不锈钢薄片微小孔光纤激光回转打孔方法数值模拟与实验研究

发布时间：2017-11-18 21:32

  本文关键词：不锈钢薄片微小孔光纤激光回转打孔方法数值模拟与实验研究

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【摘要】：在厚度小于0.2mm的不锈钢薄片上,加工直径小于0.5mm的微小孔,无论采用传统的机械加工、化学蚀刻、还是电铸成型等方法均难以保证加工质量,且加工效率低、生产成本高;激光打孔具有效率高、成本低、而且非接触、加工精度高、易于实现自动化等优点,已经在SMT模板微小孔加工中得到广泛应用。但随着市场对激光打孔质量要求的不断提升,通用的激光复制法打孔方式已难以满足孔的质量要求,而激光回转法打孔,具有打孔孔边缘热影响小、孔型精度高、锥度小和重铸层小等优点,因此正被应用于SMT模板打孔领域。本文首先介绍了激光打孔的方式,分析了激光回转打孔中激光与材料的热物理过程,讨论了影响激光回转打孔质量的主要工艺参数。以SUS304材料为研究对象,利用ANSYS APDL编程技术对激光回转打孔过程进行了温度场数值模拟,通过单因素控制变量法依次分析了激光切割速度、激光功率、占空比对激光回转打孔温度场的影响,为激光回转打孔工艺参数的选取奠定了基础。模拟分析表明:熔池温度、出入孔径随着切割速度的增大而减小,随着激光功率和占空比的增大而增大。切割速度对减小激光回转打孔过程中的热积累起着决定性作用。并发现激光回转打孔孔型具有一定锥度。其次,在模拟分析的基础上,选取规格为30mm×30mm×0.12mm的SUS304材料,利用光纤激光器进行激光回转打孔实验研究。通过单因素控制变量法分析了激光功率比、占空比、切割速度、重复频率、辅助气压对打孔质量的影响,实验结果表明:微小孔入孔径随切割速度、重复频率、辅助气压的增大而减小,随着占空比的增大而增大,随功率比的增大呈现先增大后减小的趋势;微小孔的出孔径随切割速度、重复频率、辅助气压的增大而减小,随占空比、功率比的增大而增大。同时发现随着切割速度的增大,微小孔边缘重铸层(热影响区)会减小,但孔边缘会出现波纹状,变粗糙,孔圆滑度会变差;随着重复频率的增大,光斑重叠率增大,孔边缘越来越光滑,孔圆滑度会变好。并将模拟结果和实验结果进行了对比分析,验证了模拟分析的可行性;数值模拟中熔池深度方向呈现一定锥度与实验中孔具有一定锥度现象相吻合。最后,在单因素控制变量法实验的基础上,对激光打孔各工艺参数进行了正交实验。实验结果表明:影响打孔锥度的因子显著性顺序为:切割速度占空比功率比重复频率辅助气压;并得到了最优工艺参数组合为:切割速度12mm/s,占空比8%,重复频率1.5KHz,功率比85%,辅助气压0.8MPa;在此优化参数下得到的最小打孔锥度为0.05°,且微孔边缘热影响区较小,孔圆滑度较好,可以保证较高的打孔质量。
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249

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本文编号：1201235