耐熱鋼Nd-YAG激光微孔加工數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究.pdf

1、激光打孔是一項(xiàng)非常重要的激光加工應(yīng)用技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔方式，具有獨(dú)特的優(yōu)勢和不可替代的作用，如效率高、精度高、無機(jī)械應(yīng)力及無工具損耗等，已成為現(xiàn)代微小孔加工領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文基于目前國內(nèi)外對在耐熱鋼20Cr13上進(jìn)行激光打孔的研究還很少，且大多關(guān)于激光打孔的研究僅采用單因素試驗(yàn)方法分析工藝參數(shù)對小孔質(zhì)量影響的現(xiàn)狀，從激光與金屬材料作用的機(jī)理、有限元數(shù)值仿真和工藝試驗(yàn)研究三個(gè)方面對耐熱鋼20Cr13材料的激光微孔加工進(jìn)行深入

2、研究。
　　首先，本文在激光與材料作用的一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究激光與金屬材料作用的機(jī)理，分析激光打孔的物理過程，并介紹現(xiàn)有的激光打孔方式及其各自的特點(diǎn)與適用范圍。其次，基于有限元和熱分析理論，建立激光微孔加工過程的溫度場數(shù)學(xué)模型，對微孔加工過程中的瞬態(tài)非線性相變問題及其處理方法進(jìn)行深入分析;應(yīng)用有限元熱分析軟件ANSYS12.0運(yùn)行APDL程序進(jìn)行數(shù)值仿真，分析不同脈沖個(gè)數(shù)作用下激光微孔加工過程中的溫度場變化規(guī)律;在溫度場分析的基

3、礎(chǔ)上，進(jìn)一步對不同脈沖個(gè)數(shù)作用下微孔輪廓的形成過程進(jìn)行數(shù)值仿真，求解計(jì)算孔徑和孔深的仿真值，得出上孔徑和孔深隨脈沖個(gè)數(shù)變化的曲線圖，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律均與實(shí)際激光打孔的作用相符，為試驗(yàn)研究提供指導(dǎo)。
　　再次，選用0.8mm的耐熱鋼20Cr13為試驗(yàn)材料，采用Nd∶YAG激光器進(jìn)行激光微孔加工的試驗(yàn)研究，并運(yùn)用OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察微小孔的質(zhì)量（上、下孔徑、孔口堆積物、飛濺和熱影響區(qū)）;選擇脈沖能量、脈沖個(gè)數(shù)、脈

4、沖寬度、重復(fù)頻率和離焦量為研究對象，并采用單因素試驗(yàn)方法系統(tǒng)研究各工藝參數(shù)對小孔質(zhì)量的影響，比較分析不同脈沖能量和不同脈沖個(gè)數(shù)作用下小孔尺寸的仿真值與試驗(yàn)值，對有限元數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　最后，在單因素試驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)五因素五水平的正交試驗(yàn)方案，以小孔的上、下孔徑和錐度為性能指標(biāo)，采用極差分析方法，研究各工藝參數(shù)對小孔質(zhì)量的影響程度;并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出能夠獲取較小上、下孔徑和小孔錐度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為: