脉冲激光加热辅助车削氧化铝陶瓷温度场仿真和试验研究

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由于具有密度小、热膨胀系数小、良好的耐磨性、耐化学腐蚀、抗氧化性等特点,工程陶瓷材料如氧化铝、氮化硅和氧化锆等在机械、汽车、化工、航天航空、医药及其它工业领域得到了越来越多的应用。然而陶瓷材料硬度大、易脆,传统的加工方法很难对陶瓷材料进行加工。激光辅助加工技术是一种复合加工技术,即在刀具去除材料之前,用激光束聚焦对工件进行局部加热,陶瓷材料的加工性能得到显著改善,减少刀具磨损、提高表面质量和加工效率,故激光辅助加工技术在加工陶瓷和硬、脆材料方面具有广阔的前景。本文针对热压96氧化铝陶瓷,进行了脉冲激光加热辅助车削研究。首先,根据热传导理论建立有限元数值模型,运用有限元软件ANSYS对氧化铝进行温度场模拟并研究不同的工艺参数(包括脉冲激光功率、工件旋转速度和脉冲激光频率)对温度场分布的影响;其次,搭建了激光加热辅助车削试验平台并进行激光辅助切削氧化铝试验;最后,测量了圆柱体氧化铝陶瓷的表面粗糙度并检查已加工表面的表面缺陷情况。论文的研究成果与结论如下:(1)通过对温度场进行模拟仿真,发现工件温度随时间递增曲线呈锯齿型,工件表面温度基本呈椭圆形分布,最高温度相对激光光束中心位置延后。内部温度基本呈抛物线分布,深度方向热影响尺寸小。通过温度场仿真得到了各参数对工件横截面与纵截面温度场分布的影响规律,当取500℃作为材料软化温度时,工件具有一定深度的软化层;(2)基于田口正交试验,研究了脉冲激光功率、工件转速、脉冲频率和进给量四因素对表面粗糙度的影响,正交试验表明表面粗糙度小的最优参数组合为激光功率为50W,工件转速为510r/min,脉冲频率为50KHz,进给量为0.01mm/r,四因素对表面粗糙度的影响程度依次为19.42%、25.21%、13.39%和41.98%。(3)测量了加工表面的表面粗糙度并检查表面缺陷情况,结果发现当激光功率增大、工件转速增加、脉冲频率增加和进给量减小时,表面粗糙度值减小,没有表面裂纹的出现,只有少量的表面损伤与凹坑缺陷,获得了较好的表面质量。表明脉冲激光加热辅助车削氧化铝陶瓷具有可行性,可以达到满意的加工效果。
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