超硬磨料对YAG激光吸收系数的测定及数值模拟计算

论文摘要

激光加工的本质是利用材料吸收激光能量改变材料的物理化学结构,因此,研究确定材料对激光的吸收系数是研究激光加工的基础,具有重要的理论意义和实际应用价值。激光修整超硬磨料砂轮作为一种新型的修整技术,正显示出广阔的应用前景。照射到砂轮上的激光一部分被磨料和结合剂吸收,另一部分则被反射或透过超硬磨料作用于结合剂上。激光修整的本质是利用磨粒与结合剂吸收激光能量对砂轮进行深度的整形或轻度的修锐,使砂轮达到所要求的几何形状误差和地形地貌。迄今,针对不断出现的各种超硬磨料对YAG激光的吸收系数测量研究未见报道。如何准确的测定超硬磨料对激光的吸收系数,对激光修整超硬磨料砂轮的理论研究和实际推广应用具有关键作用。本文以试验研究与数值模拟计算相结合,以传热学为理论基础,基于集总参数分析法,设计了超硬磨料对YAG激光吸收系数的测量装置,利用热电偶传感器经数据采集系统测定出超硬磨料试样在YAG激光辐照和冷却过程中的热电势,将热电势值转换成相应的温度值代入吸收系数计算模型,可得出MBD系列人造金刚石和CBN系列立方氮化硼超硬磨料对YAG激光的吸收系数。同时对激光平均功率、激光光斑直径大小、激光连续辐照频率、热电偶传感器放置位置、试样本身质量以及绝热盒的性能等因素对吸收系数的影响情况进行分析,找出其中的影响规律及原因。根据传热学原理分析试验过程中试样的热量传递方式及对流换热形式,同时采用集总参数分析法计算对流换热系数,这是一种针对特殊场合求解对流换热系数的方法。对整个试验过程建立相应的三维非稳态传热物理和数学模型,对传热模型进行离散处理,将由试验测定的试样吸收系数值及对应激光参数代入模型,并采用APDL编程语言编制程序在ANSYS有限元分析软件中进行整个试验过程的数值模拟计算。并将数值模拟计算所得的温度与试验测定的温度进行比较,通过对两者结果的比较分析来验证试样测定结果的准确性以及整个试验方案的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 激光吸收系数的研究现状
• 1.3 超硬磨料的特点及应用
• 1.4 论文的主要研究内容及目标
• 1.5 本章小结
• 第2章 试验理论研究
• 2.1 试验的理论基础
• 2.1.1 激光与材料作用的一般原理
• 2.1.2 集总参数法
• 2.1.2.1 集总参数法简介
• 2.1.2.2 集总参数法的适用条件
• 2.1.2.3 集总参数法的计算模型
• 2.2 传热问题简介
• 2.2.1 传热的基本方式
• 2.2.2 传热控制方程的推导
• 2.2.3 求解方法
• 2.2.4 牛顿冷却
• 2.3 试验中试样的热量传递方式
• 2.3.1 对流换热的换热系数的求解
• 2.3.1.1 用求解公式进行求解
• 2.3.1.2 采用集总参数分析法进行测定求解
• 2.3.2 辐射换热的换热系数公式
• 2.4 本章小结
• 第3章 试验条件及试验装置
• 3.1 试验方案
• 3.1.1 试验方案的设计
• 3.1.2 本试验方案的特点与重复性验证
• 3.1.2.1 本试验方案的特点
• 3.1.2.2 试验的重复性验证
• 3.2 试验材料
• 3.2.1 金刚石磨料
• 3.2.1.1 单晶人造金刚石磨粒
• 3.2.1.2 金刚石磨粒性质
• 3.2.2 立方氮化硼
• 3.2.3 绝热盒的制备材料
• 3.3 热电偶的测温原理及选择与检验
• 3.3.1 热电偶测温原理
• 3.3.1.1 热电效应
• 3.3.1.2 温差电势
• 3.3.1.3 接触电势
• 3.3.1.4 热电势
• 3.3.2 热电偶选取及测温试件结构
• 3.3.2.1 热电偶的选取
• 3.3.3 试验中热电偶测温系统及检验
• 3.3.3.1 温度测量系统
• 3.3.3.2 热电势与温度的转化
• 3.4 本章小结
• 第4章 试验测量与结果分析
• 4.1 试验步骤
• 4.2 试验参数的选取
• 4.2.1 激光参数的选取
• 4.2.2 温度参数的选取
• 4.3 实测结果和影响吸收系数的因素
• 4.3.1 超硬磨料对YAG激光的吸收系数
• 4.3.1.1 人造金刚石超硬磨料对YAG激光的吸收系数
• 4.3.1.2 立方氮化硼（CBN）超硬磨料对YAG激光的吸收系数
• 4.3.2 吸收系数的影响因素
• 4.3.2.1 光斑直径的影响
• 4.3.2.2 超硬磨料质量的影响
• 4.3.2.3 热电偶传感器放置位置的影响
• 4.3.2.4 绝热材料的影响
• 4.3.2.5 激光连续辐照频率的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 数值模拟计算
• 5.1 激光烧蚀超硬磨料的物理模型
• 5.2 激光烧蚀超硬磨料三维数学模型的建立
• 5.2.1 激光烧蚀超硬磨料模型建立的假设
• 5.2.2 传热控制数学方程及边界条件
• 5.2.2.1 传热控制方程
• 5.2.2.2 边界条件
• 5.2.2.3 初始条件
• 5.2.3 传热控制方程的离散化
• 5.2.3.1 传热模型的有限单元法的离散处理
• 5.2.3.2 传热模型的时间离散处理
• 5.3 温度场计算机模拟求解
• 5.3.1 建模、分网及加载
• 5.3.2 温度场的求解
• 5.4 仿真结果分析
• 5.4.1 试验方法的数值模拟验证
• 5.4.1.1 人造金刚石磨粒试样模型对集总参数分析法的验证
• 5.4.1.2 立方氮化硼试样模型对集总参数分析法的验证
• 5.4.2 数值模拟温度曲线计算结果
• 5.4.2.1 数值模拟计算不同激光功率时的温度变化曲线
• 5.4.2.2 数值模拟计算不同激光光斑大小时的温度变化曲线
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 程序部分源代码