“互联网+”和智能制造背景下“机械原理”混合教学改革研究

面向“互联网+”和智能制造现实需求,针对“机械原理”在课程教学中普遍存在的组织形式单一、教学技术刻板、学习模式守旧等问题,以“互联网+”为新视角,从课内课外两个维度进行“机械原理”教学改革,提出综合师生共享课堂、专业竞赛和科研兴趣小组的混合教学改革模式。在教学内容的设计及教学设施过程中,注重“互联网+”技术的运用,通过将大量的工程案例有机结合到教学内容中,设计了从“工程现实问题引导”到“专业理论知识学习”再到“实际工程应用示范”的课堂教学活动;同时在课后,通过任课教师亲自担任学科竞赛的指导教师,通过竞赛中涉及的工程问题,再促进学生主动学习相关理论知识解决具体实际问题的能力,培养其工程素养及团队协作能力。结果发现采用混合教学模式有效提升了机械专业学生的学习兴趣、主动学习意识和创新能力。

选区激光熔化成型过程的球化现象

为获得高致密及高精度金属零件,有必要消除选区激光熔化快速成型过程的球化现象.文中从理论上分析了金属熔池球化的演变机制以及消除球化的方法,发现改变激光功率、扫描速度、铺粉厚度等成型参数可以弱化球化现象的原因,在于能对上一层基础有足够的熔化量:如对上一层基础有熔化量,则熔池分为熔化粉末所形成的上部熔池以及熔化基础形成的下部熔池;上部熔池受气液界面张力的作用,总有发生球化的趋势;但下部熔池不会发生球化,且对上部熔池的球化趋势起阻碍作用,当下部熔池熔液充分多时,会完全消除上部熔池的球化现象.采用平均粒径为75μm的铜基合金粉末,在150及80W激光功率下改变扫描速度及铺粉厚度进行的成型实验证实了上述分析.

激光选区熔化自由制造异质材料零件

为解决当前激光选区熔化成型过程难以按需在零件上自由布置不同材料的难题,基于多漏斗供粉+柔性清扫回收粉末原理,对异质材料零件激光选区熔化增材制造技术展开了研究,详细探讨了成型机理、粉尘污染防范机制及异质材料数据处理方法。采用CuSn10,4340两种不同的合金材料进行了工艺实验验证。实验表明,该方法能自由地在不同层间或同层内不同区域按需布置不同的材料;所得块状异质材料零件的铜合金材料区域Fe元素的平均质量百分含量可控制在2%以下,钢材料区域Cu元素的平均质量百分含量可控制在1%以下;成功成型了一个具有复杂外形及微细材料区域特征的异质材料齿轮零件,零件异质材料区域不受零件复杂外形限制,可自由按需布置材料,0.5mm宽的层内异质材料区域也能被较好地表达出来,尺寸误差不超过±0.1mm。该方法可以有效解决激光选区熔化成型过程中异质材料布置的难题,实现异质材料零件成型。

激光选区熔化成型可控超轻结构化零件的孔隙生成效果

本文主要研究了孔隙率等参数可控的自动超轻结构化金属零件的增材制造。以方块零件及一个具有复杂外形的零件为研究对象,分析了面向激光选区熔化工艺的可控超轻结构化零件的孔隙生成效果,重点探讨了成型工艺对超轻结构化零件孔隙率的影响。结果显示:通过计算机数值计算,可将方块CAD模型快速自动转化为可控超轻结构化模型,计算孔隙率误差可控制在±2%以内;激光深穿透现象会导致带悬垂面内壁的壁厚增加,所引起的孔隙率误差值为负值,且计算孔隙率越大,负值倾向越严重;而成型工艺性不致密导致的孔隙率误差为正值,且在相同工艺条件下,计算孔隙率越大,该误差值越小。故为使总孔隙率误差能较好地反映超轻结构网格孔隙的控制精度,应提高成型时实体部分的致密性。按45%设定孔隙率成功地将具有复杂结构的零件转化为计算孔隙率为44.62%的超轻结构化模型,采用高致密性激光选区熔化工艺成型后,实测孔隙率为42.94%,无悬垂面的内壁壁厚误差≤0.06mm,达到了较好的超轻结构控制效果。

选区激光熔化快速成型过程分析

分析了选区激光熔化的成型过程及成型机理,归纳了该工艺的技术特征,推导了温升与加工参数间的解析关系式,并据此优化了选区激光熔化快速成型的工艺.采用Cu-P合金对成型工艺进行了实验验证,分析了扫描速度及激光功率对成型质量的影响,探讨了球化的成因及消除方法.结果表明,通过合理配置扫描速度、扫描间距、激光功率等加工参数,可以直接成型具有高致密性的金属零件.

金属质个性化手术模板的全数字化快速设计及制造

为满足手术模板对快速成型、精确定位和个性化的要求,基于逆向工程结合正向建模设计和选区激光熔化快速成型技术提出了一种全数字化设计、制造金属质个性化手术模板的方法。分析了手术模板的医学需求,从成型方式以及扫描策略两方面提出缩减成型时间、减轻成型件重量以及减少热变形的方案。分别研究了致密态成型和非致密态成型两种工艺,其中非致密态成型采用高扫描速度实现,成型过程采用邻层互错、正交及分区扫描策略。利用上述方法,成功设计了一套手术模板,并分别利用致密态以及非致密态两种方式对模板成型。结果表明,模板尺寸精度达±0.5 mm;另外,与致密态成型方式相比,非致密态方式的成型时间减少了43.3%,模板重量减轻了18%。该方法成型的手术模板已成功应用于临床。

激光选区熔化增材制造金属零件精度优化工艺分析

由于金属熔点高、易氧化、易受热变形等因素,直接增材制造高精度功能性金属零件十分困难。研究了影响金属零件激光选区熔化直接成型零件精度的关键工艺因素,重点分析了粉末粘附、飞溅现象、翘曲变形现象的成因及对成型精度的影响机理。结合成型工艺实验,从扫描路径规划、含氧量控制及支撑设计等方面提出了弱化这些现象对成型精度的影响的方案。最后通过工艺方案优化,直接成型了一个具有较高精度的复杂齿轮零件,测量结果表明,该零件尺寸精度最高可达到±0.05 mm/10 mm,表面粗糙度最高可达到Rz 25.3μm的金属零件。

激光选区熔化成型过程的粉末粘附问题分析

激光选区熔化金属粉末形成金属零件的过程中存在粉末粘附现象,对零件的成型精度影响很大。为此,从粉末粘附现象的成因、粘附颗粒的分类及粘附颗粒对成型精度的影响机理等方面研究了粉末粘附现象。归纳出了粉末粘附对不同类型成型面的影响。结合成型工艺试验分析,从扫描路径规划及材料摄入能量调配方面提出了弱化粉末粘附现象对成型精度影响的方法,并进行了试验验证。结果表明:通过一种多重勾边+内缩填充扫描策略,并结合合适的扫描速度,可弱化粉末粘附对零件侧壁表面精度的影响,能获得Rz26.9μm的侧壁表面粗糙度。

选区激光熔化快速成形系统的关键技术

研究激光、铺粉、扫描三个重要选区激光熔化子系统的技术要点。通过计算成形过程所需激光能量,确定激光器的选用。研究表明成形升降台的连续下降精度、铺粉辊的回转偏心量及径向跳动量都对实现最小铺粉厚度控制有着重要影响。结合扫描速度对比试验,分析扫描系统的扫描特征,认为采用快的扫描速度是选区激光熔化工艺的一个重要特点,此外应采用合适的扫描策略克服热变形。在上述研究基础上,采用铜基合金粉末进行三维金属实体成形试验,试验分析表明,成形实体是一个由等轴晶和枝晶组成,相对密度达95%,具有冶金结合组织的金属实体,尺寸精度为±0.5 mm。所获得的成形实体多层断面构造、铺粉、扫描特征等信息可证实部分技术要点分析。

光纤激光直接快速成型3l6L不锈钢精密零件研究

为了研究光纤激光在选区激光熔化直接成型316L不锈钢精密零件中的应用,采用扩束镜及f-θ透镜,将光纤激光在成型系统工作面上聚集成30μm～50μm左右的细微聚焦光束;通过分析离焦量、扫描速度、激光功率、扫描路径对比成型实验,获得了激光光斑直径、扫描速度、激光功率等工艺参量及扫描路径对成型精度的影响关系。结果表明,通过优化工艺参量及扫描路径,可成功成型壁厚达0.1mm的316L不锈钢精密零件。

316L选区激光熔化增材制造熔池搭接堆积形貌分析

针对选区激光熔化成型过程中的熔池搭接及堆积形貌特征进行了分析,获得了扫描策略、扫描间距、铺粉厚度等加工参数与熔池搭接及堆积形貌特征关系的解释模型,借此进行了熔池搭接及堆积形貌优化分析,并采用316L不锈钢对该模型进行了实验验证。结果表明:合理配置激光功率、扫描间距、铺粉厚度、扫描策略等加工参数,可控制成型件的搭接及堆积形貌,进而改善成型件的致密性,提高成型件的表面质量以及获得更好的使用力学性能。

金属零件自动超轻结构化设计及激光增材制造

为解决金属超轻结构零件设计技术复杂、设计周期长、难添加蒙皮进行增材制造等难题,提出一种基于激光选区熔化增材制造工艺的金属零件自动超轻结构化设计方法:根据激光选区熔化工艺特点,编制程序将原始零件CAD模型自动转化为设定孔隙率的带蒙皮类蜂窝状超轻结构零件模型,且其数据可直接驱动设备实现零件增材制造。研究了带蒙皮超轻结构的构造形式及设计方法;探讨了合适的成型棱长及合理蒙皮结构形式;成功实现复杂零件自动带蒙皮超轻结构化设计及增材制造,所得零件孔隙率误差2.79%,表明能较准确按预期减重。该方法能根据原始零件CAD模型自动、快速地构建带蒙皮金属超轻结构零件模型,大大减轻该类零件设计负担及提高其实用性。

异质材料零件SLM增材制造系统设计与实现

基于多漏斗定量供粉+柔性清理回收粉末原理,研制了一套新型的异质材料零件激光选区熔化增材制造系统。详细分析了系统的运行原理、系统构成、定量供粉实现,杂质的防范等,并研发了定量供粉、均粉、粉末铺设回收、污染防范等装置,构思了异质材料零件数据处理方法。通过VC++开发的总控软件,将各装置集成控制,建成了异质材料零件激光选区熔化增材制造系统,并成功展开了实验验证。

选区激光熔化成型过程中熔线形貌的优化

针对选区激光熔化成型过程中可能影响熔线形貌的因素,研究了熔融金属表面张力、成型过程中飞溅物及扫描速度等激光加工参数对熔线形貌的影响,获得了熔线形貌的优化成型工艺,并最终以此工艺成功成型了一个金属零件。分析表明,该零件尺寸精度达±0.1 mm,表面粗糙度达Ra30μm,表面平整,熔线搭接均匀,熔线堆垒效果理想。

全密度功能性复杂金属零件的激光直接快速制造

针对具有复杂结构的全密度功能性金属零件快速制造难题,探讨了该类零件的选区激光熔化直接快速制造方法,并结合实验,重点对同步保证选区激光熔化快速制造金属零件成型密度及精度的工艺进行了研究。结果表明:同步消除球化、飞溅及气孔对成型件致密性及精度的影响是实现选区激光熔化快速制造全密度功能性复杂金属零件的难点及关键;在维持良好的抗氧化气氛条件下,可采用尽可能薄的铺粉厚度及恰当调节其它成型参数的方法,以保证对上一层有足够的重熔量来消除球化及气孔现象;同时,采用合适的扫描策略,可弱化飞溅对成型质量的影响来解决工艺难题。采用该工艺方案可快速制造全密度功能性复杂金属零件,所成型的316L不锈钢叶轮零件相对密度为99.8%,硬度为HB192,表面粗糙度约为40μm,尺寸精度在±0.1mm以内,稍经打磨后即可投入使用。

柔性铺粉金属零件直接快速制造研究

为克服传统基于刚性铺粉机制的选区激光熔化快速制造系统在铺粉过程发生的碰辊问题,对柔性铺粉机制的直接快速制造展开了研究,提出了柔性铺粉机构的设计要点,结合不锈钢零件成型实验,分析了基于柔性铺粉机制的金属零件选区激光熔化成型效果。结果表明,柔性铺粉机制可以解决成型过程的碰辊现象,提高成型过程的稳定性;铺粉过程易因铺粉齿痕造成成型表面呈波纹状起伏,保证最后几排齿的加工质量对弱化铺粉齿痕至关重要;采用柔性铺粉机制可直接成型具有完全冶金结合组织的高致密金属零件,相对密度达99.2%,x-y向尺寸精度达±0.1 mm,z向尺寸精度达±0.2 mm。

结合科研课题的工科类专业本科毕业设计指导探索

当前高校工科类本科专业毕业设计教学普通出现了学生对毕业设计兴趣感弱、毕业设计选题陈旧、毕业设计质量下滑的现象。为此,本文探讨了将科研课题与工科类本科专业毕业设计指导相结合的办法。从学生前期培养、毕业设计选题设计、设计过程管理及指导等方面进行了有益探索。实践表明,这种方法是行之有效的,提升了学生的毕业设计质量,并实现了教学与科研同步发展。

应用型本科机械专业毕业设计指导改革研究

应用型本科机械专业毕业设计的实践性、综合性强,难度大,随着社会经济的发展,当前毕业设计指导过程中,还存在选题数量增多、学生实际设计时间减少、企业对毕业生期望值增加等问题。针对这些问题,作者结合多年毕业设计指导经验,提出相应的解决方案,包括结合项目及创新设计展开毕业设计指导、远程交互监督学生毕业设计进展、与企业联合培养等。实践表明,这些措施大部分行之有效,能有效提升毕业设计质量。

智能制造背景下应用型本科机械专业CAD/CAM教学研究

"CAD/CAM"是机械类专业与智能制造时代对接的重要技术,但其教学存在教材内容与智能制造时代要求脱节、教学方法陈旧、知识点实践关联少等缺点,普遍难以适应时代发展需要。为此,面向应用型本科机械类专业,本文从教材特点、教学方法、实践方法等方面分析了该技术在智能制造背景下教学过程中出现的一些问题,并提出包括将智能制造的理念及相关必要知识导入到CAD/CAM技术教材,删减教材重复内容,保证知识传授的连贯性,增加CAD/CAM技术实践教学的网络化特征等改革措施。

半导体泵浦激光器在选区激光熔化工艺中的应用研究

选区激光熔化是新出现的能直接成型致密性接近100%终端金属产品的快速成型技术,该技术对成型能量源的要求严格。半导体泵浦激光器具有电光转换效率高、性能可靠、体积小巧、使用寿命长、输出光束质量好等优点。本文分析了选区激光熔化工艺对能量源的选用要求,对将半导体侧向泵浦Nd押YAG激光器应用于选区激光熔化工艺的可行性进行了评估,并通过实验进一步验证了评估结果。