喷射液束电解—激光复合加工系统及加工工艺研究

摘要

喷射液束电解—激光复合加工是将电解加工与激光加工进行复合的新型加工方法，其加工原理是在激光加工快速去除材料的同时，利用喷射电解液束的电解作用在线去除再铸层，提高加工小孔的表面质量。为了将该技术使用于工程应用，研究和掌握激光束在动态喷射液束中的衰减特性，研制喷射液束电解—激光复合加工系统，深入研究该技术的加工工艺，具有重要的现实意义。为此，本文以喷射液束电解—激光复合加工技术应用于工程实际为目的，进行了以下研究工作:
　　本文首先研究了动态喷射液束中激光的衰减特性。根据溶液对激光吸收、散射的理论分析，结合喷射液束电解—激光复合加工原理，分析了喷射液束中氢气微气泡对激光的散射特性，基于自制的专用试验装置，研究了激光在喷射液束中的衰减特性，为设计喷射液束电解—激光复合加工系统提供重要的依据。
　　其次研制了喷射液束电解—激光复合加工系统。1）根据复合加工对喷射液束的要求，通过合理设计装置结构和选择喷嘴材料，设计了喷射耦合装置，该装置实现了激光束与喷射液束的精确耦合，使得喷射液束的破碎长度大于10mm，满足了复合加工对喷射液束的的要求;2)根据喷射液束电解加工的需要，研制了高压脉冲电源，该电源以555振荡电路为核心，以MOSFET为功率开关管，用脉宽调节和脉间调节相结合的方法，使输出电压和电源频率连续可调;3）基于激光在动态喷射液束中的衰减特性和提高激光在喷射液束中的加工效率，设计了喷射液束电解—激光复合加工分时控制系统，实现了喷射液束电解—激光分时控制的多种加工方式，解决了激光在喷射液束中严重衰减问题。
　　最后利用喷射液束电解—激光复合加工系统，进行了复合加工工艺试验研究。1）基于扫描电镜和金相显微技术，研究了喷射液束电解—激光复合加工的再铸层。研究结果表明:喷射液束电解—激光复合加工能够将电解加工与激光加工进行复合，并能100％地去除孔壁的再铸层，提高激光加工表面质量;2）使用单因素分析法，对某新型镍基高温合金片进行喷射液束电解—激光复合打孔，研究工艺参数对表面粗糙度和晶间腐蚀的影响规律。研究结果表明:采用复合电解液加工小孔的表面质量好于单一成份的电解液，当复合电解液的配比浓度为6％NaNO3+3％～4％NaCl、电解液的温度为30℃～40℃、电源电压为200VDC～300VDC时，能得到粗糙度小和晶间腐蚀少的加工效果;3）应用响应曲面法设计了二次回归正交试验，通过加工不锈钢材料小孔试验建立了材料去除率和再铸层残留率的二次回归方程，总结了喷射液束电解—激光复合加工的工艺规律，利用优化的工艺参数进行了系列加工实例。
　　通过本文的理论分析和工艺试验研究，进一步验证了喷射液束电解—激光复合加工能够有效去除再铸层，表明了喷射液束电解—激光复合加工技术具有诱人的工程应用前景，同时本文新研制的复合加工系统和工艺试验研究结果为该技术的工程应用提供了重要依据。

