何尺寸、箔板厚度等对箔板U型弯曲变形中冲头载荷、回弹以及表面质量的影响。研究结果表明,槽宽尺寸或圆角半径减小时,最大冲头载荷显著增加,且冲头载荷上升和下降速率都明显增大;对比两种不同厚度箔板的冲头载荷显示,冲头载荷减小速率明显快于横截面面积的减小速率,说明产生了明显的尺寸效应;另外,圆角半径或板厚减小,导致回弹角度增大,成形件精度降低;虽然成形件表面比较平整,但侧面出现划痕提示需要提高模具表面质量和采取润滑措施。以上研究结果对指导箔板微成形工艺设计具有重要意义。     

激光辅助加热微器件弯曲研究

在总结了国内外近十多年来微弯曲成形研究现状基础上,提出了基于激光辅助加热的微器件弯曲成形方法,将激光直接加载于难成形的微小工件材料表面,利用激光热作用对工件非接触式加热和热传导,使成形区域温度瞬时达到成形温度,然后通过微弯曲模具对工件施加载荷,实现微弯曲成形,解决了常规的微弯曲方法难以成形的复杂微器件以及难成形材料的成形问题,并采用激光束对工件前后两侧同时加热的方法解决工件加热不均匀问题,设计了激光辅助加热微器件弯曲系统,可以实现微器件的低成本批量化生产.     

钛箔材激光微弯曲成形过程有限元模拟

激光弯曲成形是一种利用激光成形工件的柔性成形技术.建立了钛箔激光微弯曲成形的三维热力耦合有限元模型,采用大型非线性有限元软件ANSYS对其激光微弯曲过程进行了有限元模拟.通过模拟计算得到了钛箔激光微弯曲过程的温度场和位移场分布.结果表明:钛箔上下表面存在温度梯度,但由于钛箔厚度薄,热传导迅速,导致其z向位移出现波动.     

双转辗弯曲模具设计

图1所示的承力隔架所用材料是Q235钢,料厚δ=2.0mm。这是一种典型的锐角U形件。成形该类零件的弯曲模通常有两种设计方法:一是采用斜楔式弯曲模结构,即由对称的两斜楔推动凸模水平移动,同时对工件的两侧边进行弯曲成形,这种模具结构复杂,且要求较大的工作台面尺寸;二是采用摆动式弯曲模结构,如双转辊弯曲模,此模具结构紧凑,弯曲成形力大,可以高效优质地弯曲90°或锐角U形件。 1.模具结构 承力隔架的弯曲成形采用图2所示的双转辊弯曲模。该模具采用导柱导套式的标准模架,凸模6和凹模8共同完成工件两侧边的弯曲成形;弹簧13为凹模8回复到起始位置提供拉力;定位板7和限     

微铣金属表面微沟槽结构的粗糙度及形貌分析

为了提高和改善微沟槽表面质量,设计了高速微铣削实验,研究了微沟槽底面表面粗糙度和侧壁残留毛刺的变化规律。从理论角度引入了已加工表面的形成机理,建立了微观表面粗糙度理论模型,提出了刀具跳动对侧壁形貌变化影响的规律。利用三轴联动精密微细铣削机床加工微细直沟槽,并选取主轴转速、轴向切深、进给速度、刀具跳动量和材料组织结构为研究因素。采用多因素正交实验和极差分析法,对表面粗糙度值进行数值分析。铝合金,钢和钛合金三类微沟槽底面对应的最佳表面粗糙度值变化范围分别为1.073~1.481 μm,0.485~0.883 μm,0.235~0.267 μm;无刀具跳动钛合金微沟槽壁毛刺的最大高度为7.637 μm,而当刀具存在0.3 μm的径向综合跳动量时对应的微槽壁毛刺的最大高度为21.79 μm。铣削参数对表面粗糙度值的影响按从大到小依次为进给速度、主轴转速、轴向切深,且随着进给速度和轴向切深的增大,表面粗糙度值增大;随着主轴转速的增大,表面粗糙度值先减小后增大;在相同加工条件下,若微圆弧刀刃无磨损,微刀具的跳动量对微直沟槽侧壁表面质量有较大影响。同时,不同金属材料特性也是影响微沟槽表面质量的潜在因素。     

