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激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷理论与试验研究

2020-11-28阅读(620)

激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷理论与试验研究

论文摘要

工程陶瓷材料因其高硬度、高熔点、低密度、低热膨胀系数和优良的抗腐蚀、抗氧化、耐磨、耐热、自润滑性、环境耐久等性能,广泛应用于机械、汽车、化工、航天航空及其它工业领域。因其硬而脆,难以采用传统的车、铣、钻等方法进行机械加工,激光加热辅助切削技术是解决工程陶瓷材料难加工问题的有效方法之一。本文在湖南大学科研基金项目资助下,针对激光加热辅助切削工程陶瓷材料加工过程中存在的一些主要问题,采用理论分析和试验研究相结合的方法,系统研究了CO2激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷刀具材料的机理及其影响因素,重点开展了CO2激光加热试件温度场的变化过程及其对切削力、刀具损坏及切屑形态变化和试件加工质量的影响等规律的研究。论文开展的研究主要包括:1.基于光学原理,采用GaAs检偏镜,对PHC1500型CO2激光器输出激光经机床转换光路后的偏振化方向进行试验验证;设计了材料的反射率测定试验装置,分别对Al2O3和Si3N4两种工程陶瓷材料对不同入射角下垂直于和平行于入射面的线偏振CO2激光的反射率进行试验测量,与采用Fresnel公式计算的理论值进行对比,吻合较好,结合试验数据,计算得到了两种工程陶瓷材料的折射率、布儒斯特角及相应的吸收率数据。2.分别就Al2O3和Si3N4两种工程陶瓷材料试件对在布儒斯特角下平行于入射面的线偏振和圆偏振光CO2激光的吸收率进行了测量对比,试验数据表明,采用线偏振CO2激光加热辅助切削Al2O3和Si3N4陶瓷在能量利用效果方面比采用圆偏振光更好,在同样的条件下, Si3N4工程陶瓷材料比Al2O3工程陶瓷材料更难切削。3.构建了由激光光路系统和切削加工系统构成的激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷试验系统,光路系统设置了四面反射镜和一面聚焦镜,既可满足切削过程对激光偏振性要求,又可实现切削时光束中心与刀尖间相对位置和角度的调整。4.对激光加热辅助切削工程陶瓷的传热过程进行了理论分析,基于高斯光束以入射角辐照于试件外圆表面形成的椭圆状光带,结合传热控制方程,建立了激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷的准稳定状态下的热传导数学模型;5.利用有限差分法对激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷的准稳态热传导数学模型进行了求解,发现试件表面温度场呈现卵圆形分布,试件内部横截面和纵截面内的温度场呈抛物线分布,试件上不同区域的温度随着它们离开激光光斑距离的增加而降低;与激光束垂直辐照试件获得的温度场比较,本文模型激光束以布儒斯特角切向入射辐照于试件表面,试件吸收系数高,光斑被拉长,呈椭圆状,虽然试件表面激光功率密度有所降低,但被辐照面积扩大,受热均匀,沿椭圆长轴运动方向,在2323K温度以下,有较深的软化层;结合数值模拟结果,得到激光加热辅助切削的内在机理是:利用激光在很短的时间内大幅度提高试件待切削区域材料温度,使其硬度、强度下降,塑性、韧性增加,材料软化,在与刀具的相互作用下易于发生塑性变形,从而形成连续稳定的切削加工过程;基于试件温度场分布,得到了激光加热辅助切削时,不同激光参数和加工参数组合下理论的刀尖中心与光束中心间的周向距离和进给量值。6.借助非接触红外温度计,试验测量了试件上刀尖所处位置待切削区域分别在不同激光功率、激光光斑半径、激光束移动速度和激光入射角作用下的表面温度,与模拟计算相应区域的温度值对比,变化趋势吻合较好;分析了热量积累、材料发射率、距离系数等是造成测量值与模拟计算值间的误差的主要原因。7.基于压电晶体测力仪,对激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷的过程中切削力的变化情况进行了试验研究,发现三向切削力均大大降低;分析不同激光参数和切削加工工艺参数对加工过程的影响,可知:增加激光功率可以扩大工件上热影响区的范围,提高切削区域内试件材料温度,有助于切削区域内材料的充分软化,从而减少刀具切削阻力,降低切削力;采用较小的切削深度,切削区变形和摩擦小,也能有效降低切削力;随着试件转速的增加,其表面受激光辐照的时间相对缩短,造成试件待切削区域温升不高,材料软化程度不够,导致切削力增大;较小的进给量有利于试件被切削材料有足够的加热软化时间,从而降低切削力,改善切削加工质量;利用合适的激光光斑辐照试件,能保证一定的软化层,也能降低切削力;激光束切向入射加热辅助切削时切削力明显比垂直入射的切削力低,合理改善激光束中心与刀具切削点的周向位置,既能保证切削力的降低,达到激光加热辅助切削效果,又能有效地避免刀具因过分受高温加热作用而造成的其寿命降低问题。