基于飞秒激光的聚晶立方氮化硼刀具制备
发布时间：2020-12-03 14:05
在汽车的动力系统与传动系统的核心零部件处存在着大量的摩擦副,这些摩擦副不仅会降低汽车的燃油经济性,还会缩短汽车的使用寿命。现代摩擦学认为在物体的表面加工一些特殊的微结构可以有效的减少物体间的摩擦损失,其中超硬刀具是决定摩擦副表面微结构加工精度的关键因素。新型无粘结剂聚晶立方氮化硼比普通聚晶立方氮化硼具有更高的硬度和热稳定性,在铁基材料的汽车零部件加工中具有非常好的应用前景。因此,本文以新型聚晶立方氮化硼材料为基础,利用飞秒激光微加工系统来制备聚晶立方氮化硼超硬刀具。本文首先研究了飞秒激光去除聚晶立方氮化硼材料的深层机理,在理论上分析了飞秒激光去除材料的具体过程。通过飞秒激光单脉冲实验,推导出了烧蚀阈值的理论模型,计算出了聚晶立方氮化硼单脉冲烧蚀阈值。通过飞秒激光直线微槽实验,探究了飞秒激光的入射功率、扫描速度与直线微槽的深度、宽度之间的影响规律,并且对直线微槽的形貌以及形成机理进行了理论分析。通过飞秒激光刀具刃口实验对刀具刃口的表面质量进行理论分析,通过检测刀具的表面粗糙度和刃口锋利程度,分析了不同参数条件下飞秒激光对刀具粗糙度,刃口锋利度的影响规律。基于飞秒激光的去除机理,设计了聚晶...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞秒激光干涉技术加工的金属结构[18]
燕山大学工学硕士学位论文-6-图1-2飞秒激光加工的微型激光器[22]上海光机所的X.D.Guo等人[23]使用飞秒激光对纳米结构氧化锌和单晶氧化锌进行了加工实验，通过对比发现单晶氧化锌表面产生的二次谐波要比纳米结构氧化锌表面产生的二次谐波弱。中国科学技术大学的微纳米技木实验室利用自行搭建的飞秒激光加工系统制造了高15μm，宽1μm的微型支撑架等三维器件[24]。2014年，段宣明等人使用飞秒激光双光子聚合技术成功地制备出了金属材料微结构，并将实验结果和仿真结果进行了对比分析[25]。SeifertG等人[26]通过使用飞秒激光加工含有银离子的玻璃，得到了1900纳米的条形结构并且发现其方向与飞秒激光的偏振方向平行。MHirano等人使用飞秒激光双束干涉技术，在各种透明电介质材料的表面制备出全息光栅结构[27]。Kawata等人使用飞秒激光制造出了世界上最小的公牛模型，其尺寸只有7μm高、10μm长，这是飞秒激光加工技术发展的一个里程碑，显示了飞秒激光加工技术的潜在应用价值[28]。BHCumpston等人将脉冲宽度为150fs的飞秒激光聚焦到聚合物的内部，加工出了光子带隙的微结构元件[29]。2014年，陈超等人通过使用飞秒激光在非敏化单模光纤中加工出了高阶倾斜光纤Bragg光栅，此光栅具有非常强稳定性，可以在极端条件下保持稳定状态[30]。随着时代的发展，激光加工技术取得了很大的进步，国外的激光加工技术比国内的成熟一些。国内的激光加工技术起步比较晚，虽然现阶段取得了一些成果，但仍然有很多的问题需要更进一步的探索。1.3超硬刀具的激光加工现状2013年，H.Suzuki等[31]使用飞秒激光对圆柱形单晶金刚石进行了加工实验，通过三维加工技术制造了用于加工非球面模具的金刚石铣刀，如图1-3所示。然后使用
第1章绪论-7-该铣刀对无粘结剂的平面碳化钨模具进行了切割实验，所得模具的精度约为100nm。图1-3单晶金刚石铣刀[31]YoshifumiAmamoto等[32]通过使用波长为1060nm的脉冲激光对纳米多晶金刚石刀具的成形技术进行了探究，通过在中心立柱上安装能够聚焦激光束的镜面阵列，并按照CAD/CAM系统计算出的路径对激光束进行机械扫描，成功地开发了一种适合于纳米多晶金刚石刀具的激光加工技术。2015年，AndreasJoswig等[33]使用了重复频率为1000Hz的飞秒激光对多晶金刚石进行了刀具加工实验，如图1-4所示，通过实验发现利用飞秒激光技术可以在不受晶体各向异性影响的情况下，制造出无附加应力的金刚石切削刃。图1-4金刚石切削刃[33]2016年，M.Warhanek等[34]使用飞秒激光对聚晶金刚石进行了镗孔刀具加工实验，如图1-5所示，通过与电火花加工法的对比分析，发现了超短脉冲激光具有无磨损去除材料的决定性优势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒激光作用下光整流晶体的损伤阈值分析[J]. 于军立,孟庆龙,叶荣,钟哲强,张彬. 红外与激光工程. 2016(01)
