超声振动与飞秒激光复合微孔加工机理研究

作     者：武晓龙 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马玉平

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：微孔 超声振动 飞秒激光 双温模型 烧蚀阈值 

摘      要：钛合金材料因其优异的性能,在航空和医疗等领域应用较广。但传统钻削等方式难以满足钛合金等高强度材料的微孔加工需要。而超精密微孔加工方式中激光打孔效率高,质量好,目前在打孔方面广泛应用。其中飞秒激光具有超短的脉冲宽度、极低的热损伤和较高的单脉冲能量密度等优点,在制备材料表面微纳米结构、打孔等方面具有独特的优势。此外,为提高微孔加工的质量,集中不同加工方式优点的复合加工也是精密加工领域研究的方向,其中超声振动辅助切削,超声振动辅助激光加工的研究也在不断的进行。因此,为探究超声振动与飞秒激光复合加工微孔的影响规律,选用Ti-6Al-4V合金材料为研究对象,对超声振动与飞秒激光复合加工微孔进行了系统的研究。主要研究内容如下:(1)在国内外文献的基础上综述了微孔加工的传统方式、特种加工方式和复合加工方式的研究进展,对比了常见的微孔复合加工方式的特点。对超声振动与激光复合微孔加工的最新实验和仿真研究进行了总结。(2)分析了飞秒激光与物质的相互作用机理,从双温方程出发探究飞秒激光加工钛合金微孔的能量传递过程,通过仿真软件模拟飞秒激光烧蚀钛合金材料时,材料内部电子和晶格系统的温度变化过程。研究了不同能量密度、脉冲宽度和材料反射率对电子和晶格系统温度的影响,通过仿真分析发现,随着能量密度的增加或者脉冲宽度的减小,耦合平衡温度逐渐升高,达到耦合平衡温度需要的时间也逐渐减少,电子和晶格系统的峰值温度增大。当单脉冲能量密度为0.1828J/cm时,温度达到0.9Tcr时,材料以相爆炸形式去除;随着材料反射率的增大,电子的峰值温度和电子-晶格耦合温度减小,但耦合平衡所需时间几乎相同;多脉冲作用表现出明显的脉冲累积效应,且脉冲间隔时间越短温度上升越明显,也更快达到材料的烧蚀阈值。(3)详细分析了超声振动与激光复合微孔加工的原理和复合方式下微孔的形成机制,根据飞秒激光加工平台的工作要求,设计了超声振动装置。对比了飞秒激光不同打孔方式的特点,以钛合金为研究对象,通过搭建的复合加工实验平台,进行了超声振动辅助飞秒激光多脉冲打孔的研究,得到了不同能量密度和脉冲个数对微孔直径、圆度、锥度的影响规律。结果表明,有无超声振动辅助时,微孔直径均随着脉冲能量密度的增加逐渐增大,但增长趋势有所减小,且在有超声振动辅助时微孔直径更大。孔圆度偏差则随着能量密度的增加逐渐减小,且超声振动能很好的改善微孔入口处的圆度偏差;随着脉冲个数的增加,微孔加工深度呈线性增加,超声振动辅助钻孔可提升加工深度、减小加工锥度和改善孔内形貌。(4)通过超声振动与飞秒激光复合加工方式,研究了钛合金材料飞秒激光环切加工微孔的烧蚀阈值,分析了不同有效脉冲数下的烧蚀阈值情况。实验研究表明,随着扫描速度的减小,有效脉冲个数增加,钛合金材料的烧蚀阈值逐渐降低。采用控制变量的实验方法研究了激光功率、超声功率、扫描速度和次数对微孔直径、圆度偏差和锥度等质量特征的影响规律,研究表明,超声振动能有效提高微孔的深度,改善微孔的圆度偏差和锥度,但较大的超声功率下微孔的圆度偏差会有所增大。最后进行多因子正交实验,分析了激光功率、扫描速度、扫描次数和超声功率对钛合金材料微通孔出入口直径、出口圆度偏差和锥度的影响,结果表明,扫描速度和激光功率对观察的响应值影响最为显著,超声功率的影响程度要大于扫描次数。图[58]表[11]参考文献[96]