激光辅助加工熔石英玻璃的切削机理与试验研究

论文摘要

熔石英材料因其强度高、密度低、热稳定性好,耐磨性好等优良的性能,在航空航天、国防装备、半导体、光电子、原子能等领域有着广泛的应用。金刚石砂轮磨削是常用的加工技术,但该工艺的材料去除率低、加工成本高、表面/亚表面裂纹极难检测,严重阻碍了熔石英元件的广泛应用。目前,各种非传统加工技术得到了发展,但是由于熔石英材料的高硬脆特性,仍然无法达到良好的加工效果。因此,工业界对熔石英玻璃的高效、可靠、灵活的加工技术一直有着迫切的需求。激光辅助加工技术（Laser Assisted Machining,LAM）是一种很用前途的加工方法,已经在难加工材料领域展示出了巨大的加工潜力,具有降低成本、提高效率和减小表面损伤等优势。为了使激光辅助加工熔石英玻璃成为一种可行的工业技术,非常有必要对LAM技术进行全面的研究。基于此,本文首次针对熔石英玻璃,采用激光辅助车削技术探索了LAM加工熔石英玻璃的切削机理。这为实现熔石英元件的高效,高精,优质加工提供更为可靠的研究基础。本论文开展的主要研究工作包括:（1）开展了激光辅助加工温度场模型研究。基于激光与熔石英材料的相互作用机理,实验测量了熔石英材料的吸收率、辐射率、热导率等热物性参数。通过自定义热源子程序建立平面移动热源模型,揭示了静态、动态条件下工件表面的温度演化规律。基于热传导理论,建立了圆柱面上的三维瞬态传热模型,通过横截面和纵截面分析了工件表面和内部的温度分布。采用红外测温实验验证了模型的准确性,并获得了激光功率、光斑大小、工件转速等参数对温度场的影响规律。针对工件内部加热不充分,提出了定点预热和扫描预热加热方式,其有效的改善了工件温度分布,更有利于温度向工件内部传导。从工件表面温度分布、三个方向上的温度梯度讨论了圆形、椭圆形、方形三种热源模型的预热效果,结果表明方形光斑内温度分布范围更广,更均匀。切削层温度场分析结果表明,切削层的最低温度位于刀尖处。当激光入射点位于过渡面中间时,切削区平均温度最高。通过材料去除平面的温度场分析,获得了进给速度、切削深度、激光光斑与刀具的角度和距离对刀具温度和切削区平均温度的影响规律。（2）开展了激光辅助加工切削模型研究。采用高温拉伸试验和高温霍普金斯压杆试验获得了熔石英玻璃在高温下的力学参数。结果表明,在高温作用下,材料的抗拉强度、弹性模量急剧下降。在高温冲击试验中存在高温软化和应变率强化相互耦合效应。基于光滑粒子流（SPH）方法,建立了SPH-FEM均匀温度场耦合切削模型,对切削过程中的最大等效应力、切削力、表面粗糙度、表面残余应力以及动态切削过程展开了分析和讨论。结果表明随着温度的升高,最大等效应力减小,切削力降低、表面粗糙度改善。采用切削模型分析了刀具钝圆半径对最小切削厚度的影响,从应力分布、切削力、比切削能等方面揭示了LAM加工过程中的尺度效应现象。基于有限单元法（FEM）,建立了热力耦合非均匀温度场的切削模型,从激光功率,切削厚度、预热时间等方面分析了加工过程中切屑形成机理。结果表明,激光加热的不均匀性导致刀具切屑界面摩擦系数的变化以及切削区内的残余应变的不均匀性,使得切屑由螺旋卷曲状向多种形态转变,包括崩碎、块状、卷曲、分叉等。采用环形刀架试验验证了切削模型的有效性。讨论了不同刀具前角下的切屑形态、应力分布、切削力的变化规律。结果表明,随着刀具前角的增大,切屑的连续性增强,切削力逐渐降低。进一步分析了LAM加工过程中刀具磨损机理,获得了工艺参数对刀具最大等效应力的影响规律。（3）开展了激光辅助切削可加工性试验研究。搭建LAM试验系统,从表面粗糙度、刀具磨损、切削力开展了LAM可加工性切削试验。相比于常规切削（CM）,激光辅助加热使工件表面粗糙度显著下降,表面完整性提高,由大尺寸半连续性切屑分析发现,LAM中材料去除机理为塑性变形和脆性断裂混合模式。基于响应面方法（RSM）设计了多目标响应优化,并结合综合满意度函数对回归模型进行了优化与预测,综合满意度为95.30%,获得了最优工艺参数组合。刀具磨损试验表明,在相同的切削条件下,CM中的VB值为370.44μm,而LAM中所获得的VB值为230.08μm,刀具寿命在LAM切削过程中提高了38.79%。进一步分析了PCBN、PCD、TiN涂层陶瓷刀具对切削性能的影响,并采用SEM和EDS对三种刀具的磨损机理进行了分析,结果表明PCD刀具最适合LAM加工。