激光辅助高速精密微切削装置设计与实验研究

发布时间：2020-10-09 21:15

　　钛合金材料因其具有强度大、硬度高、耐热性好等优良特征,而被广泛应用在航空航天、化工研究及其它重要产业部门。然而用传统方法加工钛合金时,常常会出现较高的切削温度和较大的切削力,最终导致刀具的磨损加剧,加工表面质量较差。并且钛合金切削过程中粘刀现象明显,同样会加快刀具磨损,这将会大大缩短刀具使用寿命,影响加工表面质量。为改善加工钛合金时的切削状况,本文将利用激光辅助加热的方法对Ti-6Al-4V钛合金开展正交微切削试验研究。首先,本文以激光辅助加热微切削理论为基础,自行设计并搭建了激光辅助正交微切削装置。在设计阶段利用CATIA软件建立了切削装置的三维模型并通过有限元仿真方法对切削装置的整体结构进行静力学分析、模态分析,经过仿真分析结果得知所设计的激光辅助正交微切削系统结构合理、安全稳定,符合设计要求。然后利用搭建的激光辅助正交微切削装置进行Ti-6Al-4V钛合金微切削实验研究,主要探究激光参数、切削参数等对热影响区、加工表面质量、刀具磨损等的影响。实验结果显示:激光功率、工件移动速度是热影响区的主要影响因素;与常规切削相比,激光辅助正交微切削能够降低表面粗糙度值,改善加工质量并减轻刀具在切削过程中的磨损。文中通过单因素试验、正交试验研究了不同参数对加工质量、表面残余应力、表面显微硬度的影响规律,并运用极差法探究了各参数对表面粗糙度、表面残余应力的影响程度,结果显示,各因素对表面粗糙度值Ra的影响程度从大到小依次是:切削速度、激光功率、切削深度;对表面残余应力的影响程度从大到小依次是:切削深度、激光功率、切削速度。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG502
【部分图文】：

激光辅助,微切削,平台

图 1.1 激光辅助微切削平台mar[29]研究团队也自行设计了一套激光辅助微切该团队里的研究人员利用该实验系统进行了大量研究，结果表明激光辅助加热技术可有效地提高削过程中的刀具磨损也明显得到改善。

激光辅助,微切削,实验系统

Kumar[29]研究团队也自行设计了一套激光辅助微切削实验系统（如图1.2 所示），并且该团队里的研究人员利用该实验系统进行了大量的激光辅助微铣削A2 工具钢的试验研究，结果表明激光辅助加热技术可有效地提高铣削精度、提升表面质量，并且微切削过程中的刀具磨损也明显得到改善。图 1.2 激光辅助微切削实验系统1-激光定向用旋转台, 2-X、Y、Z 三向滑台, 3-主轴, 4-光纤, 5-准直器美国普渡大学，由 Yung C.Shin[30,31]带领的研究团队主要致力于激光辅助加工陶瓷等硬脆材料的实验研究，并获得了丰硕的研究成果。首先他们通过实验对比验证了激光辅助切削能够改善 SiC、莫来石等陶瓷材料的加工质量；然后以材料去除率、加工表面质量、亚表面裂纹等为实验指标进行了大量的加工参数的优化实验；针对不同材料分别研究了材料去除机理及刀具磨损机理，最后还建立了三维 LAM 加工模型，主要用于研究加工过程中的应力和应变的变化情况，比较全面详细地研究了激光辅助加热切削的内在机制。美国研究学者 Lei[32]等人以 SiC 和 Si3N4 为实验材料进行了大量切削实验，切削装置如下图 1.3 所示。他们从微观角度解释了激光辅助切削过程中材料分离的本质

温度场分布,激光辅助,切削实验

图 1.3 激光辅助切削实验图lton[33]研究团队通过对不同金属及合金材料如 Anel718 等开展了大量激光辅助加热微切削试验研及使用寿命，结果表明，常规切削时刀具使用削时刀具平均寿命为 24.3 分钟，刀具使用寿命延34]研究团队对激光辅助加热微铣削 Ti-6Al-4V 的光照射区域的温度场分布，由结果可知当温度在力可以减少 20% 25%。an[35]等对 Si3N4激光辅助切削过程进行了多尺度、表面微裂纹、残余应力等，最终通过实验检验等采用离散单元和有限元法，有效地模拟了切削材料切除机理。2011 年 Germain[37]等也对加热针对切削力的大小、切屑的产生及切屑形貌、表究分析。ndekar[38]等以 Ti6Al4V 为实验材料开展了激光辅

【参考文献】