硬脆材料激光与超声复合加工实验研究

发布时间：2017-09-10 18:20

  本文关键词：硬脆材料激光与超声复合加工实验研究

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【摘要】：硬脆材料本身具有强度高、硬度高、耐腐蚀和抗氧化等优异性能。但同时硬脆材料的高硬度、高脆性、断裂韧性低也导致其加工难度很大,很难获得预期的精度和形状。本项工作分别利用无水条件下和水环境下激光与超声复合加工新方法,对氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、硬质合金、W-Zr C复合材料等多种硬脆材料进行刻蚀加工实验,重点研究氮化硅陶瓷。通过SEM、体视显微镜等多种检测手段研究该复合方法对材料刻蚀深度和刻蚀表面质量的影响,证明水下激光与超声复合加工方法能够提高加工质量。本研究旨在为多种硬脆性材料的高效、高精度的加工提供一种新的加工手段。本文的主要研究工作如下:(1)研究设计出激光与超声复合加工实验系统。该实验系统的构建用于系统研究激光与超声复合刻蚀加工工艺和加工机理,为保证加工质量,研究设计的超声振动平台只在Z轴方向有振幅。(2)在无水条件下分别利用单热源激光加工方法和激光与超声复合加工方法对氮化硅陶瓷进行刻蚀,并对结果进行对比分析。研究激光和超声工艺参数对激光与超声复合刻蚀氮化硅陶瓷刻蚀量和刻蚀表面质量的影响,利用SEM、二维显像仪及EDS等工具分别进行刻槽表面微观和宏观分析以及表面熔渣元素成分分析。结果表明:有振动辅助的激光复合刻蚀深度基本上大于无振动时的情况,但两种条件下加工得到的刻槽内均充满熔渣,刻蚀表面无明显区别。(3)鉴于无水条件下的加工质量不理想,因此尝试在刻蚀加工中引入水流。利用水下超声振动产生的空化效应清洗刻槽表面,加工表面质量得到改善。选取合理工艺参数,研究激光和超声参数等对刻蚀表面质量和刻蚀深度的影响。研究表明:引入水流后激光刻蚀得到的槽内基本无熔渣堆积;有振动辅助的激光与复合刻蚀表面比无振动时干净,熔渣颗粒较小,表面质量较好,激光刻蚀深度基本上大于无振动的情况。(4)对碳化硅、硬质合金、W-Zr C等硬脆材料进行无水条件、有水条件下的激光与超声复合加工实验。在有水参与、无水参与、无振动、有振动等四种条件下,激光加工Si C陶瓷得到的孔的表面形貌并无明显区别。对硬质合金的加工时,有水条件下的激光刻蚀形成的孔内基本无熔渣附着,孔成规则的圆形,加工质量有一定改善,而无水条件时的孔形状不规则,孔表面存在较厚的重铸层;水下超声振动辅助激光加工形成更加规则的孔形,表面更加光滑。在无水条件下,激光刻蚀加工W-Zr C复合材料时,刻槽内部及边缘熔渣堆积严重,刻蚀槽体基本被熔渣覆盖,加工质量较差。
【关键词】：激光与超声复合 复合加工 刻槽深度 加工表面
【学位授予单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG66
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 引言13-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 激光加工技术14-16
• 1.2 激光复合加工技术16-20
• 1.3 硬脆材料加工技术的发展现状20-25
• 1.3.1 传统加工方法21-22
• 1.3.2 特种加工方法22-25
• 1.4 激光与超声复合加工技术25-28
• 1.4.1 超声辅助加工技术25-26
• 1.4.2 超声辅助激光加工技术26-28
• 1.5 本课题研究的内容和意义28-30
• 第二章 激光与超声复合加工基本原理30-36
• 2.1 激光去除材料机理30-32
• 2.2 激光与超声复合加工工艺机理探究32-35
• 2.2.1 激光与超声复合加工机理32-33
• 2.2.2 水下激光与超声复合加工机理33-35
• 2.3 本章小结35-36
• 第三章 激光与超声复合加工实验设计36-43
• 3.1 实验装置36-39
• 3.1.1 实验装置的总体设计36
• 3.1.2 激光设备选择36-37
• 3.1.3 超声振动平台的设计37-39
• 3.1.4 水流系统选择39
• 3.2 实验材料39-41
• 3.2.1 氮化硅陶瓷39-40
• 3.2.2 碳化硅陶瓷40
• 3.2.3 硬质合金40
• 3.2.4 W-ZrC复合材料40-41
• 3.3 实验方案41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章无水条件下激光与超声复合加工氮化硅实验43-50
• 4.1 超声振动对氮化硅复合刻蚀表面质量的影响43-44
• 4.2 激光与超声复合刻蚀氮化硅表面成分分析44-45
• 4.3 激光工艺参数对氮化硅陶瓷复合刻蚀深度的影响45-49
• 4.3.1 激光能量45-46
• 4.3.2 激光频率46-47
• 4.3.3 激光脉宽47-48
• 4.3.4 超声振动功率48-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第五章 水下激光与超声复合刻蚀加工氮化硅实验50-57
• 5.1 水下超声振动对氮化硅复合刻蚀表面质量的影响50-52
• 5.2 激光与超声复合刻蚀氮化硅表面成分分析52-53
• 5.3 激光工艺参数对氮化硅陶瓷复合刻蚀深度的影响53-56
• 5.3.1 激光电流53
• 5.3.2 激光频率53-54
• 5.3.3 激光脉宽54-55
• 5.3.4 超声振动功率55-56
• 5.4 本章小结56-57
• 第六章 其他硬脆材料的激光与超声复合加工实验57-61
• 6.1 碳化硅陶瓷加工57-58
• 6.2 硬质合金加工58-60
• 6.3 W-ZrC复合材料加工60
• 6.4 本章小结60-61
• 结论61-63
• 参考文献63-69
• 致谢69-70
• 作者简介及读研期间的主要科研成果70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 贺长林;张弓;王映品;陈贤帅;陈少克;;激光辅助加工与热处理在汽车关键零件加工中的应用综述[J];热加工工艺;2014年08期

2 李新宇;;超声场下激光熔凝过程中熔池流场分析[J];应用激光;2014年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 陈笑;高功率激光与水下物质相互作用过程与机理研究[D];南京理工大学;2004年

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本文编号：825892