切削力试验表明LAM技术能显著减小切削力:进给方向减小了68.64%,径向减小了66.89%,切向减小了53.61%。同时在LAM切削过程中切削力的波动性减小,比切削力降低。采用田口方法（TM）、响应面方法（RSM）、人工神经网络方法（ANN）方法对切削力进行了优化分析。结果表明,相比于TM方法和RSM方法,ANN方法优化精度更高,更具有鲁棒性。综上所述,高能束激光改变了熔石英玻璃常规切削中的切削机理,使其由脆性断裂转变为脆塑混合的作用模式。因此,LAM技术有效地提高了熔石英玻璃的切削性能。本文通过建模仿真和试验从可加工性角度,初步建立了熔石英玻璃LAM技术的框架体系。但是由于高斯光斑能量分布不均匀,极易造成切削区内的脆塑转变差异化,导致激光辅助加工过程的复杂性。因此,需要从微观组织结构进一步揭示LAM的切削机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景、目的与意义
•   1.2 熔石英玻璃概述
•   1.3 热场辅助切削技术研究现状
•   1.4 激光辅助切削技术加工方式研究现状
•   1.5 激光辅助切削技术数值模拟研究现状
•   1.6 激光辅助切削技术在难加工材料领域的应用
•   1.7 本文主要研究内容
• 第2章 激光辅助加工熔石英玻璃的温度场研究
•   2.1 激光与熔石英材料的相互作用
•   2.2 平面移动热源建模与分析
•   2.3 激光辅助切削温度场有限元模型
•   2.4 工件表面温度测量
•   2.5 不同光斑形状在工件表面的温度场分布
•   2.6 激光辅助切削过渡层温度分析
•   2.7 激光辅助切削材料去除平面温度场分析
•   2.8 本章小结
• 第3章 激光辅助加工熔石英玻璃的切削模型研究
•   3.1 光滑粒子流体动力学（SPH）方法
•   3.2 熔石英玻璃的高温力学性能试验研究
•   3.3 激光辅助加工均匀温度场切削模型分析
•   3.4 激光辅助切削最小切削厚度分析
•   3.5 激光辅助加工非均匀温度场切削模型分析
•   3.6 本章小结
• 第4章 激光辅助加工熔石英玻璃的表面粗糙度研究
•   4.1 激光辅助加工试验系统
•   4.2 常规切削与激光辅助切削试验研究
•   4.3 响应面优化分析
•   4.4 多目标优化分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 激光辅助加工熔石英玻璃的刀具磨损研究
•   5.1 常规切削与激光辅助切削试验分析
•   5.2 三种材质刀具的切削性能分析
•   5.3 刀具的磨损分析
•   5.4 磨损机理分析
•   5.5 本章小结
• 第6章 激光辅助加工熔石英玻璃的切削力研究
•   6.1 常规切削与激光辅助切削切削力试验分析
•   6.2 田口方法与响应面优化分析
•   6.3 人工神经网络优化分析
•   6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 全文总结
•   7.2 论文创新点
•   7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 附录 试验设计方案及试验结果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 宋华伟

导师: 许剑锋

关键词: 激光辅助加工,熔石英玻璃,温度场模型,切削模型,切削机理,可加工性

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 华中科技大学

基金: 国防基础科研计划项目:“面向极端环境的 XXX 光学元件超精密加工及检测技术”项目编号:JCKYXXXX03203C041,国家自然科学基金面上项目:“超精密铣削加工中的刀具与工件接触分析和动力学模拟” 项目编号:51375195

分类号: TN249;TQ171.731

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004722

总页数: 202

文件大小: 13670k

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