激光-超精密磨削协同加工碳化硅的表面与亚表层损伤研究

摘要

激光微加工在多个工业工程领域和医学领域引起了广泛关注，因其超快的加工速度。然而，当使用聚焦激光束来进行局部材料去除时，尤其是纳秒激光，加工的表面、亚表层和附近区域容易受到热损伤。这样的损伤经常使加工的表面恶化。研究表明，加工零件的可靠性依赖于制造精度；因而改善零件表面和亚表层质量已经成为了激光加工领域的挑战性问题。
　　本课题主要实验研究了碳化硅(SiC)在纳秒激光-超精密磨削协同加工时的亚表层损伤。过去几十年中，已有研究者探究了加工工艺参数与产生的表面改变本质以及产品功能特性之间的关系。这背后的驱动力是对提升零件功能性、可靠性和耐用性的持续需求，因此，刺激了耐受性增强材料和高性能制造方法的发展，以适应极端负载条件和腐蚀环境。纳秒激光因其良好的微结构加工性能而闻名，它的微加工技术是精密加工硬脆材料的有效方法之一。尤其是在加工以碳化硅为代表的超硬材料时，体现出独特的优势。然而，激光加工时引起的亚表层损伤却不容忽视。在这方面，本文主要对其产生原因、损伤程度和通过超精密磨削避免或降低损伤影响进行了研究。
　　当加工碳化硅时，由于其固有本质，在加工的亚表层会出现微裂纹。由于该原因，加工效率很低。为了解决该问题，本课题中对纳秒激光微加工和超精密磨削后的碳化硅亚表层损伤进行了实验研究，以改善碳化硅的加工性能。
　　本课题中的实验工作包括激光加工和超精密磨削后的碳化硅亚表层损伤。在本课题中，碳化硅先被纳秒激光微加工。分析了工艺参数（激光功率、扫描速度、辅助气体气压、重复频率）对预加工工序的影响，即微槽的深宽比。
　　根据实验结果确定了最佳工艺参数，因为它对产品质量和成本有重要影响。在今天这个不确定性和激烈竞争并存的市场环境下，传统的反复试验法不足以满足全球化的巨大挑战。考虑到这一点，在本研究中优化激光加工工艺参数时采用了田口试验法。由于其实用性和鲁棒性，田口实验法在设计多参数问题的实验时已经获得了巨大的成功。
　　采用田口试验设计方法设计了本实验中的参数表，还采用田口试验设计方法研究了激光加工工艺参数交互作用。利用了田口正交试验表和信噪比(S/N)来寻找最佳工艺参数值，并分析了工艺参数对微槽深宽比的影响。在曲线图的帮助下，获得了最佳工艺参数值并进行了验证性实验。
　　采用最佳工艺参数值进行验证性实验是为了说明工艺优化的有效性，在仔细选用了优化过的工艺参数后；在碳化硅工件上使用纳秒脉冲激光加工了两个V形槽微结构。使用了共聚焦显微镜和扫描电子显微镜来分析截面形貌和亚表层损伤。检测结果为碳化硅的激光加工性能提供了有价值的深刻理解。
　　其中一个V形槽在被纳秒激光加工后就立即进行了检测分析研究，而另一个V形槽则在纳秒激光加工后又进行了超精密磨削，然后再进行了亚表层损伤研究。为了确定纳秒激光加工碳化硅的影响以及超精密磨削是否能消除或减轻纳秒激光加工带来的损伤，进行了亚表层损伤研究。本课题中的亚表层研究证明了超精密磨削可以减轻纳秒激光加工碳化硅时带来的损伤。

目录

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目录

Chapter 1 Introduction

1.1 Research Background

1.2 Research Motivation

1.3 Thesis contribution

1.4 Thesis organization

1.5 Literature review

1.6 Summary

Chapter 2 Laser Machining Principle and Application

2.1 Introduction

2.2 Application of laser

2.3. Laser material processing

2.4 Laser machining/micromachining processes

2.5 Laser cutting

2.6 Laser machining effects on materials

2.7 Nanosecond-Laser Ablation

2.8 Machined materials’ subsurface damage (SSD)

2.9 Summary

Chapter 3 Design of Experiment

3.1 Experimental procedure

3.2 Experimental details

3.3 Experimental Setup

3.4 Work material

3.5 Nanosecond pulse laser micro-machining

3.6 Experiment parameters’ optimization

3.7. Methodology

3.8 Result and discussion

Chapter 4 Subsurface damage investigation

4.1 Confirmation test

4.2 Material selection

4.3Nanosecond pulse laser micromachining

4.4 Microscopic imaging

4.5 Laser micromachining experimental result and discussion

4.6 precision grinding of specimen (B)

4.7 Imaging of post precision ground specimen B workpiece

4.8 Subsurface damage investigation of specimen A and B

4.9 Suggestions for Future Research work

4.10 Summary and Conclusion

参考文献

声明

致谢