激光辅助水射流微细加工氮化硅陶瓷的去除机理与工艺研究

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激光辅助水射流微细加工技术综合了激光无切削力、无污染和水射流无热损伤、加工范围广的优点。为了研究激光辅助水射流加工氮化硅陶瓷的性能和拓展该技术的应用范围,本论文研究了激光辅助水射流微细加工氮化硅陶瓷的去除机理及工艺。实验研究了激光辅助水射流加工工艺参数对微细切槽性能的影响。揭示了工件原始表面形貌对激光辅助水射流加工表面形貌的影响和材料去除机理。建立了激光辅助水射流微细铣削氮化硅陶瓷的槽深和表面粗糙度的预测模型。构建了基于BP神经网络的激光辅助水射流微细铣削氮化硅陶瓷微结构尺寸的预测模型。研究了激光烧蚀、水辅助激光和激光辅助水射流等技术加工氮化硅陶瓷时的加工性能,探讨了工艺参数对槽宽和槽深、表面粗糙度和热影响区宽度的影响。结果表明,激光辅助水射流加工技术能获得具有较大深宽比的槽形,其热损伤小于激光烧蚀和水辅助激光加工的热损伤。水射流压力对槽宽和热影响区宽度的影响最显著,激光脉冲能量对槽深的影响最显著,水射流冲击角度对表面粗糙度的影响最显著。研究了工件原始表面形貌对加工表面成形情况的影响。结果表明,加工氮化硅陶瓷的加工区存在热解区、氧化损伤区和软化变形区。工件原始表面的加工纹理不利于改善表面加工质量,在原始光滑表面上形成的热影响区小于在原始粗糙表面上形成的热影响区。研究了激光辅助水射流加工氮化硅陶瓷时的材料去除机理。结果表明,激光辅助水射流加工氮化硅陶瓷的材料去除机理是水射流冲击去除被激光加热软化的材料和激光照射核心区热解的材料。建立了槽深和表面粗糙度的预测模型,该模型的预测结果与实验结果基本吻合,误差较小。研究了工艺参数的交互作用对槽深和表面粗糙度的影响。横向偏置距离对槽深影响不显著,但对加工表面粗糙度影响显著;激光脉冲能量对槽深的影响最显著;水射流压力对表面粗糙度的影响最显著。激光脉冲能量与水射流压力的交互作用对槽深和表面粗糙度的影响最显著。实验证明激光辅助水射流微细加工技术微细铣削氮化硅陶瓷的微结构和微结构阵列是可行的。单个微槽的边界线平直完整,没有出现崩边和边缘热损伤。微槽阵列分布均匀,相邻微槽之间没有干涉。建立了基于BP人工神经网络的微结构尺寸预测模型,并进行了实验验证。结果表明,预测值和实验值之间具有较好的一致性,整体预测平均误差小于10%。
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