声光调Q Nd：YAG脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮的研究

论文摘要

超硬磨料(金刚石和立方氮化硼)砂轮具有异常优良的磨削性能,在精密、超精密磨削,难加工材料成型,高效磨削和磨削自动化中有广泛的应用前景。由于超硬磨料砂轮本身特性,采用传统的基于力的修整方法修整超硬磨料砂轮很难达到使用要求,严重影响了超硬磨料砂轮优良磨削性能的充分发挥。基于热作用的新的激光修锐和整形方法的研究引起了各国学者的关注。　声光调Q脉冲激光以其峰值功率高、占空比小、脉宽短、重复频率高、易于控制等特点被认为是超硬磨料砂轮修整的合适光源。由于激光修整砂轮实质上是基于激光烧蚀去除的机理,因此对声光调Q脉冲激光烧蚀砂轮进行研究十分必要。针对脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,自行研制了一台声光调Q Nd:YAG激光器,并对激光器进行了测试,测量了激光器的平均功率、脉宽和聚焦光斑。结果表明,该激光器输出的最大平均功率可达100W,脉宽约为170 ns至560ns,聚焦光斑直径约为0.26mm。　试验测定了青铜对波长为1.06μm的YAG激光的吸收率。利用声光调Q Nd:YAG激光器对青铜金刚石砂轮进行了单脉冲烧蚀试验研究,得出了激光功率密度、平均功率、脉冲重复频率和离焦量等激光参数对青铜金刚石砂轮烧蚀凹坑深度的影响规律。通过扫描电镜观察烧蚀表面形貌,结合激光与材料作用的理论分析,提出了气化去除和熔体溅射去除双作用烧蚀机理。　基于烧蚀机理,引入了Semak的一维烧蚀模型,并对烧蚀速度和烧蚀深度进行了理论计算。计算结果表明,在功率密度小于6×108 W/cm~2范围内,Semak模型计算值与试验结果吻合较好。

论文目录

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• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 青铜结合剂金刚石砂轮的特点及应用
• 1.1.2 青铜结合剂金刚石砂轮的修整方法
• 1.1.3 激光修整
• 1.2 国内外激光修整砂轮研究现状
• 1.2.1 激光修整砂轮的试验研究
• 1.2.2 激光烧蚀砂轮的机理与模型研究
• 1.3 本文研究的内容及目标
• 1.4 小结
• 第2章 声光调Q Nd:YAG 激光器的设计及测试
• 2.1 声光调Q Nd:YAG 激光器原理与设计
• 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
• 2.2 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 小结
• 第3章 试验装置及试验条件
• 3.1 试验装置
• 3.2 试验材料
• 3.2.1 金刚石磨料
• 3.2.2 青铜结合剂
• 3.3 光切法测量原理
• 3.4 小结
• 第4章 单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验
• 4.1 试验参数
• 4.1.1 激光参数选取
• 4.1.2 工艺参数选取
• 4.2 试验结果
• 4.2.1 烧蚀凹坑深度
• 4.2.2 烧蚀表面形貌
• 4.3 小结
• 第5章 调Q 脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮的数学模型
• 5.1 激光烧蚀机理
• 5.1.1 激光与材料作用的一般原理
• 5.1.2 激光烧蚀效应
• 5.2 激光烧蚀模型
• 5.2.1 建立烧蚀模型的基本假设
• 5.2.2 基于纯气化机制的一维烧蚀模型
• 5.2.3 基于“活塞”机制的一维烧蚀模型
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 熔层表面温度
• 5.3.2 熔层厚度
• 5.3.3 烧蚀速度
• 5.3.4 烧蚀深度
• 5.4 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 （调Q 脉冲激光烧蚀模型Matlab 程序）
• 致谢