青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究

论文摘要

超硬磨料砂轮具有良好的磨削性能，在精密超精密磨削和难加工材料磨削等领域有着广泛应用。但是，超硬磨料砂轮的修整很困难，这在一定程度上影响了超硬磨料砂轮磨削性能的充分发挥。激光修整超硬磨料砂轮是一种很具前景的修整方法，其机理是基于激光与物质的相互作用——热效应，通过激光辐照砂轮表面，使材料发生质量迁移。本文以青铜金刚石砂轮为试验对象，以脉冲激光为修整工具，对激光修整青铜金刚石砂轮进行研究。首先，自行研制了一台声光调Q Nd:YAG激光器，并对激光器的性能进行了测试。结果显示，该激光器的最大平均功率可达200W，脉冲宽度约为150ns~1000ns。其次，在合理的假设下，建立了单脉冲激光烧蚀青铜和金刚石温度场的有限元模型，模拟了不同激光功率密度作用下青铜和金刚石的温度分布。借助温度场云图得到了可供修整试验参考的激光参数：适用于修锐的脉冲激光功率密度范围为1.66×10~7~7.5×10~7W/cm~2；适用于整形的脉冲激光功率密度范围为9.95×10~7~3.52×10~8W/cm~2。在模拟结果的基础上，进一步分析了脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的机理为：在空气介质中和合适的激光功率密度下，青铜结合剂被气化去除，金刚石被氧化燃烧去除。随后，选择了合适的激光参数，用脉冲激光对青铜金刚石砂轮进行修整试验。经过8~9小时修整，将砂轮的表面圆跳动误差从450μm左右降至约20μm，基本消除了偏心现象。另外，重点分析了激光修整试验过程中青铜金刚石砂轮的表面质量变化，试验结果表明，激光修整可获得良好的砂轮表面形貌。最后，以YT5硬质合金作为试件，使用经激光修整的青铜金刚石砂轮磨削试件表面，测量磨削过程中产生的磨削力，分析了砂轮的磨削性能和磨损特性。同时，用机械法修整的青铜金刚石砂轮做对比试验。试验结果表明，经激光修整的青铜金刚石砂轮磨削性能相对较好，且更不容易钝化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 激光修整超硬磨料砂轮概述
• 1.1.1 超硬磨料砂轮及其修整方法
• 1.1.2 激光修整超硬磨料砂轮
• 1.2 激光修整超硬磨料砂轮研究现状
• 1.3 激光修整超硬磨料砂轮温度场模拟
• 1.4 超硬磨料砂轮表面质量分析
• 1.5 激光修整青铜金刚石砂轮磨削性能研究
• 1.6 本文研究内容及目标
• 第2章 激光修整青铜金刚石砂轮试验系统
• 2.1 声光调 Q Nd:YAG 激光器
• 2.1.1 工作物质及泵浦源
• 2.1.2 光学谐振腔的设计
• 2.1.3 声光调 Q Nd:YAG 激光器参数的测试
• 2.1.3.1 光束质量
• 2.1.3.2 激光平均功率
• 2.1.3.3 声光调 Q 激光脉冲宽度
• 2.2 测控系统
• 2.2.1 测控系统的构成
• 2.2.2 测控系统的工作原理
• 2.2.3 测控系统的工作流程
• 2.3 试验平台
• 2.4 本章小结
• 第3章 脉冲激光修整青铜金刚石砂轮温度场模拟及机理分析
• 3.1 单脉冲烧蚀青铜和金刚石的传热学模型
• 3.1.1 传热学控制方程
• 3.1.2 边界条件及初始条件
• 3.1.3 有限元几何模型
• 3.1.4 脉冲激光功率密度阈值数值模拟计算
• 3.2 单脉冲激光烧蚀青铜和金刚石温度场仿真结果
• 3.2.1 单脉冲激光烧蚀青铜温度场
• 3.2.2 单脉冲激光烧蚀金刚石磨粒温度场
• 3.3 激光修整青铜金刚石砂轮机理分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 激光修整青铜金刚石砂轮试验及砂轮表面质量分析
• 4.1 试验对象
• 4.2 试验方案
• 4.2.1 试验原理
• 4.2.2 试验步骤
• 4.3 激光修整青铜金刚石砂轮试验
• 4.4 青铜金刚石砂轮表面质量分析
• 4.4.1 最小二乘圆法评定圆度误差原理
• 4.4.2 激光修整青铜金刚石砂轮表面质量分析
• 4.4.3 机械法修整青铜金刚石砂轮表面质量
• 4.5 本章小结
• 第5章 青铜金刚石砂轮磨削性能测试及磨损特性分析
• 5.1 磨削力及测量原理
• 5.1.1 磨削力的意义
• 5.1.2 磨削力的测试原理及测试装置
• 5.1.3 试件材料
• 5.2 青铜金刚石砂轮磨削硬质合金磨削力测试试验
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 激光修整青铜金刚石砂轮磨削力测试结果
• 5.2.3 机械法修整青铜金刚石砂轮磨削力测试结果
• 5.3 青铜金刚石砂轮磨损特性分析
• 5.3.1 超硬磨料砂轮磨损特性概述
• 5.3.2 青铜金刚石砂轮磨削硬质合金磨损特性分析
• 5.3.2.1 磨削力分析
• 5.3.2.2 砂轮表面形貌的变化
• 5.3.2.3 磨削试件表面粗糙度及热损伤
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 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