脉冲激光修整粗粒度青铜金刚石砂轮及其磨削性能研究

发布时间：2018-03-13 03:16

本文选题：激光切向整形　切入点：激光径向修锐　出处：《湖南大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：探索超硬磨料砂轮,尤其是粗粒度青铜结合剂金刚石砂轮的精密、高效、绿色、适用性广、低成本的修整方法,仍是当今磨削加工领域的重点研究方向之一。作为一种非接触式的加工技术,激光修整法完全避免了机械作用力的存在、修整工具的损耗、与机械作用力和工具损耗有关的误差,而且适用于各种结合剂、磨粒粒径、形状、尺寸的超硬磨料砂轮的精密修整。尽管激光修整法具有机械法、电加工法等常用修整法不可比拟的优势,但其目前存在质量较差、精度不足、效率偏低、地形地貌较恶劣等问题与挑战,这在一定程度上阻碍了激光修整法走向工业化应用的进程。鉴于此,本文以改善修整质量、提高修整精度、提高修整效率、优化地形地貌为目标,设计并搭建了脉冲光纤激光修整试验平台,采用理论分析、数值计算、试验探索相结合的方法,系统开展了脉冲光纤激光修整粗粒度青铜结合剂金刚石砂轮研究。具体包括以下研究工作:(1)研究了改善整形质量、提高整形效率、提高整形精度的方法,总结了决定激光整形效果的工艺参数,开展了脉冲光纤激光切向整形粗粒度青铜结合剂金刚石砂轮试验,对比分析了经激光和金刚石滚轮整形后的砂轮表面轮廓精度。结果表明:整形质量与脉冲宽度、保护措施有关;脉冲宽度越短,整形质量越高;在本试验条件下,整形后磨粒的石墨化转变不可避免,可通过采用辅助侧吹氩气方式降低磨粒石墨化程度,改善整形质量。整形效率与焦斑功率密度、激光切削深度有关;焦斑功率密度越高,整形效率越高;当且仅当激光切削深度与砂轮初始轮廓误差相等,即采用基于单层大切深、间断式进给的激光切向整形法时,才可获得最高的整形效率。整形精度与焦斑功率密度、激光切削轨迹重叠率有关;焦斑功率密度越高,整形精度越高;选择较高的激光切削轨迹重叠率,有利于提高整形精度。在优化工艺参数条件下,对初始圆跳动误差、平行度误差分别为83.1,324.6μm的砂轮进行激光整形后,磨粒发生轻度石墨化转变,砂轮表面圆跳动误差、平行度误差分别下降为6.8,3.8μm,比经金刚石滚轮整形后的砂轮表面轮廓精度稍低。(2)开展了单脉冲激光烧蚀青铜结合剂轮试验,观测了烧蚀凹坑微观形貌与几何形状;采集了烧蚀过程中产生的等离子体光谱信号,计算了等离子体特征物理参数;建立了基于Phase-Field方法的单脉冲激光烧蚀青铜材料的固-液-气三相耦合瞬态模型,对单脉冲激光烧蚀青铜结合剂热力学过程进行了数值计算,并将计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明:等离子体电子温度、电子数密度、逆轫致吸收系数均在空间上呈现先增后减的变化规律,其最大值分别为3490 K,1.58×1016 cm-3,7.01×10-5 cm-1;等离子体因逆轫致吸收而造成的激光能量散失是几乎可以忽略不计的。结合剂通过熔化和气化方式去除,凹坑中心截面形状呈上宽下窄的碗状,凹坑边缘有凸起的溅射重凝物,凹坑外围热影响区随激光平均功率的增加而增大。凹坑孔径、孔深随激光平均功率的增大分别在33.2 60.2μm和0.9 3.4μm范围内呈减速增长、线性增长趋势。烧蚀过程达到准稳态气化阶段所需的时间随激光平均功率的增大而缩短,烧蚀区域最高温度和蒸气最大速度随激光平均功率的增大分别在2771 2952 K和80 186 m?s-1范围内呈减速增长趋势。凹坑几何形状模拟值与试验值的最大偏差仅约为5%,该模型能合理模拟单脉冲激光烧蚀过程中凹坑固/液和气/液界面的动态演变过程。(3)研究了改善结合剂平整度、提高修锐质量和效率、控制磨粒出刃高度的方法,总结了决定激光修锐效果的工艺参数,开展了脉冲光纤激光烧蚀青铜结合剂轮和径向修锐青铜结合剂金刚石砂轮试验,对比分析了经激光和碳化硅砂轮修锐后的砂轮表面地形地貌。结果表明:结合剂平整度与激光束能量分布、激光光斑重叠率、激光扫描轨迹重叠率有关;与高斯激光束相比,采用平顶激光束修锐后可获得更高的结合剂平整度;增大激光光斑重叠率和激光扫描轨迹重叠率,有利于提高结合剂平整度。修锐质量与脉冲宽度、激光功率密度有关,修锐效率与激光功率密度有关;脉冲宽度越短,修锐质量越高;增大激光功率密度,有利于提高修锐效率,而修锐质量呈先提高后下降的趋势;磨粒出刃高度与激光循环扫描次数有关,在一定范围内磨粒出刃高度随激光循环扫描次数的增加而增大。与碳化硅砂轮修锐法相比,激光修锐后的砂轮表面磨粒脱落更少,磨粒等高性更好,磨粒出刃高度更合适,磨粒间容屑空间更充足,砂轮具备更优良的表面地形地貌。(4)分别采用经激光和碳化硅砂轮修整好的青铜结合剂金刚石砂轮对YG8硬质合金工件进行平面磨削试验,分析磨削后工件表面质量,对激光修整后的砂轮在不同磨削阶段的磨损形式、磨损量、磨削比进行研究。结果表明:工件表面粗糙度基本上随砂轮线速度的增大而减小,随磨削深度的增大而增加,其最小值达到0.425μm;与碳化硅砂轮修整法相比,采用经激光修整好的砂轮磨削后的工件表面微观形貌更好,表面粗糙度更低;在初期磨损阶段,砂轮磨损主要形式为磨粒磨耗磨损和磨粒脱落磨损,砂轮磨削比约为205.4,磨削后工件表面粗糙度为0.314μm;在正常磨损阶段,砂轮磨损形式以磨粒磨耗磨损为主,并伴有少量磨粒脱落磨损和结合剂磨耗磨损,砂轮磨削比约为405.1,磨削后工件表面粗糙度为0.337μm;在急剧磨损阶段,砂轮磨损主要形式为磨粒脱落磨损、磨粒磨耗磨损、结合剂磨耗磨损,砂轮磨削比约为96.0,磨削后工件表面粗糙度为0.454μm。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG743

【参考文献】