【摘要】：再鑄層和微裂紋直接決定著零件的使用壽命和穩(wěn)定性。為了解決激光加工有再鑄層、電解加工效率低的問題,本文提出一種激光電解組合微細加工新方法,建立組合微細加工的數(shù)學模型,實驗驗證數(shù)學模型的可靠性以及組合微細加工的可行性,在航空等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件加工制造中具有極其重要的意義。因此,以工程應用為目的,本文的主要研究工作如下:首先,提出了一種無再鑄層微孔的激光電解組合微細加工方法。針對裸金屬微孔加工,采用毫秒脈沖激光熱效應去除金屬材料,小間隙電解微細加工蝕除激光產(chǎn)生的再鑄層,進行裸金屬微孔孔壁的無再鑄層加工,提高加工精度和效率;針對帶熱障涂層鎳基合金微孔加工,采用電解液輔助納秒紫外激光刻蝕熱障涂層材料,小間隙電解微細加工蝕除鎳基合金材料,進行帶涂層合金微孔無再鑄層加工。其次,建立了激光電解組合微細加工的數(shù)學模型。給出了激光微細加工的溫度場模型和小間隙電解微細加工的電場模型,建立了組合微細加工的一種精確的數(shù)學模型,計算出裸金屬微孔和帶熱障涂層鎳基合金微孔的最終形狀,為實驗研究提供依據(jù)。最后,采用激光電解組合微細加工實驗系統(tǒng)對不銹鋼材料、帶熱障涂層鎳基合金材料進行實驗,驗證數(shù)學模型的可靠性以及組合微細加工的可行性。(1)使用ANSYS軟件和組合微細加工實驗系統(tǒng),驗證數(shù)學模型的可靠性。不銹鋼微孔組合微細加工數(shù)值模擬的入口直徑相對誤差為0.84%,加工深度相對誤差為12.80%。帶涂層合金微孔組合微細加工數(shù)值模擬的入口直徑相對誤差為0.83%,出口直徑相對誤差為1.60%。相對誤差均在15%范圍內(nèi),模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致,驗證組合微細加工的數(shù)學模型的可靠性。(2)基于金相顯微鏡,研究不銹鋼微孔、帶涂層合金微孔的組合微細加工實驗。研究結(jié)果表明:相對于單一激光微細加工,不銹鋼微孔組合微細加工的材料表面無熔渣,微孔孔壁上也無再鑄層。相對于單一電解微細加工,不銹鋼微孔組合微細加工的效率、精度分別提高51.35%、30.43%。帶熱障涂層鎳基合金微孔的入口處、出口處干凈,無殘渣,帶涂層合金微孔孔壁上無再鑄層。通過本文的研究,表明了激光電解組合微細加工方法具有很好的工程應用前景,可用于指導裸金屬微孔與帶涂層合金微孔的無再鑄層加工,構(gòu)建的微細加工實驗系統(tǒng)為該方法的工程應用奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

意大利國家研究委員會Ｃ．Ａ．Ｂｉｆｆｉ等采用“納秒激光加工”，通過納秒脈沖光纖激光逡逑器在ＮｉＭｎＧａ形狀記憶合金進行微細加工實驗［２３］。納秒脈沖光纖激光器加工ＮｉＭｎＧａ形狀逡逑記憶合金微槽如圖１．１，材料去除量隨著掃描速度降低而增大。但金屬的納秒激光加工存逡逑在再鑄層、微裂紋等問題。逡逑ＢＢＨＷＷ逡逑？邐ｆ‘＊＊＊＊＊＊邋．邐ｉ邋一邋．逡逑！邋邐邋＊邋ｗ邐＾逡逑ａ）邋ｆｌ描速度１邋ＯＯＯｍｍ／ｓ邐ｂ）婦描速度３００ｍｍ／ｓ逡逑圖１．１納秒脈沖光纖激光器加工ＮｉＭｎＧａ形狀記憶合金微槽逡逑帕爾瑪大學Ｌ．邋Ｒｏｍｏｌｉ等采用“飛秒激光加工”，，在３５０Ｍｍ厚度的不銹鋼工件上刻蝕逡逑圓形孔（直徑為１８０ｐｍ），其加工時間僅為電火花加工的五分之一，無再鑄層［２４］。但金逡逑屬的飛秒激光加工效率較低（相對于毫秒激光加工）。逡逑西班牙巴斯克大學ＡｒｏａＭｏｍｎ－Ｒｕｉｚ等采用“飛秒激光加工”，進行加工固體氧化物逡逑燃料電池中的金屬／陶瓷復合材料［２５］。根據(jù)Ｘ射線光譜化學分析，網(wǎng)孔的蒸發(fā)和氧化使得逡逑鐵和鉻氧化物形成，最初元素復合材料上的激光作用對系統(tǒng)性能影響不大。但金屬和非逡逑金屬的飛秒激光加工效率較低（相對于毫秒激光加工和納秒激光加工）。逡逑在國內(nèi)，上海交通大學賴宏坤等采用“納秒激光加工”，通過５３２ｎｍ納秒光纖激光逡逑進行加工覆有熱障涂層的金屬［２６］。優(yōu)化激光加工參數(shù)，獲得最大加工效率，并使得熱效逡逑應引起的再鑄層、微裂紋等缺陷最小。但金屬和非金屬的納秒激光加工有再鑄層、微裂逡逑３逡

北京航空制造工程研宄所孫瑞峰等采用“皮秒激光加工”，通過激光旋切法在帶熱逡逑障涂層鎳基單晶高溫合金上加工微孔［２７］。毫秒激光加工與皮秒激光加工的帶涂層合金微逡逑孔形貌對比如圖１．２，相對于毫秒激光加工，皮秒激光加工的微孔幾乎無錐度。但皮秒激逡逑光加工中產(chǎn)生的等離子體沖擊力作用于孔壁，導致陶瓷涂層出現(xiàn)崩塊和裂紋。逡逑，冒邋■逡逑＃邋Ｒｅｃａｓｔ邋ｂｙｔＳＨ逡逑史＇，：ｆ．勢■逡逑ａ）邋Ｎｄ：ＹＡＧ毫秒激光加工邐ｂ）皮秒激光加工逡逑圖１．２毫秒激光加工與皮秒激光加工的帶涂層合金微孔形貌對比逡逑華中科技大學Ｂａｏｙｅ邋Ｗｕ等采用“皮秒激光加工”，進行燒蝕Ｃｒｌ２Ｍ0Ｖ模具鋼［２８］。逡逑研究激光能量密度和波長對燒蝕速度和加工質(zhì)量的影響，ｌ0６４ｎｍ激光和３５５ｎｍ激光的燒逡逑蝕速度呈對數(shù)增長，而５３２ｎｍ激光燒蝕速度先對數(shù)增長后快速減至零，波長對顯微硬度逡逑及熱影響區(qū)的影響很小。皮秒激光加工Ｃｒｌ２ＭｏＶ模具鋼剖面如圖１．３，５３２ｎｍ激光加工產(chǎn)逡逑生的再鑄Ｍ厚度大于ｌ0６４ｎｍ激光、３５５ｎｍ激光。逡逑Ｍ１邋－逡逑ａ）邋１０６４ｎｍ邐ｂ）邋５３２ｎｍ邐ｃ）邋３５５ｎｍ逡逑圖１．３皮秒激光加工Ｃｒｌ２ＭｏＶ模具鋼剖面逡逑中南大學范楠楠等研宄“飛秒激光加工”
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG662;TG665

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本文編號：2639847