激光打微孔作用机理及工艺研究

论文摘要

在机械加工中孔加工是所占比例较大的一道重要的加工工序。这些孔的特点是:尺寸微小,数量巨大,费工费时,加工精度要求高,形状复杂,加工难度大。虽然目前已发展了大约有50余种微小深孔的加工方法,其中最常用的小孔加工方法有:机械加工、电火花加工、电解加工、超声加工、电子束加工及激光加工等。由于硬度大、熔点高的材料的使用越来越多,传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。所以激光打孔也成为适应时代需要的一种技术。本文结合激光与物质相互作用的机理,系统的论证了激光打孔的基本原理。利用有限元法,分析并解决了建立碳钢激光打微孔中热源模型的难题:非稳态问题、非线性问题及相变问题。利用有限元分析软件ANSYS对碳钢激光打微孔过程的温度场进行模拟分析,得出不同时刻及不同能量时其温度场分布情况。选取含碳量不同的三种材料:不锈钢、50#钢和T8钢,进行碳钢激光打微孔实验。用YAG激光器来进行实验,并用2.5D影像测量仪来读取数据,把模拟值与实验值进行了比较,为碳钢激光打微孔实验参数的选取提供了依据。在实验的基础上对激光打孔的工艺进行了分析和研究,得出了激光打孔中的参数:脉冲能量、脉冲数量、脉冲宽度、离焦量、脉冲重复频率,对碳钢激光打微孔质量的影响情况以及这种影响情况随着含碳量不同的变化。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光束的特点
• 1.2 激光打孔的优点
• 1.3 激光打孔技术国内外发展及应用现状
• 1.3.1 激光打孔技术国内外发展现状
• 1.3.2 激光打孔应用现状
• 1.4 本论文研究的内容
• 第二章 碳钢激光打微孔温度场数值模拟
• 2.1 激光加工的原理及打孔的物理过程
• 2.1.1 激光加工的原理
• 2.1.2 激光打孔的物理过程
• 2.2 温度场数值模拟方法
• 2.2.1 有限元法的基本思想及特点
• 2.2.2 热传导方式及边界条件
• 2.3 激光打孔温度场数学模型
• 2.3.1 温度场计算数学模型
• 2.3.2 非稳态问题的处理
• 2.3.3 非线性问题的处理
• 2.3.4 相变热传导问题分析的有限元法
• 2.4 碳钢激光打微孔温度场模拟
• 2.4.1 ANSYS 软件介绍
• 2.4.2 碳钢激光打微孔求解仿真
• 2.4.3 计算结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 碳钢激光打微孔实验
• 3.1 碳钢激光打微孔实验
• 3.2 碳钢激光打微孔实验设备
• 3.2.1 激光打孔加工用激光器
• 3.2.2 激光打孔的光学系统
• 3.2.3 激光打孔的机械系统
• 3.2.4 激光打孔的电源系统
• 3.2.5 激光打孔的冷却系统
• 3.3 本章小结
• 第四章 碳钢激光打微孔工艺分析
• 4.1 激光脉冲能量密度对打微孔质量的影响
• 4.2 激光脉冲数量对打微孔质量的影响
• 4.3 激光脉冲宽度对打微孔质量的影响
• 4.4 激光脉冲重复频率对打微孔质量的影响
• 4.5 激光打孔中离焦量对打微孔质量的影响
• 4.6 辅助气体对打微孔质量的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 超微细孔腔激光加工技术发展趋势
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明