脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮试验研究

为了寻求超硬磨料砂轮的修锐新方法,采用脉冲光纤激光径向辐照,对青铜结合剂金刚石砂轮进行了修锐试验研究。理论分析了脉冲激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮的基本原理;借助超景深3维显微系统和粗糙度测试仪,获得了脉冲光纤激光烧蚀青铜结合剂轮烧蚀凹坑的表面形貌和深度,总结了激光平均功率、脉冲重复频率和离焦量等参量对烧蚀效果的影响规律;根据试验结果选择最佳工艺参量(Pm= 20W, f=70kHz,Δ=0.0mm),开展了激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮的试验,并采用超景深3维显微系统对修锐后的砂轮表面形貌进行观测。结果表明,在合理工艺参量下,脉冲光纤激光径向辐照修锐青铜结合剂金刚石砂轮,可获得良好的修锐效果。     

激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层的研究

针对声光调Q YAG脉冲激光修整青铜结合剂金刚石砂轮,运用ANSYS有限元软件建立了三维脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学模型和传热模型,得到了激光烧蚀金刚石磨粒后的温度分布。利用所建立的模型可获得不同激光参数下的变质层厚度,并通过实验对该模型进行了验证。针对脉冲激光修锐与整形的两个不同方面,从实验和数值模拟两方面研究脉冲激光参数对变质层厚度的影响规律,得到在修锐时脉宽与激光功率对变质层厚度影响程度相差不大,而在整形时脉宽则起到了绝对的主导作用;经过多脉冲激光烧蚀后变质层厚度有所减小;只有在砂轮修锐时石墨变质层厚度随脉宽的增加而减少。     

脉冲光纤激光修锐青铜金刚石砂轮相爆炸研究

提出脉冲激光修锐青铜结合剂砂轮过程中存在相爆炸现象,分析了相爆炸对激光修锐产生的不利影响,并对相爆炸进行理论研究,为激光修锐青铜金刚石砂轮提供理论指导。开展相关实验,研究相爆炸发生时的激光工艺参数范围,采用高速相机对激光修锐过程的相爆炸进行观测,并采用超景深三维显微系统观察修锐后青铜金刚石砂轮地形地貌与青铜轮表面质量,得出激光修锐青铜结合剂砂轮要避免相爆炸发生,使得磨粒突出结合剂周边有容屑空间。优化相关条件下激光修锐青铜金刚石的工艺参数,并获得较理想的修锐效果。     

青铜金刚石砂轮的激光整形与修锐

考虑蒸发效应、等离子体屏蔽效应与脉冲间能量累积效应基础上,建立脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮传热物理模型,应用模型对脉冲光纤激光修锐青铜和整形金刚石分别进行传热数值计算,依据数值仿真结果,开展脉冲光纤激光烧蚀青铜轮和青铜金刚石砂轮的实验。理论研究和实验研究表明:相关条件下,当激光功率密度小于2.10108 W/cm2时,只能对青铜金刚石砂轮修锐;当激光功率密度大于2.10108 W/cm2小于2.52108 W/cm2时,能对青铜金刚石砂轮实现整形和修锐的合二为一;当激光功率密度大于2.52108 W/cm2时,能对青铜金刚石砂轮实现大深度修锐,但影响磨粒突出结合剂的高度和磨削性能,以上研究为脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮研究提供理论指导与工艺优化,同时实验结果与数值模拟结果一致,也验证了传热模型的正确性。     

树脂结合剂CBN砂轮光纤激光径向修锐及磨削实验研究

采用脉冲光纤激光器,探索激光径向修锐树脂立方氮化硼(CBN)砂轮关键工艺参数,开展了激光烧蚀树脂结合剂轮脉冲重叠率实验、激光烧蚀纯树脂结合剂轮实验和激光修锐树脂CBN砂轮实验,并进行了磨削实验验证。结果表明,光纤激光径向修锐树脂CBN砂轮最佳脉冲重叠为30%~50%,最佳单脉冲激光功率密度分布于5×107~7.5×107W/cm2区间内,修锐深度可达到39μm,磨削工件的表面粗糙度为0.789μm,磨痕窄而浅,修锐效果良好。     

