脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮参数优化与试验研究

论文摘要

青铜金刚石砂轮由于结合剂把持力强，磨粒具有优异的磨削性能，在工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料的磨削加工中得到了广泛应用，但是，由于金刚石硬度极高，砂轮的修整非常困难，在一定程度上限制了金刚石砂轮的应用。本文采用试验研究和数值模拟两种手段相结合的方法，对基于材料热效应的声光调Q YAG脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮进行了分析和研究。首先，通过测量脉冲激光的脉宽与激光功率得到激光功率密度值，并在考虑结合剂真实物理属性和磨粒高温石墨化的基础上得到不同试验参数下激光修整与修锐青铜金刚石砂轮的功率密度阈值，通过试验和仿真对阈值结果进行了验证，并确定了适合激光在线修整砂轮的试验参数范围。借助Visual Basic软件建立了针对声光调Q YAG脉冲激光修整与修锐青铜金刚石砂轮试验参数判定的EXE可执行程序，利用此程序可以求出任何试验条件下的脉宽、激光功率、激光功率密度和修整与修锐所需的激光功率密度阈值，并可以判定此试验参数适合的试验类型。其次，运用ANSYS有限元法，建立了三维脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学模型和传热模型，得到了激光烧蚀金刚石磨粒后的温度分布，研究了激光修整参数对磨粒去除厚度和石墨变质层厚度的影响规律，并在数值仿真的基础上，进一步分析了脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的机理。随后，通过分析与计算得到满足激光在线修整砂轮的转速范围为0.42r/s~1.43r/s。借助基于CCD三角测量的激光位移传感器对砂轮表面跳动度进行在线监测，并采用基于ARM嵌入式Linux测控系统控制Q开关，实现了砂轮的激光在线修整，获得了良好的地形地貌，修整后的砂轮圆跳动误差达到20μm，达到良好的修整效果。最后，以YT5硬质合金作为试件，采用正交磨削试验与灰色关联分析相结合的方法通过测量磨削过程中的磨削力和磨削工件的表面粗糙度，研究了激光在线修整砂轮的试验参数对磨削质量的影响程度，并验证了激光在线修整砂轮的可行性与优越性，为激光修整金刚石砂轮试验参数的优化选择提供了指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 附图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 青铜结合剂金刚石砂轮简介
• 1.2 青铜金刚石砂轮修整方法
• 1.3 激光修整超硬磨料砂轮概述
• 1.4 激光在线修整青铜金刚石砂轮研究现状
• 1.4.1 激光修整砂轮的研究现状
• 1.4.2 激光修整砂轮数值仿真研究现状
• 1.4.3 激光修整砂轮效果评价的研究现状
• 1.5 本文研究的内容及目标
• 第2章 激光在线修整青铜金刚石砂轮试验装置
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 金刚石磨粒
• 2.1.2 青铜结合剂
• 2.1.3 青铜结合剂金刚石砂轮
• 2.2 声光调 Q YAG 脉冲激光在线修整砂轮系统
• 2.2.1 Nd:YAG 固体激光器
• 2.2.2 声光调 Q 元件
• 2.3 激光位移传感器
• 2.3.1 激光位移传感器检测原理
• 2.3.2 基恩士 CCD 激光位移传感器
• 2.4 本章小结
• 第3章 激光在线修整青铜金刚石砂轮数值仿真研究
• 3.1 脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数值仿真
• 3.1.1 传热模型的建立
• 3.1.2 几何模型的建立及数值求解
• 3.2 ANSYS 数值仿真结果
• 3.3 激光修整金刚石砂轮的石墨变质层
• 3.4 金刚石磨粒去除厚度和石墨变质层厚度的检测
• 3.4.1 仿真法测量金刚石磨粒去除厚度和石墨变质层厚度
• 3.4.2 试验法测量金刚石磨粒去除厚度和石墨变质层厚度
• 3.5 激光修整参数对去处厚度和石墨变质层的影响
• 3.5.1 激光修整时金刚石磨粒去除厚度
• 3.5.2 砂轮修锐时石墨变质层厚度
• 3.5.3 砂轮整形时石墨变质层厚度
• 3.6 激光修整青铜金刚石砂轮机理
• 3.6.1 激光去除金刚石磨粒机理
• 3.6.2 激光去除青铜结合剂机理
• 3.7 本章小结
• 第4章 激光在线修整青铜金刚石砂轮功率密度阈值
• 4.1 激光功率密度阈值研究流程
• 4.2 调 Q YAG 激光脉宽的测量
• 4.2.1 试验原理和试验步骤
• 4.2.2 脉宽的拟合
• 4.3 调 Q YAG 激光功率的测量
• 4.3.1 试验设备和试验步骤
• 4.3.2 激光功率的拟合
• 4.4 声光调 Q YAG 激光功率密度
• 4.4.1 激光功率密度的计算
• 4.4.2 激光功率密度的拟合
• 4.5 激光修整青铜金刚石砂轮激光功率密度阈值的研究
• 4.5.1 青铜结合剂物理属性
• 4.5.2 激光功率密度阈值的计算
• 4.5.3 激光修整砂轮功率密度阈值的仿真验证
• 4.5.4 激光修锐与修整砂轮功率密度阈值的试验验证
• 4.6 基于 Visual Basic 激光修整青铜金刚石砂轮参数判定
• 4.7 本章小结
• 第5章 脉冲激光在线修整青铜金刚石砂轮试验研究
• 5.1 脉冲激光在线修整砂轮转速的研究
• 5.1.1 采集系统的要求
• 5.1.2 实时控制的要求
• 5.1.3 修整精度的要求
• 5.2 测控系统
• 5.2.1 测控系统的组成
• 5.2.2 测控系统工作流程
• 5.3 脉冲激光在线修整金刚石砂轮试验
• 5.4 本章小结
• 第6章 激光在线修整青铜金刚石砂轮效果评价
• 6.1 激光在线修整砂轮试验工艺参数的选取
• 6.2 砂轮磨削力比
• 6.2.1 砂轮的磨削力
• 6.2.2 砂轮磨削力的测量
• 6.2.3 磨削力测量系统
• 6.2.4 青铜金刚石砂轮磨削硬质合金磨削力测量试验
• 6.3 砂轮磨削工件的表面粗糙度
• 6.4 激光在线修整砂轮正交磨削试验结果
• 6.5 基于灰色关联分析的砂轮在线修整参数的评价
• 6.5.1 灰色关联度分析步骤
• 6.5.2 激光在线修整砂轮灰色关联分析结果
• 6.6 本章小结
• 总结与展望
• 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 （程序部分源代码）