声光调Q Nd：YAG脉冲激光修整青铜金刚石砂轮机理及技术研究

论文摘要

青铜金刚石砂轮具有异常优良的磨削性能,在难加工材料的磨削、精密磨削、高效磨削和磨削自动化中有广泛的应用前景。近年来,由于砂轮制造问题得以突破及陶瓷、玻璃等难加工材料应用增多,青铜金刚石砂轮应用急剧增加。由于金刚石硬度极高,传统的单一的“硬碰硬”修整方法不适应青铜金刚石砂轮的修整,严重影响了其优良磨削性能的充分发挥。青铜金刚石砂轮的修整是其进一步推广应用的瓶颈问题和数控精密磨床中迄今未完全解决的关键技术难题。寻找一种从根本上解决青铜金刚石砂轮修整问题的修整方法,成为各国学者研究的目标。本文综述了国内外研究现状后,从青铜金刚石修整的本质出发,指出关键问题是:找到能有效直接微米级去除金刚石的方法;能实现选择性去除,能有效、高效提高修整精度;同时能突破传统概念,既能整形又同时实现修锐。传统的基于力和电的方法不能有效直接去除金刚石,较理想的方法是基于微区热作用的激光烧蚀微细加工激光修整。笔者从理论和试验上全面开展了研究。首先,提出声光调Q脉冲激光以其单脉冲功率密度高、脉宽窄、占空比小、易于控制等特点,是青铜金刚石砂轮修整的合适光源。自行试制了一台声光调Q Nd:YAG激光器,通过测量,该激光器输出的最大平均功率可达100W,最小脉宽约为170 ns,重复频率0.550kHz。其次,为了寻找合适的烧蚀去除金刚石磨粒和结合剂的激光参数,使得烧蚀后磨粒无微裂纹,变质层浅,烧蚀后仍具有良好的磨削性能,修整后可得到良好地形地貌,分别进行了单脉冲激光烧蚀青铜结合剂和金刚石磨粒及青铜金刚石砂轮的理论和试验研究。通过理论计算确定了在不同脉宽情况下青铜结合剂与金刚石磨粒单脉冲激光烧蚀功率密度阈值。表明声光调Q脉冲激光可有效去除金刚石和青铜,建立了脉冲激光烧蚀单晶金刚石颗粒的数学模型。通过模拟计算,得到脉冲激光的脉宽和占空比是影响变质层厚度和表面微裂纹的最主要的因素。同时通过试验,找到了合适的激光烧蚀参数。针对砂轮,建立了二维几何和数学模型,采用数值计算的手段模拟烧蚀去除时情况,并通过试验验证了当激光功率密度在1.41×107 W/cm2～2.85×108 W/cm2（f=1kHz）时,只可进行修锐;而当激光平功率密度达到2.85×108 W/cm2（f=1kHz）后,可进行整形,并可实现整形和修锐的合二为一。通过理论和试验分析了激光修整青铜金刚石砂轮的机理是在短脉冲高功率密度激光作用下,大部分能量用于气化去除材料,主要是通过浅层气化机制实现材料烧蚀去除。随后,针对目前尚无有效和高效纠正青铜金刚石砂轮圆跳动误差的方法,本文采用激光径向辐照,基于光学三角测量方法,测量光源与加工光源合二为一,研制了闭环控制电路控制脉冲激光,在线检测待加工表面相对于指定位置的偏移,当测量信号表明被测点高于预定位置时,发出巨脉冲激光对该点进行微量烧蚀,否则不发出巨脉冲激光,从而进行选择性烧蚀,可快速消除砂轮较大的圆跳动误差,达到10μm左右精度。试验证实激光整形同时可实现修锐。进一步研究了激光-机械复合精密修整技术,该技术适合于磨粒尺寸较大的青铜金刚石砂轮精密修整。最后,为了检验激光的修整效果和激光参数对修整效果的影响规律,进行了激光修整青铜金刚石砂轮磨削氧化铝陶瓷磨削力和工件表面粗糙度试验研究。表明合适的激光和工艺参数修整后,可进行有效磨削。并且激光修整法优于碳化硅滚轮修整法修整效果。本文主要创新成果如下:1、首次采用声光调Q YAG脉冲激光径向辐照烧蚀青铜金刚石砂轮,实现金刚石磨粒的无损伤微量去除,为实现青铜金刚石砂轮精密修整奠定基础;2、突破传统概念,打破目前超硬磨料砂轮整形和修锐要分两道工序进行的模式。实现整形与修锐同时进行,两道工序合二为一;3、创造性地将光学三角测量及闭环控制系统与激光修整装置集成,自行研制了闭环测控系统;4、通过理论与试验研究,选择合理的激光、运动参数,闭环控制激光径向辐照,实现了青铜金刚石砂轮的精密修整;验证了激光修整后的砂轮的磨削性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 超硬磨料砂轮及其修整概述
• 1.1.1 超硬磨料砂轮的分类和特点
• 1.1.2 超硬磨料砂轮修整方法
• 1.1.3 青铜结合剂金刚石砂轮的应用和修整
• 1.2 激光加工概述
• 1.3 国内外激光修整砂轮研究现状
• 1.3.1 激光修整的特点
