能量耦合模型的飞秒激光烧蚀面齿轮形貌研究

飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是去除材料的先进制造方法。本文依据烧蚀凹坑的深度与宽度和激光能量密度的关系得到材料的烧蚀阈值和影响重叠率的因素。考虑齿轮材料成分间互温感应效应与多脉冲激光累积效应,建立材料的能量复耦合模型。通过改变激光能量密度和脉冲数,研究飞秒激光烧蚀凹坑及齿面形貌表面的变化规律,得出脉冲数对烧蚀效果影响小,激光能量密度为1.730 J/cm2激光功率为1.9 W脉冲数N=3000进行烧蚀效果最好可得到最优的实际烧蚀面深度为17.604μm。

多脉冲飞秒激光精修面齿轮的烧蚀形貌研究

针对材质为18Cr2Ni4WA的面齿轮,采用飞秒脉冲激光烧蚀来提高其表面质量。建立电子-自旋-晶格三温复耦合模型,预测分析面齿轮材料电子、自旋和晶格单脉冲能量效应下的温度变化过程;结合多脉冲能量累积效应,进行面齿轮材料在激光能量密度为1.035~5.252 J/cm^(2)下烧蚀凹坑直径和深度演变规律的预测与实验分析。研究结果表明:脉冲数的增加并不会持续增大面齿轮表面的平衡温度,基本在30个脉冲时就保持不变;能量密度的增加会使烧蚀凹坑直径和深度持续变大,但变大的速率会持续降低;烧蚀凹坑形貌在能量密度为2.467 J/cm^(2)时最好;过大的扫描道间距会使被加工表面粗糙度值增加,扫描道间距为25μm时粗糙度值最低为0.185μm。

基于复耦合模型的面齿轮飞秒激光加工参数影响研究

分析了飞秒激光精微加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA的机理,在光子与电子,电子与晶格之间温度传递的双温模型的基础上建立了耦合动态热力学参数的复耦合模型,通过模型仿真分析,得出了电子与晶格的温度变化过程,预测了去除高于蒸发温度的材料烧蚀形貌。对面齿轮材料进行飞秒激光扫描加工实验,得出随着能量密度的增大,凹坑半径和深度都会有一定程度的增大,当能量密度为1.98 J/cm^(2)时,烧蚀形貌较好,当能量密度继续增大达到2.18 J/cm^(2)时,凹坑内部开始产生少量的熔融物堆积;随着脉宽的增大,形貌变化不大,但产生的熔融物逐渐减少,凹坑趋于平整;随着扫描速度的增大,沟槽的深度逐渐减小,宽度逐渐增大。采用三维超景深仪观测烧蚀形貌,实验结果与仿真结果基本一致,为飞秒激光精微加工面齿轮提供了依据。

等离子体冲击波效应对飞秒激光烧蚀面齿轮形貌的影响研究

利用烧蚀阈值理论,研究飞秒激光对面齿轮的烧蚀特征,得到了面齿轮的烧蚀阈值。建立烧蚀模型,计算仿真了飞秒激光在单脉冲与多脉冲烧蚀过程中的理论宽度与深度。利用等离子体冲击波传播半径随时间变化的规律,耦合飞秒激光多脉冲烧蚀时的表面残余温度变化,得到等离子体冲击波的动态反冲压力机理图,并得到飞秒激光加工过程中,等离子体冲击波动态反冲压力对烧蚀的凹坑形貌以及扫描隧道与烧蚀平面形貌变化的影响。通过试验验证飞秒激光对面齿轮进行隧道扫描时,随着扫描速度的增加,隧道的直线度降低。高功率条件下,增加相邻扫描道扫描间距,烧蚀后的齿面精度更高。

基于三温耦合模型的面齿轮材料烧蚀特征研究

针对飞秒激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA,建立了电子-自旋-晶格三温耦合模型。仿真分析了面齿轮材料在1.035、2.467、3.899、4.506和5.252 J/cm^(2)能量密度下,电子、自旋和晶格在单脉冲能量效应下30 ps内温度变化过程,通过试验研究了不同能量密度下烧蚀凹坑形貌和粗糙度等特征的演变关系。研究表明,自旋系统温度最终被晶格系统温度冷却,随着能量密度的增大,电子温度急剧上升且电子、自旋和晶格温度的平衡时间也增大。烧蚀凹坑的直径和深度随着能量密度的增加而变大,齿面粗糙度随着能量密度的增加并不会持续变小。试验验证了三温耦合模型仿真的面齿轮材料烧蚀特征,可为提高面齿轮加工质量提供参考。

飞秒激光加工面齿轮表面的能量耦合模型与齿面形貌研究

飞秒激光精微加工是用一种超短脉冲宽度、超高能量激光对材料进行精确去除的制造方法。考虑到面齿轮材料18Cr2Ni4WA成分间的互温感应,建立了飞秒激光烧蚀面齿轮材料的能量耦合模型,并仿真分析了不同能量密度下电子温度与晶格温度的变化过程。结果表明,电子温度随着激光能量密度的增大迅速增高且远大于晶格温度。用能量在0.320~5.255 J/cm^(2)范围内的激光观测面齿轮齿面烧蚀形貌并对齿面粗糙度进行检测,结果表明,烧蚀形貌光滑平整,粗糙度最低为0.265μm,与能量耦合模型的仿真分析结果基本一致,为提高面齿轮的表面质量研究提供了基础。