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《哈尔滨工业大学》 2011年
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激光加热辅助切削氮化硅陶瓷技术的基础研究

吴雪峰  
【摘要】:工程陶瓷材料具有耐高温、硬度高、热膨胀系数小、抗氧化、耐化学腐蚀的特性,能够在恶劣的工作环境下保持稳定的性能,并且具有很高的机械强度。然而,良好的材料性能导致加工难度高,加工效率低。激光加热辅助切削是加工难加工材料的一种有效的复合加工技术,通过激光提高局部材料的温度,改变材料的加工性能,达到减小刀具磨损、增加加工质量及提高加工效率的目的。本文采用激光加热辅助切削技术对氮化硅陶瓷进行的理论与试验研究,对拓宽加工思路、提高加工质量、降低零件成本有深远意义。论文开展的研究主要包括: 研究氮化硅陶瓷对激光的吸收及内部热传导过程,为后续研究奠定基础。研究了激光加热辅助切削过程中氮化硅陶瓷对激光的吸收及热量传导过程,通过多因素正交仿真结果分析了参数对激光加热温度理论值的影响特性,建立了加热温度的经验模型。采用试验测量与数值计算相结合的方法得到了氮化硅陶瓷工件对YAG连续激光的吸收率。结合传热学理论,建立了激光加热辅助车削与激光加热辅助铣削氮化硅陶瓷的温度场与应力场有限元模型,并通过红外测温仪验证了温度场模型的准确性。 对工艺参数选择方法进行研究,为加工试验提供理论支持。通过建立的激光加热辅助切削温度场与应力场有限元模型,仿真了切削过程中的温度场与应力场分布,分析了工艺参数对切削区及激光光斑中心温度与激光入射引起热应力的影响规律,提出了激光加热辅助车削及激光加热辅助铣削氮化硅陶瓷工艺参数的选择方法。 对热压烧结氮化硅陶瓷进行激光加热辅助车削与铣削试验,为技术的应用提供试验基础。建立了激光加热辅助车削及激光加热辅助铣削试验系统,其中激光加热辅助铣削系统采用“PC+运动控制卡”形式,将铣床与激光器结合,开发了激光加热辅助铣削数控系统,实现了加工过程中运动与激光控制、轨迹及温度监测的功能。采用初选工艺参数进行了激光加热辅助车削与激光加热辅助铣削热压烧结氮化硅陶瓷试验研究,分析了工艺参数对切削力、刀具磨损、切屑形貌、加工后表面形貌及表面粗糙度等加工结果的影响规律,通过对加工产生的切屑及工件表面的微观组织分析,揭示了激光加热辅助切削氮化硅陶瓷的机理。此外,研究了工艺参数对激光加热辅助铣削中边缘碎裂宽度的影响规律,采用扩展有限元方法建立了边缘碎裂模型,模拟了边缘碎裂的形成过程,探讨了加工过程中产生边缘碎裂的机理,提出了降低边缘碎裂的方法。 应用激光加热辅助铣削技术加工复杂形状零件,为技术的应用开拓新的方向。基于激光加热辅助铣削温度场分布与加工的特点,探讨了激光加热辅助铣削连续轨迹的可行性,提出了实现激光加热辅助铣削连续轨迹的方案,建立了激光加热辅助铣削连续轨迹系统,找到了适合加工系统的NC代码转换方法。通过温度场分析,优选了激光加热辅助铣削连续轨迹的工艺参数,最终在氮化硅陶瓷工件上加工出连续直线与曲线沟槽,并分析了加工工件的表面质量,证明了该方法的可行性,具有良好的应用前景。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ174.1

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