激光-机械复合修整超硬磨料砂轮研究

为了解决超硬磨料砂轮修整困难的难题,采用激光-机械复合修整法,通过对青铜结合剂的去除过程进行多脉冲有限元仿真,优化激光粗修工艺的激光参数及确定激光粗修工艺过程砂轮圆跳动所能达到的范围。根据仿真结果选择了修整实验条件下激光粗修的激光参数,并对烧结成型的青铜金刚石砂轮进行了激光-机械复合修整实验。结果表明在合适的工艺参数下,激光-机械复合修整法是一种有效的修整方法。     

激光修整青铜金刚石砂轮精度研究

基于三角测量在线检测闭环控制烧蚀系统,以声光调Q YAG脉冲激光径向辐照方式进行青铜金刚石砂轮修整.根据砂轮表面的漫反射和成像情况,选取柱面透镜作为接收透镜,改进设计一套比较完善的接收光路系统,对此激光烧蚀系统进行了标定.依照标定结果调整电路,选取合理的激光和工艺参数进行砂轮修整试验.试验结果表明,经激光修整后砂轮精度有了明显的提高.在此基础上研究了激光-机械复合精密修整技术,即青铜金刚石砂轮通过激光修整后,再辅以机械法整形.该方法使修整精度进一步得到提高,同时使砂轮表面地形地貌得到了改善.     

脉冲激光修锐青铜金刚石砂轮烧蚀机制研究

青铜金刚石砂轮具有优良的磨削性能，在初次使用和磨损后必须对其修锐。由于青铜结合剂和金刚石磨粒之间存在热物理、光学性质的差异，可通过选择合适的脉冲激光功率密度去除结合剂，凸出磨粒，实现选择性去除。针对声光调Q YAG脉冲激光修锐青铜金刚石砂轮，建立了适合激光烧蚀青铜结合剂的实际过程的传热与气化动力学模型，运用数值计算模拟出各种激光功率密度下的熔层温度、熔层厚度和烧蚀速率，进而获得激光功率密度与激光烧蚀凹坑深度的关系，并与实验结果进行比较。通过验证表明所建立的模型可以正确描述实际物理过程。     

激光在线修整青铜金刚石砂轮数值仿真与试验

为了研究声光调Q YAG脉冲激光在线修整青铜结合剂金刚石砂轮,采用数值仿真和试验相结合的方法,在考虑金刚石石墨化过程的基础上,通过有限元数值模拟的方法建立了3维单脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学模型和传热模型,研究了脉冲激光参量(离焦量、脉宽和激光功率)对金刚石磨粒去除厚度的影响规律,为激光修整参量选择提供了指导。结果表明,激光功率、脉宽和离焦量是影响脉冲激光金刚石磨粒去除厚度的最直接的因素,金刚石磨粒去除厚度随着激光功率的增加而变大;随着脉宽的增加而减少;随着离焦量的增加而减少。借助CCD和激光三角位移测量仪对砂轮表面跳动进行在线监测、采用闭环控制系统控制Q开关,实现了砂轮的在线修整,获得了良好的地形地貌,降低了砂轮圆跳动度误差,达到良好的修整效果。     

皮秒绿激光修锐青铜基金刚石砂轮损伤规律与机制

为探究皮秒绿激光修锐青铜基金刚石砂轮的工艺规律与机制,实现青铜基体的选择性定量去除。首先采用10 ps绿激光作用于青铜/金刚石,利用S-on-1损伤测定法标定损伤阈值,确定皮秒激光修锐青铜/金刚石砂轮的最佳工艺参数范围。然后对青铜/金刚石砂轮表面进行修锐,通过激光共聚焦显微镜及其软件表征修锐表面形貌与表面粗糙度,探究激光峰值功率密度、重复频率、扫描次数对修锐效果的影响规律。结果表明,皮秒绿激光对青铜基体的去除机制主要为气化去除,很大程度上避免了金刚石磨粒的碳化,即使在高重复频率下,也无明显的热积累特征。在脉宽为10 ps、重复频率为400 kHz条件下,青铜基体与金刚石磨粒的损伤阈值分别为1.23×10~9 W/cm~2、3.71×10~(11) W/cm~2,两者相差两个数量级,青铜基体的选择性微量去除选择范围较宽,可通过调节峰值功率密度有选择性地去除基体,通过调节扫描次数定量去除基体。因此,采用皮秒绿激光可以选择性定量去除青铜基体且较好地保证金刚石磨粒的完整性。     