8.试验研究了刀具磨损和切屑形态,在金刚石刀具前、后刀面及主、副切削刃与工件待加工表面或已加工表面接触的地方伴随着前、后刀面和边界磨损,切削区高温、高压力是导致刀具磨损的根本原因;在不同程度的加热状况下因其待去除材料性能变化而使其切屑形态不同。采用较低的激光功率加热,出现崩碎切屑;较高的激光功率加热,则为尺寸更大的单元切屑。9.测量了激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷试件外圆面加工后的尺寸精度,并对不同加工参数条件下激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷已加工外圆面的微裂纹分布和表面粗糙度值进行了检测;综合试验数据和理论分析,得到了在激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷中,合适的加工参数范围为:激光功率200～325W,激光光斑半径0.751.25mm,切削深度0.20.6 mm、进给量为0.100.16mm/r、工件转速147～475r/min、刀尖中心与激光光斑中心之间的周向距离3.93～6.54mm,通过采用这些加工参数的合理组合,可以获得具有较高加工精度和表面质量的试件表面。论文研究所获得的成果对工程陶瓷等硬质脆性材料的激光加热辅助切削加工具有较大的理论和应用参考价值。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 陶瓷的分类、性能及应用
  • 1.1.1 陶瓷的分类
  • 1.1.2 工程陶瓷材料性能及应用
  • 2O3陶瓷材料简介'>1.1.3 Al2O3陶瓷材料简介
  • 1.2 工程陶瓷材料的加工技术
  • 1.2.1 工程陶瓷材料的机械加工方法
  • 1.2.2 工程陶瓷材料的电加工方法
  • 1.2.3 工程陶瓷材料的激光加工方法
  • 1.2.4 工程陶瓷材料的超声波加工方法
  • 1.2.5 工程陶瓷材料的高压水射流加工方法
  • 1.2.6 工程陶瓷材料的其它加工方法
  • 1.3 激光加热辅助切削技术
  • 1.3.1 激光加工技术
  • 1.3.2 激光加工中常用激光器
  • 1.3.3 激光加热辅助切削技术
  • 1.3.4 激光辅助加热切削研究进展
  • 1.4 存在的问题
  • 1.5 本文研究的内容和目标
  • 2激光的吸收率试验测定'>第2章 工程陶瓷对CO2激光的吸收率试验测定
  • 2.1 入射激光的检偏
  • 2.1.1 试验原理
  • 2.1.2 试验方法及数据
  • 2.2 试件反射率和吸收率的测定
  • 2.2.1 试验装置
  • 2.2.2 试验数据及处理
  • 2.2.3 试件折射率和布儒斯特角的确定
  • 2.2.4 陶瓷材料表面的反射率及吸收率理论计算
  • 2.3 小结
  • 2O3工程陶瓷试验系统设计'>第3章 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷试验系统设计
  • 3.1 试验系统的组成
  • 3.1.1 激光光路系统
  • 3.1.2 切削加工系统
  • 3.2 主要装置简介
  • 2激光器'>3.2.1 PHC-1500CO2激光器
  • 3.2.2 CQ6232 车床
  • 3.2.3 金刚石车刀
  • 3.2.4 试件
  • 3.3 小结
  • 2O3工程陶瓷温度场数值模拟研究'>第4章 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷温度场数值模拟研究
  • 4.1 热传导问题简介
  • 4.1.1 热传递的基本方式
  • 4.1.2 传热微分方程
  • 4.1.3 单值性条件
  • 4.1.4 求解方法
  • 2O3工程陶瓷传热模型的建立'>4.2 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷传热模型的建立
  • 4.2.1 激光光源的特征
  • 4.2.2 传热模型的基本假设
  • 4.2.3 准稳态传热模型控制方程的建立
