青铜金刚石砂轮脉冲激光烧蚀温度场模拟和修整试验研究

【摘要】：超硬磨料砂轮具有良好的磨削性能，在精密超精密磨削和难加工材料磨削等领域有着广泛应用。但是，超硬磨料砂轮的修整很困难，这在一定程度上影响了超硬磨料砂轮磨削性能的充分发挥。激光修整超硬磨料砂轮是一种很具前景的修整方法，其机理是基于激光与物质的相互作用——热效应，通过激光辐照砂轮表面，使材料发生质量迁移。本文以青铜金刚石砂轮为试验对象，以脉冲激光为修整工具，对激光修整青铜金刚石砂轮进行研究。 首先，自行研制了一台声光调Q Nd:YAG激光器，并对激光器的性能进行了测试。结果显示，该激光器的最大平均功率可达200W，脉冲宽度约为150ns~1000ns。 其次，在合理的假设下，建立了单脉冲激光烧蚀青铜和金刚石温度场的有限元模型，模拟了不同激光功率密度作用下青铜和金刚石的温度分布。借助温度场云图得到了可供修整试验参考的激光参数：适用于修锐的脉冲激光功率密度范围为1.66×10~7~7.5×10~7W/cm~2；适用于整形的脉冲激光功率密度范围为9.95×10~7~3.52×10~8W/cm~2。在模拟结果的基础上，进一步分析了脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的机理为：在空气介质中和合适的激光功率密度下，青铜结合剂被气化去除，金刚石被氧化燃烧去除。 随后，选择了合适的激光参数，用脉冲激光对青铜金刚石砂轮进行修整试验。经过8~9小时修整，将砂轮的表面圆跳动误差从450μm左右降至约20μm，基本消除了偏心现象。另外，重点分析了激光修整试验过程中青铜金刚石砂轮的表面质量变化，试验结果表明，激光修整可获得良好的砂轮表面形貌。 最后，以YT5硬质合金作为试件，使用经激光修整的青铜金刚石砂轮磨削试件表面，测量磨削过程中产生的磨削力，分析了砂轮的磨削性能和磨损特性。同时，用机械法修整的青铜金刚石砂轮做对比试验。试验结果表明，经激光修整的青铜金刚石砂轮磨削性能相对较好，且更不容易钝化。