激光电解组合微细加工技术研究

摘要

再铸层和微裂纹直接决定着零件的使用寿命和稳定性。为了解决激光加工有再铸层、电解加工效率低的问题，本文提出一种激光电解组合微细加工新方法，建立组合微细加工的数学模型，实验验证数学模型的可靠性以及组合微细加工的可行性，在航空等领域关键零部件加工制造中具有极其重要的意义。因此，以工程应用为目的，本文的主要研究工作如下: 首先，提出了一种无再铸层微孔的激光电解组合微细加工方法。针对裸金属微孔加工，采用毫秒脉冲激光热效应去除金属材料，小间隙电解微细加工蚀除激光产生的再铸层，进行裸金属微孔孔壁的无再铸层加工，提高加工精度和效率;针对带热障涂层镍基合金微孔加工，采用电解液辅助纳秒紫外激光刻蚀热障涂层材料，小间隙电解微细加工蚀除镍基合金材料，进行带涂层合金微孔无再铸层加工。 其次，建立了激光电解组合微细加工的数学模型。给出了激光微细加工的温度场模型和小间隙电解微细加工的电场模型，建立了组合微细加工的一种精确的数学模型，计算出裸金属微孔和带热障涂层镍基合金微孔的最终形状，为实验研究提供依据。 最后，采用激光电解组合微细加工实验系统对不锈钢材料、带热障涂层镍基合金材料进行实验，验证数学模型的可靠性以及组合微细加工的可行性。(1)使用ANSYS软件和组合微细加工实验系统，验证数学模型的可靠性。不锈钢微孔组合微细加工数值模拟的入口直径相对误差为0.84％，加工深度相对误差为12.80％。带涂层合金微孔组合微细加工数值模拟的入口直径相对误差为0.83％，出口直径相对误差为1.60％。相对误差均在15％范围内，模拟结果与实验结果一致，验证组合微细加工的数学模型的可靠性。(2)基于金相显微镜，研究不锈钢微孔、带涂层合金微孔的组合微细加工实验。研究结果表明:相对于单一激光微细加工，不锈钢微孔组合微细加工的材料表面无熔渣，微孔孔壁上也无再铸层。相对于单一电解微细加工，不锈钢微孔组合微细加工的效率、精度分别提高51.35％、30.43％。带热障涂层镍基合金微孔的入口处、出口处干净，无残渣，带涂层合金微孔孔壁上无再铸层。 通过本文的研究，表明了激光电解组合微细加工方法具有很好的工程应用前景，可用于指导裸金属微孔与带涂层合金微孔的无再铸层加工，构建的微细加工实验系统为该方法的工程应用奠定了基础。

目录

声明

摘要

图表目录

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1激光加工现状

1．2．2电解加工现状

1．2．3电火花加工现状

1．2．4水下激光加工现状

1．2．5水射流辅助激光加工现状

1．2．6激光辅助常规加工现状

1．2．7特种组合加工现状

1．3本文主要研究内容

2激光电解组合微细加工机理研究

2．1脉冲激光加工机理

2．1．1激光特性

2．1．2材料对激光的吸收与反射

2．1．3脉冲激光热效应加工过程

2．1．4再铸层与微裂纹的产生

2．1．5脉冲激光加工特点

2．2小间隙电解加工机理

2．2．1电解加工的基本原理

2．2．2法拉第定律与电流效率

2．2．3双电层理论

2．2．4电极极化

2．2．5小间隙电解加工机理及特点

2．3裸金属微孔激光电解组合微细加工方法及其机理

2．3．1脉冲激光加工中辅助气体的作用机理及影响

2．3．2裸金属微孔激光电解组合微细加工方法及其机理

2．3．3裸金属微孔激光电解组合微细加工特点

2．4带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工方法及其机理

2．4．1热障涂层纳秒紫外激光加工机理

2．4．2热障涂层电解液辅助纳秒紫外激光加工机理

2．4．3带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工方法及其机理

2．4．4带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工特点

2．5本章小结

3裸金属微孔激光电解组合微细加工模型研究

3．1裸金属微孔激光电解组合微细加工的数学模型

3．1．1裸金属微孔气体辅助毫秒脉冲激光微细加工的温度场模型

3．1．2裸金属微孔小间隙电解微细加工模型

3．2裸金属微孔激光电解组合微细加工过程模型

3．3裸金属微孔激光电解组合微细加工数值模拟

3．3．1裸金属微孔激光电解组合微细加工数值模拟参数

3．3．2裸金属微孔组合微细加工数值模拟流程

3．3．3裸金属微孔激光电解组合微细加工模拟结果分析

3．4本章小结

4带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工模型研究

4．1带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工的数学模型

4．1．1热障涂层微孔电解液辅助纳秒紫外激光微细加工的温度场模型

4．1．2镍基合金微孔小间隙电解微细加工的电场模型

4．2带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工过程模型

4．3带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工数值模拟

4．3．1带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工数值模拟参数

4．3．2带热障涂层镍基合金微孔组合微细加工数值模拟流程

4．3．3带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工模拟结果分析

4．4本章小结

5激光电解组合微细加工实验系统的研制

5．1激光电解组合微细加工实验系统设计方案

5．1．1裸金属微孔激光电解组合微细加工实验系统设计方案

5．1．2带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工实验系统设计方案

5．2激光电解组合微细加工的二次对刀方案

5．2．1裸金属微孔激光电解组合微细加工对刀方案

5．2．2带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工对刀方案

5．3激光传输聚焦系统

5．3．1毫秒脉冲激光传输聚焦系统

5．3．2纳秒紫外激光传输聚焦系统

5．4恒温电解液循环系统

5．4．1电解液恒温系统

5．4．2电解液净化系统

5．4．3液压循环系统

5．4．4电解液

5．5其它设备的选择

5．5．1毫秒脉冲激光器

5．5．2纳秒紫外激光器

5．5．3高频窄脉冲电源

5．6本章小结

6激光电解组合微细加工实验验证

6．1裸金属微孔激光电解组合微细加工实验验证

6．1．1裸金属微孔激光电解组合微细加工模型的实验验证

6．1．2不锈钢微孔组合微细加工参数对实验结果的影响

6．1．3不锈钢微孔激光电解组合微细加工工艺实验

6．2带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工实验验证

6．2．1带热障涂层镍基合金微孔激光电解组合微细加工模型的实验验证

6．2．2带热障涂层镍基合金微孔组合微细加工参数对实验结果的影响

6．2．3带热障涂层镍基合金微孔样件

6．3本章小结

7总结与展望

7．1论文总结

7．2工作展望

致谢

参考文献

附录