耐熱鋼Nd-YAG激光微孔加工數值仿真與試驗研究.pdf

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

2、研究。
　　首先，本文在激光與材料作用的一般規(guī)律的基礎上，研究激光與金屬材料作用的機理，分析激光打孔的物理過程，并介紹現有的激光打孔方式及其各自的特點與適用范圍。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學模型，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行深入分析;應用有限元熱分析軟件ANSYS12.0運行APDL程序進行數值仿真，分析不同脈沖個數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、礎上，進一步對不同脈沖個數作用下微孔輪廓的形成過程進行數值仿真，求解計算孔徑和孔深的仿真值，得出上孔徑和孔深隨脈沖個數變化的曲線圖，發(fā)現其變化規(guī)律均與實際激光打孔的作用相符，為試驗研究提供指導。
　　再次，選用0.8mm的耐熱鋼20Cr13為試驗材料，采用Nd∶YAG激光器進行激光微孔加工的試驗研究，并運用OLYMPUS BX51M光學顯微鏡進行觀察微小孔的質量（上、下孔徑、孔口堆積物、飛濺和熱影響區(qū)）;選擇脈沖能量、脈沖個數、脈

4、沖寬度、重復頻率和離焦量為研究對象，并采用單因素試驗方法系統(tǒng)研究各工藝參數對小孔質量的影響，比較分析不同脈沖能量和不同脈沖個數作用下小孔尺寸的仿真值與試驗值，對有限元數值仿真結果的準確性進行驗證。
　　最后，在單因素試驗法的基礎上，設計五因素五水平的正交試驗方案，以小孔的上、下孔徑和錐度為性能指標，采用極差分析方法，研究各工藝參數對小孔質量的影響程度;并對工藝參數進行優(yōu)化，得出能夠獲取較小上、下孔徑和小孔錐度的最優(yōu)工藝參數組合為: