激光加热辅助切削中的关键技术与科学问题

激光辅助切削技术以其独特的加工优势,已成为切削加工领域的前沿技术之一。首先介绍了激光辅助切削技术的工程背景,综述了激光加热软化、激光打孔、激光材料改性以及激光微区融化等代表性的激光辅助切削技术的材料去除原理,然后重点以激光加热软化法为重点分析对象,从技术(激光光源、切削加工工艺)和科学(传热学、力学)两个层面分别阐述了其研究现状及存在的难点。最后,指出了该技术今后在系统集成、切削过程仿真和刀具磨损机理等领域需要重点关注的问题。     

Al2O3陶瓷的激光辅助磨削机理

针对氧化铝陶瓷难加工、加工表面质量差等问题,进行了激光辅助热磨削加工的研究.根据氧化铝陶瓷的热物理性能参数,分析了激光辅助磨削热加工机理,搭建激光辅助磨削加工实验系统,进行激光辅助磨削与常规磨削加工实验.采用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦分析加工后的工件表面.结果表明:采用激光辅助磨削加工氧化铝陶瓷可改变材料的去除方式,使陶瓷的脆性去除变为塑性去除;与常规磨削加工相比,加工表面形貌脆性断裂减少,表面粗糙度值更低,表面质量更好,砂轮使用寿命延长.     

水导激光加工光源选型与材料蚀除研究

水导激光加工系统中光源的输出参数对其加工能力有极为重要的影响.为进一步拓宽水导激光加工的应用领域,针对光源选型问题,建立了激光与水相互作用的物理模型.利用龙格库塔方法对不同脉宽和波长的激光辐照下水中焦点区域自由电子密度的演变过程进行数值模拟计算,探究了多光子电离、雪崩电离、电子扩散以及电子重组等物理进程对自由电子密度的影响,明确了不同激光参数下水的理论击穿阈值,并进行相应的实验验证.在此基础上选取合适的激光光源进行水导激光刻划304不锈钢的实验.结果表明,合适的激光光源可以在提升激光与水射流耦合效率、降低耦合损耗的同时,抑制加工过程中形成的热缺陷,实现高质量的水导激光加工.      

多能场微射流水导激光加工研究发展概况

微射流水导激光加工属于一种多能场复合激光加工技术.该技术利用加工激光耦合稳定压力微射流,改变激光能量分布为平顶高斯光束,并对加工断面进行冷却、冲刷.稳定的小流量压力去离子水射流导引激光柔性延伸加工焦点,改善加工激光能量分布的同时实现去屑、冷却,使得其轴向加工质量、精度得到提高,并提高激光轴向加工能力.本文介绍并阐述了该加工装置及设备研发的若干关键因素:激光全反射入射角度的选择、光束质量、模式、聚焦位置及激光与水射流的耦合精度.对比了该技术与超短脉冲激光(飞秒激光)的加工特点.阐述了微射流水导激光适当控制激光加工热量,控制激光加工方向,适用于高质量大深径比(约10-100)的深孔、槽、缝的场合以及一些低k绝缘材质,硬质合金、SiC、GaAs、聚晶金刚石等材质的高附加值对象场合.     

水射流作用下橡胶断口微观形貌特征研究

利用Omax2626xp切割台进行不同压力下的纯水切割实验.采用SEM观察橡胶中微观组织结构,研究了橡胶在水射流作用下的断口形貌.对水射流切割废旧轮胎进行了形貌分析,利用断裂力学理论研究了微观断裂机理,分析其微观破坏机理,得出了橡胶材料微观损伤断裂的力学和物理过程.结果表明,实验结果与理论分析在测定压力范围内吻合较好.     

水射流辅助刀具切削钴结壳

为了减小钴结壳切削过程中产生的冲击载荷,提高集矿机的行走安全性,提出了水射流辅助刀具切削钴结壳的切削方法.分析了单个截齿切削钴结壳时的受力情况,建立了水射流辅助刀具切削钴结壳的力学模型,通过仿真计算获取了水射流压力和刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需最小切削力的作用规律.仿真结果表明:与纯刀具切削相比,当水射流作用点和刀具作用点重合时,刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需的最小切削力明显下降;随着水射流压力的增加,刀具所需的最小切削力急剧下降.开展了水射流辅助刀具切削钴结壳模拟料实验.实验结果表明:与纯刀具切削钴结壳相比,水射流辅助刀具切削钴结壳时,切削过程中冲击载荷的最大值明显下降,当射流压力为5 MPa时,冲击载荷的最大值下降约50%,有效值下降约10%.     

