当前新能源汽车的研究开发和应用处于发展阶段,传统发动机汽车在很长时间内仍是市场的主流,尤其是在商用车领域。发动机作为汽车的“心脏”,其重要性不言而喻。连杆是发动机的关键零部件,伴随着发动机高负荷、低噪音、节能减排的发展趋势,高强度、轻量化、低成本主导了未来连杆用材和制造技术的主要方向。连杆裂解加工工艺是对传统制造技术的变革与创新,并以精密高效、简化工序、降低成本的显著制造优势和重复装配精度高、连杆组件刚度好、承载能力强等优异的使用性能而为汽车工业所瞩目,并得到推广应用。预制裂解槽是连杆裂解生产工艺中最重要的环节,也是异于传统连杆生产的三道核心工序“切槽、胀断、装螺栓”中的关键工序,高质量、高精度预制裂解槽是保证后续断裂剖分顺利进行的必要前提。Nd:YAG脉冲激光切槽具有加工速度快、无刀具磨损、切口深宽比大、热影响区小等优点,适用于大规模裂解连杆的生产。目前,虽然在脉冲激光切割裂解槽的激光与加工参数、激光切割裂解槽加工机床等方面取得了一定的研究与应用成果,但在优化脉冲激光切槽工艺、提高加工质量及稳定性、降低实际生产成本等方面还有诸多问题有待解决,仍需进一步深入研究,以满足裂解材料与连杆新产品开发与推广应用的需求。本文结合理论分析、仿真计算与试验研究,通过热源模型、热-力耦合仿真分析模型和辅助气体流场分析模型,对Nd:YAG脉冲激光切槽过程温度场、应力场以及辅助气体流场进行全方位的研究。论文的主要研究内容和取得的成果如下:1.基于对脉冲激光加工的物理过程分析和辅助气体喷射特征,确立了切槽过程热-力耦合有限元数值模拟分析和辅助气体流场有限体积法数值计算方案。脉冲激光切槽实际是高功率密度脉冲激光束使材料熔化和气化、并通过激光切割头喷嘴同轴喷出的辅助气体吹除熔融金属而形成裂解槽的过程,宏观上的裂解槽细观下实际是一系列的密排盲孔。整个加工过程是激光光源与辅助气体的共同作用过程,不仅存在典型的非线性瞬态热传导问题,而且激光束的移动和温度急剧变化导致应力场发生复杂的变化,并伴随着材料非线性以及相变;同时辅助气体从喷嘴中喷出后其动力学性能也发生显著的变化。通过对切槽过程中材料的物态变化、非线性热传导、热弹塑性理论分析以及辅助气体冲击射流过程与流体问题控制方程分析,为后续仿真模型的构建奠定了理论基础。2.利用ANSYS有限元分析软件,建立了脉冲激光切割裂解槽热-力耦合有限元仿真模型,并构建了面向于切槽热-力仿真分析的动态“小孔”热源模型。“小孔”热源模型能够很好地反映Nd:YAG脉冲激光切槽过程中的激光能量作用情况,该模型基于热流作用半径沿工件厚度方向衰减的旋转体热源,假设激光提供的能量全部集中在旋转体热源内,且热流密度分布在工件厚度方向的界面满足Gauss分布,并认为在极短的时间内所有温度超过材料熔点的“活”单元都会被与激光束同轴的高压辅助气体吹除,在这种理想的条件下,利用重启动技术、“生死”单元技术以及APDL语言来实现每一个载荷步求解完成后“杀死”超过熔点的“活”单元、获取小孔的最低点坐标值以及修正旋转体热源实时深度的过程。此外,对仿真模型构建过程中的材料非线性以及相变应力问题进行了技术处理。3.对C70S6钢脉冲激光切槽热过程进行了有限元模拟,结合Nd:YAG脉冲激光切槽试验,分析了切槽过程的温度分布以及工艺参数对温度分布、裂解槽几何尺寸的影响。结果表明:小孔的产生在盲孔的加工过程中起着至关重要的作用,小孔优化了材料吸收激光能量的方式,提高了切槽过程中激光能量的利用率;在每个激光作用阶段工件上的高温区域完全集中在相应产生的盲孔周围,加工完成后盲孔的底部与孔壁表面材料温度大于材料熔点,这部分金属会重新凝固而形成热影响区的重要组成部分-重凝区;峰值功率、脉冲宽度、激光束移动速度对切槽过程中能量影响区域内材料温度的分布情况都具有很大影响,并进而影响了裂解槽的几何尺寸;通过对比使用“小孔”热源模型所获得的裂解槽几何形貌与脉冲激光切槽试验数据,证明了“小孔”热源以及热过程分析的有效性。4.以热过程分析获得的温度场为基础,对C70S6钢脉冲激光切槽应力场进行了有限元模拟,分析了切槽应力分布规律以及不同工艺参数对切槽残余应力的影响。结果表明:脉冲激光切槽残余应力主要集中在裂解槽周围的热影响区,但是靠近工件自由边缘的盲孔由于产生应力释放,相应的应力值较其他盲孔的相同位置小很多;在盲孔底部和孔壁附近存在满足微裂纹产生的应力状态,并通过切槽试验证明了微裂纹的存在;在槽根区微裂纹与马氏体的共同存在非常有利于脆性断裂的出现,进而降低裂解力、减少裂解缺陷,而且槽根区沿起裂方向处于拉应力状态,这非常利于起裂的发生与裂纹的扩展,但是自由边缘应力释放造成的不均匀分布会加剧胀断时不同时起裂现象的产生,进而造成裂解缺陷,因此,应该在可控范围内尽量减小残余应力;峰值功率、移动速度以及脉冲宽度对切槽残余应力都会产生影响,其中,峰值功率、脉宽与残余应力正相关,且影响最为显著,而移动速度与残余应力负相关;此外,对于工艺参数的选择,应在满足裂解槽几何形貌要求的前提下在合理范围内尽量降低切割残余应力,以保障后续裂解加工的质量。5.基于FLUENT流体力学分析软件,结合实际加工情况,考虑了切槽过程中温度场与流场的相互影响,建立了脉冲激光切槽辅助气体流场数值分析模型,并构建了适用于流场分析的深度自适应热源模型,此外,对仿真建模过程中紊流模型的选择等关键问题进行了处理。6.对C70S6钢脉冲激光切槽辅助气体流场进行了模拟仿真,使用深度自适应热源获得的温度场符合激光加工的特点,这为辅助气体流场分析的有效性提供了保证;分析了辅助气体流场的分布特点,对辅助气体从喷嘴喷出到进入小孔这一过程的流体状态进行了研究,并观察了小孔内的速度分布状况,进而对气体参数进行优化分析;增加入口压力有利于增大辅助气体在小孔内的有效作用范围,进而提高了辅助气体在小孔底部的排渣能力,但是辅助气体的利用率会降低;辅助气体的速度与入口压力并不是完全正相关的,而是存在一个优化的区间;通过分析获得入口压力的最优值为0.6MPa,并使用试验证明了优化的气体参数有效性。