本文關(guān)鍵詞： 仿生制造 激光成型 耦合體 工藝參數(shù) 回歸模型 數(shù)據(jù)庫　出處：《吉林大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：仿生制造作為融合傳統(tǒng)制造與生命（物）、信息、材料科學(xué)的交叉學(xué)科，是機(jī)械領(lǐng)域備受關(guān)注并亟待發(fā)展的制造理論方法和技術(shù)。其未來發(fā)展方向之一，是實(shí)現(xiàn)仿生產(chǎn)品在生產(chǎn)制造中的流程化、自動(dòng)化和智能化。迄今為止，一些仿生產(chǎn)品，如仿生制動(dòng)轂（盤）、仿生機(jī)床導(dǎo)軌、仿生模具、仿生齒輪等，其增效、耐用技術(shù)研究已取得較大突破，急需與現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)融合，從而加快仿生制造的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 激光加工作為仿生制造手段之一，能很好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件表面仿生功能單元成型和成性制造的目標(biāo)。通過激光與材料的相互作用，使材料產(chǎn)生局部相變、熔凝、氣化等等，進(jìn)而在金屬表面制備具有一定形貌、結(jié)構(gòu)、力學(xué)等多因素耦合特征的單元體（簡(jiǎn)稱耦合體）。由于激光工藝參數(shù)及其組合的多樣性，使得仿生耦合體成型與成性結(jié)果也呈現(xiàn)多樣性特征，從而使仿生制造的控制面臨較大難題。針對(duì)耦合體的幾何形態(tài)、物理結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等仿生要素進(jìn)行選擇性制造，可形成一套面向典型機(jī)械零部件構(gòu)建仿生耦合功能表面的自動(dòng)化技術(shù)，從而拓寬激光仿生制造的方法，拓展激光技術(shù)的應(yīng)用范圍，為提升仿生制造水平和制造效率提供新的支撐。 實(shí)現(xiàn)仿生產(chǎn)品激光制造的技術(shù)關(guān)鍵是對(duì)工藝參數(shù)的選擇。在利用激光進(jìn)行仿生制造的過程中，往往需頻繁進(jìn)行基礎(chǔ)、優(yōu)化和評(píng)價(jià)試驗(yàn)，不僅增加了制造成本，而且延緩了新產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)程。針對(duì)若干仿生產(chǎn)品基礎(chǔ)材料，建立激光工藝參數(shù)與仿生耦合體多因素特征制造的回歸模型，開展仿生功能表面激光成型和成性的控制研究，進(jìn)一步開發(fā)集工藝參數(shù)查詢、成型與成性結(jié)果預(yù)測(cè)、多目標(biāo)優(yōu)化功能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具有重要的研究意義和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)綜合效益。 本論文基于模具、制動(dòng)轂（盤）、機(jī)床導(dǎo)軌等仿生產(chǎn)品常用的45鋼、H13鋼和灰鑄鐵母體材料，對(duì)激光制造仿生功能表面的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)特征進(jìn)行了數(shù)字化描述，并結(jié)合激光加工工藝過程，歸納提取了影響這些因素特征的顯著工藝參數(shù)。利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析方法，系統(tǒng)地建立了樁釘型、堤壩型仿生耦合體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、硬度以及仿生整體表面拉伸強(qiáng)度與脈沖能量、平均峰值功率、脈寬、離焦量、掃描速度等激光工藝參數(shù)和耦合體分布參數(shù)的回歸模型；通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和試驗(yàn)檢驗(yàn)方法，驗(yàn)證了上述模型的可靠性�；诮⒌哪Ｐ图捌鋽�(shù)據(jù)分析，揭示了各工藝參數(shù)及其交互作用對(duì)仿生耦合體/功能表面特征的影響規(guī)律。 研究表明，對(duì)仿生耦合體結(jié)構(gòu)特征有顯著影響的激光參數(shù)為：平均峰值功率、脈寬和離焦量。增大平均峰值功率和（或）降低離焦量可加速等溫面的傳播速度，而增大脈寬可延長等溫面向母體傳播的時(shí)間，從而有利于大結(jié)構(gòu)深度仿生耦合體的制取。 樁釘型仿生耦合體形貌特征是工藝參數(shù)、熔池表面張力、金屬相變以及氣化壓力協(xié)同作用的結(jié)果。母體材料內(nèi)活性元素S含量超過一定值后，在一定溫度范圍內(nèi)，可改變表面張力溫度系數(shù)的正負(fù)，從而使耦合體呈現(xiàn)多樣性的形貌特征。