• 1.3.2 激光修整砂轮的研究现状
• 1.3.3 现阶段激光修整砂轮研究的问题与不足
• 1.4 本文研究的内容及目标
• 第2章 声光调Q Nd:YAG 激光器试制
• 2.1 声光调 Q Nd:YAG 激光器原理与试制
• 2.1.1 固体激光器的基本结构
• 2.1.2 Nd:YAG 激光棒
• 2.1.3 连续氪灯
• 2.1.4 聚光腔
• 2.1.5 冷却系统
• 2.1.6 声光调 Q 开关
• 2.1.7 光学谐振腔
• 2.1.8 声光调 Q Nd:YAG 激光器的总装和调试
• 2.2 声光调Q Nd:YAG 激光器测试
• 2.2.1 激光平均功率的测量
• 2.2.2 聚焦光斑的测量
• 2.2.3 脉宽的测量
• 2.3 本章小结
• 第3章 单脉冲激光烧蚀青铜结合剂与金刚石磨粒数值分析与试验研究
• 3.1 单脉冲激光烧蚀试验装置
• 3.2 单脉冲激光烧蚀功率密度阈值理论计算
• 3.3 单脉冲激光烧蚀青铜结合剂试验
• 3.3.1 试验材料
• 3.3.2 试验参数
• 3.3.3 试验结果与分析
• 3.4 单脉冲烧蚀金刚石磨粒及其变质层与微裂纹数值分析
• 3.4.1 金刚石磨粒物理性质
• 3.4.2 单脉冲烧蚀金刚石磨粒数值模拟计算
• 3.5 单脉冲激光烧蚀金刚石磨粒试验与分析
• 3.5.1 激光烧蚀金刚石磨粒功率密度阈值的确定
• 3.5.2 试验结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 声光调Q 脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的数学模型和机理分析
• 4.1 激光修整青铜金刚石砂轮的数学模型
• 4.1.1 假设条件
• 4.1.2 二维瞬态传热控制方程及定解条件
• 4.1.3 求解方法
• 4.1.4 热传导问题的有限差分方程
• 4.2 激光烧蚀模型的求解及分析
• 4.2.1 MATLAB 软件简介
• 4.2.2 烧蚀数学模型模拟分析和计算方法
• 4.2.3 求解结果及讨论
• 4.3 激光修整砂轮机理分析
• 4.3.1 激光烧蚀原理
• 4.3.2 激光修整砂轮的可行性
• 4.3.3 激光修整青铜金刚石砂轮的机理
• 4.4 本章小结
• 第5章 闭环测控系统研制
• 5.1 测控系统结构和基本原理
• 5.2 检测原理与设计
• 5.2.1 位置传感器
• 5.2.2 三角测量原理
• 5.2.3 三角测量装置
• 5.3 测控系统分析
• 5.3.1 控制原理
• 5.3.2 系统实时性分析
• 5.4 控制电路设计
• 5.4.1 滤波电路
• 5.4.2 放大电路
• 5.4.3 非线性校正
• 5.4.4 输出电压幅值调整
• 5.4.5 电压比较、输出
• 5.4.6 控制脉冲对声光调Q 电源巨脉冲输出的控制
• 5.4.7 系统抗干扰处理
• 5.4.8 电路调试、制板
• 5.5 本章小结
• 第6章 激光修整试验与精密修整技术研究
• 6.1 试验条件
• 6.1.1 试验装置
• 6.1.2 试验材料
• 6.2 试验方法
• 6.2.1 试验目的
• 6.2.2 试验内容和步骤
• 6.2.3 试验参数的确定
• 6.3 声光调Q Nd:YAG 脉冲激光修整青铜金刚石试验结果分析
• 6.3.1 机械法修整结果
• 6.3.2 激光修锐结果
• 6.3.3 激光修整结果
• 6.3.4 激光修整和机械法整形复合修整的结果
• 6.4 本章小结
• 第7章 激光修整青铜金刚石砂轮磨削性能测试
• 7.1 激光修整青铜金刚石砂轮磨削力试验
• 7.1.1 磨削力及其测量概述
• 7.1.2 试验装置和条件
• 7.1.3 试验方案
• 7.1.4 试验结果分析
• 7.2 激光修整青铜金刚石砂轮磨削试件表面粗糙度试验
• 7.2.1 表面粗糙度概述
• 7.2.2 表面粗糙度的测量方法及仪器
• 7.2.3 试件表面粗糙度测试结果分析
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录 B （攻读学位期间所主持的科研项目）
• 附录 C （攻读学位期间获奖）
• 附录 D （攻读学位期间申报的专利）
• 附录 E （程序部分源代码）
• 致谢