  • 4.2.4 热传导模型的边界条件
  • 4.2.5 准稳态热传导模型的有限差分方程
  • 4.3 准稳态传热模型求解
  • 4.3.1 MATLAB软件简介
  • 4.3.2 计算程序流程图
  • 4.3.3 求解条件
  • 4.3.4 求解结果
  • 4.3.5 激光束垂直辐照试件时温度场分布
  • 4.3.6 数值模拟结果的误差分析
  • 4.4 激光加热辅助切削机理
  • 4.4.1 激光加热辅助切削机理
  • 4.4.2 激光加热试件温度场分布对工艺参数选取的指导意义
  • 4.5 加工工艺参数对试件温度场的影响
  • 4.5.1 激光功率的影响
  • 4.5.2 激光光斑大小的影响
  • 4.5.3 激光移动速度的影响
  • 4.5.4 激光束入射角度的影响
  • 4.5.5 其它参数的影响
  • 4.6 小结
  • 2O3工程陶瓷表面温度测定'>第5章 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷表面温度测定
  • 5.1 红外测温仪
  • 2O3工程陶瓷表面温度的测定'>5.2 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷表面温度的测定
  • 5.2.1 测量装置
  • 5.2.2 测量方法
  • 5.2.3 测量数据与理论计算值对比与分析
  • 5.2.4 测量误差分析
  • 5.3 小结
  • 2O3工程陶瓷切削力研究'>第6章 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷切削力研究
  • 6.1 切削力的基本概念
  • 6.1.1 切削力的来源
  • 6.1.2 切削分力及其作用
  • 6.1.3 切削功率
  • 6.1.4 切削力的影响因素
  • 6.2 切削力的测量
  • 6.3 加工工艺参数的选取
  • 6.3.1 切削参数
  • 6.3.2 激光参数
  • 6.4 切削力的测量方法
  • 6.4.1 切削力的测量及数据处理
  • 6.4.2 不同工艺参数对切削力的影响研究
  • 6.5 小结
  • 2O3工程陶瓷时刀具损坏和切屑形态分析'>第7章 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷时刀具损坏和切屑形态分析
  • 2O3工程陶瓷时刀具损坏形式'>7.1 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷时刀具损坏形式
  • 7.1.1 前刀面的磨损和破损
  • 7.1.2 后刀面的磨损和破损
  • 2O3工程陶瓷时切屑形态'>7.2 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷时切屑形态
  • 7.3 结论
  • 2O3工程陶瓷加工质量分析'>第8章 激光加热辅助切削Al2O3工程陶瓷加工质量分析
  • 2O3工程陶瓷的加工精度'>8.1 激光加热辅助切削的Al2O3工程陶瓷的加工精度
  • 8.2 激光加热辅助切削时影响加工表面质量的主要因素
  • 8.2.1 温度场分布及切削力
  • 8.2.2 热应力
  • 8.2.3 刀具磨损与刀具材料
  • 8.2.4 其它原因
  • 8.3 工艺参数对已加工表面微裂纹分布的影响
  • 8.3.1 激光功率对已加工表面微裂纹分布的影响
  • 8.3.2 切削深度对已加工表面微裂纹分布的影响
  • 8.3.3 工件转速对已加工表面微裂纹分布的影响
  • 8.3.4 进给量对已加工表面微裂纹分布的影响
  • 8.3.5 刀尖与光斑之间的距离对已加工表面微裂纹分布的影响
  • 8.4 工艺参数对已加工表面粗糙度的影响分析
  • 8.4.1 进给量对已加工表面粗糙度的影响
  • 8.4.2 切削深度对已加工表面粗糙度的影响
  • 8.4.3 工件转速对已加工表面粗糙度的影响
  • 8.4.4 激光功率对已加工表面粗糙度的影响
  • 8.4.5 激光光斑半径对已加工表面粗糙度的影响
  • 8.4.6 激光入射角对对已加工表面粗糙度的影响
  • 8.5 小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录A：攻读学位期间所发表的学术论文目录
  • 附录B：攻读学位期间完成或参加的科研项目目录
  • 附录C：求解激光加热温度场的MATLAB程序（部分）

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