當(dāng)功率密度較小時(shí)，成型耦合體可獲得中間凸起而周圍下凹的表面形貌，而增大功率密度或脈寬，可使耦合體形貌呈現(xiàn)為中間下凹而兩側(cè)凸起。 平均峰值功率、脈寬和掃描速度對(duì)耦合體平均硬度均有顯著影響，且隨著工藝參數(shù)取值范圍不同，耦合體平均硬度的變化趨勢(shì)有所不同。對(duì)于樁釘型耦合體而言，功率密度越大，耦合體平均硬度越大；而對(duì)于堤壩型耦合體，掃描速度越小，平均峰值功率和脈寬越大，耦合體的平均硬度則越小。由于搭接的存在，堤壩型耦合體在激光制備過程中產(chǎn)生重熔和回火，從而使平均硬度低于樁釘型耦合體。 工藝參數(shù)對(duì)仿生表面拉伸性能的影響與耦合體成型質(zhì)量密切相關(guān)。在一定參數(shù)范圍內(nèi)，能量、脈寬的增大以及間距的減小可提高仿生表面的抗拉強(qiáng)度，而當(dāng)參數(shù)超過一定范圍后，由于加工缺陷的累積作用，使仿生表面的強(qiáng)度降低。 以局部參數(shù)的精確選擇與成型質(zhì)量控制為例，提出了仿生耦合功能表面成型的局部參數(shù)協(xié)同控制策略。通過引入形貌搭接系數(shù)和中間函數(shù)，在既定平均峰值功率、脈寬和離焦量下，既可根據(jù)任意搭接率進(jìn)行局部工藝參數(shù)的匹配，也可實(shí)現(xiàn)仿生表面形態(tài)特征的精確控制。 針對(duì)仿生耦合功能表面/耦合體脈沖激光制造工藝，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建模。運(yùn)用E-R模型對(duì)工藝數(shù)據(jù)庫進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，避免了因直接設(shè)計(jì)易于產(chǎn)生的遺漏問題；根據(jù)工藝參數(shù)和材料因素對(duì)仿生耦合體/功能表面特征的影響規(guī)律，確定數(shù)據(jù)模型的約束問題，從而保證了模型的合理性和規(guī)范性。 基于建立的數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合仿生耦合體制備中工藝參數(shù)選取的實(shí)際問題，開發(fā)了基于精度要求的工藝參數(shù)檢索應(yīng)用程序，避免了工藝參數(shù)精確查詢出現(xiàn)的查不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，保證了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的有效利用；利用建立的仿生耦合體/功能表面特征參量與工藝參數(shù)回歸模型，開發(fā)了工藝參數(shù)成型與成性結(jié)果預(yù)測(cè)及多目標(biāo)優(yōu)化的應(yīng)用程序，可有效節(jié)約仿生產(chǎn)品研發(fā)的試驗(yàn)成本，縮短研發(fā)周期，為流程化、智能化仿生制造的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。 全文共分八章。第一章闡述了激光仿生功能表面制備的研究背景、現(xiàn)狀，以及常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與建模方法；第二章針對(duì)激光制造仿生耦合功能表面特征進(jìn)行數(shù)字化描述，，介紹了仿生耦合體/功能表面特征參量的評(píng)價(jià)方法；第三章針對(duì)樁釘型仿生耦合體進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)特征的建模研究，并討論工藝參數(shù)對(duì)耦合體特征參量的影響規(guī)律；第四章針對(duì)堤壩型耦合體進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)特征建模研究，分析工藝參數(shù)對(duì)耦合體特征參量的影響；第五章針對(duì)仿生耦合體平均硬度以及仿生表面拉伸強(qiáng)度進(jìn)行建模研究和特征指標(biāo)影響規(guī)律分析；第六章以局部參數(shù)的精確選擇與成型質(zhì)量控制為例，提出了仿生耦合功能表面激光成型工藝參數(shù)匹配策略；第七章針對(duì)仿生耦合功能表面激光制造工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工藝參數(shù)查詢功能、成型與成性結(jié)果預(yù)測(cè)功能以及多特征指標(biāo)優(yōu)化功能的設(shè)計(jì)原則；第八章為全文的總結(jié)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB17;TG665

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1512229