目录

摘要

注释表

第一章 绪论

1．1 激光加工原理与再铸层的形成

1．1．1 激光加工原理与特点

1．1．2 再铸层的形成及危害

1．2 减薄去除再铸层的常用方法

1．2．1 优化激光加工参数

1．2．2 工件表面的后续处理

1．2．3 辅助气体喷射激光加工

1．2．4 水射流引导激光加工

1．2．5 超声辅助激光加工

1．2．6 化学辅助激光加工

1．2．7 激光诱导化学加工

1．3 小孔电解加工

1．3．1 脉冲电流电解加工

1．3．2 电液束加工

1．3．3 激光辅助喷射液束电解加工

1．4 本课题已有研究成果和本文主要研究内容

1．4．1 本课题研究的已有成果

1．4．2 本文主要研究内容

第二章 喷射液束电解—激光复合加工机理研究

2．1 激光打孔机理

2．1．1 激光特性

2．1．2 金属材料对激光的反射和吸收

2．1．3 激光的聚焦

2．1．4 激光打孔过程

2．2 喷射液束电解加工机理

2．2．1 电化学溶解原理

2．2．2 电解加工原理

2．2．3 喷射液束电解加工机理及特点

2．3 喷射液束电解—激光复合加工机理及能量模型

2．3．1 喷射液束电解—激光复合加工机理

2．3．3 喷射液束电解—激光复合加工的能量模型

2．3．4 喷射液束电解—激光复合加工的特点

2．4 本章小结

第三章 动态喷射液束中激光传输特性研究

3．1 激光在喷射电解液束中衰减的理论分析

3．1．1 溶液对激光的吸收

3．1．2 溶液对激光的散射

3．1．3 气泡对激光的散射特性

3．1．4 喷射液束中的氢气气泡率

3．1．5 激光在喷射电解液束中的衰减分析

3．2 试验装置与光电探测器

3．2．1 试验装置

3．2．3 光电探测器的静态标定

3．3 试验结果与分析

3．3．1 电解加工电流密度对激光衰减的影响

3．3．2 电解液流速对激光衰减的影响

3．4 本章小结

第四章 喷射液束电解—激光复合加工系统的研制

4．1 复合加工系统的整体设计与分时加工设计思路

4．1．1 整体设计

4．1．2 分时加工设计思路

4．2 喷射耦合装置

4．2．1 喷射耦合装置设计

4．2．2 耦合装置喷嘴的设计与试验

4．3 高压脉冲电源

4．4 分时控制系统

4．4．1 喷射液束电解—激光复合加工对控制系统的要求

4．4．2 控制系统的硬件构成与原理

4．4．3 控制系统的软件功能设计

4．4．4 分时加工的软件实现

4．5 其它设备的选择

4．5．1 激光器及其光学系统

4．5．2 电解液系统

4．6 本章小结

第五章 喷射液束电解—激光复合加工模型研究

5．1 喷射液束电解—激光复合加工的数学模型

5．1．1 激光加工的温度场模型

5．1．2 喷射液束电解加工的电场模型

5．1．3 喷射液束电解—激光复合加工的数学模型

5．2 喷射液束电解—激光复合加工的数值模拟

5．2．1 模拟计算的参数

5．2．2 ηω—i关系曲线的测定

5．2．3 数值模拟流程

5．2．4 模拟过程分析

5．3 喷射液束电解—激光复合加工模型的试验验证

5．4 本章小结

第六章 喷射液束电解—激光复合加工工艺研究

6．1 工艺参数分析

6．1．1 激光加工参数分析

6．1．2 电解加工参数分析

6．2 喷射液束电解—激光分时加工小孔的试验研究

6．2．1 小孔的再铸层

6．2．2 小孔的深度

6．3 再铸层的试验研究

6．3．1 加工方式及加工参数

6．3．2 加工盲孔的再铸层

6．3．3 加工通孔的再铸层

6．4 表面粗糙度与晶间腐蚀的试验研究

6．4．1 加工材料的影响

6．4．2 电解液成份的影响

6．4．3 电解液浓度的影响

6．4．4 电解液温度的影响

6．4．5 电解电压的影响

6．5 加工精度的研究

6．5．1 影响加工精度的分析

6．5．2 提高加工精度的方法

6．5．3 试验结果分析

6．6 喷射液束电解—激光复合加工工艺规律

6．6．1 试验设计

6．6．2 回归分析

6．5．3 材料去除率

6．6．4 再铸层残留率

6．6．5 工艺参数的优化及验证

6．7 喷射液束电解—激光复合加工实例

6．8 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文