[2]偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响[J]. 吴东江,姚龙元,马广义,郭东明. 强激光与粒子束. 2014(02)
[3]飞秒强激光场中氢原子团簇的各向异性膨胀[J]. 张春艳,赵清,傅立斌,刘杰. 物理学报. 2012(14)
[4]飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用[J]. 董贤子,陈卫强,赵震声,段宣明. 科学通报. 2008(01)
[5]飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿[J]. 何飞,程亚. 中国激光. 2007(05)
[6]分子的飞秒强光电离[J]. 吴成印,龚旗煌. 物理. 2006(08)
[7]超短激光脉冲烧蚀铜材料的数值模拟[J]. 梁建国,倪晓昌,杨丽,王清月. 中国激光. 2005(09)
[8]双光子三维微细加工的进展[J]. 袁大军,蒋中伟,徐藻,郭锐,王翔,黄文浩,夏安东,褚家如. 纳米技术与精密工程. 2004(01)
博士论文
[1]飞秒强激光场中原子的里德堡激发及电离动力学研究[D]. 辛培培.中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所) 2019
[2]基于飞秒激光直写微光学元件的设计与制备研究[D]. 田振男.吉林大学 2017
[3]氧化钒薄膜结构和性能研究[D]. 许旻.兰州大学 2006
硕士论文
[1]三维光学微结构聚焦离子束铣削加工技术研究[D]. 任振洲.华中科技大学 2019
[2]刀具表面混合型微结构的设计与减摩性能研究[D]. 陈馨雯.南京航空航天大学 2018
[3]刀具表面典型减摩微结构激光加工及切削性能研究[D]. 王晓莉.哈尔滨工业大学 2017
[4]发动机关键摩擦副减摩微结构表面切削加工技术研究[D]. 娄泽.燕山大学 2017
[5]飞秒激光烧蚀石英玻璃机理与形貌特征研究[D]. 姚龙元.大连理工大学 2014
[6]新型聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料研制及其切削机理研究[D]. 赵兴利.山东大学 2011
[7]激光等离子体自通道中带电粒子加速机制的理论研究[D]. 顾彦珺.复旦大学 2010
[8]有机染料的频率上转换发光特性研究[D]. 徐丽华.吉林大学 2004
本文编号：2896368
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞秒激光干涉技术加工的金属结构[18]
燕山大学工学硕士学位论文-6-图1-2飞秒激光加工的微型激光器[22]上海光机所的X.D.Guo等人[23]使用飞秒激光对纳米结构氧化锌和单晶氧化锌进行了加工实验，通过对比发现单晶氧化锌表面产生的二次谐波要比纳米结构氧化锌表面产生的二次谐波弱。中国科学技术大学的微纳米技木实验室利用自行搭建的飞秒激光加工系统制造了高15μm，宽1μm的微型支撑架等三维器件[24]。2014年，段宣明等人使用飞秒激光双光子聚合技术成功地制备出了金属材料微结构，并将实验结果和仿真结果进行了对比分析[25]。SeifertG等人[26]通过使用飞秒激光加工含有银离子的玻璃，得到了1900纳米的条形结构并且发现其方向与飞秒激光的偏振方向平行。MHirano等人使用飞秒激光双束干涉技术，在各种透明电介质材料的表面制备出全息光栅结构[27]。Kawata等人使用飞秒激光制造出了世界上最小的公牛模型，其尺寸只有7μm高、10μm长，这是飞秒激光加工技术发展的一个里程碑，显示了飞秒激光加工技术的潜在应用价值[28]。BHCumpston等人将脉冲宽度为150fs的飞秒激光聚焦到聚合物的内部，加工出了光子带隙的微结构元件[29]。2014年，陈超等人通过使用飞秒激光在非敏化单模光纤中加工出了高阶倾斜光纤Bragg光栅，此光栅具有非常强稳定性，可以在极端条件下保持稳定状态[30]。随着时代的发展，激光加工技术取得了很大的进步，国外的激光加工技术比国内的成熟一些。国内的激光加工技术起步比较晚，虽然现阶段取得了一些成果，但仍然有很多的问题需要更进一步的探索。1.3超硬刀具的激光加工现状2013年，H.Suzuki等[31]使用飞秒激光对圆柱形单晶金刚石进行了加工实验，通过三维加工技术制造了用于加工非球面模具的金刚石铣刀，如图1-3所示。然后使用