微量润滑对切削加工残余应力的影响

为了了解微量润滑(MQL)对切削加工残余应力的影响,基于加工残余应力形成的热力耦合理论,对45钢、40Cr(淬硬)钢、40Cr(退火)钢和304不锈钢进行车削加工实验.研究不同材料在MQL、干切削、风冷切削和湿式切削条件下的残余应力、切削力和切削温度,然后分析残余应力分布差异的原因,得出MQL影响残余应力的规律及机理.实验结果表明,MQL有降低切削残余拉应力的作用;MQL对韧性和强度大的材料的加工残余应力影响较为明显,对难切削材料的影响要大于普通碳钢;对热效应的抑制是MQL影响残余应力的主要机理.     

石墨边位印压裂纹的产生和扩展规律

为揭示石墨切削材料的去除过程和已加工表面的形成机理,研究了石墨边位印压时裂纹的产生和扩展规律.结果表明:当印压载荷增加到某一临界值时,裂纹突然产生并迅速扩展;初始裂纹朝试件内部扩展,然后逐渐向印压表面扩展,最后到达印压表面,裂纹扩展路径呈圆弧形;随着压头楔角和印压厚度的增加,裂纹愈朝试件内部扩展,在试件表面留下的凹坑深度和宽度愈大.切削实验结果表明,边位印压裂纹的产生和扩展规律能很好地解释石墨切削时切屑的去除过程和已加工表面的形成原因.     

激光诱导氧化辅助铣削SiCp/Al复合材料试验研究

为了提高碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)的切削加工性,本文提出了一种激光诱导氧化辅助铣削的复合加工方法。在激光参数为平均功率10 W,扫略速度为2 mm/s,扫略间距为10 μm的条件下,能够获得疏松多孔氧化层,从而提高加工效率和加工质量。本文主要研究该材料在激光辐照下的氧化机理,以及铣削过程中铣削参数对切削力和表面完整性的影响规律。在铣削深度为0.1 mm,每齿进给量为0.005 mm/z时,加工质量最佳。     

激光切割玻璃的参数模型

分析激光切割玻璃的机理,建立了切割过程的热传导方程和切割曲线方程,求得激光切割玻璃的参数模型和参数关系图.将理论分析与已有的实验结果进行对比,证明本文得到的激光切割参数模型是正确的,且具有普适性.所提出的参数模型对优化激光加工参数、减少实验费用、缩短时间、提高效率具有重要意义.     

水射流切削钴结壳性能研究

建立了水射流系统的动力学模型,通过仿真研究获取了水射流系统参数与水射流切削性能的作用规律．仿真结果表明：水射流的有效作业距离为水射流的等速区长度;水射流的工作压力越高,水射流的出口速度越大;喷嘴的轴向射流速度变化与围压无关．开展了水射流切削钴结壳模拟料性能实验研究．实验结果表明：水射流切削钴结壳模拟料时存在一个门槛压力...     

PCBN硬态切削粉末冶金气门座圈的试验研究

为了提高粉末冶金气门座圈实际加工中的加工表面质量和刀具寿命,需要研究聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬态切削时切削参数对切削力的影响规律。文章通过正交试验设计,建立了PCBN刀具硬态切削粉末冶金气门座圈切削力的经验公式,并研究了切削用量对切削力的影响。试验结果表明:PCBN刀具硬态切削粉末冶金气门座圈时,刀尖圆弧半径和负倒棱导致径向力相对较大;切削参数中切削深度和进给量对切削力的影响较大,切削速度的影响相对较小;切削V581过程中,主切削力随着切削速度的增加而有所下降;实际加工中应选用较小的切削深度和进给量、较高的切削速度,以提高加工表面质量和刀具寿命。     

高压水射流冲击固体推进剂的温度效应实验研究

针对固体推进剂在高压水射流作用下点火机理尚不明确的问题,选用不同配方的丁羟固体推进剂为研究对象,进行了高压水射流的冲击实验研究.实验结果表明:高压水射流冲击固体推进剂过程中温度明显增加;推进剂的组分高氯酸铵(AP)和二茂铁的含量对升温速率有明显影响.     

