基于激光热辅助的Al2O3陶瓷磨削工艺研究

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氧化铝工程陶瓷作为典型的硬脆材料,具有高强度、高耐磨性、高硬度、低导热导电性和化学稳定性等优点,能够在恶劣的工作环境下保持稳定的性能,并且能够保持很高的机械强度和抗磨损的优异性能。工程陶瓷材料已经逐渐应用于化工、航空航天、石油勘探、冶金、机械、电子、国防及尖端科学技术领域和医疗领域,并且起到越来越重要的地位,已经成为现代工程结构材料的重要支柱之一,具有十分广阔的应用前景。激光辅助加工(LAM)被认为是提高陶瓷材料去除率的一种很有前途的技术,激光辅助加热是利用激光的高能量密度对材料进行加热使材料温度瞬间得以提升,可以改变陶瓷材料的脆性去除方式,也降低了陶瓷的屈服强度值低于断裂强度,降低了陶瓷材料的加工难度。本文的主要研究内容如下:(1)分析脆性材料在加工中去除机理,对脆性材料的塑性去除过程进行了理论分析,通过压痕断裂模型和磨粒磨削过程的几何模型对陶瓷材料脆塑性转变的临界深度和临界进给条件进行了分析。根据磨削几何模型和划痕裂纹扩展系统分析了磨削工艺参数对材料去除率的影响规律。(2)根据热传导理论建立激光加热氧化铝陶瓷时热传导的数学模型,并根据建立的理论模型及边界条件进行有限元仿真。用热电偶测温法对激光加热氧化铝陶瓷表面的温度进行了测量,通过温度的测量优化热传导有限元仿真模型的准确性。(3)通过激光加热氧化铝陶瓷的有限元仿真和温度测量实验相结合的方法求得氧化铝陶瓷对激光的加热的吸收系数,利用求得的吸收系数和优化的仿真模型研究不同激光参数对加热氧化铝陶瓷表面的温度场分布和纵向深度方向温度变化梯度,预测激光辅助加热磨削加工中激光工艺参数的选取范围。(4)搭建激光辅助加热磨削实验平台,对通过仿真预测的工艺参数进行实验优化,并利用优化的工艺参数进行激光辅助加热磨削加工和常规磨削加工的正交实验。对比激光辅助加热磨削加工和常规磨削加工的实验效果,分析两种工艺对加工表面质量的影响及砂轮磨损情况的影响。根据正交实验结果分析工艺参数对表面粗糙度影响的重要性,分析了激光辅助加热磨削加工的过程中工艺参数对表面粗糙度的影响规律。
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