砂轮激光修整设备及参量选择的研究

为了选择合适的激光设备及参量,以便提高激光修整砂轮效率和精度,采用300W氙灯抽运YAG普通脉冲激光器、80W声光调Q YAG脉冲激光器对青铜金刚石砂轮进行了单脉冲和连续脉冲烧蚀试验,借助于显微镜分析了激光作用后砂轮表面的微观形貌,并通过理论推导,得出一组公式,在考虑砂轮修整精度和效率的前提下,有效地缩小激光器及参量的选择范围,有助于针对不同的砂轮选择更为合适的激光参量进行更有效的修整。结果表明,声光调Q YAG脉冲激光器比氙灯抽运普通YAG脉冲激光器单脉冲能量小、脉冲频率高、脉宽窄、峰值功率高,更适合用于砂轮的高精度、高效率修整。     

多脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的表面变质层

对脉冲激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层进行了理论研究,当激光功率密度为1.68×10~8~3.359×10~8 W/cm~2时,对金刚石表面的温度演化进行了数值仿真。研究结果表明,金刚石达到石墨化温度的时间约为435~440ns,金刚石的石墨化程度较低。提出了水柱流辅助脉冲光纤激光修整青铜金刚石砂轮的新方法,降低了金刚石的石墨化程度。     

激光辅助机械修整金刚石砂轮的温度场分析

激光辅助机械修整金刚石砂轮是一种金刚石砂轮修整新方法，它利用激光束加热砂轮表面使得金刚石修整笔的修整材料模式从脆性断裂变为塑性流动，从而提高砂轮表面修整质量，降低金刚石笔的磨损。运用ANSYS软件建立了激光辅助机械修整过程中金刚石砂轮温度场的有限元模型，并用热成像仪NEC TH7IOOWX／WV测量了实际工况下的温度场。结果表明，在相同工况下运用仿真模型所得分析结果与实测值拟合得很好。利用所建立的金刚石砂轮温度场的计算机仿真系统可对砂轮修整过程进行前期预测、工艺参数调整及优化等，避免加热温度过高使砂轮表面金刚石颗粒石墨化，或加热温度不足使砂轮表面硬度下降不够等情况的发生，从而减少了直接进行修整实验带来的盲目性。     

激光修锐砂轮工艺参量的预测和优化算法

为了找到一种适用于激光修锐砂轮工艺参量预测和优化的方法,采用神经网络和粒子群算法,建立了激光修锐砂轮工艺参量优化模型。首先构建了工艺参量与工件表面粗糙度之间映射关系的神经网络模型,然后基于预测模型采用粒子群算法实现工艺参量优化,最后采用粒子群算法优化获取的5组工艺参量进行了激光修锐试验。结果表明,样本值与神经网络仿真输出值的相对误差小于3%,试验值与期望值的相对误差控制在6%以内。综合说明该优化模型具备良好的优化能力。     

Nd:YAG单脉冲激光烧蚀超硬磨料砂轮的试验研究

采用声光调Q Nd:YAG单脉冲激光径向烧蚀树脂结合剂超硬磨料砂轮,通过Taly表面粗糙度仪测量烧蚀凹坑深度,光学显微镜观察凹坑微观形态.理论分析了烧蚀凹坑的形成机理,试验建立起了凹坑深度与脉冲功率密度之间的关系曲线,研究了激光参量(平均功率、脉冲重复频率和离焦量)对烧蚀凹坑深度的影响.试验证明,以单脉冲烧蚀砂轮试验为指导,结合具体试验条件选择激光参量进行修锐,可得到满意的地形地貌.     

