激光加热辅助微细铣削温度场仿真研究

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微细铣削技术具有高度柔性化,加工材料多样化,加工效率高,加工精度高等优点,是微小型零件尤其是复杂结构零件的有效加工方法之一。然而,微细铣削在加工高温合金、结构陶瓷和复合材料等难加工材料过程中,存在刀具磨损严重,加工表面质量差,加工效率低和加工成本高等问题。激光加热辅助加工通过在切削前局部加热待加工材料,降低工件材料的硬度和剪切强度,提高硬脆性材料的延展性,能够有效的改善材料的切削性能。激光加热辅助微细铣削技术将微细铣削和激光加热辅助加工的优点结合起来,通过合理的选择激光参数和切削参数,可以获得较好的加工效果。本文基于有限元软件对脉冲激光加热辅助微细铣削的温度场和微细铣削过程进行仿真研究,分析了激光参数对温度场分布的影响以及温度场分布对微细铣削过程的影响,具体工作如下:(1)分析激光加热过程中激光与工件之间的热交换过程,建立传热模型并利用有限元软件求解。对脉冲光纤激光器热源的光源特性进行分析,建立脉冲激光热源模型。(2)利用温度场有限元仿真模型,分析激光光斑直径、激光扫描速度和单脉冲能量等激光参数对温度场分布的影响。对比分析有限元仿真结果与前期开发的仿真软件计算结果,分析模型简化与计算方法对仿真结果的影响。采用红外热像仪测量激光加热工件的表面温度,结果表明试验值与仿真值变化趋势相同。(3)简化微细铣削过程建立二维切削模型,分析切削变形过程原理以及切削热的产生。针对Ti6Al4V钛合金材料选择合适的仿真参数,对比激光加热辅助微细铣削与微细铣削的仿真结果,最大应力降低了约30%,切深抗力降低了约57%,主切削力降低了约20%,说明激光加热材料能够改善难加工材料的切削性能,仿真结果表明Ti6Al4V钛合金的适宜切削温度为400℃左右。
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