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深微孔被广泛应用于航空航天、能源动力、运载、医疗、电子等重要行业的关键零件中,由于其直径小、深径比大且工件多为难加工材料,其高效稳定加工是目前微细加工的一个难题,传统的深微孔加工方法有电子束加工、振动钻削加工、电火花加工,高压水射流加工及激光加工等方法,这些方法都多少存在如:排屑困难、有热效应、随着加工深度的增加孔径扩散、加工速度急剧下降、深径比受到限制等缺点而在某些领域不能满足要求。微水导激光加工作为一项新技术,结合了激光加工与水射流加工的优势,可以有效地解决传统加工方法中存在的问题。微水导激光及加工过程涉及多方面知识,本文内容将围绕微水导激光原理和微水导激光加工展开。
本文研究了非淹没射流在大气中的稳定性,射流的破碎形式及控制射流破碎的方法,通过计算流体力学FLUENT软件对射流进行了两相流仿真,通过分析对比得到了一定喷嘴结构下能够形成理想最长稳定射流的水力参数,得到稳定射流段长度在74mm。在国内外学者研究的基础上,研究了光在水中的传播规律(吸收、散射),分析了水束与光束的耦合机理、耦合条件。设计了一种微水导激光加工耦合装置,该装置可实现激光束的聚焦、稳定水射流的形成及激光束与水束的耦合,同时设计了两种液压系统的两种方案,可以供给微水导激光系统压力脉动小的水源。
其次本文在研究物质与激光相互作用的基础上,以45#钢为研究对象,通过ANSYS有限元分析软件进行了传统激光加工和微水导激光加工过程温度场分布的数值模拟,得到了传统激光高斯光束作用下工件温度分布和孔径、孔深和热影响区随时间和功率变化关系。结果表明,在光束作用初始阶段,孔深和热影响区较大,随着时间的增加,孔深逐渐增大,高斯光束发散,到达单元的功率密度降低,孔深的增加逐渐趋于平缓且传统激光加工热影响区较大。
另外利用ANSYS表面效应单元、单元杀死和重启动技术模拟了微水导激光加工过程,得出了工件内部温度分布随时间变化关系,同时模拟了微水导激光打孔过程中孔的形状变化,得到了小孔的孔深、孔径随作用时间的变化关系和激光能量对孔深、孔径的影响。结果表明,微水导激光打孔初始阶段,由于水的冷却作用,高温区向工件内部扩展,与传统激光相比,微水导激光加工的孔锥度小,形状比较规则,且热影响区小。