光纤激光在线整形金刚石砂轮检测系统设计

为了使光纤激光在线选择整形金刚石砂轮达到理想的整形精度,采用计算机、CCD传感器、PCIe-6361型数据采集卡为主要硬件,LabVIEW作为上位机软件开发工具搭建了一套光纤激光在线整形金刚石砂轮系统。该系统不仅可以实现金刚石砂轮的激光在线整形,而且可以在短时间内实现对砂轮表面轮廓的高精度测量和数据存储。结果表明,通过对砂轮的轮廓测量,设定金刚石砂轮的整形阈值为38.23m,采用功率35W、重复频率50kHz的光纤激光整形金刚石砂轮,整形后砂轮高点的高度值基本上控制在38m以下。该系统设计能满足金刚石砂轮的整形要求。     

脉冲光纤激光抛光TC4合金的实验研究与抛光层微观形貌分析

针对Ti6Al4V材料的激光抛光工艺进行实验研究,通过改变脉冲式激光的工艺参数设置,来分析激光参数对抛光工艺效果的影响,主要研究了激光输出功率、离焦量e和激光光斑重叠率δ这三个参数的影响规律与作用机理,并结合试样表面粗糙度测量值Ra,得出:激光输出功率为300W左右,离焦量e控制在6～8mm范围内,光斑重叠率δ在70～75范围内时,脉冲式激光对TC4合金材料表面的抛光效果最佳;最后通过光学显微镜测量仪器来分析抛光后的材料表面形貌与材料抛光层的内部晶格晶粒变化,来分析激光抛光对试样抛光层物理性质的影响,并对比抛光前后试样表面的进行了硬度测试对比。     

Ni-Cr合金钎料激光钎焊金刚石表面金属化

为了研究激光钎焊金刚石磨粒表面金属化生成物类别与形成机制, 采用第一性原理的密度泛函理论对常见碳化物进行了计算, 并采用Ni-Cr合金钎料, 借助光纤激光热源对金刚石磨粒进行了激光钎焊试验, 获得了Cr₃C₂和Cr₇C₃两种碳化物的结构和力学性能参量以及金刚石磨粒表面微结构和碳化物种类。结果表明, Cr₃C₂和Cr₇C₃两者都具有金属性, 且后者韧性更强; 激光钎焊得到的金刚石磨粒与Ni-Cr合金钎料界面冶金反应层厚度约为4μm, 金刚石磨粒表面碳化物主要为Cr₃C₂; 超声辅助激光钎焊得到的金刚石磨粒表面碳化物为Cr₃C₂和Cr₇C₃, 超声波高频振动可以促进界面反应, 进而生成含碳量低的Cr₇C₃。此研究结果对激光钎焊金刚石技术的发展具有指导意义。     

碳化硅材料磨削技术基础研究

为满足碳化硅材料的磨削要求,根据碳化硅材料的性能,研究了磨削工艺,并针对磨削中出现的技术难题,采取了油石在线修整的磨削工艺措施;试验结果表明使用树脂结合剂的金刚石砂轮和油石在线修整的磨削工艺,选择适合的磨削工艺参数可以达到对碳化硅材料磨削工艺要求,并取得了较好的实验效果。     

Ni基钎料激光钎焊金刚石磨粒界面显微结构及形成机理

采用Ni基合金钎料,在Ar气保护条件下,对金刚石磨粒进行了激光钎焊试验研究.采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)及X射线衍射仪(XRD)分析金刚石磨粒与Ni基钎料结合界面的组织结构与物相组成,并探讨了钎料与金刚石界面处碳化物的形成机理.测试结果表明,激光钎焊过程中在金刚石表面附近形成的富cr层与金刚石表面的C元素反应生成碳化物Cr3C2,通过反应热力学与动力学分析显示界面反应产物可以依靠置换反应形成,使金刚石磨粒与钎料实现了牢固结合.