激光冲击驱动飞片成形性能

研究了激光冲击驱动飞片成形中相关工艺参数对成形性能的影响。采用适合高压高应变率的Johnson-Cook模型,基于ANSYS/LS-DYNA软件平台,数值模拟了激光冲击驱动飞片成形胀形件过程中激光能量、成形模具孔径以及模具圆角率与成形件成形高度的关系。分析表明,随着激光功率密度、成形模具孔径和模具圆角率的增加,胀形件成形高度均随之增加,胀形件的最大成形高度为310.6μm。对厚度为50μm的铜箔材进行了激光冲击驱动飞片成形实验,利用体视显微镜和形貌测量仪对获得的胀形件试样进行了二维和三维形貌测试,验证了数值模型的合理性。本文建立的数值模拟分析方法为激光冲击驱动飞片成形胀形件过程的预测和控制提供了手段。     

微尺度激光冲击成形技术

介绍激光冲击成形的作用机理,论述了激光冲击微成形的方法,分析了影响激光冲击微成形的主要因素,包括尺度效应、约束层和涂层、激光参数等.提出了基于模具的激光冲击微成形方法.     

板料激光三维弯曲成形的工艺研究

激光成形是1种利用激光作为热源的热应力无模成形新技术.介绍了激光成形的工艺过程及加工设备,分析了激光成形机理,研究了板料激光三维弯曲成形的工艺以及典型工件的成形方案.最后综述了该工艺技术的发展前景.     

金属薄板开槽弯曲成形技术与设备

V形弯曲成形前，对金属薄板折弯处进行一定深度的V形开槽，然后在V形开槽处进行弯制成形，此种加工方法称之为V形开槽弯曲成形技术。用V形开槽弯曲成形技术弯制的工件弯曲圆角半径小，色泽变化不明显，弯制成形力小，且减少了窄长工件弯曲棱边直线度误差。并在普通折弯机上用通用模具就能弯制断面形状复杂的工件。V形开槽弯曲成形技术的关键设备是薄板开槽机，有多种结构形式和控制方式供选择。     

高质量玻璃微孔电化学放电加工模型及试验

超白玻璃是一种超透明低铁玻璃,因其具有优越的物理、光学性能,而广泛应用于精密电子、高档汽车及太阳能光伏发电领域。由于其本身的硬脆特性,玻璃微孔的出口极易破损,为提高玻璃微孔的加工定域性,降低微孔出口破损的可能性,对微细电化学放电钻削加工工艺进行了研究与优化。首先,根据电化学放电原理,探讨了气膜的形成和材料去除机理,分析了放电能量对玻璃微孔加工工艺的影响,建立了单位时间电化学放电加工能量控制模型;其次,试验分析了电压幅值、占空比、脉冲频率、进给速度等主要参数对微孔入口直径和出口质量的影响;最后,通过优化后的加工参数在厚度为300μm的超白玻璃试件上,成功加工得到入口直径为172μm、出口直径为167μm的3×3微孔阵列结构,出口无破损现象。实验结果表明,基于脉冲能量控制的微细电化学放电钻削工艺在玻璃微孔加工方面很有潜力。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

高精度石英全息透镜的MEMS工艺制作

通过微电子机械技术(MEMS)在抛光的熔融石英基材表面制作了平面精度达到0.4μm的超大单片面积的全息透镜。采用了分辨率达到0.2μm的步进投影式拼接光刻,适合石英基材的专用等离子耦合刻蚀(ICP)干法刻蚀技术,特殊的物理清洗方法,以及相关的多项辅助工艺。透镜理想面形横截面曲线为分段抛物线,每一片由23个柱状结构单元周期横向排列构成,采用等深度不等宽度的4台阶结构拟合,单元宽度约为2.966mm。在4in(10.16cm)圆片上,获得了单片尺寸为68mm×68mm的方形透镜。采用接触式台阶仪,扫描电子显微镜(SEM),高倍光学显微镜等方法进行不同阶段检测。结果显示:台阶平面精度为0.4μm,垂直精度为30nm,有非常好的立墙陡直度和刻蚀均匀性。此工艺方案可实现小规模批量生产,成本适中,可以直接用于制作6in(15.24cm)以上同等级要求的石英透镜,经适当改进也可用于蓝宝石等基底材料的制作。     