低密度CH泡沫微柱微细车削加工工艺研究

低密度多孔泡沫材料在高能密度物理、辐射运输、绝热成型研究中有重要应用,但该材料多孔易碎,加工难度大.在尖刃金刚石外圆刀具和尖刃金刚石切断刀具设计的基础上,利用精密车削微加工方法制备了激光惯性约束聚变(ICF)所需的各类低密度CH泡沫微柱,并详细讨论了切削加工条件、加工刀具集合参数、切断刀具几何参数、加工参数等对CH泡沫微柱车削加工的影响.     

钛铝异质自冲铆接头疲劳性能及失效机理

对纯钛(TA1)和铝锂合金(AL1420)异质单搭自冲铆接头进行静力学实验和疲劳实验研究,通过三参数经验公式采用S-N曲线拟合法绘制接头的S-N曲线,分析接头的疲劳性能;采用扫描电子显微镜对接头疲劳断口进行观测,研究接头的微观疲劳失效机理.结果表明:接头的静力学性能与疲劳性能不具有一致性,TA1-AL1420(TA)接头静力学性能更优,但其疲劳性能比AL1420-TA1 (AT)接头差;TA接头疲劳失效形式为下板断裂,疲劳裂纹萌生于靠近铆钉脚处的板材区域,随后沿着板宽方向扩展,最终导致下板完全断裂.AT接头在短寿命区因铆钉断裂失效,铆钉的断口属于脆性疲劳断裂;在中长寿命区出现铆钉断裂和下板断裂的混合失效形式,疲劳裂纹从下板一端萌生,沿着板宽向另一端方向扩展,导致下板断裂失效.     

受内压和激光辐照联合作用下圆柱壳动态断裂力学分析

针对激光辐照充压圆柱壳的应力分析和结构失效问题,研究了含轴向半椭圆表面裂纹的圆柱壳体在激光辐射及不同内压和不同裂纹尺寸的情况下,考虑了内压为静态和动态两种情形以及热-力耦合情形的应力分析,材料为30CrMnSiA钢。根据它的静态断裂韧性KIC以及根据估算的冲击动态断裂韧性KId,应用有限元方法研究了动态载荷下其断裂问题。分别使用断裂判据KI=KIC和动态断裂判据KI(t)=KId,对裂纹的静态起始扩展和动态起始扩展作了相应的分析,这些分析在一定程度上对此种结构在热-力耦合下失效机理提供了有益的研究。     

高速切削刀具磨损研究

随着科学技术的飞速发展,高速切削也得到了更为广泛的应用。本文首先介绍了高速切削刀具的磨损形态,然后阐述了陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具、金属陶瓷刀具和涂层刀具的磨损机理,最后探讨了高速切削加工铸铁、淬硬钢时的磨损寿命。     

激光数字化采集和加工系统的精度分析

激光数字化采集和加工系统实验是在激光数字化采集和加工系统设计、安装、调试完成后进行的一些探索性实验.本文主要进行了激光数字化仪稳定性测量实验、重复精度测量实验和线性精度测量实验.实验表明,本系统可以测量采集倾角 ±75°的自由表面.激光数字化仪的稳定性精度为±0.0162mm,重复精度为±0.0351mm,在±1mm测量范围内的线性精度为±0.0770mm.在激光数字化采集时,数字激光化仪只工作在零点附近,因此,上述精度能够满足一般数控仿形加工中的精度要求.通过复杂曲面的采集实验结果,表明该激光数字化采集和加工系统原理正确,使用方便,跟踪稳定可靠,具有广阔的应用前景.     

关于切削加工中进给方向毛刺生成机理的研究

本文对切削加工中进给方向毛刺的生成机理进行了实验研究和相应的理论分析,搞清了进给方向毛刺的生成过程、生成机理及其影响因素.进而提出了抑制进给方向毛刺产生的若干措施.它对有效地控制和减少进给方向毛刺的产生、保证和提高切削加工质量、开发抑制切削加工毛刺产生的新方法等具有重要的理论意义和广泛的实用价值.     

真空环境脉冲激光焊接工艺分析

激光焊接技术广泛地用在了常规加工领域，在非常规加工领域更显示出了无可比拟的优越性．从实验的角度研究了脉冲激光焊接在真空环境下在能量转换器封装中的应用，分析了焊接过程中几种工艺问题和产生机理，提出了解决这些工艺问题的建议．