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激光加热辅助切削ZrO_2陶瓷加工技术的研究

张栋林  
【摘要】:结构陶瓷材料具有高硬度、高熔点、良好的耐磨性和耐蚀性、低热导率、与金属相匹配的膨胀系数等优点,广泛的应用于机械制造、化工、汽车行业、航空航天等行业和领域,如柴油机活塞顶杆、缸盖、内衬、轴承等现代工业零件的制造。然而,结构陶瓷固有的脆性使得其加工过程中易产生内应力进而引起微裂纹甚至脆性破坏,产生不良的加工质量,且其硬度决定了常规切削加工时对刀具产生剧烈的磨损,造成了高的加工成本。传统上,为保证产品理想的精度和表面光洁度,最后工序选择磨削去除少量材料,而当大量材料需要去除时,磨削固有的低去除效率以及腐蚀性的加工条件导致延长加工时间和表面损伤,其他结构陶瓷的成型方法,如磨料水射流、超声波加工和激光加工的低去除效率的缺点决定了其不适用于批量生产。当前结构陶瓷材料成型的难度和高成本低效率,阻碍了陶瓷材料部件的广泛应用。 本文在吉林大学基本科研业务费项目资助下,针对氧化锆结构陶瓷(ZrO2)传统加工的难题,对激光加热辅助切削ZrO2陶瓷加工技术进行了研究,通过对工件待加工表面进行局部激光加热,使待加工区材料软化,改变材料屈服强度使其小于断裂强度,实现材料去除由脆性破坏到准塑性变形的转变,改变常温下脆性断裂的材料去除机理,从而达到对ZrO2陶瓷进行高效、高精度加工的目的。本文开展的研究主要包括: 1.了解激光加热以及瞬态热传导的基本理论和计算原理。在理论分析的基础上,建立激光照射和工件传热的数学模型。 2.结合氧化锆材料热物理特性,建立了工件对激光吸收及内部传导的热控制方程。并利用有限元法对控制方程进行分析研究,推导出各物理场的矩阵方程。通过有限元仿真方法分析激光功率、切削速度等参数对工件温度场的影响,为加热参数和工艺参数的选择和优化提供实用的理论依据。 3.搭建激光加热辅助切削结构陶瓷试验系统并进行切削加工试验,试验以Nd:YAG连续激光器作为热源对工件待加工表面进行局部加热后,采用CBN车刀进行切削加工,并利用高温远距红外线测温仪测量工件表面温度,压电式三向测力仪在线测量切削力,利用Carl Zeiss电镜观测切屑形状、刀具磨损状态,并测量加工表面粗糙度。 仿真和试验结果表明,相对于传统加工,激光加热辅助切削加工ZrO2结构陶瓷能有效减小切削力,减缓刀具磨损和改善加工表面表面质量。


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