射电望远镜主动反射面系统的控制

针对新疆奇台110m射电望远镜主动反射面控制技术的要求,设计和研制了一种新型的位移促动器和位移控制系统,并采用双频激光干涉仪对多个位移促动器及其控制系统进行了全面检测。位移促动器采用了基于涡轮蜗杆加滚珠丝杆的高精度结构设计方案,控制器系统采用了ARM微处理器。最后选择S曲线加速控制方法,设计了主动反射面控制系统硬件平台和软件算法。基于双频激光干涉仪和光学隔振平台在恒温超洁净条件下进行了系列测试。结果表明:系统实现了行程范围为30mm,控制精度为5μm RMS的快速精密控制;在额定负载300kg,步长2mm,行程30mm范围内,实测结果平均值与理论值偏差为0.04%,标准偏差为3.67μm。最后,采用测量精度为0.25μm的激光传感器对4块四点支撑的四边形子面板进行了验证检测。结果显示:经多次迭代后主动反射面控制闭环系统的控制精度小于5μm RMS,远远优于3mm波段射电望远镜主动反射面控制的技术要求。     

微弱回波条件下差分合成孔径激光雷达成像实验演示

本文针对差分合成孔径激光雷达(DSAL)未来应用场景具有回波信号微弱、平台与目标之间存在运动误差的特点,在微弱回波条件下进行了随机活塞运动目标的DSAL成像演示实验。采用波长为1 550nm的激光源,搭建了DSAL成像系统,接收孔径间距为188μm,目标距离为2.4m。通过在发射端加入偏振片对发射功率进行衰减,并利用步进线性平移台给目标到雷达之间的光程引入随机活塞运动误差。在激光发射功率约为50nW和20nW的情况下,对光程变化在[-5μm,5μm]的随机活塞运动目标进行DSAL成像实验,此时合成孔径激光雷达(SAL)图像由于随机相位误差而完全散焦,DSAL图像则聚焦良好。实验结果表明,在微弱回波条件下,DSAL系统仍能较好地消除相位误差,实现稳定成像。     

基于3-CCD显微视觉的高精度靶位姿控制

针对高功率激光物理装置中的靶自动准直实验平台,提出了一种基于三路显微视觉的高精度靶位姿控制方法。该方法采用基于图像的显微视觉控制策略,通过对送靶机构的主动运动控制,实现了图像雅可比矩阵的在线自标定;利用增量式PI控制方法对送靶机构进行控制,实现靶的快速定位及姿态调整。本文对比了基于图像的显微视觉控制和之前研究中所提出的基于位置的显微视觉控制两种方法。其中,基于图像的控制方法靶的定位误差为0.07μm,姿态调整误差为0.02μrad;而基于位置的控制方法靶的定位误差为0.16μm,姿态调整误差为0.07μrad。实验结果表明:基于图像的显微视觉控制方法对系统中的运动学误差、视觉标定误差等因素具有较好的鲁棒性,靶定位及姿态调整的精度高且稳定性好。     

用于蓝宝石光盘的数字化数据存储

为了解决长时数据存储的难题,开展了以数字格式在蓝宝石光盘表面写入数据的研究工作。根据艾林方程,分析了利用常用无机材料进行数据存储的数据失效时间。描述了在蓝宝石材料为基底的光盘上以数字格式记录数据的基本工艺流程,重点介绍了用于蓝宝石光盘的离子束刻蚀系统。实验结果显示,蓝宝石光盘表面刻蚀的信息坑宽度为0.6μm,深度为0.2μm,磁道节距为1.6μm,符合ISO/IEC 10149:1995规定的CD-ROM格式数据存储要求,表明采用本文提出的方法实现蓝宝石光盘的数字化数据存储是可行的。此外,这种基本工艺流程不仅适用于蓝宝石光盘,同样适用于其它以高度稳定的材料(如石英玻璃)作为基底的光盘。     

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。     

激光聚变冲击波被动式测速光学系统设计

针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求,设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃,实现了透射式300～800nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头,中间为平行光,镜头间距可变,光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器,轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质,轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置,激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4,宽谱工作物方分辨率优于10μm,532nm单波长工作物方分辨优于5μm。该光学系统光路排布灵活,可单独被动测速,也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统,满足激光聚变装置冲击波测速的需求。