【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(xì)加工新方法,建立組合微細(xì)加工的數(shù)學(xué)模型,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性以及組合微細(xì)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(yīng)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(xì)加工方法。針對(duì)裸金屬微孔加工,采用毫秒脈沖激光熱效應(yīng)去除金屬材料,小間隙電解微細(xì)加工蝕除激光產(chǎn)生的再鑄層,進(jìn)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(duì)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(xì)加工蝕除鎳基合金材料,進(jìn)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(xì)加工的數(shù)學(xué)模型。給出了激光微細(xì)加工的溫度場(chǎng)模型和小間隙電解微細(xì)加工的電場(chǎng)模型,建立了組合微細(xì)加工的一種精確的數(shù)學(xué)模型,計(jì)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(shí)驗(yàn)研究提供依據(jù)。最后,采用激光電解組合微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不銹鋼材料、帶熱障涂層鎳基合金材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性以及組合微細(xì)加工的可行性。(1)使用ANSYS軟件和組合微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性。不銹鋼微孔組合微細(xì)加工數(shù)值模擬的入口直徑相對(duì)誤差為0.84%,加工深度相對(duì)誤差為12.80%。帶涂層合金微孔組合微細(xì)加工數(shù)值模擬的入口直徑相對(duì)誤差為0.83%,出口直徑相對(duì)誤差為1.60%。相對(duì)誤差均在15%范圍內(nèi),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,驗(yàn)證組合微細(xì)加工的數(shù)學(xué)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(xì)加工實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明:相對(duì)于單一激光微細(xì)加工,不銹鋼微孔組合微細(xì)加工的材料表面無熔渣,微孔孔壁上也無再鑄層。相對(duì)于單一電解微細(xì)加工,不銹鋼微孔組合微細(xì)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?jiān)?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(xì)加工方法具有很好的工程應(yīng)用前景,可用于指導(dǎo)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(xì)加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為該方法的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

意大利國家研究委員會(huì)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(jìn)行微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)［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(xué)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(shí)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(duì)于毫秒激光加工）。逡逑西班牙巴斯克大學(xué)ＡｒｏａＭｏｍｎ－Ｒｕｉｚ等采用“飛秒激光加工”，進(jìn)行加工固體氧化物逡逑燃料電池中的金屬／陶瓷復(fù)合材料［２５］。根據(jù)Ｘ射線光譜化學(xué)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(fù)合材料上的激光作用對(duì)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(duì)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(xué)賴宏坤等采用“納秒激光加工”，通過５３２ｎｍ納秒光纖激光逡逑進(jìn)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(yīng)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(duì)比如圖１．２，相對(duì)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(dǎo)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(shì)■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(duì)比逡逑華中科技大學(xué)Ｂａｏｙｅ邋Ｗｕ等采用“皮秒激光加工”，進(jìn)行燒蝕Ｃｒｌ２Ｍ0Ｖ模具鋼［２８］。逡逑研究激光能量密度和波長(zhǎng)對(duì)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(duì)數(shù)增長(zhǎng)，而５３２ｎｍ激光燒蝕速度先對(duì)數(shù)增長(zhǎng)后快速減至零，波長(zhǎng)對(duì)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(xué)范楠楠等研宄“飛秒激光加工”
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG662;TG665

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本文編號(hào)：2639847