激光电解组合微细加工技术研究

发布时间：2020-04-25 05:08

【摘要】：再铸层和微裂纹直接决定着零件的使用寿命和稳定性。为了解决激光加工有再铸层、电解加工效率低的问题,本文提出一种激光电解组合微细加工新方法,建立组合微细加工的数学模型,实验验证数学模型的可靠性以及组合微细加工的可行性,在航空等领域关键零部件加工制造中具有极其重要的意义。因此,以工程应用为目的,本文的主要研究工作如下:首先,提出了一种无再铸层微孔的激光电解组合微细加工方法。针对裸金属微孔加工,采用毫秒脉冲激光热效应去除金属材料,小间隙电解微细加工蚀除激光产生的再铸层,进行裸金属微孔孔壁的无再铸层加工,提高加工精度和效率;针对带热障涂层镍基合金微孔加工,采用电解液辅助纳秒紫外激光刻蚀热障涂层材料,小间隙电解微细加工蚀除镍基合金材料,进行带涂层合金微孔无再铸层加工。其次,建立了激光电解组合微细加工的数学模型。给出了激光微细加工的温度场模型和小间隙电解微细加工的电场模型,建立了组合微细加工的一种精确的数学模型,计算出裸金属微孔和带热障涂层镍基合金微孔的最终形状,为实验研究提供依据。最后,采用激光电解组合微细加工实验系统对不锈钢材料、带热障涂层镍基合金材料进行实验,验证数学模型的可靠性以及组合微细加工的可行性。(1)使用ANSYS软件和组合微细加工实验系统,验证数学模型的可靠性。不锈钢微孔组合微细加工数值模拟的入口直径相对误差为0.84%,加工深度相对误差为12.80%。带涂层合金微孔组合微细加工数值模拟的入口直径相对误差为0.83%,出口直径相对误差为1.60%。相对误差均在15%范围内,模拟结果与实验结果一致,验证组合微细加工的数学模型的可靠性。(2)基于金相显微镜,研究不锈钢微孔、带涂层合金微孔的组合微细加工实验。研究结果表明:相对于单一激光微细加工,不锈钢微孔组合微细加工的材料表面无熔渣,微孔孔壁上也无再铸层。相对于单一电解微细加工,不锈钢微孔组合微细加工的效率、精度分别提高51.35%、30.43%。带热障涂层镍基合金微孔的入口处、出口处干净,无残渣,带涂层合金微孔孔壁上无再铸层。通过本文的研究,表明了激光电解组合微细加工方法具有很好的工程应用前景,可用于指导裸金属微孔与带涂层合金微孔的无再铸层加工,构建的微细加工实验系统为该方法的工程应用奠定了基础。
【图文】：

帕尔玛,纳秒脉冲,飞秒激光,微槽

意大利国家研究委员会Ｃ．Ａ．Ｂｉｆｆｉ等采用“纳秒激光加工”，通过纳秒脉冲光纤激光逡逑器在ＮｉＭｎＧａ形状记忆合金进行微细加工实验［２３］。纳秒脉冲光纤激光器加工ＮｉＭｎＧａ形状逡逑记忆合金微槽如图１．１，材料去除量随着扫描速度降低而增大。但金属的纳秒激光加工存逡逑在再铸层、微裂纹等问题。逡逑ＢＢＨＷＷ逡逑？逦ｆ‘＊＊＊＊＊＊邋．逦ｉ邋一邋．逡逑！邋逦邋＊邋ｗ逦＾逡逑ａ）邋ｆｌ描速度１邋ＯＯＯｍｍ／ｓ逦ｂ）妇描速度３００ｍｍ／ｓ逡逑图１．１纳秒脉冲光纤激光器加工ＮｉＭｎＧａ形状记忆合金微槽逡逑帕尔玛大学Ｌ．邋Ｒｏｍｏｌｉ等采用“飞秒激光加工”，，在３５０Ｍｍ厚度的不锈钢工件上刻蚀逡逑圆形孔（直径为１８０ｐｍ），其加工时间仅为电火花加工的五分之一，无再铸层［２４］。但金逡逑属的飞秒激光加工效率较低（相对于毫秒激光加工）。逡逑西班牙巴斯克大学ＡｒｏａＭｏｍｎ－Ｒｕｉｚ等采用“飞秒激光加工”，进行加工固体氧化物逡逑燃料电池中的金属／陶瓷复合材料［２５］。根据Ｘ射线光谱化学分析，网孔的蒸发和氧化使得逡逑铁和铬氧化物形成，最初元素复合材料上的激光作用对系统性能影响不大。但金属和非逡逑金属的飞秒激光加工效率较低（相对于毫秒激光加工和纳秒激光加工）。逡逑在国内，上海交通大学赖宏坤等采用“纳秒激光加工”，通过５３２ｎｍ纳秒光纤激光逡逑进行加工覆有热障涂层的金属［２６］。优化激光加工参数，获得最大加工效率，并使得热效逡逑应引起的再铸层、微裂纹等缺陷最小。但金属和非金属的纳秒激光加工有再铸层、微裂逡逑３逡

形貌,飞秒激光,微孔,孔壁

北京航空制造工程研宄所孙瑞峰等采用“皮秒激光加工”，通过激光旋切法在带热逡逑障涂层镍基单晶高温合金上加工微孔［２７］。毫秒激光加工与皮秒激光加工的带涂层合金微逡逑孔形貌对比如图１．２，相对于毫秒激光加工，皮秒激光加工的微孔几乎无锥度。但皮秒激逡逑光加工中产生的等离子体冲击力作用于孔壁，导致陶瓷涂层出现崩块和裂纹。逡逑，冒邋■逡逑＃邋Ｒｅｃａｓｔ邋ｂｙｔＳＨ逡逑史＇，：ｆ．势■逡逑ａ）邋Ｎｄ：ＹＡＧ毫秒激光加工逦ｂ）皮秒激光加工逡逑图１．２毫秒激光加工与皮秒激光加工的带涂层合金微孔形貌对比逡逑华中科技大学Ｂａｏｙｅ邋Ｗｕ等采用“皮秒激光加工”，进行烧蚀Ｃｒｌ２Ｍ0Ｖ模具钢［２８］。逡逑研究激光能量密度和波长对烧蚀速度和加工质量的影响，ｌ0６４ｎｍ激光和３５５ｎｍ激光的烧逡逑蚀速度呈对数增长，而５３２ｎｍ激光烧蚀速度先对数增长后快速减至零，波长对显微硬度逡逑及热影响区的影响很小。皮秒激光加工Ｃｒｌ２ＭｏＶ模具钢剖面如图１．３，５３２ｎｍ激光加工产逡逑生的再铸Ｍ厚度大于ｌ0６４ｎｍ激光、３５５ｎｍ激光。逡逑Ｍ１邋－逡逑ａ）邋１０６４ｎｍ逦ｂ）邋５３２ｎｍ逦ｃ）邋３５５ｎｍ逡逑图１．３皮秒激光加工Ｃｒｌ２ＭｏＶ模具钢剖面逡逑中南大学范楠楠等研宄“飞秒激光加工”
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG662;TG665

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