第1章绪论-7-该铣刀对无粘结剂的平面碳化钨模具进行了切割实验，所得模具的精度约为100nm。图1-3单晶金刚石铣刀[31]YoshifumiAmamoto等[32]通过使用波长为1060nm的脉冲激光对纳米多晶金刚石刀具的成形技术进行了探究，通过在中心立柱上安装能够聚焦激光束的镜面阵列，并按照CAD/CAM系统计算出的路径对激光束进行机械扫描，成功地开发了一种适合于纳米多晶金刚石刀具的激光加工技术。2015年，AndreasJoswig等[33]使用了重复频率为1000Hz的飞秒激光对多晶金刚石进行了刀具加工实验，如图1-4所示，通过实验发现利用飞秒激光技术可以在不受晶体各向异性影响的情况下，制造出无附加应力的金刚石切削刃。图1-4金刚石切削刃[33]2016年，M.Warhanek等[34]使用飞秒激光对聚晶金刚石进行了镗孔刀具加工实验，如图1-5所示，通过与电火花加工法的对比分析，发现了超短脉冲激光具有无磨损去除材料的决定性优势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒激光作用下光整流晶体的损伤阈值分析[J]. 于军立,孟庆龙,叶荣,钟哲强,张彬. 红外与激光工程. 2016(01)
[2]偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响[J]. 吴东江,姚龙元,马广义,郭东明. 强激光与粒子束. 2014(02)
[3]飞秒强激光场中氢原子团簇的各向异性膨胀[J]. 张春艳,赵清,傅立斌,刘杰. 物理学报. 2012(14)
[4]飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用[J]. 董贤子,陈卫强,赵震声,段宣明. 科学通报. 2008(01)
[5]飞秒激光微加工:激光精密加工领域的新前沿[J]. 何飞,程亚. 中国激光. 2007(05)
[6]分子的飞秒强光电离[J]. 吴成印,龚旗煌. 物理. 2006(08)
[7]超短激光脉冲烧蚀铜材料的数值模拟[J]. 梁建国,倪晓昌,杨丽,王清月. 中国激光. 2005(09)
[8]双光子三维微细加工的进展[J]. 袁大军,蒋中伟,徐藻,郭锐,王翔,黄文浩,夏安东,褚家如. 纳米技术与精密工程. 2004(01)
博士论文
[1]飞秒强激光场中原子的里德堡激发及电离动力学研究[D]. 辛培培.中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所) 2019
[2]基于飞秒激光直写微光学元件的设计与制备研究[D]. 田振男.吉林大学 2017
[3]氧化钒薄膜结构和性能研究[D]. 许旻.兰州大学 2006
硕士论文
[1]三维光学微结构聚焦离子束铣削加工技术研究[D]. 任振洲.华中科技大学 2019
[2]刀具表面混合型微结构的设计与减摩性能研究[D]. 陈馨雯.南京航空航天大学 2018
[3]刀具表面典型减摩微结构激光加工及切削性能研究[D]. 王晓莉.哈尔滨工业大学 2017
[4]发动机关键摩擦副减摩微结构表面切削加工技术研究[D]. 娄泽.燕山大学 2017
[5]飞秒激光烧蚀石英玻璃机理与形貌特征研究[D]. 姚龙元.大连理工大学 2014
[6]新型聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料研制及其切削机理研究[D]. 赵兴利.山东大学 2011
[7]激光等离子体自通道中带电粒子加速机制的理论研究[D]. 顾彦珺.复旦大学 2010
[8]有机染料的频率上转换发光特性研究[D]. 徐丽华.吉林大学 2004
本文编号：2896368
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