大尺度不锈钢板密集微群孔激光加工仿真与实验研究

发布时间：2020-11-17 00:23

　　 激光打孔技术的广泛应用,推动了诸多行业的研究进展,它高效、快速、低成本的打孔特点,奠定了其在群孔加工中无可替代的地位。但是对毫秒激光打孔来说,往往会存在工艺参数复杂、孔表面存在熔渣、内壁有重铸层、微裂纹等问题,严重影响了激光打孔技术在超精密微孔加工中的应用。当孔数量较多时,还会产生材料热变形问题。本文基于水平集方法,在耦合传热和流体流动物理场后,考虑反冲压力、表面张力、马兰戈尼力、重力等对流体的作用,利用热焓-孔隙方法和改进的水平集方法追踪固液界面和气液界面变化,建立激光打孔的二维仿真模型,分析激光打孔温度场分布、孔的成型规律及孔内熔池的流动状态,探讨激光打孔重铸层产生的机理和重铸层的分布状态。选取1mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢进行实验研究,采用正交实验和单因素实验法,研究激光能量、脉冲宽度、脉冲个数、脉冲频率、离焦量、辅助气体压力等工艺参数对孔尺寸和形貌的影响规律,对比实验和仿真结果,验证仿真分析的正确性。为提高激光打孔表面质量,探讨了激光参数对孔表面熔渣、重铸层的影响,提出减少表面熔渣和重铸层的最佳工艺方式。激光群孔加工所产生的板材变形问题,会严重影响孔的一致性和工件的加工质量。本文利用有限元分析方法,建立激光群孔加工过程中板材变形的三维仿真模型,分析板材在激光作用下的热应力状态,探讨微孔上的应力累积对整体板材变形的作用,从理论上提出抑制板材变形的方法。在理论分析的基础上,通过实验研究,探讨工件夹持方式、激光参数和打孔路径等因素对激光打孔中板材变形的影响,验证理论分析的准确性,获得最小变形量的打孔策略。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG665;V261.8
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究的背景和意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究的背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 激光打孔的国内外研究现状
        1.2.2 群孔加工技术的研究现状
        1.2.3 国内外研究现状的分析与总结
    1.3 课题的主要研究内容
第2章 激光单微孔加工过程的建模与仿真
    2.1 引言
    2.2 基本原理
        2.2.1 激光打孔基本原理
        2.2.2 水平集基本原理
    2.3 激光打孔数学模型的建立
        2.3.1 激光打孔热传导模型
        2.3.2 激光打孔流体流动模型
    2.4 仿真与分析
    2.5 本章小结
第3章 激光单微孔加工工艺的实验研究
    3.1 引言
    3.2 实验设备
    3.3 激光微孔加工工艺的实验研究
        3.3.1 激光微孔加工工艺的正交实验
        3.3.2 激光微孔加工工艺参数对孔几何尺寸的影响实验
        3.3.3 激光微孔加工工艺参数对孔表面熔渣的影响实验
        3.3.4 激光打孔重铸层现象研究
    3.4 本章小结
第4章 激光微群孔加工不锈钢板变形的仿真研究
    4.1 引言
    4.2 激光微群孔加工不锈钢板变形的数学模型
        4.2.1 虚功原理
        4.2.2 热塑性理论
        4.2.3 热传导理论
    4.3 激光微群孔加工不锈钢板变形的模型建立
    4.4 激光微群孔加工不锈钢板变形的实验验证
    4.5 激光微群孔加工不锈钢板变形的模型建立
    4.6 本章小结
第5章 激光微群孔加工不锈钢板变形抑制研究
    5.1 引言
    5.2 实验设备
    5.3 激光微群孔加工不锈钢板变形抑制方案研究
        5.3.1 夹持方式对板材变形的影响
        5.3.2 激光参数对板材变形的影响
        5.3.3 打孔路径对板材变形的影响
    5.4 加工结果
    5.5 本章小结
结论
参考文献
致谢

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本文编号：2886846